机械手设计论文:仿人机械手的结构设计与现实意义

【摘 要】本文阐述了仿人机械手研发的国内外发展现状与存在的问题，并针对这些问题对仿人机械手进行了三维建模以及运动学仿真，同时阐明了仿人机械手研究对社会生活的现实意义。

【关键词】仿人机械手；三维建模；运动学仿真

0 引言

机器人技术的发展是一个国家高科技水平和综合能力的重要标志，而服务机器人是未来社会发展的必然产物，对于服务机器人的研究，尤其是仿人机器人的研究是具有巨大经济价值和历史意义的，其原因有两个：及时，世界老龄化进程的加快，尤其是中国也正进入老龄化社会，照顾老人问题即将成为一个严重的社会问题，而仿人机器人在解决这一社会问题中有着不容置疑的作用；第二，由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加，他们需要越来越多的关心和照顾，如果采用专门的人力将严重增加社会的负担。所以对于服务型机器人的研究，显得格外重要。

目前有很多服务型机器人，但是没有一个机器人可以像人一样有一双灵巧的手，完成只有人类才能实现的复杂动作，本课题就是针对这一问题从仿人机器人的机械手开始研究的。

1 国内外发展现状与问题

从1960年由通用电气公司设计制造的造型为两只手指的爪状物开始，为以后的各类机械手打下了基础，到现在为止美国的宇航局（nasa）、哈佛大学和耶鲁大学，日本的东京大学在机械手的研究上都取得了不小的突破。

我国机械手的研究比较晚但是也做了很多工作，国防科技大学[1]、哈尔滨工业大学[2]也研制出了多指灵巧手。尤其是哈尔滨工业大学机器人研究所研制的“仿人型机器人灵巧手”，2006年5月亮相德国慕尼黑国际机器人及自动化展览会，以其精美的外观、的软硬件系统等赢得了众多参观者的赞赏，并率先进入了国际市场。

由此可见，目前多数国家和企业高校都在对仿人机械手进行研究与设计，不过现在还存在一系列问题，例如：价格昂贵，实时性不理想，设备笨重，并且大都停留在实验阶段，这些都制约其在实际当中的应用。

2 五指仿人机械手设计

本文设计的五指仿人机械手具有的优势有：采用欠驱动控制方式[3]，所以机械系统大大简化，机械手大小基本与普通人手大小一致，便于安装到各种服务机器人的移动平台上；同时每个手指都靠手指末端拉力进行运动，也就是说只需要一个拉力便可以实现机械手指的人类手指运动方式，结构紧凑、便于控制、动作灵活；材料可以采用塑料纤维进行加工实现，因此质量轻、价格便宜，易于普及；可以采用嵌入式的控制方式进行控制，处理速度快，响应时间短。

本文通过solidworks对五指仿人机械手进行建模，其单指与整手建模图形如下所示：

图1 单指结构与整手三维建模

本文通过adams实现仿人机械手的运动学仿真，其仿真图形如下所示：

图2 约束添加以及手指运动效果图

3 现实意义

对于仿人机械手的研发对社会有着重要意义：其一，对于服务机器人的研制，尤其仿人机器人的研究应用，必将对机器人行业起到积极的促进作用；其二，仿人机械手的研发隶属于制造业，其研制成功与推广，可以增加就业，创造经济价值；其三，其技术的实现可以促进制造业的信息化、自动化和产品的智能化，提升产品技术含量和附加值，从而促进制造业相关技术领域的发展；其四，实现服务机器人上机械手的灵活运动与控制，对于老年人以及残障人士在心理上和身体上都非常有益处，为解决我国社会问题，创建和谐社会做出贡献。

基于欠驱动机构的机械手爪的研究[j].机械工程学报，2004（05）.

机械手设计论文:侧取机械手触摸屏系统设计探讨

摘要：介绍并阐述了侧取机械触摸屏的控制程序和页面功能，通过对侧取机械手触摸屏系统的设计研究，实现了人机交互功能和设备控制。

关键词：机械手；触摸屏；控制系统

1侧取机械手系统人机画页设计

触摸屏程序设计的主体是屏幕画页的设计，依据控制系统的要求和功能，触摸屏画页设计主要由背景页面、参数设定框、工作状态窗口、控制按钮、报警显示画页等部分组成。图1为人机画页的总体框架设计图，主控画页由手动、参数设置、自动、系统报警画页、I/O显示等部分组成。本文设计主要是依据执行功能选取相应的屏幕控制元件同时对元件属性相关的地址或参数进行设置[1]。

2开机画页设计

首先开机时设备要进行自我检查，确认设备所有输出、输入信号都处于正常状态。机械手触摸屏系统的开机画页如图2所示。

3主控画页

主控画页由原点复归、手动、自动、设置、I/o、警报五个命令按钮组成，如图3所示。系统自检完成后对伺服轴进行原点复归可以按下原点复归按钮，在图4按钮属性中，可将地址设定为与PLC相对应的工作区地址W0.11，按钮按下时，写入地址1，按钮放开时，写入地址0。切换屏幕屏幕实现不同控制功能时，可按下按钮“手动”“设置”“自动”“I/O”“警报”[2]。

4手动画页

如图5所示，侧取机械手系统手动画页各个控制按钮实现各个运动操作步骤。控制按钮为触发信号实现各步骤的运行，按钮可实现PLC发送相应的动作指令并驱动机构完成相应动作。画页设计要考虑手动动作的互锁关系，例如手动旋出是不能旋入的[3]。

5参数设置画页的设计

利用NS触摸屏的数字输入功能可以进行系统的参数设置。如下页图6所示，设置自动时及时次、第二次旋转角度，根据确定的PLC程序里脉冲输出口发出的脉冲数决定伺服电机旋转的角度并对应相应的数据存储器，该设定数据还与伺服驱动器的电子齿轮比有关系。速度选择按钮是通过改变脉冲输出的频率来实现的。各个延时的设计与设定同理[4]。

6状态监控画页的设计

状态监控画页图设计如图7所示，通过NS触摸屏位灯来显示PLC各输入/输出触点的状态，能帮助使用者通过提供各个传感器信号显示来判断各个信号是否正常。例如，灯变黄色为全自动信号，表示注塑机打开全自动信号。灯变黄色表示压力不足，表示系统压力不足，压力传感器被触发发出了信号[5]。输出画页同理。

7结语

本文利用欧姆龙编程软件对侧取机械手的触摸屏控制程序进行设计，并阐述每个操作画页的功能及相关创建过程。通过对触摸屏画页程序的设计研究，实现了控制系统的人机交互功能。

作者：董志强 邓建胜 石平义 刘俊 单位：佛山职业技术学院机电工程系

机械手设计论文:数控机床上下料机械手设计流程

输送技术是数控机床运转的主要技术手段，对机床的各项性能指标具有非常重要的意义。发动机缸体的三轴孔加工在缸体运行过程中，还是提高运转度的关键。过去的三轴孔镗床具有复杂的架构，在防护时的难度较高，输送速度相对很慢，生产时难免不能促进机床有效运转。采用数控机床上下料机械手设计方法，能够较大限度的避免这些不足，进一步强化数控机床的刚性能力，增强转机缸体在输送中表现出的柔性特点，并降低运转的时间，提高运行效率，切实提高它的机械化水准。下面本文就结合我国数控机床施工的实际情况，简单阐述一下如何有效提高机床上下料机械手设计的能力，完善其运转流程，发挥技术优势。

一、数控机床上下机械手的发展与动态情况

经过调查研究发现，我国目前数控机床上下机械手的研究和发展较为突出，它的动态特征也相对明显。一是，模块化与可重构化成为了动态发展的基础；二是，PC机的开放型控制器变为了上下料机械手体系发展的主要方向，网络化和标准化态势异常突出。器件的集成度不断强化，设计出的架构也更加灵巧，系统安全性和性更为有效；三是，机械手中的传感器发挥了巨大的优势，位置传感器和速度传感器得到了进一步应用，视觉、触觉传感器的加入使用，更是将上下料机械手推向了更为先进的方向；，以焊接和装配为代表的机械产品也走向了模块化方向，其仿真效果和动态特征异常突出。

二、上下机械手手爪架构的流程设计

数控机床上下机械手的样式多样，类型丰富，在操作过程中对作业和装置的要求严格，根据不同的操作需求，机械手的选择也不尽相同。最常见的机械手是测量式手爪、搬用式手爪以及加工式手爪，它们的差异明显，作用不同。机械式手爪设计流程必须符合要求，遵循具体原则实施施工，根据其运转和作用的内容进行相关设计和开发。为了避免它与万能手爪方式存在矛盾，还要将工业应用作为设计的基础，将重点放在机械手设计过程中，实现和健全它的工作职能，考虑设计流程的经济效益。另外，机械手爪架构还必须具备通用特征，能够使用有限数量的手爪适应不同要求的机械手，在末端执行器开展工作的时候，还应该配置一个标准的机械接口，保障执行过程的标准化特征。所谓搬用式手爪，即为多种类型的夹持装置，其主要用于对物体的搬用和抓取；加工式手爪，即为附有焊枪、铣刀等工具的机械手附加设备，其主要用于对作业的加工。在对上下料机械手进行设计的过程中，一定要首先分辨用途，然后在结合实际设计流程，突出其使用效率。

三、上下料机械手设计方案的实际运转

数控机床上下料机械手设计流程完善规范后，还要确保其实际运行的科学性。由于机械手手臂基本上都为直线式，它的刚度又较大，在运动过程中势必会对稳定性和安全性具有更高的要求。因此，在实际运转过程中，一定要选用液压驱动的方式，根据液压缸表现出的直接性驱动特征，突出它的执行作用，降低控制难度，并使用计算机实施管理控制。在此基础上，机械手手臂在具体运转过程中还具有自身的控制要求，结构设计不用过多关注长度，仅仅依赖加大液压缸的直径来提高其刚度，那么势必无法满足系统需要，设计问题也会暴露。针对这样的现象，在具体设计过程中，要添加导杆机构在设计之中，在小臂上安装导杆两个，并使它们与活塞杆组成一个三角形，通过三角形的稳定性提高小臂的刚度性能。在大臂上则安置四个导杆，构成一个四边形，并且保障每个导杆都为空心样式，进而较大限度的降低大臂重量，做好机械手设计流程的应用，发挥其技术能力。

四、机械手的主要优势和运用

数控机床上下料机械手的作用和优势明显，它的作用突出，具备较好的特征。另外，机械手的实施方案具有速度快、工作效率高等优势，它的负载能力强，移位的精准性好，故障出现的频率势必会大大减小，其优势作用相当明显。例如，机械手在DK050机床上的成功应用就是一个显著的案例，也是数控机床柔性输送方面的一个巨大的创新内容。在未来的发展过程中，它势必会得到更加完善的运用，机械手的开发和使用也将得到前所未有的发挥，为广大使用者提供更加便捷的服务，减少施工时间，扩大经济效益。

