仿真机械手臂设计精选(九篇)

第1篇：仿真机械手臂设计范文

【关键词】UG；PRRR机械手；ADAMS；动力学仿真

0 引言

研究机械手动力学可以实现其最优控制，以期达到良好的动态性能和指标[1]。因此机械手的动力学研究引起很多人的注意。本文介绍UG和ADAMS软件对PRRR机械手进行动力学仿真的过程，希望对机械手研究人员提供一定的参考。

1 机械手建模

1.1 机械手坐标系建立及参数确定

PRRR机械手的机构简图如图1所示：

考虑负载、自重和工作空间，机械手升降杆直径d1=250mm，壁厚25mm；大臂尺寸dL2=200mm，RL32=75mm，厚度hL3=200mm，壁厚20mm；小臂两端半径RL41=75mm，RL42=40mm，厚度hL4=100mm，壁厚20mm；负载为20kg。根据各部件尺寸，利用UG对机械手进行建模。

2 ADAMS环境下的动力学仿真

2.1 模型导入ADAMS

由于UG直接输出的格式不被ADAMS直接使用，所以在UG中输出parasolid格式。点击[文件]―[导出]命令，选择parasolid格式，选中模型，点击确定按钮。选择存储的文件夹，文件格式为*.x_t。

打开ADAMS软件，新建一个模型，点击文件菜单下的[导入]选项，将UG输出的parasolid格式文件导入ADAMS中。

导入成功后，为方便仿真，可以对各零件重命名。如鼠标右击底座，弹出的菜单选择PART―2―重命名，重新命名为dizuo。

2.2 设置重力和修改刚体质量属性

选择[设置]菜单中[重力]项，根据模型，将重力方向设置成正确的方向。

选择要修改材料的零件，右击弹出菜单，选择[修改]，在弹出的对话框定义质量方式选择[几何形状和材料类型]，这里可直接在软件的材料库里选择材料[3]。型材选用铝材，其余用钢材。

2.3 设置运动关系和驱动

各机构间需约束关系来定义其连接方式和相对运动。为了方便约束，在各个零件的驱动部分添加基本形状：点，形成POINT。底座与地面固接，在POINT1处用固定副来连接。升降相对底座做上下直线运动，在POINT2用平移副来连接，加载平移驱动，形成MOTION1。大臂相对升降零件作回转运动，在POINT3用旋转副连接，添加旋转驱动，形成MOTION2。小臂相对于大臂作回转运动，在POINT4通过旋转副连接，加载旋转驱动，形成MOTION3。手腕相对小臂作回转运动，在POINT5通过旋转副连接，加载旋转驱动，形成MOTION4。在机械手中心添加负载，构建方式为[垂直于栅格][4]。

2.4 添加函数

step5函数实现各个机构的分时控制，step5函数表达式为：

STEP5（x，x0，h0，x1，h1）

x是自变量，可以表示时间或自定义的变量。x0是自变量的初始值，h0是x0对应的变量值，x1是自变量的终值，h1是x1对应的变量值。h0一般为数值0，h1为始终变量值的差值，根据驱动方向确定正负号。

2.5 运动和轨迹仿真

2.6 仿真后处理

按快捷键F8，对模型进行后处理，鼠标右键弹出加载动画，并可以录制动画。

右键清除视图，加载绘图，便可以查看各个关节的扭矩曲线。

大臂在7到17秒，从上料位逆时针旋转90度到机床，先加速后减速，扭矩按正弦曲线变化；在36到38秒，从机床上端逆时针旋转30度到下料位；在44到50秒，大臂顺时针旋转120度回到上料位。在24秒到30秒，大臂未动，但由于小臂转动的惯性力引起大臂扭矩的波动。

3 结论

UG和ADAMS软件联合应用是机械手动力学仿真研究的较佳组合，方法简单，可得到其扭矩变化等相关信息，为设计提供帮助。

【参考文献】

[1]熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，1996.

[2]刘广明.PRRR机械手机构分析及运动实现的研究[M].沈阳：沈阳工业大学，2012.

第2篇：仿真机械手臂设计范文

关键词 可编程序控制器（PLC）；组态软件；仿真实训

中图分类号TP31 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）100-0218-02

1 课题研究的目的和意义

可编程控制器（PLC）在工业领域的应用程度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。因此，各类高职院校已经将《PLC》课程作为电气控制类专业的主干课程，为企业培养具有PLC相关知识和操作技能的应用型人才。但传统的PLC课程的教学存在以下几个突出问题：

1）企业对PLC人才的需求和学校针对PLC 的教学相矛盾，企业需要的是PLC的应用型技术人才，能够解决生产中的实际问题。而学校由于缺乏对工厂PLC控制实际需要的了解，实践教学的针对性不强，培养出的学生不能满足工厂对PLC人才的需求；

2）学校的硬件更新不够， PLC产品种类很多，发展较快，因此，常常造成企业实际应用的PLC设备和学校教学专用的PLC设备脱节，学校的试验设备滞后，培养出的学生的技能不能满足企业技术发展的需要；

3）传统的PLC实训教学采用一些简单的按钮和LED来显示PLC输入输出接点的通断状态，反映不了设备的工作过程，不能很好地激发学生的学习兴趣，无法达到对学生现场工作能力训练的目的。

为了缓解上述矛盾，把组态王软件用于PLC的实训教学当中，利用组态王软件仿真PLC的被控对象，组态王软件可以接受PLC发出的控制信号，并按照组态软件中程序的算法以动画等形式在计算机屏幕上反映出PLC对被控对象的控制过程及结果。利用组态王软件全真模拟被控对象，就可以实现以有限的设备、低廉的造价、多样化的设计来丰富学生的PLC实训课内容。

2 仿真教学系统的硬件组成

PLC教学仿真系统的硬件主要由PLC、上位机（微型计算机）组成，采用上、下位机结构的控制系统实现对PLC编程控制的仿真调试。

上位机是整个系统的核心部分，采用微型计算机，其功能是通过与PLC的通信接收PLC输入信号，然后组态王应用程序按照PLC程序输出结果来运行动画，实现对PLC编程控制效果的现场仿真.

3 组态王软件与PLC的通信

S7-200型PLC的硬件与组态王软件的连接是通过RS232/RS485转换器实现的，将PLC的编程接口与装有组态王软件的计算机的串行接口进行连接的。两者的通讯协议采用的是PPI协议，在设备配置当中也应该选择对应的的通讯方式和通讯协议。如果能够按照安装向导的提示进行参数的设置，那么组态王软件会自动完成驱动程序的启动和通信工作。

4 教学仿真系统的设计

通过对现场生产过程的研究，该教学系统在组态王软件中绘制了机械手的外观界面并编写了程序控制该机械手能够模拟生产线上的机械手的动作，利用组态王软件中机械手的动作来仿真现场的实际机械动作，但是机械手的动与怎么动是要靠PLC的程序控制的。

将PLC与装有组态王软件的计算机连接后，用PLC的输出来控制组态王软件中机械手的动作过程，可使学生直观的进行PLC的程序设计及调试训练，计算机上显示的动作过程越接近真实的机械手的动作，学生对机械手的运行状态和控制过程的感受才越深刻。

