三自由度机械手控制系统研究
三自由度机械手运动学的研究
ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｉｓ ａＣＣｅＳＳ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｓｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｓｉｍｐｌｅ ３Ｄ
为重要 本文通过建立一种简易设计机械手的三维模型，简单介绍了Ｄ—Ｈ方法并对该法进行了简便运算方法的分析，再结合要设计的机搏手
模 型确定 了 Ｄ—Ｈ参数后 ．通过对机械 手关节处的特征矩 阵进行 求解机 械手运动 学的正解运 算 ，最终得 到 了机械手末端的姿 态，并 结合实际情 况对末端运动 坐标进行 了验证 。经验证 ，所确定的运动 函数 完全符合 设计的需求 ，对现 实 中机械 手的生产、控制 、研发等提供 了可靠的理论依
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
械手结 构简单 ，使用普遍 ，具有 良好 的通用性 ，因此采用该 机械手来进 行简单 的运 动学分析 ，使得学者通俗易懂 ，计算 的工作量 减少 ，更好的
动机 构 。使手部完成各 种转动 （摆 动）、移动或 复合运 动来实 现规定 的 掌握 运动学 的运算方 法。
器人运动学主要是来研究机器关节与机器人各刚体之间 的运动关 系
本文采用三 自由度机械手 ．建立其在运动 中运 动的模型 ．通过 Ｄ—Ｈ方
基于步进电机的三自由度直角型机械手设计
摘 要在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制、计算机系统、 机器人等。
其中工业机器人是相对较新的机械电子设备，它在现代化工业生产中正扮演 着越来越重要的角色。
全自动化工业机械手有能模仿人手和手臂的某些动作功能，用固定程序搬运，抓取 物体或操作工具的自动操作装置，机械手主要由手部和运动机构组成。
按照搬运或者抓 去的物件形状、尺寸、重量、材料和作业环境等的要求的不同，手部有几种结构形式， 吸附型，托持型和夹持型等。
运动机构的功能是使手部完成各种动作：移动、转动等运 动来实现规定的动作。
机构的伸缩、升降和旋转等运动方式，称为机械手的自由度。
本 设计选用三自由度直角坐标型工业机器人，其工作方向为四个直线方向，是通过滚珠丝 杠来实现小臂与大臂的伸缩，升降。
而这些动作都是通过在步进电机的带动下进行。
在 控制器的作用下， 它将执行将工件从一条流水线抓取并运送到另一条流水线这一简单的 动作。
本篇论文主要对机械手的传动部分滚珠丝杠与步进电机进行了计算， 计算内容主要 包括工业机器人的传动机构的设计，以及其机械传动装置的选择。
另外对控制部分的描 述主要有单片机的控制方案，接线原理图以及程序流程图等。
关键词：三自由度，直角坐标，工业机器人ABSTRACTIndustrially, automatic control systems have a wide range of applications, such as automation machine tool control, computer systems, robotics. The industrial robot is a relatively new machinery and electronic equipment in the modern industry, it is playing a more and moreimportant role.Fully automated industrial machinery hand can imitate hand and arm some action function, with fixed procedures handling, grasping an object or operation tool for automatic operation device, the manipulator is mainly composed of a hand and the movement mechanism. According to the transporting or catch to object shape, size, weight, materials and working environment of the different requirements, hand there are several structure forms, adsorption, supporting and clamping type. Motion mechanism is the