【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 1 頁(yè) 共 36頁(yè) 1 緒論 課題提出背景 如今，機(jī)械自動(dòng)化已經(jīng)成為了新時(shí)代的主題。其中，機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多的，而且它的發(fā)展也是最快的。工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的程度越來越高，而生產(chǎn)環(huán)境變得越來越惡劣，這樣對(duì)工人提出了更高的要求，比如安全性、健康性、環(huán)保性等。機(jī)械手可以有效的解決這個(gè)問題，它可以在高溫、高壓、有毒、放射性等場(chǎng)合應(yīng)用。在機(jī)械制造行業(yè)中，機(jī)械手又稱工業(yè)機(jī)器人，它主要被應(yīng)用于運(yùn)送加工原料或者給特定的機(jī)床進(jìn)行刀具的轉(zhuǎn)換和機(jī)器的裝配等一些自動(dòng)化流水生產(chǎn)線上。綜上所述， 機(jī)械手的應(yīng)用更加有效率，同時(shí)還能降低生產(chǎn) 成本。 機(jī)械手是一門綜合性的學(xué)科，它包含了機(jī)械、電子、材料、自動(dòng)控制等許多學(xué)科方面的知識(shí)。隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械手也不斷的更新?lián)Q代，朝著精密化、智能化、復(fù)雜化的方向發(fā)展。如今的機(jī)械手加入了傳感器反饋系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)械手發(fā)生故障時(shí)，它可以自我檢測(cè)，并且自動(dòng)修復(fù)。 工業(yè)的自動(dòng)化程度的高低離不開 PLC， 它的控制能力越高，自動(dòng)化的程度也越高。所以 PLC 常被用于工業(yè)生產(chǎn)中，隨著它的地位逐漸增長(zhǎng)，它的功能也隨之有了很大的提高。對(duì)于 PLC而言，它的程序編寫容易、系統(tǒng)操作靈活，同時(shí)對(duì)于控制也方便實(shí)現(xiàn)，這樣能夠提高 工業(yè)生產(chǎn)的效率和加工的質(zhì)量。在一些惡劣的環(huán)境下， PLC 同樣能夠取代人類去完成一些控制，從另一方面而言，成本也相對(duì)減輕了許多。基于 PLC 設(shè)計(jì)的機(jī)械手自動(dòng)操作系統(tǒng)，更加容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)性。 在本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，選用三菱系列的 PLC 對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，完成自動(dòng)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的上下、左右、旋轉(zhuǎn)等控制，要完全實(shí)現(xiàn)這些，還需要其它輔助元器件，比如氣缸、傳感器、電磁閥、底座和支架等。為了能夠更加直觀的對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行展示，在本次設(shè)計(jì)中加入了組態(tài)軟件對(duì)機(jī)械手進(jìn)行監(jiān)控。 MCGS 是一種用于對(duì)機(jī)械手整體監(jiān)控的一種組 態(tài)軟件，通過對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集， MCGS 以動(dòng)畫形式表現(xiàn)，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)控和整個(gè)流程的控制。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在 1954 年，美國(guó)的著名工程師沃爾德最早提出了人機(jī)一體化的構(gòu)想；到了 1959年，擁有豐富創(chuàng)造力的兩人沃爾德和英格伯一同制造出了世界上第一臺(tái)機(jī)械手； 1962本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 2 頁(yè) 共 36頁(yè) 年時(shí)，美國(guó)政府將機(jī)械手的實(shí)用性做了相關(guān)的敘述，機(jī)械手慢慢被大家所認(rèn)知； 1970年在美國(guó)召開了第一屆有關(guān)機(jī)械手相關(guān)的會(huì)議，主要研究它的價(jià)值和實(shí)用性； 1973年美國(guó)一家公司開始制造出了一臺(tái)小型的機(jī)械手，為工業(yè)發(fā)展做奠基；直到 1980 年，機(jī)械手在日本很快的發(fā)展起來，使得機(jī)械手得到了充分的改進(jìn)，現(xiàn)在機(jī)械手正在向智能化、高速化、精密化的方向發(fā)展，機(jī)械手的定位精度也是越來越高，能達(dá)到現(xiàn)在的納米級(jí)別，它的運(yùn)行速度可以達(dá)到 3m/s，產(chǎn)出的產(chǎn)品可以達(dá)到 6 軸，夾起工件的重量也是越來越大。 