5 机械手控制系统的设计

5.1 机械手控制系统的控制要求

自动化生产线上的自动搬运机械手，用于将A工作台上的工件搬运到B工作台上如图1所示。具体控制要求如下：

（1）将机械手的右位、上位、放松状态定义为原始状态。

（2）在原始状态下，按下启动按钮，当A工作台上有工件时，机械手下降到达工件位置，机械手夹紧工件，上升到上位，左移到左位，在B工作台无工件时，机械手下降到下位，放松，然后上升到上位，右移回原位，完成一次运送工作。如此往复循环运动。

（3）在运行过程中，如按下停止按钮，所有运动停止，再按下启动按钮时，接着停止时的状态继续往复运动。

5.2 机械手控制系统输入输出地址分配

由于组态与PLC之间的通讯是通过数据线来实现的，而PLC的输入端能够接收的是来自外部的实际按钮或检测元件的信号，所以，在本系统中，由组态王产生的虚拟信号无法传送到PLC的输入端，因此在定义“数据词典”时，PLC的实际输入点的寄存器不能直接使用“IX.X”来定义，要用中间变量“MX.X”来定义。PLC的输出可以和组态王软件直接进行数据读取，所以数字输出点可以直接用“QX.X”来定义。根据机械手控制系统的功能要求，现将I/O端口分配如下：

5.3 机械手控制系统组态软件的界面设置

在机械手搬运工件的控制系统的仿真实训中如图4-7，既有工件和机械手的上下移动，也有工件和机械手的左右移动，还有机械手的夹紧和放松状态，组态界面组建的好坏关键在于如何将机械手搬运工件的过程逼真的展示出来。

机械手和工件的左右和上下移动是依靠坐标的变化来实现的。在每一个扫描周期，使对相应的中间变量进行加减运算，从而反应出机械手和工件的移动。设置如下：

1）机械手水平臂的设置是通过对水平臂的缩放设置实现的，在工程浏览器下点击机械手工程，调出机械手工程开发系统图，然后双击系统图中的水平臂，就会出现动画连接画面，点击缩放，出现图缩放连接的画面进行缩放设置；

2）机械手垂直臂的设置是通过对垂直臂的缩放设置和水平移动设置实现的，缩放设置与水平臂的设置类似；

3）由于工件既有水平移动又有垂直移动，而且还要实现从A点到B点的移动，所以对于工件的设计要通过水平移动、垂直移动和隐含设置共同配合完成，隐含设置是通过在工程浏览器下点击机械手工程，调出机械手工程开发系统图，然后双击系统图中的工件，点击隐含，进行设计。

该系统在教学中的应用过程证实了，利用PLC控制组态王软件模拟的现场机械手，可以实现PLC控制过程的直观化，激发学生的学习积极性，加强学生对PLC编程控制过程的理解，强化学生对工作现场的实时状态的直观认识，在不增加教学成本的条件下，使学生对PLC的学习取得更好的效果。

参考文献

[1]组态王6.0使用手册.北京亚控科技发展有限公司.

[2]李斌，邹灿红.PLC电气控制仿真教学系统的设计.机电工程技术，2006，35（3）：122-124.

[3]廖长初编著.可编程控制器应用技术.重庆：重庆大学出版社，1997.

第3篇：仿真机械手臂设计范文

关键词：SimMechanics；机械臂；工作空间

1 机械臂模型建立

在SimMechancis工具中选择Body模块代表腿部各杆，Revolute模块代表各关节，在Sine wave模块中设置方程向关节施加运动，并将足端的位置信息通过To WorkSpace发送至工作空间。

以4自由度机械臂为例，设机械臂肩关节具有，左右回转及上下俯仰两个自由度，肘关节腕关节各具一个上下俯仰自由度，模型建立如图1。根据机械臂的大臂、小臂、手掌长度设为l1、l2、l3，各关节转动角度为θ1、θ2、θ3、θ4，具体参数如表1。

当机械臂伸直的情况，机械臂能到达的曲面为机械臂末端能到达位置的最远位置，在该状态下机械臂末端的位置拟合的曲面为机械臂最远工作空间的边界；当机械臂卷曲至最短的情况，机械臂能到达的曲面为机械臂末端能到达位置的最近位置，在该状态下机械臂末端的位置拟合的曲面为机械臂最近工作空间的边界。

当各关节转动角度为θ1、θ2按函数规律变化，转过所转角范围内的所有值，θ3、θ4保持0°不变，所得到的位置信息代表机械臂最远工作位置的曲面信息。当各关节转动角度为θ1、θ2按函数规律变化，转过所转角范围内的所有值，θ3、θ4保持-2/π不变，所得到的位置信息代表机械臂最近工作位置的曲面信息。

2 数据处理

利用Matlab中的函数对收集的位置信息进行拟合，分别调用surf（）函数绘制机械臂末端最远位置曲面及最近位置曲面，该双曲面中间所夹区域为所求机械臂的工作空间。Matlab机械臂的工作空间求解结果如图2所示。

3 结束语

作者以4自由度机械臂为例，利用Matlab/Simulink中的SimMechanics工具箱，模拟手臂的杆件，方正方式可靠，收集机械臂的末端信息数据合理。利用绘图函数进一步绘制出机械臂的工作区域，所得工作空间轮廓清晰、完整。此方式求解过程避免了冗杂的计算，结果直观。并可从关节机器人，进一步推广到移动关节机器人工作空间的求解。

参考文献

[1]陈培善.基于Matlab的机器人工作空间求解方法[J].机械科学与技术，2009，28（12）：1657-1659.

[2]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Sim-ulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

第4篇：仿真机械手臂设计范文

关键词：PLC；机械手；控制

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0013-02

随着工业机械手的广泛应用，其已经成为自动化控制领域的重要技术。在制造业不断发展的今天，机械手一方面可以代替人工进行生产线的作业，另外一方面机械手可以按照实际生产工艺的要求，按照一定的时间和程序设置来完成工作的卸载和传送。机械手的广泛应用可以大大的提高劳动生产率，加快我国制造业的转型与升级。如果机械手采用传统的继电器进行控制，则会直接造成系统原件比较繁杂、稳定性差以及出现故障概率高的特点。随着PLC技术的广泛应用，通过使用PLC来设计机械手的控制系统，可以保证较高的可靠性和较低的故障率，使用起来也相对简单。本文通过采用可编程控制器PLC来实现机械手的控制系统设计，使得控制过程精确可靠，使得在实际生产过程中变得明确和清晰。

1 机械手机构的液压系统分析

本文的机械手设计案例以锻造车间的机械手为例，该机械手处在高温的操作环境之中，机械手所要实现的功能就是将高温的锻件棒材加持到锻造工位的传送带上。实现对棒料准确的搬运，替代人工操作，改善工作环境。机械手的液压系统主要包括了液压驱动、手臂的升降和收缩等系统，再加上液压马达。液压换向回路使用三位四通阀进行控制。在机械手设计的过程中应该考虑以下几个方面的问题：（1）锻件的重量较大，机械手应该具备较大的夹紧力。同时工件在移动的过程中还会出现较大的惯性，保证工件不会脱落。（2）机械手的手指应该具备一定的夹角，手指的开闭角直接影响着工件能否顺利的加持到锻造工位上，对于手指的开闭幅度具有严格的要求；（3）机械手应该保证工件在搬运过程中的准确定位，必须要根据锻造工件的形状来选择机械手手指的形状；（4）由于锻件处在高温状态，在加持过程中应该保证机械手具有较高的强度，另外机械手的结构应该尽量紧凑，使得机械手的重心能够维持在手臂的回转轴线上。（5）在机械手设计的过程中，应该考虑到被抓工件的要求。如果是圆柱形锻件，则应该考虑使用V型手指，圆球形的工件考虑采用三指状的手指，方便加持工件。对于那些表面质量要求比较高的工件，应该在机械手的手指上加上泡沫垫片，防止加持部位的损坏。