function of the hand to complete a variety of actions: moving, rotating movement to achieve the required action. Body stretching, lifting and rotating movement, known as the degrees of freedom manipulator. The design of three degree of freedom industrial robot in Cartesian coordinate type, which is composed of four linear direction, through ball screw to realize small arm and the arm stretching, lifting. These movements are all based on the stepper motor driven by. Under the action of the controller, it will perform a workpiece from one production line to crawl and transported to another line of this simple action.This paper focuses on the manipulator drive portion of the ball screw and the stepping motor were calculated, calculate the content mainly includes industrial robot design of the transmission mechanism, and the mechanical transmission device selection. In addition to the control part of the description there are singlechip microcomputer control scheme, the wiring diagram and the program flow diagram.Key words ：three degrees of freedom,Cartesian coordinates , industrial robot目 录1 绪论 (1)1.1 装配机械手的概述.................................................................错误！未定义书签。
3自由度的机械手控制器设计原理
3自由度的机械手控制器设计原理3自由度的机械手是指可以在三个方向上移动的机械手，通常是由三个关节组成的。
这样的机械手可以进行基本的平移和旋转运动，可以用于各种应用场景，如工业生产、医疗手术和科研实验等。
为了实现对3自由度机械手的精确控制，需要设计一个有效的控制器来实现对机械手的精准运动控制。
3自由度机械手的控制器设计原理主要包括以下几个方面：1.传感器系统设计：传感器系统是机械手控制器的基础，通过传感器系统可以获取机械手的位置、速度和力信息。
在设计3自由度机械手的控制器时，需要选择合适的传感器来获取机械手各个关节的位置信息，以实现对机械手的闭环控制。
常用的传感器包括编码器、惯性传感器和力传感器等。
2.运动控制算法设计：运动控制算法是机械手控制器的核心部分，通过运动控制算法可以实现对机械手的轨迹规划和动态控制。
在设计3自由度机械手的控制器时，通常采用PID控制算法或者模型预测控制算法来实现对机械手的动态控制。
PID控制算法通过调节比例、积分和微分参数来实现对机械手位置和速度的精确控制，而模型预测控制算法则通过对机械手的动态模型进行建模，并利用预测控制器来预测未来的行为，并实现对机械手的精确控制。
3.人机交互界面设计：为了方便用户对机械手进行操作和监控，需要设计一个友好的人机交互界面。
在设计3自由度机械手的控制器时，可以采用图形界面或者虚拟现实界面来实现对机械手的控制和监控。
通过人机交互界面，用户可以实时监控机械手的状态，并进行控制参数的设定和调整，以实现对机械手的精确控制。
总的来说，设计一个有效的3自由度机械手控制器需要综合考虑传感器系统设计、运动控制算法设计和人机交互界面设计等方面，通过合理的设计和实现，可以实现对机械手的精确控制，并满足不同应用场景的需求。
通过不断优化和改进，可以实现对机械手的更精准和高效的控制，为各种应用场景提供更好的解决方案。
3个自由度机械手设计
3个自由度机械手设计在机械工程领域，自由度是指机械系统能够相对于给定的参考坐标系进行自由移动的能力。