五、结语

综上所述，在社会主义经济、技术飞速革新的大背景下，我国的数控机床的应用范围愈加宽广，在机械行业应用上下料机械手也必将成为一大趋势。它的优势的凸显和发挥，能够成功运用机械零件的组装功能，做好工件装卸和搬运工作，在组合中体现机床优势，发挥它的自动化作业。因此，数控机床在使用中一定要做好机械手的设计，保障其流程的科学化和稳定性，将机械手与机床结合为一个有机的整体，提高它们的柔性优势，节省工件输送的运行时间，并且较大程度的加强两者的稳定性，提升其适应能力。通过技术和经济的双重考虑，完善机械手的功效作用，切实完善其流程，确保其作用的发挥彰显。

作者：张伟 单位：齐重数控装备股份有限公司

机械手设计论文:多关节型搬运机械手结构设计分析

1多关节型搬运机械手的机械构造设计

1.1多关节型搬运机械手的整体设计

通过对相关文献进行查阅，文章根据多关节型搬运机械手的工作目的以及工作环境，对该机械的整体机构进行有效设计[1]。在本次设计过程中，多关节型搬运机械手由两个可移动关节与四个旋转关节所构成，在实际应用过程中可实现六个自由度变换，机械运动形式是多关节式。多关节型搬运机械手的设计过程中，机械原动件作为机械定位工作与运动工作的重要保障性因素，在设计过程中采用液压缸与电机，有效提升多关节型搬运机械手的定位精度与动力强度。对多关节型搬运机械手的前三个自由度，在设计过程中采用电机驱动的方式，以此保障多关节型搬运机械手在实际应用过程中能够实现更加的定位操作。在后三个自由度的设计过程中，由于考虑到多关节型搬运机械手的驱动力因素，所以，后三个自由度采用液压驱动装置，以此实现多关节型搬运机械手在满足定位的前提下，还能保障较高的驱动强度，使多关节型搬运机械手可以满足各种特殊操作的实际需要。多关节型搬运机械手在设计过程中，其基础部件构成分别为基座、手臂、电机、立柱、末端执行器、后壳体、小臂俯仰电机、腰部回转电机、盖板、腕部回转液压缸[2]。在实际设计过程中，由于考虑到多关节型搬运机械手实际运作过程中，机械前三个关节承受压力过大，以此在设计过程中，将基座与大臂的齿轮组减速方式进行统一化，以传递力矩的方式有效减少前三个关节处的受力。同时，为减小机械各级构件中受到的扭矩，设计过程中在大臂后端与基座的上方位置设置了电机，以此保障机械在实际运作过程中重心的稳定。，考虑到多关节型搬运机械手在实际工作环境，在设计过程中需要相对的极大机械载重能力，在设计过程中保障机械各个构件的稳固连接。

1.2多关节型搬运机械手自由度的设计

在本次多关节型搬运机械手的设计过程中，实现了多关节型搬运机械手六个自由度的变换，以此保障多关节型搬运机械手在实际运作过程中可以完成各种运动与姿态，详细设计方案如下：（1）多关节型搬运机械手的手部夹紧动作是该机械在实际工作过程中尤为重要的功用动作，在设计自由度的过程中，机械手部通过液压驱动装置进行夹紧控制，同时，连接轴与驱动摇杆在实际运作过程中控制机械夹持器的开合动作。（2）在多关节型搬运机械手自由度的设计过程中，对机械腕部进行回转关节设置，以此满足多关节型搬运机械手在实际工作中可以将圆柱形金属部件平稳的放置到工作台上，实现多关节型搬运机械手腕部的0°至180°的旋转。（3）在多关节型搬运机械手自由度的设计过程中，机械小臂设置为液压缸动力驱动，以此保障机械小臂的伸缩运动正常进行，小臂较大伸缩距离为600mm，在应用过程中可以很好的满足工程生产的实际需要。（4）在多关节型搬运机械手自由度的设计过程中，机械小臂与大臂作为多关节型搬运机械手的主要传动机构，在实际设计过程中使用旋转副链接，为保障小臂与大臂在实际工作中具有更大的活动空间，在设计过程中对小臂平面内进行±70°的俯仰设置。（5）大臂作为多关节型搬运机械手中最为直观的机械构造，其位于多关节型搬运机械手腰部上方，由机械后壳体进行支撑。该构件在实际工作中可以实现±360°的转动，在实际工作过程中其重要性不言而喻。在进行大臂自由度的设计过程中，需要在大臂竖直平面内的±70°范围内设置俯仰，以此保障大臂可以在这个范围内进行摆动作业。（6）在进行多关节型搬运机械手的自由度设计过程中，该机械的基座成为自由度设计过程中需要重点创新与改善的内容。基座作为多关节型搬运机械手中各个构件的支撑架，基座上的主轴在自由度的设计过程中可以实现±360°的回旋运动，以此带动机械手完成各种复杂的操作。

2多关节型搬运机械手的控制系统设计

在进行多关节型搬运机械手的控制系统设计的过程中，控制系统的软件编程是其中的一个重要组成部分[3]。根据多关节型搬运机械手的实际操作内容，为满足该机械操作灵活的特点，机械手在软件编程过程中应分为手动与自动两个部分。

2.1自动操作系统设计

在进行多关节型搬运机械手自动操作系统设计的过程中，首先需要对该系统进行自动方式初始状态的设置，当系统状态转移开始的时候，设置系统原点位置条件，以此保障系统安全稳定的运行情况。通过系统控制机械手进行上升操作的过程中，对系统操作进行上限为设置；在机械手进行左移的过程中，对操作系统进行左移限位的设置；在机械后进行下移的过程中，需要对操作系统进行下限位的设置；当机械进行抓取工作的时候，需要进行抓限位的设置；当机械手进行右移的时候，需要对操作系统进行右移限位的设置；当操作系统需要下降的时候，应当对操作系统进行下限位的设置。诸如此类，通过这些有效设定，可以极大地保障自动化操作系统对机械手进行有效控制。

2.2手动操作系统设计

在进行多关节型搬运机械手手动操作系统设计的过程中，根据多关节型搬运机械手的工作内容及工作环境进行综合考虑，在进行系统手动操作设计的过程中，需要根据机械各个动作进行有效设定。以机械手进行抓取作业为例，在机械手抓取的过程中，需要考虑到机械手的驱动力情况，在操作系统中有效应用手动单步操作，以此满足机械手的驱动能力，同时通过操作系统控制可以极大地保障机械手抓取过程中的性；诸如此类，在系统设计的过程中，有效结合多关节型搬运机械手自身运行特点，将系统优势进行充分发挥。

3结束语

综上所述，多关节型搬运机械手作为我国机械技术发展与科学水平进行的直观表现，该机械在实际应用于我国各个行业的生产过程中发挥出了极大的效用，为我国经济发展与生产力进行做出了极大的贡献。在多关节型搬运机械手今后的实际应用与自身发展的过程中，相关科研人员应该加大对多关节型搬运机械手的综合研究，争取在原有水平上获得更大的进步，为我国未来的科学发展提供有力保障。

作者：王建卫 单位：中天科技精密材料有限公司

机械手设计论文:射出成型机械手控制系统设计研究

摘要:设计了一种射出型机械手控制系统.该系统采用C8051F020单片机作为控制器,扩展了输入输出接口、彩色液晶接口、键盘、FLASH存储器实时时钟等模块,并设计了SD卡接口,通过该接口可以实现系统软件自更新功能.给出了系统硬件的设计方法和软件实现过程.通过在G28射出型机械手上测试表明,该系统能够满足此类机械手的控制要求.

关键词:机械手;控制器;实时时钟

随着科学技术的不断发展及中国劳动力成本的不断增加,国内很多企业开始从人口密集型向技术密集型转变,制造业发展模式也从粗放式向精细式转变[1].工业机器人代替人进行单调、繁重工作或在恶劣环境下工作[2].这种转变给国内工业机器人发展带来了巨大机遇.目前,国内企业比较常用的工业机器人分为多关节型、旋臂型、直角坐标型等,每种机器人有着不同的应用场合.关节型机器人一般价格较高,旋臂型机械手价格便宜.本文采用C8051F020单片机配合电路,设计了一种旋臂式射出成型机械手控制系统,通过SD卡接口,系统支持在应用编程,显示画面也可通过该接口进行更新,方便机械手生产公司能根据不同的客户进行二次开发,设计不同的显示界面.

1射出成型机械手动作流程

射出成型机械手的工作过程可分为手动运行和自动运行模式.自动运行模式又可分为固定运行模式和自定义运行模式.固定运行模式一般为机械手生产企业根据常用的机械手动作流程而设定的一系列机械手动作序列.G28型射出成型机械手固定动作模式包括L型夹公模、L型夹母模、U型夹公模、U型夹母模、二次置料夹公模(吸夹同时)、二次置料夹母模(吸夹同时)、U型夹公模(内置料)、U型夹母模(内置料)等.机械手所有旋入、前进、吸夹等动作都通过气动装置实现.

2系统方案

如图2所示,G28型射出成型机械手通过控制系统控制,并配合产品的模具和注塑机等设备,完成产品的压制成型.对于不同的产品,机械手有着不同的动作流程,不同动作之间的协调通过开关量信号或时间延时来控制,控制过程极其复杂.机械手整个动作流程的关键参数可以在彩色液晶屏上实时监控,运行过程中的错误信息(出错时间及故障类型)也能够实时保存.为了满足G28型射出成型机械手控制要求,整个控制系统设计了CPU模块、存储模块、液晶模块、SD卡接口、实时时钟、报警模块、输入输出接口等.

3硬件设计

3．1CPU选择

G28型射出成型机械手的控制系统需要的输入输出接口以及液晶屏、存储器等的扩展接口较多,普通的51单片机很难满足要求,为此选用了SiliconLbsa公司生产的混合信号微控制器C8051F020[3G4].该CPU虽然是基于51内核架构,当时钟频率为25MHz时,速度可达25MIPS[5],并包含8组字节(8位)宽度输入输出口,通过适当扩展后能满足该机械手对I/O口的要求.同时,该CPU包含64KFLASH存储器,4K＋256B数据存储器,8通道12位ADC,2个12位DAC、5个16位定时计数器等[6G9].C8051F020接口原理见图3.

3．2存储模块

根据G28型射出成型机械手的控制显示要求,彩色液晶需要显示的内容非常丰富,主要包括开机界面、机械手工作状况查看界面、教导模式界面、自定义模式界面、运转次数设定及查看界面、故障码查询界面、功能设定界面等.图4给出了机械手工作状况查看界面和教导模式界面的显示内容.由于每一页显示界面的基本色调和固定的图形在系统工作时基本不变,为了编程方便,系统把所有显示界面的基本色调和固定图形都保存在扩展的存储器中,系统工作时只要程序控制刷新相应的参数和一些图形的颜色.控制系统扩展了32MB的存储器.系统采用了8片AT49BV322DFLASH存储器实现,其中28MB用于显存功能,4MB用于机械手相关参数的保存.AT49BV322D采用字节工作模式,所以把8片存储器的IO0—IO7并联作为数据口,把8组地址(IO15、A0—A20)并联连接(字节模式下,IO15作为低位地址),每片存储器的片选采用一片74LVC138三G八译码器控制[10],译码器的A、B、C脚分别作为整个存储系统的高三位地址.经过扩展后,参数保存单元的地址范围固定为:000000H—1FFFFFH,显存的地址范围为200000H—1FFFFFFH.

