发布时间 : 星期五 文章基于PLC的机械手自动操作系统设计解读更新完毕开始阅读495f80a7abea998fcc22bcd126fff705cd175c59
本科毕业设计说明书（论文）
2 机械手整体结构设计
2.1 机械手概述
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在机械行业中，由于生产环节比较多，要想各环节协调运行需要大量的人力、物力、空间资源等，这样的生产方法成本高、效率低、复杂程度高。为了解决上述难题，本设计主要研究基于PLC控制机械手的自动运行。在过去的几十年里，机械手发展非常快，迅速发展成为一种高科技的自动化程度非常高的生产设备。机械手是机器人的一部分，也是属于机器人，它有机器人的部分特征，并且机械手可以通过简单的编程来实现它的自动化来完成各种预期的任务，它继承了人和机器人的一些特征和优点，尤其是有了人工智能，在生产过程中更加的准确和在各种环境下能够有效的工作。相对于我国来说，机械手有着更为广大的发展空间，也有利于提高国民经济的水平[3]。
2.2 机械手工作原理
机械手是一种通过一定的编程软件来对其进行自动定位和以多变的动作形式来实现预期的功能。它拥有多个自由度，在空间中能够灵活地自由运动。
执行元件、驱动元件和控制系统这三个部分组成了机械手。其中执行元件由手部、手臂和身躯构成。手部装在手臂的上端可以夹紧。机械手的手部可以模仿人的手指，因此非常的灵活。在本设计中主要是用到夹紧气缸，来完成对零件的夹紧和搬运功能。在设计中我们可根据被夹工件的大小和形状来装备各种各样的夹头，以便适应不同的操作需要。手臂是用来引导气爪能够准确地抓住工件，并把工件搬送到另一个工位上。一般机械手的运动有两种，一种是直线运动，另一种是旋转运动。身躯主要是用来安装手臂、动力源和各执行元件，而且它可以起到连接的作用。
驱动元件是用来驱动气爪来抓取工件也可以吸取工件，以达到预定的功能。可以随时改变被夹持工件件的位置。驱动元件的能够实现上升、下降、旋转、前后左右移动的这些动作，叫做机械手的自由度。自由度是机械手一个很重要的参数性能，机械手的自由度越高，则机械手的灵活性就会越高，它的结构就会越复杂，通用性就会越广，反之则越小。
本次设计对机械手整体机构进行控制，来完成特定的工作内容。通过一定的硬件控制系统对其编程来实现所有的功能，在此基础上加上传感器系统，进行运动的反馈工作，使其更加地稳定和精确[4]。
通过上面的有关知识，我们设计出了一套机械手，他总共有4个自由度，包括：
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手臂上下运动、手臂前后伸缩、气爪的夹紧、底座的旋转。其中，底座的旋转采用的是摆动气缸，手臂前后和上下运动选择的是带导向的气缸，保证气爪在抓取工件时的稳定性和可靠性，能够有效地抓取到工件，然后在每个极限位置加上传感器进行反馈，以实现机械手运动的精确性和平稳性[10]。
2.3 机械手整体控制要求
机械手运动控制要求一般为手动模式和自动控制模式。其中手动控制模式是适用于调试和安装的时候使用或者在出现机器发生故障的时候使用。本次课题所设计的是自动控制模式，通过对PLC编写特定的程序，机械手会按照一定的运动规律完成特定的动作，往往在设计中我们加入手动控制模式，这样便于安装和调试，当机械手出现故障的时候，可以用手动控制来检测故障点。通常在设计先确定控制方案，然后按照方案进行设计。如图2-3所示，机械手工作流程图：
图2-3 机械手工作流程图
在机械手控制系统的设计中，往往加入手动控制的方式。机械手的手动控制包括上升、下降、伸出、缩回、左摆、右摆、夹紧和放松等这些操作过程。一旦自动控制发生故障或者在第一次设备安装调试过程中，可以通过手动控制进行检测。
2.4 气动控制元件选型
2.4.1 单向阀
单向阀的气体的流动方向一般是单向的，当P口的气压大于活塞弹簧的压力时，活塞将会被打开，此时P口和A口将会联通，这时气体能够顺利通过。要使得单向阀保持通畅，需要气体有一定的压力来抵消弹簧的压力。如果气体反向进入单向阀中，不论压力多大，都不能使得反向阀流通，除非阀口被压力破坏。
