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機械手設計論文:仿人機械手的結構設計與現實意義
【摘 要】本文闡述了仿人機械手研發的國內外發展現狀與存在的問題，并針對這些問題對仿人機械手進行了三維建模以及運動學仿真，同時闡明了仿人機械手研究對社會生活的現實意義。
【關鍵詞】仿人機械手；三維建模；運動學仿真
0 引言
機器人技術的發展是一個國家高科技水平和綜合能力的重要標志，而服務機器人是未來社會發展的必然產物，對于服務機器人的研究，尤其是仿人機器人的研究是具有巨大經濟價值和歷史意義的，其原因有兩個：及時，世界老齡化進程的加快，尤其是中國也正進入老齡化社會，照顧老人問題即將成為一個嚴重的社會問題，而仿人機器人在解決這一社會問題中有著不容置疑的作用；第二，由于各種災難和疾病造成的殘障人士也逐年增加，他們需要越來越多的關心和照顧，如果采用專門的人力將嚴重增加社會的負擔。所以對于服務型機器人的研究，顯得格外重要。
目前有很多服務型機器人，但是沒有一個機器人可以像人一樣有一雙靈巧的手，完成只有人類才能實現的復雜動作，本課題就是針對這一問題從仿人機器人的機械手開始研究的。
1 國內外發展現狀與問題
從1960年由通用電氣公司設計制造的造型為兩只手指的爪狀物開始，為以后的各類機械手打下了基礎，到現在為止美國的宇航局（nasa）、哈佛大學和耶魯大學，日本的東京大學在機械手的研究上都取得了不小的突破。
我國機械手的研究比較晚但是也做了很多工作，國防科技大學[1]、哈爾濱工業大學[2]也研制出了多指靈巧手。尤其是哈爾濱工業大學機器人研究所研制的“仿人型機器人靈巧手”，2006年5月亮相德國慕尼黑國際機器人及自動化展覽會，以其精美的外觀、的軟硬件系統等贏得了眾多參觀者的贊賞，并率先進入了國際市場。
由此可見，目前多數國家和企業高校都在對仿人機械手進行研究與設計，不過現在還存在一系列問題，例如：價格昂貴，實時性不理想，設備笨重，并且大都停留在實驗階段，這些都制約其在實際當中的應用。
2 五指仿人機械手設計
本文設計的五指仿人機械手具有的優勢有：采用欠驅動控制方式[3]，所以機械系統大大簡化，機械手大小基本與普通人手大小一致，便于安裝到各種服務機器人的移動平臺上；同時每個手指都靠手指末端拉力進行運動，也就是說只需要一個拉力便可以實現機械手指的人類手指運動方式，結構緊湊、便于控制、動作靈活；材料可以采用塑料纖維進行加工實現，因此質量輕、價格便宜，易于普及；可以采用嵌入式的控制方式進行控制，處理速度快，響應時間短。
本文通過solidworks對五指仿人機械手進行建模，其單指與整手建模圖形如下所示：
圖1 單指結構與整手三維建模
本文通過adams實現仿人機械手的運動學仿真，其仿真圖形如下所示：
圖2 約束添加以及手指運動效果圖
3 現實意義
對于仿人機械手的研發對社會有著重要意義：其一，對于服務機器人的研制，尤其仿人機器人的研究應用，必將對機器人行業起到積極的促進作用；其二，仿人機械手的研發隸屬于制造業，其研制成功與推廣，可以增加就業，創造經濟價值；其三，其技術的實現可以促進制造業的信息化、自動化和產品的智能化，提升產品技術含量和附加值，從而促進制造業相關技術領域的發展；其四，實現服務機器人上機械手的靈活運動與控制，對于老年人以及殘障人士在心理上和身體上都非常有益處，為解決我國社會問題，創建和諧社會做出貢獻。
基于欠驅動機構的機械手爪的研究[j].機械工程學報，2004（05）.
機械手設計論文:側取機械手觸摸屏系統設計探討
摘要：介紹并闡述了側取機械觸摸屏的控制程序和頁面功能，通過對側取機械手觸摸屏系統的設計研究，實現了人機交互功能和設備控制。
關鍵詞：機械手；觸摸屏；控制系統
1側取機械手系統人機畫頁設計
觸摸屏程序設計的主體是屏幕畫頁的設計，依據控制系統的要求和功能，觸摸屏畫頁設計主要由背景頁面、參數設定框、工作狀態窗口、控制按鈕、報警顯示畫頁等部分組成。圖1為人機畫頁的總體框架設計圖，主控畫頁由手動、參數設置、自動、系統報警畫頁、I/O顯示等部分組成。本文設計主要是依據執行功能選取相應的屏幕控制元件同時對元件屬性相關的地址或參數進行設置[1]。
2開機畫頁設計
首先開機時設備要進行自我檢查，確認設備所有輸出、輸入信號都處于正常狀態。機械手觸摸屏系統的開機畫頁如圖2所示。
3主控畫頁
主控畫頁由原點復歸、手動、自動、設置、I/o、警報五個命令按鈕組成，如圖3所示。系統自檢完成后對伺服軸進行原點復歸可以按下原點復歸按鈕，在圖4按鈕屬性中，可將地址設定為與PLC相對應的工作區地址W0.11，按鈕按下時，寫入地址1，按鈕放開時，寫入地址0。切換屏幕屏幕實現不同控制功能時，可按下按鈕“手動”“設置”“自動”“I/O”“警報”[2]。
4手動畫頁
如圖5所示，側取機械手系統手動畫頁各個控制按鈕實現各個運動操作步驟。控制按鈕為觸發信號實現各步驟的運行，按鈕可實現PLC發送相應的動作指令并驅動機構完成相應動作。畫頁設計要考慮手動動作的互鎖關系，例如手動旋出是不能旋入的[3]。
5參數設置畫頁的設計
利用NS觸摸屏的數字輸入功能可以進行系統的參數設置。如下頁圖6所示，設置自動時及時次、第二次旋轉角度，根據確定的PLC程序里脈沖輸出口發出的脈沖數決定伺服電機旋轉的角度并對應相應的數據存儲器，該設定數據還與伺服驅動器的電子齒輪比有關系。速度選擇按鈕是通過改變脈沖輸出的頻率來實現的。各個延時的設計與設定同理[4]。
6狀態監控畫頁的設計
狀態監控畫頁圖設計如圖7所示，通過NS觸摸屏位燈來顯示PLC各輸入/輸出觸點的狀態，能幫助使用者通過提供各個傳感器信號顯示來判斷各個信號是否正常。例如，燈變黃色為全自動信號，表示注塑機打開全自動信號。燈變黃色表示壓力不足，表示系統壓力不足，壓力傳感器被觸發發出了信號[5]。輸出畫頁同理。
7結語
本文利用歐姆龍編程軟件對側取機械手的觸摸屏控制程序進行設計，并闡述每個操作畫頁的功能及相關創建過程。通過對觸摸屏畫頁程序的設計研究，實現了控制系統的人機交互功能。
作者：董志強 鄧建勝 石平義 劉俊 單位：佛山職業技術學院機電工程系
機械手設計論文:數控機床上下料機械手設計流程
輸送技術是數控機床運轉的主要技術手段，對機床的各項性能指標具有非常重要的意義。發動機缸體的三軸孔加工在缸體運行過程中，還是提高運轉度的關鍵。過去的三軸孔鏜床具有復雜的架構，在防護時的難度較高，輸送速度相對很慢，生產時難免不能促進機床有效運轉。采用數控機床上下料機械手設計方法，能夠較大限度的避免這些不足，進一步強化數控機床的剛性能力，增強轉機缸體在輸送中表現出的柔性特點，并降低運轉的時間，提高運行效率，切實提高它的機械化水準。下面本文就結合我國數控機床施工的實際情況，簡單闡述一下如何有效提高機床上下料機械手設計的能力，完善其運轉流程，發揮技術優勢。
一、數控機床上下機械手的發展與動態情況
經過調查研究發現，我國目前數控機床上下機械手的研究和發展較為突出，它的動態特征也相對明顯。一是，模塊化與可重構化成為了動態發展的基礎；二是，PC機的開放型控制器變為了上下料機械手體系發展的主要方向，網絡化和標準化態勢異常突出。器件的集成度不斷強化，設計出的架構也更加靈巧，系統安全性和性更為有效；三是，機械手中的傳感器發揮了巨大的優勢，位置傳感器和速度傳感器得到了進一步應用，視覺、觸覺傳感器的加入使用，更是將上下料機械手推向了更為先進的方向；，以焊接和裝配為代表的機械產品也走向了模塊化方向，其仿真效果和動態特征異常突出。
二、上下機械手手爪架構的流程設計
數控機床上下機械手的樣式多樣，類型豐富，在操作過程中對作業和裝置的要求嚴格，根據不同的操作需求，機械手的選擇也不盡相同。最常見的機械手是測量式手爪、搬用式手爪以及加工式手爪，它們的差異明顯，作用不同。機械式手爪設計流程必須符合要求，遵循具體原則實施施工，根據其運轉和作用的內容進行相關設計和開發。為了避免它與萬能手爪方式存在矛盾，還要將工業應用作為設計的基礎，將重點放在機械手設計過程中，實現和健全它的工作職能，考慮設計流程的經濟效益。另外，機械手爪架構還必須具備通用特征，能夠使用有限數量的手爪適應不同要求的機械手，在末端執行器開展工作的時候，還應該配置一個標準的機械接口，保障執行過程的標準化特征。所謂搬用式手爪，即為多種類型的夾持裝置，其主要用于對物體的搬用和抓取；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機械手附加設備，其主要用于對作業的加工。在對上下料機械手進行設計的過程中，一定要首先分辨用途，然后在結合實際設計流程，突出其使用效率。
三、上下料機械手設計方案的實際運轉
數控機床上下料機械手設計流程完善規范后，還要確保其實際運行的科學性。由于機械手手臂基本上都為直線式，它的剛度又較大，在運動過程中勢必會對穩定性和安全性具有更高的要求。因此，在實際運轉過程中，一定要選用液壓驅動的方式，根據液壓缸表現出的直接性驅動特征，突出它的執行作用，降低控制難度，并使用計算機實施管理控制。在此基礎上，機械手手臂在具體運轉過程中還具有自身的控制要求，結構設計不用過多關注長度，僅僅依賴加大液壓缸的直徑來提高其剛度，那么勢必無法滿足系統需要，設計問題也會暴露。針對這樣的現象，在具體設計過程中，要添加導桿機構在設計之中，在小臂上安裝導桿兩個，并使它們與活塞桿組成一個三角形，通過三角形的穩定性提高小臂的剛度性能。在大臂上則安置四個導桿，構成一個四邊形，并且保障每個導桿都為空心樣式，進而較大限度的降低大臂重量，做好機械手設計流程的應用，發揮其技術能力。
四、機械手的主要優勢和運用
數控機床上下料機械手的作用和優勢明顯，它的作用突出，具備較好的特征。另外，機械手的實施方案具有速度快、工作效率高等優勢，它的負載能力強，移位的精準性好，故障出現的頻率勢必會大大減小，其優勢作用相當明顯。例如，機械手在DK050機床上的成功應用就是一個顯著的案例，也是數控機床柔性輸送方面的一個巨大的創新內容。在未來的發展過程中，它勢必會得到更加完善的運用，機械手的開發和使用也將得到前所未有的發揮，為廣大使用者提供更加便捷的服務，減少施工時間，擴大經濟效益。
五、結語
