仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)

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仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文第1篇

關(guān)鍵詞：PLC；機(jī)械手；控制

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0013-02

隨著工業(yè)機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，其已經(jīng)成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重要技術(shù)。在制造業(yè)不斷發(fā)展的今天，機(jī)械手一方面可以代替人工進(jìn)行生產(chǎn)線的作業(yè)，另外一方面機(jī)械手可以按照實(shí)際生產(chǎn)工藝的要求，按照一定的時(shí)間和程序設(shè)置來(lái)完成工作的卸載和傳送。機(jī)械手的廣泛應(yīng)用可以大大的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)。如果機(jī)械手采用傳統(tǒng)的繼電器進(jìn)行控制，則會(huì)直接造成系統(tǒng)原件比較繁雜、穩(wěn)定性差以及出現(xiàn)故障概率高的特點(diǎn)。隨著PLC技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過(guò)使用PLC來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，可以保證較高的可靠性和較低的故障率，使用起來(lái)也相對(duì)簡(jiǎn)單。本文通過(guò)采用可編程控制器PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得控制過(guò)程精確可靠，使得在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中變得明確和清晰。

1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)分析

本文的機(jī)械手設(shè)計(jì)案例以鍛造車間的機(jī)械手為例，該機(jī)械手處在高溫的操作環(huán)境之中，機(jī)械手所要實(shí)現(xiàn)的功能就是將高溫的鍛件棒材加持到鍛造工位的傳送帶上。實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料準(zhǔn)確的搬運(yùn)，替代人工操作，改善工作環(huán)境。機(jī)械手的液壓系統(tǒng)主要包括了液壓驅(qū)動(dòng)、手臂的升降和收縮等系統(tǒng)，再加上液壓馬達(dá)。液壓換向回路使用三位四通閥進(jìn)行控制。在機(jī)械手設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）鍛件的重量較大，機(jī)械手應(yīng)該具備較大的夾緊力。同時(shí)工件在移動(dòng)的過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)較大的慣性，保證工件不會(huì)脫落。（2）機(jī)械手的手指應(yīng)該具備一定的夾角，手指的開(kāi)閉角直接影響著工件能否順利的加持到鍛造工位上，對(duì)于手指的開(kāi)閉幅度具有嚴(yán)格的要求；（3）機(jī)械手應(yīng)該保證工件在搬運(yùn)過(guò)程中的準(zhǔn)確定位，必須要根據(jù)鍛造工件的形狀來(lái)選擇機(jī)械手手指的形狀；（4）由于鍛件處在高溫狀態(tài)，在加持過(guò)程中應(yīng)該保證機(jī)械手具有較高的強(qiáng)度，另外機(jī)械手的結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量緊湊，使得機(jī)械手的重心能夠維持在手臂的回轉(zhuǎn)軸線上。（5）在機(jī)械手設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該考慮到被抓工件的要求。如果是圓柱形鍛件，則應(yīng)該考慮使用V型手指，圓球形的工件考慮采用三指狀的手指，方便加持工件。對(duì)于那些表面質(zhì)量要求比較高的工件，應(yīng)該在機(jī)械手的手指上加上泡沫墊片，防止加持部位的損壞。

2 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 PLC可編程控制器介紹

機(jī)械手所使用的PLC控制器主要包括了CPU、信號(hào)輸入模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、CPU擴(kuò)展單元以及編程模塊。CPU相當(dāng)于PLC的心臟，完成對(duì)輸入信號(hào)和數(shù)據(jù)的處理，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。對(duì)于輸入和輸出模塊而言，輸入的信號(hào)主要有分為兩個(gè)類別，分別為電壓信號(hào)和電流信號(hào)，如果外在的信號(hào)比較尖銳，則會(huì)造成PLC的CPU損壞。另外為了控制外來(lái)的負(fù)載的額度，可以通過(guò)小型繼電器的使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)外來(lái)負(fù)載的隔離。在PLC中編程器主要是用來(lái)檢測(cè)各種信號(hào)的運(yùn)行狀態(tài)，一般使用編程器的狀況為邏輯輸入有誤或者需要檢修的時(shí)候。本文中的PLC電源使用的是24V直流電源或者220V的交流電源，機(jī)械手的PLC控制器選擇類型為西門子20EDR-1，有兩個(gè)輸入和輸出模塊，在A/D轉(zhuǎn)換方面選擇AD041型號(hào)，所設(shè)計(jì)的PLC框架如圖1所示。