2 机械手PLC控制系统的设计

2.1 PLC可编程控制器介绍

机械手所使用的PLC控制器主要包括了CPU、信号输入模块、数据输出模块、CPU扩展单元以及编程模块。CPU相当于PLC的心脏，完成对输入信号和数据的处理，将这些数据存储在存储器中。对于输入和输出模块而言，输入的信号主要有分为两个类别，分别为电压信号和电流信号，如果外在的信号比较尖锐，则会造成PLC的CPU损坏。另外为了控制外来的负载的额度，可以通过小型继电器的使用，来实现外来负载的隔离。在PLC中编程器主要是用来检测各种信号的运行状态，一般使用编程器的状况为逻辑输入有误或者需要检修的时候。本文中的PLC电源使用的是24V直流电源或者220V的交流电源，机械手的PLC控制器选择类型为西门子20EDR-1，有两个输入和输出模块，在A/D转换方面选择AD041型号，所设计的PLC框架如图1所示。

其中PLC的基本参数如表1所示。

本系统的输入电流信号范围是5-23mA，对应的十六位进制为0000-1770。用于补码的转换数据范围是3.2-4mA，当输入电流信号小于3.2mA时，断线检测的功能将会被充分启用，并且将数据转化为8000。首先对于模拟信号和数字信号的转换方面，在CPU模块中不能进行量程控制字符的改变，如果需要改变，则必须进行断电后重新操作。

2.2 机械手位移传感器的选择

位移传感器的选择对于机械手的设计具有重要的意义，机械手臂的升降和旋转都需要位移传感器的作用，还应该把位移数据准确的显示在屏幕上，主要目的就是满足机械手臂的位移和速度测定。目前通用的传感器为光栅位移传感器，当传感器的两块光栅的位置发生相对变化时，光敏电阻发生变化，实现了电信号传递，从而转变为位移信号，实现了位移的精确测量。除了直线位移传感器外，还需要安装角位移传感器，角位移传感器的类型为E6W5-2014。最后机械手指在加持工件的过程中，需要安装压力传感器，其中输出信号范围是5-60mA，电源选择24V直流电源。在机械手触摸屏的选择方面，要求有两个，首先就是要内存要大，能够存储较多的数据，分辨率要大和较高的显示亮度；其次PLC触摸屏要有串行通信功能，更好的方便PLC与机械手臂之间的通信。

3 PLC控制系统的程序设计与步进电机选择

3.1 机械手PLC总控制程序的设计

在机械手臂的下降和上升的程序设计中，只是两者的输入和输出的地址不同。在压力检测方面，只有检测到锻件毛坯夹紧以后才可以进行下一步的位移动作，所以首先应该进行压力的检测，实现了压力数值的显示。本文还通过CAE的仿真优化设计，为了进一步实现机械手臂的启停与位移控制，减少PLC控制器的安装面的位置，可以将启动按钮与停止按钮进行合并。同时为了确定机械手臂是处于手动工作模式还是处在连续工作模式，需要进行连续工作模式按钮，可以根据实际的运行情况来调整机械手臂的位置。同时为了保证机械手的正常运行，机械手在每一个工作周期内都要进行初始位置的检验，如果不是回到初始位置，则应该执行回到回转原点的操作。和启动的程序一样，机械手臂工作的运行方式也是通过按钮来实现的，手动按钮可以实现机械手的各种动作操作，从而满足实际生产的需求，只需要对步进电机的脉冲时间进行调整，尽量减少机械手的行程。在经过CAE软件操作的优化的过程中，可以通过以下结果步骤来进行，首先应该对机械手臂的模型进行优化，建立相应的机械传动机构，包括各种零件的设计以及机械手自由度的设计；其次，对机械手的模型进行运动仿真模拟，测试模型设计是否能够满足生产需求；然后细化设计模型，建立设计变量和目标函数之间的关系，得到性能最优的设计参数。本文根机械手的运动要求将机械手的抓取机构进行优化，从而绘制PLC控制流程图，通过对梯形图控制程序的编写，满足了实际生产机械手的工位需求。

3.2 步进电机选择

三相步进电机通常将电脉冲信号转变为角位移信号，步进电机的旋转是依靠角度的不断移动而进行的。通过对电脉冲数量的控制，来实现位移的控制。在步进电机的选择方面，本文采用的是三菱公司的横轴和纵轴位移的机械手升降机构，最大使用电流为3A。另外PLC启动技术的控制与传统的控制技术相比，具有价格低廉和结构简单等优点。现代化的PLC启动技术可以分为感知系统、控制程序、主机CPU部分以及执行机构的设计部分。在使用CAE进行软件仿真模拟的过程中，通过使用锻件的抓取机构为实际性能的优化目标，通过连杆机构的数次优化和坐标位置优化，使得机械手臂的抓紧力由3.5MN转变为20.56MN。通过采用虚拟样机技术可以有效的模拟机械手在实际生产过程中的抓取行为，现夹紧力的不断提高，具有较大的实际成产意义。表2位本PLC系统中A/D转换器的基本参数。

四个自由度的机械手臂的设计具有一定的普遍性和实用性，在PLC控制的模式下，实现锻件从一个位置运送至另一个位置，准确的实现位置定位和完成各项动作。在实际操作的过程中可以通过触摸屏完成各项操作和读取机械手实际的运行状态，包括压力和位移数值等信息，方便对机械手进行很好的控制。

4 结语

PLC控制技术在机械手设计领域中已经得到了广泛的应用，从而使得机械手在工业领域中得到了广泛的应用。本文在分析参考文献的基础上，借鉴传统机械手的设计方案，对适用于工厂锻件搬运的机械手PLC控制系统进行了CAE模拟仿真和设计。首先对机械手液压机构进行了深入的分析，得到机械手控制的三个关键因素；然后对适合机械手的PLC控制器、压力和位移传感器进行了相关技术参数选择，同时还对整体程序的设计进行了相关阐述，希望能够给以后的机械手PLC控制设计提供参考价值

参考文献

[1]尤峥.全自动冲压生产线在轿车生产中的应用效益分析[J].锻造与冲压，2005，9（4）：6-8.

[2]邹立连.一种汽车覆盖件自动化冲压线改造的实际应用[J].制造业自动化，2004，26（12）：73-74.

