第一篇：PLC机械手

PLC机械手

摘

要

随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。

本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退的运动运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关(SQ1---SQ9)产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。

关键词：搬运机械手，可编程控制器（PLC），液压，电磁阀 目

录 前言………………………………………………………………………………….1 第一章 机械手的概况

1.1 搬运机械手的应用简况…………………………………………………2 1.2 机械手的应用意义………………………………………………………3 1.3 机械手的发展概况………………………………………………………3 第三章 搬运机械手PLC控制系统设计

3.1 搬运机械手结构及其动作……………………………………………… 3.2 搬运机械手系统硬件设计……………………………………………… 3.3 搬运机械手控制程序设计……………………………………………… 1 操作面板及动作说明…………………………………………………… 2 I/O分配………………………………………………………………… 3 梯形图的设计…………………………………………………………… 1）梯形图的总体设计…………………………………………………… 2）各部分梯形图的设计………………………………………………… 3）绘制搬运机械手PLC控制梯形图……………………………………

结

论……………………………………………………………………………… 谢

辞……………………………………………………………………………… 参考文献………………………………………………………………………………….附：语句表

梯形图

I/O接线图 前言

机械手：mechanical hand，也被称为自动手，auto hand 能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

第一章 机械手概况

1.1搬运机械手的应用简况

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。

但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。

国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面： 1.热加工方面的应用

热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。2.冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。3.拆修装方面

拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。1.2机械手的应用意义

在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： 1.可以提高生产过程的自动化程度

应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.可以减少人力，便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.3.3机械手的发展概况与发展趋势

1.3机械手的发展概况

专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。

早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。

90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。

总之，目前机械手的主要经历分为三代：

第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

1.4机械手的发展趋势

目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。

因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。

将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。

现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.5 PLC概况及在机械手中的应用 1.可编程序控制器的应用和发展概况

可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC（programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通 信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差 2.PLC的应用概况

PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。1）.用于逻辑控制

这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。2）.用于模拟量控制

PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。3）.用于机械加工中的数字控制

现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。4）.用于工业机器人控制 5）.用于多层分布式控制系统

高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。3.PLC的特点

1）.可靠性高、抗干扰能力强

PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h，这是一般微机所不能比拟的。2）.控制系统构成简单、通用性强 由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。3

自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，利用机械手搬运物体、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。现在已经应用在了机械制造、冶金、化工、电力、采矿、建材、轻工、食品、环保等各行各业之中。比如：最典型的发展是生产者将此产品大量应用于卫生行业（全自动生化分析仪），从而实现了卫生检验中急需短时间、大量样品数据的要求，但在卫生领域的机械手因采用样品加单一酶试剂显色法，且采用滤光片结构设计，造成试剂价格昂贵，限制了产品市场的发展。随着技术的进步，机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。随着社会的快速发展，工业现场机械手的要求将越来越高，其技术也越来越成熟。

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。图1 是机械手搬运物品示意图。

图1 机械手搬物示意图

图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5，对机械手分别进行抓紧、左转、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。传送带A上装有光电开关SP，用于检测传送带A上物品是否到位。机械手的起、停由图中的起动按钮SB1、停止按钮SB2控制。

传送带A、B由电动机拖动。机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由液压驱动，并分别由六个电磁阀来控制。2 机械手的动作流程

传送带B处于连续运行状态，故不需要用PLC控制。机械手及传送带C 顺序动作的要求是：

1)按下起动按钮SB1时，机械手系统工作。首先上升电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作；

2)左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作； 3)下降电磁阀通电，手臂下降，至下降限位开关动作；

4)启动传送带A运行，由光电开关SP检测传送带A上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作； 5)手臂再次上升，至上升限位开关再次动作；

6)右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作； 7)手臂再次下降，至下降限位开关再次动作；

8)放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。

9)按下停止按钮SB2或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继续工作。根据对机械手的顺序动作要求，可以画出时序图如图2所示。由时序图可作出图3所示的机械手动作流程图。

图2 机械手佛那故作布序图

图3 机械手动作流程图 PLC选型及其I/O点编号分配 3.1 PLC的选型

由于机械手系统的输入/输出接点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，故选用日本OMRON（立石）公司生产的多功能小型C20P主机。该机输入点为12，输出点为8。内部主要有：136个辅助继电器、16个特殊功能继电器、160个保持继电器、8个暂存继电器、48个定时/计数器、64个16位数据存贮器。3.2 I/O点编号分配

