劉鑫

[摘 要]本文是針對PLC控制器對以氣壓作為動能的機械手進行設(shè)計，分析機械手制作使用的參數(shù)和設(shè)計的坐標形式，對氣動機械手的結(jié)構(gòu)提出設(shè)計方案。對氣動機械手的啟動系統(tǒng)進行選擇與研究，利用編程對其系統(tǒng)進行設(shè)計與控制，對氣動機械手的總體設(shè)計方案進行總結(jié)。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)機器人；機械手；氣動；PLC編程控制器

[中圖分類號]TP241 [文獻標識碼]A

1 機械手的分類

因為不同情況下使用不同的機械手，機械手的側(cè)重功能的不同和其制作材料的不同等使它存在的樣式和類別多種多樣。對機械手進行分類是我們認識機械手、對機械手進行設(shè)計的要求。

1.1 驅(qū)動方式之液壓式機械手

所謂液壓式機械手則提供其運轉(zhuǎn)的動力為液體，驅(qū)動系統(tǒng)則由各種液動機構(gòu)成。這種機械手的動力來源一般是由汽油等能量體提供，對此類機械手而言其作用下的抓力更強，結(jié)構(gòu)設(shè)計更為緊湊，具有很強的防爆功能和保持平衡的性能，但是由于其動力來源為油性液體，對其各方面的條件也就更高，其結(jié)構(gòu)組成必須嚴謹防止泄露，液體的精度和純度也對機械手的性能起到一定的限制。

1.2 驅(qū)動方式之氣壓式機械手

利用氣壓作為動力驅(qū)動的氣壓式機械手是依靠氣閥、空壓機等能把氣體進行壓縮并把氣能轉(zhuǎn)化為動能為機械運轉(zhuǎn)提供可能的方式。氣壓式機械手因為其造價低、結(jié)構(gòu)簡單可控而一度為人們廣泛使用。然而氣壓式機械手雖然取材方便、無污染，但是氣體的的密度等要求氣壓不能太高，因而與其他驅(qū)動方式驅(qū)動的機械手相比動力不足，對物體的固定和抓舉的能力較小，在大型的生產(chǎn)工具中不適宜使用。

1.3 驅(qū)動方式之電動式機械手

電動式機械手是目前生活中常見的額機械手之一，其以電力作為驅(qū)動力，驅(qū)動電機的選擇多樣，可提供不同用途的機械手具體適用。電動式機械手是以電力為動力來源，今天的電源來源方便，電力大小可自由控制，對機械手適應(yīng)的各個行業(yè)均可操作，所以電動式機械手的發(fā)展較為迅速和全面。

機械手因為不同用途和性能還有其他的驅(qū)動方式，如混合式驅(qū)動的機械手。而機械手的分類也可根據(jù)其功能的不同進行，如搬運式機械手，還可以根據(jù)其操作機位置的不同、機械手的自由度數(shù)量來進行分類，如關(guān)節(jié)型機械手等。對機械手的分類越多，要求越精準代表著機械手的使用范圍和功能的不可替代性，也證明了我們研究該課題的必要和意義所在。

2 機械手的組成

2.1 執(zhí)行機構(gòu)

所謂執(zhí)行即指機械手具體開展工作的部位，根據(jù)人體手臂的結(jié)構(gòu)可知其有手掌即機械手直接作業(yè)的手部、手腕即機械手連接手部，帶動手部完成指定動作，也是操作和結(jié)構(gòu)最為復雜的腕部、手臂即機械手動力支撐點，通過杠桿的形式對手腕和手部起著控制與指導作用的臂部、而發(fā)力機構(gòu)、精度測量和固定形態(tài)則機械手的腰部和基座提供。

2.2 驅(qū)動裝置

機械手的驅(qū)動裝置即其傳動裝置，一般的機械手的傳動裝置由驅(qū)動機械手運轉(zhuǎn)，把機械手的動力來源轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的驅(qū)動器與充當連接通道，由齒輪、鏈等組成的傳動裝置組成。

2.3 控制系統(tǒng)

目前機械手的控制系統(tǒng)主要有利用計算機和伺服控制器組成的對機械手的操作和運轉(zhuǎn)實現(xiàn)控制作用。利用計算機對機械手進行控制一般可以是一臺總控制計算機發(fā)生作用，即所有機械手功能的實現(xiàn)由一臺微型計算機進行控制；還有就是分散型的控制即機械手的各部分的運作由多臺控制機進行集體控制。

2.4 職能系統(tǒng)

實現(xiàn)機械手的智能化是二十一世紀科學發(fā)展的要求，也是目前機械手發(fā)展還不夠完善的方面，利用機械手目前發(fā)展迅速的子系統(tǒng)對機械手實現(xiàn)智能化的控制是我們的設(shè)計目的。

3 機械手基本形式的選擇

3.1 機械手的坐標形式

由于機械手在不同情境下行使著不同的職能，所以決定了其也手臂和坐標等形式的多樣化。對機械手運動角度的不同等可以把其坐標進行分類，常見的坐標有直角式、圓柱式座標及座標式、關(guān)節(jié)式坐標。我們對機械手的設(shè)計要求不僅是上下移動和抓放，還要求其水平移動和收縮伸展等功能，綜合上述圓柱式座標能符合機械手的基本座標要求。

3.2 機械手的控制設(shè)計

由于機械手的設(shè)計必須要考慮到世紀應(yīng)用，所以對機械手的控制綜合了數(shù)據(jù)分析和實際應(yīng)用的需要，我們對其選擇了基于程序可編的控制器（PLC），利用點位的控制方式對其進行控制。這樣設(shè)計的機械手在設(shè)定和更改程序、功能和用途時只需要對程序進行變動即可，而不用把機械手回爐重造，浪費社會資源。

3.3 機械手主要參數(shù)設(shè)計

由上述可知機械手利用氣動作為其驅(qū)動源而不能抓取重力過大的物體，所以我們對機械手的設(shè)計抓力應(yīng)該具有一個明確的最大數(shù)值的規(guī)定，如此一來限定了其用途和范圍，但是實現(xiàn)其使用范圍內(nèi)最優(yōu)才是我們的目標。綜合數(shù)據(jù)分析、對比與實際試驗得出本機械手的預期的最大抓重的質(zhì)量為5公斤

機械手主要參數(shù)的設(shè)計主要是對其運動速度的參數(shù)設(shè)計。由于本機械手是以氣壓轉(zhuǎn)化的動能和機械能，其物質(zhì)因素活性較大，運動速度高，所以機械手移動的最大速度為1.0m/s，而最大的回轉(zhuǎn)速度可達到90/s，所以其平均移動的速度是0.8m/s、平均回轉(zhuǎn)的速度為60/s。

機械手運動時的伸縮和范圍參數(shù)也在我們的設(shè)計范圍。為了解決機械手因為伸縮緩慢、僵硬與其因為半徑過大、幅度過長而引起的偏重力矩增大導致其剛性降低等問題。根據(jù)實驗對比我們得出采用自動傳送裝置相比其他裝置性能發(fā)揮會更好。所以有：機械手手臂的伸縮幅度為600mm，其最大工作半徑在1400mm左右，升降行程為120mm，定位精度為1mm。

4 主要參數(shù)設(shè)計的參考列表

4.1 技術(shù)參數(shù)

對機械手的抓重質(zhì)量為10kg的物體設(shè)計，機械手運轉(zhuǎn)的自由度為4，同時我們選擇圓柱式的坐標形式；則其工作半徑可為1400mm，手臂能伸到最高值為1250mm，升降速度

[參考文獻]

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