綜上所述，在社會主義經濟、技術飛速革新的大背景下，我國的數控機床的應用范圍愈加寬廣，在機械行業應用上下料機械手也必將成為一大趨勢。它的優勢的凸顯和發揮，能夠成功運用機械零件的組裝功能，做好工件裝卸和搬運工作，在組合中體現機床優勢，發揮它的自動化作業。因此，數控機床在使用中一定要做好機械手的設計，保障其流程的科學化和穩定性，將機械手與機床結合為一個有機的整體，提高它們的柔性優勢，節省工件輸送的運行時間，并且較大程度的加強兩者的穩定性，提升其適應能力。通過技術和經濟的雙重考慮，完善機械手的功效作用，切實完善其流程，確保其作用的發揮彰顯。
作者：張偉 單位：齊重數控裝備股份有限公司
機械手設計論文:多關節型搬運機械手結構設計分析
1多關節型搬運機械手的機械構造設計
1.1多關節型搬運機械手的整體設計
通過對相關文獻進行查閱，文章根據多關節型搬運機械手的工作目的以及工作環境，對該機械的整體機構進行有效設計[1]。在本次設計過程中，多關節型搬運機械手由兩個可移動關節與四個旋轉關節所構成，在實際應用過程中可實現六個自由度變換，機械運動形式是多關節式。多關節型搬運機械手的設計過程中，機械原動件作為機械定位工作與運動工作的重要保障性因素，在設計過程中采用液壓缸與電機，有效提升多關節型搬運機械手的定位精度與動力強度。對多關節型搬運機械手的前三個自由度，在設計過程中采用電機驅動的方式，以此保障多關節型搬運機械手在實際應用過程中能夠實現更加的定位操作。在后三個自由度的設計過程中，由于考慮到多關節型搬運機械手的驅動力因素，所以，后三個自由度采用液壓驅動裝置，以此實現多關節型搬運機械手在滿足定位的前提下，還能保障較高的驅動強度，使多關節型搬運機械手可以滿足各種特殊操作的實際需要。多關節型搬運機械手在設計過程中，其基礎部件構成分別為基座、手臂、電機、立柱、末端執行器、后殼體、小臂俯仰電機、腰部回轉電機、蓋板、腕部回轉液壓缸[2]。在實際設計過程中，由于考慮到多關節型搬運機械手實際運作過程中，機械前三個關節承受壓力過大，以此在設計過程中，將基座與大臂的齒輪組減速方式進行統一化，以傳遞力矩的方式有效減少前三個關節處的受力。同時，為減小機械各級構件中受到的扭矩，設計過程中在大臂后端與基座的上方位置設置了電機，以此保障機械在實際運作過程中重心的穩定。，考慮到多關節型搬運機械手在實際工作環境，在設計過程中需要相對的極大機械載重能力，在設計過程中保障機械各個構件的穩固連接。
1.2多關節型搬運機械手自由度的設計
在本次多關節型搬運機械手的設計過程中，實現了多關節型搬運機械手六個自由度的變換，以此保障多關節型搬運機械手在實際運作過程中可以完成各種運動與姿態，詳細設計方案如下：（1）多關節型搬運機械手的手部夾緊動作是該機械在實際工作過程中尤為重要的功用動作，在設計自由度的過程中，機械手部通過液壓驅動裝置進行夾緊控制，同時，連接軸與驅動搖桿在實際運作過程中控制機械夾持器的開合動作。（2）在多關節型搬運機械手自由度的設計過程中，對機械腕部進行回轉關節設置，以此滿足多關節型搬運機械手在實際工作中可以將圓柱形金屬部件平穩的放置到工作臺上，實現多關節型搬運機械手腕部的0°至180°的旋轉。（3）在多關節型搬運機械手自由度的設計過程中，機械小臂設置為液壓缸動力驅動，以此保障機械小臂的伸縮運動正常進行，小臂較大伸縮距離為600mm，在應用過程中可以很好的滿足工程生產的實際需要。（4）在多關節型搬運機械手自由度的設計過程中，機械小臂與大臂作為多關節型搬運機械手的主要傳動機構，在實際設計過程中使用旋轉副鏈接，為保障小臂與大臂在實際工作中具有更大的活動空間，在設計過程中對小臂平面內進行±70°的俯仰設置。（5）大臂作為多關節型搬運機械手中最為直觀的機械構造，其位于多關節型搬運機械手腰部上方，由機械后殼體進行支撐。該構件在實際工作中可以實現±360°的轉動，在實際工作過程中其重要性不言而喻。在進行大臂自由度的設計過程中，需要在大臂豎直平面內的±70°范圍內設置俯仰，以此保障大臂可以在這個范圍內進行擺動作業。（6）在進行多關節型搬運機械手的自由度設計過程中，該機械的基座成為自由度設計過程中需要重點創新與改善的內容。基座作為多關節型搬運機械手中各個構件的支撐架，基座上的主軸在自由度的設計過程中可以實現±360°的回旋運動，以此帶動機械手完成各種復雜的操作。
2多關節型搬運機械手的控制系統設計
在進行多關節型搬運機械手的控制系統設計的過程中，控制系統的軟件編程是其中的一個重要組成部分[3]。根據多關節型搬運機械手的實際操作內容，為滿足該機械操作靈活的特點，機械手在軟件編程過程中應分為手動與自動兩個部分。
2.1自動操作系統設計
在進行多關節型搬運機械手自動操作系統設計的過程中，首先需要對該系統進行自動方式初始狀態的設置，當系統狀態轉移開始的時候，設置系統原點位置條件，以此保障系統安全穩定的運行情況。通過系統控制機械手進行上升操作的過程中，對系統操作進行上限為設置；在機械手進行左移的過程中，對操作系統進行左移限位的設置；在機械后進行下移的過程中，需要對操作系統進行下限位的設置；當機械進行抓取工作的時候，需要進行抓限位的設置；當機械手進行右移的時候，需要對操作系統進行右移限位的設置；當操作系統需要下降的時候，應當對操作系統進行下限位的設置。諸如此類，通過這些有效設定，可以極大地保障自動化操作系統對機械手進行有效控制。
2.2手動操作系統設計
在進行多關節型搬運機械手手動操作系統設計的過程中，根據多關節型搬運機械手的工作內容及工作環境進行綜合考慮，在進行系統手動操作設計的過程中，需要根據機械各個動作進行有效設定。以機械手進行抓取作業為例，在機械手抓取的過程中，需要考慮到機械手的驅動力情況，在操作系統中有效應用手動單步操作，以此滿足機械手的驅動能力，同時通過操作系統控制可以極大地保障機械手抓取過程中的性；諸如此類，在系統設計的過程中，有效結合多關節型搬運機械手自身運行特點，將系統優勢進行充分發揮。
3結束語
綜上所述，多關節型搬運機械手作為我國機械技術發展與科學水平進行的直觀表現，該機械在實際應用于我國各個行業的生產過程中發揮出了極大的效用，為我國經濟發展與生產力進行做出了極大的貢獻。在多關節型搬運機械手今后的實際應用與自身發展的過程中，相關科研人員應該加大對多關節型搬運機械手的綜合研究，爭取在原有水平上獲得更大的進步，為我國未來的科學發展提供有力保障。
作者：王建衛 單位：中天科技精密材料有限公司
機械手設計論文:射出成型機械手控制系統設計研究
摘要:設計了一種射出型機械手控制系統.該系統采用C8051F020單片機作為控制器,擴展了輸入輸出接口、彩色液晶接口、鍵盤、FLASH存儲器實時時鐘等模塊,并設計了SD卡接口,通過該接口可以實現系統軟件自更新功能.給出了系統硬件的設計方法和軟件實現過程.通過在G28射出型機械手上測試表明,該系統能夠滿足此類機械手的控制要求.
關鍵詞:機械手;控制器;實時時鐘
隨著科學技術的不斷發展及中國勞動力成本的不斷增加,國內很多企業開始從人口密集型向技術密集型轉變,制造業發展模式也從粗放式向精細式轉變[1].工業機器人代替人進行單調、繁重工作或在惡劣環境下工作[2].這種轉變給國內工業機器人發展帶來了巨大機遇.目前,國內企業比較常用的工業機器人分為多關節型、旋臂型、直角坐標型等,每種機器人有著不同的應用場合.關節型機器人一般價格較高,旋臂型機械手價格便宜.本文采用C8051F020單片機配合外圍電路,設計了一種旋臂式射出成型機械手控制系統,通過SD卡接口,系統支持在應用編程,顯示畫面也可通過該接口進行更新,方便機械手生產公司能根據不同的客戶進行二次開發,設計不同的顯示界面.
1射出成型機械手動作流程
射出成型機械手的工作過程可分為手動運行和自動運行模式.自動運行模式又可分為固定運行模式和自定義運行模式.固定運行模式一般為機械手生產企業根據常用的機械手動作流程而設定的一系列機械手動作序列.G28型射出成型機械手固定動作模式包括L型夾公模、L型夾母模、U型夾公模、U型夾母模、二次置料夾公模(吸夾同時)、二次置料夾母模(吸夾同時)、U型夾公模(內置料)、U型夾母模(內置料)等.機械手所有旋入、前進、吸夾等動作都通過氣動裝置實現.
2系統方案
如圖2所示,G28型射出成型機械手通過控制系統控制,并配合產品的模具和注塑機等設備,完成產品的壓制成型.對于不同的產品,機械手有著不同的動作流程,不同動作之間的協調通過開關量信號或時間延時來控制,控制過程極其復雜.機械手整個動作流程的關鍵參數可以在彩色液晶屏上實時監控,運行過程中的錯誤信息(出錯時間及故障類型)也能夠實時保存.為了滿足G28型射出成型機械手控制要求,整個控制系統設計了CPU模塊、存儲模塊、液晶模塊、SD卡接口、實時時鐘、報警模塊、輸入輸出接口等.
3硬件設計
3．1CPU選擇
G28型射出成型機械手的控制系統需要的輸入輸出接口以及液晶屏、存儲器等的擴展接口較多,普通的51單片機很難滿足要求,為此選用了SiliconLbsa公司生產的混合信號微控制器C8051F020[3G4].該CPU雖然是基于51內核架構,當時鐘頻率為25MHz時,速度可達25MIPS[5],并包含8組字節(8位)寬度輸入輸出口,通過適當擴展后能滿足該機械手對I/O口的要求.同時,該CPU包含64KFLASH存儲器,4K＋256B數據存儲器,8通道12位ADC,2個12位DAC、5個16位定時計數器等[6G9].C8051F020接口原理見圖3.
3．2存儲模塊
根據G28型射出成型機械手的控制顯示要求,彩色液晶需要顯示的內容非常豐富,主要包括開機界面、機械手工作狀況查看界面、教導模式界面、自定義模式界面、運轉次數設定及查看界面、故障碼查詢界面、功能設定界面等.圖4給出了機械手工作狀況查看界面和教導模式界面的顯示內容.由于每一頁顯示界面的基本色調和固定的圖形在系統工作時基本不變,為了編程方便,系統把所有顯示界面的基本色調和固定圖形都保存在擴展的存儲器中,系統工作時只要程序控制刷新相應的參數和一些圖形的顏色.控制系統擴展了32MB的存儲器.系統采用了8片AT49BV322DFLASH存儲器實現,其中28MB用于顯存功能,4MB用于機械手相關參數的保存.AT49BV322D采用字節工作模式,所以把8片存儲器的IO0—IO7并聯作為數據口,把8組地址(IO15、A0—A20)并聯連接(字節模式下,IO15作為低位地址),每片存儲器的片選采用一片74LVC138三G八譯碼器控制[10],譯碼器的A、B、C腳分別作為整個存儲系統的高三位地址.經過擴展后,參數保存單元的地址范圍固定為:000000H—1FFFFFH,顯存的地址范圍為200000H—1FFFFFFH.