根据图3所示的机械手动作流程图，可以确定电气控制系统的I/O点分配，如表1所示。

表1 机械手控制I/O分配表

根据图3流程图和表1的I/O分配表，可以编制出状态转移图如图4所示。

图4 机械手状态转移图 4 编程及程序运行 4.1 用步进指令编程

根据图4状态转移图，编制的步进梯形图程序如图5所示。

图5中，“全部输出禁止”部分的作用是在停止时禁止全部输出，使机械手停止在现行的工步上；重新起动时又能从停止前的工步继续动作。

在状态由HR010转移至HR000的条件中，增加了保持继电器的常闭触点，其作用是：当机械手工作在某一中间工步时，若 PLC断电或停止运行，机械手停止在中间工步上。PLC复电或重新投入运行后，由于保持继电器HR具有状态断电保护的功能，因此在重新起动时，中有某一个是断开的，使得HR000不能置位，机械手只能从停止前被置位的保持继电器的后续工步继续动作。4.2 程序运行

按下起动按钮SB1，输入点0000为ON,则作为互锁条件的辅助继电器1000为ON，互锁指令IL接通，IL与ILC之间的线圈正常工作，“全部输出禁止”解除。若(抓图1)常闭触点都为ON，保持继电器HR000接通，输出点0503使上升电磁阀得电，手臂上升。当手臂上升到位时，上升限位开关使输入点0005闭合，保持继电器HR001 接通，HR000复位，输出点0501使左转电磁阀得电，手臂左转。......以后每当一步动作到位，限位条件满足时，状态转移，进行下一工步动作。当状态转移到HR008为ON时，输出点0506使放松电磁阀得电，机械手放松，同时定时器TIM00计时。当计时2秒到，状态又转移到HR000，程序又重新从第一工步开始循环。

停止时，按下停止按钮SB2，0001断开，辅助继电器1000为OFF，互锁指令断开，全部输出被禁止，但各保持继电器的状态是断电保护的，机械手停在现行的工步上。当重新按起动按钮时，互锁指令接通，停止前的输出被恢复，机械手继续在停止前某保持继电器为ON的工步动作。5 结束语

本文介绍了日本OMRON公司生产的C系列P型小型多功能PLC在机械手步进控制中的设计应用。说明了机械手的动作原理，设计要求，程序设计方法。本文介绍的程序已在实际生产中获得了成功的应用。

第二篇：机械手PLC控制程序

附录3

1.主程序：

2.油泵电机保护及启停：

3.手动：

4.单步：

5.单周期：

6.自动：

7.回原点：

8.获取位置：

9.子单周期：

10.SBR_8:

第三篇：plc机械手课程设计

课程设计说明书

目录 引言.................................................................5 2 设计目的及主要内容...................................................6 2.1设计目的.......................................................4 2.2.主要内容.......................................................4 3 气动机械手的操作要求及功能...........................................4

3.1.操作要求.......................................................4 3.2操作功能.......................................................5 4 PLC及机械手的选择和论证.............................................6 4.1 PLC............................................................6 4.1.1 PLC简介...................................................6 4.1.2 PLC的结构及基本配置.......................................6 4.1.3 PLC的选择及论证..........................................7 4.2机械手.........................................................7 4.2.1机械手简介.................................................7 4.2.2机械手的选择...............................................8 5 硬件电路设计及描述...................................................8 5.1操作方式.......................................................8 5.2 PLC的I/O分配接线.............................................9 6 软件电路设计及描述..................................................10 6.1机械手的操作系统程序..........................................10 6.2回原位程序....................................................10 6.3手动单步操作程序..............................................11 6.4自动操作程序..................................................12 6.5机械臂传送系统梯形图..........................................12 6.6指令语句表....................................................13 7 心得体会...........................................................15 参考文献.............................................................16

课程设计说明书

1引 言

在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产，金属加工生产批量中有四分之三有50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。并且在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。

机械手采用plc控制，具有可靠性高，改变程序灵活等优点。无论进行时间控制还是控制或混合控制，都可以通过设置plc的程序实现。可以根据机械手的动作顺序改变程序，是机械手通用性更好。