其中PLC的基本參數(shù)如表1所示。

本系統(tǒng)的輸入電流信號(hào)范圍是5-23mA，對(duì)應(yīng)的十六位進(jìn)制為0000-1770。用于補(bǔ)碼的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)范圍是3.2-4mA，當(dāng)輸入電流信號(hào)小于3.2mA時(shí)，斷線檢測(cè)的功能將會(huì)被充分啟用，并且將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為8000。首先對(duì)于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換方面，在CPU模塊中不能進(jìn)行量程控制字符的改變，如果需要改變，則必須進(jìn)行斷電后重新操作。

2.2 機(jī)械手位移傳感器的選擇

位移傳感器的選擇對(duì)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)具有重要的意義，機(jī)械手臂的升降和旋轉(zhuǎn)都需要位移傳感器的作用，還應(yīng)該把位移數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的顯示在屏幕上，主要目的就是滿足機(jī)械手臂的位移和速度測(cè)定。目前通用的傳感器為光柵位移傳感器，當(dāng)傳感器的兩塊光柵的位置發(fā)生相對(duì)變化時(shí)，光敏電阻發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)傳遞，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘?hào)，實(shí)現(xiàn)了位移的精確測(cè)量。除了直線位移傳感器外，還需要安裝角位移傳感器，角位移傳感器的類型為E6W5-2014。最后機(jī)械手指在加持工件的過(guò)程中，需要安裝壓力傳感器，其中輸出信號(hào)范圍是5-60mA，電源選擇24V直流電源。在機(jī)械手觸摸屏的選擇方面，要求有兩個(gè)，首先就是要內(nèi)存要大，能夠存儲(chǔ)較多的數(shù)據(jù)，分辨率要大和較高的顯示亮度；其次PLC觸摸屏要有串行通信功能，更好的方便PLC與機(jī)械手臂之間的通信。

3 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與步進(jìn)電機(jī)選擇

3.1 機(jī)械手PLC總控制程序的設(shè)計(jì)

在機(jī)械手臂的下降和上升的程序設(shè)計(jì)中，只是兩者的輸入和輸出的地址不同。在壓力檢測(cè)方面，只有檢測(cè)到鍛件毛坯夾緊以后才可以進(jìn)行下一步的位移動(dòng)作，所以首先應(yīng)該進(jìn)行壓力的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了壓力數(shù)值的顯示。本文還通過(guò)CAE的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的啟停與位移控制，減少PLC控制器的安裝面的位置，可以將啟動(dòng)按鈕與停止按鈕進(jìn)行合并。同時(shí)為了確定機(jī)械手臂是處于手動(dòng)工作模式還是處在連續(xù)工作模式，需要進(jìn)行連續(xù)工作模式按鈕，可以根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況來(lái)調(diào)整機(jī)械手臂的位置。同時(shí)為了保證機(jī)械手的正常運(yùn)行，機(jī)械手在每一個(gè)工作周期內(nèi)都要進(jìn)行初始位置的檢驗(yàn)，如果不是回到初始位置，則應(yīng)該執(zhí)行回到回轉(zhuǎn)原點(diǎn)的操作。和啟動(dòng)的程序一樣，機(jī)械手臂工作的運(yùn)行方式也是通過(guò)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)的，手動(dòng)按鈕可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各種動(dòng)作操作，從而滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，只需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，盡量減少機(jī)械手的行程。在經(jīng)過(guò)CAE軟件操作的優(yōu)化的過(guò)程中，可以通過(guò)以下結(jié)果步驟來(lái)進(jìn)行，首先應(yīng)該對(duì)機(jī)械手臂的模型進(jìn)行優(yōu)化，建立相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括各種零件的設(shè)計(jì)以及機(jī)械手自由度的設(shè)計(jì)；其次，對(duì)機(jī)械手的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬，測(cè)試模型設(shè)計(jì)是否能夠滿足生產(chǎn)需求；然后細(xì)化設(shè)計(jì)模型，建立設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，得到性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。本文根機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)要求將機(jī)械手的抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而繪制PLC控制流程圖，通過(guò)對(duì)梯形圖控制程序的編寫(xiě)，滿足了實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械手的工位需求。