3．3液晶模塊
液晶模塊采用深圳拓普微公司生產的TFT型彩色液晶模塊LMT035DNAFWU.該液晶分辨率為320像素×240像素,模塊使用了圖形加速控制器T8000,彩色顯示度為65K色度,內置中文字庫和畫圖指令,可以使用并行口或串行口與CPU通信[11].為了加快通信速度,系統采用了并行通信接口.LMT035DNAFWU的數據總線寬度可以設置為8位和16位,本系統數據總線采用8位,8位數據線依次與C8051F020的P7口相連.液晶模塊18位地址線中,高2位地址線分別與P5．0、P5．1連接,低16位地址分別與P6和P7口連接,由于P7口通過時分復用的方式工作,所以液晶低8位地址與P7口連接時中間加了一片74LVC373.74LVC373是一款八D數據鎖存芯片[12].液晶模塊的/WR0寫信號通過p4．7控制.液晶模塊接口見圖5.
3．4SD卡接口
通過SD卡接口、配合為系統編寫的自更新程序和CPU的IAP功能,該控制系統可以實現系統軟件的自更新和顯存內每一頁固定顯示內容的自加載功能.
3．5鍵盤和報警模塊
G28型射出成型機械手控制面板需要17個按鍵.為了節省CPU的I/O口,系統采用了5×6矩陣鍵盤,在其中17個交叉點安置17個獨立式按鍵。
3．6實時時鐘模塊
機械手工作的時候,液晶顯示屏幕能顯示當前的日期和時間,當系統發生故障被檢測到的時候(如機械手旋入的時候安全門信號丟失等),控制系統需要記錄故障的類型及發生故障的時間,以方便維護和檢修.為此系統采用了一片實時時鐘芯片DS1302,該芯片是DALLAS公司生產的涓流充電時鐘芯片[14].本系統使用獨立的32．768kHz晶振為該芯片提供時序.系統工作時,DS1302使用系統提供的電源供電,系統關閉后,芯片使用紐扣電池供電.
4軟件實現
4．1開機流程系統開機后,首先進行系統初始化,然后進行開機自檢并顯示首頁,系統不斷判斷目前工作模式,根據不同工作模式執行相應的程序.開機流程見圖7.
4．2手動和自動運行模式
手動運行模式為人工操作模式,操作員根據操作步驟通過鍵盤按鈕控制G28機械手完成相應動作。
4．3程序自更新的實現
射出成型機械手一般工作在注塑等環境惡劣的場合,而且系統開發定型后,調試接口一般都已經去除,對系統進行軟件升級一般只能換主板,這將造成很大的浪費.G28型射出成型機械手控制系統實現了軟件的自更新功能.系統使用的C8051F020本身可以實現IAP功能,系統預先燒錄了引導程序(bootloadGer)[15].圖10為應用軟件自更新的流程圖.系統上電后,在地址0000H處存放的不是跳轉到應用程序的指令,而是固定存放一條跳轉到引導程序的指令.引導程序判斷是否有SD卡,如果有SD卡,就判斷是否有應用程序執行文件(bin文件,文件名稱必須按要求固定不變),如果沒有新的應用程序文件,就跳轉到目前系統的應用程序執行,如果有新的應用程序文件,就讀取文件,替換系統舊的應用程序.更新完成后,引導程序跳轉到更新后的應用程序地址執行.系統和SD卡的數據交換采用SPI方式進行。
5結語
本文設計了一種射出成型機械手控制系統.該控制系統可以使機械手工作在手動和自動運行模式下,運行過程中的故障信息、運行次數實時保存記錄,通過彩色液晶屏,能夠實時觀察動作執行相關信息及外圍協調信號的狀態,而且能夠智能化地判斷每一步動作與動作之間的合理性.軟件的自更新功能使應用程序的升級變得更為簡單方便.該系統在G28型射出成型機械手的測試和應用表明,該控制系統能夠滿足射出成型機械手的控制要求.
作者：張飛1;何雅琴2;錢金法1 單位：1．常州機電職業技術學院2．常州機電職業技術學院
機械手設計論文:鉆具旋轉機械手設計
《機械雜志》2014年第六期
1機械手總體設計和特點
JGxxx旋轉機械手主要由底座、旋轉軸系、旋轉臂、夾持器和旋轉油缸組成。如圖1所示。底座全由型材組合焊接而成，提供整個部件的支撐及其與拖車的連接接口；旋轉軸系由旋轉軸和滑動軸承座等組成。旋轉軸靠花鍵實現扭矩的傳遞，滑動軸承座采用國標滑動軸承座，由螺栓連接固定在底座上；旋轉臂也全由型材組合焊接而成，傳遞扭矩，實現載物的旋轉。夾持器由三個油缸、兩個夾持臂、滑動塊和夾持器夾組成。一個端部法蘭連接油缸推動滑動塊直線運動，另兩個單耳板連接油缸依據杠桿原理控制兩夾持臂的開合，夾持鉆桿時，兩油缸推動兩夾持臂閉合，另一油缸推動滑塊夾緊鉆桿，靠摩擦力夾緊鉆桿實現旋轉。各旋轉連接點由銷軸連接，實現轉動；旋轉油缸靠中部法蘭安裝在底座上，由花鍵與旋轉軸連接，提供旋轉扭矩。
2設計計算
2.1JGxxx旋轉機械手夾持器計算對于外徑245mm，重量3000kg的鉆桿，當初始接鉆桿時候受力分析如下：考慮安全系數1.67，分配到單個夾持機構的力G為25.2kN。圖2為鉆具夾持器水平狀態受力分析。根據力平衡：F1＝G＝2.52×104N圖3為鉆具夾持器較高位置的受力分析。取摩擦系數μ＝0.1，故油缸一的推力F2為。
2.2JGxxx旋轉機械手軸系計算分析由于擺動油缸花鍵接口的尺寸限制，軸系的最小直徑為112mm，軸系的結構，受力與約束施加如圖2所示。簡化了軸的結構，軸上花鍵部分以花鍵的最小直徑代替。考慮花鍵材料抗拉強度極限不低于600MPa，初步選用35CrMn。圖5為2009年8月5日受力分析的實驗記錄。圖7為不同條件下的等效應力實驗記錄。根據上述結論，按第三強度理論，做彎扭合成強度校核計算，按照對稱循環應變力時的許用彎曲應力，[σ-1]＝70MPa，σca＝13.1MPa≤[σ-1]，滿足強度條件。按照剛度要求較嚴格的軸取許用撓度為：[y]＝0.0002×h＝0.274mm式中：h為兩個軸承間距，根據文獻[9]結合產品工作條件，取h＝1370mm。變形量y＝0.02mm≤[y]，滿足條件。由于軸的使用轉速很小，應力應變頻率低，不需要校核軸的疲勞強度。
2.3花鍵的連接強度計算以傳遞扭矩較大、直徑最小的擺動油缸連接處校核，按照靜連接條件，以工作面上的壓力進行條件性的強度計算，計算公式如下：
2.4JGxxx旋轉機械手軸承座受力計算選用鉛青銅材料，材料牌號為zCuPb10Sn10或zCuPb30，按照變載荷和沖擊載荷條件驗算。簡化軸承載荷，由鉆具重量3000kg與旋轉機械手旋轉部件考慮工作安全情況，根據文獻[9]取安全系數1.67。再考慮特殊情況，如鉆具中裝滿干性的重泥漿等特殊情況，將安全系數再擴大1.6072倍，如此再加載到兩軸承上。根據文獻[9]得單端軸承載荷為：結論：設計滿足規范條件和工作中的使用要求。
作者：鄔靜單位：中國石油川慶鉆探川西鉆探公司
機械手設計論文:基于MCGS的機械手控制系統設計
摘要：介紹了西門子S7-200可編程控制器在機械手控制系統中的應用，并用MCGS組態軟件開發了上位機監控系統。在MCGS和PLC通信的基礎上，通過計算機控制PLC，實現了對機械手的控制，實踐證明，系統具有界面友好，易于操作，運行，能直觀的檢驗機械手控制系統的運行情況等優點。
MCGS即“監視與控制通用系統”，是為工業過程控制和實時監測領域服務的通用計算機系統軟件，集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出等功能為一體，具有操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。是國內使用較多的國產通用組態軟件[1]。
可編程控制器（PLC）是以微處理技術為基礎，綜合計算機技術和自動控制技術發展起來的一種新型工業控制器[2]。它在工業現場中對機械手能起到有效而靈活的控制。機械手是一種模仿人手動作，并按設定程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運工件或工具進行操作的自動化裝置[3]。文章利用PLC控制機械手用于抓取和搬運工件。上位機采用MCGS監控控制界面，方便直觀的獲取和存儲機械手模型位置和狀態信息。該機械手具有一定的通用性和開放性，即能用于實際生產，又能方便實驗教學，因此，通過MCGS開發和研究機械手具有重要的實際意義。
1 機械手控制系統PLC設計
1.1 機械手控制系統的控制要求
機械手具有啟停、移動和抓放功能。啟動和停止功能由操作人員通過啟停按鈕進行控制，移動和抓放功能則由相應的電磁閥控制。對應的電磁閥有六個，分別是左移、右移、上移、下移、抓緊和放松閥。若要機械手動作只要控制相應的電磁閥動作即可。機械手的動作可由操作人員現場手動操作，也可根據工藝需要預先編好程序，啟動后按照程序動作。
1.1.1 機械手的工作過程
機械手搬運工件，要求機械手按照工作過程完成上移、下移、夾緊、放松、左移、右移多種動作，按下啟動按鈕SB1后，機械手工作過程如圖1所示。
1.1.2 機械手工作方式
該機械手控制系統設有手動、單周期、單步、連續和回原點5種工作方式。
1) 在手動工作方式下，六個按鈕分別控制機械手的上移、下移、左移、右移、夾緊、放松。
2) 單周期工作方式下，按下啟動按鈕SB1，機械手完成一個周期工作后，返回并停留在原始位置。
3) 單步工作方式下，按一下啟動按鈕、系統轉到下一步，完成該步任務后停止工作，再按啟動按鈕，再往前走一步，此方式常用于系統調試。
4) 連續工作方式下，機械手從原始位置開始，工作一個周期后，會自動連續循環。按下停止按鈕SB2，機械手在完成一個周期后，回到原始位置，然后停止。
1.2 PLC輸入輸出端子分配
該機械手控制系統的控制為純開關控制，共需要17個輸入量，6個輸出量。
系統選用性價比比較高的西門子S7-200 PLC，CPU226，其I/O點為24輸入，16輸出，可以滿足系統要求。
機械手控制系統的PLC外部接線圖如圖2所示。
2 基于MCGS的機械手監控系統設計
2.1 MCGS組態軟件
MCGS組態軟件由“MCGS組態環境”和“MCGS運行環境”兩個系統組成。MCGS組態軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五部分構成，每一部分分別進行組態操作，完成不同的工作，具有不同的特性[4]。五部分功能如圖3所示。
MCGS能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、曲線和報表輸出等功能，具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的特點。
使用MCGS組件新工程一般按照以下步驟：1）工程項目系統分析；2）建立新工程；3）設計菜單基本體系；4）制作動畫顯示畫面；5）編寫控制流程程序；6）完善菜單按鈕功能；7）編寫程序調試工程；8）連接設備驅動程序；9）工程完工綜合測試。