第5篇：仿真机械手臂设计范文

关键词：机器人；轮腿式；电子控制

中图分类号：TP242 文献标识码：A

0.引言

机器人是给人提供方便或拓展人活动范围的工具：提供方便，诸如扫地机器人；拓展人的活动范围，诸如科考类机器人。在自然和人类社会中，存在一些人类无法到达的地方及不适合人类达到的场合，如灾难发生的矿井、防灾救援和反恐等。

与双足和四足机器人相比，六足和八足机器人具有独特的非连续支撑行走方式，即在某条腿失稳情况下机器人仍具有良好的运动稳定性，同时具有不同的步态以应对不同的地形环境；与八足机器人相比，六足具有相对简单的机械结构，同时也使得控制算法生成较方便可以预见，这些优点将使六足机器人成为在复杂环境下机器人作业的最佳选择。同时，采用六足在需要时可将其中的两足转化成操作臂，进行手臂操作。因此，对六足机器人的研究具有深远的理论价值和工程应用意义。

因此课题进行研究的是一款陆地移动机器人――多功能六足轮腿式机器人。所述多功能六足轮腿式机器人，轮腿融合并且腿臂可转换，将在救援行动和探测活动中得到广泛应用；如果在机器人上搭载更多的模块，其将具有更多的功能并可以被应用在更多的领域中。

1.机器人机械本体设计

1.1 六足轮腿设计

根据对昆虫生理结构的分析，根据仿生学的知识设计了如图1中左图所示六足机器人。该机器人由6条腿和机器人本体构成，6条腿分别分布在机器人本体两侧，每侧三条腿。现在以编号为②的腿进行腿部结构的详细介绍。腿部由连杆CE、CB、AB组成，在C、B、A处分别通过转动副连接，腿在A处通过转动副与主体相连。在这一腿部机构中CE最长、CB长度中等、BA长度最短，以此模拟六足类昆虫腿部的真实情况，便于模拟昆虫实际运动方式。

对机器人腿的自由度进行分析，以腿②为例，该腿部机构中，活动构件数为3，运动副中低副的个数为3，高副的个数为0，因此该机构的自度为：

F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×3-1×0=3

因此该腿部机构的自由度为3，要使连杆AB、BC、CE获得确定的运动，需要增添3个驱动。因此在A、B、C三个转动副处添加电机作为驱动，即通^控制3个电动机即可使整个机构如昆虫的足一样前后移动，同理剩余的5条腿也是如此运动。至此，基于模拟昆虫运动，完成了六足机器人机械本体的设计。

由于机器人执行任务的需求，需要在到达指定位置时进行一些抓取操作。但为了进行抓取操作再增添操作臂则显得太过于复杂，因此将机器人腿与操作臂进行结合设计，机器人前部的腿①与腿⑥可以转换成机械臂，后部的4条腿用于支撑，将前部的腿转换成操作臂进行抓取操作。

设计的机器人通过机械腿和轮式结构进行移动，前部的两条腿可以转换成机械臂进行夹持操作。在平缓的公路上机器人可以通过轮式结构移动，在崎岖的路面上可以通过机械足进行移动，这样的设计大大提高了移动效率。

1.2 操作臂设计

如2.1所述，腿①与腿⑥可以从腿部结构转换为操作臂，在腿部结构的末端F处可以增添夹持手。设计该夹持机构时以结构简单、能进行简单操作为原则，在设计时模拟螃蟹的夹持手。

根据仿生学知识设计如图2所示的夹持手，该夹持手由上下两部分对称的夹持指组成，下面以上部夹持指为例进行详细的说明。该夹持手由连杆OJ、JL、NK组成在O、J、K、N处分别通过转动副连接，O、N处转动副与夹持手基座相连。下部夹持指的结构与上部夹持手完全一样。上下两个夹持指通过两个齿轮连接，两个齿轮分别与连杆OJ、PH固连，即齿轮转动时两个连杆也随之一起运动。

对该夹持机构的自由度进行分析，以便确定原动件数目，以及需要多少电机驱动。该机构中，活动构件数为6，运动副中低副的个数为8，高副的个数为1，因此该机构的自度为：

F=3n-2Pl-Ph=3×6-2×8-1×1=1

因此该机构的自由度为1，需要一个电机进行驱动。在转动副O处增添电机，使齿轮转动，进而带动连杆OJ转动；通过啮合的齿轮使得下部连杆PH也转动，最终即可实现夹持指末端LM的张开和夹紧，即可实现对物体的抓取操作。夹持手通过灰色框线表示的夹持手基座与机器人足末端相连。当LM接触，即夹持指并拢时作为机器人足可以行走；当腿①、⑥抬起时，即可进行抓取操作。至此，完成了六足机器人操作臂夹持手的设计。

2.机器人电子控制系统设计

2.1 电子系统整体设计

为了能够让机器人有运动的能量，需要在机器人本体上布置电池功能模块；为了控制各个电机按照指定指令运动，需要布置电机控制器模块；为了对机器人进行远程控制、与外部环境进行交互，需要在机器人上增添一些交互设备。

机器人电子系统整体如图3所示，驱动电机布置在各个驱动关节处，通过线缆与电机控制器相连；其他电子设备均集中安放在机器人本体处。机器人本体分为上中下3层，分别为设备、控制器和电池。

2.2 控制及交互设计

对电机控制、设备等各部分进行详细地设计说明。

电机控制模块：电机安装在各个驱动关节处。机器人运动有自主和远程控制两种运动模式，自主运动模式是不需要外界实时给机器人运动指令，机器人可以自行运动；远程控制是通过远程控制软件实时给机器人发送运动指令。同时还可以控制机器人前部的两个腿变换为操作臂，并通过末端的夹持器实现对物体的夹取。

语音与图像交互模块：麦克风与摄像头安装在机器人本体最上层，通过麦克风、摄像头可进行语音和图像的交流。灾害发生需要救援被困人员时，可以让机器人进入一些人无法进入的狭小空间。

手势识别及地图重建模块：增添现有的一些3D体感摄像机，通过摄像机捕捉并分析得到人手的手势动作，将捕捉到的手势与之前程序中预设的进行比对，再让机器人进行相应的操作。无线模块：在机器人本体最上层安装天线，通过此天线实现机器人各种设备、电机控制器与远程控制软件之间的通信；远程控制可以通过电脑控制程序实现。

结论

本文运用仿生学的知识，通过模拟足形昆虫腿式结构，并且结合轮式机器人的特点，设计了一种多功能轮腿式六足机器人。该机器人可采用足式与和轮式两种行走方式在两个足末端安装有夹持手可进行抓取操作。通过安装3D体感摄像机等设备，实现与外部的语音图像交互以及手势操控、地图重建等功能。所设计的机器人结构新颖、功能丰富，具有很强的实用价值。

参考文献

[1]王颖，孙翠磊，于淳，等.移动机器人综述[J].科学导报， 2014（15）：12-13.

[2]李满宏，张明路，张建华，等.六足机器人关键技术综述[J].机械设计，2015（10）：1-8.

[3]聂澄辉，刘莉，陈恳.模块化可重构足式仿生机器人设计[J].机械设计与制造，2009（2）：7-9.

