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2 机械手系统设计

2.1气压传动控制
在气压传动控制的设计中运用将压力能转化为机械能的一项技术：采用气压驱动器，并将压缩空气作为工作介质来实现此项技术。而用于控制零件的，是通过将马达或其他原动机所生成机械能转换成压缩空气的压力能的空气压缩机来实现的。在压力能被转换为不同形式的机械能的过程中，借此可以实现向外部做功，以及不同种动作的完成。
气源装置、控制元件、执行元件、辅助元件等四个部分共同构成了气压传动控制系统。
为系统提供呵护质量要求的压缩空气，用于过滤空气中的固体小颗粒以及一些含有水汽的会影响气动零件工作的空气。其主要部分是空气压缩机，压缩空气的发生装置以及压缩空气的储藏以及净化的辅助装置，是气动系统必不可少的源头装置气源装置。
控制元件是气动控制系统之中一部分核心元件，通常运用压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀等，通过对气源输入信号的处理进而实现方向等各方面的控制。
用于压缩空气净化的过滤器、润滑零件所需的油雾、将零件合理连接的管接头以及降噪所用消声器，这些都是气动控制中重要的辅助零件。
执行元件于控制元件相辅相成，它的机制是实现机械能的运用（由压缩空气的压力能转化而成）。主要为气缸以及马达等元件，设计之中的立柱摆动以及手臂升降或是夹爪的收缩都是通过控制元件，具体而言是气缸控制。
有四个执行元素，每个执行不同的动作。圆柱型零件1可以实现了机机械手正向翻转，圆柱型零件2实现了机械手的立柱的上升与下降运动，圆柱型零件3实现了机械手手臂的伸缩运动，气动爪零件4实现了夹爪的收紧和放松。必须控制这四个执行元件的运动，以达到处理工件的目的。依次进行的动作过程包括：“翻转柱”“拉伸手臂”“升高柱”“夹住工件”“收缩手臂”“降低柱”“展开手臂”“释放工件”要按顺序执行这些操作，只需调整四个零件的气流转换，一次只需更换一个柱状零件。
气动技术的大幅采用已经体现在许多领域。如：机械、轻工业、石化、纺织品、电子、包装、食品、医药、冶金、航空、运输等各个工业领域。气动机器人、组合机器、加工中心、生产者铜芯、自动检测和实验装置等大量登场。气动技术的广泛使用也正是其日益增长的优越性的一种体现，具体在自动控制方面、生产产量、产出产品合格度控制、以及资源利用率等方面都有体现。
2.2结构原理图
通过上面对气动机械手的分析，现在将其结构原理进行分析，如下图2-1机械手工作原理图。

图2.1 机械手工作原理图

3 气动系统选择

3.1换刀机械手气动系统元件的确定
气动三大件是气动控制系统必不可少的组成部分；在这里选用较为常见的双电控二位五通电磁换向阀，排气阀选用单向排气阀，还有几个气缸。
3.2 电磁换向阀
电磁阀是控制元件中的一种方向控制阀，方向控制阀又有电气控制、机械控制与人力控制几种，通过电气控制来实现流动体的自动化。是一种执行元件，在各个技术领域都有运用。用于调整介流动体的方向等各个参数。
电磁换向阀得电，先导孔在电气控制下张开，使上腔的压力在流体进入的情况下远小于腔室外部的压强，从而产生一个压强的高低差距，流体压力推动阀门打开；电磁换向阀失电时，先导孔在弹簧驱动控制下张开，使上腔的压力远大于腔室外部的压强，从而产生一个压强的高低差距，由于流体压力，阀门关闭。如图3-1电磁换向阀，最大流体压力范围高，能够实现随机安装，但要求满足流体压差条件下才可以实现。

图3.1 电磁换向阀图
3.3气动三联件
气动三联件又称气动三大件，是运用回转离心原理分离的分水过滤器、注油装置油雾器以及稳压减压的减压器三个元件，按照分水过滤器→减压阀→油雾器的顺序连接而成的综合性装置。如图3-2气动三联件。
其中分水过滤器采用新型旋风叶片，在过滤度、水分离率、滤灰效率等指标方面均有良好表现，能够很好的将空气中的灰尘杂质过滤出去，并分离水分。
油雾器将润滑油进行雾状喷射，能够很好的达到润滑的效果，且润滑效果稳定，使用简单便捷。

