【正文】 工作原理 機(jī)械手是一個(gè)水平、垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用來將工件由左工作臺(tái)搬到右工作臺(tái)。有上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制。簡易機(jī)械手在各類全自動(dòng)和半自動(dòng)生產(chǎn)線上應(yīng)用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動(dòng)，替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來控制，電磁閥由單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。圖21為機(jī)械手簡圖,其中SQ1上限開關(guān)，SQ2左限，SQ3下限開關(guān)，SQ4光電開關(guān)，SQ5夾緊，SQ6右限。圖21 機(jī)械手簡圖這個(gè)機(jī)械手具有二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度用于將源工作臺(tái)上的物品搬到其左側(cè)或右側(cè)目的工作臺(tái)上。機(jī)械手的直線動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，整個(gè)機(jī)械手在工作中能實(shí)現(xiàn)上升/下降、左傳/右轉(zhuǎn)、夾緊/放松功能，是目前較為簡單的、應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械手。其升降運(yùn)動(dòng)通過升降氣缸、垂直導(dǎo)柱、滑動(dòng)導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)軌及升降位置微動(dòng)開關(guān)相互配合完成，升降工作行程為0～100mm、轉(zhuǎn)動(dòng)是通過旋轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)、轉(zhuǎn)動(dòng)工作行程為0～90176。；手爪是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮調(diào)整。 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個(gè)方面組成。采集感知信號(hào)及控制信號(hào)均由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)。主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動(dòng)機(jī)械手能拓展成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。圖21中工件所處位置為原點(diǎn)位置，根據(jù)要求：機(jī)械手初始位置在原點(diǎn)位置，每次循環(huán)動(dòng)作都從原點(diǎn)位置開始，完成上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)位置下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，左傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品后，左傳送帶停止運(yùn)行。根據(jù)分析可得出機(jī)械手的工作流程圖，如圖22所示。原位下降夾緊上升右移停止左移上升松開下降下限延時(shí)上限左限啟動(dòng)右限機(jī)械手工作流程圖根據(jù)以上分析，機(jī)械構(gòu)造方案基本固定。整個(gè)機(jī)械手一共用到三個(gè)氣缸，單片機(jī)需要控制每個(gè)氣缸的動(dòng)作：橫梁長氣缸的內(nèi)外調(diào)，執(zhí)行氣爪的夾持與放松、豎導(dǎo)桿氣缸的升降、各氣缸的定位控制和旋轉(zhuǎn)軸的定位控制，另外兩個(gè)是工件計(jì)數(shù)和故障報(bào)警。機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手，它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定工作。它的特點(diǎn)是除具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號(hào)操作機(jī)械手來進(jìn)行探測月球、火星等。第三類是專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 第二章 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì) 下圖為機(jī)械手動(dòng)作示意圖，機(jī)械手將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B上，機(jī)械手按照下述動(dòng)作順序周而復(fù)始的搬運(yùn)貨物。