第6篇：仿真机械手臂设计范文

[关键词]弧面分度凸轮机构；逆向设计；运动仿真

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0156-02

前言：弧面分度凸轮机械手是一种基于弧面凸轮机械结构的间歇进行分度的装置。能够按照生产工艺的要求进行自动的进行传送，装卸，升降，提取，装配，焊接，钻孔，堆垛，检测等任务。尤其是在高温高压粉尘噪音及带有高辐射的环境中使用更佳。其主要特点是结构紧凑，工作效率高，寿命长，精度高，适用于汽车制造，包装，电子，医药等行业，使用前景极佳。

1.弧面凸轮机械手的设计原理及方法

1.1 弧面凸轮机械手的运动形式

根据适用场所的不同，弧面凸轮机械手的运动方式也不同，一般情况下，弧面凸轮机械手要搬运物品，要求手臂要能够进行提升和转动的运动，所以弧面凸轮机械手的运动由这两者复合形成，主要有从动件来实现。所有的运动类型都是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，在现实的工作生活中还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短[1]。

1.2 弧面凸轮机械手的结构

在初步设计结构类型的过程中，主要要考虑以下情况：

（1）能否完美的满足原有既定的工作模式，如工作效率，运动形式等问题。当弧面凸轮机械手围绕现代整体设计结构进行旋转运动，系统运动结构将实现整体运动旋转结构的运动结构逐步优化，并建立起机械运动结构，不同的机械加工运作模式，实现现代加工技术逐步实现综合技术的工作模式的工作循环，为了保障弧面凸轮机械手的运作效率，应当从保障弧面凸轮机械手的运动灵活性增强，机械运作的整体的结构可以控制在合理有用功大于无用功的均衡分配上，多元化的弧面凸轮机械手的机械运动效率推进现代机械运转的效率，保障机械运作的整体机械加工运作速率。

（2）能否对工作条件有完美的满足，如工作环境，工作内容，制度以及可靠性等。为了对弧面凸轮机械手的工作条件进行初步判定，操作者可以实施弧面凸轮机械手的工作环境初步检验，例如：机械加工技术环境，必须实现加工机械技术的外部环境满足机械加工旋转运行的需求，保障输入轴和连杆设计符合弧面凸轮机械手的运动需求；从弧面凸轮机械手的加工内容来看，弧面凸轮机械手的零件加工一般都具有精密性特征，我们在进行零件加工的过程中，保障加工弧度与弧面凸轮机械手之间达到尺寸合理，零件加工结构上突出其存在的最佳加工状态，为现代零件加工提供了更加完善的加工设计需求。

（3）结构方面的要求，其中包括结构的复杂性，紧凑性，为了完成某些任务零件的拆卸是否方便等。弧面凸轮机械手的工作设计是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，弧面凸轮机械手在实际机械加工中的的应用，其工作效率不仅与弧面凸轮机械手的旋转速率具有一定的关系，同时弧面凸轮机械手的做功速率还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短，弧面凸轮机械手的做功手臂的长短，实质上也受到杠杆原理的影响。当手臂加长，则弧面凸轮机械手的运行的旋转速率加大，但整体速率性的运行过程和运行时间延长，弧面凸轮机械手进行机械加工的速率就会大大增加，新型运动结构所做功的多少则会受到影响，不同的机械运作结构带来的机械加工速率则会随着杠杆原理设计进行。弧面凸轮机械手零件加工的速率性发生做功要求的变化。

（4）维护方面，是否便于维护，发生故障的几率为多少等。从弧面凸轮机械手的日常维护角度进行分析，弧面凸轮机械手的运作主要是机械输入轴和机械连杆做重复运动，我们进行日常中，要及时对弧面凸轮机械手的连接杆与输入轴的连接处进行，这样可以减少弧面凸轮机械手运作时机械输入轴与连杆之间的摩擦力，保障机械运作的速率，同时做好弧面凸轮机械手的检验，也可以保障机械零件加工的运行效率，及时对磨损严重的零件进行维护和更换（图1）。

（5）经济方面，能否保证经济消耗最小化，造成的生产效率最大化，使其最大限度的为使用者带来效益。为了进一步增加发挥弧面凸轮机械手在现代机械加工生产中的作用。我们应当在弧面凸轮机械手的应用技术上进一步开发，提升弧面凸轮机械手的零件加工效率，提升零件加工的资源应用率，从而实现现代机械零件加工可以发挥工作效率，促进现代机械加工的经济利益，满足机械零件的市场需求。

2.主要零件及附件的设计

2.1 连杆的设计

下面以其中一个杆为例介绍其设计，可对右图来进行参考。水平凸轮的正常转动从而带动与其相接触的滚子，而滚子和从动盘连同连杆之间有着相对的位置关系，其关系为：L子通过摆动使连杆也相对摆动，依靠连杆的末端所连接的滚子以推动滑块从而实现在输出轴上的水平运动。连杆主要受的力是弯矩，故将XOZ截面设计为图2左边的形式。因为这样的设计可以承受较大的弯矩力。连接靠大端的所铣平面上的四个Φ7.2的孔用M6螺钉加以固定在从动盘上。而小端中有Φ24的孔，这是为了提高精确度，延长使用的寿命，从而便于更换在孔中设计有轴套[2]。

2.2 滚子的设计

在弧面凸轮机械手的设计中对滚子要求也较高，要求滚子不光要有较为准确的定位，并且还要求摩擦小、转动灵活、便于等特点。在这里自然想到了用滚动轴承，却又发现单个定做成本一定过高，并且不能保证其精度。通过查阅大量的资料之后发现，举例说明：上海某轴承厂所制造的一种专用轴承与此相似。只需要对此稍作改动，就可完全满足本设计的需要。详细可见右图所示。这个滚子在滚子的外圈采用滚轮的形式，用栓轴代替了内圈，这两点使设计合理，结构紧凑[3]。

2.3 输入轴的设计

这个弧面凸轮机构通过与减速机相互连接的电动机传动进行传动运动。在轴径两端为Φ40，这里为了简化结构所以在轴承处轴承亦采用Φ40，在考虑到轴上有一定的轴向载荷的情况下，可采用的圆锥滚子轴承为GB/T297-199430208型。为了安装方便选择采用面对面的安装。同时为了使凸轮能合理的完全靠在轴的轴肩处，所以在轴肩处设计了合理的砂轮越程槽，这里的尺寸为2×1.5。在轴上要安装的零件有水平凸轮、提升凸轮以及联轴器，所以轴上设置了键槽，这里均采用GB/T1096-1979的普通平键，由于b×h=12×8所以三个长度分别为80、63、50mm。在轴上的两个凸轮可通过螺母进行固定。这里的轴用45钢进行加工，在调质处理后的硬度应为HRC45～48。从动轴所具有的结构比较简单，详细可见图3[4]。

3.摆动期运动规律的选用

3.1 弧面凸轮机械手的运动特点

为保证弧面凸轮机械手的准确性，能够可靠地进行抓取提升和平移等工件。弧面凸轮机械手应具有以下运动的特性：

（1）精度高：要拥有更好的准确性和进行工作时的效率，就要求弧面凸轮机械手必须拥有极高的精准度，以便完成更多的具有一定难度的工作，适应多种工作环境以及工作状态。例如：弧面凸轮机械手进行机械加工中，实施机械加工零件的关键性抓取，并使零件处于平铺状态，零件加工设计的各个部分与零件加工各个部分之间形成了良好的零件平面吻合，从而保障机械零件加工的运动平面处于同一水平状态，实现现代零件加工技术逐精确性、稳定性加工。

（2）运动的平稳性：在进行很多高精度工作的时候都要求弧面凸轮机械手具有稳定的运动，以免出现对要求的精准度高的工作造成破坏以及对生产造成不必要的损失。尽量不引起由于惯性造成的位移。