图3.2 气动三联件

4 系统各主要组成部分设计

4.1夹持器结构设计与校核
在实际的工业生产以及机械设计环节中运用连杆杠杆手爪，在运用中对于夹爪有一定要求。
(1) 适当的夹紧力
手操作时，必须有适当的夹紧力，以确保稳定性和可靠性高的支持，变形少，工作是损坏加工面。僵硬、拙劣的工作夹紧力的大小是可调节的设计，繁重的工作必须考虑使用自锁安全装置。
(2) 足够的交换机范围
操作时手指的开关位置最大的是正变化称为开关范围。支持班级手的手指开闭装置。操作开关角度和手指夹紧边长度表达。关于手的手指切换开关范围、手指开关范围要求和多个因素
(3) 追求简单的结构，小巧轻便
运动状态改变直接影响整个气动机器人的结构重量、位置精度、运动速度等性能的结构、重量和体积。需要手前，工作设计，追求手，简单，小的轻量结构。
(4) 机械手爪应具有一定承受能力
基于承受强度的要求，使用了简单的开合式夹爪，通过弹簧驱动控制两个指之间的开合，以达到手抓夹紧与放松的简单控制，单作用气缸。这个结构简单，并且便于操作。气缸工作时，右侧没有气体进入时，气缸右侧腔停止进入时，夹爪松开。
4.2 水平方向设计计算
1、水平方向计算
要使摆动缸的工件扭矩最大，需要工件处于水平的位置且将工件重量设定为重10kg，长度l =100mm。如图4-1所示。

图4.1 受力简图
4.4总体系统图

图 4.5 总体系统图

5 硬件设计

5.1 控制系统电源的设计
本设计系统中用于提供电源的为AC380V，PLC的供电电源为AC220V，使用隔离变压器为其供电，PLC输入/输出回路的电源为DC24V，选用AC220V/DC24V直流稳压电源。
5.2 硬件选型
SPS系列S 7-200具有221、222、224xpcn、226等各种类型。选择224xpcn作为14个输入/10个起始点，24个数字I/O的综合系统。224xpcn包括一组模拟量输入和模拟量输出模块。不能使用226和其他类型。224xpcn在成本和性价比方面比其他类型有优势。
允许联接七个拓展模块。扩展到最多248个数字或35个模拟I/O口。有13kb的程序和存储空间。有6个独立的30khz高速表，2个独立的20khz高速脉冲输出，PID控制器。有两个RS 485通信端口。

图 5.1 PLC实物图
5.2.1 中间继电器选型
中心继电器的主要参数选择:极数(接点对)、线圈电压、附加电流、插座、有灯、无灯。
根据以上几点，根据欧姆龙提供的参数来选择模型。
首先是my这个系列，操作频率从100000到60000次。常用线圈电压:AC 200/ 2020 / 240v、DC 24v。有n的型号是有LED灯的型号。
这里可以基于成本以及需求选用价格相对更高的n型。LED颜色:交流红色，直流绿色。线圈交换标准:线圈分离有自己的诊断功能。
线圈直流规格:线圈极性必须识别，布线必须正确。My 2j 2对接点，额定通电电流为3a。
对于导轨安装底座，ly系列比my系列有更大的容量。与上面my系列的常用线圈电压是同样的
LED的颜色:交流红，直流绿。线圈交换标准:线圈分离时要具有自我诊断能力。都是两个系列相同的。
线圈直流标准:检测线圈极性，正确的布线ly 2j将附加电流10a施加到接触。
最后选择pyf 08a -e my 4j +pyf 08a -e my 4nj有LED的小型中央继电器作为装置的中央继电器。

图5.2 中间继电器实物图
5.3 电路设计
5.3.1 PLCIO接线图
PLC部分的图纸包括电源的接入以及输入/输出回路的连接，电气图纸如下所示：

图5.9 PL接线图

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