齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

第2章 智能码垛机械手的总体方案设计

正如“建筑要高大稳固，地基打好是关键”，一个系统的设计能否成功，主要取决于它的方案设计合理与否，也就是说方案的选择是设计系统的核心部分。本章主要就系统的驱动部分、传感器选型部分、控制部分等进行方案论证，并简述智能码垛机械手系统的动作顺序控制流程和工作原理。

本章主要介绍了智能机械手的整体设计方案，并论证方案。还注重介绍了智能机械手的硬件选择与设计，包括驱动器的设计选型、伺服电机的选型，经验计算确定型号的基础上，根据惯性矩匹配原则和转矩匹配原则对伺服电机进行校核。传感器设计选型，各个关节驱动方式的选择以及各个关节位置控制系统的设计和电气系统的设计，都为智能码垛机械手的智能控制做好了铺垫。

2.1 基于PLC的智能机械手总体设计方案与论证

2.1.1 方案设计

智能码垛机械手系统可分为机构本体和控制系统两大部分。控制系统的作用是根据用户的指令对本体进行操作和控制，完成作业的各种动作。控制系统的性能在很大程度上决定了机械手的性能。一个良好的控制系统要有灵活、方便的控制方式和很高的安全可靠性[7]。

（1）硬件组成：电源、PLC控制系统、外部开关设备、各传感器组成系统、驱动器变频系统、继电器、显示灯、伺服电机

（2）工作原理：根据用户的指令对本体进行操作和控制，将指令传输下载到PLC控制系统，控制器通过控制继电器与驱动器来控制电机的正反转令其高效运行。与此同时通过光电开关传感器检测到的物件信号来反馈给PLC主机使其能自动精确运行。还通过触力传感器来感知机械手爪对物件的抓取力度，并反馈给PLC主机使其能够控制电机在安全范围内运行。并且通过行程开关的使用也使电机得到有效的自动化控制。

在PLC集成模块中，加入PID智能算法，通过驱动器编码器的反馈信息，可形成闭环的智能反馈控制使码垛机械手的控制更加稳定、高速、灵活。如图2-1所示：

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机械手状态反馈传感器信息控制指令工控机机械手状态控制状态示教机机械手状态外部传感器PLC 控制器机械手状态信息其他设备伺服电机控制指令驱动器状态、反馈信息驱动器……驱动器控制信号反馈信息伺服电机机械手

图2-1 机械手控制系统原理

2.1.2 方案论证

PLC控制系统具有体积小、重量轻、控制方式灵活方便、可靠性高操作相对简单，并且维修容易。由于PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。机械手采用PLC控制技术，可以很好地提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器，时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，用PLC控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。且它更适合工业现场和市场需求：高可靠性、强抗各种干扰的能力。比之单片机它的输入输出更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或更多的接口，这样节省了时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。可以不用专门培训就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程序不同的工业控制任务。综上所述，本控制系统采用PLC控制方式[9]。

总体方案设计是该码垛机械手设计的关键，机械手的经济指标、技术性能、外观造型都与该阶段设计质量的好坏相关。系统的总体设计又分为功能原理设计，结构总体设计，机械手功能设计、总体布局的规划、主要技术参数的确定及各个数据的分析等内容。对于机械手的总体方案设计，其主要的内容包括：确定机械手的基本参数、选取机械手的驱动方式、选择该机械手的运动方式以及手臂的结构形式、机械结构的设计等[14]。

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2.2 机械手的主要结构及控制方案

2.2.1 机械手的基本结构

本毕业设计所研究的智能码垛机械手是多关节机械手，多关节机械手在结构设计，用途上具有很多优点。它动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作。随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。关节型码垛机械手的特点有[9]：结构紧凑、工作空间较大、占地面积小。工作的可达性高，可以进入任何在其工作范围内的空间。对关节的驱动所需的驱动力较小，能量的损失小。由于关节型的机械手没有移动关节，因此不需要导轨。而且转动关节的轴承摩擦力小，转动惯量小，工作稳定，关节处容易密封。如图2-2所示码垛机械手主要由机座、左右转轴、垂直位移机构、抓头机构组成。

图2-2 机械手基本结构

1- 机座 2- 伺服电机M1 3- 左右转轴 4- 伺服电机M2 5- 平衡缓冲器 6- 机械臂1 7- 伺服电机M3 8- 四连杆机构

9- 机械臂2 10- 伺服电机M4 11- 抓头机构

机座的作用是固定机械手，与地面用螺栓连接，是机械手稳定工作的关键。左右转轴机构是由伺服电机M1驱动，伺服电机M1参数、运动曲线的选择，对于机械手平稳快速运行具有重要作用。伺服电机M1的运行范围360°，在实际应用中，为了提高机械手的运行效率，在不影响码垛质量、场地允许的情况下，建议M1的运行范围尽量小。垂直位移机构是机械手的最重要的关键机构，它由平衡缓冲器、伺服电机M2驱动的机械臂1、伺服电机M3驱动的机械臂2、四连杆机构等组成。伺服电机M2和伺服电机

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M3按照一定的曲线同步运行， PLC 通过变频驱动器控制伺服电机M2和M3的运动过程，决定机械手上升下降柔性动作的效果。平衡缓冲器主要平衡机械臂和抓载物体，同时对机械臂的过冲进行缓冲。四连杆机构作用是稳定抓头保持水平。抓头机构由抓头和驱动垛层旋转的伺服电机M4组成。一般情况下，伺服电机M4的运行和伺服电机M1 的运行角度相同。垛层的排列、箱子的大小不同，所用抓头不同。

图2-3 机械手整体结构

2.2.2 机械手的基本结构设计

该码垛机械手的本体结构是由底座、机械手臂（前臂和臂）腕部结构和末端执行器组成。其四个自由度分别是：底座的旋转、后座与底座之间的旋转、前臂后壁之间的旋转。腕部和末端执行器之间的运动。底座可以固定在地上，其它所有的执行机构和驱动均安装在底座上。底座上支架用来支撑各个减速关节机械手的手臂。同时，小臂是由大臂支撑的，大臂的旋转直接影响到小臂的可达区域。小臂的旋转可实现垂直方向的运动。该码垛机械手的前后壁均采用平行四边形机构，这样可以确保机构的稳定性，而且可以保持末端执行器的水平，而各个关节采用直接驱动的方式[10]。整体结构如上图2-3：

根据静力学的分析，各个手臂的强度基本上都在60Mpa以下，可以选用铝合金、铸铁、Q235等材料。这辟材料的密度小，弹性模量阻尼小。在整个的机械手结构中不应该有薄弱的零件，各个零件的刚度要达到要求，而且各个零件之间的连接刚度要满足条件，那会影响到整个机械手工作的稳定性。在设计的时候还要注意关节的密封以及线缆的布置。在码垛机械手工作的时候应避免绞线情况的发生。

2.3 机械手的工作参数及工作流程

依据以上方案设计，本课题研究的码垛机械手的参数如表2-1所示。表中J1轴为码垛机械手底座的旋转轴，J2轴为机械手后臂与底座的减速器旋转轴，J3轴为机械手前后臂之间连接的减速器旋转轴，M4为机械手爪部的电机。

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