生產(chǎn)過程慢慢的向著機(jī)械、自動(dòng)、智能的方向發(fā)展，逐漸地融入了我們生活中。生產(chǎn)工業(yè)的連續(xù)性依靠工業(yè)的自動(dòng)化，自動(dòng)化逐漸成為了新時(shí)代的標(biāo)志。在國(guó)外，利用計(jì)算機(jī)和鏡頭采集裝置，再加上一些特殊的傳感器裝置組合在一起，能夠有效的定位，這樣更加精確和有效的進(jìn)行加工。但是在機(jī)械加 工的過程中，對(duì)于零件的加工、處理和裝配這些過程是不連續(xù)的，所以在工業(yè)生產(chǎn)中加入生產(chǎn)自動(dòng)化可以有效地解決這些問題。機(jī)械手的靈活多變性可以有效地適用于小批量的自動(dòng)化生產(chǎn)和柔性的制造生產(chǎn)線上。 在我國(guó)，機(jī)械手技術(shù)是從 80 年代開始起步，在七五科技攻關(guān)的熱潮中，生產(chǎn)出了部分的機(jī)械人的零件，慢慢的認(rèn)識(shí)到機(jī)械手的實(shí)用性。在國(guó)家相對(duì)政策的扶持下，開始用機(jī)械手對(duì)加工零件進(jìn)行噴漆和焊接的工作，這些都是國(guó)內(nèi)自己開發(fā)研制的機(jī)器。其中孤焊機(jī)械手已經(jīng)用于對(duì)當(dāng)時(shí)汽車生產(chǎn)的焊接上，雖然技術(shù)和人才比較國(guó)外來說還有一定的差距，大部分的產(chǎn)品還是 要通過進(jìn)口才能完成組裝。在當(dāng)時(shí)，許多有著高技術(shù)的國(guó)家對(duì)自己的產(chǎn)品有嚴(yán)格保密性，不對(duì)外銷售，使得我國(guó)落后于國(guó)外一些國(guó)家，但是隨著時(shí)間的推移，技術(shù)和人才也飛快的跟上了世界的腳步。我國(guó)的企業(yè)主要生產(chǎn)一些中低端的產(chǎn)品，因?yàn)闆]有高端精密的伺服系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)，這樣很難生產(chǎn)出高端和有質(zhì)量的產(chǎn)品。 目前，國(guó)家正在對(duì)中國(guó)未來的機(jī)械制造裝備也出謀劃策，爭(zhēng)取讓這些企業(yè)占取大量的市場(chǎng)份額。我國(guó)的“ 863”機(jī)械手技術(shù)主題成立以來，國(guó)家對(duì)于這些技術(shù)的推廣和引進(jìn)，逐漸使得機(jī)械手行業(yè)成為了真正高新的產(chǎn)業(yè)。國(guó)家對(duì)于機(jī)械手企業(yè)提高了優(yōu)惠的政策 支持，并且扶持這些企業(yè)提高技術(shù)水平，加大工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)度。 課題研究主要內(nèi)容 該課題主要 設(shè)計(jì)一 個(gè)基于 PLC的機(jī)械手自動(dòng)操作系統(tǒng)，這套系統(tǒng)主要用于對(duì)機(jī)械手的過程控制。機(jī)械手的直線、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都是通過氣缸來完成，氣缸的運(yùn)動(dòng)由電磁閥本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 3 頁(yè) 共 36頁(yè) 來驅(qū)動(dòng)。 剛開始時(shí)，要求將機(jī)械手復(fù)位，工作在左位、高位和放松狀態(tài)。一上電，先控制底部轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸擺動(dòng)調(diào)整機(jī)械手的位置，讓它復(fù)位。然后通過傳感器檢測(cè)工件，檢測(cè)到工件后，機(jī)械手底部氣缸旋轉(zhuǎn)，中間氣缸右移到極限位置，下臂氣缸開始下降到極限位置，夾緊氣缸夾緊工件，下臂氣缸上升到高位，下臂氣缸 上升到極限位置，中間氣缸縮回到極限位置，底部氣缸旋轉(zhuǎn)，中間氣缸右移到極限位置，下臂氣缸開始下降到極限位置，夾緊氣缸放下工件，最后機(jī)械手復(fù)位。