时间：2023-05-29 17:41:04
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇机械手臂，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
前言
作为一种智能化程度较高的生产制作工具，智能机械手臂在近期得到了广泛的应用和长足的发展。研究智能机械手臂的造型设计，能够更好地完善机械手臂的外观，从而更好地与其功能相融合。本文从介绍其造型设计的特点着手研究。
1.智能机械手臂造型设计特点
1.1功能原理对造型的影响
智能机械手臂的功能依附于机构工作原理而实现。目前市场上常见的机械手臂有多轴和三轴等，尤其以六轴机械手臂应用较为广泛。在造型设计时需先确定机械手臂大致形态与结构比例，再考虑各个关节的连接方式、造型元素、细节形态及图形化设计等。机械手臂造型可采用全包裹式或半包裹式，双臂式或单臂式，都以功能需求为造型基础。产品形态是表达产品设计思想与实现产品功能的语言和媒介。在造型创新的过程中，考虑机械手臂的关节结构及传动规律，在此基础上进行造型设计才具有实际意义。
1.2造型特点对比分析
（1）同一品牌的产品设计具有家族化色彩偏好及造型曲线偏好，在保证功能与审美的基础上融入产品族造型基因。产品族设计是企业竞争的有效手段，使产品能获得统一的家族特征。
（2）轻载机械手臂与重载机械手臂的造型元素选择具有差异性，轻载机械手臂重视灵活精确，因此多采用线元素来塑造，强调形态的轻松、灵动，采用双臂设计将关节电机内置;重载机械手臂重视力量感与安全可靠性，造型多采用体元素与较宽大的面元素来凸显产品厚重感。同时采用较大的基座设计，一方面符合载重需要，另一方面使视觉重心下移，下降的视觉感官是稳定、可靠的，凸显了造型的力量感，增加人对机械手臂载重可靠性的心理感受。
2.智能机械手臂设计中的主要构成
2.1执行机构
（1）手部：手部安装在手臂的前端。手臂的内孔中装有传动轴，可把运用传给手腕，以转动、伸曲手腕、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和大小的夹头以适应操作的需要。
（2）手臂：手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都要精确地定位。
（3）躯干：躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。
2.2驱动机构
（1）液压驱动式：液压驱动式机械手通常由液动机、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力，其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。
（2）气压驱动式：其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。
（3）电气驱动式：电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。
2.3控制系统
控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中，如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内;位置信息存储于时间继电器、定速回转鼓等;集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内，如磁带、磁鼓等。这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。
3.造型设计规律分析
3.1形态仿生曲线运用
机械手臂形态设计要体现力量与美感的双重诉求，需从点、线、面、体等形态元素中体现。德国KUKA公司推出的重载机械手臂承载力可达1300kg，外形采用了仿生学设计，曲线较为平滑、舒展流畅、整体感强，充满了向上的张力。瑞士ABB公司的重载机械手臂，最大承载力500kg，相比之下，该形态曲线转折较多，大量折线的运用使机体轮廓线较为琐碎，削弱了机体线条的流畅性。
3.2色彩运用
色彩依附于产品形态而存在，人对造型设计的第一印象来自其色彩。机械手臂一般采用具有一定辨识度的色彩作为产品主色调，增强品牌的识别度。意大利COMAU公司生产的机械手臂，选用红色作为主色调，体现了意大利文化中的奔放、热情;德国KUKA公司生产的轻载机械手臂，选用浅色为主色调，表达质轻、高效、灵动的特征，同时可缓和视觉紧张感，局部采用高纯度亮色作为点缀，强化视觉中心，增强产品的色彩节奏感。产品色彩的选择需考虑与环境色的搭配，可使场景功能区分明确，色彩对比分明，营造严谨的工作环境。
3.3材料与质感的运用
机械手臂的外壳材料需保证一定的强度要求，并体现材质感。德国KUKA公司生产的工业机械手臂，采用新型碳纤维加强材料，机身质量较轻但强度却很高，同时能保持具有一定光泽度的质感。日本YASKAWA公司仿生家用双臂机器手，机身采用哑光浅色塑料，手臂采用高光泽度亮色塑料，给人轻巧、亲和的感觉。
4.结束语
通过对智能机械手臂造型设计的相关研究，我们可以发现，作为一种实际应用效果良好的人工替代工具，智能机械手臂的造型可以进行更深度的优化。有关人员应该根据智能机械手臂的实际应用环境，研究制定最优化的造型设计方案。
参考文献：
[1]蒋新松.未来机器人技术的发展方向[J].机器人技术与应用，2012（02）：2-5.
[2]蔡自兴.21世纪机器人技术的发展趋势[J].南京化工大学学报，2010（24）：73-77.
[3]刘燕，刘洋.基于变柔性关节的机械臂运动误差研究[J].机械设计，2010（12）：62-65.
关键词 智能机械手臂；汽车用开关疲劳试验；伺服控制系统；柔性装夹
中图分类号U46 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）46-0182-02
1 概述
2001年中国加入了WTO，中国的汽车工业发展显著加速，汽车产量在2003和2004年相继突破了300万、400万辆，并于2005年产量达到了507.4万辆，其中轿车234.1万辆。目前汽车工业已经成为中国的支柱产业，2009年我国汽车工业取得了全球瞩目的成绩，首次超过美国，成为全球产销量第一的国家。2010年中国共生产了1826.47万辆汽车，中国成为世界第一大汽车生产国。汽车工业的飞速发展为汽车零部件的发展带来了空前的机遇，而浙江作为重要的汽车零部件输出大省其产业也取得了显著的成绩。
作为汽车重要零部件的汽车开关包括：仪表灯开关、点火开关、翘板开关、组合开关、电源开关、车灯开关、转向锁开关等。目前已经有一些开关测试设备，但是它们只针对其中一种或有限的几种开关进行检测。因此对于汽车各种开关耐久性试验方法的研究具有非常重要的意义。
为了克服现有技术中存在的上述问题，本研究项目在于提供一种检测汽车各种开关耐久性的机器人装置，是由人机界面进行工业机器人初始化以及程序的编写和输出，下载到机器人控制器，通过机器人控制组合开关动作，工业机器人的操作代替人工劳作，经过电参数仪表采集组合开关各点的电阻参数，通过RS-485通信实时的在检测柜上显示，从而实现汽车组合开关耐久性试验的自动化操作和控制。
2项目研究方案
2.1确立方案研究的依据
本科研项目的研究内容就是研制试验装置控制软件、特制的SCARA机器人、各种手爪结构、操作台以及检测柜等汽车开关相关的性能实验设备。
依据汽车开关类行业标准QC/T 20-1992《汽车用气压式制动灯开关技术条件》、QC/T 198-1995《汽车用开关通用技术条件》、QC/T 218-1996《汽车用转向管柱上组合开关技术条件》、QC/T 427-1999《汽车用电源总开关技术条件》、QC/T 504-1999《汽车用点火开关技术条件》、QC/T 505-1992《汽车用车灯开关技术条件》、QC/T 506-1999《汽车用仪表灯开关技术条件》、QC/T 628-1999《汽车用带点火开关的转向锁》、QC/T 632-2000《汽车用翘板式开关技术条件》、JIS D 0208-1993《汽车开关试验方法一般通则》、JIS D 5808-1994《汽车机械式停止灯开关》、JIS D 5810-1994《汽车倒车灯开关》、JIS D 5811-1994《汽车危险报警灯开关的性能检查》、JIS D 5813-1994《汽车车门开关》。
2.2研究内容的确定
1）该智能机械手臂拥有三组独立的司服电机控制系统，能够完成往复动作测试、上下点动测试、开关旋转动作测试等；
2）全自动无人值守，故障报警，自动记录测试数据并进行分析等功能；
3）以被试验产品为本的柔性装夹，可通过更换夹具获得良好的通用性，以适用于绝大多数汽车开关疲劳性试验的需要。（做到一台检测设备满足十种以上开关检测的需要）；