一个自由度可以定义为系统中独立运动的最小数量。
在机械手设计中，自由度是一个重要的参数，决定了机械手的灵活性和能够执行的运动任务。
以下是三个具有不同自由度的机械手设计：1.二自由度机械手二自由度机械手通常由两个旋转关节组成，分别控制机械手在水平和垂直方向上的运动。
这种机械手设计常用于需要在平面上移动和旋转物体的应用，如装配线上的零件搬运和放置。
机械手的两个关节可以通过电机和传动装置控制，使得机械手能够沿不同方向进行精确的运动。
2.三自由度机械手三自由度机械手通常由两个旋转关节和一个直线关节组成，分别控制机械手在水平、垂直和前后方向上的运动。
这种机械手设计常用于需要进行更复杂操作的应用，如工业机器人中的装配和焊接。
机械手的旋转关节可以使机械手在水平和垂直方向上进行精确的定位，直线关节可以使机械手在前后方向上进行伸缩，从而实现更加灵活的操作。
3.六自由度机械手六自由度机械手是最常见的机械手设计，通常由三个旋转关节和三个直线关节组成。
旋转关节控制机械手在水平、垂直和绕轴方向上的运动，直线关节控制机械手在前后、左右和上下方向上的运动。
这种机械手设计在许多领域中得到广泛应用，如汽车制造、医疗设备和航空航天等。
六自由度机械手的设计使得机械手能够进行复杂的运动和操作，具有较高的灵活性和精确性。
总的来说，机械手的自由度是机械手设计中的一个重要参数，决定了机械手的灵活性和能够执行的运动任务。
不同自由度的机械手适用于不同应用场景，可以根据具体需求选择合适的机械手设计。
三自由度机械手运动学的研究
三自由度机械手运动学的研究【摘要】机械手的运动学分析是研究的热门话题，通过获得机械手末端装置在空间中的姿态与位置的方法，对于机械手的设计和控制极为重要。
本文通过建立一种简易设计机械手的三维模型，简单介绍了D-H方法并对该法进行了简便运算方法的分析，再结合要设计的机械手模型确定了D-H参数后，通过对机械手关节处的特征矩阵进行求解机械手运动学的正解运算，最终得到了机械手末端的姿态，并结合实际情况对末端运动坐标进行了验证。
经验证，所确定的运动函数完全符合设计的需求，对现实中机械手的生产、控制、研发等提供了可靠的理论依据。
【关键词】机械手；机器人；自由度；D-H法；正运算。
Research of Imaging System Based on STM MCUWU Xiao-lei1 WANG Shu-kun2 LI Da-peng2（1.olleg JiLin Province Design and Research Institute Petrochemical Engineering，Changchun Jilin，130022，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun Jilin，130022，China）【Abstract】Manipulator kinematics analysis is the hot topic in the research.It is of extreme importance to design and control of the manipulator through this access to get the end of the manipulator the position and posture in the space.In this paper，through the establishment of a simple 3D model design，the D-H methods were simply introduced ，combining D-H parameters model，solving the manipulator kinematics positive solution，finally gets the end of the manipulator，s posture，and connecting with the actual situation of terminal motion coordinates . Determine the movement function completely accords with the demand of this design.Provides the reliable theory basis for the production，the control of the kinematics.【Key words】Manipulator；robot；Degree of freedom；D-H method；Forward kinematics.0 引言使用机械手对工件进行搬运，目前已经得到了大范围的推广，因此研究机器手的运动，从而更好的设计和控制机器手也十分重要。