如圖 13所示： 圖 13 機(jī)械手實(shí)際效果圖 本次課題主要設(shè)計(jì)內(nèi)容： (1) 對(duì)機(jī)械手動(dòng)作進(jìn)行構(gòu)思 ， 設(shè)計(jì)出一套工作的整體方案 (2) 對(duì)機(jī)械手整體進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì) (3) 各氣缸選型， PLC 和 傳感器 的選型 (4) 系統(tǒng)硬件的 設(shè)計(jì) 和機(jī)械手 控制 程序的設(shè)計(jì) (5) 組態(tài)軟件 MCGS 的設(shè)計(jì) (6) 通過 PLC 來控制機(jī)械手，完成自動(dòng)控制并且連接 MCGS 進(jìn)行調(diào)控 設(shè)計(jì)的目的和意義 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于 機(jī)械產(chǎn)品的精度等級(jí)和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也是要求越來越高。 人們對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，同樣也要求具有創(chuàng)新性，更符合人性化和工業(yè)化。所以，針對(duì)國(guó)外的設(shè)計(jì)可以進(jìn)行參考和總結(jié)，幫助我們完成對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 機(jī)械手技術(shù)對(duì)工業(yè)發(fā)展有很大的好處，首先，它可以按照生產(chǎn)進(jìn)行加工，依照一定的程序和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成工件的加工和傳送；其次，它可以減輕工人的壓力，而且它能單獨(dú)的對(duì)機(jī)械進(jìn)行裝配，因此可以改善工人勞動(dòng)環(huán)境，有效地提高生產(chǎn)效率，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 4 頁(yè) 共 36頁(yè) 減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了成本。尤其在一些有污染環(huán)境 的場(chǎng)合，機(jī)械手的實(shí)用性更加體現(xiàn)出來。 如今 ， 電子技術(shù)的飛速發(fā)展和滲入，機(jī)械手的研究和開發(fā)是人類進(jìn)步的橋梁 ， 機(jī)械手的迅速發(fā)展使得它成為工業(yè)行業(yè)中的重要部分。同時(shí)，也是因?yàn)闄C(jī)器人的發(fā)展，促進(jìn)了機(jī)械手的 飛速 發(fā)展。 在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被用于自動(dòng)化流水生產(chǎn)線上，這樣使得機(jī)械手能夠廣泛的被運(yùn)用，并且能夠熟練地適用于工業(yè)生產(chǎn)的腳步。 本次課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通過用三菱 PLC 來進(jìn)行程序系統(tǒng)的控制， PLC 控制是機(jī)械手的靈魂。對(duì)于三菱系列的 PLC,它的通用性好、適用范圍廣、靈活性和編程簡(jiǎn)單等方法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 5 頁(yè) 共 36頁(yè) 2 機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手概述 在機(jī)械行業(yè)中，由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)比較多，要想各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)行需要大量的人力、物力、空間資源等，這樣的生產(chǎn)方法成本高、效率低、復(fù)雜程度高。為了解決上述難題，本設(shè)計(jì)主要研究基于 PLC控制機(jī)械手的自動(dòng)運(yùn)行。 在過去的幾十年里，機(jī)械手發(fā)展非?？?，迅速發(fā)展成為一種高科技的自動(dòng)化程度非常高的生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)械手是機(jī)器人的一部分，也是屬于機(jī)器人，它有機(jī)器人的部分特征，并且機(jī)械手可以通過簡(jiǎn)單的編程來實(shí)現(xiàn)它的自動(dòng)化來完成各種預(yù)期的任務(wù)，它繼承了人和機(jī)器人的一些特征和優(yōu) 點(diǎn)，尤其是有了人工智能，在生產(chǎn)過程中更加的準(zhǔn)確和在各種環(huán)境下能夠有效的工作。