4）该系统可以保存20组标准动作模式，动作自由编辑可达120组，完全满足不同客户的需求；
5）良好扩展性：智能手臂预留信号输出点，可以选配各种夹具。
3 确立研究方案
对于单个开关的耐久性检测可以在末端执行器上安装相应的手爪结构，在机界面上设置单一的动作类型，如上下、旋转、摆动等，就能达到标准规定的实验要求，该实验很容易实现。
但是对于由转向灯、仪表转向指示灯、危险报警灯开关、灯光、水器开关总成的组合开关耐久性能检测要求更高，因为它不但需要实现各个动作类型的组合，还要有一定的合理性、可靠性、准确性。
本项目的关键技术是试验装置必须完全符合标准规定的要求。设备应能根据每个开关的具体情况，设定相应的动作类型和参数进行检测，对于检测结果系统可以自动分析判断并保存，显示总的检测次数、已经执行的检测次数，当实验次数达到目标要求的实验次数时，设备自动停止，对应的指示灯亮，保护设备并提醒操作人员。
根据实际需求和标准要求，绘制出实验装置整体布局图，绘制出各种手爪执行器结构图。见附图所示：
1）图1为实验装置的整体布局图。图中：1.控制柜，2.PC机主机，3.鼠标和键盘，4.PC机显示器， 5.末端执行器， 6.压力传感器，7.接近传感器，8.自转电机（HC-KFE43），9.丝杠电机，10.小臂电机，11.大臂电机，12.螺栓，13.电阻测量仪，14.检测柜，15.总控系统，16.LED显示板，17.工作信号灯，18.报警信号灯，19.停止信号灯，20.开始按钮，21.暂停按钮，22.恢复按钮，23.急停按钮，24.机器人， 25.操作台，26.大臂伺服放大器（MR-E-40A），27.小臂伺服放大器，28.丝杠伺服放大器，29.自转伺服放大器，30.PLC控制器（FX1s-30MT）2个，31.通信模块（FX485-BD）2个。
2）图2为工业机器人操作界面。图中，主要包括状态显示、手动示教、参数查询、动作编程、程序写入等。手动示教实现工业机器人位置的初始化和位置的锁定。动作编程的内容有：动作类型选择（电机及其旋转方向）、动作行程、动作速度、动作延时时间、动作逻辑、有无循环及循环次数等，点击“程序写入”按钮即可将用户总任务下传至控制系统。下位机还可以将机器人的各种状态通过人机界面提示给用户，如上电后控制系统对工业机器人各个关节的状态及系统的状态等。下位机通过人机界面接受用户对工业机器人各个运动关节的位置矫正，以及用户对运动过程中各个模块的参数查询。另外在设备出现故障时系统会自动报警，保护设备安全。
3）图3三为末端执行器对应的上下运动的手爪结构。（用于开关类型）
4）图四为末端执行器对应的摆动运动的手爪结构。
5）图五为末端执行器对应的旋转运动的手爪结构。
3、4、5三种末端执行器的手抓结构，使得该设备适用于绝大多数汽车开关耐久性试验的需要，只需要简单更换手抓结构，设备具有很好的通用性和可移植性。
4 项目的验证
最后经过有关部门验证该项目达到如下性能要求：
1）研制的样机使用功能满足“按、拉、推、拨、拿、旋转”等功能的各类汽车开关耐久性能试验的要求, 符合QC/T198《汽车用开关通用技术条件》等20多项标准规定的性能试验原理、方法及技术要求；
2）研制的样机经计量测试检定所测试，其技术指标达到设计的要求；
3）使用该设备用于汽车开关产品检测，并通过了QC/T198《汽车用开关通用技术条件》等9项标准的省级计量认证和国家实验室认可；
4）研制的样机结构紧凑、装夹柔性，采用的伺服系统可靠，具有便捷的可编控制程序、操作界面可显示各种试验参数、故障报警停机保护等功能。 属国内领先水平。
参考文献
目前，由于机械手技术有了快速的发展，同时PLC控制技术以及点控制技术也在生产实践中得到应用，所以，适合在工业自动化生产中使用的通过机械手也有了不小的进展。因为气动机械手具有诸多优势，比如结构简单、定位精确、控制便捷等，因此被自动化生产线大量采用。本文将结合自动化生产线的实际情况，进行基于PLC与步进电机的气动手搬运机械手控制的探讨。
一、起动机械手的机构及原理
1、气动机械手的结构
该气动机械手的结构如图1所示，其中1为推料气缸，2为工作库，3为单杆气缸，4为双导杆气缸，5为气动手抓，6为转轴，7为步进电机，8为传送带。在以上组成元件中，燃料气缸主要负责在工件库中推送工件；气动手抓则是用来抓紧工件或放松工件；双导杆气缸是用来控制机械手臂进行缩回或者伸出动作；单杆气缸可以提升或者降低气动手抓；不仅电机控制着机械手臂的旋转，并且依据脉冲数量来保障定位准确。
2、气动机械手的工作原理
本文探讨的气动系统包括了推料气缸、升降气缸、伸缩气缸和气动手抓等组成部分。其中，单电控制二位五通阀负责控制推料气缸、升降气缸以及伸缩气缸。而气动手抓则是被双电控制二位五通阀来进行控制。至于气缸动作过程中的稳定性，一般通过单向节流阀来控制其速度，速度得到控制以后，气缸在运动过程中的稳定性即可大大提高。该气动机械手在工作中遵循以下流程：工件存料后气动机械手向前伸出―前臂降低―工件被气动手指夹住―前臂抬升并缩回―手臂向右旋转―手臂前屈―手爪把工件放进料口―手臂缩回―机械手复位，直到下一个工件就位，这一过程循环进行达到工作的目的。在本系统中，为了保障机械手的定位准确，把电感传感器装置在机械手底座处，当作其基准传感器。并且在机械手向左、向右旋转到最大位置处加装限制装置。
二、气动机械手控制标准
对于气动机械手控制标准，主要体现在搬运工件的工作中，不仅要准确控制其操作，还要同步呈现系统的状态。在遇到紧急事件时，可以进行相应的处理。具体要求分三个方面：（1）机械手在工件到位后向前伸出手臂，当传感器检测后，手爪气缸延迟0.5秒后下降，在限位传感器感应后，同样延迟0.5秒再抓取工件，手抓接受到加紧信号之后，延迟0.5秒上升气缸，到位后手臂气缸回缩，缩回限位到位之后右旋转，到达一定角度之后手臂向前伸出，伸出限位后手爪气缸降低，下降限位后，手动手爪延迟0.5秒松开工件，手爪提高限位后，手臂气缸向后缩，缩回限位后手臂进行左旋转，直到下一个工件就位，再重复以上要求。（2）启动、停止、复位、警告。在该系统通电，“复位”被点动后系统复位，并且清除干净存料台。点击“启动”按钮之后，表示缺料情况的黄灯会闪烁，设备在放进工件后再运转。当点动“停止“按钮后，全部元件都会暂停工作，警告灯也会点亮，同时缺料黄灯也会继续闪烁。（3）系统意外断电的处理。设备会在系统意外断电后暂停工作。直到电源供应恢复之后，点击“复位”按钮，并且再次点动“启动”按钮，这个时候机械手会执行控制要求（1）中的有关内容。
三、气动机械手控制系统的设计
1、气动机械手控制系统的硬件设计
本系统在动作流程上主要根据气动机械手控制系统的工作原理，并且结合电磁铁的状态和步进电机的方向信号DIR和脉冲信号的状态来安排气动机械手的动作顺序。在PLC I/O口分配方面，主要依据该系统输出与输入的数量特征。决定将控制器选择为西门子S7-200系列PLC。该气动搬运机械手控制系统的I/O口分配情况如表1所示。
2、气动机械手控制系统的软件设计
在本文中的机械手软件设计过程中，步进电机的控制是比较复杂的难点。对于步进电机控制系统而言，其驱动器的方向信号DIR和脉冲信号PLU是由Q0.1和Q0.0分别提供的。利用程序对步进电机的旋转方向和脉冲数目进行相应设置后，基本上可以保障机械手向左、向右旋转的准确度。结合步进电机的动作特征，应用S7-200PLC的脉冲指令PLS来保证步进电机的定位。其中，高速脉冲指令包括宽度可变脉冲PWM和高速脉冲PTO这两种类型。由于PTO方式能够有效控制脉冲数量和周期，所以被该系统采纳。步进电机一旦在启动瞬间发生高频脉冲增加的情况，会导致电机出现失步等故障。为此，步进电机在进行启动、运行、停止、高速运行、减速等阶段时，可以在PTO指令过程中运用多管线控制手段。
结论
本文进行基于PLC与步进电机的气动手搬运机械手控制系统的设计，通过相关实验，证明了该机械手控制方便、定位精确，可以长期稳定的运行。在实际生产过程中可以结合需要来调整机械手动作流程，提高其适应性。
参考文献
1引言
机械手作为工业机器人一种末端执行器，是机器人直接用于抓取．握紧、吸附专用工具进行操作的部件，是最重要的执行机构，安装于机器人手臂的前端。机械手是模仿着人手的部分动作。按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取，搬运或操作的自动机械装置。
2硬件设计