2.2 機械手監控系統建立
弄清系統的控制流程和所要監控的對象特征后，明確監控要求，分析工程中的輸出通道與軟件中實時數據庫變量的對應關系，然后建立一個文件名為“機械手控制系統”的MCGS工程，如圖4所示。
2.3 動畫制作
利用繪圖工具中的對象元件庫，來完成機械手靜態畫面設計。繪圖效果如圖5所示。
2.4 定義數據變量
實時數據庫是MCGS工程的數據交換和數據處理中心。數據對象是構成實時數據庫的基本單元，建立實時數據庫的過程也就是定義數據對象的過程。本工程定義的數據對象見圖6所示。
2.5 機械手監控系統動畫連接
畫面編輯好后，需要將畫面與前面定義的數據對象即變量關聯起來，以便運行時，畫面上的內容能隨變量變化，逼真的模擬機械手動作。需要進行按鈕的動畫連接、指示燈的動畫連接。為實現機械手上下左右動作，靜態畫面中機械手、上工件、下滑竿等部分需要隨動作進行水平移動，上工件要做垂直移動，左滑竿做水平縮放，下滑竿做垂直縮放。
2.6 連接西門子設備
在設備窗口中建立系統與外部硬件設備的連接關系，使系統能夠從外部設備讀取數據并控制外部設備的工作狀態，實現對工業過程的實時監控。設備窗口以對象的形式與外部設備建立數據的傳輸通道連接。通過通道連接，向實時數據庫提供從外部設備采集到的數據，從實時數據庫查詢控制參數，發送給系統其它部分，進行控制運算和流程調度，實現對設備工作狀態的實時檢測和過程的自動控制。
使用MCGS組態軟件和PLC通訊之前，必須保障通訊連接正確，通訊電纜使用西門子標準PC\PPI電纜[5]。機械手控制系統設備連接如圖所示。設置成功后在子設備的通道連接中通訊標志位為1，則說明連接成功，否則需要重新設置設備的屬性[6]。設備管理如圖7所示。
2.7 利用定時器和腳本程序實現機械手的定時控制
進行組態設計時，控制策略是必不可少的，在MCGS運行策略窗口中對循環策略進行了組態設置，該策略包含定時器構件與腳本程序構件。
根據機械手控制要求，機械手完成一個循環回到初始位置需44S，因此設置定時器的定時時間為44。具體設置如圖8所示。
機械手程序分定時器控制、運行控制和停止控制三部分，定時器部分實現啟動按鈕和復位按鈕對定時器的控制功能。
1）定時器部分相應的腳本程序：
IF 啟動按鈕=1 AND 復位按鈕=0 THEN
定時器復位=0
定時器啟動=1'如果啟動按鈕=1且復位按鈕=0，則啟動定時器工作
ENDIF
IF 啟動按鈕=0 THEN
定時器啟動=0 '只要啟動按鈕=0，立刻停止定時器工作
ENDIF
IF 復位按鈕=1 AND 計時時間>=44 THEN
定時器啟動=0 '如果復位按鈕=1
'只有當計時時間>=44s，即回到初始位置時，才停止定時器工作
ENDIF
2）停止控制部分對應的腳本程序：
IF 定時器啟動=0 THEN
下移閥=1
上移閥=1
左移閥=1
右移閥=1
ENDIF
MCGS通過設備驅動程序從現場設備獲取實時數據，一方面以圖形的方式直觀地顯示在上位機上，另一方面按照組態要求和操作人員的指令將控制數據送給現場硬件設備，對執行機構實施控制或調整控制參數。
3 結論
根據PLC控制系統的要求，利用組態技術和PLC構成了簡單地機械手控制系統。通過MCGS實現了對機械手動作狀態的實時監控，上位機具有便捷的計算、圖形、控制、強大的數據管理能力，操作人員可以通過上位機畫面直觀方便的了解設備的運行情況，大大提高工作者的工作效率。下位機可編程控制器具有優良的控制驅動能力。系統工作，控制方案還具有較強的通用性，本機械手控制系統的研制無論對改進PLC課程的教學和組態軟件課程的教學還是傳統機械手系統的改造，都具有很重要的現實意義
機械手設計論文:基于PLC的教學型氣動機械手控制系統設計
摘 要：根據教學需求，為提高學生解決工程問題的能力，設計了基于PLC的教學型氣動機械手控制系統。首先明確氣動機械手的動作要求及工作循環，然后進行PLC輸入/輸出端子的地址分配，針對不同工作方式在編程軟件中設計能完成規定功能的程序。結果表明，基于PLC的控制系統具有抗干擾能力強、編程直觀簡單、性高且易于安裝維護等優點，故PLC工控機必能在“中國制造2025”制造強國戰略的實施中得到廣泛應用與大力發展。
關鍵詞：機械手；PLC；自動控制
0.前言
機械手作為一種控制對象，可以替代工人完成多種工作。現代化的生產車間，多配有機械手。它可以提高生產過程中的自動化程度，進而提高生產效率。教學型機械手是針對教學所需研制的典型機器人設備，有兩個方面的要求。首先在硬件方面要求能讓學生自己組裝該設備，能正確連接電路與氣路，所涉及的知識面要適合工科學生；其次在軟件方面要能分模塊，分塊學習更容易接受，學后能按照要求編寫控制程序。本文在提高教學效果為目的的前提下，以能夠實現一定工序的搬運機械手模型為研究對象，設計其控制系統。
1.機械手工作過程
機械手的動作過程如圖1所示，用來將工件從一個工作臺搬到另一個工作臺。
機械手的全部動作由氣缸驅動，根據使用場合不同控制方式一般分為手動操作與自動操作兩種。手動操作主要為安裝調試或出現故障需要維修時使用，實現對各執行動作單獨用按鈕進行操作，通常是設計過程中必須考慮的控制方案。而自動操作是以PLC控制器為基體，按預先編寫的程序實現自動控制，自動操作又分為連續自動操作和單周期自動操作。以單周期自動操作為例，機械手的動作循環依次是：從原點前伸――下降――夾緊――上升――右轉――下降――放松――上升――左轉――縮回至原點10個動作。 其中上升、下降、前伸、縮回、左轉和右轉等8個動作，每個動作末都會觸發各自的限位開關，由限位開關去控制電磁閥通斷以順利執行下一個動作。而放松和夾緊兩個動作則是通過設置時間延時實現和下一個動作的順利銜接。其具體動作過程如圖2所示。
2.輸入輸出端子點數
C械手的控制系統采用了西門子公司生產的整體式S7-200CPU226式PLC。動作②、④和動作⑥、⑧不會同時出現，故只占用可編程控制器的兩個輸入點而不是4個輸入點。在動作②執行前需先判斷左工作臺上有無工件，故用于檢測有無工件的光電開關需占用PLC一個輸入點。機械手左右轉動時的左右限位開關各占用PLC一個輸入點。啟動與停止按鈕各占用PLC一個輸入點。另外，因為存在3種工作方式，故還需在PLC中配置3個用于工作方式選擇的輸入點。在手動控制方式中，因為存在4種不同的加載方式――前與后、左與右、上與下、夾與松，故需在PLC中配置4個用于加載方式選擇的輸入點。而控制器需要輸出用于控制伸出、縮回、下降、上升、夾緊、左轉、右轉和原點指示燈狀態的指令，故此控制系統共使用了14個輸入量和8個輸出量。
3.整體程序設計
機械手整體程序結構如圖3所示。若選擇手動操作工作方式，I0.7斷開，接著執行手動操作程序。手動操作程序可以獨立于自動操作程序，可以另行設計。在單周期工作方式和連續操作方式下，可以執行自動操作程序。在使用自動操作方式時，中間繼電器M1.0接通。手動操作方式和自動操作方式，都用同樣的輸出繼電器。
系統調試時將各I/O端子和實際控制系統的按鈕、所需控制設備正確連接，完成硬件安裝。機械手PLC可編程控制器編程軟件采用STEP7-Micro/Win V4.0，整體程序和各個子程序在編程軟件中編輯，機械手正常工作時程序存在存儲卡中，若需要修改程序，先將PLC設定在STOP狀態，運行編程軟件，打開機械手的控制程序，即可在線調試，也可用編程器進行模擬，整個過程簡單直觀。
結語
PLC是面向用戶專為在工業環境下應用而設計的專用計算機，可以使用戶獲得高性能、高性的同時享受高質量和低成本。本文通過對搬運機械手應用場合及工作過程的分析，總結出使用PLC完成系統控制任務的流程。即首先明確機械手的動作要求及工作循環，然后針對其不同的操作方式進行操作面板的布置和I/O端子的地址分配，針對其不同的工作方式在編程軟件中設計能實現具體功能的整體程序和各子程序。詳盡的設計過程可為從事工業控制的工程人員提供一定的參考。
機械手設計論文:基于PLC的上下料機械手設計探析
摘 要：近年來，隨著工業自動化的不斷發展和用人成本的增加，礦山生產中的上下料正向機械化、自動化轉型。機械手精度高、動作迅速、可長時間作業的特征被礦山企業應用到上下料的生產中，提高了生產效率。本文討論了上下料機械手的設計方案，確定了基于PLC控制的機械手的關鍵參數，在明確控制方案的前提下，設計了機械手控制系統的硬件和軟件，為PLC控制機械手在上下料生產中的應用提供了理論支撐。
關鍵詞：機械手；PLC；ADAMS；上下料；自動化
引言
機械手是在工業生產中較為常見的自動化設備，它通過模仿人的手臂，按照設定的路徑等參數進行物件的抓取、搬運和其他操作。它主要包括執行機構、驅動機構和控制系統三大部分，控制系統一般采用DSP、單片機、PLC等芯片，時時控制各電機運動。驅動機構主要包括各種電機，執行機構主要是仿生手臂用來進行相關的操作。由于要進行較為復雜的操作需要多關節進行協同，所以多自由度機械的控制是基礎，一般采用六自由度或四自由度的結構，自由度越多，其靈活性越大、操作范圍越廣。
自動上下料操作是指在工廠和數控加工中周期性的給機器和機床上下料。由于此項操作重復性強、危險性高、工作強度大，已經不再適合手工操作，于是自動化的機械手取而代之。機械手可以快速地長時間作業，定位精度高，環境適應性很好，尤其是其抓舉運輸可以超過人力很多，便于工業生產，所以對機械手進行研究并使其應用到上下料生產中十分必要。
1總體設計
機械手的設計方案如圖1所示，該方案主要由HMI、PLC、驅動系統及機械手本體四個部分組成。
1.1機械結構設計方案
機械手的機械結構較為復雜，需要確定機械手自由度、行程和速度參數，電機選型和各軸的轉動方式。
之所以為機械手添加6自由度，是為了保障機械手可以抵達任意位置，其中位置自由度3個，姿態自由度3個。通過簡化分析，滿足基本的上下料操作，機械手設計包括4軸4自由度，分別是X軸、Y軸、Z軸和RZ軸。機械手的結構示意圖如圖2所示。機械手沿X軸進行水平方向的左右移動；沿Y軸進行水平方向的前后移動；沿Z后軸進行豎直方向移動；沿RZ軸可繞Z軸旋轉。
機械手的運動需要電機進行驅動，它的主要動作特性與電機參數息息相關，所以對于電機的選型是必要的。一般而言，電氣式機械手常用的電機類型有伺服電機和步進電機。為使機械手能夠快速移動，要求軸電機的額定轉速要高、額定輸出轉矩還應較大。因此，X、Y、Z軸常選用伺服電機。但是對于RZ軸，由于其負載較小，精度要求較高，所以可以選擇簡單實用的步進電機。
