【正文】 ............................................................................................ 39 附 錄Ⅰ ................................................................................................................... 40 附 錄Ⅱ ................................................................................................................... 55 附 錄Ⅲ ................................................................................................................... 60 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1章 緒 論 機(jī)械手是近幾十年發(fā)展 起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)械手的概念 我國國家標(biāo)準(zhǔn) (GB/T12643–90)對機(jī)械手的定義 ：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體，或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置?！? 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類。專用機(jī)械手 ： 它作為整機(jī)的附屬部分，動作簡單，工作對象單一，具有固定 (有時可調(diào) )程序，使用大批量的自 動生產(chǎn)。如自動生產(chǎn)線上的上料機(jī)械手，自動換刀機(jī)械手，裝配焊接機(jī)械手等裝置。通用機(jī)械手 ： 它是一種具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機(jī)械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)。它的工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。 機(jī)械手最早 應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。機(jī)械手 擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作 ； 代替人完成繁重、單調(diào) 的 重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、 汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運(yùn)小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng) (FMS )和計算機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS )，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。 氣動機(jī)械手的簡介 氣動技術(shù) 氣動技術(shù) — 這個被譽(yù)為工業(yè)自動化之“肌肉”的傳動與控制技術(shù)，在加工制造業(yè)領(lǐng)域越來越受到人們的重視，并獲得了廣泛應(yīng)用。目前，伴隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動化控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，氣動技術(shù)也不斷創(chuàng)新，以工程實際應(yīng)用 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 為目標(biāo)，得到了前所未有的 發(fā)展。氣動技術(shù) (Pneumatics)是以壓縮空氣為介質(zhì)來傳動和控制機(jī)械的一門專業(yè)技術(shù)。 “ Pneumatics”一詞起源于希臘文的“ Pneuma” ，其原義為“呼吸”，后來才一演變成“氣動技術(shù)”。 氣動技術(shù)因具有節(jié)能、無污染、高效、低成本、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單，以及防火、防爆、抗電磁干擾、抗幅射等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子、工 業(yè) 機(jī)械、食品等工業(yè)產(chǎn)業(yè)中。隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的開發(fā)和應(yīng)用，氣動技術(shù)己經(jīng)突破傳統(tǒng)的設(shè)計、制造理念，正在 IC/LCD、微電子、生物制藥、醫(yī)療機(jī)械等高技術(shù)領(lǐng)域扮演著重要角色。 隨著生產(chǎn) 自動化程度的不斷提高，氣動技術(shù)應(yīng)用面迅速擴(kuò)大，氣動產(chǎn)品品種規(guī)格持續(xù)增多，性能、質(zhì)量不斷提高，市場銷售產(chǎn)值穩(wěn)步增長。在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國家，氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，而且仍以較快的速度在發(fā)展。氣動工業(yè)的高速增長，進(jìn)一步刺激了氣動技術(shù)的發(fā)展。氣動技術(shù)正朝著精確化、高速化、小型化、復(fù)合化和集成化的方向發(fā)展。 