1 机械手的介绍
1.1 机械手的概述
机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，是使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体 ，需有 6个自由度 。自由度是机械手设计的关键参数 。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：
(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 (2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。
(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动/ (4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 (5)宇宙及海洋的开发。 (6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式。机械式机械手 ；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种 ；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险 物品的主从式操作手也常称为机械手。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 1.2 机械手的工作过程
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。 1、机械手传送工件系统示意图，如图1所示。
左移 8 右移 起动
原点 4 右位 下降电磁阀 右移电磁阀 上限位开关 1 3 上升 下降 下降电磁阀 上限位开关 5 下降 7 上升 下限位开关 2 下限位开关 6 夹紧电磁阀 夹紧电磁阀
（a）机械手的动作过程分解
左/右 夹/松 单步 上/下 手动 复位 起动 停止 单周期 连续
控制面板
图1 机械手的动作过程分解(a)及操作面板图(b) 机械手的动作过程分解图如图1所示。从原点开始按下起动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时按夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限开关，上升电磁阀断电，机械手上升停止；同时接同右移电磁
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限开关，右移电磁阀断电，机械手右移停止。若此时工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过8步动作完成了一个周期。
1.3 机械手的工作方式
机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。自动操作又分为单步，单周期（主要用于调试）和连续操作方式。
手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一中运动单独进行控制，例如，当选择上/下运动时按下起动按钮，机械手上升：按下停止按钮，机械手下降。当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。当选择夹紧/放松运动时，按下起动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。
单步操作：每按依次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。 单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将自动完成一个周期的动作，然后停止在原起始点位置。
连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手的动作将自动地，连续不断地周期性循环。
在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新起动时，须用手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始连续操作。
在工作中若按一下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点，自动停止。
1.4气动机械手
气动机械手是指一压缩空气为动力源驱动的机械手。其主要特点是: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。
本设计所用的机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制，其中，上升/下降和左移和右移分别有双线圈二位电磁阀控制。例如当下降电磁阀通电是，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。同样，
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 左移/右移分别由左右电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松夹紧由一个单线圈二位电磁阀（称夹紧电磁阀控制）。当该线圈通电时，机械手夹紧，该线圈断电时，机械手放松。
当机械手右移到位并准备下降是，为了确保安全，必须在右工作台上无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。
基于PLC的机械手控制设计随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手主要作用是完成水果的抓取工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件货物运输更快捷、便利。
1.4.1气动机械手的结构
机械手结构如下图2所示，机械手为三自由度气压式圆柱坐标型机械手，主要由机座、腰部、水平手臂、垂直手臂、气爪等部分组成。手臂及气爪采用气缸等气动元件。对应的物料分拣装置由4个普通气缸构成，用以装放部同大小的水果，然后再由机械手抓取、搬运和分类堆放。
图2机械手结构图
当机械手处于原点使，左限位开关和上限位开关被压合，起动以后，机械手延-z方向移向A（工步1）,夹紧水果后返回到原位（工步2），再延x方向移向B，放下水果（工步3），最后返回到原位（工步4）完成一次循环，上述过程若采用常规的继电器控制，则很难识别以下两种情况：一是机械手向下移动时，不能识别是向A点，还是向B点；二是在2、3工步，是先回到原点，然后向右，还是直接由A点向右移到B点。采用PLC的步进功能来实现对这一动作过程进行控制，不仅能有效的避免上上述动作的二义性，而且使整个控制过程准确、直观。
1.4.2气动机械手控制系统组成
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 机械手控制系统共有五部分组成：支撑架、电磁阀、限位开关、气缸、气动夹具。各部分由不锈钢材料组成。
（1）气缸是QGB-Q系列的，属于双电控带阀气缸，为自己保持式，电磁换向阀有记忆作用，当切断电信号时，阀位不变，气缸活塞位置保持不变，系统不受突然断电的干扰。气缸的工作压力为0.15~0.8Mpa。 （2）限位开关共有四个：上/下限、左/右限。
在机械手控制中，除了要对垂直手臂升降气缸、气爪等普通气缸进行控制外，考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，对这种混合驱动机械手采用PLC作为核心控制器，上述各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作，PLC采用上海香岛机电有限公司的ACMY-S80 系列PLC
系统主要由机械、电气、控制三大部分组成。其机械部分主要是机械手装置，由气缸、支承装载工件的机构组成。电气部分有检测传感器（4个限位开关，1个光电传感器）、电磁控制阀(其中2个双线圈电磁阀和1个单线圈电磁阀)，汽缸(2个滑动缸，1个摆动缸)，控制部分选用ACMY-S80可编程控制器。
在升降气缸和气爪上都安装有磁性开关传感器，用于检测气缸活塞的位置。通过这些传感器的信号，在PLC的控制下，就能够对滑块气缸和气爪对应的电磁阀进行控制，进而实现气缸的动作。
各气缸是由电磁阀控制。电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；电磁阀并不限于液压还是气动；电磁阀用一般者用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。
电磁阀控制气缸的工作原理，电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的气管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排气的孔，而进气孔是常开的，气体就会进入不同的排气管，然后通过气的压力来推动气缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电 流就控制了机械手运动。
1.5 机械手的工作原理
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。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置. (一)执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
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