3．3液晶模块

液晶模块采用深圳拓普微公司生产的TFT型彩色液晶模块LMT035DNAFWU.该液晶分辨率为320像素×240像素,模块使用了图形加速控制器T8000,彩色显示度为65K色度,内置中文字库和画图指令,可以使用并行口或串行口与CPU通信[11].为了加快通信速度,系统采用了并行通信接口.LMT035DNAFWU的数据总线宽度可以设置为8位和16位,本系统数据总线采用8位,8位数据线依次与C8051F020的P7口相连.液晶模块18位地址线中,高2位地址线分别与P5．0、P5．1连接,低16位地址分别与P6和P7口连接,由于P7口通过时分复用的方式工作,所以液晶低8位地址与P7口连接时中间加了一片74LVC373.74LVC373是一款八D数据锁存芯片[12].液晶模块的/WR0写信号通过p4．7控制.液晶模块接口见图5.

3．4SD卡接口

通过SD卡接口、配合为系统编写的自更新程序和CPU的IAP功能,该控制系统可以实现系统软件的自更新和显存内每一页固定显示内容的自加载功能.

3．5键盘和报警模块

G28型射出成型机械手控制面板需要17个按键.为了节省CPU的I/O口,系统采用了5×6矩阵键盘,在其中17个交叉点安置17个独立式按键。

3．6实时时钟模块

机械手工作的时候,液晶显示屏幕能显示当前的日期和时间,当系统发生故障被检测到的时候(如机械手旋入的时候安全门信号丢失等),控制系统需要记录故障的类型及发生故障的时间,以方便维护和检修.为此系统采用了一片实时时钟芯片DS1302,该芯片是DALLAS公司生产的涓流充电时钟芯片[14].本系统使用独立的32．768kHz晶振为该芯片提供时序.系统工作时,DS1302使用系统提供的电源供电,系统关闭后,芯片使用纽扣电池供电.

4软件实现

4．1开机流程系统开机后,首先进行系统初始化,然后进行开机自检并显示首页,系统不断判断目前工作模式,根据不同工作模式执行相应的程序.开机流程见图7.

4．2手动和自动运行模式

手动运行模式为人工操作模式,操作员根据操作步骤通过键盘按钮控制G28机械手完成相应动作。

4．3程序自更新的实现

射出成型机械手一般工作在注塑等环境恶劣的场合,而且系统开发定型后,调试接口一般都已经去除,对系统进行软件升级一般只能换主板,这将造成很大的浪费.G28型射出成型机械手控制系统实现了软件的自更新功能.系统使用的C8051F020本身可以实现IAP功能,系统预先烧录了引导程序(bootloadGer)[15].图10为应用软件自更新的流程图.系统上电后,在地址0000H处存放的不是跳转到应用程序的指令,而是固定存放一条跳转到引导程序的指令.引导程序判断是否有SD卡,如果有SD卡,就判断是否有应用程序执行文件(bin文件,文件名称必须按要求固定不变),如果没有新的应用程序文件,就跳转到目前系统的应用程序执行,如果有新的应用程序文件,就读取文件,替换系统旧的应用程序.更新完成后,引导程序跳转到更新后的应用程序地址执行.系统和SD卡的数据交换采用SPI方式进行。

5结语

本文设计了一种射出成型机械手控制系统.该控制系统可以使机械手工作在手动和自动运行模式下,运行过程中的故障信息、运行次数实时保存记录,通过彩色液晶屏,能够实时观察动作执行相关信息及协调信号的状态,而且能够智能化地判断每一步动作与动作之间的合理性.软件的自更新功能使应用程序的升级变得更为简单方便.该系统在G28型射出成型机械手的测试和应用表明,该控制系统能够满足射出成型机械手的控制要求.

作者：张飞1;何雅琴2;钱金法1 单位：1．常州机电职业技术学院2．常州机电职业技术学院

机械手设计论文:钻具旋转机械手设计

《机械杂志》2014年第六期

1机械手总体设计和特点

JGxxx旋转机械手主要由底座、旋转轴系、旋转臂、夹持器和旋转油缸组成。如图1所示。底座全由型材组合焊接而成，提供整个部件的支撑及其与拖车的连接接口；旋转轴系由旋转轴和滑动轴承座等组成。旋转轴靠花键实现扭矩的传递，滑动轴承座采用国标滑动轴承座，由螺栓连接固定在底座上；旋转臂也全由型材组合焊接而成，传递扭矩，实现载物的旋转。夹持器由三个油缸、两个夹持臂、滑动块和夹持器夹组成。一个端部法兰连接油缸推动滑动块直线运动，另两个单耳板连接油缸依据杠杆原理控制两夹持臂的开合，夹持钻杆时，两油缸推动两夹持臂闭合，另一油缸推动滑块夹紧钻杆，靠摩擦力夹紧钻杆实现旋转。各旋转连接点由销轴连接，实现转动；旋转油缸靠中部法兰安装在底座上，由花键与旋转轴连接，提供旋转扭矩。

2设计计算

2.1JGxxx旋转机械手夹持器计算对于外径245mm，重量3000kg的钻杆，当初始接钻杆时候受力分析如下：考虑安全系数1.67，分配到单个夹持机构的力G为25.2kN。图2为钻具夹持器水平状态受力分析。根据力平衡：F1＝G＝2.52×104N图3为钻具夹持器较高位置的受力分析。取摩擦系数μ＝0.1，故油缸一的推力F2为。

2.2JGxxx旋转机械手轴系计算分析由于摆动油缸花键接口的尺寸限制，轴系的最小直径为112mm，轴系的结构，受力与约束施加如图2所示。简化了轴的结构，轴上花键部分以花键的最小直径代替。考虑花键材料抗拉强度极限不低于600MPa，初步选用35CrMn。图5为2009年8月5日受力分析的实验记录。图7为不同条件下的等效应力实验记录。根据上述结论，按第三强度理论，做弯扭合成强度校核计算，按照对称循环应变力时的许用弯曲应力，[σ-1]＝70MPa，σca＝13.1MPa≤[σ-1]，满足强度条件。按照刚度要求较严格的轴取许用挠度为：[y]＝0.0002×h＝0.274mm式中：h为两个轴承间距，根据文献[9]结合产品工作条件，取h＝1370mm。变形量y＝0.02mm≤[y]，满足条件。由于轴的使用转速很小，应力应变频率低，不需要校核轴的疲劳强度。

2.3花键的连接强度计算以传递扭矩较大、直径最小的摆动油缸连接处校核，按照静连接条件，以工作面上的压力进行条件性的强度计算，计算公式如下：

2.4JGxxx旋转机械手轴承座受力计算选用铅青铜材料，材料牌号为zCuPb10Sn10或zCuPb30，按照变载荷和冲击载荷条件验算。简化轴承载荷，由钻具重量3000kg与旋转机械手旋转部件考虑工作安全情况，根据文献[9]取安全系数1.67。再考虑特殊情况，如钻具中装满干性的重泥浆等特殊情况，将安全系数再扩大1.6072倍，如此再加载到两轴承上。根据文献[9]得单端轴承载荷为：结论：设计满足规范条件和工作中的使用要求。

作者：邬静单位：中国石油川庆钻探川西钻探公司

机械手设计论文:基于MCGS的机械手控制系统设计

摘要：介绍了西门子S7-200可编程控制器在机械手控制系统中的应用，并用MCGS组态软件开发了上位机监控系统。在MCGS和PLC通信的基础上，通过计算机控制PLC，实现了对机械手的控制，实践证明，系统具有界面友好，易于操作，运行，能直观的检验机械手控制系统的运行情况等优点。

MCGS即“监视与控制通用系统”，是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出等功能为一体，具有操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。是国内使用较多的国产通用组态软件[1]。

可编程控制器（PLC）是以微处理技术为基础，综合计算机技术和自动控制技术发展起来的一种新型工业控制器[2]。它在工业现场中对机械手能起到有效而灵活的控制。机械手是一种模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或工具进行操作的自动化装置[3]。文章利用PLC控制机械手用于抓取和搬运工件。上位机采用MCGS监控控制界面，方便直观的获取和存储机械手模型位置和状态信息。该机械手具有一定的通用性和开放性，即能用于实际生产，又能方便实验教学，因此，通过MCGS开发和研究机械手具有重要的实际意义。

1 机械手控制系统PLC设计

1.1 机械手控制系统的控制要求

机械手具有启停、移动和抓放功能。启动和停止功能由操作人员通过启停按钮进行控制，移动和抓放功能则由相应的电磁阀控制。对应的电磁阀有六个，分别是左移、右移、上移、下移、抓紧和放松阀。若要机械手动作只要控制相应的电磁阀动作即可。机械手的动作可由操作人员现场手动操作，也可根据工艺需要预先编好程序，启动后按照程序动作。

1.1.1 机械手的工作过程

机械手搬运工件，要求机械手按照工作过程完成上移、下移、夹紧、放松、左移、右移多种动作，按下启动按钮SB1后，机械手工作过程如图1所示。

1.1.2 机械手工作方式

该机械手控制系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点5种工作方式。

1) 在手动工作方式下，六个按钮分别控制机械手的上移、下移、左移、右移、夹紧、放松。

2) 单周期工作方式下，按下启动按钮SB1，机械手完成一个周期工作后，返回并停留在原始位置。

3) 单步工作方式下，按一下启动按钮、系统转到下一步，完成该步任务后停止工作，再按启动按钮，再往前走一步，此方式常用于系统调试。

4) 连续工作方式下，机械手从原始位置开始，工作一个周期后，会自动连续循环。按下停止按钮SB2，机械手在完成一个周期后，回到原始位置，然后停止。

1.2 PLC输入输出端子分配

该机械手控制系统的控制为纯开关控制，共需要17个输入量，6个输出量。

系统选用性价比比较高的西门子S7-200 PLC，CPU226，其I/O点为24输入，16输出，可以满足系统要求。

机械手控制系统的PLC外部接线图如图2所示。

2 基于MCGS的机械手监控系统设计

2.1 MCGS组态软件

MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性[4]。五部分功能如图3所示。

MCGS能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、曲线和报表输出等功能，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的特点。

使用MCGS组件新工程一般按照以下步骤：1）工程项目系统分析；2）建立新工程；3）设计菜单基本体系；4）制作动画显示画面；5）编写控制流程程序；6）完善菜单按钮功能；7）编写程序调试工程；8）连接设备驱动程序；9）工程完工综合测试。

2.2 机械手监控系统建立

弄清系统的控制流程和所要监控的对象特征后，明确监控要求，分析工程中的输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，然后建立一个文件名为“机械手控制系统”的MCGS工程，如图4所示。

2.3 动画制作

利用绘图工具中的对象元件库，来完成机械手静态画面设计。绘图效果如图5所示。

2.4 定义数据变量

实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。本工程定义的数据对象见图6所示。

2.5 机械手监控系统动画连接

画面编辑好后，需要将画面与前面定义的数据对象即变量关联起来，以便运行时，画面上的内容能随变量变化，逼真的模拟机械手动作。需要进行按钮的动画连接、指示灯的动画连接。为实现机械手上下左右动作，静态画面中机械手、上工件、下滑竿等部分需要随动作进行水平移动，上工件要做垂直移动，左滑竿做水平缩放，下滑竿做垂直缩放。