氣動機(jī)械手 工業(yè)機(jī)械手使用最多的一種驅(qū)動方式是電機(jī)驅(qū)動。驅(qū)動電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)以及交流伺服電機(jī)。由于電機(jī)速度高，通常須采用減速機(jī)構(gòu) (如諧波傳動、 RV 擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺 旋傳動和多桿機(jī)構(gòu)等 )。這類機(jī)械手的特點是控制精度高，驅(qū)動力較大，響應(yīng)快，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方案。但是由于這類機(jī)械手價格昂貴，限制了在一些場合的廣泛應(yīng)用。因此，人們開始尋求其它一些經(jīng)濟(jì)適用的機(jī)械手驅(qū)動方式。 隨著氣動技術(shù)獲得了快速發(fā)展，其利用成本性能比低廉及同時具有許多優(yōu)點的氣動設(shè)備 ，在 滿足社會生產(chǎn)實踐需要 的同時 也越來越多的受到重視 。 氣動機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實踐要求的一種重要實用技術(shù)。 氣動機(jī)械手與其它控制方式的機(jī)械手相比，具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、 無污染及抗干擾性強(qiáng)等特點，表 給出了各種控制方式的比較 。 表 各種控制方式的比較 項目 氣壓傳動 液壓傳動 電氣傳動 機(jī)械傳動 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡單 復(fù)雜 復(fù)雜 較復(fù)雜 安裝自由度 大 大 中 小 輸出力 稍大 大 小 不太大 定位精度 一般 一般 很高 高 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 續(xù)表 動作速度 大 稍大 大 小 響應(yīng)速度 慢 快 快 中 清潔度 清潔 可能污染 清潔 較清潔 維護(hù) 簡單 比氣動復(fù)雜 需要專門技術(shù) 簡單 價格 一般 稍高 高 一般 技術(shù)要求 較低 較高 最高 較低 控制自由度 大 大 中 小 危險性 幾乎沒問題 注意火 一般無問題 無特殊問題 氣動機(jī)械手是在己有的機(jī)械手基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。二者之間的區(qū)別在于氣動機(jī)械手發(fā)展的起點頗高，它強(qiáng)調(diào)模塊化的形式，把專用機(jī)械手和通用機(jī)械手結(jié)合起來?，F(xiàn)代氣動機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個方面組成。采集感知信號及控制信號均由智能閥島來處理，氣動伺服定位系統(tǒng)代替了伺服電機(jī) 、 步進(jìn)馬達(dá)或液壓伺服系統(tǒng) ； 氣缸、擺動馬達(dá)完成原來由液壓缸或機(jī)械所作的執(zhí)行動作 ； 主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機(jī)械手能拓展成系 列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。人們根據(jù)應(yīng)用 情 況的要求，選擇相應(yīng)功能和參數(shù)的模塊，像積木一樣隨意的組合，這是一種先進(jìn)的設(shè)計思想，代表氣動機(jī)械手今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著氣動機(jī)械手的發(fā)展及實用性。因此，氣動機(jī)械手可以代替一些功能不理想的工業(yè)機(jī)械手的地位，在目前的工業(yè)自動線上有著及其廣泛的應(yīng)用前景。 氣動機(jī)械手的發(fā)展趨勢 盡管世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩，使得氣動機(jī)械手的發(fā)展受到一定的影響，然而，作為新興科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，氣動機(jī)械手的發(fā)展勢不可擋。目前，氣動機(jī)械手的發(fā)展呈現(xiàn)出了以下趨勢 ： 結(jié)構(gòu)模塊化 控制智能化 感覺 功能變強(qiáng) 系統(tǒng)應(yīng)用與集成化 可靠性越來越高 易操作更靈活 向微型化方向發(fā)展 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第 2章 方案論證 機(jī)械手的設(shè)計 氣動搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 機(jī)械手的種類很多，但按手臂坐標(biāo)類型來分主要有直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、 SCARA 型。 本 論 文所針對的機(jī)械手屬于圓柱坐標(biāo)式，如圖 所示，機(jī)械手主要是由基座和手臂兩部分組成。基座的主要 任務(wù)是支撐和完成手臂回轉(zhuǎn)。手臂裝在基座上，作上下直線運(yùn)動，手部可夾緊 /放松。 圖 機(jī)械手原理圖 本機(jī)械手的全部動作由氣缸驅(qū)動。氣缸由電 磁閥控制。驅(qū)動部分有升降氣缸、擺動氣缸和手部驅(qū)動氣缸。 氣動搬運(yùn)機(jī)械手的工作原理 本機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動，使用的是壓力為 0. 6 MPa，最高可達(dá) 1 Mpa。 這個機(jī)械手具有二個直線運(yùn)動和一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動自由度，用于將 原 工作臺上的物品搬到其左側(cè)工作臺上。