PLC控制三自由度机械手控制部分分析与设计
图 ３机械 手 循 环 动 作 过 程示 意 图
停止信号 ： 下限位开关得 电。 动作 ７ ： 开始信号 ： 下限位开关得 电。 动 作 ： 手指松开动作 。 停止信号 ： 手指限位开关得 电。
动 作 ８ ： 开始信 号 ： 手指限位开关得电。
・
ｌ ２・
动 作 ： 手臂上摆 动作 。 停止信号 ： 上限位开关得 电。 动作 ９ ： 开始信号 ： 上限位开关得 电。 动 作 ： 回转腰右转动作 。 停止信号 ： 右限位开关得 电。机械手 回复初始状态 。
科 技 论 坛
・１ １・
Ｐ Ｃ控制三 自由度机械手控制部分分析 与设计 Ｌ
黄 智 英
（ 巴音 郭楞职业技术学院， 疆 巴音郭楞 ８ １０ ） 新 ４ ０ ０
摘
要： 本文主要 分析 和论述如何利 用 Ｐ Ｃ控制技 术 ， Ｌ 实现机械 手的握 、 移 等动作 ， 实现机 械手在 左右， 举、 并 前后 ， 上下三方向 自由
图 ２ 三 自 由度 机 械 手 结构 示 意 图
开始信号 ： 压力感应器得电。
动 作 ： 手臂 上 摆 动 作 。 停 止信号 ： 上限位开关得电。 动作 ４ ： 开始信号 ： 限位开关得电。 上 动 作 ： 回转腰左转动作。 停止信号 ： 限位开关得电。 左 动作 ５ ： 开始信号 ： 限位开关得 电。 上 动 作 ： 回转腰左转动作。 停止信号 ： 左限位开关得电。 动作 ６ ： 开始信号 ： 限位开关得电。 左 动 作 ： 臂 下 摆 动 作 。 手
一
表 １ 三 自 由度 机 械 手 Ｉ 分 配 表 ： ／ Ｏ
最 大 抓 重 ：Ｏ ｇ ｌＯ
手 指 夹 持 工 件 最 大 直径 ：０ ｍ ４ｒ ａ 手臂上下摆动角度 ：０ ６。 手臂 回转角度 ：Ｏ ９。 运料频率 ： ５次 ／ ｉ ｍｎ 三 自由度机械手结构如 图 ２所示 ，主要 由机械手指夹持机构 、 机械手臂上下摆动机构 、 机械腰 回转机构 、 固定底座等构成。 ２ 工 作原 理 及 分 析
基于PLC的3自由度机械手的控制系统
第29卷第3期2008年6月华 北 水 利 水 电 学 院 学 报Journa l of Nort h China Institut e of W ate r Conservancy and Hydroe l ec tric Powe rVol 129No .3 Jun .2008收稿日期作者简介刘晓燕(—),女,河南许昌人,在读硕士研究生,主要从事机电控制及自动化方面的研究文章编号:1002-5634(2008)03-0048-02基于PL C 的3自由度机械手的控制系统刘晓燕1,乔文生2,陈俭培1,王丽君1(1.华北水利水电学院,河南郑州450011;2.北京京航公司,北京100076)摘 要:利用“慧鱼”组合模型构建了3自由度机械手的机械模型,并对其运动原理和各模块间的相互作用进行了分析与研究,在此基础上利用PLC 实现了机械手的控制过程,对设计中出现的电源不匹配问题,通过使用中间继电器和稳压直流电源对其进行控制.实践表明,整个控制系统运行可靠,为实际3自由度机械手的控制提供了技术参考.关键词:3自由度机械手;PLC;行程开关;中间继电器中图分类号:TP241.2 文献标识码:A 3自由度机械手又称3D 机械人,能够实现3个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品,具有操作范围大、灵活性好、应用广泛的特点[1].1 3自由度机械手的工作原理1.1 结构简介采用慧鱼组合模型对3自由度机械手进行了构建,模型结构如图1所示[2].1—底座;2—旋转台;3—小圆柱;4—抓手行程开关;5—抓手电机;6—手臂;7—垂直行程开关;8—垂直螺杆9—螺杆轴齿轮;10—惰轮;11—垂直电机齿轮;12—垂直电机;13—水平电机;14—水平行程开关;15—水平螺杆;16—水平螺母;17—垂直螺母;18—旋转行程开关图1 3自由度机械手组合模型1.2 工作原理3自由度机械手能够实现在不同的方向上抓取物体,其运动系统主要由4部分组成:水平、垂直、旋转和手爪运动系统.每一个运动系统的控制部分都是由1个直流电机、2个行程开关组成.以垂直运动系统为例介绍3自由度机械手的工作原理.垂直运动系统主要由3个主要部件组成:电机、限位行程开关和计数行程开关.电机为垂直运动提供动力:这里所选用的电机为直流电机,通9V 电压,正向旋转;通以-9V 电压,反向旋转.限位行程开关限制垂直运动的极限位置,也是垂直运动的起始位置:当机械手臂向上运动碰到上面的限位行程开关后,机械手臂停止运动.计数行程开关是用来计量电机的旋转圈数的,从而可以精确计算垂直运动的距离,起到定位的作用.垂直运动具体的运动过程可分为定位阶段和复位阶段.定位阶段:驱动电机使手臂从初始位置开始下降,通过定位行程开关计数使手臂到达指定位置停止.