2.6 连接西门子设备

在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。设备窗口以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。通过通道连接，向实时数据库提供从外部设备采集到的数据，从实时数据库查询控制参数，发送给系统其它部分，进行控制运算和流程调度，实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。

使用MCGS组态软件和PLC通讯之前，必须保障通讯连接正确，通讯电缆使用西门子标准PC\PPI电缆[5]。机械手控制系统设备连接如图所示。设置成功后在子设备的通道连接中通讯标志位为1，则说明连接成功，否则需要重新设置设备的属性[6]。设备管理如图7所示。

2.7 利用定时器和脚本程序实现机械手的定时控制

进行组态设计时，控制策略是必不可少的，在MCGS运行策略窗口中对循环策略进行了组态设置，该策略包含定时器构件与脚本程序构件。

根据机械手控制要求，机械手完成一个循环回到初始位置需44S，因此设置定时器的定时时间为44。具体设置如图8所示。

机械手程序分定时器控制、运行控制和停止控制三部分，定时器部分实现启动按钮和复位按钮对定时器的控制功能。

1）定时器部分相应的脚本程序：

IF 启动按钮=1 AND 复位按钮=0 THEN

定时器复位=0

定时器启动=1'如果启动按钮=1且复位按钮=0，则启动定时器工作

ENDIF

IF 启动按钮=0 THEN

定时器启动=0 '只要启动按钮=0，立刻停止定时器工作

ENDIF

IF 复位按钮=1 AND 计时时间>=44 THEN

定时器启动=0 '如果复位按钮=1

'只有当计时时间>=44s，即回到初始位置时，才停止定时器工作

ENDIF

2）停止控制部分对应的脚本程序：

IF 定时器启动=0 THEN

下移阀=1

上移阀=1

左移阀=1

右移阀=1

ENDIF

MCGS通过设备驱动程序从现场设备获取实时数据，一方面以图形的方式直观地显示在上位机上，另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给现场硬件设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。

3 结论

根据PLC控制系统的要求，利用组态技术和PLC构成了简单地机械手控制系统。通过MCGS实现了对机械手动作状态的实时监控，上位机具有便捷的计算、图形、控制、强大的数据管理能力，操作人员可以通过上位机画面直观方便的了解设备的运行情况，大大提高工作者的工作效率。下位机可编程控制器具有优良的控制驱动能力。系统工作，控制方案还具有较强的通用性，本机械手控制系统的研制无论对改进PLC课程的教学和组态软件课程的教学还是传统机械手系统的改造，都具有很重要的现实意义

机械手设计论文:基于PLC的教学型气动机械手控制系统设计

摘 要：根据教学需求，为提高学生解决工程问题的能力，设计了基于PLC的教学型气动机械手控制系统。首先明确气动机械手的动作要求及工作循环，然后进行PLC输入/输出端子的地址分配，针对不同工作方式在编程软件中设计能完成规定功能的程序。结果表明，基于PLC的控制系统具有抗干扰能力强、编程直观简单、性高且易于安装维护等优点，故PLC工控机必能在“中国制造2025”制造强国战略的实施中得到广泛应用与大力发展。

关键词：机械手；PLC；自动控制

0.前言

机械手作为一种控制对象，可以替代工人完成多种工作。现代化的生产车间，多配有机械手。它可以提高生产过程中的自动化程度，进而提高生产效率。教学型机械手是针对教学所需研制的典型机器人设备，有两个方面的要求。首先在硬件方面要求能让学生自己组装该设备，能正确连接电路与气路，所涉及的知识面要适合工科学生；其次在软件方面要能分模块，分块学习更容易接受，学后能按照要求编写控制程序。本文在提高教学效果为目的的前提下，以能够实现一定工序的搬运机械手模型为研究对象，设计其控制系统。

1.机械手工作过程

机械手的动作过程如图1所示，用来将工件从一个工作台搬到另一个工作台。

机械手的全部动作由气缸驱动，根据使用场合不同控制方式一般分为手动操作与自动操作两种。手动操作主要为安装调试或出现故障需要维修时使用，实现对各执行动作单独用按钮进行操作，通常是设计过程中必须考虑的控制方案。而自动操作是以PLC控制器为基体，按预先编写的程序实现自动控制，自动操作又分为连续自动操作和单周期自动操作。以单周期自动操作为例，机械手的动作循环依次是：从原点前伸――下降――夹紧――上升――右转――下降――放松――上升――左转――缩回至原点10个动作。 其中上升、下降、前伸、缩回、左转和右转等8个动作，每个动作末都会触发各自的限位开关，由限位开关去控制电磁阀通断以顺利执行下一个动作。而放松和夹紧两个动作则是通过设置时间延时实现和下一个动作的顺利衔接。其具体动作过程如图2所示。

2.输入输出端子点数

C械手的控制系统采用了西门子公司生产的整体式S7-200CPU226式PLC。动作②、④和动作⑥、⑧不会同时出现，故只占用可编程控制器的两个输入点而不是4个输入点。在动作②执行前需先判断左工作台上有无工件，故用于检测有无工件的光电开关需占用PLC一个输入点。机械手左右转动时的左右限位开关各占用PLC一个输入点。启动与停止按钮各占用PLC一个输入点。另外，因为存在3种工作方式，故还需在PLC中配置3个用于工作方式选择的输入点。在手动控制方式中，因为存在4种不同的加载方式――前与后、左与右、上与下、夹与松，故需在PLC中配置4个用于加载方式选择的输入点。而控制器需要输出用于控制伸出、缩回、下降、上升、夹紧、左转、右转和原点指示灯状态的指令，故此控制系统共使用了14个输入量和8个输出量。

3.整体程序设计

机械手整体程序结构如图3所示。若选择手动操作工作方式，I0.7断开，接着执行手动操作程序。手动操作程序可以独立于自动操作程序，可以另行设计。在单周期工作方式和连续操作方式下，可以执行自动操作程序。在使用自动操作方式时，中间继电器M1.0接通。手动操作方式和自动操作方式，都用同样的输出继电器。

系统调试时将各I/O端子和实际控制系统的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件安装。机械手PLC可编程控制器编程软件采用STEP7-Micro/Win V4.0，整体程序和各个子程序在编程软件中编辑，机械手正常工作时程序存在存储卡中，若需要修改程序，先将PLC设定在STOP状态，运行编程软件，打开机械手的控制程序，即可在线调试，也可用编程器进行模拟，整个过程简单直观。

结语

PLC是面向用户专为在工业环境下应用而设计的专用计算机，可以使用户获得高性能、高性的同时享受高质量和低成本。本文通过对搬运机械手应用场合及工作过程的分析，总结出使用PLC完成系统控制任务的流程。即首先明确机械手的动作要求及工作循环，然后针对其不同的操作方式进行操作面板的布置和I/O端子的地址分配，针对其不同的工作方式在编程软件中设计能实现具体功能的整体程序和各子程序。详尽的设计过程可为从事工业控制的工程人员提供一定的参考。

机械手设计论文:基于PLC的上下料机械手设计探析

摘 要：近年来，随着工业自动化的不断发展和用人成本的增加，矿山生产中的上下料正向机械化、自动化转型。机械手精度高、动作迅速、可长时间作业的特征被矿山企业应用到上下料的生产中，提高了生产效率。本文讨论了上下料机械手的设计方案，确定了基于PLC控制的机械手的关键参数，在明确控制方案的前提下，设计了机械手控制系统的硬件和软件，为PLC控制机械手在上下料生产中的应用提供了理论支撑。

关键词：机械手；PLC；ADAMS；上下料；自动化

引言

机械手是在工业生产中较为常见的自动化设备，它通过模仿人的手臂，按照设定的路径等参数进行物件的抓取、搬运和其他操作。它主要包括执行机构、驱动机构和控制系统三大部分，控制系统一般采用DSP、单片机、PLC等芯片，时时控制各电机运动。驱动机构主要包括各种电机，执行机构主要是仿生手臂用来进行相关的操作。由于要进行较为复杂的操作需要多关节进行协同，所以多自由度机械的控制是基础，一般采用六自由度或四自由度的结构，自由度越多，其灵活性越大、操作范围越广。

自动上下料操作是指在工厂和数控加工中周期性的给机器和机床上下料。由于此项操作重复性强、危险性高、工作强度大，已经不再适合手工操作，于是自动化的机械手取而代之。机械手可以快速地长时间作业，定位精度高，环境适应性很好，尤其是其抓举运输可以超过人力很多，便于工业生产，所以对机械手进行研究并使其应用到上下料生产中十分必要。

1总体设计

机械手的设计方案如图1所示，该方案主要由HMI、PLC、驱动系统及机械手本体四个部分组成。

1.1机械结构设计方案

机械手的机械结构较为复杂，需要确定机械手自由度、行程和速度参数，电机选型和各轴的转动方式。

之所以为机械手添加6自由度，是为了保障机械手可以抵达任意位置，其中位置自由度3个，姿态自由度3个。通过简化分析，满足基本的上下料操作，机械手设计包括4轴4自由度，分别是X轴、Y轴、Z轴和RZ轴。机械手的结构示意图如图2所示。机械手沿X轴进行水平方向的左右移动；沿Y轴进行水平方向的前后移动；沿Z后轴进行竖直方向移动；沿RZ轴可绕Z轴旋转。

机械手的运动需要电机进行驱动，它的主要动作特性与电机参数息息相关，所以对于电机的选型是必要的。一般而言，电气式机械手常用的电机类型有伺服电机和步进电机。为使机械手能够快速移动，要求轴电机的额定转速要高、额定输出转矩还应较大。因此，X、Y、Z轴常选用伺服电机。但是对于RZ轴，由于其负载较小，精度要求较高，所以可以选择简单实用的步进电机。

电机驱动的传动方式有多种，常见的机械手传动方式包括同步带传动、滚珠丝杆传动和齿轮齿条传动。其中同步带传动是应用较多，其简单易用，保养方便；滚珠丝杆传动由于精度高、噪音低，常用于高精度的传动场合；齿轮齿条传动的特点是动力足、寿命长，但是噪音较大。综合以上多种传动方式，从精度要求和成本考虑，本文设计的机械手的X轴和Y轴采用同步带传动，Z轴采用齿轮齿条传动。

1.2控制系统设计方案

机械手的控制系统设计方案如图3所示，HMI与PLC进行数据交换，向PLC传送数据和运动控制命令的同时接收传回的数据，并进行时时显示。

2机械手关键参数设定

综合评价机械手的行动能力将以较大速度、负载能力、位置偏差阈值等参数为标准，这就需要确定电机的额定转速、电机的额定转矩、减速器的减速比、同步带轮节径等。由于机械手X轴的受力最为复杂，现以X轴为例来详细分析关键参数的设定过程，随后可用相同的方法确定其他轴的参数。

首先根据经验选择一个伺服电机，经计算满足设计要求后，进行下一处电机的确定。首先画出X轴的示意图，如图4所示。通过分析，可以计算出X轴负载的转动惯量JL，X轴较大移动速度Vmax，机械手加速过程中电机的较大输出扭矩Tmax等参数。