機(jī)械手的全部動作由氣缸驅(qū)動，氣缸由電磁閥控制，整個機(jī)械手在工作中能實現(xiàn)上升 /下降、左 旋轉(zhuǎn) /右 旋轉(zhuǎn) 、夾緊 /放松功能，是目前較為簡單機(jī)械手手部 機(jī)械手橫臂 機(jī)械手立柱 機(jī)械手基座 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 的、應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械手。機(jī)械手的工作流程如圖 所示。 圖 其升降運(yùn)動通過升降氣缸、垂直導(dǎo)柱 、滑動導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)軌及升降位置微動開關(guān)相互配合完成，升降工作行程為 0~1500mm。 轉(zhuǎn)動是通過擺動氣缸、軸向止推軸承、擺動臂及擺動位置微動開關(guān)協(xié)調(diào)完成， 轉(zhuǎn)動 工作行程為 0~180176。手部是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量來調(diào)整。 氣動搬運(yùn)機(jī)械手群 氣動搬運(yùn)機(jī)械手群結(jié)構(gòu) 本論文的控制對象是由三個機(jī)械手組成的機(jī)械手群。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 開始 下降 抓緊 上升 左旋 下降 放松 上升 右旋 結(jié)束 原位 機(jī)械手 1 機(jī)械手 2 機(jī)械手 3 工作臺 A 工作臺 B 工作臺 C 紅外檢測 紅外檢測 紅外檢測 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 三個機(jī)械手、三個工作臺和三個紅外檢測器固定在一個大型的基座上。每個機(jī)械手的手部正下方都有工作臺，用于 放置物品。在每個機(jī)械手的基座和工作臺之間都有一個紅外檢測器，用于檢測 工作 臺上是否有物品。機(jī)械手把物品從右面的工作臺上移到左面的工作臺上。 氣動搬運(yùn)機(jī)械手群工作原理 當(dāng)系統(tǒng)工作開始時，工作臺 A 上有物品時，機(jī)械手 1 首先工作，完成 8 個基本操作后（即一個循環(huán)），把物品放在工作臺 B 上，機(jī)械手 2 便啟動工作，同樣完成一個循環(huán)后，把物品放在工作臺 C 上，機(jī)械手 3 啟動工作，這樣 3 個機(jī)械手不斷的循環(huán)工作；當(dāng)系統(tǒng)工作結(jié)束時，機(jī)械手 1 首先完成一個循環(huán)后停止，然后機(jī)械手 機(jī)械手 3 也順序依次停止工作。 本論文的主要內(nèi)容及達(dá)到的目標(biāo) 本 論文主要內(nèi)容是以氣動搬運(yùn)機(jī)械手作為控制對象，用 PLC 作為控制器，最終實現(xiàn)對氣動搬運(yùn)機(jī)械手群自動運(yùn)行的控制。 本論文要達(dá)到的目標(biāo)是，當(dāng)系統(tǒng)工作開始時，機(jī)械手 1 首先工作，完成 8 個基本操作后（即一個循環(huán)），機(jī)械手 2 便啟動工作，同樣完成一個循環(huán)后，機(jī)械手3 啟動工作，這樣 3 個機(jī)械手不斷的循環(huán)工作；當(dāng)系統(tǒng)工作結(jié)束時，機(jī)械手 1 首先完成一個循環(huán)后停止，然后機(jī)械手 機(jī)械手 3 也順序依次停止工作。 每個機(jī)械手的完成 8 個基本操作，第 1 步當(dāng)工作臺上有物品時，機(jī)械手下降。第 2 步是機(jī)械手在最低位抓緊物品。第 3 步是機(jī)械手夾緊物品上升。第 4 步是機(jī)械手夾緊物品右旋 180 度。第 5 步是機(jī)械手夾緊物品下降。第 6 步是在最低位時松開物品。第 7 步機(jī)械手上升。第 8 步是機(jī)械手左旋 180 度，回到原位。 本系統(tǒng)的控制方案 為了實現(xiàn)對氣動搬運(yùn)機(jī)械手群的自動控制，本系統(tǒng)采用 PLC 做控制器。 本系統(tǒng)的 輸入 開關(guān)量為數(shù)字信號，直接連接 PLC， PLC 通過中間繼電器對電磁閥加以控制。系統(tǒng)框圖如圖 所示 。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 右旋限位開關(guān) 停止按鈕 啟動按鈕 物品檢測開關(guān) 下降限位開關(guān) 夾放檢測開關(guān) 上升限位開關(guān) 左旋限位開關(guān) P L C 上升電磁閥 夾放電磁閥 右旋電磁閥 左旋電磁閥 選擇按鈕 下降電磁閥 繼電器 繼電器 繼電器 繼電器 繼電器 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 第 3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 PLC 的簡介 可編程控制器的概念 可編程控制器 (Programmable Logical Controller)簡稱 PLC。國際電工委員會（ IEC）在 1985 年的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案第 3 稿中，對 PLC 作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計?！? 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程是復(fù)雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。 PLC 一 經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎。 PLC 具有如下特點： 編程方法簡單易學(xué)。 功能強(qiáng)，性能價格比高。 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。