机械手机电一体化设计摘要：当今的自动化技术发展迅速，正处于一个快速变革的时代。
从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的全球竞争压力当今的自动化技术发展迅速，正处于一个快速变革的时代。
从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的全球竞争压力，他们需要进一步降低成本、缩短产品生产周期，并能够迅速完成产品的更新换代。
采用最新的自动化技术才是解决这一系列问题的有效手段。
本次论文明确了机械手的功能需求和动作流程通过查找了大量资料，了解完成了布进电机和驱动器的选型。
通过对机械手制作流程的分析，确定采用PLC 为核心的控制系统。
在对机械手的分析设计部分梯形图及控制程序，完成PLC 的I/O点分配和硬件接线图。
关键词：机械手，步进电机，可编程序控制器目录第一章绪论 (1)工业机器人的发展现状 (1)1.1国外工业机械手的发展现状 (1)1.2国内工业机械手的发展现状 (4)第二章工业机械手的组成及分类 (5)2.1工业机械手的组成 (5)2.2工业机械手的分类 (5)第三章PLC控制机械手的系统设计 (10)3.1各电器设备的控制方式及控制要求 (10)3.1.1机械手的技能和特性 (10)3.1.2躯干和传动系统 (10)3.2电器元件、设备的选择 (11)第四章总结 (23)参考文献 (24)第一章绪论工业机器人的发展现状随着世界工业的发展和科技的不断进步，工业机器人的发展速度日益加快，其发展过程大致分为三个阶段，第一代工业机器人为当前应用最多的示教再现型机器人，它由机器手控制器与示教盒构成，机器人可以按预先引导的动作一一记录下信息，并根据记录的信息重复再现执行；第二代工业机器人为感知型机器人，这类机器人具有力觉、触觉和视觉等功能，同时它还具有反馈外界某些信息并进一步调整的能力，目前已进入应用阶段；第三代工业机器人为智能机器人，这类机器人具有感知外部环境、理解外部环境的能力，即使工作环境发生了改变，它也能够根据变化后的环境而成功地完成既定的任务，目前，这类机器人仍处于研究与开发阶段。
工业机器人是目前机器人领域中技术最成熟、应用最广泛的一类机器人。
工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电器行业等领域。
在工业生产中，弧焊机器人、电焊机器人、装配机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量使用。
在制造业中，尤其是在汽车行业，如在毛坯制造、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测等作业中，机器人己逐步取代人工作业。
汽车行业首先是代表高技术的领域，投入也是相当大，也是率先广泛应用工业机器人的领域;从汽车行业应用工业机器人的发展现状和趋势，可以看出整个工业机器人的发展前景是非常好的。
1.1国外工业机械手的发展现状目前，工业机械手广泛应用于各种制造行业中，如电器制造行业、汽车制造行业、塑料加工行业、通用机械制造行业、以及金属加工行业等都使用了工业机械手。
随着社会生产的进一步发展和科学技术的进步，工业机械手的功能和性能将进一步得到改善和提高，因此，工业机械手的应用领域将越来越广。
（1）工业机械手驱动方式发展现状现在的工业机械手驱动方式大多采用电机驱动。
电机驱动的工业机械手具有精度高、驱动力大、响应快等优点，同时采用电机驱动必须使用减速机构，因此采用电机驱动方式的机械手会大大高于其他方式驱动机械手的成本，因而大大的限制了电机驱动机械手的应用。
随着气动技术的高速发展，又由于气压驱动具有其他驱动方式没有的一些优点，如成本低、高性价比、无污染、结构简单、抗干扰能力强等，因而越来越多的工业机械手采用气动控制，因而气动技术也得到了迅速得发展。
（2）工业机械手定位精度发展现状在气动技术发展初期，由于技术的不成熟，利用气压驱动的工业机械手的定位精度很低，更无法实现在任意位置的起停，只能靠气缸两个终点位置来实现机械手的定位，或者采用多位气缸，而多位气缸的定位长度也已经由气缸的行程确定，同样无法实现机械手在任意位置得起停。
如果要多加一个定位位置，或者是要改变预先确定的两个定位位置之间的距离，则需要另外再设计一个多位气缸，这样就会导致气缸的滑块导向机构更加复杂，所以早期的气动工业机械手不能实现任意位置的定位，因此大大限制气动工业机械手的发展。
伺服技术的出现实现了气缸在任意位置定位，世界上各国都相继开发出了可在任意位置实现起停的气动工业机械手，且定位精度可以达到±0.5mm，如日本SMC公司、德国FESTO 公司等。
气动伺服技术的出现，大大提高了气动机械手的定位精度，实现了气动机械手在任意位置的定位，扩大了气动机械手在自动化领域的应用范围。
现代气动工业机械手的发展方向为集成化、模块化。
因此现代气动工业机械手普遍集成了电气接口和气管的导向系统装置，这样就使得机械手的运动更加协调，更具稳定性，同时现代气动工业机械手的传动部件大多采用量身设计的滚珠轴承，这使得工业气动机械手具有更高的刚性、更高的强度、更好的精度和更好的导向精度。
因此现代气动工业机械手更重要的一个特点就是具有优良的定位精度。
德国FESTO公司研制了一整套模块化气动工业机械手，由于采用了模块化的组装结构，因此可以组成很多种类型的气动工业机械手，如滑块型气动机械手、立柱型气动机械手、门架型气动机械手及其他类型的工业机械手，如图1.1所示。