主要包括：根据管道机械手所特有的工作环境，选取适当的机械手类型。设计出机械手的各执行机构，包括手部、手腕、手臂、立柱和机座等部件。机械手的控制系统设计．本机械手拟采用手动、自动相结合的控制方式。分析管道机械手特有的工作环境，要求管道机械手应满足耐腐蚀，重量轻、体积小，消耗能量少、在恶略环境下能安全王作和笏于操作。选择常用的机械手类型，分析对比。管道疏通机械手在整个装置上的布置，原计划采用多数水下机器人把机械手前置的布局方式，但是考虑到这样的布局会对偶然的撞击缺乏保护，并往往会遮住视野，同时给安放存污槽和布置照明带来困难，所以最终决定将机械手安放在整个装置的中间偏后位置。为了便于操作人员及时了解设备状态，应对突发事件，为机械手安装摄像头和照明装置，照明装置和摄像头随机械手一起转动。手指是夹钳式取料手直接于待夹取物件接触的部件。指端的形状有V性指、平面指、尖指或薄、长指及特性指。V形指一般用于夹持圆柱形工件，特点是夹持平稳可靠，夹持误差小。平面指一般用于夹持方形零件(具有两个平行平面)、板型或细小棒料-尖指和薄、长指，一般用于夹持小型或柔性工件，其中薄纸一般用于坚持位于狭窄工作场地的细小工件，以避免和周围障碍物相碰，长指一般用于夹持炙热的工件，以避免辐射对手部传动机构的影响。对于形状不规则的工件，必须设计与工件形状相适应的专用特型手指，才能稳定可靠地夹持工件。
手指的材料对机器人的使用效果也有很大影响。夹钳式手指一般选用碳素钢或合金结构钢。为使手指经久耐用，指面可以镶嵌硬质合金，高温作业的手指，可选用耐热钢。在腐蚀性气体环境下工作的手指，可以镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀的玻璃或聚四氟乙烯。由于本机械手抓取物体一般是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动就可满足工作的要求。按照设计的要求，本机械手的手臂有三个自由度。即手臂的伸缩、左右回输入转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。机座采用合金制造，有足够大的安装基面，保证机械手工作时的稳定性。机座承受机械手的全部重量和工作载荷，保证有足够的刚度和承载能力。机座的设计按照以下原则进行。首先有足够的大的安装基面，以保证机器人工作是的稳定性。其次机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力。再次机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大，因此机座和手臂的连接要有可靠的定位基准面。本设计采用的是履带式移动机构，因为：
1．支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小通过性能较好，
2．越野机动性好，爬坡、越沟等性能优越于轮式移动机构。
3．履带支撑面上有腹齿，不易打滑，牵引附着性能好。有利于发挥较大的牵引力。
3控制系统设计
前面提到，该系统采用手动结合自动的控制方式实现机械手的运行。整个机械手下放到管道以后．将安装在机械手上的摄像头拍摄的视频信号通过数据线传输到地面显示屏，用操纵杆实现对机械手的手动远程控制。用PLC实现对机械手的自动化控制。通过I／O分析后，确定了本装置的I／O分配表如下：
本文所设计的管道疏通机械手能满足我们对现有城市中管道的疏通需求，能大大降低原有疏通管道时需要的巨额成本．也能减小疏通作业时破坏原有设施给交通带来的不利影响。分析管道机械手特有的工作环境，要求管道机械手应满足耐腐蚀、重量轻、体积小、消耗能量少，在恶略环境下能安全工作和易于操作。选择常用的机械手类型，分析对比。管道作业机械手是一种可以沿着管道内行走的机构。可以携带一种或者多种传感器及操作装置。
关键词：机械手；PLC；自动控制
中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 07-0000-01
PLC Automatic Control of Unloading Manipulator
Liu Xuesheng
(Weifang Branch of Shandong Special Equipment Inspection Institute,Weifang261061,China)
Abstract:Industrial robots have been developed in foreign countries more and more applications,but also present in relatively small domestic applications,the paper discharge PLC automatic control of the robot has been studied in the hope that the relevant departments Reference.
Keywords:Manipulator;PLC;Automatic control
一、前言
PLC是一种工业控制用的计算机，在设计理念上，是计算机技术和继电-接触器控制电路相结合的产物，它将继电器系统的优点与计算机控制系统的编程灵活、功能齐全、应用面广、计算功能强大等优点结合起来，避免了电气控制固定接线的缺点，有逐步取代继电接触器逻辑控制的趋势，在电气控制领域已得到广泛应用。PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却和微机有很大的不同。微机一般采用等待命令的工作方式。在PLC中，用户程序按先后顺序存放。CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回到第一条，如此不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。
二、卸料机械手的PLC控制系统设计
（一）卸料机械手的控制要求。机械手的所有定位可根据第四章所求的运动结果来安装限位开关，由限位开关来控制，把机械手抓取在第一段生产线上的电机座的位姿和第二段线上电机座的位姿代入相应公式可求出对应的关节变量，通过这些关节变量来确定机械手的限位开关的位置。机械手的全部动作由油缸和液压马达驱动，而油缸和液压马达的控制又由相应的电磁换向阀控制。如前伸电磁阀通电时，机械手才前伸，当前伸电磁阀断电时，机械手的前伸动作才停止；机械手的缩回电磁阀通电时，手臂才执行缩回动作，当机械手的缩回电磁阀断电时，机械手的缩回动作才停止。
当机械手位于原点时，按下启动按钮，如果光电开关检测到有工件，则前伸电磁阀通电，机械手开始执行前伸动作，当前进到一定距离后前限位开关动作，前进停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧工件后上升电磁阀通电，机械手上升，上升到顶时碰到上限位开关上升电磁阀断电，上升停止；同时接通臂部右转电磁阀，机械手臂开始右转，碰到手臂右转限位开关时右转即停止；同时接通手腕顺时针回转电磁阀，手腕开始顺时针回转，当碰到限位开关后，手腕回转动作停止；同时接通下降电磁阀，手臂开始下降，当碰到下限位开关时，下降动作停止；同时接通松开电磁阀，机械手松开工件；松开工件后接通缩回电磁阀，手臂缩回，当碰到后限位开关后缩回动作停止；同时接通臂部左转电磁阀，机械手臂围绕轴线左转，碰到左转限位开关后左转停止；接通手腕逆时针回转电磁阀，手腕产生回转动作，回转180度后逆时针回转电磁阀断电，机械手回到初始位置。机械手经过十步动作完成一个工作周期。
机械手的操作方式分为手动操作和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。
为了满足整个系统的调试与维修和应付某些紧急情况，本机械手采用手动和自动操作相结合的操作方式。
手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一种运动进行单独控制。如：当选择前伸/缩回运动时，按下启动按钮时机械手就前伸，按下停止按钮，机械手就下降；当选择上升/下降运动时，按下启动按钮，机械手上升，按下停止按钮，机械手下降；当选择右转/左转运动时，按下启动按钮，机械手右转，按下停止按钮，机械手左转；当选择手腕顺/逆时针运动时，按下启动按钮时，手腕顺转，按下停止按钮时手腕左转。
单步操作：就是每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
单周期操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后自动停止。在工作中如果按下停止按钮则机械手动作停止，重新启动时需要用手动操作方式将机械手移回原点，然后按下启动按钮，机械手又重新开始单周期操作。
循环操作：机械手从原点开始，按下启动按钮机械手将自动的、连续不断的循环工作。在运行中如果按下停止按钮，则机械手动作停止，重新启动时需要用手动操作方式将机械手移回原点，然后按下启动按钮，机械手又重新开始连续操作。工作中如果按下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。