3控制系统硬件设计

机械手控制系统的硬件设计主要包括X轴、Y轴、Z轴伺服驱动器的选择、RZ轴步进驱动器的选择、PLC及扩展单元的选择等硬件的设计，由于篇幅所限，只以PLC的选择为例进行说明。

PLC是可编程逻辑控制器，通过数字或模拟输入输出控制整个机械生产过程。上下料机械手需要控制3个伺服电机和1个步进电机，所以PLC选型时应具有4路高速脉冲输出功能。

本例选择CP1H-Y20DT-D型PLC作为机械手的控制器。根据控制要求给各个控制对象分配IO地址，这样便于PLC寻址和控制被控对象。由于各个轴上具有光电开关、减速器等装置，需要对其进行IO地址的分配。当上下料开始时，PLC输出数字信号令锭床开始加工，当锐床加工结束后，PLC收到信号，继而进行下料操作。

4控制系统软件设计

PLC的高速计数器功能和串口通讯功能都将被实用，所以应先编程设置PLC，如D5所示。

在设置完PLC具体参数后，需要明确机械手的上下料过程即取料、上料及下料阶段，通过图6表示机械手上下料全过程。

机械手先从原点P0向P1点运动，当到达P1点后机械手松开，向下运动到P2点，夹爪闭合抓取工件后回到P1点；机械手夹持着工件向P3点运动，在P3点向下运动至P4上料，然后机械手运动到P3点，再运动到P5点，机械手给铣床上料完成；当加工完成后，机械手经过P6-P7-P6-P8等点的操作后，完成下料，并将工件放置在传送带上，其运动回P0点循环进行下一轮操作。

控制程序方案包括回原点、示教、轨迹规划和轨迹执行四个部分；回原点操作意在令机械手上电后或者上下料结束后回到其坐标原点；示教是示教出空间上的坐标点，并存储到PLC的内存区；轨迹规划是指定轨迹上的点与示教库中点的关系，通过软件实现轨迹与示教库信息的吻合，保障运动精度；轨迹执行部分用来设置运动时的轨迹的编号、减速比、时间量等参数。

5结论

本文设计了基于PLC控制的机械手，确定了机械手的结构设计方案，分析了机械手三个轴的关键参数，明确了机械手控制系统硬件部分的元器件选型，提出了上下料过程中的控制程序基本思路，明确了回原点、示教、轨迹规划以及轨迹执行等程序方案。相信随着自动化领域的不断进步，基于PLC控制的机械手将会在度等方面实现新的突破，广泛应用于现代化工厂的上下料生产中，逐渐代替人工操作。

机械手设计论文:基于PLC控制的机械手设计

【摘 要】本设计采用PLC控制技术和气动技术，通过PLC控制器控制电磁阀的顺序开启，实现机械手的运动、控制工件的抓取和卸料，实现全自动生产。应用PLC控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

【关键词】后定位器机械手；气动技术；机械结构；PLC控制

一、绪论

日照某公司冲压车间，现有一台xxx型冲床，专门用于生产后定位器部件。目前生产采用手工上料、手工压紧、冲压后半手工卸料。这种生产方式导致了该冲压件的生产质量很大程度上取决于操作人员的技术水平，且存在较大的安全隐患。

根据山东水利职业学院和该公司冲压车间合作，进行后定位器部件弯曲冲压冲床的自动上料技术改造。解决该冲床的，生产效率低，安全防护差，人员依赖强的缺点，实现设备的全自动，高效，安全运行的目的。

二、后定位器机械手系统的总体思路

（一）主要技术参数

后定位器机械手采用光机电气一体化技术，针对后定位器部件弯曲组装工序进行的技术改造，实现工件毛坯的自动上料与卸料。通过调研现场冲压机床的安装布局，发现后定位器机械手的结构除满足冲床的工作行程外，还要满足现有的模具空间要求。

后定位器机械手的主要要求如下：

工件不允许被磁化。

工件表面不允许被划伤。

保障坯料被放到正确的冲压位置。

生产效率比目前的手工操作要高。平均19件/分，约为目前纯人工上料操作的1.46倍。

运行安全，能耗低，噪音小，绿色无污染。

实现后定位器机械手的自动控制。

（二）后定位器机械手系统整体框架

后定位器机械手主要由控制系统，驱动系统，执行机构和检测装置四大部分构成。其中，执行机构分别是完成工件上料、送料、卸料的带有接料盒的气动导轨、气动真空吸附机械手、提升板和推板。本设计是由气压来进行驱动。控制系统是以PLC为核心的控制器。控制系统采用闭环控制系统，保障了系统的精度。

综上所述，机械手控制系统整体框图1如下：

（三）后定位器机械手系统总体设计

当安装在冲床上的凸模开始向上运动做返回行程时，上料装置的气动吸盘迅速从带有送料板的气动导轨上吸取坯料，然后气动装置，沿双向导轨快速运动，通过行程开关使坯料能够到达冲床模具的冲压位置。吸盘将坯料放到冲压模具的凹模上时，通过六个定位销进一步定位，并且，吸盘运动到使坯料接触凹模上表面后才松开坯料，这样保障了坯料能够放平，地定位。在坯料到达模具冲压位置之前，安装在送料装置前端的卸料装置已将上一个已加工好的工件推到卸料槽内，工件靠重力滑落到工件箱内，自行完成卸料。

系统的主要特点如下：

1.采用无损、无磁化的柔性多功能真空吸盘抓料手；

2.采用双轨导向、重力落料的自动定位贮料装置；

3.采用高精度的双导轨导向机构，确保取料、送料和放料的精度；

4.通过取料板上的特制模腔与贮料装置的配合，实现料片的连续、、单一的提取。

5.系统具有自动检测料片有无报警装置，并且可以实现定位。

（四）后定位器机械手系统组成

后定位器机械手主要由机械机构与控制系统两大部分组成，如图2所示。机械机构主要包括取料装置与卸料装置，如图3所示。控制系统采用PLC技术，通过自动控制装置，使各种装置按照一定的顺序和时间间隔发生动作。控制送料的时间与冲压行程之间的满足规定的协调关系，保障一定的生产率和运动时间的性，不允许有超前或迟滞现象。

1.上料机构设计方案

后定位器机械手的送料机构主要由取料装置与送料装置组成。其中，取料机构用来完成坯料的单一提取，送料装置完成坯料的吸取、坯料的输送与定位工作。取料装置完成每次从坯料盒中自动取下一件坯料，并通过导轨传动和行程开关的作用，将坯料停放在吸盘的工作位置。然后送料过程开始，通过送料装置，将坯料输送到冲压工作位置，为冲做好准备。如图4所示。

2.取料装置设计方案

取料装置，主要由气动装置、坯料盒（贮料装置）、接料盘、导轨、限位装置等部分组成。通过取料装置把料片送到周转工位。

由于料片的不规则，最终确定了取料装置的机械设计。它主要由坯料盒（贮料装置）和带接料盘的取料板两部分组成。

三、PLC控制器的设计原则及其选型

（一）PLC的型号确定

本文中机械手控制系统选用的是S7―200系列中的CPU224的型号。该型号PLC集成的数字量输入/输出为14入10出共24个数字量I/O点，可以很好的满足本设计控制系统中的11个输入9个输出共20个数字量的要求。

（二）PLC控制器的I/O点分配

根据机械手动作流程分析及PLC的I/O点数，可以确定电气控制系统的I/O点分配，根据I/O点分配表可以画出PLC的外部接线图如图6所示。

（三）后定位器机械手控制程序设计

1.控制流程图设计

采用PLC对机械手进行控制，首先要明确机械手的工作要求和运动规律，当机械手的动作流程发生改变时，只需要改变PLC程序即可实现。按照机械手的控制要求，合理画出机械手的运动流程。设定取料板到达坯料盒下方的位置（进行取料的位置）为取料终止位、取料板到达上料手取料的位置为取料初始位、上料手要进行下降吸料的位置为上料初始位、上料手要进行下降放料的位置为上料终止位、上料手上升停止的位置为上限位、上料手下降停止的位置为下限位，后定位器机械手控制主流程图如图7所示。

2.PLC程序设计

后定位器机械手控制系统的主程序设计如图8所示，其中包括取料板取料复位子程序，上料手复位子程序，上料手送料子程序。

四、结论

本文综合利用光机电气数一体化技术，采用数字化软件及虚拟样机设计技术和PLC控制技术，完成了后定位器机械手系统的设计与研发。设计开发的后定位器机械手系统具有技术含量高，制造成本低，设备的附加成本低，安全、节能、环保等优点。通过后定位器机械手的现场安装调试，无需对现有的车间设备布局进行调整，无需对现有的冲压机床设备进行结构改变，提高了生产率，实现了冲压生产的自动化水平，提高了定位精度，降低了企业制造成本。

作者简介：

尹盛莲（1979-）女、四川广安人、硕士研究生、讲师、山东水利职业学院、主要从事机电类教学工作。

国磊（1979-）男、山东淄博人、硕士研究生、讲师、山东水利职业学院、主要从事机电类教学工作。

机械手设计论文:自动卸车机械手行走机构设计

[摘 要]通过设计一个沿固定轨道自动行走，并在行走过程中检测货车位置和货车中货物的码垛层数和位置。根据检测结果，将货物夹取并沿轨道输送到指定位置。从而实现自动卸货的功能。

[关键词]自动卸车；行走机构

1 引言

在物流}储企业中，物料存储、自动分拣、自动输送、自动识别、自动跟踪等设备都已实现了自动化，但通过货车运输的货物在卸货上，基本还是靠人工手动或人工辅助设备如叉车等来实现。这不仅增加了劳动者的劳动强度，而且严重影响了工作效率。通过调研和分析，对于一些规范的货物，如货物外观尺寸、货物包装方式和包装材料、货物重量、货物允许承受的压力等条件相对规范时，可设计一种自动卸车的机械手来实现货物卸车的自动化。从而提高工作效率和降低劳动强度。

2 方案设计

为了实现自动沿轨道行走、自动检测和自动夹取货物，自动卸车机械手需要有行走机构、检测杆、夹取机构以及其它一些安全保障的部件。设计完成后的自动卸包机械手结构如图1所示：

自动卸车机械手的工作流程为：自动卸车机械手的行走机构（1）在往前行走的过程中，检测杆（2）通过检查，判断物料的层数和位置，夹取机构（3）夹取物料后，上升使物料与下层脱离，脱离后自动卸车机械手向后行走，行走到设定位置后，将物料下降释放到输送通道上。其动作以水平和竖直方向的直线运动为主。其设计难度主要在于各个关键零件的力学分析和传动原件的参数选择。本文将着重论述行走机构的设计分析过程和计算过程。

3 行走机构设计

行走机构在自动卸车机械手的作用是行走到物料位置，夹取烟包后将烟包沿轨道输送到设定的位置。在现代工业中，类似机构最常用于生产车间内的桁车。在设计过程中，首先确定减速电机的类型。选择类型时首先对比了K系列斜齿轮-伞齿轮减速电机和S系列双级斜齿轮-蜗轮蜗杆减速电机的优缺点。两种电机在外形和安装方式上很接近，主要区别在于K系列减速电机传动效率不低于95%，而且可承受较大的径向载荷，而且可承受不大于径向力15%的轴向载荷。而S系列减速机传动效率较大可达到89%，可承受不大于径向力10%的轴向载荷。另外K系列减速电机价格明显高于S系列减速电机。综合考虑设备运行工况，选择K系列斜齿轮-伞齿轮减速电机作为行走机构的动力电机。

