哈工大制造系统自动化大作业

第部分：设计务书3
搬运机械手功示意图3
二 基求参数3
三 工作量4
四 设计容说明4
第二部分：设计说明书5
机械手工作臂机身驱动部件选择设计5
1驱动部件选择5
2传感器选择5
3驱动传动方案5
二 末端夹持机构设计6
1结构设计6
2夹紧力计算7
三 控制系统设计8
1控制器选择8
2控制模块控制方案8
3控制流程框图电磁铁动作时序表9
4PLC IO口分配11
5机械手运行步骤12
四 参考文献13
























搬运机械手功示意图

A
B
工件
SQ1
SQ2
SQ3
SQ4
SQ5
SQ6
夹紧
松开

二基求参数
作业求完成种二指机械手运动控制系统设计该机械手采二指夹持结构图1示机械手实现工件夹持搬运放置等操作夹持圆柱体例求设计运动控制系统控制流程机械手通升降左右回转前伸缩夹紧松开等动作完成工件位置AB搬运工作具体操作序：逆时针回转(机械手初始位置AB间)—>降—>夹紧—>升—>时针回转—>降—>松开—>升机械手工作臂设限位开关SQi
设计参数：
（1）抓重10Kg
（2）工作半径：1500mm
（3）运动参数：
伸缩行程：01200mm
伸缩速度：80mms
升降行程：0500mm
升降速度：50mms
回转范围：01800
控制器求：
（1）PLC单片机PC微机者DSP中选
（2）具备回原点手动单步操作动连续操作等基功


三工作量
（1）驱动传动方案设计部件选择
（2）二指夹持机构设计计算
（3）总体控制方案控制流程设计
（4）设计说明书份

四设计容说明
（1）机械手工作臂机身驱动部件选择设计需设计出具体驱动传动方案画出方案原理框图
（2）末端夹持机构设计该结构需保证抓取精度高重复定位精度运动稳定性足够抓取力设计应包括确定夹持方案计算夹持范围计算夹紧力驱动力完成夹持机构设计图
（3）控制系统设计包括确定控制方案核心功部件选择功模块实现原理绘制控制流程框图
第二部分：设计说明书
机械手工作臂机身驱动部件选择设计
1驱动部件选择
考虑设计中机械手抓取重量较轻定位精度求太高机械手收缩范围升降范围较考虑般工厂压缩空气站机械手驱动部位采气动驱动电磁阀控制气缸单片机PLC控制电磁阀状态考虑制造成宜选单片机考虑性寿命设计采松FP0系列PLC作控制单元
具体机械手运动分四种运动形式驱动装置等见表
表 1 机械手运动形式

2传感器选择
回转运动采光电码盘直线运动采光电开关运动极限位置布置限位开关起保护作
3驱动传动方案
首先升降运动中升降气缸旋转气缸布置总体言三种布置形式图示a）方式旋转气缸放面升降气缸面升降行程较（通常<200mm）满足求b）方式升降气缸放面旋转气缸面获较行程达800mm机械臂需额外增加导装置转动惯量较c）方式采缩放式升降机构需导支撑获较升降行程机械臂转动惯量较占面积较综合考虑素设置中采b）方案布置形式













臂收缩气缸夹紧气缸直接布置臂
整系统言属动力源驱动机械臂动作单独受控灵活易节省量传动件系统结构复杂性降低
二 末端夹持机构设计
1结构设计
末端夹持机构指手指部分结构图示

2夹紧力计算
前述夹持机构进行简化图示受力分析设夹紧力N夹紧气缸通拉杆3作销轴2拉力P通销轴中心O点两指夹紧力分P1P2力方垂直滑槽中心线OO1OO2指O点P1P2延长线交OO1ABΔOO1BΔO2OA均直角三角形∠AOC∠BOCα根轴销力衡条件ΣFx0P1P2ΣFy0 P2P1cosα P1𝑃2cosα
销轴手指做力P1P1’􁈬􁈬􁈬􁈬⃗−P1􁈬􁈬⃗（表示量关系）手指握紧工件时需力称握力（夹紧力）假想握力作手指工件接触称面设两力相等方相反N表示手指力矩衡方程Σ𝑚a1(F)0
𝑃1hNbh−𝑎cosαP−2b𝑎cos2𝛼·N
式中 a——手指回转支点称中心线距离（mm）
α——工件加进时手指滑槽方两回转支点连线间夹角
取α30o
P3b·N2a
般说夹紧力定克服工件重力产生静负荷工件运动状态产生动负荷（惯性力惯性力矩）工件保持夹紧状态
手指工件夹紧力式计算：123PNKKKG≥＝14×105×38×98547N 取PN 550N中：K1＝14K2＝105K3＝38G＝mg＝10×98＝98N：123PNKKKG≥P3b2a5500(b2a)N×理＝＝165取
P20625Nη理实际50＝＝＝08
式中 效率η08
三 控制系统设计
1控制器选择
考虑成性寿命调试方便性等方面素选择松FP0系列PLC控部件外围传感器光电码盘（编码器）检测机械臂转角光电开关（3处）检测机械臂否运动位工件否夹持机构正确位置等外限位开关做障保护设计控制面板手动调节控制步设置全动运行回零点零点设置A处PLC控制电磁阀控制气缸运动
2控制模块控制方案
功划分分模块：电磁阀控制模块传感器检测模块障检测模块控模块
电磁阀控制模块