采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好。阻力损失和泄露减少。不会污染环境，造价低。

在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不

一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。

课程设计说明书 设计目的及主要内容

2.1设计目的

1、培养plc设计能力；

2、扩展知识结构；

3、培养综合运用能力；

4、是课堂教学的有益补充。通过本次课程设计，进一步加强自己对机械手和PLC的认识，以及它们在生活中广泛应用。

2.2主要内容

1.正确选用机械手和PLC类 2.绘制I/O分配 3.设计梯形图 4.指令语句 5.模拟调试 气动机械手的操作要求及功能

3.1操作要求

气动机械手的动作示意图如图1所示，气动机械手的功能是将工件从A处移送到B处。控制要求为：

1、气动机械手的升降和左右移行分别由不同的双线圈电磁阀来实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动；

2、上升、下降的电磁阀线圈分别为Q0.0、Q0.2；右行、左行的电磁阀线圈为Q0.3、Q0.4；

3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀Q0.1来实现，线圈通电时夹紧工件，线圈断电时松开工件；

4、机械手的夹钳的松开、夹紧通过延1S实现；

5、机械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程开关I1.0、I0.5、I1.1、I0.6来实现；

课程设计说明书

3.2操作功能

机械手的操作面板如图2所示。机械手能实现手动、回原位、单步、单周期和连续等五种工作方式。

1、手动工作方式时，用各按钮的点动实现相应的动作；

2、连续工作方式时，机械手在原位，只要按下启动安钮，机械手就会连续循环工作，直到按下停止安钮；

3、单步工作方式时，每按下一次启动安钮，机械手向前执行一步；

4、单周期工作方式时，每按下一次启动安钮，机械手只运行一个周期；

5、传送工件时，机械手必须升到最高点才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其他工件；

6、出现紧急情况，按下紧急停车按钮时，机械手停止所有的操作。

课程设计说明书 PLC及机械手的选择和论证

4.1 PLC 4.1.1 PLC简介

可编程控制器（简称PLC）：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。

4.1.2 PLC的结构及基本配置

一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开

课程设计说明书

放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

CPU：PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU。与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

存储器：可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的。电源模块：有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

PLC 的外部设备：外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类 1.编程设备2.监控设备3.存储设备.4.输入输出设备.4.2 机械手

4.2.1机械手简介

mechanical hand 也被称为自动手，auto hand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手简述:机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

1．执行机构

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。

2．传动系统

课程设计说明书

执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

3.控制系统

机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。

4.2.2机械手选择

由于机械手是在搬运中的应用，所以采用传送带加旋转的机械手类型。此机械手易于操作，性能可靠。并且根据要求，我们设计的是气动机械式。硬件电路设计及描述

5.1 操作方式

设备的操作方式一般可分为手动和自动两大类，手动操作方式主要用于设备的调整，自动操作方式用于设备的自动运行。

手动操作方式------手动操作：用单个按钮接通或断开各自对应的负载。

自动操作方式------单步运行：每按一次启动按钮，设备前进一个工步。------单周期运行：在原点位置时，按下启动按钮设备自动运行一个周期后停止原位；途中按下停止按钮，设备停止运行；再按下启动按钮时，设备从断点处继续运行，直到原位停止。

-------连续运行：在原点位置按下启动按钮，设备按既定工序连续反复运行。中途按下停止按钮，设备运行到原位停止。

5.2 PLC的I/O分配接线

I/O分配及接线图I 软件电路设计及描述

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6.1 主程序设计

主程序是整个程序的开始，系统读取的时候一定从主程序开始，至于之后需执行哪个子程序，都在主程序中体现。SM0.0的常开触点一直闭合，链接公用程序，公用程序是无条件执行的；在手动控制方式中，I2.0为ON时，其常开触点闭合，执行“手动”子程序；在回原点控制方式中，I2.1为ON时，其常开触点闭合，执行“回原点”子程序；在单步、单周期和连续控制方式中，I2.2、I2.3、I2.4并联，其中任何一个为ON时，执行“自动”子程序。主程序梯形图为：