（二）输入/输出设备及I/O点数。1．输入设备：用来产生输入控制信号。操作方式转换开关：该开关有手动、单步、单周期、循环等四个位置可供选择。手动时的运动选择开关：该开关有前伸/缩回、夹紧/放松、右转/左转、上升/下降、腕顺转/逆转等五个位置可供选择。启动、停止和复位按钮。位置检测元件：主要是前限、后限；上限、下限；左转限位、右转限位；腕顺转限位、逆转限位都是用限位开关来来检测的。工件到位检测：使用光电开关检测工件是否运送到位。2．输出设备：由PLC的输出信号驱动的执行元件。该系统中包括前伸电磁阀、缩回电磁阀、夹紧电磁阀、放松电磁阀、上升电磁阀、下降电磁阀、臂部右转电磁阀、臂部左转电磁阀、腕部顺转电磁阀、腕部逆转电磁阀。原点指示灯用以使机械手处于原点时进行指示。
三、PLC程序设计
当操作方式选择开关置于“手动”时，执行手动操作。当操作选择开关置于“单步”、“单周期”、“循环”时，其对应的输入点接通，执行自动操作。执行自动操作时，当操作开关位于“连续”时，启动后，辅助继电器M200接通，程序自动循环；当操作开关位于单步时，M200同样接通，程序也可以循环，但必须是每按一次启动按钮执行一步；如果操作开关位于“单周期”或运行过程中按下复位按钮，则M200复位，程序执行完一个周期后自动停止。由于手动程序采用跳转指令，所以这两个程序段可以采用同一套输出继电器。
参考文献：
关键词：压铸机；送料；机械手；开发
在进行压铸机的送料过程中，其能够采用多种不同的形式使得机械运行效率得到较为显著的提升。但在目前市场中出现的压铸机已经难以满足其整体的运营以及运行。因此，在结合其市场的整体运行情况下，需要采用多种不同的方法对传统的机械手进行相应的改进。最终使得机械手的开发运行效率得到全面性的提高。
一、压铸机送料机械手的开发面临的挑战
1.1机械手的运行不够平稳
在进行机械手的整体构建过程中，其首先需要将两杆的机构进行平衡。在进行开发的过程中，其依f会面临机械手不够稳定等多方面的问题。因此，想要使得机械手的整体运行效率更高，其需要采用多种不同的形式实现其机械的稳定性。其基础结构不稳定主要表现在以下几个方面：
①其机械手在进行整体的安装过程中通常会采用整体性的安装。【1】这就使得其在高度差上难以调节，并且难以处理设备的交互性，从而使得其整体的体系差别增大，难以起到固定的作用。
②在进行机械手的整体调控中，其需要采用多种不同的控制方式让按钮开关得到改变。这样才能不断增强其整体运行的灵活性。同时，对于设备的停用以及各种故障的发生，其需要进行及早的预防，从而做到防患于未然。但是相对而言，很多传统的机械手在进行使用的过程中还不堪重负。在整体的使用过程中，还存在诸多的缺陷。因此，很多机械手难于精确设计并保证受力。
③机械手的密封性能还不够好，对于其气密结构，很多机械手在进行使用的过程中并未对其进行较好地密封。最终使得压铸机送料的效率大幅度的降低。而且从整体上而言，其料勺在进行综合性的使用中，其气密性还不够良好。从整体上而言其在进行料勺处理时，而且容易渗入金属液料。从而使得设备的运行周期持续下降。最终导致生产效率低下，并且使得设备的寿命变得短暂。【2】
1.2机械手结构不够精密
在进行机械手的整体应用中，其需要对五杆机构进行传感定位。并对初始依靠调的参数进行相应的调试。但在实际的应用中，其难以保证其整体的定位。在硬件的设备设计中，其常常容易出现硬件设备磨损以及滑动。而且还容易造成一定的定位失效。在进行手臂位置的控制中，其设备难以达到良好的精密，同时在硬件设备上，其相对而言，占用的空间也较大。所以，在动态机构的运行中，其很难将数字结构进行自动化的实现。而且，其整体的智能化结构也难以得到相应的优化。其五杆压铸机送料机械手如下所示：
二、压铸机送料机械手的开发分析
2.1机械手的方案设计
在进行逐渐工艺的整体生产中，其需要将送料机械手进行整体性的设计。其整体的设计方案如下所示：
①.根据负载特征，进行动力源选择。同时，对于负载的变化情况，其需要对动力的变化参数进行数据的分析。在进行整体的机械台设计中，其需要对电机的整体摆放位置进行装拆的分析，同时还要对工作面的振动情况进行相应的分析。这样，其机械手臂的设计，从而使得其整体的运行更加平稳。【3】
②在进行机械手臂的整体设计中，其需要对机械手臂的结构体系进行相应的优化。其首先需要对杆件的参数变化情况进行较为明确的分析。同时，为了能够使得负载变化更加平稳。其需要对轨迹的变化曲线进行数据性的控制。同时，在进行铰链端的设计中，其需要将滚动轴的变化情况进行力的平衡分析。在进行连接端的整体设计中，其需要考虑到整体的动力运转。并对受力的负载变化情况进行手臂的平稳转动。在进行连接设计的过程中，其还需要对机械加工的难易程度进行考虑。选择焊接和螺栓连接，方便装拆和购买。
在进行装置的外观设计上，其需要对环境的恶劣性进行相应的密封，同时还要保证其料勺的液料充足。同时还要对设备进行型号的更换，并且有利于实现其经济价值。【4】
2.2压铸机送料机械手在线自动化检测系统的开发
在进行机械手的自动检测中，其需要以PLC为自动化检测系统，在进行机构的整体设计中，其需要对铸件的生产顺序进行相应的分析，同时在进行PLC程序的编排过程中，其需要进行多方面的软件控制。同时，在进行编程软件的控制时，需要对其机构的运动情况进行信号数字的编排。并采用接触式的传感器进行位置传感的双重保护，最终防止其传感器在运行的过程中发生一定的故障。
2.3送料机械手的开发利用
在进行送料机械手的整体应用与开发中，其首先需要对其开发路径进行一定的要求。同时，在熔炉口，需要对其水平方向进行进料的移动，同时还要对其锁模导柱进行路径的数据控制。其整体的估计参数变化如下所示：
①.熔炉腔深度半米左右，考虑到不应取最底部液料，故在取料口提起高度至少半米。同时，在进行取料的过程中，需要对机械手的变化情况进行较为明确的数据分析。这样其跨距就会发生一定性的变化，其整体的跨距大约在2米左右。【5】
②根据300t压铸机上方锁模导柱与送料口的距离，考虑多型号压铸机适用性，机械手应斜插入送料口上方，竖直距离应保持在0.1米。
三、结语：
压铸机送料机械手的开发分析十分关键，其能够使得机械手的应用体系得到相应的优化。在进行设计的过程中，其首先需要对压铸机的送料机械手进行相应的分析，尤其是对于机械手的应用中各种问题进行较为明确的参数确定。然后对其整体的体系优化，并加强送料机械手的整体开发利用。最终使得压铸机的送料效率得到相应的提高。
参考文献：
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关键词 数控机床；机械手；模块化
中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）107-0104-02
1 数控机床机械手构造
数控机床机械手是由控制系统、驱动系统、执行机构以及位置检测系统四大块组成的，实际工业应用过程中，需要这四部分共同配合来完成一项任务。这里给出数控机床机械手的工作图
1）控制系统
控制系统是机械手的大脑，它决定着机械手的具体运动方式。机械手一个动作的完成首先是由用户向控制系统发出指令，控制系统将该指令转化为具体的控制信号，通过程序控制电路、电极控制模块、机械控制等几部分来控制机械手实际运动。其次，机械控制模块还会将机械手实际的运动情况收集起来，转换为相应信号反馈给控制系统，以判断机械手是否按照用户要求运动，是否能够准确的完成用户所指定的任务。当反馈信号显示机械手出现运动偏差时，控制系统将发出警报信号提示用户。
2）驱动系统
驱动系统顾名思义是数控机床机械手中驱动执行机构运动的装置，该装置的主要组成部分为控制调节器、动力系统、辅助装置等。我们在工业生产中所提及的机械传动、液压传动等，均是使用较为广泛的驱动系统。
3）执行机构
数控机床机械手外型上与人手臂相类似，也是有手腕、手臂、抓手三部分组成，特殊情况下还可以加装移动行走机构，提高机械手运行范围。抓手的主要作用就是抓取物料，常见的抓取方式为吸附式和手抓式。吸附式抓手是通过所安装的吸盘来执行任务的，电磁式吸盘依靠电磁铁所产生的磁力来吸附导磁性物质，手抓式吸盘就像是人的手一样抓取物件，所以在实际应用中，主要用来抓取重量较轻，尺寸较小的零件。手腕部分的主要作用是用来调节工件的抓举方位以及角度，它是连接抓手与手臂的关键部分。手臂部分是机械手的主要城中部分，它主要是控制抓手从最佳的角度抓取物件，同时根据软件控制系统发出的信号，按照要求将物件放至准确位置。
4）位置检测系统
数控机床机械手位置信号有手臂位置、抓手状态、行走位置等几种，信号检测系统的主要作用就是用来检测这几种信号，然后将信号反馈至主控制系统用来判断当前各个位置信号是否正确，机械手各部件是否处于正确位置，同时主控制系统向位置检测系统发送控制信号，给出机械手下一步操作任务。
2 数控机床机械手分类
1）按照用途分类
数控机床机械手可以应用于很多种工业生产过程中，但是生产内容不同所使用的机械手类型也不同。当前数控机床机械手有专用和通用两种，所谓专用就是只能够用于特定的生产过程中，主控系统程序是固定的不能随意更改的，这种机械手通常情况下用于单一工业生产过程；所谓通用就是指机械手可以用于不同工业生产过程，其主控系统程序可以根据控制需要进行更改调整，在不同场合提供不同的运动方式。