复位阶段:驱动电机反转使手臂上升,直到碰到限位行程开关结束.整个垂直运动以PLC 为核心,通过外接电路(一方面行程开关的信号经由外接电路输入到P LC 中,另一方面P LC 发送指令给电机,使电机产生相应的运动)进一步驱动执行机构动作.控制系统的结构如图2所示.:2008-01-20:1984.图2 控制系统的结构框图2 控制系统设计受实验室条件限制,采用了AFP12217-F 型[3]可编程控制器来实现3自由度机械手运动的控制过程.整个控制系统以可编程控制器为中心,通过继电器与稳压电源组成的外接电路与输入输出装置相连.主要的输入量为运动过程中的限位行程开关和计数行程开关,输出量为控制运动机构动作的电机.具体的控制过程如下:1.机械手开夹(抓手计数开关计数)ϖ旋转台正转到位置1ϖ垂直电机下降ϖ水平电机伸长(水平计数开关计数)到位置2ϖ闭夹夹取工件;2.垂直电机动作(上升)ϖ旋转台正转ϖ水平电机做收缩动作(水平计数开关计数)到位置3→垂直电机动作(下降)ϖ开夹(抓手计数开关计数)ϖ放工件;3.垂直电机动作(上升到顶部)ϖ旋转台反转到位置4ϖ水平电机做伸长动作(水平计数开关计数)→垂直电机动作(下降到底部)ϖ闭夹夹取工件; 4.垂直电机动作(上升顶部)ϖ旋转台反转ϖ水平电机做收缩动作(水平计数开关计数)ϖ垂直电机动作(下降)ϖ开夹放物件(抓手计数开关计数). 图3为实现整个控制作用的部分P LC 梯形图.3 设计中产生的问题及解决措施控制电机是9V 驱动,而P LC 输出电压是24V ,这样就出现了电源不匹配的问题,使用中间继电器和稳压直流电源即可解决.具体做法是:将2个中间继电器的接地端和9V 端联在一起,这样2个继电器原本的4个端子被化解为2个,然后将电机的2个输入端分别接在2个中间继电器上,再将2个中间继电器的输入端(24V 电源和接地端)分别接在P LC 控制面板上,这样就可以实现P LC 程序控制电机的正、反转.图3 PLC 梯形图参 考 文 献[1]柳洪义,宋伟刚.机器人技术基础[M ].北京:冶金工业出版社,1999:1-20.[2]德国慧鱼公司.操作手册L LW i n 3.0[Z].2004.[3]吴键强,姜三勇.可编程控制器应用技术[M ].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000:23-46.3-DO F M a n ipu l a tor C on tr ol Syste m Ba sed on PLCL IU Xiao 2yan 1,Q IAO W en 2sheng 2,CHEN Jian 2pei 1,WANG L i 2jun 1(1.North China Institute of Wa ter Conservancy and Hydroelectri c Po wer,Zheng zhou 450011,Chi na;2.Be iji ng J inghang Co r porati on,B eijing 100076,Ch i na )Ab stra ct:F ische rt echnik ha s been adop t ed to e stablis h t he 3-DOF mani pula t or m echani ca l struc t ure,and the princ i p l e s of the move 2ment and t heir int e rac ti ons be t w een t he module s are analyzed and researched .On this basis,the PLC is used t o i m p le m ent t he control proce ss of the m ani pulat or .For the problem tha t po we r doe s n o tm atch wit h the equi pment t hat happens during t he design,by using the y D y,T ,y 2,f f 3DOF K y 3DOF ;L ;;y94第29卷第3期刘晓燕等: 基于PLC 的3自由度机械手的控制系统 in t e r med ia t e re la s an d regu l a t o r C po w er supp l it is co n tro ll ed .he p ractice sh ow s tha t t h e w ho l e co n tro l s stem op erati o n is re lia b le an d it p rov id s th e techn ical su p po rt o r the con tr o l o t h e actua l -man i p u la t o r .e w or d s:-man i p u la t o r P C trip s w itch in ter m ed i a te rela。