3.2 常用的运动规律

凸轮机构的运动规律目前为止已多大三十余种，足够多种不同场合的生产需要。例如如等速度曲，简谐曲线等运动曲线。但是在进行生产的过程中出现较高要求的情况下，就必须考虑其所具有的较高的运动学的特性，从而对其运动中的特性进行合理的改造，改善凸轮的特性常用方法之一是采用高次多项式将数条基本曲线一一连接起来。

（1）修正等速运动规律是由对等速度的曲线修正而得到的，也就是在等速曲线的两端各自加一段经过组合而成的简谐曲线作为过渡曲线，从而保留了等速曲线的部分优点，同时克服了这两端运动曲线不连续的缺点。此方式大多用于所需要速度很小或必须进行等速运动的那部分的凸轮的从动件进行的运动规律，此方法多用于需要低速重载的场合，而并不适合中速和高速。

（2）修正梯形运动规律是通过对于修正等加速度曲线的进一步修正而得。是能够针对等加速度运动规律和加速度曲线在作用力的两端和中间不连续而且是存在有跃度趋向无限大这种缺点，在相应的不连续部分分别加入了一段简单的简歇曲线对其进行过度。从而使加速度和存在的跃度曲线相互连续起来，从而克服了不连续造成的缺点。这个方法可以用于中速轻载甚至中载的场合。

（3）修正正弦运动规律是相对余弦曲线的结果。就是指在余弦曲线的两个端点各自加上一段经由正弦曲线作为过渡而形成的的曲线，从而保留了速度较小的优点，同时又克服了在两端加速度方面不连续的这种缺点。相比较前两种运动规律来说，修正正弦运动曲线的突出优点是速度较小，综合来讲性能很好，通用性更强。通畅用于中速情况，尤其是在负载尚不明确的情况时，这种曲线最为保险。

结论

在进行弧面凸轮机械手的研究过程中，要勇于创新保证其能够更好地被投入生产使用中，为社会的发展更好的贡献出力量。

参考文献

[1] 张文光.弧面分度凸轮机械手设计与仿真分析研究[D].集美大学，2014.

[2] 侯喜林.弧面分度凸轮机构参数优化设计和仿真[D].兰州理工大学，2012.

第7篇：仿真机械手臂设计范文

阿图VS尤尼梅特

在机器人电影大片中，具有代表性的工业机器人是《星球大战》中的阿图（r2d2），这是一个圆柱型的机器人，外形像一个垃圾桶。在影片中，他不仅能为X型战斗机进行维修保养，有时还能对机器设备进行解密、解锁、翻译外星语言，是一个勤恳工作、超级萌萌达的“垃圾桶”。

世界上第一台真正实用的工业机器人，是1959年英格伯格和德沃尔设计的“尤尼梅特”（意为“万能自动”），这台机器人外貌并不像人，而是像坦克炮塔，它有一个巨大的机械手臂，大臂前端还有一支像人类手的小臂，所有复杂的操作都是通过前端小臂完成。小臂相对大臂可以伸出或缩回，小臂顶有一个腕子，可绕小臂转动，进行俯仰和侧摇。腕子前头是手，即操作器。这个机器人的功能和人手臂功能相似，其精确率达1/10000英寸。

“尤尼梅特”问世后，英格伯格和德沃尔成立了“尤尼梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂，他俩也因此被称为“机器人之父”。

“尤尼梅特”开启了机器人时代的元年，至今它仍被使用在工业生产中，但它只能按照预先设计好的指令重复进行同一个生产动作，是比较初级的机器人。

魔鬼终结者VS阿特拉斯

电影中的军用机器人，以《魔鬼终结者》中的T-800、T-1000为代表。T-800型机器人以金属为人体骨架，人造皮肤做外表，基本与人类相同。T-1000可以在液态与固态间任意变型，并能完美地模仿任何人、物品、机械和任何人的口音。

现实中的军用机器人现在已经非常多了，从分类上说有地面军用机器人UGV，空中机器人UAV，水下机器人UUV，太空机器人；从重量上看，有从只有22公斤重的水下机器人ARUS到有几十吨重的机器人战车等。

目前，世界最先进的军用人形机器人是美国的阿特拉斯。这种机器人目前尚在研制完善过程中，最新升级版的阿特拉斯高1.75米，重82公斤，使用独立电源和液压驱动系统。它不仅会自己开门关门，在崎岖的雪地里行走，将杂货搬到不同的位置，甚至跌倒了还能自己爬起来。

美国研发这一机器人的目标，是做最好的救援机器人。在对人类过于危险的地域，它可以挽救很多生命，并在最大限度上降低风险。它可以胜任的任务包括开车、清理残骸、穿墙凿洞、关闭阀门、连接消防水管等。尽管在人类看来，阿特拉斯的动作还有点笨拙，行动缓慢，但实际上它的操纵系统比战斗机还要复杂。

自动手术机VS达芬奇机器人

在《普罗米修斯》、《异形》等科幻大片中，医用机器人可以根据人类的指令完成各类手术。《普罗米修斯》中，怀上异形的女主角伊丽莎白跌跌撞撞地闯进安置了自助手术机的舱体，在体型庞大的手术机器人的操纵面板上一阵猛按，为自己人工自定义了一台剖腹手术。随后，她躺进手术机，在几乎无麻醉的情形下，由手术机自助实施剖腹手术，生下了一个异形婴儿。

实际上，研发医用人工智能一直是科学家的梦想。早在2001年，我国医学家就首次利用机器人完成了远程脑外科手术，手术由千米之外的专家远程指挥，由机器人操作完成。

现实生活中，与《普罗米修斯》中的机器人最为接近的，是美国“达芬奇”手术机器人系统。达芬奇手术机器人系统是一种高级机器人平台，其设计的理念是通过使用微创的方法，实施复杂的外科手术。它由外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统三部分组成，目前，已获批使用于成人和儿童的普通外科、胸外科、泌尿外科、妇产科、头颈外科以及心脏手术。

亚当VS仿人机器人

《铁甲钢拳》中的机器人“亚当”（Atom），是一个模仿型机器人。影片中，它在主角麦克斯及其父亲的帮助下，通过语言指挥、人类肢体模仿等，赢得了机器击比赛。

仿人机器人是电影与现实中人们谈论最多的，科学家一直在研究那些外形特征与人类相同，拥有相同的皮肤、体形，有类似人类的智慧和灵活的反应，能与人自由交流，并不断适应外部环境的仿人机器人。

世界上最早的仿人机器人诞生于日本，1973年，日本早稻田大学教授、“世界仿人机器人之父”加藤一郎成功试制出世界首台两足步行机器人WOBAT-1。本田公司1996年11月研制出日本第一台仿人步行机器人样机P2，2000年11月推出新一代仿人机器人ASIMO。中国国防科技大学也在2001年12月独立研制出我国第一台仿人机器人。

日本ASIMO是目前最先进的仿人行走机器人之一，它身高1.2米，体重52公斤，最高行走时速可达1.6公里。行走时，它可实时预测下一个动作并提前改变重心，因此能非常自如地完成下台阶、弯腰、“8”字形行走等较为复杂的动作。此外，它还可以握手、挥手甚至随着音乐翩翩起舞。

如果说日本在仿人机器人领域的研究主要侧重于外形仿真，那么美国的研究则侧重用计算机模拟人脑。以科戈机器人为例，这种机器人是美国麻省理工学院人工智能实验室教授罗德尼・布鲁克斯研制的。科戈机器人的大脑由16个摩托罗拉68332芯片构成，和人类的大脑一样，它能同时处理多项任务。