2）按照驱动方式分类
驱动方式决定着机械手的运动方式，它也是区分机械手类型的重要因素。气压机械手是依靠压缩空气来驱动的，这种机械手以空气为介质，制造成本较低，而且能够广泛适用于很多高危生产环境中。此外气压机械手的结构相较于其他机械手简易很多，不需要配备专业维修人员，所以这种机械手是很多工业生产控制过程的首选；液压机械手主要用于质量很大的物件抓取，它依靠密封的液压装置来提供强大动力，但相应的制造成本也比较高，而且对于维护要求也比较高。
3）按照控制方式分类
现阶段数控机床机械手的控制方式就两种：点位控制和轨迹控制。点位控制思想就是路径线段化，将机械手需要运动路径划分为规定距离的细小线段，划分的线段端点越多，机械手的运动精度就越高，但同时这种控制方式对系统的要求也比较高。这种机械手在当前很多工业控制过程中被广泛使用；轨迹控制相较于点位控制而言技术要求就更高一些，它可以满足机械手在任意空间范围内的运动，而且运行过程更加的稳定准确。这种机械手的控制系统更为复杂，通常情况下需要计算机参与辅助控制。
3 机械手模块化设计理念
模块化设计理念是伴随着工业制造方式的不断转变而兴起的，它是将一个整体分割成若干个独立的功能结构，不同部分可以同时设计，然后再组合成一个整体。这种理念简化了设计过程，优化了系统结构，机构中每一个功能及部件都具有较高的独立性，极大地提高了机构的适用范围。模块化产品设计中最根本最核心的内容就是保证功能结构以及物理结构的相似性，同时相互独立的功能部件可以可靠协调工作。对机构进行模块设计时可以沿着功能体系和构造体系两条主线进行，因为系统能够体现出来的任何一项功能，都是建立在其他功能基础之上的，也就是说系统功能具有上下层关系。此外，系统中还存在着并列功能形式，即一个功能对应着系统可以实现的多个功能。在进行数控机床机械手模块化设计时，我们可以根据实际作业的要求来划分机械手的单元模块。机械手底座是所有功能实现的基础，所以要将它设定为整体模块化设计的基础，然后再根据不同结构所承担的不同功能来设计。经过实践证明，模块化设计能够大幅度降低机械手的设计成本，缩减整体设计时间，以最快的速度满足工业生产控制的需要。
1）模块化机械手结构及设计流程
从数控机床机械手各个机构功能的角度出发，可以将其分为手部模块、腕部模块以及臂部模块。
2）机械手模块组成及功能分析
（1）手部模块组成及功能分析
机械手手部模块中最重要的组成部分就是手指，它主要用来抓取待加工工件。气动机械手气爪是当前应用最为广泛的结构，这种手指能够自动对中，双向高精度抓取。常见的有2指气爪、3指气爪以及多指气爪。在实际工业生产应用中，以抓取棒料为主，例如￠80×6Omm圆柱型工件
联接件的作用是控制手指抓取直径，气爪运动的最大直径为D2，最小直径为D1。外夹持气爪的夹持力方向是从工件表面指向工件圆心。
（2）腕部模块组成及功能分析
机械手腕部模块是由摆动气缸和联接件组成的，它可以保证机械手在90°范围内自由旋转。图中所示联接件1是连接高精度头型调节机构与摆动气缸的，联接件2是连接摆动气缸与气爪的。
通常情况下，联接件都设计有槽与轴相对应的孔，并通过键联接方式将气缸与孔连通。采用螺钉固定的方式防止键的轴向移动。
（3）手臂模块组成及功能分析
图1所示为横臂模块的结构图，横臂是由ML2B气缸、联接件、导轨三部分组成的。这三部分均安装在门架横梁上，而且可以在水平方向自由移动。机械手的横臂与直臂也是通过连接件连接在一起的，而且通过高精度柔性调节机构来保证机械手气爪与机床卡盘的对中精度（图2）。
参考文献
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关键词：采摘机械手臂；苹果；结构设计
引言
水果采摘季节性强、费用高且劳动量大[1]。加速农业现代化进程，实施“精确”农业，广泛应用农业机器人，提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代农业发展的必然趋势。研究采摘机械人，对于降低人工劳动强度和采摘成本、保证水果适时采收，具有重大的意义[2]。我国从上世纪70年代开始研究水果蔬菜类的采摘机械，并且也逐渐起步，如上海交通大学已经开始了对黄瓜采摘机器人的研制[3]，浙江大学对番茄采摘机器人进行了结构分析与设计的优化[4]，中国农业大学对采摘机器人的视觉识别装置进行了研究[5]。目前，我国研究的采摘机器人还有西红柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘机器人等[6-8]。文章对苹果采摘机械手臂进行选型，进一步进行详细结构设计，最后对设计结果进行试验验证。
1 机械人机构选型及自由度的确定
由于采摘机械人的作业对象是苹果，质量轻，体积小，故而可选择较为简单、灵活、紧凑的结构形式。
根据机械人手臂的动作形态，按坐标形式大致可将机械人手臂部分分为以下四类[9]：直角坐标型机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标（极坐标）型机械手；多关节型机械手。采摘机械臂的结构型式选取主要取决于机械人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制难易等要求。以上四种型式，它们的活动范围和灵活度逐渐增大。经过对苹果采摘空间的研究，结果表明，苹果树树冠和底部的苹果分布极少，大多分布在树冠中部，大约有80%以上的苹果分布在距地面垂直高度1-2m、距树干左右方向1-2m的空间范围内，且阴阳两面的苹果分布率并无明显的差异。这就要求采摘机械手应当具有较大的工作空间，因此选用多关节型机械手较为合适，且其占地面积较小，更加适合苹果采摘作业。
实际中，苹果生长位置随机分布，这就要求机械臂的末端执行器能够以准确的位置和姿态移动到指定点，因此，采摘机械人还应具有一定数量的自由度。机械臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所要完成的任务相匹配。一般来说，自由度数量越多，机械臂的灵活性、避障能力越好，通用性也越广，但增加一个自由度就相当于增加了一级驱动，会使得机器人的成本上升，而对于农业机器人而言，成本高将会大大的减缓其机械商品化实用化进程，同时增加自由度会相应增加机器人的控制难度，降低机器人的可靠性。综合考虑，将自由度数目定为六个，这样不仅能够使得末端执行器具有较为完善的功能，而且到达采摘空间中的任意位置，而且不会出现冗余问题。
2 采摘机械臂工作原理
图1 机械人结构简图
图1是本次设计的球类水果采摘机械人的结构简图。该结构为六自由度机构，可划分为底座、大臂、小臂、腕部和手五个部分。机械臂的底座通过舵机带动传动系统实现各个部分之间的相对转动和旋转。其中的各个转动和旋转均是通过电机驱动螺旋丝杆来实现。该设计机械臂的传动如下：（1）底座旋转。确定与底座平面互相垂直的目标采摘物所在的平面。（2）大臂转动。移动至目标采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂转动。将采摘机械手送至目标采摘物的附近。（4）手腕转动及旋转。调整机械手末端采摘机构的姿态，使其处于一个合适的位置，保证采摘任务能够合理完成。（5）手夹紧放松，完成对目标采摘物的采摘任务。此外，将末端执行器设计为关节型的两只手指，通过舵机6（舵机分配情况见图2）、齿轮的啮合及连杆机构实现对目标采摘物的夹紧与放松。
由以上分析得出：机械手的空间位姿由各个关节的空间坐标来决定，即当机械手的各个舵机的坐标确定的时候，就可以确定机械手的空间位姿。而决定舵机坐标的因素就是臂长及臂的转动角度，而在这两个参数中，设计结束后臂长是确定的常量，角度为变量。在模型当中，舵机1、2的相对位置固定不变，控制末端执行器的舵机6用来调整手的姿态，因此可以先忽略舵机1、6，将舵机2轴线中心的位置设为坐标系原点。
图2 舵机分配方框图
3 机械臂结构设计
首先用Pro/E软件中的零件模块对机械人各个零件进行绘制，然后再对零件进行自下而上的装配，以及进行零件图及装配图的绘制。大臂、小臂和腕部、机械手零件图以及装配图分别见图3、图4、图5、图6和图7（单位均为mm）。
4 试验台搭建与抓取效果实验
根据零件图及装配图进行试验台搭建。由于设计尺寸较大，故将整体尺寸缩小4倍来进行搭建。实物如图8所示。通过操作上位机控制软件指令信号，可给伺服舵机控制器发送控制指令信号，从而实现机械人在空间中精确作业。试验结果表明：机械人能够较为平稳、准确地对目标物进行夹取、移动、放置等任务。证明设计合理，试验台搭建正确。
5 结束语
通过对水果采摘作业的分析，设计了一套六自由度关节型采摘机械人。其运动范围覆盖了水果果实的分布范围，末端执行器能够执行对水果的采摘任务。在采摘过程中，只需对舵机进行控制，在一定程度上降低了控制的难度和复杂性。当然，设计中也存在不足，例如缺少对果实的切割装置，而且对葡萄等较小、较软的果实采摘技术不成熟，有待进一步的改善。