電機驅動的傳動方式有多種，常見的機械手傳動方式包括同步帶傳動、滾珠絲桿傳動和齒輪齒條傳動。其中同步帶傳動是應用較多，其簡單易用，保養方便；滾珠絲桿傳動由于精度高、噪音低，常用于高精度的傳動場合；齒輪齒條傳動的特點是動力足、壽命長，但是噪音較大。綜合以上多種傳動方式，從精度要求和成本考慮，本文設計的機械手的X軸和Y軸采用同步帶傳動，Z軸采用齒輪齒條傳動。
1.2控制系統設計方案
機械手的控制系統設計方案如圖3所示，HMI與PLC進行數據交換，向PLC傳送數據和運動控制命令的同時接收傳回的數據，并進行時時顯示。
2機械手關鍵參數設定
綜合評價機械手的行動能力將以較大速度、負載能力、位置偏差閾值等參數為標準，這就需要確定電機的額定轉速、電機的額定轉矩、減速器的減速比、同步帶輪節徑等。由于機械手X軸的受力最為復雜，現以X軸為例來詳細分析關鍵參數的設定過程，隨后可用相同的方法確定其他軸的參數。
首先根據經驗選擇一個伺服電機，經計算滿足設計要求后，進行下一處電機的確定。首先畫出X軸的示意圖，如圖4所示。通過分析，可以計算出X軸負載的轉動慣量JL，X軸較大移動速度Vmax，機械手加速過程中電機的較大輸出扭矩Tmax等參數。
3控制系統硬件設計
機械手控制系統的硬件設計主要包括X軸、Y軸、Z軸伺服驅動器的選擇、RZ軸步進驅動器的選擇、PLC及擴展單元的選擇等硬件的設計，由于篇幅所限，只以PLC的選擇為例進行說明。
PLC是可編程邏輯控制器，通過數字或模擬輸入輸出控制整個機械生產過程。上下料機械手需要控制3個伺服電機和1個步進電機，所以PLC選型時應具有4路高速脈沖輸出功能。
本例選擇CP1H-Y20DT-D型PLC作為機械手的控制器。根據控制要求給各個控制對象分配IO地址，這樣便于PLC尋址和控制被控對象。由于各個軸上具有光電開關、減速器等裝置，需要對其進行IO地址的分配。當上下料開始時，PLC輸出數字信號令錠床開始加工，當銳床加工結束后，PLC收到信號，繼而進行下料操作。
4控制系統軟件設計
PLC的高速計數器功能和串口通訊功能都將被實用，所以應先編程設置PLC，如D5所示。
在設置完PLC具體參數后，需要明確機械手的上下料過程即取料、上料及下料階段，通過圖6表示機械手上下料全過程。
機械手先從原點P0向P1點運動，當到達P1點后機械手松開，向下運動到P2點，夾爪閉合抓取工件后回到P1點；機械手夾持著工件向P3點運動，在P3點向下運動至P4上料，然后機械手運動到P3點，再運動到P5點，機械手給銑床上料完成；當加工完成后，機械手經過P6-P7-P6-P8等點的操作后，完成下料，并將工件放置在傳送帶上，其運動回P0點循環進行下一輪操作。
控制程序方案包括回原點、示教、軌跡規劃和軌跡執行四個部分；回原點操作意在令機械手上電后或者上下料結束后回到其坐標原點；示教是示教出空間上的坐標點，并存儲到PLC的內存區；軌跡規劃是指定軌跡上的點與示教庫中點的關系，通過軟件實現軌跡與示教庫信息的吻合，保障運動精度；軌跡執行部分用來設置運動時的軌跡的編號、減速比、時間量等參數。
5結論
本文設計了基于PLC控制的機械手，確定了機械手的結構設計方案，分析了機械手三個軸的關鍵參數，明確了機械手控制系統硬件部分的元器件選型，提出了上下料過程中的控制程序基本思路，明確了回原點、示教、軌跡規劃以及軌跡執行等程序方案。相信隨著自動化領域的不斷進步，基于PLC控制的機械手將會在度等方面實現新的突破，廣泛應用于現代化工廠的上下料生產中，逐漸代替人工操作。
機械手設計論文:基于PLC控制的機械手設計
【摘 要】本設計采用PLC控制技術和氣動技術，通過PLC控制器控制電磁閥的順序開啟，實現機械手的運動、控制工件的抓取和卸料，實現全自動生產。應用PLC控制機械手能實現各種規定的工序動作，不僅可以提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節約原材料消耗以及降低生產成本，有著十分重要的意義。
【關鍵詞】后定位器機械手；氣動技術；機械結構；PLC控制
一、緒論
日照某公司沖壓車間，現有一臺xxx型沖床，專門用于生產后定位器部件。目前生產采用手工上料、手工壓緊、沖壓后半手工卸料。這種生產方式導致了該沖壓件的生產質量很大程度上取決于操作人員的技術水平，且存在較大的安全隱患。
根據山東水利職業學院和該公司沖壓車間合作，進行后定位器部件彎曲沖壓沖床的自動上料技術改造。解決該沖床的，生產效率低，安全防護差，人員依賴強的缺點，實現設備的全自動，高效，安全運行的目的。
二、后定位器機械手系統的總體思路
（一）主要技術參數
后定位器機械手采用光機電氣一體化技術，針對后定位器部件彎曲組裝工序進行的技術改造，實現工件毛坯的自動上料與卸料。通過調研現場沖壓機床的安裝布局，發現后定位器機械手的結構除滿足沖床的工作行程外，還要滿足現有的模具空間要求。
后定位器機械手的主要要求如下：
工件不允許被磁化。
工件表面不允許被劃傷。
保障坯料被放到正確的沖壓位置。
生產效率比目前的手工操作要高。平均19件/分，約為目前純人工上料操作的1.46倍。
運行安全，能耗低，噪音小，綠色無污染。
實現后定位器機械手的自動控制。
（二）后定位器機械手系統整體框架
后定位器機械手主要由控制系統，驅動系統，執行機構和檢測裝置四大部分構成。其中，執行機構分別是完成工件上料、送料、卸料的帶有接料盒的氣動導軌、氣動真空吸附機械手、提升板和推板。本設計是由氣壓來進行驅動。控制系統是以PLC為核心的控制器。控制系統采用閉環控制系統，保障了系統的精度。
綜上所述，機械手控制系統整體框圖1如下：
（三）后定位器機械手系統總體設計
當安裝在沖床上的凸模開始向上運動做返回行程時，上料裝置的氣動吸盤迅速從帶有送料板的氣動導軌上吸取坯料，然后氣動裝置，沿雙向導軌快速運動，通過行程開關使坯料能夠到達沖床模具的沖壓位置。吸盤將坯料放到沖壓模具的凹模上時，通過六個定位銷進一步定位，并且，吸盤運動到使坯料接觸凹模上表面后才松開坯料，這樣保障了坯料能夠放平，地定位。在坯料到達模具沖壓位置之前，安裝在送料裝置前端的卸料裝置已將上一個已加工好的工件推到卸料槽內，工件靠重力滑落到工件箱內，自行完成卸料。
系統的主要特點如下：
1.采用無損、無磁化的柔性多功能真空吸盤抓料手；
2.采用雙軌導向、重力落料的自動定位貯料裝置；
3.采用高精度的雙導軌導向機構，確保取料、送料和放料的精度；
4.通過取料板上的特制模腔與貯料裝置的配合，實現料片的連續、、單一的提取。
5.系統具有自動檢測料片有無報警裝置，并且可以實現定位。
（四）后定位器機械手系統組成
后定位器機械手主要由機械機構與控制系統兩大部分組成，如圖2所示。機械機構主要包括取料裝置與卸料裝置，如圖3所示。控制系統采用PLC技術，通過自動控制裝置，使各種裝置按照一定的順序和時間間隔發生動作。控制送料的時間與沖壓行程之間的滿足規定的協調關系，保障一定的生產率和運動時間的性，不允許有超前或遲滯現象。
1.上料機構設計方案
后定位器機械手的送料機構主要由取料裝置與送料裝置組成。其中，取料機構用來完成坯料的單一提取，送料裝置完成坯料的吸取、坯料的輸送與定位工作。取料裝置完成每次從坯料盒中自動取下一件坯料，并通過導軌傳動和行程開關的作用，將坯料停放在吸盤的工作位置。然后送料過程開始，通過送料裝置，將坯料輸送到沖壓工作位置，為沖做好準備。如圖4所示。
2.取料裝置設計方案
取料裝置，主要由氣動裝置、坯料盒（貯料裝置）、接料盤、導軌、限位裝置等部分組成。通過取料裝置把料片送到周轉工位。
由于料片的不規則，最終確定了取料裝置的機械設計。它主要由坯料盒（貯料裝置）和帶接料盤的取料板兩部分組成。
三、PLC控制器的設計原則及其選型
（一）PLC的型號確定
本文中機械手控制系統選用的是S7―200系列中的CPU224的型號。該型號PLC集成的數字量輸入/輸出為14入10出共24個數字量I/O點，可以很好的滿足本設計控制系統中的11個輸入9個輸出共20個數字量的要求。
（二）PLC控制器的I/O點分配
根據機械手動作流程分析及PLC的I/O點數，可以確定電氣控制系統的I/O點分配，根據I/O點分配表可以畫出PLC的外部接線圖如圖6所示。
（三）后定位器機械手控制程序設計
1.控制流程圖設計
采用PLC對機械手進行控制，首先要明確機械手的工作要求和運動規律，當機械手的動作流程發生改變時，只需要改變PLC程序即可實現。按照機械手的控制要求，合理畫出機械手的運動流程。設定取料板到達坯料盒下方的位置（進行取料的位置）為取料終止位、取料板到達上料手取料的位置為取料初始位、上料手要進行下降吸料的位置為上料初始位、上料手要進行下降放料的位置為上料終止位、上料手上升停止的位置為上限位、上料手下降停止的位置為下限位，后定位器機械手控制主流程圖如圖7所示。
2.PLC程序設計
后定位器機械手控制系統的主程序設計如圖8所示，其中包括取料板取料復位子程序，上料手復位子程序，上料手送料子程序。
四、結論
本文綜合利用光機電氣數一體化技術，采用數字化軟件及虛擬樣機設計技術和PLC控制技術，完成了后定位器機械手系統的設計與研發。設計開發的后定位器機械手系統具有技術含量高，制造成本低，設備的附加成本低，安全、節能、環保等優點。通過后定位器機械手的現場安裝調試，無需對現有的車間設備布局進行調整，無需對現有的沖壓機床設備進行結構改變，提高了生產率，實現了沖壓生產的自動化水平，提高了定位精度，降低了企業制造成本。
作者簡介：
尹盛蓮（1979-）女、四川廣安人、碩士研究生、講師、山東水利職業學院、主要從事機電類教學工作。
國磊（1979-）男、山東淄博人、碩士研究生、講師、山東水利職業學院、主要從事機電類教學工作。
機械手設計論文:自動卸車機械手行走機構設計
[摘 要]通過設計一個沿固定軌道自動行走，并在行走過程中檢測貨車位置和貨車中貨物的碼垛層數和位置。根據檢測結果，將貨物夾取并沿軌道輸送到指定位置。從而實現自動卸貨的功能。
[關鍵詞]自動卸車；行走機構
1 引言
在物流}儲企業中，物料存儲、自動分揀、自動輸送、自動識別、自動跟蹤等設備都已實現了自動化，但通過貨車運輸的貨物在卸貨上，基本還是靠人工手動或人工輔助設備如叉車等來實現。這不僅增加了勞動者的勞動強度，而且嚴重影響了工作效率。通過調研和分析，對于一些規范的貨物，如貨物外觀尺寸、貨物包裝方式和包裝材料、貨物重量、貨物允許承受的壓力等條件相對規范時，可設計一種自動卸車的機械手來實現貨物卸車的自動化。從而提高工作效率和降低勞動強度。
2 方案設計
為了實現自動沿軌道行走、自動檢測和自動夾取貨物，自動卸車機械手需要有行走機構、檢測桿、夾取機構以及其它一些安全保障的部件。設計完成后的自動卸包機械手結構如圖1所示：