3个自由度机械手设计
第一章引言机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。
因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
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。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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力大的特点，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。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
1.1 机械手的分类机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。
它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。
它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工才做的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。
3个自由度机械手设计
3个自由度机械手设计机械手的结构有很多种，其中，以机械手的自由度作为分类标准可以分为三类：二自由度机械手、三自由度机械手和四自由度机械手。
本文主要介绍三自由度机械手的设计。
1. 三自由度机械手简介三自由度机械手指的是机械手自由度为3，可以完成三个轴向运动的机械手。
人们通常使用三自由度机械手进行精确的三维组装任务，如电子产品的组装等。
三自由度机械手通常由两个平移轴和一个旋转轴组成。
其中，旋转轴是沿垂直于平面运动的。
机械手的三个自由度分别称为：Base、Shoulder和Elbow。
2. 三自由度机械手的设计设计三自由度机械手的第一步是确定机械手的尺寸和负载能力。
然后，需要选择机械手所需的驱动器类型，如直流电机或步进电机等。
接下来，需要确定每个自由度的运动范围，包括最大旋转角度和各轴的工作范围。
在确定机械手的基本参数后，接下来需要选择机械手的结构类型。
目前，常见的三自由度机械手结构包括球丝机械手、气动机械手和升降机械手等。
其中，球丝机械手具有高精度和高信度的特点，但它的制造成本较高；气动机械手主要用于一些要求速度较快的场合，但不太适合精度要求较高的组装任务；升降机械手适用于较小的工作空间。
在选择机械手的结构类型后，需要设计机械手的关节和连接杆。
机械手的关节通常采用旋转关节和平移关节，连接杆和支撑结构需要考虑机械手的负载和刚度要求。
3. 三自由度机械手的应用三自由度机械手具有广泛的应用前景。
它们可以用于精密组装、准确定位和定点操作等任务。
下面主要从以下几个方面介绍三自由度机械手的应用。
3.1 电子产品组装三自由度机械手可以快速、准确地组装电子产品，如手机、平板电脑等。
机器操作准确，不会对电子产品产生损害。
3.2 制造业三自由度机械手可以帮助制造业生产高精度、高精度零件。
它们可以在离线或在线环境中自动操作，从而提高生产效率和生产效果。
3.3 工业制造三自由度机械手可以用于支持大规模制造。
在工业制造中，机械手可以执行多个任务，如点对点的移动、送货、装载等。
3个自由度搬运机械手的设计
轴承坯料搬运机械手的设计摘要机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。
采用机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。
它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。
机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。
工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。
本课题的主要内容是采用机械设计原理，进行三自由度搬运机械手的设计，熟悉三自由度机械手的运用场合和相关的设计步骤。
机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。