3.2 步進(jìn)電機(jī)選擇

三相步進(jìn)電機(jī)通常將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰菩盘?hào)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是依靠角度的不斷移動(dòng)而進(jìn)行的。通過(guò)對(duì)電脈沖數(shù)量的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)位移的控制。在步進(jìn)電機(jī)的選擇方面，本文采用的是三菱公司的橫軸和縱軸位移的機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)，最大使用電流為3A。另外PLC啟動(dòng)技術(shù)的控制與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比，具有價(jià)格低廉和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)代化的PLC啟動(dòng)技術(shù)可以分為感知系統(tǒng)、控制程序、主機(jī)CPU部分以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)部分。在使用CAE進(jìn)行軟件仿真模擬的過(guò)程中，通過(guò)使用鍛件的抓取機(jī)構(gòu)為實(shí)際性能的優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)次優(yōu)化和坐標(biāo)位置優(yōu)化，使得機(jī)械手臂的抓緊力由3.5MN轉(zhuǎn)變?yōu)?0.56MN。通過(guò)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以有效的模擬機(jī)械手在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的抓取行為，現(xiàn)夾緊力的不斷提高，具有較大的實(shí)際成產(chǎn)意義。表2位本PLC系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的基本參數(shù)。

四個(gè)自由度的機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)具有一定的普遍性和實(shí)用性，在PLC控制的模式下，實(shí)現(xiàn)鍛件從一個(gè)位置運(yùn)送至另一個(gè)位置，準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)位置定位和完成各項(xiàng)動(dòng)作。在實(shí)際操作的過(guò)程中可以通過(guò)觸摸屏完成各項(xiàng)操作和讀取機(jī)械手實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)，包括壓力和位移數(shù)值等信息，方便對(duì)機(jī)械手進(jìn)行很好的控制。

4 結(jié)語(yǔ)

PLC控制技術(shù)在機(jī)械手設(shè)計(jì)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，從而使得機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文在分析參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，借鑒傳統(tǒng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，對(duì)適用于工廠鍛件搬運(yùn)的機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了CAE模擬仿真和設(shè)計(jì)。首先對(duì)機(jī)械手液壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的分析，得到機(jī)械手控制的三個(gè)關(guān)鍵因素；然后對(duì)適合機(jī)械手的PLC控制器、壓力和位移傳感器進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)參數(shù)選擇，同時(shí)還對(duì)整體程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)闡述，希望能夠給以后的機(jī)械手PLC控制設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值

參考文獻(xiàn)

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[2]鄒立連.一種汽車覆蓋件自動(dòng)化沖壓線改造的實(shí)際應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2004，26（12）：73-74.

仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文第2篇

論文關(guān)鍵詞：PLC,三維機(jī)械手,步進(jìn)控制

隨著自動(dòng)化控制領(lǐng)域的不斷發(fā)展，智能機(jī)械手的不斷推新，機(jī)器人手臂的智能化程度不斷提升，連續(xù)多角度控制的機(jī)器人手臂的出現(xiàn)，給機(jī)械手的教學(xué)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。原來(lái)的教學(xué)機(jī)械手均以兩維空間模擬仿真教學(xué)為主。自2007年全國(guó)電工電子技能大賽以來(lái)，三維空間的機(jī)械手的教學(xué)需求尤為突出。

一、三維機(jī)械手的硬件結(jié)構(gòu)

圖1所示是該三維機(jī)械手的實(shí)物圖。整個(gè)三維機(jī)械手能完成八個(gè)自由度動(dòng)作，手臂伸縮、手臂旋轉(zhuǎn)、手爪上下、手爪緊松。手爪提升氣缸采用雙向電控氣閥控制，氣缸伸出或縮回可任意定位。磁性傳感器用來(lái)檢測(cè)手爪提升氣缸處于伸出或縮回位置。手爪抓取物料由單向電控氣閥控制，當(dāng)單向電控氣閥得電，手爪夾緊磁性傳感器有信號(hào)輸出，指示燈亮，單向電控氣閥斷電，手爪松開(kāi)。旋轉(zhuǎn)氣缸用來(lái)控制機(jī)械手臂的正反轉(zhuǎn)，由雙向電控氣閥控制。接近傳感器用來(lái)判斷機(jī)械手臂正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)到位后，接近傳感器信號(hào)輸出。雙桿氣缸用來(lái)控制機(jī)械手臂伸出、縮回，由雙向電控氣閥控制。氣缸上裝有兩個(gè)磁性傳感器，檢測(cè)氣缸伸出或縮回位置。緩沖器對(duì)旋轉(zhuǎn)氣缸高速正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)到位時(shí)，起緩沖減速作用。