参考文献
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关键词 数控机床；机械手；设计
中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）68-0071-02
在数控机床的各项性能指标和整体布局上，输送技术对其有着直接性的影响。在缸体加工过程中，发动机缸体的三轴孔加工是一项十分重要的程序和环节，该环节在很大程度上确保了三轴孔在加工过程中的精确度；在缸体的纵向上，应当配置若干个固定的导向设施，用于支撑镗杆；传统意义上的三轴孔镗床，其架构复杂，同时存在防护难度大、输送速度较慢等诸多问题，在很大程度上给数控机床的生产节拍造成了影响。为了解决上述困难，大连机床企业首次研究并设计了空中布局的数控机床上下料机械手，这不仅强化了数控机床的刚性，同时也解决了数控机床在排屑过程中所面临的一系列难题，实现了转机缸体在输送过程中所表现出的柔性；通过对伺服驱动技术，在很大程度上减少了输送机床在输送过程中的时间，同时实现了工序的分解，致使数控机床的节拍从原来的6min下降到现在的3.2min；在一定意义上达到了用户在节拍方面的一些要求，与此同时，在很大程度上也提高了数控机床的自动化。
1 机械手的发展情形与动态
从国内外所有机械手的发展现状来看，在现阶段，对机械手的研究和开发已趋于，机械手的发展现状与动态，可以总结为：第一，模块化与可重构化是现阶段机械架构发展的主要动向；其二，PC机的开放型控制器是机械手体系发展的一个主要方向，其目的就是为了完善机械手，使其逐渐走向网络化和标准化；器件集成度得以强化，架构设计玲珑，同时运用过了模块化架构；在很大程度上强化了机械手体系的安全性和可靠性，同时也满足机械手在维修和防护方面的一些便捷性；第三，传感器在机械手中发挥了十分重要的作用，不仅运用了传统的速度传感器、位置传感器等，同时也引进了先进的视觉传感器、触觉传感器和听觉传感器，促使机械手逐渐向智能化方向发展和推进；第四，装配、焊接等机械产品逐渐向模块化、标准化及系列化方向推进和发展，及系统动态的仿真等。
2 机械手手爪架构的设计分析
机械手手爪的类型较多，其主要用于作业的操作和装置，按照不同的作业方法和操作，可以将手爪分为测量式手爪、加工式手爪及搬用式手爪等。所谓搬用式手爪，即为多种类型的夹持装置，其主要用于对物体的搬用和抓取；加工式手爪，即为附有焊枪、铣刀等工具的机械手附加设备，其主要用于对作业的加工；所谓测量式手爪，即为附有传感器的一种附加设备，其主要用于对作业的检验和测量。在机械手手爪的设计过程中，应当遵循以下几个方面的要求：其一，根据机械手作业的具体要求对机械手手爪进行相应的设计和开发；其二，机械手手爪的专用性和万能型之间存在一定的矛盾。万能手的架构设计比较繁琐，有时还会出现无法实现的现象，以工业的实际应用为出发点，将重点应放在对各类专用的、工作效率较高的机械手的研究和设计上，确保工业机械手的所有工作性能的实现和健全，在这里，我们不赞成通过一个万能手来完成所有工作，应当考虑机械手在设计过程中所发挥的一些经济效益；其三，确保手爪的通用性。所谓机械手爪的通用性，即为通过数量有限的手爪来适应不同要求的机械手，这就给末端执行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一个标准的机械接口，保证末端执行器能够标准化运用。
3 机械手设计方案的运行
因为机械手手臂在运作过程中表现为直线式，并且考虑到机械手在刚度、运动过程中所表现出的稳定性和安全性、动态性能等方面的一些要求，所以应当选取液压驱动方式，基于液压缸所表现出的直接性驱动，液压缸不仅是执行件，同时也是驱动件，所以，在设计过程中可以取消对执行件的设计，又由于液压缸在运动过程中表现为直线式，所以，在其控制上的难度较低，便于计算机管理和控制。
除此之外，机械手手臂由于在其具体工作及控制方面的一些要求，所以在机械手手臂的过程中，应当控制其结构的设计，不应过大，如果只依赖加大液压缸的直径来实现刚度的提高，那么将无法实现系统刚度的一些要求。所以，在设计过程中，额外添加了导杆机构，在小臂上安置了两个导杆，两导杆和活塞杆共同形成了一个等边三角形，在最大程度上加大了小臂的刚度；在大臂上安置了四个导杆，四个导杆构成了四边形，为了最大限度的降低大臂的重量，每个导杆都引用了空心架构。
4 机械手的优势和应用
机械手实施方案具有速度快、工作效率高、负载能力强、移位精度高及故障出现频率低等诸多方面的优点。
机械手在DK050机床上的成功运用，是数控机床柔性输送方面的一大创新。在今后的数控机床的生产过程中，机械手的开发和运用将会得到前所未有的发挥，同时为广大用户提供了极大地方便，能够产生较大的生产效益和经济效益。
5 结论
机械手在机械行业中的运用已经成为一种必然的趋势，同时这种运用将得到前所未有的发挥，机械手能够成功的运用于机械零件的组装和加工工件的装卸与搬运，尤其体现于组合机床以及自动化数控机床上的运用和创新。将机械手与机床设备合为一个柔性体，在很大程度上能够节省工件输送装置，架构比较紧凑，同时适应能力较强，在技术和经济上对机械手进行考虑都是有必要的，所以，对数控机床上下料机械手进行研究和设计是一种必然。
参考文献
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关键词：加工中心；刀库；孔加工
一、主要内容
（1） 分析刀库的类型和特点，换刀机械手臂的类型和特点。
（2） 刀库管理系统的设计。
（3） 分析刀库换刀方式。
（4） 综合以上刀库的特点具体介绍加工中心对孔加工程序的编写。
二、加工中心刀库的简介
进入21世纪我国加工中心开始向着高精度、高效率、高速化方向发展。
1、刀库的分类
加工中心与数控铣床和镗床的主要区别之处，在于它附有刀库和自动换刀装置。它可分为如下几种：
（1）转塔式刀库 包括水平转塔头和垂直转塔头两种。 通常为6-8把刀，一般用于简单而轻便的机型，常用在车削中心和钻削中心。
（2）盘式刀库 刀具包括径向取刀和轴向取刀，刀具不多于32把刀。适用于机床空间受限制而刀库容量又较大的场合。
（3）链式刀库包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化。适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小，刀具数在30—120把。
以上几种刀库类型如图1所示。
图1 加工中心刀库的基本类型
a）转塔式 b） 链式式 c）圆盘式
2、刀库的机械手臂
（1）单臂机械手，换刀机械手仅有一个手臂，如图2所示。
1）单手式：一个换刀手一端仅有一个抓手。特点：执行动作多，换刀时间长，但结构简单。
2）双手式：一个换刀臂两端各有一个抓手。特点：同时放回和装入刀具，换刀时间短。
图2 单臂机械手
（2）双臂机械手，两个机械手臂，每个手臂端都有一个抓刀手。特点：结构较复杂，但换刀时间短。如图3所示。
（3）带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手
送刀臂将刀具从刀库中取出送到摆刀站，由摆刀站将刀具送到换刀位置，最后由换刀臂进行换刀。特点：结构复杂，各部分在空间巧妙配置和组合，更具变化性；一般换刀时间较短；适用于刀库距离主轴较远的场合。
3、刀库管理系统设计
（1）刀具信息建立 为刀具的识别提供编码信息，刀具的编码是给刀具赋予的代号，也就是刀具号。对于小容量的刀库一般顺序选择刀具，不需要对刀具编码。对于大容量的刀库一般采用任意选择刀具，需要对刀具进行编码。采用在系统RAM区建立一个刀号表（PTL）。
一个具有刀具寿命管理的PTL表示例如下：
SP INDL E：
P1 T1 C100 V500
P2 H
P3 T20 C110 V2000 FB
P4 H
P5 T64 C100 V500
P6 T21 C120 V150
P7 T9
（2）刀具寿命管理
选择刀时先检查刀具在PTL表中允许加工的时间能否满足该段程序的加工。若可以就可按程序进行加工；反之，需要更换新的刀具。
在加工过程中，要不断地修改PTL表中刀具的剩余寿命。
设有下列零件程序段：
N100 T9 M06
N200 T1 C100 V200 M06
N300 T21 C120 V300 M06
在N100程序段直接调用刀具T9进行加工。N200程序段要换T1号刀加工，看PTL表中刀具的剩余寿命为500s加工时间为200s，能满足此段程序的加工。在N300程序段换T21号刀，查看了PTL表中刀具的剩余寿命为150s，不能满足300s的加工时间需要更换新的刀具。
4、换刀方式
（1）固定换刀方式（无机械手，无刀具准备功能）：无论换刀次数多少，刀套号与刀具号始终一一对应。这种换刀方式换刀时间较长，适用于刀具容量较少的小型加工中心。（BT40以下，20把刀以内，刀库速度快）。