结合三自由度设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题．解决问题.研究问题。
并且在设计中融入自己的想法和构思，提高自己的创新能力。
尽力使机械手使用方便，结构简单。
！！所有下载了本文的注意：本论文附有CAD图纸和完整版word版说明书，凡下载了本文的读者请加QQ 83753222，或留下你的联系方式（QQ邮箱）最后，希望此文能够帮到你！关键词：机械手，输送工件，搬运，三自由度ABSTRACTManipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three dof carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom目录第1章绪论 (4)1.1机械手的历史 (4)1.2机械手的组成 (5)1.3机械手的分类 (6)第2章搬运机械手机构总体方案设计 (8)2.1搬运机械手设计要求 (8)2.2基本设计思路 (1)2.3搬运机械手结构设计 (11)2.4 机械手材料的选择 (11)2.5机械臂的运动方式 (11)2.6搬运机械手驱动与控制系统分析 (12)第3章搬运机械手机械结构设计与计算 (13)3.1搬运机械手手爪设计 (13)3.2 搬运机械手手臂设计 (13)3.3 手部设计计算................................................. - 23 -3.4腕部设计计算 (20)3.5液压驱动系统设计 (21)3.6机身结构的设计 (23)第4章机械手控制系统的设计 (27)4.1 PLC简介 (27)4.2 PLC工作原理 (27)4.3 PLC机型的选择 (27)4.4 PLC控制面板的拟定 (29)4.5 机械手工艺过程和控制方案的确定 (30)4.5 PLC程序编写 (33)总结与展望 (40)参考文献 (41)致谢 (42)1 绪论随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。
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6) 机械手的伸缩臂向后，同时转盘逆时针旋
positioning action ＃1中设置的输出脉冲个数时停止。 下。
10) 机械手的伸缩臂、转盘进行原点搜索，全
结束语
经调试，步进电动机的运转无抖动和失步现象 发生，机械手系统处于良好的运行状态。
(收稿日期：2010.05.14)
自动化系统工程·2010 年第 10 期·电气时代
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电气时代·2010 年第 10 期·自动化系统工程
控制系统
Control System
NC111单元 前一个方向的 最后一个CP脉冲 下一个方向的 第一个CP脉冲 换向信号DIR此时起作用 图2 CP的脉冲宽度以及高低电平方式 C200H PC 总线 接口 处理器 I/O接口 存储器 脉 冲分配 脉冲 发生器 步进 电动机 功放
三自由度机械手为圆柱坐标型。可实现x 轴伸
图1
电路原理图
x 轴：最大移动距离420 mm。 z 轴：最大移动距离420 mm。
小于等于300°。 底盘回转：最小控制转角0.09°，最大回转角 机械手可以根据设定程序的动作将工件在一定 范围内搬运。SQ1～SQ7为限位开关，其作用是保护 运行时不会因为过限而造成机械上的损坏。
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三自由度机械手控制系统设计
三自由度机械手控制系统设置了手动工作方式 和自动工作方式。自动方式又分为自动回原点、单 步、单周期及连续四种工作方式。 机械手的伸缩、升降、转盘和抓手的运动是由 步进电动机驱动器来控制的。其步进电动机驱动器 的输入脉冲和电平信号是由PLC上的NC111模块来 提供的。其电路原理图如图1所示。
positioning action ＃0中设置的输出脉冲个数时停止。
转，一直分别运行到 NC111 模块 positioning action ＃1中设置的输出脉冲个数时停止。 7 ) 机 械 手 下 降 ， 一 直 到 下 降 到 N C 111 模 块 8) 抓手电磁阀再次起动，抓手放松，货物被放 9) 再次对机械手的升降进行原点搜索。 部复位。
图3 NC111的结构框图
机械手流程
起动后机械手的流程。 1) 首先进行机械手的伸缩、升降、转盘和抓手 的重起动和原点搜索。 转，一直分别运行到 NC111 模块 positioning action ＃0中设置的输出脉冲个数时停止。 3 ) 机 械 手 下 降 ， 一 直 到 下 降 到 N C 111 模 块 4) 抓手电磁阀起动，抓手抓紧，抓起货物。 5) 机械手的升降进行原点搜索。 2) 机械手的伸缩臂向前，同时转盘顺时针旋