行走机构在设定的轨道上，通过计算，选定了GB/T11264-1989 15Kg/m的轻轨作为轨道，使用主动轮和从动轮的形式，其结构图如图2所示：

由图可以看出，动力通过齿轮传动，将动力传动到主动轮上。图中件6传感器支架安装了三组对射式的传感器。在之前的描述中，自动卸包机械手需要在行走过程中检测按图6码垛的烟包。自动卸包机械手运行在带有顶棚的室外，由于灰尘等原因可能出现误检测，特别是误检查车头为需要夹取的烟包，所以在设备中还增加了激光测距。通过对射式传感器和激光测距的双重检测，确保了设备的安全运行。

4 行走机构运行阻力计算

行走机构的设计过程类似于起重设备的设计，设计时需要进行运行阻力计算、电机参数计算、制动器参数计算、运行打滑验算、缓冲器选型计算等。计算在初步方案完成的前提下进行，已知全自动卸车机械手及货物总质量、运行速度、轮直径、轮轴直径为、机械手迎风面积、机械手效率为、风压qⅠ= 90N/m2、qⅡ=150N/m2、qⅢ=600N/m2、最小轮压。

卸包机械手在直线轨道上稳定运行的静阻力由摩擦阻力，坡度阻力与风阻力组成。

（1）摩擦阻力

电动机所配制动器型号：BMG2；Mmax=20N・m。

5.4 运行打滑验算

自动卸包机械手类似于起重机，为了使自动卸包机械手运行时地启动或制动，防止出现驱动轮在轨道上的打滑现象，避免车轮打滑影响起重机的正常工作和加剧车轮的磨损，应分别对驱动轮作启动和制动时的打滑验算。

（1）启动时按下式验算

7 结束语

本文中所设计的行走机构已成功应用在卷烟厂的自动卸车机械手中。该设计过程可为类似的产品设计提供参考。

机械手设计论文:基于“慧鱼”模型的工业机械手设计

摘 要：本文设计的工业机械手以慧鱼模型为基础，它能替代部分人工操作；能按照生产工艺要求，遵循一定的时间、程序和维度来完成工件的传送与装卸；能制作必要的器具进行焊接与装配，从而大大改善工人劳动量，显著地提高生产率，加快工业生产机械化和自动化步伐。

本设计使用ROBO Pro（慧鱼）软件控制ROBO TX控制器，实现对基于慧鱼模型的机械手的操作控制。通过ROBO Pro程序可实现对机械手的控制，改变程序就可实现不同的控制要求。

1.设计题目的提出及主要任务

经过历史的考验，机器人对我们的生产和生活越来越重要。单位时间内的次品率也越来越低，同时我们工作更加轻松，只需控制好操作面板，也就是机器人的控制系统。与此同时，生产出来的产品品质更加，这样可以显著节省成本开支。鉴于其重要作用，因此它被列入很多国家的高新技术产业。同时，机器人是一门综合了机电子、电子计算机及仿生人工智能等诸多专业的新兴学科。

本次设计以现有的工业机械手为基础，依靠慧鱼模型，设计以传送、运输为主要功能的新型工业机械手。

2.机械手的组成和结构设计

机械手一般由执行、驱动、控制等机构3部分组成。

（1）执行机构

由传递装置、驱动装置、控制系统以及末端操作器组成。

①夹持部分

这是机械手的独立的执行部件，夹持部分采用蜗轮蜗杆机构控制手抓的加紧、释放。

由于工业机器人的手部通常是专用的装置，一种手爪往往只能夹取一种量上相近的工件，只能执行一种作业任务。

由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指（或手爪）和传动机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易构件，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

②手腕

起到连接手部和手臂的作用，主要起支撑作用，机器人一般要有6个自由度才能使末端操作器到达目标位置和处于期望的状态。

③手臂

臂部有大臂小臂或多臂构成，一般有2～3个自由度，即伸缩回转，俯仰或则升降。同时再设计臂部的时候要考虑到臂部要有足够的承载能力和刚度，刚度小，影响手臂工作时运动的稳定性更严重地导致变形，导致臂部的承受载荷大小都发生变化，运动速度和定位精度也不行；运动平稳性要好，精度要高，它是机械手的重要指标；重量和转动惯量要小，为了提高运动运动速度，尽量减小臂部的重量，同时还要注意偏重力矩，也就是让臂部的重心与立柱的重心尽量靠近；导向性要好，一面手臂在直线运动过程中发生相对运动。

手臂在进行伸缩或升降移动时，为了使手臂在直线运动过程中不致发生相对运动，以保障手部运动方向的正确性。所以这就需要导向装置，同时在设计导向装置时要考虑到实际载荷的大小，手臂长度行程以及手臂安装方式的影响。同时常用减小或则消除偏重力矩的方法有：尽可能减少臂部重量，还有就是尽量使臂部的重心和立柱的重心重合，再有就是配重的方法。

④立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

⑤机座

机械手的各执行机构部件和驱动系统都安装在机座上，主要起支撑和连接的作用，底座部分采用蜗轮和齿轮结合的方式控制整个平台的旋转。采用杆机构，并由电机提供动力。

（2）驱动机构

驱动机构用于把驱动原件的运动传递到机器人的各末端操作器，一般的常用的液压驱动，气压驱动和电气驱动。

（3）控制系统

控制系统向机械手发出各种指令，让其能够再找要求完成各种任务的装置。目前工业机械手的控制系统多半由电气定位系统和程序控制系统构成。它使机械手按规定的程序运动，并同时机械手接受的指令信息被存储起来，同时按其控制系统的按照接收的信息对各末端操作器发出指令，还可对机械手的动作进行监视，当未按照预定轨迹工作或出现错误时就会发出报警。

（4）位置检测装置

位置检测装置由一个线铙电阻和一个滑动触电组成。当被检测量的位置发生变化时，滑动触电也随之移动，从而改变了接入点路电阻值的大小，从而改变电压，来更清楚地反应位置的变化。

3.慧鱼机械手的主要元器件

慧鱼模型主要包含三大类构件，包括机械类元件、电器类元件和气动元件。本次设计的慧鱼机械手主要由机械类元件、电器类元件构成。

（1）机械类元件

机械类元件主要有：联杆、齿轮、链条、齿轮轴、万向节、履带、差速器等。

（2）电器类元件主要包括：直流电机（9V双向）、传感器、接口电路板等

运用慧鱼工业标准的基本元件，辅以传感器、控制器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，使得技术创新和生产批量化的可行性成为可能。

4.控制系统

经过调试，发现了存在的一些问题，如重复精度不、往返行程过长、抓取不牢固等问题。经过改进、调试控制程序完成结构设计之后，设计ROBO Pro程序如图1所示。

此程序中机械手从初始位置开始，电机M2工作，使机械手的腕部向下偏转，到达指定位置后，电机M4工作，使机械手张开闭合抓取工件，接着电机M3工作，带动机械手臂上升至顶部，随后电机M1工作，带动机械手整体旋转一定角度后，电机M3工作，使机械手臂下降至指定高度，电机M2工作，使腕部偏转至工件释放位置，电机M4工作，释放工件完成搬运过程，机械手返回初始位置，重复上述过程。

5.设计总结

（1）机械手是通用机械手，它的适用范围很广，选用圆柱坐标和三自由度体系。

（2）越复杂的运动，所需的自由度越多，本次设计包括垂直，直线以及旋转3个自由度。

（3）导向装置在此次的装配过程中我们选择采用丝杆与齿轮的配合，从而控制其按固定的方向运动。

机械手设计论文:弧面分度凸轮机械手设计与仿真的分析

[摘 要]弧面凸轮是空间凸轮机构的一种特殊结构形式，其凸轮曲面是通过与其啮合传动的分度盘上柱面滚子，按照给定的运动规律互相包络而形成的空间不可展曲面。本文立足于弧面分度凸轮机械手设计与仿真的分析实际，分析当前存在的弧面分度凸轮机械手设计与仿真的分析问题，并提出针对性的策略，以期为我国弧面分度凸轮机械手设计与仿真的分析提供支持和借鉴。

[关键词]弧面分度凸轮机构；逆向设计；运动仿真

前言：弧面分度凸轮机械手是一种基于弧面凸轮机械结构的间歇进行分度的装置。能够按照生产工艺的要求进行自动的进行传送，装卸，升降，提取，装配，焊接，钻孔，堆垛，检测等任务。尤其是在高温高压粉尘噪音及带有高辐射的环境中使用更佳。其主要特点是结构紧凑，工作效率高，寿命长，精度高，适用于汽车制造，包装，电子，医药等行业，使用前景极佳。

1.弧面凸轮机械手的设计原理及方法

1.1 弧面凸轮机械手的运动形式

根据适用场所的不同，弧面凸轮机械手的运动方式也不同，一般情况下，弧面凸轮机械手要搬运物品，要求手臂要能够进行提升和转动的运动，所以弧面凸轮机械手的运动由这两者复合形成，主要有从动件来实现。所有的运动类型都是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，在现实的工作生活中还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短[1]。

1.2 弧面凸轮机械手的结构

在初步设计结构类型的过程中，主要要考虑以下情况：

（1）能否的满足原有既定的工作模式，如工作效率，运动形式等问题。当弧面凸轮机械手围绕现代整体设计结构进行旋转运动，系统运动结构将实现整体运动旋转结构的运动结构逐步优化，并建立起机械运动结构，不同的机械加工运作模式，实现现代加工技术逐步实现综合技术的工作模式的工作循环，为了保障弧面凸轮机械手的运作效率，应当从保障弧面凸轮机械手的运动灵活性增强，机械运作的整体的结构可以控制在合理有用功大于无用功的均衡分配上，多元化的弧面凸轮机械手的机械运动效率推进现代机械运转的效率，保障机械运作的整体机械加工运作速率。

（2）能否对工作条件有的满足，如工作环境，工作内容，制度以及性等。为了对弧面凸轮机械手的工作条件进行初步判定，操作者可以实施弧面凸轮机械手的工作环境初步检验，例如：机械加工技术环境，必须实现加工机械技术的外部环境满足机械加工旋转运行的需求，保障输入轴和连杆设计符合弧面凸轮机械手的运动需求；从弧面凸轮机械手的加工内容来看，弧面凸轮机械手的零件加工一般都具有精密性特征，我们在进行零件加工的过程中，保障加工弧度与弧面凸轮机械手之间达到尺寸合理，零件加工结构上突出其存在的加工状态，为现代零件加工提供了更加完善的加工设计需求。