二、三維機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程

圖2所示是該三維機(jī)械手的動(dòng)作示意圖。當(dāng)需將工件有右工作臺(tái)搬至左工作臺(tái)時(shí)，在按下啟動(dòng)的時(shí)候，右工作臺(tái)傳感器判斷有無(wú)工作，若有機(jī)械手動(dòng)作，若無(wú)，機(jī)械手停止。當(dāng)機(jī)械手左旋并前伸到位準(zhǔn)備下降時(shí)，為了確保安全，必須在左工作臺(tái)上無(wú)工件時(shí)才允許機(jī)械手下降。也就是說(shuō)，若上一次搬運(yùn)到左工作臺(tái)上的工件尚未搬走時(shí)，機(jī)械手應(yīng)自動(dòng)停止下降。

圖1 三維機(jī)械手實(shí)物圖 圖2三維機(jī)械手動(dòng)作示意圖

三維機(jī)械手的工作過(guò)程為：（1）從原點(diǎn)開(kāi)始前伸；（原點(diǎn)位置為機(jī)械手右旋到限位，手臂縮回，手爪上升到上限位，手爪放松）（2）到前限位后開(kāi)始下降；（3）倒下限位后，機(jī)械手加緊工件，延時(shí)2s；（4）上升；（5）到上限位后，縮回；（6）到后限位后，左旋；（7）到左限位后，前伸；（8）到前限位后，下降；（9）到下限位后，機(jī)械手松開(kāi)，延時(shí)2s；（10）上升；（11）到上限位后，縮回；（12）到后限位后，右旋，返回原點(diǎn)。

根據(jù)三維機(jī)械手的工作過(guò)程及要求，可以畫(huà)出機(jī)械手的動(dòng)作流程圖，如圖3所示。

圖3 機(jī)械手動(dòng)作流程圖 圖4機(jī)械手狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

三、PLC硬件的選擇和I/O點(diǎn)分配

PLC的種類非常多，根據(jù)三維機(jī)械手的控制要求，由于其輸入、輸出節(jié)點(diǎn)少，要求電氣控制部分體積較小，成本低，并能夠用計(jì)算機(jī)對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控和管理，故選用日本三菱（MITSUBISHI）公司生產(chǎn)的多功能小型FX1N-40MR-001主機(jī)。該機(jī)型合計(jì)有輸入輸出點(diǎn)40個(gè)，其中24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，采用繼電器方式有觸點(diǎn)輸出，能交流、直流負(fù)載兩用。內(nèi)部主要有：輔助繼電器1280個(gè)，其殊功能輔助繼電器256個(gè)，斷電保持輔助繼電器1152個(gè)；狀態(tài)繼電器1000個(gè)；定時(shí)繼電器256個(gè)；計(jì)數(shù)繼電器256個(gè)；數(shù)據(jù)寄存器8256個(gè)。

根據(jù)圖3所示的三維機(jī)械手動(dòng)作流程圖，確定電氣控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配，如表1所示。

根據(jù)圖3流程圖和表1的I/O分配表，可以編制出機(jī)械手的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖4所示。

四、控制程序的設(shè)計(jì)方法及編程運(yùn)行

常用的PLC程序設(shè)計(jì)方法有經(jīng)驗(yàn)法和順序功能法。根據(jù)圖4狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，編制的步進(jìn)梯形圖程序如圖5所示。

表1 三維機(jī)械手控制I/O分配表

輸入

輸出

名稱

輸入點(diǎn)

名稱

輸出點(diǎn)

停止

SB1

X0

手爪緊/松氣缸閥

YV1

Y1

啟動(dòng)