为了研制出更像人的机器人，目前，无数科学家和科技公司正致力于让机器像人一样进行自我学习和思考。以谷歌为例，2012年夏天，谷歌X实验室创建了一个由16000多个处理器、10亿个内部节点组成的“虚拟大脑”。“虚拟大脑”用众多的电脑模拟人脑中的“神经元”，形成一个“神经网络”，并为算法提供海量数据，从而使其具备自动学习、识别数据的能力。

第8篇：仿真机械手臂设计范文

Liao Shengwen Wang Yuqin Zhang Xiaoying Wu Na Yang Jian

（ChaoHu University Chaohu city 238000）

Abstract： Fischertechnik model based on the conceptual design of the mechanical arm. Design of the main content including the overall design of the mechanical arm， complete mechanical system scheme design and model making， of mechanical arm in the process of cargo handling the operation parameters of the overall planning， the final preparation of the completed the overall control program and debugging. The experimental results show that the structure of the system is simple and feasible.

Key words： Fischer Technology；mechanical arm；control program

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）10-0270-02

引言

近年来，随着科技发展迅速，人们的生活节奏不断加快，越来越多的人不想从事体力劳动，进而企业出现“用工荒”的问题。在高校教学过程中，由于部分理论知识较抽象，教师讲解较难，学生理解掌握起来也较难，这样就达不到想要的教学效果。本次设计的机械手臂在生活中应用较广，如建筑工地上的旋转升降型机械手臂、吊臂，企业在生产制造过程中使用的机械手臂等。这些机械手臂在结构和控制上都比较复杂，所以我们在教学过程中的讲解就有一定的困难。机械手臂模型方案是基于慧鱼技术进行设计的，它的主要功能是将物品从某一位置移到另一位置，在这个过程中机械手臂共完成了对物品的夹起、移动、升降和旋转等动作。从某方面来说，机械手臂的出现代替了劳动力，进而为现代企业解决用工荒的难题。该模型与常见的机构相比具有体积小且易于移动，故灵活性强，可以在教学中的典型机构与它相结合演示给学生看，通过演示更深入理解各个结构之间是如何运转，采用理论与实践相结合的方法，让学生学习理论课程更具有生动性和形象性，达到掌握该课程理论知识的目的。

慧鱼创意组合模型是一个技术含量很高的工程技术类趣味拼装模型，其主要部件尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装并不影响模型结合的精确度。它为应用型高校在教学过程中创新教育和创新实验提供了很好的实践平台。总体来说，慧鱼模型的使用，既让学生融汇贯通各学科多领域的综合知识，将其应用于实践过程中，又培养了创新的意识，最重要的是给予学生实现创新的平台。为此设计并制作拼接了机械手臂，文章主要对机械手臂的机械系统与控制系统进行了组装设计讲解。

一、机械系统设计方案

机械手臂的主要功能是将物品从某一位置移到另一位置，即：机械手臂从起始位置到物品所在位置后将物品夹起，再到指定位置把物品放下，最后返回原位准备进行下一动作。根据它的功能目标机械手臂的机械系统主要有旋转机构、伸缩机构、升降机构以及开合机构四大部分组成，模型实物如图1所示，该模型体积较小，各个机构的运转可清楚的看见，方便教师携带，可将其模型展示给学生观看，便于学生理解和巩固。

图1 机械手臂

Fig.1 multi-function robot arm

1.机械手臂的旋转装置

机械手臂的旋转功能在方案中是通过齿轮啮合传动实现的，并在起始位置和终止位置中放置行程开关来控制机械手臂的移动范围和旋转方向的变换。其传动简图如图1.1所示。图中小齿轮是主动轮，便于对旋转速度的控制。

（a）旋转装置简图

1―转盘 2―小齿轮 3―齿轮箱 4―马达箱图

1.1 实际旋转机构图

Fig 1.1 Actual rotating mechanism chart

2.机械手臂的伸缩机构

通过利用蜗轮蜗杆、齿轮之间的传动以及连杆与滑块杆之间的滑动来进行实现机械手臂的伸缩功能。并通过齿轮箱来控制它的速度。实现这一功能的意义在于，可以增大其工作范围，通过它的伸缩功能，机械手臂可以不用移动就能到达指定位置，其传动简图如图1.2所示。

（a）伸缩装置简图

1―马达 2―齿轮箱 3―蜗杆 4―连杆

图1.2 实际伸缩机构图

Fig 1.2 Actual rotating mechanism chart

3.机械手臂的升降机构

机械手臂的升降功能则是通过链传动和涡轮蜗杆传动之间的相互连接来进行实现的。它的传动简图如图1.3所示。

（a）链传动机构简图

1―小齿轮；2―链条

图1.3 实际升降机构图

Fig 1.3 Actual lifting mechanism chart

4.机械手臂的开合机构

物品的夹起与放开都是通过机械手臂的开合来完成，在设计过程中，选用涡轮蜗杆的结构作为运转的机构。将涡轮蜗杆固定在机械手臂的中间，通过马达带动蜗杆的转动，涡轮与手臂之间的衔接物会带动手臂向两侧张开或夹紧，实现机械手臂对物品的夹紧和放下的功能。

（a）夹紧机构简图

1-开关；2-销；3-机械手臂；4-涡轮；5-蜗杆

图1.4 实际夹紧机构图

Fig 1.4 Actual clamping mechanism

二、控制系统设计方案

1.总体运行过程

假设机械手臂现处于张开状态，且在最底层，手臂未发生移动，将物品放置于某一位置，高度与机械手臂高度一致。运行过程如下：一开始，先转动转盘至某一角度，由马达M2控制，其位置在小齿轮的齿轮箱旁边， 顺时针为正转。然后将机械手臂向前伸出一定距离，使其恰能触碰到物品，由马达M3控制，其位置在移动机构中远离机械手臂的一侧，顺时针时伸缩装置向前运动。接下来，用机械手臂夹紧物品，由马达M4控制，逆时针为手臂闭合。夹住物品后，利用升降结构将物品升至同货架高度一致的位置，由马达M1控制，逆时针为上升。接着，调节物品与货架之间的距离，通过向前或后退移动一定距离，直至两者之间距离为零，再通过旋转功能，旋转到货架上面，最后控制夹手张开，将物品放置在货架上，完成运输功能。系统的总体运行程序如图2所示。

图2 总体控制程序图

Fig 2 Overall control chart

（1）旋转功能介绍。物品的转移可以通过偏置一定的角度，使物品到达指定的地点，可通过编程控制马达M2实现旋转，顺时针旋转为正转。

（2）伸缩功能介绍。要想精确的定位重物在哪个位置放置，可通过移动装置，实现机械手臂的伸缩功能，编程控制马达M3实现机械手臂的伸缩，顺时针旋转为向前移动。

（3）升降功能介绍。要使物品放到货架上，则需要调节物品的高度不得高于货架且不能过低，装置通过链条传动，利用小齿轮将链条带动，然后控制涡轮蜗杆的升降，从而实现物品的升降，编程控制马达M1实现升降，逆时针旋转为物品上升。