图2-1 主程序梯形图

6.2 公用程序设计

公用程序用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理。左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的Q0.1的常闭触点串联接通时，“原点条件”M0.5变为ON，机械手处于原点状态，在开始执行用户程序、系统处于手动或自动回原点状态时，初始步对应的M0.0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式作好准备。若M0.5为OFF状态，M0.0被复位，初始步为不活动步，按下启动按钮也不能进入步M2.0，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。

当系统处于手动工作方式和回原点方式时，必须将单步、单周期以及连续工作方式程序中，除初始步以外的各步对应的存储器位（M2.0~M2.7）复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动部的异常情况，引起错误的动作。如果不是回原点方式，I2.1的常闭触点闭合，代表回原点中的各步

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M1.0~M1.5复位。在非连续方式，I2.4的常闭触点闭合，表示连续工作状态的标志M0.7复位。公用程序梯形图为：

图2-2 公用程序梯形图

6.3 手动程序设计

在手动程序中，为了保证系统安全运行，设置了上升与下降之间、左行与右行之间的互锁，防止功能相反的两个输出同时为ON；限位开关I1.2的常开触点闭合使得输出Q0.1置位得电，表示工件已夹紧；当左限位开关或右限位开关的常开触点闭合同时限位开关I0.7常开触点闭合时，输出Q0.1复位失电，表示工件已松开；I0.1~I0.4的常闭触点，限制机械手移动的范围；上限位开关I0.2的常开触点与控制左右行的Q0.4和Q0.3的线圈串联，机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞；只允许机械手在最左边或最右边时上升、下降和松开工件。

手动程序梯形图为：

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图2-3 手动程序梯形图

6．4 自动程序设计

自动程序（包括单步、单周期和连续）采用起保停电路控制。单周期、连续和单步工作方式主要用“连续”标志M0.7和“转换允许”标志M0.6来区分，M0.0表示初始步，M2.0~M2.7分别表示下降、夹紧、上升、右行、下降，松开、上升、左行标志。当系统处于单步工作状态时，I2.2常闭触点断开，只有在每按下一次启动按钮I2.6，M0.6才能得电一个扫描周期，程序执行一步，以此来实现单步执行，此时转换不允许。当系统处于连续工作状态时，M0.6始终得电，按下启动按钮I2.6后同时未按停止按钮I2.7之前，“连续”标志M0.7始终得电，系统首先通过M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得电，进而开始程序执行，由于M0.7始终得电，其常闭触点断开，使得程序执行完一个周期后不在进入初始步M0.0，而是直接进入M2.0，开始了下一个周期的执行，以此来实现连续执行。当系统处于单周期工作状态时，M0.7不得电，M0.6得电，按下启动按钮I2.6后系统也是首先通过M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得电，进而开始程序执行，由于M0.7不得电，其常闭触点闭合，当程序执行完一个周期后，返回初始步M0.0，此时程序再要执行必须重新按下启动按钮I2.6，以此来实现单周期执行。自动程序梯形图见附录1。

6.5 自动回原点程序设计

自动回原点程序用起保停电路设计。在此工作方式下，I2.1为ON，按下启动按钮I2.6后，机械手可能处于三种情况下，应分别处理。

Q0.1为0状态，即机械手处于松开状态，应直接返回原点应进入上升步M1.4或左行

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步M1.5；若Q0.1为1状态同时机械手在最右边此时说明应执行下降步M1.2,；若Q0.1为1状态同时机械手不在最右边，应将工件先送到B点，再返回原点，进入步M1.0。

返回原点后，原点条件满足，公用程序中的原点条件标志M0.5为ON，此时I2.1为ON，M0.0在公用程序中置位，为进入自动工作方式作好准备。因此可以认为自动程序中的初始步M0.0是步M1.5的后续步。自动回原点程序见附录2。心得体会

可编程控制器课程设计是课程当中一个重要环节，通过了2周的课程设计使我对plc设计过程有进一步了解，对plc产品的有关的控制知识有了深刻的认识。

因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。运用学习成果，把理论运用于实际，使理论得以提升，形成创新思想。通过此次设计过程，巩固了专业基础知识，培养了我综合应用可编程控制器设计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力，在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，为今后的学习和工作过程打下基础。

