工业机械手应用的控制系统开发

工业机械手应用的控制系统开发

刘纲强

412722198410091015

摘要

机械手臂是一种能够模拟人类手部和臂部的部分或全部微妙动作，并按照预定程序执行捕捉、移动、码放等任务，同时还可以附加其他辅助工具的机械操纵设备。它的出现不仅可以代替人们重复的体力劳动，从而实现高度的机械化和自动化生产，还可以在危险或极端环境中工作，释放人力以确保工人的生命安全。因此，在汽车制造、医疗保健、娱乐服务、军工、半导体生产和太空探索等领域都广泛应用了机械手臂技术。尽管机械手臂的外形和尺寸各不相同，但它们都能接受编程指令，并能够精确定位到三维（或二维）空间中的任何点，以完成各种任务。

本章的重点在于设计气动机械手的总体框架。机械手的基本机械结构包括油缸、夹持构件总组和连接件等元素，这些元素按照编程轨迹进行运动，以完成工件的捕捉、移动和码放等操作。气动机械手的设计关键在于选择适当的调节阀，并设置合适的气动控制回路。通过调整不同气缸中的吸气压力、流速和方向，气动机械手可以实现所需的压力、动作位置和转速，从而按照设定的轨迹执行任务。

关键词：PCL控制、气动驱动、伸缩手臂、升降手臂、回转手臂

第1章 机械手总体设计方案和气动回路设计

1.1 机械手的运动规划

机械手的运动设计主要是由三个部分构成，第一是序列规划，表示的就是要设定出机器人的工作范围，然后依据不同时期的工作节点设计出初始的工作路线。第二是工作路线，根据具体的工作情况细化工作路线，形成畅通的工作模式。第三就是轨迹设计，这时候就要借助插补函数获得路径上的插补点，然后形成不同的关节运动轨迹。

机械作业点也就是机械手进行动作时所需要经过的区域，时间序列计划则是利用计算得到一种能够适应作业极限的最佳作业环境，通常以时间长度来判断路线好坏。当机械手要通往下一个地点时就必须躲避障碍并寻求下一个的无障碍路线，所以，路线规划其实就是带几何函数求解过程。同样，路线规划的总目标也是作业时限最短，计划的基本约束条件也是作业顺序控制和事故的尽量避免。

1.2 机械手的主要部件及运动

工业机器人的机械手臂工作形式，按坐标系方式分成如下四类：

(1)直角座标机器人手臂；

(2)柱形坐标系机器人手臂；

(3)球形坐标系机器人手臂；

(4)多关节式机械人手臂。其中柱形坐标系的机械手臂构造简单，精度高，且占地面积较少，所以本次设计选择使用柱形坐标系型。机械手臂的类型虽是多种多样的，但是其基本的组成都是相似的。一般由执行机构、传动机构，控制系统三部分组成。

根据设计任务，本次设计的机械手必须具备以下三种自由：手臂伸缩、机体回转、机身上升。机械手主要是由三个部分构成，第一是爪手总成，第二是臂部，第三就是整个机身部分。

1.3 驱动机构的选择

传动部分是工业机器人的主要构成部分，根据控制方式的差异，机械设备的传动系统主要分为液压驱动、气动驱动、电力驱动和机械驱动四大类。气动机械手以构造简便，成本低廉，质量稳定，动作迅速、稳定、安全和不污染环境等特性，而被广泛的应用于各行各业。为此，本次设计的机械手传动方式选择气动驱动传动系统。

1.4技术参数设置

（1）爪取重量范围：5公斤-10公斤；

（2）自由度数：3个自由度；

（3）最大工作半径：400mm；

（4）机身最大中心高：450mm；

（5）主要运动参数：手臂伸缩行程300mm，手臂伸缩速度60mm/s；机身升降行程300mm，机身升降速度50mm/s；机身回转范围0-270°，机身回转速度30°/s。