SB2

X1

手臂氣缸伸出閥

YV2

Y2

物品檢測(cè)傳感器

SQ0

X2

手臂氣缸縮回閥

YV3

Y3

氣動(dòng)手爪傳感器

SQ1

X3

提升氣缸下降閥

YV4

Y4

旋轉(zhuǎn)左限位接近傳感器

SQ2

X4

提升氣缸上升閥

YV5

Y5

旋轉(zhuǎn)右限位接近傳感器

SQ3

X5

旋轉(zhuǎn)氣缸左移閥

YV6

Y6

伸出臂前點(diǎn)限位傳感器

SQ4

X6

旋轉(zhuǎn)氣缸右移閥

YV7

Y7

縮回臂后點(diǎn)限位傳感器

SQ5

X7

提升氣缸上限位傳感器

SQ6

X10

提升氣缸下限位傳感器

SQ7

X11

圖5 步進(jìn)控制梯形圖

圖5中，M8044是用作原點(diǎn)條件，判斷機(jī)械手是否在原點(diǎn)開(kāi)始工作。

如果要實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)，在圖5的步進(jìn)控制梯形圖中，將普通輔助/計(jì)時(shí)/狀態(tài)繼電器均換成斷電保護(hù)型。

上電后，直接初始狀態(tài)繼電器S0，在滿足原點(diǎn)條件繼電器M8044下，按下啟動(dòng)按鈕SB2，X1得電，進(jìn)入等待狀態(tài)繼電器S20；此時(shí)物品檢測(cè)傳感器SQ0檢測(cè)到上料端有料，X2得電，進(jìn)入機(jī)械手臂伸出狀態(tài)S21；機(jī)械手伸出Y2得電，機(jī)械手前伸到前限位時(shí)，進(jìn)入機(jī)械手下降狀態(tài)；機(jī)械手下降Y4得電，機(jī)械手下降到下限位時(shí)，進(jìn)入機(jī)械手抓料延時(shí)狀態(tài)；機(jī)械手抓緊并延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，進(jìn)入機(jī)械手上升狀態(tài)…………如此，每當(dāng)該步動(dòng)作到位，限位條件滿足時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移進(jìn)入下一工作步，進(jìn)行動(dòng)作。

需要停止時(shí)，按下停止按鈕SB1,X0得電，停止標(biāo)志繼電器M0得電并自鎖，當(dāng)機(jī)械手右旋到有限位時(shí)，如果停止標(biāo)志有信號(hào)，則機(jī)械手回到初始狀態(tài)，如果停止標(biāo)志沒(méi)有信號(hào)，則機(jī)械手進(jìn)行下一周期的搬運(yùn)工作。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文以三維機(jī)械手為例介紹了日本三菱MITSUBISHI公司生產(chǎn)的FX1N系列微型可編程控制器在步進(jìn)控制中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。闡述了三維機(jī)械手的動(dòng)作原理，設(shè)計(jì)要求，程序設(shè)計(jì)方法等。本文介紹的程序在實(shí)際生產(chǎn)和各屆各級(jí)電工電子技能大賽中獲得成功的應(yīng)用。

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仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文第3篇

摘 要 通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)、制造及其自動(dòng)化專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，總結(jié)大學(xué)所學(xué)的知識(shí)，對(duì)工業(yè)機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，以及實(shí)際操作中的應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了一種圓柱坐標(biāo)形式的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手。重點(diǎn)針對(duì)機(jī)械手的手爪、手腕、手臂、腰座等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)（傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)其控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算。基于PLC對(duì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入細(xì)致的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)機(jī)械手作業(yè)的工藝過(guò)程和控制要求的分析，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件電路，同時(shí)編制了機(jī)械手的控制程序。設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 機(jī)械手 PLC 液壓伺服定位 電液系統(tǒng)

由于工業(yè)自動(dòng)化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對(duì)工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動(dòng)化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動(dòng)化機(jī)械以取代人的勞動(dòng)，滿足工業(yè)自動(dòng)化的需求。其中機(jī)械手是其發(fā)展過(guò)程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，可以說(shuō)是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。但目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)具有重要意義。

一、設(shè)計(jì)目的

目前，我國(guó)大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險(xiǎn)性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。為了提高工作效率，降低成本，并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，針對(duì)具體生產(chǎn)工藝，結(jié)合機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化和無(wú)人化。

二、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)外各種機(jī)械手和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢(shì)如下：

1．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。

2．工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，結(jié)構(gòu)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。

3．機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進(jìn)了視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、接觸覺(jué)傳感器，使其向智能化方向發(fā)展。

4．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)械手開(kāi)發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