参考文献

《可编程控制器原理与应用》 主编：周惠文 电子工业出版社 北京，2007.8 《可编程控制器原理与应用》 主编：涂明武 北京航空航天出版社 北京，2008.8 《PLC操作实训（三菱）》 主编：孙德胜 李伟 机械工业出版社 北京，2007.9 《PLC应用技术》 主编：冯新强 北京邮电大学出版社 北京，2009.4

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附录1 自动程序梯形图：

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附录2 自动回原点程序梯形图：

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第四篇：plc机械手控制拓展

机械手论文

专业：

机电一体化

学 生 姓 名：

学 号：

指 导 教 师：

完 成 日 期： 2011.3.15

目录

摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅱ 1 2 3

绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 机械手设计要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 机械手总体设计方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

3.1 机械手的组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

3.1.1 执行机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

3.1.2 驱动机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

3.1.3 控制机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

3.2机械手在生产中的应用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

3.3 机械手的主要特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

3.4机械手的技术发展方向„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

3.5机械手坐标形式与自由度选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

3.5.1 机械手坐标形式选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

3.5.2 机械手自由度选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

3.6 3.7 机械手的规格参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 机械手手部设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

3.7.1 手部设计基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

3.7.2 手部力学分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

3.7.3 夹紧力与驱动力的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7

3.7.4 手抓夹持范围计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

3.7.5 手抓夹持精度的分析计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„10

3.8 机械手腕部设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

3.8.1 腕部设计基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

3.8.2 腕部的结构选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

3.8.3 腕部回转力矩计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

3.8.4 腕部工作压力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14

3.8.5 液压缸盖螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15

3.8.6 动片和输出轴联接螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„„16

3.9 机械手臂部设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17-III-

3.9.1 臂部设计的基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17

3.9.2 臂部的结构选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17

3.9.3 手臂伸缩驱动力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

3.9.4 手臂伸缩液压缸参数计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

3.10 机身升降机构计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21

3.10.1 手臂偏重力矩计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21

3.10.2 升降导向立柱不自锁条件„„„„„„„„„„„„„„„„„22

3.10.3 手臂升降驱动力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23

3.10.4 手臂升降液压缸参数计算„„„„„„„„„„„„„„„„„24

3.11 机身回转机构计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25

3.11.1 手臂回转液压缸驱动力矩计算„„„„„„„„„„„„„„„25

3.11.2 手臂回转液压缸参数计算„„„„„„„„„„„„„„„„„26

3.11.3 液压缸盖螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27

3.11.4 动片和输出轴联接螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„28 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31

绪论

机械手结构优化设计

摘 要

在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大的改善了工人的劳动条件，显 著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，本设计通过对机械 手各主要组成部分（手部、手腕、手臂和机身等）分析，从而确定各主要组成部分的 结构，在此基础上对机械手进行设计计算，从而确定装配总图。通过此次机械手设计，掌握相关机械手设计的主要步骤，对于 CAD/CAM 软件应用方面有了进一步的提高。

关键词：机械手，设计，手部，手腕，手臂，机身，结构

工业机械手设计是机械制造、机械设计等方面的一个重要的教学环节，是学完技 术基础课及有关专业课以后的一次综合设计，通过这一环节把有关课程中所获得的理 论知识在实际中综合的加以应用，使这此知识能够得到巩固和发展，并使理论知识和 生产密切的结合起来，通过设计培养学生独立思考能力树立正确的设计思想，掌握机 械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的基础。机械手设计要求

要求本设计能鲜明体现设计构思，并在规定的时间内完成以下工作：

（1）拟定机械手的整体设计方案，特别是机械手各主要组成部分的方案。

（2）根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构。

（3）各主要部件（手部、腕部、臂部）的设计计算。

（4）工业机械手装配图的绘制。

（5）编写设计计算说明书。机械手总体设计方案

3．1 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

3．1．1 执行机构

（1）手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型，（多为回转型，因其结构简单），手部多为二指（也由多指），根据需要分为外抓式和内抓式两种，也可以用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。传力机构形式也很多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠 螺母式、弹簧式、重力式。

（2）腕部 是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位，以扩大机 械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑、灵巧，但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。

（3）手臂

是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动，它的主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一般手臂 需要三个给定自由度才能满足要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。

（4）行走机构

3．1．2 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气动、液 压、电动和机械式四种。采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力大，尺寸紧 凑，控制方便。