因此模块化的工业机械手使得工业气动机械手组装更加方便、动作更加灵活、定位精度更高，主要用于一般的工业送取料自动线上。
另外，欧洲的德国和英国开发的应用于各种工业传送系统上的气动机械手，如Bergerlahr公司研制的坐标式气动机械手、德国Bosch公司研制的Scara型气动机械手等，如图1.1所示。
1.2国内工业机械手的发展现状国内的一些机构和高校从20世纪90年代开始对工业机械手开始进行研究，比较具有代表性的是北京理工大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学SMC气动技术中心和浙江大学的流体传动和控制重点实验室。
南京理工大学研制的气动自动化制造系统，这套系统由包装、装配、标贴、加工、成品存取等子系统构成。
在每个子系统自主工作的前提下实现了系统集成控制，同时实现了配置自动化物流，这套系统实现了从成品加工到成品存取的全部过程自动传输与自动装卸，这套系统中设计了一个关节型气动机械手，这个关节型气动机械手主要实现的功能是货物的搬运和货物的翻转，其中集成手部动作、腕部动作、臂部动作和腰部动作的四个自由度联合运动，可以模拟人的关节实现对目标货物的移动、翻转和抓取等动作。
北京理工大学自主研发的具有四个自由度的回转关节型气动机械手，该气动机械手由底板、腰、大臂、小臂、手腕组成。
哈尔滨工业大学研发了具有六个自由度的关节型气动机械手，这类机械手具有结构小巧、自由度多、柔顺性好等优点，但是该类机械手的抓取力相对来说比较小，因此该类型机械手可以用于抓取一些小型物品，可以用做教学使用，同时也可以用作实验使用。
浙江大学的国家级重点实验室-流体传动及控制实验室自主研发的拥有三个自由度的气动比例/伺服机械手，该机械手具有控制精度高、轨迹跟踪性能好等优点，该机械手成功的运用到气动书法机器人上。
但是该机械手也存在工作空间小，抓取力较小的缺点，因此限制了它的应用范围，只可用于如娱乐行业等行业，不可用于装卸货物使用等工业行业。
随着电子技术和电路集成技术的迅速发展，现代工业机械手将气动技术与电子技术紧密结合，气动机械手的实用性在工业自动化领域里越来越充分的体现了出来，特别是目前国内外一些专家学者正在努力尝试将现代控制理论与智能控制算法与气动工业机械手结合起来，并取得了一定的研究成果，这样无疑将使以后的气动工业机械手具有更高的精度、更加集成化、更加智能化，这就为气动工业机械手全面入住工业自动化领域铺平了道路。
第二章工业机械手的组成及分类2.1工业机械手的组成现代工业机械手一般由控制系统、驱动系统、位置检测系统及执行机构等组成。
其系统框图如图2.1所示。
控制系统是机械手系统的核心部分，它的主要作用是使得工业机械手能够按照预定的动作正确的完成每一个动作。
目前工业机械手的控制系统一般都包括主控系统与定位系统。
驱动系统是工业机械手的动力装置，它的主要作用是作为执行机构的驱动源，它由动力源和辅助装置组成。
当前市场上的绝大部分工业机械手采用的驱动方式为液压驱动、电力驱动、气压驱动和机械方式驱动。
执行机构是工业机械手的最终执行机构，它的作用是完成工件的取送工作，当前市场上大多数工业机械手的执行机构为手抓、夹钳和吸盘。
位置检测系统是实现工业机械手精确定位的装置，它的主要作用是实时检测机械手执行机构的具体位置并将机械手的位置信息实时反馈给控制系统，而控制系统根据反馈回来的机械手位置与给定机械手位置进行比较，及时的修正机械手的位置，实现精确定位。
2.2工业机械手的分类关于工业机械手的分类，在国际上尚无统一的分类，在国内暂时按驱动方式、手臂坐标、使用范围对工业机械手进行分类。
（1）按驱动方式分类1)液压传动机械手液压传动机械手是以液压的压力作为动力源来驱动执行机构运动的一类机械手。
这类机械手的特点是运行平稳、抓取力大、结构紧凑、动作灵敏。
但是这类机械手也存在一定的缺点，它对密封装置要求非常高，要求密封装置不能有一点的泄露，否则机械手的工作性能将大大的降低，同时该类型的机械手不宜在过高和温度过低的环境下作业。
如果该类型机械手采用电气和液压伺服驱动系统相结合的控制策略，则可以大大的提高机械手的整体性能，还可以实现连续轨迹控制，从而加大该类型机械手的通用性，但是电液伺服阀制造精度相对较高，而且油液过滤要求极其严格，成本也非常高，这就大大的限制了液压传动型机械手的应用。
2)气压传动机械手气压传动机械手是以空气的压力作为动力源来驱动执行机构运动的一种机械手。
这类机械手的主要特点是:动作迅速、成本较低、抓取力较小、结构简单、介质来源非常方便且无污染。
但是，由于空气具有可压缩性，导致该类型机械手的工作速度稳定性比较差，冲击较大，如果气源压力比较低，抓取力一般小于300N，相比之下，该类型的机械手比液压传动机械手的结构大，因此该类型机械手适用于高速度、小负载、高温度和高粉尘的工作环境中进行作业。
如图2.2所示。
3)电力传动机械手电力传动机械手是以电力作为驱动源来驱动执行机构的一类机械手，一般来说以直流电机、交流电机等各种电机作为驱动源，该类型的机械手的特点是运行速度快、易于控制、控制精度高、结构简单、维护与使用方便。
当前这类机械手使用还不是很广泛，但非常有发展前途。
4)机械传动机械手机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、齿轮和齿条、连杆、间歇机构等）驱动执行机构的一类机械手。