（2）固定换刀方式（有机械手，可实现刀具准备）刀具号仍与刀套号一致，无刀具表，系统可记忆当前主轴刀具和下一把所选的刀具 此种适用于换刀不很频繁、刀具数为40-60把、主轴锥孔为BT40以上的刀库。
（3）随机换刀（有机械手，可实现刀具准备）：刀具号与刀套号不一一对应。系统有相应的刀具表随时记忆刀具使用情况，刀表中刀套号是固定的，而刀具号则随刀具的交换随时更新。
图4 斗笠式刀库换刀过程动作图
三、加工中心对定位连接板孔系加工程序的编写
1、加工孔的技术要求
（1）零件材料：灰铸铁HT200。
（2）加工部位：加粗部分（φ110，2-φ70H7），8-M12深15，8-φ13深20。
（3）加工说明：φ70H7预孔为铸造，余量5mm。基准面A、B、C、D前工序已完成。夹具形式不用考虑，φ110孔用铣削方式。
（4）数控机床：卧式铣削加工中心FHN80T；数控系统：FANUC0iM。
（5）按数控工序卡片编制加工中心程序。
（6）程序编制方法：固定循环、子程序、坐标系旋转、极坐标指令等。
（7）采用双臂机械手随机换刀方式。
2、采用加工中心加工孔与传统加工方式的比较
我们对传统的孔加工方式与加工中心加工孔进行了效果比对。从下表中可以看出。
3、孔加工的应用技巧
换刀指令前使用序列号在加工过程中有时为了检查尺寸的方便我们使用了M01指令。如此时的尺寸有问题必须将程序停下，在将问题解决以后又必须重新调用该刀具进行加工。但有时在加工的刀具较多的情况下要查找此刀具将比较麻烦。因此，编程的时候在换刀指令前加上顺序号，就为操作上检索该刀具提供了大大的方便。
参考文献
[1]廖效果，朱启逑.数字控制机床[M].武汉：华中理工大学出版社，1992
[2]黄健求.机床数控技术[M].北京：机械工业出版社，1995
关键词：PLC 远程机械手 控制系统
机械手是一种能够远程自动定位控制的可以随时改变编程的多功能机器。机械手的自由度很大，可以搬运部件来完成各个环境下的工作，被广泛的应用于机械制造、冶金和轻工业生产部门。本文所论述的机械手属于混合式机械手。融合了电动式和气动式的有点，其操作范围大、应用广等特点。
PLC是英文的缩写，是可编程控制器的意思，是为工业应用而专门用数字进行运算操作的电子机械装置。编程相对来说简单，功能非常强大，性能特别好，可编程控制可运用于各种工业控制系统。
1、机械手的系统结构
机械手的手臂在伸缩步进电机的控制下水平方向上左右运动，在升降步进电机的控制下上下运动，也可以由底盘直流电机的正反转控制下顺时针和逆时针运动。机械手的手抓是气动式的装置，实现抓和放的动作是由电动电磁阀来完成控制的。如图所示：从图中可以看出机械手为圆柱坐标型，根据编程设计控制要求将物件放在机械手周围的A、B、C、D任意一个位置， SQ5、SQ6、SQ7、SQ8、SQ9、SQ10为水平和垂直方向上的限位开关系统，SQ1、 SQ2、SQ3、SQ4 为四个工位上的光近开关。
机械手的旋转一直是直流电机控制来完成的，四个工位位置由四个光接近开关检测确定。
机械手臂水平与垂直方向运动是由步进电机驱动工作的，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，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。根据丝杠螺距可以确定移动距离（电机转1圈移动1个螺距），可以通过控制脉冲个数来控制角位移量和线位移量，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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。
2、机械手控制系统设计
2.1硬件设计
（1）手动工作方式。可以通过按钮对机械手的每一个动作进行控制，如按上下升降按钮，机械手会根据按钮的指示进行转动和操作。手动操作可以使机械手置于原点，机械手在缩回和最上面且夹紧装置松开，然后旋转到A 工位，手动操作还可以便于机械手的调整。
（2）自动工作方式。操机械手从原点开始按照编程好的程序反复连续循环工作，直到按下停止按钮为止，现在的自动操作按钮进行监视是由计算机操作来完成的。
机械手的工作方式和操作的信息需要24个输入端子。具体分配为：位置检测信号有下限、伸限、缩限、上限、夹紧和放松共6个输入端子，工位位置检测信号A、B、C和D工位需要4个输入端子；四工位“无工件”检测信号采用光电开关作检测元件，需要 4个输入端子；手动操作时， 需要有上升、下降、缩回、伸出、夹紧和放松，需要 6个输入端子；手动、回原点、自动和停止操作，需占4个输入端子；因此需要 24 个输入端子。
控制机械手的输出信号需要9个输出端子。 具体分配为：机械手的下上脉冲控制、下上方向、伸缩脉冲控制、伸缩方向控制、夹紧、放松8个电磁阀线圈，需要8个输出点。 机械手从原点开始工作，需要有1个原点指示灯，需用，个输出点。因此需要9个输出端子。根据控制要求及端子数，此处选用FX2N-48MR外加输入输出扩展模块继电器型PLC，步进电机驱动器选用SH-20402型模块。FX2N-48MR PLC共有输入24点，输出24点，满足控制所需端子数，分配PLC的 I/O端子接线。
2.2软件设计
用状态初始化指令IST来设置控制系统的初始状态已达到多种工作方式，当IST指令执行能够满足控制系统的条件时，初始状态继电器S0～S3 和特殊辅助继电器将会自动指定为以下功能：M8040：禁止转移其线圈接通时所有的状态将禁止转化；M8041：转换启动其线圈接通时可以从初始状态转化；M8042：按启动按钮的瞬间可以完成启动脉冲的动作； M8043：回到控制的原点完成；M8044：原点条件，即系统处于原点位置时其线圈接通；S0：手动操作的初始状态继电器；S1：回原点操作的初始状态继电器；S2：自动操作的初始状态继电器。
从机械控制系统分析来看，机械手的控制程序比较复杂，程序设计运用模块化的思想，机械手的控制程序可以分为：回原点操作、自动连续操作和手动单步操作程序。手动运行程序：手动操作程序的控制是用初始状态继电器S0来完成的，由于手动程序、回原点程序和自动运行程序均采用STL 触点驱动，这三部分程序不会同时被驱动。回原点程序：自动回原点的顺序的功能分析，当原点条件满足时，特殊辅助继电器M8044（原点条件）为ON。 自动返回原点结束后，用SET指令将M8043（回原点完成 ）置为ON，并用RST指令将回原点的最后一步S12复位。
步进电机只有在有脉冲信号和方向信号有输入时才会转动，控制中有两个步进电机， PLC 控制步进的控制指令[DPLY D1D2 Y]。 PLSY 指令是脉冲输出指令。指令中由D1 设定脉冲频率，由D2设定输出脉冲数，第3个参数为输出端 （伸缩Y0 /升降Y1）。机械手缩回Y2=1；伸出 Y2=0；机械手下降 Y003=1；上升Y003=0；机械移动的距离所给脉冲个数和位置开关来控制。
关键词：上肢康复训练机器人 青岛大学硕士开题报告范文 青岛论文 开题报告
一、 选题的目的和意义
据统计,我国60 岁以上的老年人已有1.12 亿。伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加，与之相对的是通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗已经远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高，因此服务于四肢的康复机器人的研究和应用有着广阔的发展前景。
目前世界上手功能康复机器人的研究出于刚起步状态，各种机器人产品更是少之又少，在国内该领域中尚处于空白状态，临床应用任重而道远，因此对手功能康复机器人的研究有广阔的应用前景和重要的科学意义。
目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题：康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。本课题针对以上问题，采用气动人工肌肉驱动的手指康复训练机器人实现手指康复训练的多自由度运动，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性，且具有体积小，运动的强度和速度易调整等特点。
课题的研究思想符合实际国情和康复机器人对系统柔顺性、安全性、轻巧性的高要求 。它将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研究一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健。
综上所述，气动人工肌肉驱动手指康复训练机器人的设计是气压驱动与机器人技术相结合在康复医学领域内的新应用，具有重要的科学意义。
二、 国内外研究动态
2.1 国外研究动态
美国是研究气动肌肉机构最多的国家，主要集中在大学。