3．1．3 控制机构 在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动控制，也有用 PLC 进行控制，主要控制的是坐标位置。有的工业机械手带有行走机构，我国正处于仿真阶段。

3．2 机械手在生产中的作用

机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下几个方面：（1）（2）建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线。在实现单机自动化方面：

a 各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，仍需人工 上下料，装上机械手，可实现自动生产，一人看管多台机床。b 注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工 件，可实现自动生产。c 冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。

3．3 机械手的主要特点

（1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人类 有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和 结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。

（2）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和 延伸人的功能。

（3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人 为的操作错误。

（4）机械手通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性 生产的需要。

（5）采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。

3．4 机械手的技术发展方向

国内外使用的实际上是定位控制机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件 进行分辨，选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器中定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉 传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓 取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法： 一种是检测把握物体手臂的变形，以选择适当的能力，另一种是直接检测指部与物件 的滑落位移，来修正握力。因此这种机械手具有以下几方面的性能：

（1）能准确的抓住方位变化的物体。

（2）能判断对象的重量。

（3）能自动避开障碍物。

（4）抓空或抓力不足时能检测出来。

这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，它

是有发展前途的。现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，代替人从事 繁重、危险的工作，在恶劣环境下尤其明显，至于在汽车业和电子工业之类的费工的 工业部门，机械手的应用情况不能说是很好的，原因之一是，工业机械手的性能还不 能满足这些工业部门的要求，适合机械手工作的范围很狭小，另外经济性问题也很重 要，利用机械手节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而利用机械手实现生产合 理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机 械手的应用必将飞跃发展。

3．5 机械手坐标形式与自由度的选择

3．5．1 机械手坐标形式选择

机械手一般包括圆柱坐标式、球坐标式、直角坐标式、多关节式。直角坐标式机 械手，占用空间大，工作范围小，惯性大，一般不多用，只有在自由度较少时才考虑 用。圆柱坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。多关节式机 械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体，但多关节式结构复杂，所以也不多用。球坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体。由以上叙述可以看出圆柱坐标式和球坐标式比较适合，但由于圆柱坐标式比球坐 标式在结构方面简单一些，所以最后决定选择圆柱坐标式机械手。

3．5．2 机械手自由度选择

3．6 机械手的规格参数

抓重：300N 手臂运动参数： 自由度：4 个 坐标形式：圆柱坐标式

伸缩行程（X）：400mm 伸缩速度： 升降速度： 回转范围： 回转速度： 手腕运动参数： 回转范围： 回转速度： 位置检测： 驱动方式： 控制方式： 0°~180°

重复定位精度：3mm

3．7 手部设计基本要求

3．7．1 手部设计基本要求

（1）应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动 机构所需的驱动力大小是不同的。

（2）手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。

（3）在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减 轻手臂负载。

（4）应保证手抓的夹持精度。

3．7．2 手部力学分析 通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置 采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手抓张开。下面对其结构进行力学分析： 在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴中心 O 点，两手指的滑 槽对销轴的反作用力为 F1 和 F2 其力的方向垂直于滑槽的中心线 OO1 和 OO2 并指向 O 点，交 F1 和 F2 的延长线于 A 和 B。又因为 所以a ——— 手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）α——— 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角 由分析可知，当驱动力 F 一定时，α角增大，则握力 FN 也随之增大，但α角过 大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α=30o~40o。

3．7．3 夹紧力与驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据，必须以其大小，方向与作用 点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运 动状态变化所产生动的载荷，以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算： 2—— 销轴 3—— 杠杆式中K1——安全系数，通常 1.2~2.0； K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按 K2=1+a/g,其中 a 是重力方向的最大上升加速度，a=Vmax /t 响，g 是重力加速度，g=9.8m/s2。Vmax——运载时工件最大上升速度； t 响——系统达支最高速度的时间，一般选取 0.03~0.5； K3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择； G——被抓取工件所受重力； 表 1 驱动力与液压缸工件压力关系图

作用在活塞上外力 F(N)50000 2.0~4.0 4.0~5.0 5.0~8.0

液压缸工件压力 MPa

液压缸工作压力 MPa

设 a=40mm,b=80mm,α=30o,机械手达到最高响应时间 0.5s,夹紧力 FN,驱动力 F 和驱动 液压缸的尺寸。（1）设 K1=1.6 K2=1+a/g 设 Vmax=70mm/s t 响=0.5s 根据以上公式得：