5．焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。

三、具體設(shè)計(jì)方案

由于機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，且考慮到搬運(yùn)工件的重量較大（質(zhì)量達(dá)30KG），以及機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式。通過(guò)液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，因此不用再額外設(shè)計(jì)執(zhí)行件；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。

由于液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都較容易實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵在于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的設(shè)計(jì)。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是液壓缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。

同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過(guò)增大液壓缸的直徑來(lái)增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過(guò)增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問(wèn)題。

總的來(lái)說(shuō)，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，性價(jià)比高，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。

參考文獻(xiàn)：

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仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文第4篇

關(guān)鍵詞：六自由度；機(jī)械臂；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP241.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

六自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制硬件分別是機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)電路的底層控制、遠(yuǎn)程通信以及遠(yuǎn)程控制、視覺(jué)傳感和輔助傳感系統(tǒng)和上層控制的人機(jī)交互。

在整個(gè)自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)中，上位機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能是給操作者提供良好的人機(jī)交互界面，而且機(jī)械臂的操作能夠通過(guò)配套的便攜手柄而實(shí)現(xiàn)，所以上位機(jī)要對(duì)手柄所發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行有機(jī)的掌握和控制，對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)的控制還需要上位機(jī)系統(tǒng)給出，同時(shí)還要將下位機(jī)及機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息能夠及時(shí)反饋給操作者。操作手柄和下位機(jī)作為移動(dòng)設(shè)備而言，上位機(jī)控制系統(tǒng)除了能夠提供有線的控制，還要提供相應(yīng)的無(wú)線通信系統(tǒng)，其控制的有效距離在100米左右實(shí)現(xiàn)控制的指令和運(yùn)動(dòng)反饋的信號(hào)達(dá)成。在移動(dòng)載體的設(shè)計(jì)上，除了放置機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)抓取的射線圖像檢測(cè)儀，機(jī)械臂和車身上還裝置了兩臺(tái)CCD攝像機(jī)和兩個(gè)自由度的云臺(tái)，并相應(yīng)地配備錄像機(jī)以對(duì)排爆過(guò)程進(jìn)行全程的記錄。這些信息的反饋就是通過(guò)無(wú)線圖像模塊實(shí)現(xiàn)的。

在機(jī)械臂手部的設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)闄C(jī)器人的抓手在整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)中作為最末端的執(zhí)行器，在抓取和實(shí)現(xiàn)操作工作的時(shí)候，其可以根據(jù)需要分為鉗式和吸附式。在這個(gè)層面上我們主要考慮的是機(jī)械臂在進(jìn)行工具抓取的時(shí)候，需要采用鉗式的爪手，在爪手上的電機(jī)，我們選擇的是MICRO-STd伺服電機(jī)，在電機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)上，要保證電力能夠在最小的空間占比和最輕的質(zhì)量占比，從而滿足于機(jī)械臂的靈活性。在機(jī)器人的機(jī)械臂設(shè)計(jì)中，機(jī)械臂是由四到五個(gè)伺服的電機(jī)組成的，對(duì)伺服電機(jī)的控制能夠保障機(jī)械臂在不同使用需求上的不同位置和方向的自由變化。機(jī)械臂的手臂電機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了滿足其靈活性，選擇的是金屬齒輪的伺服電機(jī)。在六自由度機(jī)械臂的手腕處，我們采用與爪手處相同的伺服電機(jī)，為了能夠更好地保證對(duì)工具的夾持和手腕部的回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，六自由度機(jī)械臂在其底座的設(shè)計(jì)上，我們選擇合金壓鑄技藝，從而使得底座能夠支撐起整個(gè)手臂的重量，保障其在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的伺服機(jī)而言，其主要有三條引線，分別為電源線VCC、接地線以及控制信號(hào)的傳播線。

2.控制器的設(shè)計(jì)

在對(duì)六自由度機(jī)械臂的控制器的設(shè)計(jì)上，主要采用單片機(jī)作為主控制器，通過(guò)雙電源為控制機(jī)和伺服電機(jī)進(jìn)行供電，從而保障機(jī)械臂的正常使用。在串口與電腦以及其他單片機(jī)的通信上、在單片機(jī)的電源設(shè)計(jì)上、在電路板的正面部分設(shè)計(jì)了三個(gè)電源的輸入口，其中中間部分的輸入口作為單片機(jī)的電源輸入。在伺服電機(jī)的電源設(shè)計(jì)上，其輸入的電壓我們要控制在4.8V～6V之間，伺服電機(jī)上下兩側(cè)的電源分別為1～6路伺服電機(jī)供電和17～32路的電機(jī)供電。在六自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中，由于需要使用六路，從而在改設(shè)計(jì)中僅一側(cè)的電源就能夠保障滿足供電的需求。

