工业机械手的应用 毕业设计

毕业设计书

类别：机电一体化

专业：机电一体化工程技术

班级：JJ0803

姓名：

毕业设计题目：工业机械手的应用

指导教师姓名：

2011年6月20日

关于机械手的设计方案

摘要

机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。

关键词：PLC，机械手

目录

1绪论 (4)

1.1机械手的概述 (4)

1.1.1 机械手的简介 (4)

1.1.2 机械手的发展 (4)

1.2 气动机械手的的发展状况 (5)

2 可编程控制器 (7)

2.1 可编程控制器的系统组成 (7)

2.2 可编程控制器的工作原理 (9)

2.3 SIEMENS S7-300可编程控制器 (9)

3 机械手总体方案的设计 (11)

3.1 机械手的工作过程及控制要求 (11)

3.1.1 机械手的基本结构 (11)

3.1.2 机械手的控制要求 (13)

3.3 机械手软件的选择 (14)

4 系统硬件的设计 (15)

4.1气动伺服阀 (15)

4.2 气动执行机构的应用及选择 (15)

4.2.1 执行气缸 (15)

4.2.2 执行气爪 (17)

4.3 低速电机的选型 (18)

4.3.1低速电机结构原理与应用 (18)

4.3.2低速电机选型 (19)

4.4 光电开关 (20)

4.4.1 光电开关的工作原理 (20)

4.4.2 光电开关的分类 (21)

4.4.3 光电开关的特点 (22)

4.4.4光电开关的选型 (23)

4.5 PLC模块的选型 (23)

5 PLC程序的设计与调试 (25)

致谢 (27)

参考文献 (28)

1绪论

1.1机械手的概述

1.1.1 机械手的简介

机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。

国内外对机器人及机械手所作的定义不尽相同。国际标准化组织(ISO)对机器人的定义:“机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。这类操作机具有几个轴，在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。”

美国国家标准(NBS)对机器人的定义:“一种可编程，并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的机械装置。”日本工业机器人协会对工业机器人的定义:“一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。”它又分为以下两种情况来定义:(1)工业机器人:“一种能执行与人的上肢类似动作的多功能机器。”(2)智能机器人:“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。”

机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手:它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定(有时可调)程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手:它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小PLC的硬件结构主要分单元式和模块式两种。将PLC的主要部分(包括CPU、I/O系统、电源等) 体积小，安装方便，全部安装在一个机箱内。

1.1.2 机械手的发展

工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电

磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手，命名为Unimate(即万能自动)。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可作点位和轨迹控制；该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±lmm。联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业；联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手(机器人)应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。

我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划(1986-1990)开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入的大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器等等。这些机人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所(SIA)和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC--PWM等等。

我国的工业机械手(或第一代机械手)发展主要是逐步扩大其应用范围；在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范围。

1.2 气动机械手的的发展状况

气动技术——这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业

领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。

机械手的驱动方式有气压传动、液压传动、电气传动和机械传动。气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点。因此，气动机械手设备来满足社会生产实践需要也越来越多的受到重视，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术。

工业自动化技术发展至今，气动定位系统已由传统的两点可靠定位，发展到任意位置定位。传统的气动系统只能在两个机械调定位置可靠定位，并且其运动速度只能靠单向节流阀单一调定的状态，经常无法满足许多设备的自动控制要求。因而电—气比例和伺服控制系统，特别是定位系统得到了越来越广泛的应用。因为采用电—气伺服定位系统可非常方便地实现多点无极定位(柔性定位)和无极调速，此外利用伺服定位气缸的运动速度连续可调性以代替传统的节流阀和气缸端部缓冲方式，可以达到最佳的速度和缓冲效果，大幅度降低气缸的动作时间，缩短工序节拍，提高生产率。原先要设计某一专用机械手时，由于无法做到气缸任意位置上的定位，因此气缸的定位是靠选择它的两个终点位置来实现的。如选用多位气缸，他的定位长度由气缸的行程预先来确定。如果需要增加一个停顿位置，或者要改变其中两个位置之间的距离，原来设计的多位气缸便完全失去功能，如果要求停的位置越多，那么它的滑块导向机构设计就越复杂。也有在其外部设立固定挡块来限制位置定位的(由于受到挡块本身尺寸的限制，两个相邻的位置的距离必须大于挡块的尺寸，且挡块也经不起重载和高速冲击。

2 可编程控制器

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。该种技术是计算机技术与继电接触控制技术相互结合的产物，其解决了传统控制系统内接线复杂、可靠性低、耗能高以及灵活性较差等缺点，因此近年来被广泛应用于电气自动化中。