自動卸車機械手的工作流程為：自動卸車機械手的行走機構（1）在往前行走的過程中，檢測桿（2）通過檢查，判斷物料的層數和位置，夾取機構（3）夾取物料后，上升使物料與下層脫離，脫離后自動卸車機械手向后行走，行走到設定位置后，將物料下降釋放到輸送通道上。其動作以水平和豎直方向的直線運動為主。其設計難度主要在于各個關鍵零件的力學分析和傳動原件的參數選擇。本文將著重論述行走機構的設計分析過程和計算過程。
3 行走機構設計
行走機構在自動卸車機械手的作用是行走到物料位置，夾取煙包后將煙包沿軌道輸送到設定的位置。在現代工業中，類似機構最常用于生產車間內的桁車。在設計過程中，首先確定減速電機的類型。選擇類型時首先對比了K系列斜齒輪-傘齒輪減速電機和S系列雙級斜齒輪-蝸輪蝸桿減速電機的優缺點。兩種電機在外形和安裝方式上很接近，主要區別在于K系列減速電機傳動效率不低于95%，而且可承受較大的徑向載荷，而且可承受不大于徑向力15%的軸向載荷。而S系列減速機傳動效率較大可達到89%，可承受不大于徑向力10%的軸向載荷。另外K系列減速電機價格明顯高于S系列減速電機。綜合考慮設備運行工況，選擇K系列斜齒輪-傘齒輪減速電機作為行走機構的動力電機。
行走機構在設定的軌道上，通過計算，選定了GB/T11264-1989 15Kg/m的輕軌作為軌道，使用主動輪和從動輪的形式，其結構圖如圖2所示：
由圖可以看出，動力通過齒輪傳動，將動力傳動到主動輪上。圖中件6傳感器支架安裝了三組對射式的傳感器。在之前的描述中，自動卸包機械手需要在行走過程中檢測按圖6碼垛的煙包。自動卸包機械手運行在帶有頂棚的室外，由于灰塵等原因可能出現誤檢測，特別是誤檢查車頭為需要夾取的煙包，所以在設備中還增加了激光測距。通過對射式傳感器和激光測距的雙重檢測，確保了設備的安全運行。
4 行走機構運行阻力計算
行走機構的設計過程類似于起重設備的設計，設計時需要進行運行阻力計算、電機參數計算、制動器參數計算、運行打滑驗算、緩沖器選型計算等。計算在初步方案完成的前提下進行，已知全自動卸車機械手及貨物總質量、運行速度、輪直徑、輪軸直徑為、機械手迎風面積、機械手效率為、風壓qⅠ= 90N/m2、qⅡ=150N/m2、qⅢ=600N/m2、最小輪壓。
卸包機械手在直線軌道上穩定運行的靜阻力由摩擦阻力，坡度阻力與風阻力組成。
（1）摩擦阻力
電動機所配制動器型號：BMG2；Mmax=20N?m。
5.4 運行打滑驗算
自動卸包機械手類似于起重機，為了使自動卸包機械手運行時地啟動或制動，防止出現驅動輪在軌道上的打滑現象，避免車輪打滑影響起重機的正常工作和加劇車輪的磨損，應分別對驅動輪作啟動和制動時的打滑驗算。
（1）啟動時按下式驗算
7 結束語
本文中所設計的行走機構已成功應用在卷煙廠的自動卸車機械手中。該設計過程可為類似的產品設計提供參考。
機械手設計論文:基于“慧魚”模型的工業機械手設計
摘 要：本文設計的工業機械手以慧魚模型為基礎，它能替代部分人工操作；能按照生產工藝要求，遵循一定的時間、程序和維度來完成工件的傳送與裝卸；能制作必要的器具進行焊接與裝配，從而大大改善工人勞動量，顯著地提高生產率，加快工業生產機械化和自動化步伐。
本設計使用ROBO Pro（慧魚）軟件控制ROBO TX控制器，實現對基于慧魚模型的機械手的操作控制。通過ROBO Pro程序可實現對機械手的控制，改變程序就可實現不同的控制要求。
1.設計題目的提出及主要任務
經過歷史的考驗，機器人對我們的生產和生活越來越重要。單位時間內的次品率也越來越低，同時我們工作更加輕松，只需控制好操作面板，也就是機器人的控制系統。與此同時，生產出來的產品品質更加，這樣可以顯著節省成本開支。鑒于其重要作用，因此它被列入很多國家的高新技術產業。同時，機器人是一門綜合了機電子、電子計算機及仿生人工智能等諸多專業的新興學科。
本次設計以現有的工業機械手為基礎，依靠慧魚模型，設計以傳送、運輸為主要功能的新型工業機械手。
2.機械手的組成和結構設計
機械手一般由執行、驅動、控制等機構3部分組成。
（1）執行機構
由傳遞裝置、驅動裝置、控制系統以及末端操作器組成。
①夾持部分
這是機械手的獨立的執行部件，夾持部分采用蝸輪蝸桿機構控制手抓的加緊、釋放。
由于工業機器人的手部通常是專用的裝置，一種手爪往往只能夾取一種量上相近的工件，只能執行一種作業任務。
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）和傳動機構所構成。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。回轉型手指結構簡單，制造容易構件，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，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，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
②手腕
起到連接手部和手臂的作用，主要起支撐作用，機器人一般要有6個自由度才能使末端操作器到達目標位置和處于期望的狀態。
③手臂
臂部有大臂小臂或多臂構成，一般有2～3個自由度，即伸縮回轉，俯仰或則升降。同時再設計臂部的時候要考慮到臂部要有足夠的承載能力和剛度，剛度小，影響手臂工作時運動的穩定性更嚴重地導致變形，導致臂部的承受載荷大小都發生變化，運動速度和定位精度也不行；運動平穩性要好，精度要高，它是機械手的重要指標；重量和轉動慣量要小，為了提高運動運動速度，盡量減小臂部的重量，同時還要注意偏重力矩，也就是讓臂部的重心與立柱的重心盡量靠近；導向性要好，一面手臂在直線運動過程中發生相對運動。
手臂在進行伸縮或升降移動時，為了使手臂在直線運動過程中不致發生相對運動，以保障手部運動方向的正確性。所以這就需要導向裝置，同時在設計導向裝置時要考慮到實際載荷的大小，手臂長度行程以及手臂安裝方式的影響。同時常用減小或則消除偏重力矩的方法有：盡可能減少臂部重量，還有就是盡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，手臂的回轉運動和升降（或俯仰）運動均與立柱有密切的聯系。
⑤機座
機械手的各執行機構部件和驅動系統都安裝在機座上，主要起支撐和連接的作用，底座部分采用蝸輪和齒輪結合的方式控制整個平臺的旋轉。采用桿機構，并由電機提供動力。
（2）驅動機構
驅動機構用于把驅動原件的運動傳遞到機器人的各末端操作器，一般的常用的液壓驅動，氣壓驅動和電氣驅動。
（3）控制系統
控制系統向機械手發出各種指令，讓其能夠再找要求完成各種任務的裝置。目前工業機械手的控制系統多半由電氣定位系統和程序控制系統構成。它使機械手按規定的程序運動，并同時機械手接受的指令信息被存儲起來，同時按其控制系統的按照接收的信息對各末端操作器發出指令，還可對機械手的動作進行監視，當未按照預定軌跡工作或出現錯誤時就會發出報警。
（4）位置檢測裝置
位置檢測裝置由一個線鐃電阻和一個滑動觸電組成。當被檢測量的位置發生變化時，滑動觸電也隨之移動，從而改變了接入點路電阻值的大小，從而改變電壓，來更清楚地反應位置的變化。
3.慧魚機械手的主要元器件
慧魚模型主要包含三大類構件，包括機械類元件、電器類元件和氣動元件。本次設計的慧魚機械手主要由機械類元件、電器類元件構成。
（1）機械類元件
機械類元件主要有：聯桿、齒輪、鏈條、齒輪軸、萬向節、履帶、差速器等。
（2）電器類元件主要包括：直流電機（9V雙向）、傳感器、接口電路板等
運用慧魚工業標準的基本元件，輔以傳感器、控制器和軟件的配合，運用設計構思和實驗分析，可以實現技術過程的還原，更可以實現工業生產和大型機械設備操作的模擬，使得技術創新和生產批量化的可行性成為可能。
4.控制系統
經過調試，發現了存在的一些問題，如重復精度不、往返行程過長、抓取不牢固等問題。經過改進、調試控制程序完成結構設計之后，設計ROBO Pro程序如圖1所示。
此程序中機械手從初始位置開始，電機M2工作，使機械手的腕部向下偏轉，到達指定位置后，電機M4工作，使機械手張開閉合抓取工件，接著電機M3工作，帶動機械手臂上升至頂部，隨后電機M1工作，帶動機械手整體旋轉一定角度后，電機M3工作，使機械手臂下降至指定高度，電機M2工作，使腕部偏轉至工件釋放位置，電機M4工作，釋放工件完成搬運過程，機械手返回初始位置，重復上述過程。
5.設計總結
（1）機械手是通用機械手，它的適用范圍很廣，選用圓柱坐標和三自由度體系。
（2）越復雜的運動，所需的自由度越多，本次設計包括垂直，直線以及旋轉3個自由度。
（3）導向裝置在此次的裝配過程中我們選擇采用絲桿與齒輪的配合，從而控制其按固定的方向運動。
機械手設計論文:弧面分度凸輪機械手設計與仿真的分析
[摘 要]弧面凸輪是空間凸輪機構的一種特殊結構形式，其凸輪曲面是通過與其嚙合傳動的分度盤上柱面滾子，按照給定的運動規律互相包絡而形成的空間不可展曲面。本文立足于弧面分度凸輪機械手設計與仿真的分析實際，分析當前存在的弧面分度凸輪機械手設計與仿真的分析問題，并提出針對性的策略，以期為我國弧面分度凸輪機械手設計與仿真的分析提供支持和借鑒。
[關鍵詞]弧面分度凸輪機構；逆向設計；運動仿真
前言：弧面分度凸輪機械手是一種基于弧面凸輪機械結構的間歇進行分度的裝置。能夠按照生產工藝的要求進行自動的進行傳送，裝卸，升降，提取，裝配，焊接，鉆孔，堆垛，檢測等任務。尤其是在高溫高壓粉塵噪音及帶有高輻射的環境中使用更佳。其主要特點是結構緊湊，工作效率高，壽命長，精度高，適用于汽車制造，包裝，電子，醫藥等行業，使用前景極佳。
1.弧面凸輪機械手的設計原理及方法
1.1 弧面凸輪機械手的運動形式
根據適用場所的不同，弧面凸輪機械手的運動方式也不同，一般情況下，弧面凸輪機械手要搬運物品，要求手臂要能夠進行提升和轉動的運動，所以弧面凸輪機械手的運動由這兩者復合形成，主要有從動件來實現。所有的運動類型都是由圍繞著固定軸的轉動和軸向垂直的方向運動復合而成的，在現實的工作生活中還要求弧面凸輪機械手能夠實現手臂的伸長與縮短[1]。
1.2 弧面凸輪機械手的結構
在初步設計結構類型的過程中，主要要考慮以下情況：
（1）能否的滿足原有既定的工作模式，如工作效率，運動形式等問題。當弧面凸輪機械手圍繞現代整體設計結構進行旋轉運動，系統運動結構將實現整體運動旋轉結構的運動結構逐步優化，并建立起機械運動結構，不同的機械加工運作模式，實現現代加工技術逐步實現綜合技術的工作模式的工作循環，為了保障弧面凸輪機械手的運作效率，應當從保障弧面凸輪機械手的運動靈活性增強，機械運作的整體的結構可以控制在合理有用功大于無用功的均衡分配上，多元化的弧面凸輪機械手的機械運動效率推進現代機械運轉的效率，保障機械運作的整體機械加工運作速率。