3.VB控制軟件的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)端口的連接和設(shè)置上，主要通過(guò)使用串口，使電腦與設(shè)置好的端口和控制器達(dá)成良好的通信。在設(shè)計(jì)界面上，我們可以對(duì)奇偶校驗(yàn)、停止位、數(shù)據(jù)位、比特率這幾個(gè)方面進(jìn)行選擇設(shè)置。

對(duì)于通道控制，通過(guò)對(duì)多路伺服電機(jī)控制器的有效設(shè)置，對(duì)機(jī)器手臂實(shí)現(xiàn)從上到下的伺服電機(jī)順序編號(hào)，將編號(hào)分別對(duì)應(yīng)到爪手到底盤(pán)處的六個(gè)伺服電機(jī)，通過(guò)拖動(dòng)任意的數(shù)值拖動(dòng)條，實(shí)現(xiàn)爪手控制。

在速度的調(diào)節(jié)問(wèn)題上，因?yàn)檎{(diào)節(jié)的速度能夠?qū)λ欧姍C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，在系統(tǒng)設(shè)置中，過(guò)大的數(shù)值調(diào)度會(huì)影響到機(jī)械臂的使用，系統(tǒng)默認(rèn)的最佳值為300。

在六自由度機(jī)械手的控制O計(jì)過(guò)程中，為了能夠與保障機(jī)械手完成復(fù)雜和煩瑣的工作，因此在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，本文就對(duì)VB控制軟件下的六自由度機(jī)械臂進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)：

仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文第5篇

機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)課程的地位

機(jī)電專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)課程集合了氣壓技術(shù)、液壓技術(shù)、電機(jī)與電氣控制、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、PLC及其自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等相關(guān)課程，融合了實(shí)訓(xùn)和生產(chǎn)，是機(jī)電專業(yè)學(xué)生頂崗實(shí)習(xí)前的綜合課程。

對(duì)五年制高職教育而言，由于培養(yǎng)目標(biāo)定位在為企業(yè)培養(yǎng)高技能型人才上，通過(guò)機(jī)電專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的提升、職業(yè)能力的培養(yǎng)、創(chuàng)新思維的發(fā)展，緊扣機(jī)電專業(yè)核心技術(shù)，即檢測(cè)、控制與執(zhí)行三大環(huán)節(jié)展開(kāi)，同時(shí)需具備一定的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

綜合實(shí)訓(xùn)課程建立在機(jī)電結(jié)合的基礎(chǔ)上，企業(yè)調(diào)查結(jié)果顯示，機(jī)電設(shè)備的控制很多都采用PLC作為控制系統(tǒng)。對(duì)機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)課程，選擇某生產(chǎn)流程的模擬控制系統(tǒng)為實(shí)訓(xùn)載體，通過(guò)模擬仿真控制，掌握生產(chǎn)崗位的控制技術(shù)，吳中中等專業(yè)學(xué)校選用了光機(jī)電一體化設(shè)備YL-235A自動(dòng)化生產(chǎn)加工系統(tǒng)。

PLC在機(jī)電一體化設(shè)備教學(xué)中的應(yīng)用

1.PLC在機(jī)電一體化設(shè)備中的功能

整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)PLC控制，各個(gè)環(huán)節(jié)有序結(jié)合。該裝置配置了觸摸屏模塊、PLC、變頻器裝置、氣動(dòng)裝置、傳感器、氣動(dòng)機(jī)械手裝置、上料器、送料傳動(dòng)和分揀裝置等實(shí)訓(xùn)機(jī)構(gòu)。根據(jù)其特有的屬性，系統(tǒng)的控制部分采用觸摸屏模塊和PLC，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)電磁閥-氣缸構(gòu)成的氣壓驅(qū)動(dòng)裝置和變頻器控制步進(jìn)電機(jī)的傳送裝置，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。整個(gè)實(shí)訓(xùn)裝置的模塊之間連接方式采用安全導(dǎo)線連接，以確保實(shí)訓(xùn)操作的安全。系統(tǒng)分三大模塊：