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2.4.2 单向节流阀
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单向节流阀是由单向阀和节流阀组合而成的，带有压力的气体从P流向A，经过节流阀的作用，它只能向一个方向流动，这种方式常被用于调速和延时回路中。 2.4.3 先导式电磁阀
先导式电磁阀顾名思义它带有一个先导阀芯，要想电磁阀工作，我们要先打开先导阀芯，然后改变气体流动方向来打开主阀芯。这样的结合就是为了在频繁控制的场合多次开闭主阀芯，对其造成冲击和磨损。先导式电磁阀也分为单电控和双电控两种形式[5]。
2.5 执行机构
2.5.1 水平气缸
本设计中主要运用到气缸元件，气缸因为结构的不同可以分为两大类：膜片式和活塞式。在日常生活中，单作用分为两类：有杆活塞和无杆活塞。气动控制元件是将
压力能转化为机械能的一种装置，如：气缸和气动马达。
(1) 普通气缸
普通气缸是由缸筒机构、活塞杆、活塞装置、前后缸盖、密封圈和紧固零件等零件组成。缸筒前后盖四角有四根拉杆和螺母进行紧固。活塞中装有密封圈和导向磁性环，磁性环是用来产生一定的磁场，是活塞杆接近磁性开关的时候发出一定的型号，即可以在任何时候可以检测出活塞干的位置。
（2） 无杆气缸
无杆气缸利用活塞直接或间接方式来实现机构的往复运动，并且没有像普通气缸一样的刚性活塞杆。无杆气缸能够有效的节约空间，还能够有效地避免了有杆活塞和密封圈之间摩擦而带了的机械能的损失。与有杆气缸相比，它的行程推动力是双向的，特别适用于小缸径和长行程场合的试用。现在无杆气缸广泛的应用于数控机床、注塑机等开门装置中，通常也用于多功能的坐标机器人的输送线和抓取工件上。
(3) 摆动气缸
摆动气缸是指在空间中一定范围内进行一定角度的运动，它的运动的幅度是有一定的局限性。目前摆动气缸在工业中被广泛的应用，经常被应用受到限制或者转动角度较小的360度的回转工作部件上，其动作原理也是将压力能转换成机械能，摆动气缸有一定的摆角。
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2.5.2 升降导向气缸
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在机械手中往往不只有水平气缸，在本设计中也用到了升降导向气缸，通常为了完成抓取并将工件放置到目标工作台上，这时必须设置具有升降功能的气缸来完成特定的抓取任务。同时，为了避免气缸在工作的时候气缸会因为某些原因发生一定的偏转，所以在气缸中加了导向机构，防止发生不定性和歪斜。所以选择时必须要带有导向的气缸。带导杆的气缸的实物图,如图2-3所示：
图2-3 导向气缸
如图所示，气缸外连接板与转接板以及气爪进行连接，外连接板处安装有三根轴，中间的一根端部带有螺纹，与活塞杆一体的细长轴，在活塞的作用下带动外连接板运动。两边的两根光轴为导杆，与外连接板为过盈配合，在活塞杆带动外连接板运动时，两根导杆便随连接板一起运动，同时两导杆又限制了活塞杆的转动，使得活塞杆以及外连接板只能沿着导杆的方向进行运动，从而起到导向的作用。 2.5.3 气爪
机械手的气爪是用来实现抓取功能，是现代工业机械手重要组成部分之一。气爪抓取工件时要迅速、灵活、准确,其夹紧力不宜过大或者过小，则应该根据所夹取工件的外形、大小、尺寸来计算。同时考虑开口尺寸，以适应被抓工件的尺寸的不同，大大提升机械手的应用广度。同时还需要配备多种抓取机构，以必要时可以安装旋转气爪。
机械夹紧的方式运用是最广泛的。其中按气爪运动的方式可分为平移、平动、回转这三种。通过PLC来对电磁阀控制，驱动机械手爪的夹紧。
手爪由驱动元件、手爪零部件、传动机构、手指、垫片、附件等组成。以下介绍几种常见的气爪：
如图2.5（a）所示为平行移动的气爪，平行气爪通过两个活塞进行控制，成对心