要正确、合理地应用PLC去完成机械手的控制任务，首先应了解它的结构特点和工作原理，这对控制系统应用程序的开发设计有着非常重要的作用。

2.1 可编程控制器的系统组成

可编程控制器主要由中央处理单元CPU、存储器、输入输出接口、电源、I/O扩展接口、外部设备接口、编程器等几个主要部分构成。

(1)CPU

CPU作为整个PLC的核心起着总指挥的作用，是PLC的运算和控制中心。它的主要任务是:

①诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。

②用扫描方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存人输入映象寄存器或数据寄存器中。

③在运行状态时，按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，经编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作，根据运算结果存储相应数据，并更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容。

(2)存储器

PLC内部的存储器有两类:

一类是系统程序存储器，用以存放系统程序。系统程序根据PLC功能的不同而不同。生产厂家在PLC出厂前己将其固化。在只读存储器ROM或PROM中，用户不能更改。另一类是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。这类存储器一般由随机存

取存储器RAM构成，其中的存储内容可通过编程器读出并更改。为了防止RAM中的程序和数据因电源停电而丢失，可用锂电池作为后备电源，一旦交流电源停电，用锂电池维持供电。PLC产品手册中给出的存储器类型和容量是到对用户程序存储器而言的。

(3)输入输出接口

输入/输出(I/O)接口是将PLC与现场各种输入/输出设备连接起来的部件(有时也被称为I/O单元或I/O模块)。输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备(如限位开关、操作按钮、光电开关、温度开关等)的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。输入信号是通过光电耦合器件传送给内部电路的，输入信号与内部电路之间并无电的联系，通过这种隔离措施可以防止现场干扰串入PLC输出接口则相反，它将经CPU处理过的输出数字信号(1或0)传送给输出端的电路元件，以控制其接通或断开，从而驱动接触器、电磁阀、指示灯等输出设备获得或失去工作所需的电压或电流。为适应不同类型的输出设备负载。

(4)电源

PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC 的CPU、存储器、输入输出接口等内部电子电路工作需要的直流电源电路或电源模块。输入、输出接口电路的电源彼此相互独立，以避免或减小电源间干扰。

(5)编程器

编程器是人与PLC联系和对话的工具，是PLC比最重要的外围设备。用户可以利用编程器来输入、读出、检查、修改和调试用户程序，也可用它监视PLC的工作状态，显示错误代码或修改系统寄存器的设置参数等。除采用手持编程器编程和监控外，还可通过PLC的RS232C外设通讯口(或S422口配以适配器)与计算机联机，并利用PLC生产厂家提供的专用工具软件，来对PLC进行编程和监控。相比起来，利用计算机进行编程和监控往往比手持编程工具更加直观和方便。

(6) I/O扩展接口

若主机(基本单元)的I/O点数不能满足输入输出设备点数需要时，可通过此接口用扁平电细线将I/O扩展单元与基本单元相连，以增加I/O点数。

(7)外部设备接口

外部设备接口可将编程器、上位计算机、图形监控系统、打印机、条码判读器等外部设备于主机CPU连接，以完成相应的操作。

2.2 可编程控制器的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

(1) 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

(2) 用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

(3) 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出

2.3 SIEMENS S7-300可编程控制器

S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。SIMATIC S7-300可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。

S7-300主要由以下几个部分组成:(1)中央处理单元(CPU)各种CPU有各种不同的性

能，例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口等。(2)信号模块(SM)用于数字量和模拟量输入/输出。(3)通讯处理器(CP)用于连接网络和点对点连接。(4)功能模块(FM)用于高速计数，定位操作(开环或闭环定位)和闭环控制。(5)负载电源模块(PS)用于将SIMATIC S7-300连接到120/230 伏交流电源，或24/48/60/110伏直流电源。(6)接口模块(IM)用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7-300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER),可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。(7)SIMATIC S7-300适用于通用领域。(8)高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。

S7-300有两种类型:(1)标准型:温度范围从 0℃到 60℃。(2)环境条件扩展型:温度范围从 -25℃到 +60℃更强的耐受振动和污染特性。

SIMATIC S7-300 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护、高速的指令处理。人机界面 (HMI)方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面 (HMI)从 S7-300 中取得数据，S7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300 操作系统自动地处理数据的传送。诊断功能 CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如：超时，模块更换，等等)。操作方式选择开关

操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。通讯这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的STEP7的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。

