真空吸盘

1.2机械手的发展概况
1.1.2 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。

1.1.3.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。

1.2.1机械手的发展历史
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。

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和柔性制造单元FMC中重要一环。

综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。

随着科学技术的不断进步，目前气压技术正向着高压、高速、大功率、高效、高度集成化的方向发展。

虽然气压传动技术方便简洁，但是气压传动中存在着一些亟待解决的问题，如：气压系统工作时的稳定性、工作介质的泄漏、气压冲击对设备可靠性的影响等等，这些问题都是气压传动技术需要研究和解决的。

任何技术的改革和创新，都必须以稳定、可靠的工作为前提，这样才具有它的实际意义。

气压传动的优点：以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道；因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。

外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境；与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质等问题；工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越；成本低，过载能自动保护。

吸盘气压传动的缺点：由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差，但采用气液联动装置会得到较满意的效果；因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于10～40kN；噪声较大，在高速排气时要加消声器；气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。

图1-1现代人工操作的机械手（真空吸盘式）
手臂的结构要紧凑小巧，才能做手臂运动轻快、灵活。

在运动臂上加装滚动轴承或采用滚珠导轨也能使手臂运动轻快、平稳。

此外，对了悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂上布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降、支撑中心的偏重力矩。

偏重力矩对手臂运动很不利。

机械手手爪是用来抓取工件的部件。

手爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确可靠的要求。

设计制造夹紧机构——机械手，首先要从机械手的坐标形式，运行速度和加速度的情况来考虑。

其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力来计算。

则同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。

为防止损坏被夹的物体，夹紧力要限制在一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。

为防止突然断电造成被抓物体落下，还可以有自锁结构。

夹紧机构本身则结构简单、体积小、重量轻、动作灵活、和工作可靠。

夹紧结构形式多样、有机械式、吸盘式和电磁式等。

有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。

本设计采用机械式夹紧装置。

机械式夹紧是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。

如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。

本设计采用二指式手爪。

由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的开闭。

手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位开关完成回转角度的限位，一般可设置在180度。

图1-2手抓式机械手
偏重力矩过大，会引起手臂的振动，在升降时还会发生一种沉头现象，还会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。

所以在设计手臂时要尽量使手臂重心通过回转中心，或离回转中心要尽量接近，以减少偏力矩。

1.2.2机械手未来发展趋势
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。

图1-3机械手操作面板示意图
1.3论文的组织
本篇论文主要分为五章。

第一章为绪论，主要介绍本课题的研究背景和研究内容。

第二章为PLC的简介和PLC在机械手操作中担当“大脑”的重要角色。

第三章介绍了机械手抓执行类别。

第四章介绍了控制机械手的各种部件包括步进电机、气缸和传感器，以及他们的作用。

第五章介绍了本课题所采用的流水线整体设计方案，包括各种原件的对比和精简以及所设计的流程图。

最后对整个毕业设计过程的总结以及对本课题研究内容的进一步展望。

4.设计方案
4.1步进电机
4.2气缸在机械手中的作用
步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

图4-1步进电机
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用
在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

气缸在流水线中的功能是吸气与收气，保证机械手的伸缩。

机械手的机械部件也就是运动机构—机械臂的伸缩分为气缸控制和弹簧控制，相比于弹簧，气缸可双向作用力且控制性能好，且由PLC 控制，因为气缸的传动介质是气体，所以不会产生火花，寿命长；而弹簧只能单向作用力且寿命短，更换麻烦，所以选择气缸控制机械手的伸缩非常适合本操作。

图4-2气缸
空气在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力来控制机械手的伸缩，这里我们选用气缸种类是双作用气缸,双作用气缸作用是从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。

简单来说是从两个方向做功，符合机械手的工作。

这里选择气缸的品牌为SMC。

4.3红外对射式传感器
流水线系统的输入就是通道检测传感器，它的作用是对流水线的花盆进行位置检测，以方便机械手操作，这里选用的传感器是红外对射式传感器，它是由一对红外线发射接收管经过电路变换成开关信号后的成品，其内部集成了放大电路。

通常为集电极开路输出（PNP）传感器的受光器和投光器分别被安装安装在机械手支架的中间部位，流水线的正上方，左右各一个，当花盆通过时，根据受光器是否接收到红外光束来判断花盆的通行状态，通过逻辑电平“1”和“0”来表示状态，“1”表示无货通过，“0”表示有货通过。

4.4本章小结
通过上一章介绍到的PLC软件开发编程，开始实际操作，有了程序，便开始准备合适的执行构件。

通过本章我们知道了要完成机械手分离系统必不可少的零部件有步进电机、气缸、红外对射传感器等，步进电机通过一步一步脉冲信号
运送营养钵的传送带，气缸用来调整机械手的伸缩，红外对射传感器用来检测通过的营养钵体。

在整个系统中根据他们的特点发挥着无可替代的作用。