（2）能否對工作條件有的滿足，如工作環境，工作內容，制度以及性等。為了對弧面凸輪機械手的工作條件進行初步判定，操作者可以實施弧面凸輪機械手的工作環境初步檢驗，例如：機械加工技術環境，必須實現加工機械技術的外部環境滿足機械加工旋轉運行的需求，保障輸入軸和連桿設計符合弧面凸輪機械手的運動需求；從弧面凸輪機械手的加工內容來看，弧面凸輪機械手的零件加工一般都具有精密性特征，我們在進行零件加工的過程中，保障加工弧度與弧面凸輪機械手之間達到尺寸合理，零件加工結構上突出其存在的加工狀態，為現代零件加工提供了更加完善的加工設計需求。
（3）結構方面的要求，其中包括結構的復雜性，緊湊性，為了完成某些任務零件的拆卸是否方便等。弧面凸輪機械手的工作設計是由圍繞著固定軸的轉動和軸向垂直的方向運動復合而成的，弧面凸輪機械手在實際機械加工中的的應用，其工作效率不僅與弧面凸輪機械手的旋轉速率具有一定的關系，同時弧面凸輪機械手的做功速率還要求弧面凸輪機械手能夠實現手臂的伸長與縮短，弧面凸輪機械手的做功手臂的長短，實質上也受到杠桿原理的影響。當手臂加長，則弧面凸輪機械手的運行的旋轉速率加大，但整體速率性的運行過程和運行時間延長，弧面凸輪機械手進行機械加工的速率就會大大增加，新型運動結構所做功的多少則會受到影響，不同的機械運作結構帶來的機械加工速率則會隨著杠桿原理設計進行。弧面凸輪機械手零件加工的速率性發生做功要求的變化。
（4）維護方面，是否便于維護，發生故障的幾率為多少等。從弧面凸輪機械手的日常維護角度進行分析，弧面凸輪機械手的運作主要是機械輸入軸和機械連桿做重復運動，我們進行日常中，要及時對弧面凸輪機械手的連接桿與輸入軸的連接處進行潤滑，這樣可以減少弧面凸輪機械手運作時機械輸入軸與連桿之間的摩擦力，保障機械運作的速率，同時做好弧面凸輪機械手的檢驗，也可以保障機械零件加工的運行效率，及時對磨損嚴重的零件進行維護和更換（圖1）。
（5）經濟方面，能否保障經濟消耗最小化，造成的生產效率較大化，使其較大限度的為使用者帶來效益。為了進一步增加發揮弧面凸輪機械手在現代機械加工生產中的作用。我們應當在弧面凸輪機械手的應用技術上進一步開發，提升弧面凸輪機械手的零件加工效率，提升零件加工的資源應用率，從而實現現代機械零件加工可以發揮工作效率，促進現代機械加工的經濟利益，滿足機械零件的市場需求。
2.主要零件及附件的設計
2.1 連桿的設計
下面以其中一個桿為例介紹其設計，可對右圖來進行參考。水平凸輪的正常轉動從而帶動與其相接觸的滾子，而滾子和從動盤連同連桿之間有著相對的位置關系，其關系為：L子通過擺動使連桿也相對擺動，依靠連桿的末端所連接的滾子以推動滑塊從而實現在輸出軸上的水平運動。連桿主要受的力是彎矩，故將XOZ截面設計為圖2左邊的形式。因為這樣的設計可以承受較大的彎矩力。連接靠大端的所銑平面上的四個Φ7.2的孔用M6螺釘加以固定在從動盤上。而小端中有Φ24的孔，這是為了提高度，延長使用的壽命，從而便于更換在孔中設計有軸套[2]。
2.2 滾子的設計
在弧面凸輪機械手的設計中對滾子要求也較高，要求滾子不光要有較為的定位，并且還要求摩擦小、轉動靈活、便于潤滑等特點。在這里自然想到了用滾動軸承，卻又發現單個定做成本一定過高，并且不能保障其精度。通過查閱大量的資料之后發現，舉例說明：上海某軸承廠所制造的一種專用軸承與此相似。只需要對此稍作改動，就可滿足本設計的需要。詳細可見右圖所示。這個滾子在滾子的外圈采用滾輪的形式，用栓軸代替了內圈，這兩點使設計合理，結構緊湊[3]。
2.3 輸入軸的設計
這個弧面凸輪機構通過與減速機相互連接的電動機傳動進行傳動運動。在軸徑兩端為Φ40，這里為了簡化結構所以在軸承處軸承亦采用Φ40，在考慮到軸上有一定的軸向載荷的情況下，可采用的圓錐滾子軸承為GB/T297-199430208型。為了安裝方便選擇采用面對面的安裝。同時為了使凸輪能合理的靠在軸的軸肩處，所以在軸肩處設計了合理的砂輪越程槽，這里的尺寸為2×1.5。在軸上要安裝的零件有水平凸輪、提升凸輪以及聯軸器，所以軸上設置了鍵槽，這里均采用GB/T1096-1979的普通平鍵，由于b×h=12×8所以三個長度分別為80、63、50mm。在軸上的兩個凸輪可通過螺母進行固定。這里的軸用45鋼進行加工，在調質處理后的硬度應為HRC45～48。從動軸所具有的結構比較簡單，詳細可見圖3[4]。
3.擺動期運動規律的選用
3.1 弧面凸輪機械手的運動特點
為保障弧面凸輪機械手的性，能夠地進行抓取提升和平移等工件。弧面凸輪機械手應具有以下運動的特性：
（1）精度高：要擁有更好的性和進行工作時的效率，就要求弧面凸輪機械手必須擁有極高的精準度，以便完成更多的具有一定難度的工作，適應多種工作環境以及工作狀態。例如：弧面凸輪機械手進行機械加工中，實施機械加工零件的關鍵性抓取，并使零件處于平鋪狀態，零件加工設計的各個部分與零件加工各個部分之間形成了良好的零件平面吻合，從而保障機械零件加工的運動平面處于同一水平狀態，實現現代零件加工技術逐性、穩定性加工。
（2）運動的平穩性：在進行很多高精度工作的時候都要求弧面凸輪機械手具有穩定的運動，以免出現對要求的精準度高的工作造成破壞以及對生產造成不必要的損失。盡量不引起由于慣性造成的位移。
3.2 常用的運動規律
凸輪機構的運動規律目前為止已多大三十余種，足夠多種不同場合的生產需要。例如如等速度曲，簡諧曲線等運動曲線。但是在進行生產的過程中出現較高要求的情況下，就必須考慮其所具有的較高的運動學的特性，從而對其運動中的特性進行合理的改造，改善凸輪的特性常用方法之一是采用高次多項式將數條基本曲線一一連接起來。
（1）修正等速運動規律是由對等速度的曲線修正而得到的，也就是在等速曲線的兩端各自加一段經過組合而成的簡諧曲線作為過渡曲線，從而保留了等速曲線的部分優點，同時克服了這兩端運動曲線不連續的缺點。此方式大多用于所需要速度很小或必須進行等速運動的那部分的凸輪的從動件進行的運動規律，此方法多用于需要低速重載的場合，而并不適合中速和高速。
（2）修正梯形運動規律是通過對于修正等加速度曲線的進一步修正而得。是能夠針對等加速度運動規律和加速度曲線在作用力的兩端和中間不連續而且是存在有躍度趨向無限大這種缺點，在相應的不連續部分分別加入了一段簡單的簡歇曲線對其進行過度。從而使加速度和存在的躍度曲線相互連續起來，從而克服了不連續造成的缺點。這個方法可以用于中速輕載甚至中載的場合。
（3）修正正弦運動規律是相對余弦曲線的結果。就是指在余弦曲線的兩個端點各自加上一段經由正弦曲線作為過渡而形成的的曲線，從而保留了速度較小的優點，同時又克服了在兩端加速度方面不連續的這種缺點。相比較前兩種運動規律來說，修正正弦運動曲線的突出優點是速度較小，綜合來講性能很好，通用性更強。通暢用于中速情況，尤其是在負載尚不明確的情況時，這種曲線最為保險。
結論
在進行弧面凸輪機械手的研究過程中，要勇于創新保障其能夠更好地被投入生產使用中，為社會的發展更好的貢獻出力量。
機械手設計論文:城市街區自助圖書館取還書機械手結構設計
摘 要：城市街區自助圖書館系統是在物聯網基礎上興起的文化建設項目，是一種新型的圖書館發展模式。自助圖書館機械手作為圖書傳輸的執行部件，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是自助服務效率和安全傳輸的關鍵。本文介紹了自助圖書館圖書的傳輸方式，機械手機械系統工作原理以及機械手詳細結構。機械手運行穩定，很大程度上提高了圖書傳輸的安全性和自助服務的效率。
關鍵詞：自助圖書館；機械手；機械結構
引言
城市街區自助圖書館系統是物聯網技術在圖書館領域的拓展，是集數字化、人性化和智能化為一體的新型圖書館發展模式，是現有公眾圖書館服務的延伸，實現了傳統圖書館與數字圖書館的結合和質的飛躍[1]。自助圖書館系統由自助圖書館服務機、物流管理系統、中心服務系統、圖書館監控系統、資源管理系統等部分構成，其中自助圖書館服務機是自助圖書館系統的硬件基礎，也是其核心組成部分[2]。
射頻識別技術（RFID）作為自動識別技術的一大分支，是自助圖書館系統的核心技術，它通過無線射頻方式獲得圖書的相關數據，并對圖書加以識別，且無需與圖書直接接觸即可完成信息的輸入與處理，能夠實時地采集和處理信息[3]。正是由于RFID的應用使得自助圖書館系統成為一種典型的人機交互系統，實現了自助辦證、自助借書、自助還書、自助預約、自助查詢等服務功能的融合[4]。
取書機械手系統作為自助服務的執行子系統，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是服務效率和圖書安全傳輸的關鍵因素。機械手的結構及其系統控制策略對提高服務效率和傳輸安全系數起著至關重要的作用。機械手定位速度、精度以及傳輸安全性是機械手控制的三大性能指標[5]。因此，對取書機械手結構進行研究具有重要的意義和應用價值。
1 城市街區自助圖書館介紹
1.1 城市街區自助圖書館系統構架
城市街區自助圖書館由自助圖書館服務機系統、物流管理系統、中心服務系統以及圖書館監控管理系統等部分構成[6]，其核心部分為自助圖書館服務機系統。
自助圖書館服務機系統主要包括客戶服務操作終端、瀏覽書架、圖書館網絡終端、圖書信息瀏覽面板、輔助部件等，其中客戶服務操作終端是其核心部分。在自助服務機系統上，幾乎具備了圖書館全部的子服務功能[7]，其主要內容包括自助借書、自助還書、卡證服務、預約服務和查詢服務等。
1.2 城市街區自助圖書館服務機系統
自助圖書館服務機系統主要由客戶服務操作終端、瀏覽書架、圖書館網絡終端、圖書信息瀏覽面板、輔助部件等組成。客戶服務操作終端是自助圖書館服務機系統的核心部分，負責自助借還書功能的實現，其功能通過取書機械手的空間運動實現。
如圖1所示，自助圖書館左邊區域為操作控制區，讀者可在該區域內完成借書、還書、查詢等操作；右邊區域為圖書陳列區，圖書分層擺放在書架上。在借書過程中，機械手需要將圖書從指定書架上取出并運送到出書口。在還書過程中，機械手需要將圖書從還書口拾取并運送到指定書架上。
圖1 城市街區自助圖書館正面
2 取書機械手機械系統工作原理
自助圖書館服務機在傳統圖書館書架的基礎上添加E字形隔書板，使圖書兩兩隔開，方便U形結構機械手末端夾持裝置能夠快速地插入E形隔書板卡槽內抓取指定圖書。機械手末端夾持裝置是機械手的末端執行器，末端執行器在三維空間的運動使得圖書傳送功能得以實現。