3 机械手总体方案的设计

3.1 机械手的工作过程及控制要求

3.1.1 机械手的基本结构

机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由左工作台搬到右工作台。有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。图3.1为机械手简图,其中 1-竖直气缸，2-执行气爪，3-工件，4-水平气缸，5-旋转轴，6-支架，7-底座。

这个机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度用于将源工作台上的物品搬到其左侧或右侧目的工作台上。机械手的直线动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左传/右转、夹紧/放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成，升降工作行程为0~1500mm;转动是通过电机驱动轴承、转动工作行程为0~180°；手爪是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩量来调整。

机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着机械手的发展及实用性模块化拼装的气动机械手比组合导向装置更具有灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于采用了模块化拼装结构，可组成立柱型气动机械手、门架型气动机械手及滑块型气动机械手，及其它各种类型的机械手。这些模块化机械手组装方便，动作灵活，具有较高的定位精度，但工作空间比较小，主要应用于一般的送料自动线上。气动机械手具有三个自由度，即水平(Z)方向自由度、垂直(Y)方向自由度和旋转自由度，并可以采用多种灵活的控制方案。

图3-1 机械手简图

图3.1中工件所处位置为原点位置，根据课题设计任务书的要求：机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转。当光电开关检测到物品后，左传送带停止运行。

根据分析可得出机械手的工作流程图，如图3.2所示。

图3-2 机械手工作流程图

可见，实现要求功能需要如下条件：

(1)底座与横梁之间需要旋转盘，旋转盘的驱动由电机来完成，普通电机转速较高，需要考虑安装减速机，在这种频繁启动制动的场合下，选用低速电机会更方便。

(2)横梁在普通情况下，长度是固定的，如果工作台不进行调整，横梁长度可永远不变。课题任务也未作横梁要求，但在实际应用中，可能出现工作台距离调整的情况，

为增加机械手的通用性，本设计中在横梁上安装了执行气缸，可使用手动按钮调整横梁长度。

(3)竖直方向上是频繁上下工作的机构，可选用电机传动的齿轮齿条啮合机构，也可选用执行气缸，后者是新技术更经济、环保、噪音低，也更符合课题要求。

(4)抓紧机构也可选用气动执行爪和执行气缸并用组成气动执行模块。

(5)光电开关在控制方面是作为输入量的信号源之一，它可以选择模拟输入和数字输入，根据课题要求和后面PLC的各输入量的情况，选用数字输送式的光电开关更方便简捷。

根据以上分析，机械构造方案基本固定。整个机械手一共用到三个气缸，PLC需要控制每个气缸的动作：横梁长气缸的内外调，执行气爪的夹持与放松、竖导杆气缸的升降和各气缸的定位控制上面所述的横梁调整功能是本设计的创新之一，另外两个是工件计数和故障报警。

3.1.2 机械手的控制要求

机械手的操作方式分为手动操作和自动操作，自动操作又分为单周期操作和连续操作方式。手动操作是指用按钮对机械手的每一步运动单独进行控制；单周期操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手自动完成1个周期的动作后停止；连续操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按停止按钮，机械手将继续完成1个周期的动作后，回到原点自动停止。

（1）机械手的自动运行：

①下降：当机械手检测到传送带A上有工件时，有原点位置开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时接通加紧电磁阀线圈。

②加紧工件：当机械手加紧到位时，压力继电器动合触电闭合，接通上升电磁阀线圈。

③上升：当机械手夹紧到位时，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通右移电磁阀线圈。

④右移：当机械手上升到位时，机械手开始右移，右移到位时，碰到有极限开关，机械手停止右移，同时接通下降电磁阀线圈。

⑤下降：当机械手右移到位时，机械手重新开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时释放加紧电磁阀线圈。

⑥放松工件：放松动作为时间控制，设为2秒。

⑦上升：工件放松后，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通左移电磁阀线圈。

⑧左移：机械手上升到位后，开始左移，左移到位时，碰到左极限开关，机械手停止左移。

⑨回到原位：机械手左移到位后，回到原点位置，再次自动启动传送带A，当光电开关检测到工件后，又开始新的工作循环周期。

机械手的手动运行

（2）手动运行是指机械手的上升、下降、左移、右移及夹紧操作通过对应的手动操作按钮控制，与操作顺序无关。

PLC模块选择：电源模块，CPU模块，输入模块，输出模块。其中输入和输出模块都选用数字量的类型，输入量较多，选择32路模块，输出量较少选择16路的模块。

3.3 机械手软件的选择

与S7-300相配套的系统软件是STEP 7编程软件，界面如下图所示：

图3-3 STEP编程软件

4 系统硬件的设计

4.1气动伺服阀

图4-1伺服阀闭环控制系统，阀是作为控制气缸的元件，直接由电动作和控制。它也是信号转换器。三位阀能用于控制气缸反向运动，其可在中位关闭，因此允许气缸定位在任意要求停止的位置。阀必须能连续可调以允许控制流量且动作迅速以快速地把控制信号转换，得到要求的空气压力值。压力值必须能很精确被调整，基于这原因，阀可以算是一个独立的闭环控制环节。在这环节中，阀滑柱位移被测量和参考位移作比较。