速度，也就是说，驱动器每接受一个CP脉冲就驱动 步进电动机旋转一个步距角，改变CP脉冲的频率， 能改变步进电动机的转速，控制CP脉冲的个数，则 可以使步进电动机Байду номын сангаас确定位，这样就可以很方便地 达到步进电动机调速和定位的目的。本驱动器的CP 信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为8～ 15 mA，对CP的脉冲宽度也有一定的要求，一般不 小于5μs，如图2所示。
控制系统
Control System
三自由度机械手控制系统研究
广州白云技师学院 张 帆
三个自由度方向 ( 水平、垂直和旋转 ) 的抓取或放 置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛 等特点。机械手按驱动方式可分为液压式、气动 式、电动式和机械式机械手。本文的三自由度机 械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动 式机械手的优点，达到了简便操作和精确定位的 目的。
I/O 连接器
外部输入
(2) 方向信号DIR
方向电平信号DIR用于控制步进电动机的旋转方 向。此信号为高电平时，电动机正转，为低电平时， 电动机反转。电动机要转向，必须在电动机停止以后 进行。 (3) 脱机电平信号FREE 当驱动器上电以后，步进电动机处于锁定状态 (未施加CP脉冲时)或运行状态(施加CP脉冲时)，可以 用FREE信号，手动调整电动机而不关闭驱动器。 2. NC111模块的工作原理 C200 － NC111 是 C200PC 用于位置控制的智能 单元，它可以为步进电动机驱动器或伺服电动机驱 动器输出脉冲，以控制运动部件的位置和速度。 (1) 性能指标 每个单元可以控制一个轴；输出控制脉 冲：－ 8 388 607～＋8 388 606；脉冲速率：1～ 99 990 个 /s ；脉冲速率的变化：控制系统可实现阶 梯式自动加减速，加速度为每毫秒1～999脉冲/s； 原点搜索：可监测原点或原点信号，可进行原点补 偿0～9 999个脉冲，可高速或接近现有速度搜索原 点；间隙补偿：0～9 999个脉冲；手动操作：可高 速点动、低速点动和微动；多点定位：可一次定位 20点，以15种速度变化。 (2) 系统配置 图3为NC111的结构框图。 位控单元有自己的微处理器和存储器，还有脉 冲发生器和 I/O 接口。位控单元既可被 PC 主 CPU 单 元控制，也可直接由控制台的外部输入信号控制。 一方面它通过总线及接口电路与 C200HPC 相连， 与主 CPU 频繁交换信息；另一方面通过 I/O 连接器 接收外部开关量输入及输出脉冲。位控单元根据 PC 发出的控制指令和接收到的外部输入信号，由 自身的CPU执行具体的定位算法，并依执行的结果 控制脉冲发生器输出脉冲数及频率。位控单元减轻 了主CPU的负担，它最终还是作为C200HPC的一个 智能接口单元，占用相应的 I/O 地址。 NC111 插入 C200HPC 的底板槽中，通过一条 40 芯插头与外部 I/O连接。NC111接收外部的操作按钮、限位开关的 信号，输出脉冲信号，用户通过PC向NC111设置参 数及发出命令，NC111即可自动根据现场的检测信 号和PC的命令来调整控制输出，达到准确定位。
三自由度机械手又称3D机械人，能够实现
PLC上的NC111模块 ＋24V 脉冲 输出 A1 16kΩA4 B4 A5 35 0V 0V 3kΩ 470Ω K25 1.8kΩ CP
步进电动机 驱动器
270Ω
三自由度机械手的系统结构与运动方式
缩、z 轴升降、底盘回转功能。驱动全部采用步进 电动机控制。机械手手臂的左右运动 ( 水平方向 ) 由 伸缩步进电动机控制，上下运动 ( 垂直方向 ) 由升降 步进电动机控制，逆时针和顺时针旋转运动则由底 盘直流电动机的正反转控制。 三自由度机械手主要性能指标有： 1. 步进电动机驱动器 进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号 FREE。它们在驱动器内部分别通过270 Ω的限流电 阻接入负输入端，且电路形式完全相同。 OPTO 端 为3路信号的公共正端(3路光耦的正端输入)，3路输 入信号在驱动器内 部 接 成 共 阳 方 式 ， 所 以 O P TO 端需接外部系统的 V CC ，如果 V CC 是＋ 5 V 则可以 直接接入，如果 V CC 不是＋ 5 V 则需外部另加限流 电阻R ，保证给驱动器内部光耦提供 8 ～ 15 mA 的 驱动电流。 (1) 步进脉冲信号CP 步进脉冲信号CP用于控制步进电动机的位置和 本驱动器的输入信号共有3路，分别是：步