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第二章 机械手设计
2.1手结构示意图
图2-1机械手示意图
1.手爪张开闭合 2.手腕旋转 3.水平移动 4.升降 5.立柱旋转 6.手爪 7.手腕电动机 8.横轴 9.竖轴 10.竖轴电动机 11.横轴电动机 12.底盘 13.底盘电动机
2.2械手工作流程
机械手工作流程是：开始运行后，如果机械手不在初始位置上，先回原位，步进电动机开始运转(横轴向后方向移动，竖轴向上移动)。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手爪电动机得电带动手爪旋转；当传感器
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检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪夹紧；延时过后，竖轴上升，上升到位后横轴缩回，缩回到位后底盘电动机带动底盘旋转；当底盘到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开；延时后竖轴上升复位，然后开始下一周期动。
2.3控制要求
手臂上下直线运动。(2)手臂左右直线运动。(3)手腕旋转运动。(4)手爪夹紧动作。(5)机械手整体旋转运动。
手臂采用步进电机驱动，由PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转,实现手臂的进给和定位，手爪采用气压驱动。
2.4主电路设计
基于PLC的机械手控制系统一共有四台电机：一台用于地盘旋转的三相异步电动机，两台用于上升、下降和前伸、后退的步进电动机，一台用于机械手抓紧机构旋转的直流电动机。
图2-2 机械手主电路图
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2.5机械手的机能和特性
物体在三维空间内的禁止位置是由三个坐标和围绕三轴旋转的角度来决定的，因此，抓握物体的位置和方向能从理论上求得。根据资料的介绍，如果采用机械手，其机能要接近于人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”来控制。我们不要那么多自由度，因为根据实际情况而言，控制的自由度越多，其各个部分也就越复杂，相应的制造成本也就增加。
本设计的机械手，它共有自由度5个。即：手臂前后伸缩、手臂上下伸缩、手臂左右旋转、手腕回转、手指的抓握。
2.5.1加紧机构
机械手手爪是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确可靠的要求。设计制造夹紧机构——机械手，首先要从机械手的坐标形式，运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力来计算。则同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力要限制在一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然断电造成被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则结构简单、体积小、重量轻、动作灵活、和工作可靠。
夹紧结构形式多样、有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式夹紧装置。
机械式夹紧是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的开闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位开关完成回转角度的限位，一般可设置在180度。
2.5.2 躯干
躯干有底盘和手臂两部分组成
底盘是支撑机械手的全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个三相异步交流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转编码盘旋转，机械手每旋转三度
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发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位开关，最大旋转角度可达180度。
手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件使它们运动的机构。本设计手臂由横轴和竖轴组成、可完成伸缩、升降的运动。手臂采用电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出信号控制步进电机运转，同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁、位置精度较高，传动效率较高。
2.5.3 旋转编码盘
机械手底盘和躯干每旋转3度发出一个脉冲，并把信号送回可编程控制器来得到转过的准确的角度。编码盘的机构如图2-3
图2-3 旋转编码盘
可以通过改变程序中计数器C0的初值来确定所要转过的角度，这里可以通过用计算机读出指令表，然后修改得到不同的控制角度。
2.5.4步进电机
采用三相六拍混合式步进电机来控制机械手的动作，相比直流电机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。本模型中采用串联型接法，其电气接线图如图2-4
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图2-4 步进电动机接线图
2.5.5 步进电动机的控制
用PLC控制三相六拍步进电机，其控制要求如下：
三相步进电动机有三个绕组：A、B、C， 正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A 反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB→A 以下以控制步进电动机的上升和下降为例
采用移位指令进行步进控制，按照三相六拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表2-1。
表2-1
M31 M32 M33 M34 M35 M36 1 0 0 0 0 0 每左移1位，电机前进一个布局角（一拍），完成六拍后重新赋初值 据此，可作出移位寄存器的输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表，如表所示。从而得出三相绕组的控制逻辑关系式：
正转时：A相 Y000=M31+M32+M36 反转时：A相 Y000= M31+M32+M36
B相 Y001=M32+M33+M34 B相 Y001==M34+M35+M36 C相 Y002=M34+M35+M36 C相 Y002= M32+M33+M34
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