图4-1 伺服阀闭环控制系统

4.2 气动执行机构的应用及选择

4.2.1 执行气缸

执行气缸是以压缩空气作为源动力的执行机构，有薄膜式、活塞式和齿轮齿条式。气源的开闭由电磁阀控制,从而改变执行部件的位置。它具有经济、环保、低噪音等特点。执行气缸有缸径（mm）、动作方式、制动器类型、使用压力范围、活塞速度、行程公差、环境及流体温度、气缸耐压试验压力、制动器使用压力范围等指标。

本机械手采用气压驱动，使用的是压力为0.6MPa，最高可达1MPa。气压驱动主要优点是气源方便(一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气)，驱动系统其有缓冲作用，结构简单，成本低;便于维修。缺点是功率质量比小，装置体积大，定位精度不高。适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。根据课题情况选择合适的产品系列。这里选择了机械式无杆气缸带制动器及行程可读出传感器ML2B系列。

ML2B系列具有以下特点：①采用双活塞式齿轮、齿条结构，效率高、体积小、重量轻。②单气控型采用多弹簧结构，使双气控型和单气控型外形尺寸相同，达到零件完全互换的目的。③在需电磁阀控制时，电磁阀可在气缸外壁直接安装，无需外接气管。④

单气控型执行机构的弹簧预压至设定的位置后，安装在气缸盖内，可方便、安全的增减弹簧数量。⑤气缸采用铝合金拉制成型，内表面经特殊工艺处理；活塞多导向结构设计，用低摩擦非金属材料做滑动轴承，避免气缸内壁与金属材料直接接触；齿轮精确加工；齿条精密铸造；确保整机动作灵敏可靠和长久的使用寿命。⑥允许中间停止，多点定位及保持位置。采用行程可读出传感器并配以特别为ML2而设计的控制器CEU2，令重复精度提高（±0.5mm）。⑦制动器采用气释放式，不动作时被弹簧锁紧，供气时才把制动器释放。⑧最小量度单位：0.1mm。

ML2B系列执行气缸的选型标号如图4-2所示。

图4-2ML2B系列执行气缸的选型标号

执行气缸型号根据参数要求选择为ML2B 25 S500L，数据如表4-1所示：

表4-1气缸参数数据

4.2.2 执行气爪

气缸与气爪在气动元件领域内，都称呼为执行元件。他们通过不同的结构设计，来达到不同的使用效果。气缸的主要划分是根据结构：有杆、无杆，然后根据输出力的大小，对应的活塞直径，行程各不相同，同时还有单作用，双作用，行程可调等等各种规格。气爪简单的理解其实也是气缸，都是通过压缩空气来推动活塞动作，气爪的开头一般情气爪选择方面使用了MHL系列型号表示方法如图4-3所示：

图4-3MHL系列执行气爪的选型标号

况下分为两片，通过推动活塞，完成夹紧和收放的动作。

气缸与气爪的相同点一般在于，都是使用压缩空气作动力源，都是使用电磁阀来完成换向。基于这样的分析和实际要求，再考虑气动执行元件的特点和当前的技术性能，可以获得这样的认识：(1)一般来说，气缸可以保证起点和终点的定位精度，因此，对于竖直方向的定位应该可以保证；(2)现在SMC的ML2B系列机械式无杆气缸(带制动器及行程可读出传感器)能够实现中间若干位置的定位，定位精度可以在0.5mm内，因此，可以满足水平方向的多个位置定位及精度要求。这就是采用气动技术可望替代伺服电机控制方式的可行性和技术基础。而且，采用气动技术可以显著地降低机械手的成本。

4.3 低速电机的选型

低速电机是近几年出现的专利产品,内置谐波发生器和高低速转子。与传统电机相比，它具有低转速、大扭矩、低能耗、低噪音、体积小、精度高、安装简便、使用寿命长等特点。它无需配减速机，可直接驱动机械设备，并且可实现0.01秒左右的快速制动效果，适用于频繁制动启动场合。低速电机的外观图如上图所示。