（4）开合功能介绍。物品的夹取是在运输过程中的重要环节，通过涡轮蜗杆机构，编程控制马达M4实现夹手的张开与闭合功能，顺时针旋转为夹手张开状态。

三、结语

第9篇：仿真机械手臂设计范文

关键词：数控铣床；自动换刀装置；改造

中图分类号：TG547 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0065-02

准备工作：（1）准备支架，刀库。（2）准备中间继电器5个，接触器3个，空气开关2个。（3）准备电线，红色22v，蓝色24v，黑色380v。动力线，信号线。（4）准备工具，扳手、六角扳手、油、小刀、扎带等。

1 刀库类型的确定

自动换刀装置有斗笠式刀库，圆盘式刀库，链式刀库等类型。这部分内容是《机床与数控机床》的专业知识，查阅资料，根据需求进行分析，确定刀库的使用参数，选用合适的刀库。当前设备数控铣床，所加工产品的刀具在20把以内，通过分析每种刀库的特点和企业需求，确定了自动换刀装置选用圆盘式刀库，刀具容量24把以及刀库的参数指标。

2 支架的设计

支架和是连接刀库机床的连接件，支架的设计使用到《机械CAD/CAM》以及《机械基础》专业知识，通过测量机床和刀库尺寸以及刀库的重量，对支架进行结构设计，运用CAD软件实体进行造型仿真，优化支架结构，完成支架的图纸设计。

支架的机加工部分由我们加工完成，包括平面铣削、槽铣削、键的加工。这部分专业知识在《机加工实训》《数控加工实训》中学习到。

3 刀库安装

利用龙门架将支架吊装至主轴立柱的预留安装位置；将立柱与支架的安装面清理干净，保证配合面安装准确；将支架的定位键插入立柱键槽；移动支架使其与立柱通过定位键准确定位；用紧固螺栓将支架固定在立柱上；在立柱上安装用于调整支架位置的螺栓部件。

利用龙门架将自动换刀装置吊装至机床附近，并拆除自动换刀装置的支承附件；将自动换刀装置吊装至支架位置，调整自动换刀装置并用螺栓将其固定在支架上。连接信号线、动力线、接通气路。

4 系统的设计

系统的设计是一项综合性很强的任务，在这个任务运用《电工与电子技术》《机床电控与PLC》的专业知识。

（1）电气系统设计。自动换刀装置分度电机和刀臂电机的控制的强电部分设计。M2、M6分别为自动换刀装置分度电机和刀臂电机。KM02和KM03分别为自动换刀装置正、反转控制接触器，正反电机之间互锁。KM06为刀臂电机接触器，由于刀臂电机只做一个方向的运转，刀臂顺逆旋转靠内部机械结构转换，故换刀动作只有一个接触器。QF03、QF06为空气断路器，当过载时切断电路，保证安全运行。ZM02、ZM06为吸收电路，用于改进电动机在开通和关断时所承受的电压和电流波形。

（2）接触器电路的设计。该部分主要是实现PMC的输出信号的变化接通或断开的控制，KA02、KA03、KA06分别控制KM02、KM03、KM06线圈得电的物理中间继电器。

（3）倒刀回刀动作的控制。分别由物理继电器KA04、KA05控制YV2、YV3电磁阀。

5 机床调试

在与这部分任务用到了《数控机床维修》《数控原理与应用》的专业知识。在调试之前，设置系统参数，将K参数中K3.3=1 K5.5=1，实现单步换刀（M80-M86）。

（1）自动换刀装置位置调整。这部分内容自动换刀装置与主轴相对位置的确定十分重要，关系到换刀能否顺利完成。顺序执行M80（刀套垂直）、M81（刀臂持刀）、M82（刀位松）、M83（换刀）、M84（刀位紧）、M85（刀臂原点）、M86（刀套水平）指令，使换刀臂处于换刀位置（M83），将一刀柄锥面均匀涂抹红丹油放置在刀臂上，用于调整自动换刀装置位置，这时调整支架上X向、Y向微调螺钉用来调整自动换刀装置位置，同时在手轮模式下，Z轴上下移动主轴，使主轴锥孔与刀柄锥面轻轻接触，观察主轴锥孔上红丹油的分布情况，直至红丹油均匀分布在主轴锥孔面上。锁紧支架螺钉，这样自动换刀装置的位置调整完毕。

（2）机床第二参考点设置（换刀点）。在调试之前，机床回机械原点，执行回零操作，一般机械原点高于换刀点。设置系统参数，将K参数中K3.3=1 K5.5=1。输入#1326号系统参数Z 50，#1851号参数APC置1，重新开关机，#1851号参数APZ置1，再次重新开机，此时调整前的参数设置完毕。在手轮模式下移动Z轴，使主轴锥孔与刀柄轻微接触，Z轴上移0.3mm，将这一位置作为Z轴第二参考点即换刀点。将换刀点与机床原点Z向差值输入到#1241号参数Z值，机床第二参考点即换刀点设置完毕。

（3）主轴定位的设置。数控机床为了完成ATC的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀：为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节。主轴准停的设定通过#4031号参数设置，保证主轴凸键与刀柄键槽对准。

（4）换刀操作验证。顺序执行M80-M86指令，单步完成换刀动作，检查换刀动作是否正确顺利。

（5）刷新自动换刀装置。通过PMC将刀座号与刀具号设为一致，即主轴为零号刀，一号刀位对应一号刀、二号刀位对应二号刀。

（6）参数复位。调试结束之后，要将参数复位，需要复位的参数有#1320，#1326，K3.3，K5.5。

6 Y束语

在这个项目中通过阅资料，根据企业需求进行分析，确定刀库的参数，选用了合适的刀库；通过测量机床和刀库尺寸以及刀库的重量，对支架进行结构设计，运用CAD软件实体进行造型仿真，优化支架结构，完成支架的图纸设计；参与了刀库系统的部分设计任务；完成了刀库位置的调整任务；能根据要求对机床参数进行设置。

在这个项目的实施过程中应用到了《机床与数控机床》、《机械CAD/CAM》、《机械基础》、《机加工实训》、《数控加工实训》、《电工与电子技术》、《机床电控与PLC》、《数控机床维修》、《数控原理与应用》等专业知识，一边学习一边应用，对知识点有了更深刻的认识，在对刀库改装中起到了良好的效果。

数控铣床自动换刀装置改造项目的完成，同时也促进了企业之间的技术发展，推动了科研的步伐，为数控专业更好的学习理解专业知识提供了条件。提高了生产效率，节约了人力资源；改造后的机床能够承担工艺复杂、工序繁多和批量生产等零件的加工任务。通过测试，熟练操作工手动换刀一次平均时间为19秒，而自动换刀一次时间为6秒。对于多工序、多刀具的的产品生产可以大大提高生产效率，减少生产成本。

参考文献：

[1]FANUC.FANUC Series Oi Mate-MODEL D维修说明书.B-64305CM/01[Z].

[2]FANUC.FANUC Series Oi Mate-MODEL D参数说明书.B-64310CM/01[Z].

[3]FANUC.FANUC Series Oi Mate-MODEL D加工中心系统用户手册.B-64304CM-2/01[Z].

[4]VMC系列立式加工中心使用说明书电气部分（FANUC 0i/0i-Mate系统）[Z].宝鸡机床集团有限公司.

[5]首轮圆盘式自动换刀装置操作说明书[Z].首轮机械工业有限公司.