（1） 機(jī)械手的初始狀態(tài)為：機(jī)械手放松、處于左限位置（SQ2為左限位開關(guān)）、上限位置（SQ1為上限位開關(guān)）；（2） 傳送帶A和B分別由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制，初始狀態(tài)為停止；（3） 按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，傳送帶A和B開始輸送物品，同時(shí)其他檢測、控制部分也開始或準(zhǔn)備工作，此時(shí)：（a）光電開關(guān)SQ4檢測到傳送帶A輸送來的物品后，停止傳送帶A的運(yùn)動(dòng)；（b）機(jī)械手抓取傳送帶A上的物品。機(jī)械手由氣動(dòng)閥控制，當(dāng)氣動(dòng)閥開關(guān)SQ5=1時(shí)，機(jī)械手夾緊；當(dāng)SQ5=0時(shí)，機(jī)械手放松；（c）機(jī)械手往上移動(dòng)，到達(dá)上限位置，上限位置由上限限位開關(guān)SQ1檢測。機(jī)械手上移和下移的動(dòng)作由氣動(dòng)閥控制，需要另外設(shè)置一個(gè)該氣動(dòng)閥的開關(guān)，如SQ10，若SQ10=1，則上移；若SQ10=0，則下移。（d）機(jī)械手向右旋轉(zhuǎn)，到達(dá)右限位置，右限位置由右限限位開關(guān)SQ6檢測；（e）機(jī)械手向下移動(dòng)，到達(dá)下限位置，下限位置由下限位置開關(guān)SQ3檢測。機(jī)械手的左右移動(dòng)由氣動(dòng)閥控制，需要另外設(shè)置一個(gè)該氣動(dòng)閥的開關(guān)，如SQ11，若SQ11=1，則左移；若SQ11=0，則右移。（f）機(jī)械手放松，將抓取的物品放在傳送帶B上；（g）機(jī)械手往上移動(dòng)，到達(dá)上限位置，上限位置由上限限位開關(guān)檢測；（h）機(jī)械手向左旋轉(zhuǎn)，到達(dá)左限位置，左限位置由左限限位開關(guān)檢測；（i）啟動(dòng)傳送帶A，進(jìn)行下一個(gè)周期的動(dòng)作； 基本設(shè)計(jì)思路總體設(shè)計(jì)框圖如下： 圖21 總體設(shè)計(jì)框圖 的選擇 由于單片機(jī)體積小，價(jià)格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗干擾能力，因此本設(shè)計(jì)中用單片機(jī)取代PLC 控制。 由于本設(shè)計(jì)中精度要求較高，首先排除了極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式，而且它們還存在平衡問題，直角坐標(biāo)式靈活性差，不利于提高工作效率。因此為了使其工作方式更加簡單直觀，機(jī)械手坐標(biāo)類型選擇為圓柱坐標(biāo)機(jī)械手。 本設(shè)計(jì)要求傳動(dòng)方式為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手臂的上下、左右移動(dòng)，即圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，首先排除了帶傳動(dòng)。與此同時(shí)，由于設(shè)計(jì)精度要求較高，所以鏈條傳動(dòng)也不作考慮。剩下絲桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，從零件的加工方面考慮，最終確定了加工較為簡單的齒輪傳動(dòng)。 目前工業(yè)上較長采用的抓取機(jī)構(gòu)為手爪。但是本次設(shè)計(jì)要求的工件為直徑2cm厚1cm 的圓形鐵片，抓取精度要求高，操作難度較大?？紤]到材質(zhì)，因此選擇了電磁閥作為抓取機(jī)構(gòu)。通過電磁閥的通斷來控制工件的抓取和放下，操作方便。 在選擇驅(qū)動(dòng)方式階段，我首先考慮的是液壓、氣壓傳動(dòng)，但方案存在一定缺陷。其中，液壓裝置體積太過龐大，需要專門配置一套液壓系統(tǒng)，且對(duì)密封性要求高，不宜在高溫、低溫下工作。而氣壓傳動(dòng)由于空氣的可壓縮性導(dǎo)致工作速度、穩(wěn)定性較差，且有一定噪音。電機(jī)選擇相對(duì)較為簡單，由于步進(jìn)電機(jī)有步距角誤差，機(jī)械手在齒輪傳動(dòng)和擺動(dòng)時(shí)會(huì)進(jìn)一步放大該誤差，因此選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 第三章 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手尺寸的確定 由于本次設(shè)計(jì)對(duì)工作場地要求并沒有明確的限制，因此機(jī)械手的尺寸也就沒有明確的規(guī)定，為了設(shè)計(jì)的方便，將機(jī)械手大臂有效距離長為280mm，小臂有效距離長為170mm 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)1. 機(jī)械手是有三臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)M1 控制大臂在Z 軸旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，電機(jī)M2 控制小臂在Z 軸的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，電機(jī)C 控制末端執(zhí)行器在Z 軸的上下移動(dòng)。為了設(shè)計(jì)的方便，控制方式采用點(diǎn)位控制。通過分別控制三臺(tái)電