华盛顿大学的生物机器人实验室从生物学角度对气动肌肉的特性作了深入研究，从等效做功角度建模，并进行失效机理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射运动控制研究。
vanderbilt 大学认知机器人实验室(cognitive robotics lab, crl)研制了首个采用气动肌肉驱动的爬墙机器人，并应用于驱动智能机器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。
伊利诺伊大学香槟分校的贝克曼研究所对图像定位的5自由度soft arm 机械手采用神经网络进行高精度位置控制和轨迹规划。亚利桑那州立大学设计了并联弹簧的新结构气动肌肉驱动器，可以同时得到收缩力和推力，并与工业界合作开发了多种用于不同部位肌肉康复训练的小型医疗设备。
英国salford 大学高级机器人研究中心对气动肌肉的应用作了长期的系统研究，开发了用于核工业的操作手、灵巧手、仿人手臂以及便携式气源和集成化气动肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的远程控制。
法国国立应用科学学院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了气动肌肉的动静态性能和多种控制策略，目前正在研制新型驱动源的人工肌肉以及在远程医疗上的应用。
比利时布鲁塞尔自由大学制作了新型的折叠式气动肌肉用于驱动两足步行机器人，实现了运动控制。
日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又发明了多种不同结构的气动肌肉。德国festoon 公司发明了适合工业应用的气动肌腱fluidic muscle，寿命可达1000万次以上，同时还对气动肌肉的应用作了许多令人耳目一新的工作。英国shadow 公司研制了目前世界上最先进的仿人手。美国的kinetic muscles 公司与亚利桑那州立大学合作开发了多种用于肌肉康复训练的小型医疗设备。
lilly采用基于滑动模的参数自适应控制策略，实现了单气动肌肉驱动的关节位置控制。
2.2 国内研究动态
自20 世纪90 年代以来，我国陆续开始了气动肌肉的研究。
北京航空航天大学的宗光华较早开始气动肌肉的研究，分析了其非线性特性、橡胶管弹性及其自身摩擦对驱动模型的影响，并应用于五连杆并联机构，通过刚度调节实现柔顺控制。
上海交通大学的田社平等运用零极点配置自适应预测控制、非线性逆系统控制以及基于神经网络方法，实现单自由度关节的快速、高精度位置控制。
哈尔滨工业大学的王祖温等分析了气动肌肉结构参数对性能的影响、气动肌肉的静动态刚度特性以及与生物肌肉的比较，提出将气动肌肉等效为变刚度弹簧，设计了气动肌肉驱动的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反馈数据手套和6 足机器人，采用输入整形法解决关节阶跃响应残余震荡问题。
北京理工大学的彭光正等先后进行了单根人工肌肉、单个运动关节以及3 自由度球面并联机器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神经网络等多种智能控制算法，并设计了6 足爬行机器人和17 自由度仿人五指灵巧手。
哈尔滨工业大学气动中心的隋立明博士也通过实验得到了气动人工肌肉的一个更简洁的修正模型和经验公式并对两根气动人工肌肉组成的一个简单关节系统进行实验建模和采用位置闭环的控制方法进一步验证气动人工肌肉的模型。
上海交通大学的林良明也对气动人工肌肉的轨迹学习控制进行了仿真研究给出了学习的收敛性的初步结论为下一步的学习控制奠定了基础。其中田社平通过对气动人工肌肉收缩在频率域上的数学模型并对它的结构及其静动态特性进行了理论分析建立了相应的静态力学方程。
2003年付大鹏等，以机械手抓取物体为分析对象，采用矩阵法来描述机械手的运动学和动力学问题，以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础，将运动、变换和映射与矩阵计算联系起来建立了机械手的运动数学模型，并提出了机械手运动系统优化设计的新方法，这种方法对机械手的精密设计和计算具有普遍适用意义。
2005年车仁炜，吕广明，陆念力对5自由度的康复机械手进行了动力学分析，将等效有限元的方法应用到开式的5自由度的康复机械手的动力分析中，这种方法比传统的分析方法建模效率高、简单快捷，极其适合现代计算机的发展，的除了机械臂的动力响应曲线，为机械手的优化设计及控制提供理论依据。
2008年北京联合大学张丽霞，杨成志根据拿取非规则物品的任务要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手，手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式,对实用型仿人机器手的机构设计有参考意义。
2009年杨玉维等人对轮式悬架移动2连杆柔性机械手进行了动力学研究与仿真，。采用经典瑞利.里兹法和浮动坐标法描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题， 综合利用拉格朗日原理和牛顿.欧拉方程并在笛卡尔坐标系下，以矩阵、矢量简洁的形式构建了该移动柔性机械手系统的完整动力学模型并进行仿真。
2009年罗志增，顾培民研究设计了一种单电机驱动多指多关节机械手，能够很好的实现灵巧、稳妥的抓取物体，这个机械手共有4指12个关节。每个手指有3个指节，由两个平行四边形的指节结构确保手指末端做平移运动，这种设计方案很好的实现了控制简单、抓握可靠的目的。
从目前来看，国内对气动人工肌肉的研究仍处于刚起步的阶段。有关气动人工肌肉的研究与国外还有相当的差距对气动人工肌肉中的许多问题，还没有进行深入的研究。此外，采用气动人工肌肉作为机器人驱动器的研究还不成熟。
三、 主要研究内容和解决的主要问题
目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题:康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。为此，课题主要研究内容：设计一种结构简单，易于穿戴，并且安全、柔顺、低成本，使用方便的气动手功能康复设备。对气动手指康复系统进行机构运动学分析、用mat lab软件对康复训练机器人的康复治疗过程的力位信息进行仿真分析。
要实现上述的目标，系统中需要着重解决的关键技术有：
(1)基于已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分的设计，对手指康复训练方法分析和提炼。 主要包括：人手部的手指弯曲抓握动作分析，气压驱动关节机构自由度的优化配置。使机械手能够实现手指的弯曲、物体的抓握等手部瘫痪患者不能实现的动作。
(2)对机器人机械机构的运动学分析。主要包括：气压驱动的手指关节外骨骼机械机构的运动学分析。
(3)机器人机构的力位信息仿真。主要包括：用mat lab软件进行机器人气压驱动终端的力位信息 仿真。
根据总体方案设计以及工作量的要求，外附骨骼机械手系统是上肢康复训练机器人的一部分，本文主要是研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。
四、论文工作计划与方案
论文工作计划安排：
2010年9月——2011年6月准备课题阶段：
主要工作：学习当今最先进的机器人设计技术;学习用matlab软件进行计算仿真及优化，查阅国内外的资料，对康复机械手作初步了解。
2011年7月——2011年9月课题前期阶段
主要工作：课题方案设计，拟写开题报告，开题。
2011年10月——2012年7月课题中期阶段
主要工作：开始具体课题研究工作，根据已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分设计，对手指康复训练方法分析和提炼。研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。
2012年8月——2012年12月课题后期阶段
主要工作：对手指康复机器人进行模拟仿真，对设计进行优化，并在此基础上进一步完善课题。
2013年1月——2013年4月结束课题阶段
主要工作：整理相关资料，撰写论文，准备进行毕业论文答辩。
2013年5月——2013年6月论文答辩阶段
主要工作方案：
1. 完成学位课与非学位课学习的同时，进行市场调研，对手指康复机械手作初步了解。
2. 查阅资料，了解气动手指康复机器人的国内外发展现状。
3. 分析已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构的部分设计。
4. 对现有手指康复训练方法设计进行分析和提炼，分析其优缺点。
5. 开始具体设计工作。