1.5气动回路设计

机械手气动驱动回路的设置一般是选择适当的控制阀，通过控制和调整各个气缸空气压强、流量及方向来保证气动机构得到需要的动能、运行效率并按照预定的路径动作。按照设备工作条件，本次机械手运行过程中气缸有全部伸出和完全收回二种情况，选用二位五通换向阀调节整个气缸的运行方向，选用单向节流阀调节进气流速高低和运行速率。用PLC操作机械手完成了规定的操作，缩短了操作距离却能提高工作效率。

第2章 气动机械手的结构设计

2.1 机械手末端执行器设计

末端制动器是放置于手臂末梢为了进行操作而特意设定的装备。按照机械手的作用可分成搬运用、加工用和测量用等。虽然末端制动器分类很多，但在设置时应注意如下方面：(1)按照操作条件和工作环境设置，不用的场景末端制动器往往不同；(2)考虑末端制动器自身体重、被抓取物品重和机械手能承受的负载，末端制动器尽量体积小、比重轻、构造紧密；(3)兼顾通用性和专门性，从生产实际出发设计各类专门高效的机械手，配以快速更换装置，以便完成机械手的各类作业；(4)机臂末端制动器要方便使用与保养，易于指令控制。

末端制动装置即是机械臂抓手，按其移动方式分成旋转式和平移式，按夹持形式则分成外夹式和内撑式。但无论什么形式，机械臂爪手的驱动形式大致分成气动驱动、电力驱动和液压驱动三类形式。根据本次工程设计要求采用的气动驱动方法，这种驱动方法用电磁阀限制爪手动作，由气流调节阀来限制动作速率及方向。由于空气是可压缩的，所以气动驱动具有柔顺性，相比其他驱动方式更加安全。

常用的末端执行机构有楔块杠杆型、滑槽型、连杆木杠式、齿轮齿条式、水平杠杆型等五中。本次设计采用标准气爪。该装置的自重为六十千克，抓手最大持重为十千克，其构造见图3-1所示。当A口进气B口排气时，气缸活塞杆（1）伸出，通过杠杆（2）绕杠杆轴（8）回转，带动两个手指（4）通过一组钢球（3）在导轨（5）上作向外直线运动，止动块（6）限制手指张开行程，定位销（7）保证直线导轨不偏移。

1-活塞杆  2-杠杆  3-钢球  4-手指  5-导轨  6-止动块  7-定位销  8-杠杆轴

2-夹件受力分析见图3-2所示。手指的总夹持李产生的摩擦力2uF大于夹件重力mg，即2uF>mg。本设计夹持辅助材料摩擦系数为u，即F>mg/2u.

2.2 机械手手臂设计

2.2.1机械手手臂设计要求

臂是机械手的主体结构，它的主要功能使爪手进行空间活动。臂部动作主要包括了伸缩动作，旋转运动以及升降动作。手臂动作的主要目的，是将抓手带到空间活动区域的任一点。通常，手臂动作必须具有三个自由度才能达到的基本运动条件，即手臂伸展收缩、左右旋转和升降等动作。而手臂的各种运动则由驱动轴和各传动部件共同完成。机械手臂设计遵守下列一定准则：(1)机器手部所有主要关节轴尽量平行，互相垂直的主要关节轴尽量交叉于一点，这样利于机械手运动控制；(2)机械臂的设计应当充分考虑机械手的动态空间特点，以及实际工作场地的尺寸和机械臂的尺寸与手部主要关节动作范围之间的密切联系；(3)满足机械手动作精度及速度的同时，在确保机械手臂强度前提下，要尽量减轻机械手的整体质量；(4)在机臂各关节考虑限位开关及缓冲限位块；(5)机械手各关节轴承间隙尽量小，这样可以减少动作误差，提高动作精度。

参考文献

[1] 李国平，编著《基于PLC控制的气动机械手实验装置的研究》，2003：液压与气动。

[2] 张若安，编著《机电一体化与系统》，1997.

[3] 蒋浩，编著《基于PLC的工业机械手运动控制系统设计》，2010.

[4] 李烈，编著《我国工业机器人发展现状浅谈》，2011 .