圖2所示為機械手的三維空間運動，其中 XZ平面為自助圖書館上導軌平面；X軸表示書架的長度方向；Y軸表示書架寬度方向；Z軸表示書架高度方向；W軸為機械手末端執行器的夾持運動方向，該方向與X軸平行，夾持裝置在W軸向的運動提供圖書夾緊力。機械手具有4個移動關節，X軸、Y軸和Z軸方向的移動實現末端執行器的空間定位；W軸方向的運動提供圖書夾緊力，是圖書安全輸送的關鍵。
3 機械手結構
在取送書過程中，機械手需要能夾緊松開圖書，并且適應不同厚度的圖書。具體到設計上，機械手要驅動左右兩個手爪移動以夾緊或松開圖書，并能夠識別或者自適應書本的厚度。
本次設計采用恒壓力夾緊控制方式以自適應書本厚度。在手爪夾緊圖書的過程中實時監測手爪的夾緊力，當夾緊力達到預設定值，手爪即停止運動。較大夾緊力的設定以能夠牢固夾持自助圖書館中最重的圖書為依據。設計采用閉環控制，具有較快相應速度。該結構能牢固夾持圖書，不僅能有效防止由于夾緊壓力值過小造成的的書本脫落，也能防止由于夾緊壓力值過大造成的書本損壞。
3.1 機械手爪設計
機械手在定位到要抓取的圖書位置之后，在抓取圖書過程中要保障能牢固抓取指定圖書，同時不影響左右兩側的圖書，為此設計E字形隔書板與不對稱U字形機械手爪結構，如圖3圖4所示。一個機械手有左右兩個手爪，夾持部分是對稱的。隔書板與機械手爪形狀上互補，機械手爪在抓取圖書過程中，先插入隔書板中，然后兩手爪相向運動，抓緊圖書。隔書板的厚度為6mm，大于手爪的5mm，因此在機械手定位的前提下，手爪能插入相鄰兩圖書的空隙，并且不損壞左右兩邊的書。機械手爪前端窄后端寬，類似刀刃，在機械手爪插入隔書板的過程中允許的定位誤差更大，這種設計提高了機械手定位的容錯度。
圖3 隔書板結構 圖4 機械手爪結構
如圖4所示，機械手爪上面長，下面短，上面有兩個橡皮觸點，下面有一個，這是基于三點確定一個平面的原理而設計的。左右機械手爪各三個橡皮觸點，橡皮與絕大部分圖書的封面之間的摩擦系數較大，能在較小夾緊力下牢固夾緊圖書。相比之下，機械手爪上下對稱但無橡皮觸點的結構由于金屬與封面的摩擦系數較小，導致手爪平面與書籍封面不能很好貼合，運行效果很不理想。
3.2 機械手壓力檢測機構
機械手采用單個應變式壓力傳感器檢測壓力，如圖5所示。該壓力傳感器需要一端固定另一端受力的形式才能檢測壓力，為了檢測手爪的夾緊力，需要一種結構將傳感器與手爪聯系起來，使書對手爪的反作用力間接作用在傳感器上。如圖6所示，左邊手爪直接固定在滑塊上，右邊手爪與滑塊之間有個轉軸，手爪能繞軸轉動，手爪底部與傳感器檢測端相貼，書給手爪作用力的同時，手爪底部也給傳感器一個作用力。壓力傳感器固定端和懸臂端（受力端）各有一塊墊片，兩塊墊片使傳感器形成圖5所示的懸臂測力結構。通過該機構可以實現傳感器對夾緊力的測量。
圖5 壓力傳感器
圖6 壓力傳感器測力結構
3.3 機械手驅動結構
機械手在夾緊松開圖書過程中，左右兩個手爪需要同步相向運動，該運動可以通過凸輪機構實現。如圖7所示，凸輪有兩道槽，成中心對稱，兩道槽中各有一個圓柱銷，圓柱銷上端與滑塊緊固，滑塊在導軌上只能做直線運動，因此圓柱銷也只能做直線運動。為了保障凸輪轉動和圓柱銷的直線運動成線性關系，凸輪的曲線采用阿基米德螺旋線，其方程如下：
r=20+■ （1）
凸輪曲線如圖8所示，當凸輪勻速轉動時，圓柱銷會沿著圓的徑向方向做勻速直線運動，凸輪每轉動1°，圓柱銷運動0.1mm。在圖7中，凸輪順時針轉動，兩圓柱銷距離增大，機械手張開。凸輪逆時針轉動，兩圓柱銷距離減小，機械手夾緊。
（a）夾板合攏 （b）夾板張開 （c）夾板張開
圖7 凸輪傳動機構
3.4 機械手總體結構
機械手總體裝配圖如圖9所示，驅動電機為步進電機，電機經減速器后帶動凸輪轉動，從而實現機械手的張開和閉合。22為塑料導軌，以提高耐磨性。
4 結束語
本文根據自助圖書館圖書地擺放方式，分析了機器手取書流程，設計了隔書板和取書手爪結構，確定了機械取書的基本模式。根據取書的特點，設計了基于恒壓力夾緊取書原理的抓書結構，進一步詳細設計了機械手驅動結構及機械手總體結構。本文所設計的機械手結構在產品中得到了良好運用，產品運行穩定，自助服務效率得到了提高，本文的研究具有較大的實用價值和理論意義。
機械手設計論文:數控機床機械手設計
摘 要 隨著制造業的不斷發展，工業產品生產效率及質量也急需有所提高。數控機床的出現在很大程度上提高了工業生產控制水平，各種類型機械手已經遍布全球各大工業生產車間。本文從數控機床機械手的構造及分類出發，簡要的分析了機械手模塊化設計理念。
關鍵詞 數控機床；機械手；模塊化
1 數控機床機械手構造
數控機床機械手是由控制系統、驅動系統、執行機構以及位置檢測系統四大塊組成的，實際工業應用過程中，需要這四部分共同配合來完成一項任務。這里給出數控機床機械手的工作圖
1）控制系統
控制系統是機械手的大腦，它決定著機械手的具體運動方式。機械手一個動作的完成首先是由用戶向控制系統發出指令，控制系統將該指令轉化為具體的控制信號，通過程序控制電路、電極控制模塊、機械控制等幾部分來控制機械手實際運動。其次，機械控制模塊還會將機械手實際的運動情況收集起來，轉換為相應信號反饋給控制系統，以判斷機械手是否按照用戶要求運動，是否能夠的完成用戶所指定的任務。當反饋信號顯示機械手出現運動偏差時，控制系統將發出警報信號提示用戶。
2）驅動系統
驅動系統顧名思義是數控機床機械手中驅動執行機構運動的裝置，該裝置的主要組成部分為控制調節器、動力系統、輔助裝置等。我們在工業生產中所提及的機械傳動、液壓傳動等，均是使用較為廣泛的驅動系統。
3）執行機構
數控機床機械手外型上與人手臂相類似，也是有手腕、手臂、抓手三部分組成，特殊情況下還可以加裝移動行走機構，提高機械手運行范圍。抓手的主要作用就是抓取物料，常見的抓取方式為吸附式和手抓式。吸附式抓手是通過所安裝的吸盤來執行任務的，電磁式吸盤依靠電磁鐵所產生的磁力來吸附導磁性物質，手抓式吸盤就像是人的手一樣抓取物件，所以在實際應用中，主要用來抓取重量較輕，尺寸較小的零件。手腕部分的主要作用是用來調節工件的抓舉方位以及角度，它是連接抓手與手臂的關鍵部分。手臂部分是機械手的主要城中部分，它主要是控制抓手從的角度抓取物件，同時根據軟件控制系統發出的信號，按照要求將物件放至位置。
4）位置檢測系統
數控機床機械手位置信號有手臂位置、抓手狀態、行走位置等幾種，信號檢測系統的主要作用就是用來檢測這幾種信號，然后將信號反饋至主控制系統用來判斷當前各個位置信號是否正確，機械手各部件是否處于正確位置，同時主控制系統向位置檢測系統發送控制信號，給出機械手下一步操作任務。
2 數控機床機械手分類
1）按照用途分類
數控機床機械手可以應用于很多種工業生產過程中，但是生產內容不同所使用的機械手類型也不同。當前數控機床機械手有專用和通用兩種，所謂專用就是只能夠用于特定的生產過程中，主控系統程序是固定的不能隨意更改的，這種機械手通常情況下用于單一工業生產過程；所謂通用就是指機械手可以用于不同工業生產過程，其主控系統程序可以根據控制需要進行更改調整，在不同場合提供不同的運動方式。
2）按照驅動方式分類
驅動方式決定著機械手的運動方式，它也是區分機械手類型的重要因素。氣壓機械手是依靠壓縮空氣來驅動的，這種機械手以空氣為介質，制造成本較低，而且能夠廣泛適用于很多高危生產環境中。此外氣壓機械手的結構相較于其他機械手簡易很多，不需要配備專業維修人員，所以這種機械手是很多工業生產控制過程的；液壓機械手主要用于質量很大的物件抓取，它依靠密封的液壓裝置來提供強大動力，但相應的制造成本也比較高，而且對于維護要求也比較高。
3）按照控制方式分類
現階段數控機床機械手的控制方式就兩種：點位控制和軌跡控制。點位控制思想就是路徑線段化，將機械手需要運動路徑劃分為規定距離的細小線段，劃分的線段端點越多，機械手的運動精度就越高，但同時這種控制方式對系統的要求也比較高。這種機械手在當前很多工業控制過程中被廣泛使用；軌跡控制相較于點位控制而言技術要求就更高一些，它可以滿足機械手在任意空間范圍內的運動，而且運行過程更加的穩定。這種機械手的控制系統更為復雜，通常情況下需要計算機參與輔助控制。
3 機械手模塊化設計理念
模塊化設計理念是伴隨著工業制造方式的不斷轉變而興起的，它是將一個整體分割成若干個獨立的功能結構，不同部分可以同時設計，然后再組合成一個整體。這種理念簡化了設計過程，優化了系統結構，機構中每一個功能及部件都具有較高的獨立性，極大地提高了機構的適用范圍。模塊化產品設計中最根本最核心的內容就是保障功能結構以及物理結構的相似性，同時相互獨立的功能部件可以協調工作。對機構進行模塊設計時可以沿著功能體系和構造體系兩條主線進行，因為系統能夠體現出來的任何一項功能，都是建立在其他功能基礎之上的，也就是說系統功能具有上下層關系。此外，系統中還存在著并列功能形式，即一個功能對應著系統可以實現的多個功能。在進行數控機床機械手模塊化設計時，我們可以根據實際作業的要求來劃分機械手的單元模塊。機械手底座是所有功能實現的基礎，所以要將它設定為整體模塊化設計的基礎，然后再根據不同結構所承擔的不同功能來設計。經過實踐證明，模塊化設計能夠大幅度降低機械手的設計成本，縮減整體設計時間，以最快的速度滿足工業生產控制的需要。
1）模塊化機械手結構及設計流程
從數控機床機械手各個機構功能的角度出發，可以將其分為手部模塊、腕部模塊以及臂部模塊。
2）機械手模塊組成及功能分析
（1）手部模塊組成及功能分析
機械手手部模塊中最重要的組成部分就是手指，它主要用來抓取待加工工件。氣動機械手氣爪是當前應用最為廣泛的結構，這種手指能夠自動對中，雙向高精度抓取。常見的有2指氣爪、3指氣爪以及多指氣爪。在實際工業生產應用中，以抓取棒料為主，例如￠80×6Omm圓柱型工件
聯接件的作用是控制手指抓取直徑，氣爪運動的較大直徑為D2，最小直徑為D1。外夾持氣爪的夾持力方向是從工件表面指向工件圓心。
（2）腕部模塊組成及功能分析
機械手腕部模塊是由擺動氣缸和聯接件組成的，它可以保障機械手在90°范圍內自由旋轉。圖中所示聯接件1是連接高精度頭型調節機構與擺動氣缸的，聯接件2是連接擺動氣缸與氣爪的。
通常情況下，聯接件都設計有槽與軸相對應的孔，并通過鍵聯接方式將氣缸與孔連通。采用螺釘固定的方式防止鍵的軸向移動。
（3）手臂模塊組成及功能分析
圖1所示為橫臂模塊的結構圖，橫臂是由ML2B氣缸、聯接件、導軌三部分組成的。這三部分均安裝在門架橫梁上，而且可以在水平方向自由移動。機械手的橫臂與直臂也是通過連接件連接在一起的，而且通過高精度柔性調節機構來保障機械手氣爪與機床卡盤的對中精度（圖2）。
