基于PLC的气动机械手设计

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[摘 要]本文是针对PLC控制器对以气压作为动能的机械手进行设计，分析机械手制作使用的参数和设计的坐标形式，对气动机械手的结构提出设计方案。对气动机械手的启动系统进行选择与研究，利用编程对其系统进行设计与控制，对气动机械手的总体设计方案进行总结。
[关键词]工业机器人；机械手；气动；PLC编程控制器
[中图分类号]TP241[文献标识码]A
1 机械手的分类
因为不同情况下使用不同的机械手，机械手的侧重功能的不同和其制作材料的不同等使它存在的样式和类别多种多样。对机械手进行分类是我们认识机械手、对机械手进行设计的要求。
1.1 驱动方式之液压式机械手
所谓液压式机械手则提供其运转的动力为液体，驱动系统则由各种液动机构成。这种机械手的动力来源一般是由汽油等能量体提供，对此类机械手而言其作用下的抓力更强，结构设计更为紧凑，具有很强的防爆功能和保持平衡的性能，但是由于其动力来源为油性液体，对其各方面的条件也就更高，其结构组成必须严谨防止泄露，液体的精度和纯度也对机械手的性能起到一定的限制。
1.2 驱动方式之气压式机械手
利用气压作为动力驱动的气压式机械手是依靠气阀、空压机等能把气体进行压缩并把气能转化为动能为机械运转提供可能的方式。气压式机械手因为其造价低、结构简单可控而一度为人们广泛使用。然而气压式机械手虽然取材方便、无污染，但是气体的的密度等要求气压不能太高，因而与其他驱动方式驱动的机械手相比动力不足，对物体的固定和抓举的能力较小，在大型的生产工具中不适宜使用。
1.3 驱动方式之电动式机械手
电动式机械手是目前生活中常见的额机械手之一，其以电力作为驱动力，驱动电机的选择多样，可提供不同用途的机械手具体适用。电动式机械手是以电力为动力来源，今天的电源来源方便，电力大小可自由控制，对机械手适应的各个行业均可操作，所以电动式机械手的发展较为迅速和全面。
机械手因为不同用途和性能还有其他的驱动方式，如混合式驱动的机械手。而机械手的分类也可根据其功能的不同进行，如搬运式机械手，还可以根据其操作机位置的不同、机械手的自由度数量来进行分类，如关节型机械手等。对机械手的分类越多，要求越精准代表着机械手的使用范围和功能的不可替代性，也证明了我们研究该课题的必要和意义所在。
2 机械手的组成
2.1 执行机构
所谓执行即指机械手具体开展工作的部位，根据人体手臂的结构可知其有手掌即机械手直接作业的手部、手腕即机械手连接手部，带动手部完成指定动作，也是操作和结构最为复杂的腕部、手臂即机械手动力支撑点，通过杠杆的形式对手腕和手部起着控制与指导作用的臂部、而发力机构、精度测量和固定形态则机械手的腰部和基座提供。
2.2 驱动装置
机械手的驱动装置即其传动装置，一般的机械手的传动装置由驱动机械手运转，把机械手的动力来源转变为机械能的驱动器与充当连接通道，由齿轮、链等组成的传动装置组成。
2.3 控制系统
目前机械手的控制系统主要有利用计算机和伺服控制器组成的对机械手的操作和运转实现控制作用。利用计算机对机械手进行控制一般可以是一台总控制计算机发生作用，即所有机械手功能的实现由一台微型计算机进行控制；还有就是分散型的控制即机械手的各部分的运作由多台控制机进行集体控制。
2.4 职能系统
实现机械手的智能化是二十一世纪科学发展的要求，也是目前机械手发展还不够完善的方面，利用机械手目前发展迅速的子系统对机械手实现智能化的控制是我们的设计目的。
3 机械手基本形式的选择
3.1 机械手的坐标形式
由于机械手在不同情境下行使着不同的职能，所以决定了其也手臂和坐标等形式的多样化。对机械手运动角度的不同等可以把其坐标进行分类，常见的坐标有直角式、圆柱式座标及座标式、关节式坐标。我们对机械手的设计要求不仅是上下移动和抓放，还要求其水平移动和收缩伸展等功能，综合上述圆柱式座标能符合机械手的基本座标要求。
3.2 机械手的控制设计
由于机械手的设计必须要考虑到世纪应用，所以对机械手的控制综合了数据分析和实际应用的需要，我们对其选择了基于程序可编的控制器（PLC），利用点位的控制方式对其进行控制。这样设计的机械手在设定和更改程序、功能和用途时只需要对程序进行变动即可，而不用把机械手回炉重造，浪费社会资源。
3.3 机械手主要参数设计
由上述可知机械手利用气动作为其驱动源而不能抓取重力过大的物体，所以我们对机械手的设计抓力应该具有一个明确的最大数值的规定，如此一来限定了其用途和范围，但是实现其使用范围内最优才是我们的目标。综合数据分析、对比与实际试验得出本机械手的预期的最大抓重的质量为5公斤
机械手主要参数的设计主要是对其运动速度的参数设计。由于本机械手是以气压转化的动能和机械能，其物质因素活性较大，运动速度高，所以机械手移动的最大速度为1.0m/s，而最大的回转速度可达到90/s，所以其平均移动的速度是0.8m/s、平均回转的速度为60/s。
机械手运动时的伸缩和范围参数也在我们的设计范围。为了解决机械手因为伸缩缓慢、僵硬与其因为半径过大、幅度过长而引起的偏重力矩增大导致其刚性降低等问题。根据实验对比我们得出采用自动传送装置相比其他装置性能发挥会更好。所以有：机械手手臂的伸缩幅度为600mm，其最大工作半径在1400mm左右，升降行程为120mm，定位精度为1mm。
4 主要参数设计的参考列表
4.1 技术参数
对机械手的抓重质量为10kg的物体设计，机械手运转的自由度为4，同时我们选择圆柱式的坐标形式；则其工作半径可为1400mm，手臂能伸到最高值为1250mm，升降速度
[参考文献]
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