4.3.1低速电机结构原理与应用

目前现有工业上大量使用的电机的转速一般为2880r/min、1440r/min、960r/min 等等，具有上述转速的电机，欲用于工业设备的运行，一般需要与减速机配套使用。这一传统的转动方式，仍保留至今，人们总试图发明一种电机能满足不同转速需要并能直接驱动机械设备，但总没有根本性的突破，虽然近几年出现了一些新原理的低速电机，但这种电机效率和功率因素极低，整机效率＜35%，功率因素仅为0.3～0.5，能力指标较差，是一个耗能产品，并且体积庞大，因此，仅适合于小于300瓦的场合，无法驱动动力设备。

本低速电机的目的在于提供一种能直接驱动工业设备，特点为（1）输出扭矩大，能直接驱动机械设备，（2）转速低，最低为2.2转/分，（3）体积小，重量轻，（4）效率高，噪音低，节省能源。它克服了已有技术转速高，扭矩小，效率和功率因数低体积庞大，耗能源的缺点，可广泛应用于机械设备，电子设备，生产自动线，化工设备等领域。

图4-4是低速电机结构示意图。其各部分名称如下：

图4-4 低速电机结构示意图

1.输出轴

2.低速转子

3.柔轮

4.刚轮

5.谐波发生器

6.定子

7.高速转子

8.风罩

9.风叶 10.机体

现结合图3-4作进一步描述。本系列产品是供驱动工业设备用的低速电机，它包括有输出轴(1)、低速转子(2)、高速转子(7)、定子(6)、风叶(9)、机体(10)和风罩(8)，

还包括有刚轮（5）和谐波发生器（6）。输出轴、低速转子、定子、刚轮和谐波发生器置于机体内，用DR510-50硅钢片制成的定子与用30CrMnSiA结构合金钢制成的低速转子刚性联接，并一起作低速转动，用DR510-50硅钢片制成的高速转子置于定子中，高速转子一端通过轴承与低速转子相联，之间又能保持相对运动，高速转子与用45号钢制成的谐波发生器固联，高速转子另一端又通过一轴承与HT20-40铸铁制成的机体相联，其端尾还转有一只用尼龙或铸铝制成的风叶，风叶外还装有用A3钢板制成的风罩，谐波发生器放置在低速转子内，能够自由旋转，并使用低速转子上的齿与用45号钢制成的刚轮上的齿相啮合，刚轮与机体固联。值此低速电机做出。

本低速电机是由下列措施实现的，它包括有输出轴，低速转子，高速转子，定子，风叶和机体，它还包括刚轮和谐波发生器。输出轴，低速转子，定子，刚轮和谐波发生器置于机体内，定子与低速转子刚性联接，并一起作低速转动，定子中又放置高速转子，高速转子一端通过轴承与低速转子相联，之间又能保持相对运动，高速转子另一端又通过一轴承与机体固联，高速转子还与谐波发生器固联，谐波发生器放置在低速转子内，能自由旋转，并使低速转子上的齿与刚轮上的齿相啮合；刚轮与机体固联。高速转子端尾还装有一只风叶，风叶外还装有风罩，风罩与机体固联。

低速电机工作原理：定子通以三相电或单相电产生旋转磁场，高速转子在磁场的作用下高速旋转，并带动谐波发生器在低速转子内旋转，此时，刚轮上的齿与低速转子上的齿相啮合，由于谐波发生器产生一双波变形波，使低速转子产生波动变形，而刚齿数为Z1，低速转子齿数Z2，当高速转子速为N1时，则低速转子的转速N2=（2N1）/Z2。例如：N1=1400转/分，Z2=200,则N2=（2×1400）/200=14转/分，由此得到电机的低速运行。

低速电机与普通电机相比有如下特点：(1)输出扭矩大，这样就可直接驱动机械设备；(2)转速低，最低可达2.2转/分；(3)体积小，重量轻，仅为普通电机同减速机之和的1/2左右；(4)简化传动系统，由于直接驱动机械设备，不再用减速机，因而简化了传动系统；(5)效率高达65%左右，功率因素达0.65~0.85，因此节省能源，并且噪音低，工作平稳等等。该实用新型可广泛应用于纺织机械，轻工机械，建材机械，矿山冶金，起重运输，电子设备，仪器仪表，医疗器械，生产自动线，家用电器和化工设备等领域。

4.3.2低速电机选型

YDS-II系列低速电机选型，要根据多种参数，表4-2列出了参数指标，将型号最终

选为了YDS-II-56。

表4-2低速电机参数数据

4.4 光电开关

光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。

图4-5 光电开关

4.4.1 光电开关的工作原理

光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。