（2）根据驱动力公式得：

由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率η，一般取η =0.85~0.9。

（3）取 η=0.85

（4）确定液压缸的直径 D

选取活塞直径 d=0.5D,选择液压缸工作压力 P=0.8~1Mpa.所以

根据液压缸内径系列（JB826-66）,选取液压缸的内径为：D=50mm 则活塞杆直径为：d=0.5D=0.5×5=25mm.所以手部夹紧液压缸的主要参数为：

液压缸内径 D 50mm 活塞杆直径 d 25mm 工作压力 p 0.8MPa 驱动力 F 859.06N

3.7.4 手抓夹持范围计算

为了保证手抓张开角为 120o，设手抓长为 100mm，当手抓没有张开角的时候，根 据机构设计，它的最小夹持半径 Rmin=40mm,当张开角为 120o 时，根据双支点回转型 手抓的误差分析，取最大夹持半径 Rmax=60mm。所以机械手的夹持半径为 40~60mm。3．7．5 手抓夹持精度的分析计算 机械手的精度设计要求工件

定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性 好，并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取 决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也与机械手夹持误 差大小有关，特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内 的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持半径为 40~60mm,一般夹持误差不超过 1mm,分析如下： 工件的平均半径： 手抓长 L=100mm,取Ｖ型夹角 2θ=120 偏转角β按最佳偏转角确定： 计算得 式中 因为

Ro——理论平均半径 Rmax>Ro>Rmin

所以

△=0.939

夹持误差满足设计要求。

3．8 机械手腕部设计计算

3．8．1 腕部设计的基本要求

（1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，显然，腕部的 结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能，因此，在腕部设 计时，必须力求结构紧凑，重量轻。

（2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的联接。

（3）工作条件 对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环 境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因 素。

3．8．2 腕部的结构选择 腕部的结构有四种，分别为：

（1）具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构 直接用回转液压缸驱动，实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而 被广泛使用。

（2）用齿条活塞驱动的腕部结构 在要求回转角大于 270o 的情况下，可采用齿条活塞驱动腕部结构。

（3）具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构 它使腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度。

（4）机—液结合的腕部结构 此手腕具有传动简单、轻巧等特点，但结构有点复杂。本设计要求手腕回转 180o，综合以上分析考虑，腕部结构选择具有一个自由度的回转 缸驱动腕部结构。3．8．3 腕部回转力的计算 腕部在回转时一般需要克服以下三种阻力：

（1）腕部回转支承处的摩擦力矩 M 摩 为简化计算，一般取 M 摩=0.1M 总力矩

（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 M 偏式中G1——夹持工件重量（N）。e——工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。

（3）克服启动惯性所需的力矩 M 惯 启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度ω及启动所需时间 t 启，按下式计 算：或者根据腕部角速度ω及启动过程转过的角度φ启计算：

式中 J 工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（N.m.s2）。J—— 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量（N.m.s2）。ω—— 手腕回转过程的角速度（rad/s）。t 启——启动过程中所需时间，一般取 0.05~0.3s。φ启——启动过程所转过的角度（rad）。手腕回转所需的总的阻力矩相当于上述三项之和，即：设抓取一根轴，其直径 D=100mm,长度 l=500mm,m1=50kg,当手抓夹持在工件中间位 置回转 180o，将手抓、手抓驱动液压缸和回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，长 h=150mm,半径为 50mm，其所受重力为 G，启动过程所转过的角度φ启=0.314rad,等速 转动角速度ω=2.616rad/s。圆柱体重力 因为手抓夹持在工件中间位置，所以工件重心到手腕回转轴线的垂直距离为 0，即 e 等于 0，所以 M 偏=G1e=0。由于又因为 所以即 3．8．4 腕部工作压力计算 表 2 标准液压缸内径系列（JB826-66）20 70 110 25 75 125 32 80 130 40 85 140 50 90 160 55 95 180 63 100 200 65 105 250

设定腕部的部分尺寸： 根据上表设缸体内孔半径 R=55 mm,外径选择 133mm,考虑到实 际装配问题后，其外径为 180mm，动片宽度 b=66mm,输出轴半径 r=22.5mm。表 3 标准液压缸外