相對(duì)于我國(guó)來說，機(jī)械手有著更為廣大的發(fā)展空間，也有利于提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平 [3]。 機(jī)械手工作原理 機(jī)械手是一種通過一定的編程軟件來對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)定位和以多變的動(dòng)作形式來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。它擁有多個(gè)自由度，在空間中能夠靈活地自由運(yùn)動(dòng)。 執(zhí)行元件、驅(qū)動(dòng)元件和控制系統(tǒng)這三個(gè)部分組成了機(jī)械手。其中 執(zhí)行元件由手部、手臂和身軀構(gòu)成。手部裝在手臂的上端可以?shī)A緊。機(jī)械手的手部可以模仿人的手指，因此非常的靈活。在本設(shè)計(jì)中主要是用到夾緊氣缸，來完 成對(duì)零件的夾緊和搬運(yùn)功能。在設(shè)計(jì)中我們可根據(jù)被夾工件的大小和形狀來裝備各種各樣的夾頭，以便適應(yīng)不同的操作需要。手臂是用來引導(dǎo)氣爪能夠準(zhǔn)確地抓住工件，并把工件搬送到另一個(gè)工位上。一般機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)有兩種，一種是直線運(yùn)動(dòng)，另一種是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。身軀主要是用來安裝手臂、動(dòng)力源和各執(zhí)行元件，而且它可以起到連接的作用。 驅(qū)動(dòng)元件是用來驅(qū)動(dòng)氣爪來抓取工件也可以吸取工件，以達(dá)到預(yù)定的功能?？梢噪S時(shí) 改變被 夾持工件 件的位置 。驅(qū)動(dòng)元件 的 能夠?qū)崿F(xiàn)上升、下降、旋轉(zhuǎn)、前后左右移動(dòng)的這些動(dòng)作 ， 叫做 機(jī)械手的自由度。 自由度是機(jī)械手一個(gè)很重要的參 數(shù)性能，機(jī)械手的自由度越高，則機(jī)械手的靈活性就會(huì)越高，它的結(jié)構(gòu)就會(huì)越復(fù)雜，通用性就會(huì)越廣，反之則越小。 本次設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械手整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，來完成特定的工作內(nèi)容。通過一定的硬件控制系統(tǒng)對(duì)其編程來實(shí)現(xiàn)所有的功能，在此基礎(chǔ)上加上傳感器系統(tǒng)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的反饋工作，使其更加地穩(wěn)定和精確 [4]。 通過上面的有關(guān)知識(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)出了一套機(jī)械手，他總共有 4個(gè)自由度，包括：本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 6 頁(yè) 共 36頁(yè) 手臂上下運(yùn)動(dòng)、手臂前后伸縮、氣爪的夾緊、底座的旋轉(zhuǎn)。其中，底座的旋轉(zhuǎn)采用的是擺動(dòng)氣缸，手臂前后和上下運(yùn)動(dòng)選擇的是帶導(dǎo)向的氣缸，保證氣爪在抓取工件時(shí)的穩(wěn) 定性和可靠性，能夠有效地抓取到工件，然后在每個(gè)極限位置加上傳感器進(jìn)行反饋，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的精確性和平穩(wěn)性 [10]。 機(jī)械手整體控制要求 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制要求一般為手動(dòng)模式和自動(dòng)控制模式。其中手動(dòng)控制模式是適用于調(diào)試和安裝的時(shí)候使用或者在出現(xiàn)機(jī)器發(fā)生故障的時(shí)候使用。