（3）结构方面的要求，其中包括结构的复杂性，紧凑性，为了完成某些任务零件的拆卸是否方便等。弧面凸轮机械手的工作设计是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，弧面凸轮机械手在实际机械加工中的的应用，其工作效率不仅与弧面凸轮机械手的旋转速率具有一定的关系，同时弧面凸轮机械手的做功速率还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短，弧面凸轮机械手的做功手臂的长短，实质上也受到杠杆原理的影响。当手臂加长，则弧面凸轮机械手的运行的旋转速率加大，但整体速率性的运行过程和运行时间延长，弧面凸轮机械手进行机械加工的速率就会大大增加，新型运动结构所做功的多少则会受到影响，不同的机械运作结构带来的机械加工速率则会随着杠杆原理设计进行。弧面凸轮机械手零件加工的速率性发生做功要求的变化。

（4）维护方面，是否便于维护，发生故障的几率为多少等。从弧面凸轮机械手的日常维护角度进行分析，弧面凸轮机械手的运作主要是机械输入轴和机械连杆做重复运动，我们进行日常中，要及时对弧面凸轮机械手的连接杆与输入轴的连接处进行润滑，这样可以减少弧面凸轮机械手运作时机械输入轴与连杆之间的摩擦力，保障机械运作的速率，同时做好弧面凸轮机械手的检验，也可以保障机械零件加工的运行效率，及时对磨损严重的零件进行维护和更换（图1）。

（5）经济方面，能否保障经济消耗最小化，造成的生产效率较大化，使其较大限度的为使用者带来效益。为了进一步增加发挥弧面凸轮机械手在现代机械加工生产中的作用。我们应当在弧面凸轮机械手的应用技术上进一步开发，提升弧面凸轮机械手的零件加工效率，提升零件加工的资源应用率，从而实现现代机械零件加工可以发挥工作效率，促进现代机械加工的经济利益，满足机械零件的市场需求。

2.主要零件及附件的设计

2.1 连杆的设计

下面以其中一个杆为例介绍其设计，可对右图来进行参考。水平凸轮的正常转动从而带动与其相接触的滚子，而滚子和从动盘连同连杆之间有着相对的位置关系，其关系为：L子通过摆动使连杆也相对摆动，依靠连杆的末端所连接的滚子以推动滑块从而实现在输出轴上的水平运动。连杆主要受的力是弯矩，故将XOZ截面设计为图2左边的形式。因为这样的设计可以承受较大的弯矩力。连接靠大端的所铣平面上的四个Φ7.2的孔用M6螺钉加以固定在从动盘上。而小端中有Φ24的孔，这是为了提高度，延长使用的寿命，从而便于更换在孔中设计有轴套[2]。

2.2 滚子的设计

在弧面凸轮机械手的设计中对滚子要求也较高，要求滚子不光要有较为的定位，并且还要求摩擦小、转动灵活、便于润滑等特点。在这里自然想到了用滚动轴承，却又发现单个定做成本一定过高，并且不能保障其精度。通过查阅大量的资料之后发现，举例说明：上海某轴承厂所制造的一种专用轴承与此相似。只需要对此稍作改动，就可满足本设计的需要。详细可见右图所示。这个滚子在滚子的外圈采用滚轮的形式，用栓轴代替了内圈，这两点使设计合理，结构紧凑[3]。

2.3 输入轴的设计

这个弧面凸轮机构通过与减速机相互连接的电动机传动进行传动运动。在轴径两端为Φ40，这里为了简化结构所以在轴承处轴承亦采用Φ40，在考虑到轴上有一定的轴向载荷的情况下，可采用的圆锥滚子轴承为GB/T297-199430208型。为了安装方便选择采用面对面的安装。同时为了使凸轮能合理的靠在轴的轴肩处，所以在轴肩处设计了合理的砂轮越程槽，这里的尺寸为2×1.5。在轴上要安装的零件有水平凸轮、提升凸轮以及联轴器，所以轴上设置了键槽，这里均采用GB/T1096-1979的普通平键，由于b×h=12×8所以三个长度分别为80、63、50mm。在轴上的两个凸轮可通过螺母进行固定。这里的轴用45钢进行加工，在调质处理后的硬度应为HRC45～48。从动轴所具有的结构比较简单，详细可见图3[4]。

3.摆动期运动规律的选用

3.1 弧面凸轮机械手的运动特点

为保障弧面凸轮机械手的性，能够地进行抓取提升和平移等工件。弧面凸轮机械手应具有以下运动的特性：

（1）精度高：要拥有更好的性和进行工作时的效率，就要求弧面凸轮机械手必须拥有极高的精准度，以便完成更多的具有一定难度的工作，适应多种工作环境以及工作状态。例如：弧面凸轮机械手进行机械加工中，实施机械加工零件的关键性抓取，并使零件处于平铺状态，零件加工设计的各个部分与零件加工各个部分之间形成了良好的零件平面吻合，从而保障机械零件加工的运动平面处于同一水平状态，实现现代零件加工技术逐性、稳定性加工。

（2）运动的平稳性：在进行很多高精度工作的时候都要求弧面凸轮机械手具有稳定的运动，以免出现对要求的精准度高的工作造成破坏以及对生产造成不必要的损失。尽量不引起由于惯性造成的位移。

3.2 常用的运动规律

凸轮机构的运动规律目前为止已多大三十余种，足够多种不同场合的生产需要。例如如等速度曲，简谐曲线等运动曲线。但是在进行生产的过程中出现较高要求的情况下，就必须考虑其所具有的较高的运动学的特性，从而对其运动中的特性进行合理的改造，改善凸轮的特性常用方法之一是采用高次多项式将数条基本曲线一一连接起来。

（1）修正等速运动规律是由对等速度的曲线修正而得到的，也就是在等速曲线的两端各自加一段经过组合而成的简谐曲线作为过渡曲线，从而保留了等速曲线的部分优点，同时克服了这两端运动曲线不连续的缺点。此方式大多用于所需要速度很小或必须进行等速运动的那部分的凸轮的从动件进行的运动规律，此方法多用于需要低速重载的场合，而并不适合中速和高速。

（2）修正梯形运动规律是通过对于修正等加速度曲线的进一步修正而得。是能够针对等加速度运动规律和加速度曲线在作用力的两端和中间不连续而且是存在有跃度趋向无限大这种缺点，在相应的不连续部分分别加入了一段简单的简歇曲线对其进行过度。从而使加速度和存在的跃度曲线相互连续起来，从而克服了不连续造成的缺点。这个方法可以用于中速轻载甚至中载的场合。

（3）修正正弦运动规律是相对余弦曲线的结果。就是指在余弦曲线的两个端点各自加上一段经由正弦曲线作为过渡而形成的的曲线，从而保留了速度较小的优点，同时又克服了在两端加速度方面不连续的这种缺点。相比较前两种运动规律来说，修正正弦运动曲线的突出优点是速度较小，综合来讲性能很好，通用性更强。通畅用于中速情况，尤其是在负载尚不明确的情况时，这种曲线最为保险。

结论

在进行弧面凸轮机械手的研究过程中，要勇于创新保障其能够更好地被投入生产使用中，为社会的发展更好的贡献出力量。

机械手设计论文:城市街区自助图书馆取还书机械手结构设计

摘 要：城市街区自助图书馆系统是在物联网基础上兴起的文化建设项目，是一种新型的图书馆发展模式。自助图书馆机械手作为图书传输的执行部件，具有借书传输、还书传输、自动分拣的功能，是自助服务效率和安全传输的关键。本文介绍了自助图书馆图书的传输方式，机械手机械系统工作原理以及机械手详细结构。机械手运行稳定，很大程度上提高了图书传输的安全性和自助服务的效率。

关键词：自助图书馆；机械手；机械结构

引言

城市街区自助图书馆系统是物联网技术在图书馆领域的拓展，是集数字化、人性化和智能化为一体的新型图书馆发展模式，是现有公众图书馆服务的延伸，实现了传统图书馆与数字图书馆的结合和质的飞跃[1]。自助图书馆系统由自助图书馆服务机、物流管理系统、中心服务系统、图书馆监控系统、资源管理系统等部分构成，其中自助图书馆服务机是自助图书馆系统的硬件基础，也是其核心组成部分[2]。

射频识别技术（RFID）作为自动识别技术的一大分支，是自助图书馆系统的核心技术，它通过无线射频方式获得图书的相关数据，并对图书加以识别，且无需与图书直接接触即可完成信息的输入与处理，能够实时地采集和处理信息[3]。正是由于RFID的应用使得自助图书馆系统成为一种典型的人机交互系统，实现了自助办证、自助借书、自助还书、自助预约、自助查询等服务功能的融合[4]。

取书机械手系统作为自助服务的执行子系统，具有借书传输、还书传输、自动分拣的功能，是服务效率和图书安全传输的关键因素。机械手的结构及其系统控制策略对提高服务效率和传输安全系数起着至关重要的作用。机械手定位速度、精度以及传输安全性是机械手控制的三大性能指标[5]。因此，对取书机械手结构进行研究具有重要的意义和应用价值。

1 城市街区自助图书馆介绍

1.1 城市街区自助图书馆系统构架

城市街区自助图书馆由自助图书馆服务机系统、物流管理系统、中心服务系统以及图书馆监控管理系统等部分构成[6]，其核心部分为自助图书馆服务机系统。

自助图书馆服务机系统主要包括客户服务操作终端、浏览书架、图书馆网络终端、图书信息浏览面板、辅助部件等，其中客户服务操作终端是其核心部分。在自助服务机系统上，几乎具备了图书馆全部的子服务功能[7]，其主要内容包括自助借书、自助还书、卡证服务、预约服务和查询服务等。

1.2 城市街区自助图书馆服务机系统

自助图书馆服务机系统主要由客户服务操作终端、浏览书架、图书馆网络终端、图书信息浏览面板、辅助部件等组成。客户服务操作终端是自助图书馆服务机系统的核心部分，负责自助借还书功能的实现，其功能通过取书机械手的空间运动实现。

如图1所示，自助图书馆左边区域为操作控制区，读者可在该区域内完成借书、还书、查询等操作；右边区域为图书陈列区，图书分层摆放在书架上。在借书过程中，机械手需要将图书从指定书架上取出并运送到出书口。在还书过程中，机械手需要将图书从还书口拾取并运送到指定书架上。

图1 城市街区自助图书馆正面

2 取书机械手机械系统工作原理

自助图书馆服务机在传统图书馆书架的基础上添加E字形隔书板，使图书两两隔开，方便U形结构机械手末端夹持装置能够快速地插入E形隔书板卡槽内抓取指定图书。机械手末端夹持装置是机械手的末端执行器，末端执行器在三维空间的运动使得图书传送功能得以实现。

图2所示为机械手的三维空间运动，其中 XZ平面为自助图书馆上导轨平面；X轴表示书架的长度方向；Y轴表示书架宽度方向；Z轴表示书架高度方向；W轴为机械手末端执行器的夹持运动方向，该方向与X轴平行，夹持装置在W轴向的运动提供图书夹紧力。机械手具有4个移动关节，X轴、Y轴和Z轴方向的移动实现末端执行器的空间定位；W轴方向的运动提供图书夹紧力，是图书安全输送的关键。