（1）送料機(jī)構(gòu)的控制

采用24 V直流減速電機(jī)，轉(zhuǎn)速6 r/min；用于驅(qū)動(dòng)放料轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，PLC通過(guò)輸入信號(hào)發(fā)出輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)送料機(jī)構(gòu)運(yùn)行。

（2）機(jī)械手感應(yīng)機(jī)構(gòu)的控制

整個(gè)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)能完成四個(gè)自由度動(dòng)作，手臂伸縮、手臂旋轉(zhuǎn)、手爪上下、手爪松緊。機(jī)械手的動(dòng)作通過(guò)磁性開(kāi)關(guān)和接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)信號(hào)傳送給PLC，PLC根據(jù)內(nèi)部程序執(zhí)行發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電磁閥-氣缸完成機(jī)械手的動(dòng)作。

（3）物料傳送和分揀機(jī)構(gòu)的控制

由皮帶輸送、推料氣缸、變頻器、步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，PLC通過(guò)感應(yīng)信號(hào)發(fā)出輸出信號(hào)給變頻器，變頻器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料的傳送，通過(guò)傳感器感應(yīng)信號(hào)，使得PLC驅(qū)動(dòng)電磁閥-推料氣缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)物料分揀。

2.PLC在機(jī)電一體化設(shè)備控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)方法

建立一個(gè)PLC控制系統(tǒng)，必須根據(jù)被控系統(tǒng)所要求的動(dòng)作，正確分配I/O口，綜合應(yīng)用順序功能圖，完成梯形圖的設(shè)計(jì)，達(dá)到所預(yù)定的動(dòng)作過(guò)程。

順序控制設(shè)計(jì)法是按照工藝要求，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間順序，在生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地有序地進(jìn)行操作。首先要根據(jù)工藝過(guò)程，畫(huà)出順序功能狀態(tài)圖，然后根據(jù)順序功能圖畫(huà)出梯形圖。

順序功能圖是描述控制系統(tǒng)控制過(guò)程、功能和特性的一種圖形，是描述控制系統(tǒng)控制過(guò)程的一種有力工具。利用順序功能圖的方法已經(jīng)成為控制梯形圖設(shè)計(jì)的主要方法。利用PLC的編程元素（如狀態(tài)寄存器S和輔助繼電器M）來(lái)代替各步。

順序功能圖由工步、有向線段、轉(zhuǎn)換條件和動(dòng)作組成。順序功能圖的基本結(jié)構(gòu)又分為三種：?jiǎn)涡蛄小⑦x擇序列和并行序列三種形式。如圖1所示：

3.PLC在機(jī)電一體化設(shè)備中的教學(xué)方法

機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)課程采用項(xiàng)目、任務(wù)型教學(xué)，打破教材本身的框架，圍繞PLC課程在設(shè)備中的應(yīng)用展開(kāi)，將其分解成若干個(gè)小任務(wù)，結(jié)合實(shí)際操作，了解該設(shè)備所能完成的任務(wù)和工作流程，分析設(shè)備的硬件組成和各元件功能。通過(guò)實(shí)際拆裝、編程與調(diào)試、故障診斷、維修及保養(yǎng)等，掌握該設(shè)備的裝配、操作和維護(hù)的能力。

實(shí)訓(xùn)課程采取階段式訓(xùn)練，并將企業(yè)的6S管理融入教學(xué)過(guò)程中。

1.設(shè)備認(rèn)知，熟悉設(shè)備和設(shè)備元件，拆裝注意事項(xiàng)，安全用電等。

2.掌握知識(shí)，掌握設(shè)備需具備的理論知識(shí)和操作步驟，注意細(xì)節(jié)，融入平時(shí)所積累的操作經(jīng)驗(yàn)和訣竅等。

3.拆裝操作，結(jié)合企業(yè)實(shí)際操作要求，理解拆裝順序和要求，學(xué)會(huì)工具和儀器的使用，理解設(shè)備結(jié)構(gòu)和各部件之間的關(guān)系，達(dá)到一定的技能水平。

4.編程與調(diào)試，掌握PLC編程方法，積累PLC程序編譯經(jīng)驗(yàn)，在調(diào)試過(guò)程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和編程技巧，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。