传感器检测模块障检测模块：

控模块：




3控制流程框图电磁铁动作时序表
图示PLC断检测传感器信号次控制电磁阀状态实现控制气缸运动控制机械手运动电磁阀动作序列表示表中+表示改电磁阀通电处接通状态应气缸动作理表示电磁阀处中位相应气缸静止动方动作电磁铁1Y2Y3Y4Y分控制气缸升降气缸回转气缸收缩气缸夹紧气缸
表 2 电磁阀电阻时序图







外运动稳存放料台光电传感器检测工件位机械手手臂前伸手臂伸出限位传感器检测位延时05s升降气缸降升降降限位传感器检测位延时05s气动手爪抓取工件手爪夹紧限位传感器检测夹紧信号延时05s升降气缸升手爪提升限位传感器检测位手臂气缸缩回手臂缩回限位传感器检测位手臂右旋转手臂旋转完成定角度手臂前伸手臂伸出限位传感器检测位手爪气缸降手爪降限位传感器检测位延时05s气动手爪放开工件手爪气缸升手爪提升限位传感器检测位手臂气缸缩回手臂缩回限位传感器检测位手臂左旋转等工件位重复面动作系统刚开始电点动复位钮系统动复位点动启动钮放入工件设备开始运行停止钮部件停止工作
果出现意外情况中途突然停电动作停止等重新电重新复位继续工作
选择模式手动式时根手动操作键值作相应操作果手动操作连续摁两相邻动作果动作前动作工作循环续工作间部分动模式补果动作循环中动作忽略动






4PLC IO口分配
根输入输出特点数量系统采松FP0系列PLC作控制器参考表列出设计中气动搬运机械手控制系统IO口分配表
表 4 机械手IO口分配表







5机械手运行步骤
①机械手应处原位
运行时先复位钮SB2输入继电器动合触点408闭合单脉指令辅助继电器200产生脉移位寄存器复位移位寄存器动断触点101～111 均闭合状态时机械手原点限位开关SQ2左限位开关SQ4压合相应动合触点402404闭合程序100置1
②压起动钮400接通产生移位信号100右移位101置1432通电手臂前伸伸出限位开关开X432断继433通电执行降动作机械手移限位开关SQ2开
③降位限位开关SQ1压401闭合产生移位信号1000状态移101Y433失电移停止时1011态移102M201通电保持 通201保持触点Y434定时器450时通电工件夹紧延时
④延时继电器450延时3S动合触点接通产生移位信号M103置1M102置0Y431 电驱动电磁阀YV1执行升动作M201保持作 Y434会失电工件继续保持夹紧状态
⑤升位限位开关SQ2压402接通产生缩回移位信号 M104置1 M103置0 Y431失电停止升输出继电器Y432失电手臂缩回Y436电通套装置驱动步进电机 机械手右移
⑥右移右限位开关SQ3动作时接通403产生移位信号M105置1M104置0Y436失电停止右移 Y432Y433次通电驱动电磁阀YV1YV3机械手伸出降
⑦降位压SQ1401接通产生移位信号M105置0 M106置1Y433失电移停止M201复位Y434失电夹紧工件松开时定时器451通电开始松开延时
⑧451延时2S触点接通产生移位信号M106置0 M107置1 Y431次通电升升工件检测开关S处检测工作信号继续升检测工件405断开433 失电停止升
⑨升限位开关处402接通产生移位信号M107置0M110置1Y431电停止升Y437电左移
⑩左移原位时压左限位开关SQ4404接通产生移位信号M1100 M1111Y437
失电机械手停原位
四 参考文献
[1] 工业机械手基知识讲座吉林工业学金工教研第二讲：工业机械手机械结构
[2] Pansonic FP系列FP0编程控制器硬件手册
[3] 工业机械手设计基础天津：天津学出版社19798
[4] 制造系统动化哈尔滨：哈尔滨工业学出版社
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