機械手電氣控制系統(tǒng)設計

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機械手電氣控制系統(tǒng)設計

1.機械手及其應用

機械手：mechanicalhand，也被稱為自動手，autohand能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（搖擺）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和神態(tài)。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越繁雜。一般專用機械手有2～3個自由度。

1.1國內外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應用于以下幾方面1.熱加工方面的應用

熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，特別對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作

2.冷加工方面的應用

冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯(lián)接的重要于段。3.拆修裝方面

拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內噴漆通用機械手，可用以對客車內部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質量和效率。近些年，隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用，工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。1.2機械手的應用意義

在機械工業(yè)中，機械手的應用意義可以概括如下：1.可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度

應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。2.可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲乏或疏忽而造成的人身事故。

3.可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更確鑿地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。

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2機械手的組成

機械手的組成包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。2.1、手部

即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造簡單構件，故應用較廣泛平移型應用較少，其原因是結構比較繁雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適合夾持直徑變化范圍大的工件。

手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。

而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母多，式彈簧式和重力式等。附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。

對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，尋常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。

對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，尋常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。

用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。

此外，根據(jù)特別需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。2.2、手腕

是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即神態(tài))。2.3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂尋常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相協(xié)同，以實現(xiàn)手臂的各種運動。手臂可能實現(xiàn)的運動如下:手臂運動

基本運動復合運動

直線運動與回轉運動的組合(即螺旋運動)兩直線運動的組合(即平面運動)

回轉運動:如水平回轉、左右搖擺運動直線運動:如伸縮、升降、橫移運動兩回轉運動的組合(即空間曲面運動)。

手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承受手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。

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導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。2.4、立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往尋常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。2.5、行走機構

當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。2.6、機座

機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。3機械手的分類

工業(yè)機械手的種類好多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。3.1按用途分

機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:3.1.1專用機械手

它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大附屬，如自動機床、自動線的上、下料機械手和‘加工中心〞批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手。3.1.2通用機械手

它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。通過調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和格性能范圍內，其動作程序是可變的，控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關〞式控制定位，只能是點位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以點位控制，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。3.2按驅動方式分3.2.1液壓傳動機械手

是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。

3.2.2氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質來源極為便利，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫柔粉塵大的環(huán)境中進行工作。3.2.3機械傳動機械手

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即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它主要特點是運動確鑿可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。3.2.4電力傳動機械手

即有特別結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的機械手，由于不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用便利。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分3.3.1點位控制

它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的繁雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。3.3.2連續(xù)軌跡控制

它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和確鑿的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)繁雜。這類工業(yè)機械手

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一般采用小型計算機進行控制。

5.總體方案確定

本設計中的機械手采用關節(jié)式結構，并右電磁閥控制。動作順序及各動作時間的間隔采用按時間原則控制的電氣控制系統(tǒng)。

原始位置（裝好工件等待加工位置，其狀態(tài)是大手臂樹立，小手臂伸出并處于水平位置，手腕很橫移向右，手指松開）——手指夾緊（抓住卡盤上的工件）——松卡盤——手腕左移（從卡盤上卸下已加工好的工件）——小手臂上擺——大手臂下擺——手指松開（工件放回料架）——小手臂收縮——料架轉位——小手臂伸出——手指夾緊（抓住未加工零件）——大手臂上擺（取送零件）——小手臂下擺——手腕右移（將工件裝到機床的主軸卡盤中）——卡盤收緊——手指松開，等待加工。

圖8-13機械手的外形及其與料架的配置1-手部2-手腕3-小臂4-工件5-大臂6料架

6.控制方式選擇

根據(jù)要求選擇用電氣控制，由油泵電機（采用Y100L2-4.3KW）驅動，繼電器，時間繼電

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器，限位開關控制。

7.電氣控制設計圖及繼電器控制

7.1機械手電氣控制系統(tǒng)工作流程圖

等待，進入下次循環(huán)

小臂上擺初始位置手腕左移手指夾緊

大臂下擺

手腕右移手指松開手指夾緊小臂伸出小臂收縮大臂上擺等待，進入下次循環(huán)7.2繼電器控制

YV1手指夾緊YV2手指放松YV3手腕左移YV4手腕右移YV5小臂伸出YV6小臂收縮YV7小臂上擺YV8小臂下擺YV9大臂上擺YV10大臂下擺7.3限位開關

I0.1手腕左移限位開關I0.2小臂上擺限位開關I0.3大臂下擺限位開關I0.4小臂收縮限位開關I0.5小臂伸出限位開關I0.6大臂上擺限位開關

I0.7小臂下擺限位開關I0.8手腕右移限位開關7.4電氣控制電路圖見附錄一

8.設計心得

通