第二章 总体方案确定
2.1 总体方案论证
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。
对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动机械手，是一种适合于小批生产的、可以变动作程序的自动搬运或操作设备生产场合。
2.1.1 机械手手臂结构方案设计
按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四个自由度，即手臂的夹紧、左右回转、左右伸缩和升降运动。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手臂的左右伸缩，手臂的各种运动由气缸来实现
2.1.2 机械手驱动方案设计
气压传动的优点：
1.对于传动形式而言，气缸作为线性驱动器可在空间的任意位置组建它所需的运动轨迹，安装维护简单；
2．工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。压力等级低，使用安全；
3.气缸动作速度一般为50～500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快，其间，通过单向节流阀，可使气缸速度无级调节；
4.可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作数约为数百万次，而进口的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过一亿次；
5．利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；
6.全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用；
7.由于空气损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。
根据以上优点可知道气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。
2.1.3 机械手控制方案设计
综合分析机械手的动作要求，PLC在机械手中需要完成的控制功能较多，控制精度较高，运算速度较快且具有数据处理能力，并考虑整个系统的经济和技术指标，由于PLC的输出电流较小，需要用功率模块来控制比例液压阀，选用西门子公司的S7-200系CPU226型PLC，其I／O功能和指令系统都能满足对该机械手的控制要求。控制按钮、各处的行程开关及压力继电器等开关量信号直接与PLC的输入端子相连，PLC的开关量输出端子直接与各个电磁阀相连，用PLC上所带的24V电源或外接24V电源驱动，采用编程软件(STEP 7-Micro／WIN V4．4版)进行编程和运行监控。
2.1.4 机械手主要参数
a.主参数
机械手的最大抓重是其规格的主参数，本设计机械手最大抓重以1kg为数最多。故该机械手主参数定为1kg。
b.基本参数
运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂回转的速度。
该机械手最大升降速度设计为100mm/s，最大回转速度设计为450°/s。平均升降速度为80m/s，平均回转速度为90°/s。
2.1.5 机械手的技术参数列表
A.设计技术参数:
a)抓重
1公斤(夹持式手部)
b)自由度数
4个自由度
c)最大工作半径
279mm
d)手臂最大中心高
684.5mm
B.手臂运动参数
夹紧行程 50mm
夹紧速度 50mn/s
升降行程 100mm
升降速度 100mm/s
回转范围 0°~180°
回转速度 90°/s
C.手指夹持范围
塑料:Φ40mm
D.定位方式
行程开关
E.定位精度
士0.5mm
F.缓冲方式
液压缓冲器
G.驱动方式
气压传动
H.控制方式
点位程序控制(采用PLC)
第三章 机械手总体结构设计
3.1 动作工况与分析
气动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
机械手的全部动作由电磁阀控制的气缸驱动。其中,上升/下降、左移 /右移以及摆动分别由双线圈两位电磁阀控制,机械手的放松 /夹紧由一个单线圈两位电磁阀(夹紧电磁阀)控制。机械手的任务是将A工作台上的工件搬运到B工作台（或B到A），机械手示意图如图3-1所示：
图3-1 机械手示意图
3.2 机械手各部分结构设计
3.2.1 机械手底座的设计
底座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
底座的设计是根据各个零件的尺寸及有助于拆装方便来设计的如图2-2所示：
图3-2 箱座
第四章 气动部分设计
由设计要求可知,机械手有四个移动自由度,其工作程序为:机构下降→夹具夹紧→机构上升→手臂右摆→手臂右移→机构下降→夹具松开→机构上升→手臂左移→手臂左摆退至原位。
气动原理图如图4-1所示。整个气动系统就是要对摆动气缸、夹紧气缸、伸缩气缸和升降气缸的动作进行控制。
图4-1 气动原理图
气路元件表如图4-1所示：
各执行机构的调速，凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可加快起动速度，也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器，这样可以省去电磁阀和切换节流阀或行程节流阀的气路阻尼元件。电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量，与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。
v第五章 PLC控制部分设计
5.1 电磁铁动作顺序
由图4-1可知,机械手的上升、下降分别由电磁铁1YA、2YA控制,机械手的夹紧和松开由电磁铁3YA、4YA控制,机械手的左摆、右摆由电磁铁5YA、6YA控制，机械手的左伸、右伸由电磁铁7YA、8YA控制。当工件已搬到工作台B返回时,为安全起见,用光电开关发出有无工件信号，电磁铁动作顺序如表5-1。
表5-1 电磁铁动作顺序
该系统除了开关量的输入、输出外,没有其他方面的要求。确定输入点数为22个,其中行程开关6个,光电开关1个,操作按钮11个,工作方式选择开关2个;输出点数为12,其中电磁铁8个,指示灯4个。
5.2 I/O分配
根据以上分析，要选择输人点的个数大于14、输出点个数大于10的PLC。对PLC的扫描速度及其它方面无特殊要求。选用S7- 200(CPU226)型号的PLC。它共有24个输人、16个输出点、随机存储器为8KB、计数器256个、定时器256个；有2个高速脉冲输出端和2个RS-485通信口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由口协议的通信能力；运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。PLC与器件的逻辑接线电路图，见图5-1：
图5-1 PLC与器件的逻辑接线电路图
5.3 PLC控制梯形图
由以上I/O分配和电磁铁的动作顺序采用西门子编程指令编写梯形图程序，见图5-2：
图5-2 梯形图