3 机械手结构

在取送书过程中，机械手需要能夹紧松开图书，并且适应不同厚度的图书。具体到设计上，机械手要驱动左右两个手爪移动以夹紧或松开图书，并能够识别或者自适应书本的厚度。

本次设计采用恒压力夹紧控制方式以自适应书本厚度。在手爪夹紧图书的过程中实时监测手爪的夹紧力，当夹紧力达到预设定值，手爪即停止运动。较大夹紧力的设定以能够牢固夹持自助图书馆中最重的图书为依据。设计采用闭环控制，具有较快相应速度。该结构能牢固夹持图书，不仅能有效防止由于夹紧压力值过小造成的的书本脱落，也能防止由于夹紧压力值过大造成的书本损坏。

3.1 机械手爪设计

机械手在定位到要抓取的图书位置之后，在抓取图书过程中要保障能牢固抓取指定图书，同时不影响左右两侧的图书，为此设计E字形隔书板与不对称U字形机械手爪结构，如图3图4所示。一个机械手有左右两个手爪，夹持部分是对称的。隔书板与机械手爪形状上互补，机械手爪在抓取图书过程中，先插入隔书板中，然后两手爪相向运动，抓紧图书。隔书板的厚度为6mm，大于手爪的5mm，因此在机械手定位的前提下，手爪能插入相邻两图书的空隙，并且不损坏左右两边的书。机械手爪前端窄后端宽，类似刀刃，在机械手爪插入隔书板的过程中允许的定位误差更大，这种设计提高了机械手定位的容错度。

图3 隔书板结构 图4 机械手爪结构

如图4所示，机械手爪上面长，下面短，上面有两个橡皮触点，下面有一个，这是基于三点确定一个平面的原理而设计的。左右机械手爪各三个橡皮触点，橡皮与绝大部分图书的封面之间的摩擦系数较大，能在较小夹紧力下牢固夹紧图书。相比之下，机械手爪上下对称但无橡皮触点的结构由于金属与封面的摩擦系数较小，导致手爪平面与书籍封面不能很好贴合，运行效果很不理想。

3.2 机械手压力检测机构

机械手采用单个应变式压力传感器检测压力，如图5所示。该压力传感器需要一端固定另一端受力的形式才能检测压力，为了检测手爪的夹紧力，需要一种结构将传感器与手爪联系起来，使书对手爪的反作用力间接作用在传感器上。如图6所示，左边手爪直接固定在滑块上，右边手爪与滑块之间有个转轴，手爪能绕轴转动，手爪底部与传感器检测端相贴，书给手爪作用力的同时，手爪底部也给传感器一个作用力。压力传感器固定端和悬臂端（受力端）各有一块垫片，两块垫片使传感器形成图5所示的悬臂测力结构。通过该机构可以实现传感器对夹紧力的测量。

图5 压力传感器

图6 压力传感器测力结构

3.3 机械手驱动结构

机械手在夹紧松开图书过程中，左右两个手爪需要同步相向运动，该运动可以通过凸轮机构实现。如图7所示，凸轮有两道槽，成中心对称，两道槽中各有一个圆柱销，圆柱销上端与滑块紧固，滑块在导轨上只能做直线运动，因此圆柱销也只能做直线运动。为了保障凸轮转动和圆柱销的直线运动成线性关系，凸轮的曲线采用阿基米德螺旋线，其方程如下：

r=20+■ （1）

凸轮曲线如图8所示，当凸轮匀速转动时，圆柱销会沿着圆的径向方向做匀速直线运动，凸轮每转动1°，圆柱销运动0.1mm。在图7中，凸轮顺时针转动，两圆柱销距离增大，机械手张开。凸轮逆时针转动，两圆柱销距离减小，机械手夹紧。

（a）夹板合拢 （b）夹板张开 （c）夹板张开

图7 凸轮传动机构

3.4 机械手总体结构

机械手总体装配图如图9所示，驱动电机为步进电机，电机经减速器后带动凸轮转动，从而实现机械手的张开和闭合。22为塑料导轨，以提高耐磨性。

4 结束语

本文根据自助图书馆图书地摆放方式，分析了机器手取书流程，设计了隔书板和取书手爪结构，确定了机械取书的基本模式。根据取书的特点，设计了基于恒压力夹紧取书原理的抓书结构，进一步详细设计了机械手驱动结构及机械手总体结构。本文所设计的机械手结构在产品中得到了良好运用，产品运行稳定，自助服务效率得到了提高，本文的研究具有较大的实用价值和理论意义。

机械手设计论文:数控机床机械手设计

摘 要 随着制造业的不断发展，工业产品生产效率及质量也急需有所提高。数控机床的出现在很大程度上提高了工业生产控制水平，各种类型机械手已经遍布全球各大工业生产车间。本文从数控机床机械手的构造及分类出发，简要的分析了机械手模块化设计理念。

关键词 数控机床；机械手；模块化

1 数控机床机械手构造

数控机床机械手是由控制系统、驱动系统、执行机构以及位置检测系统四大块组成的，实际工业应用过程中，需要这四部分共同配合来完成一项任务。这里给出数控机床机械手的工作图

1）控制系统

控制系统是机械手的大脑，它决定着机械手的具体运动方式。机械手一个动作的完成首先是由用户向控制系统发出指令，控制系统将该指令转化为具体的控制信号，通过程序控制电路、电极控制模块、机械控制等几部分来控制机械手实际运动。其次，机械控制模块还会将机械手实际的运动情况收集起来，转换为相应信号反馈给控制系统，以判断机械手是否按照用户要求运动，是否能够的完成用户所指定的任务。当反馈信号显示机械手出现运动偏差时，控制系统将发出警报信号提示用户。

2）驱动系统

驱动系统顾名思义是数控机床机械手中驱动执行机构运动的装置，该装置的主要组成部分为控制调节器、动力系统、辅助装置等。我们在工业生产中所提及的机械传动、液压传动等，均是使用较为广泛的驱动系统。

3）执行机构

数控机床机械手外型上与人手臂相类似，也是有手腕、手臂、抓手三部分组成，特殊情况下还可以加装移动行走机构，提高机械手运行范围。抓手的主要作用就是抓取物料，常见的抓取方式为吸附式和手抓式。吸附式抓手是通过所安装的吸盘来执行任务的，电磁式吸盘依靠电磁铁所产生的磁力来吸附导磁性物质，手抓式吸盘就像是人的手一样抓取物件，所以在实际应用中，主要用来抓取重量较轻，尺寸较小的零件。手腕部分的主要作用是用来调节工件的抓举方位以及角度，它是连接抓手与手臂的关键部分。手臂部分是机械手的主要城中部分，它主要是控制抓手从的角度抓取物件，同时根据软件控制系统发出的信号，按照要求将物件放至位置。

4）位置检测系统

数控机床机械手位置信号有手臂位置、抓手状态、行走位置等几种，信号检测系统的主要作用就是用来检测这几种信号，然后将信号反馈至主控制系统用来判断当前各个位置信号是否正确，机械手各部件是否处于正确位置，同时主控制系统向位置检测系统发送控制信号，给出机械手下一步操作任务。

2 数控机床机械手分类

1）按照用途分类

数控机床机械手可以应用于很多种工业生产过程中，但是生产内容不同所使用的机械手类型也不同。当前数控机床机械手有专用和通用两种，所谓专用就是只能够用于特定的生产过程中，主控系统程序是固定的不能随意更改的，这种机械手通常情况下用于单一工业生产过程；所谓通用就是指机械手可以用于不同工业生产过程，其主控系统程序可以根据控制需要进行更改调整，在不同场合提供不同的运动方式。

2）按照驱动方式分类

驱动方式决定着机械手的运动方式，它也是区分机械手类型的重要因素。气压机械手是依靠压缩空气来驱动的，这种机械手以空气为介质，制造成本较低，而且能够广泛适用于很多高危生产环境中。此外气压机械手的结构相较于其他机械手简易很多，不需要配备专业维修人员，所以这种机械手是很多工业生产控制过程的；液压机械手主要用于质量很大的物件抓取，它依靠密封的液压装置来提供强大动力，但相应的制造成本也比较高，而且对于维护要求也比较高。

3）按照控制方式分类

现阶段数控机床机械手的控制方式就两种：点位控制和轨迹控制。点位控制思想就是路径线段化，将机械手需要运动路径划分为规定距离的细小线段，划分的线段端点越多，机械手的运动精度就越高，但同时这种控制方式对系统的要求也比较高。这种机械手在当前很多工业控制过程中被广泛使用；轨迹控制相较于点位控制而言技术要求就更高一些，它可以满足机械手在任意空间范围内的运动，而且运行过程更加的稳定。这种机械手的控制系统更为复杂，通常情况下需要计算机参与辅助控制。

3 机械手模块化设计理念

模块化设计理念是伴随着工业制造方式的不断转变而兴起的，它是将一个整体分割成若干个独立的功能结构，不同部分可以同时设计，然后再组合成一个整体。这种理念简化了设计过程，优化了系统结构，机构中每一个功能及部件都具有较高的独立性，极大地提高了机构的适用范围。模块化产品设计中最根本最核心的内容就是保障功能结构以及物理结构的相似性，同时相互独立的功能部件可以协调工作。对机构进行模块设计时可以沿着功能体系和构造体系两条主线进行，因为系统能够体现出来的任何一项功能，都是建立在其他功能基础之上的，也就是说系统功能具有上下层关系。此外，系统中还存在着并列功能形式，即一个功能对应着系统可以实现的多个功能。在进行数控机床机械手模块化设计时，我们可以根据实际作业的要求来划分机械手的单元模块。机械手底座是所有功能实现的基础，所以要将它设定为整体模块化设计的基础，然后再根据不同结构所承担的不同功能来设计。经过实践证明，模块化设计能够大幅度降低机械手的设计成本，缩减整体设计时间，以最快的速度满足工业生产控制的需要。

1）模块化机械手结构及设计流程

从数控机床机械手各个机构功能的角度出发，可以将其分为手部模块、腕部模块以及臂部模块。

2）机械手模块组成及功能分析

（1）手部模块组成及功能分析

机械手手部模块中最重要的组成部分就是手指，它主要用来抓取待加工工件。气动机械手气爪是当前应用最为广泛的结构，这种手指能够自动对中，双向高精度抓取。常见的有2指气爪、3指气爪以及多指气爪。在实际工业生产应用中，以抓取棒料为主，例如￠80×6Omm圆柱型工件

联接件的作用是控制手指抓取直径，气爪运动的较大直径为D2，最小直径为D1。外夹持气爪的夹持力方向是从工件表面指向工件圆心。

（2）腕部模块组成及功能分析

机械手腕部模块是由摆动气缸和联接件组成的，它可以保障机械手在90°范围内自由旋转。图中所示联接件1是连接高精度头型调节机构与摆动气缸的，联接件2是连接摆动气缸与气爪的。

通常情况下，联接件都设计有槽与轴相对应的孔，并通过键联接方式将气缸与孔连通。采用螺钉固定的方式防止键的轴向移动。

（3）手臂模块组成及功能分析

图1所示为横臂模块的结构图，横臂是由ML2B气缸、联接件、导轨三部分组成的。这三部分均安装在门架横梁上，而且可以在水平方向自由移动。机械手的横臂与直臂也是通过连接件连接在一起的，而且通过高精度柔性调节机构来保障机械手气爪与机床卡盘的对中精度（图2）。