本次課題所設(shè)計(jì)的是自動(dòng)控制模式，通過對(duì) PLC 編寫特定的程序，機(jī)械手會(huì)按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完成特定的動(dòng)作，往往在設(shè)計(jì)中我們加入手動(dòng)控制模式，這樣便于安裝和調(diào)試，當(dāng)機(jī)械手出現(xiàn)故障的時(shí)候，可以用手動(dòng)控制來檢測(cè)故障點(diǎn)。通常在設(shè)計(jì)先確定控制方案，然后 按照方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖 23所示，機(jī)械手工作流程圖： 圖 23 機(jī)械手工作流程圖 在機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，往往加入手動(dòng)控制的方式。機(jī)械手的手動(dòng)控制包括上升、下降、伸出、縮回、左擺、右擺、夾緊和放松等這些操作過程。一旦自動(dòng)控制發(fā)生故障或者在第一次設(shè)備安裝調(diào)試過程中，可以通過手動(dòng)控制進(jìn)行檢測(cè)。 氣動(dòng)控制元件選型 單向閥 單向閥的氣體的流動(dòng)方向一般是單向的，當(dāng) P口的氣壓大于活塞彈簧的壓力時(shí)，活塞將會(huì)被打開，此時(shí) P口和 A口將會(huì)聯(lián)通，這時(shí)氣體能夠順利通過。要使得單向閥保持通暢，需要?dú)怏w 有一定的壓力來抵消彈簧的壓力。如果氣體反向進(jìn)入單向閥中，不論壓力多大，都不能使得反向閥流通，除非閥口被壓力破壞。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 7 頁(yè) 共 36頁(yè) 單向節(jié)流閥 單向節(jié)流閥是由單向閥和節(jié)流閥組合而成的，帶有壓力的氣體從 P 流向 A，經(jīng)過節(jié)流閥的作用，它只能向一個(gè)方向流動(dòng)，這種方式常被用于調(diào)速和延時(shí)回路中。 先導(dǎo)式電磁閥 先導(dǎo)式電磁閥顧名思義它帶有一個(gè)先導(dǎo)閥芯，要想電磁閥工作，我們要先打開先導(dǎo)閥芯，然后改變氣體流動(dòng)方向來 打開主閥芯。 這樣的結(jié)合就是為了在頻繁控制的場(chǎng)合多次開閉主閥芯，對(duì)其造成沖擊和磨損。先導(dǎo)式電磁閥也分為單 電控和雙電控兩種形式 [5]。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 水平氣缸 本設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用到氣缸元件，氣缸因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的不同可以分為兩大類：膜片式和活塞式。在日常生活中，單作用分為兩類：有桿活塞和無桿活塞。氣動(dòng)控制元件是將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種裝置，如：氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)。 (1) 普通氣缸 普通氣缸是由缸筒機(jī)構(gòu)、活塞桿、活塞裝置、前后缸蓋、密封圈和緊固零件等零件組成。缸筒前后蓋四角有四根拉桿和螺母進(jìn)行緊固?；钊醒b有密封圈和導(dǎo)向磁性環(huán)，磁性 環(huán)是用來產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，是活塞桿接近磁性開關(guān)的時(shí)候發(fā)出一定的型號(hào)，即可以在任何時(shí)候可以檢測(cè)出活塞干的位置。 （ 2） 無桿氣缸 無桿氣缸利用活塞直接或間接方式 來實(shí)現(xiàn) 機(jī)構(gòu) 的往復(fù)運(yùn)動(dòng) ，并 且沒有像普通氣缸一樣的剛性活塞桿。無桿氣缸能夠有效的節(jié)約空間，還能夠有效地避免了有桿活塞和密封圈之間摩擦而帶了的機(jī)械能的損失。與有桿氣缸相比，它的行程推動(dòng)力是雙向的，特別適用于小缸徑和長(zhǎng)行程場(chǎng)合的試用。現(xiàn)在無桿氣缸廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、注塑機(jī)等開門裝置中，通常也用于多功能的坐標(biāo)機(jī)器人的輸送線和抓取工件上。 (3) 擺動(dòng)氣缸 擺動(dòng) 氣缸是指在空間中一定范圍內(nèi)進(jìn)行一定角度的運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)的幅度是有一定的局限性。目前擺動(dòng)氣缸在工業(yè)中被廣泛的應(yīng)用，經(jīng)常被應(yīng)用受到限制或者轉(zhuǎn)動(dòng)角度較小的 360度的回轉(zhuǎn)工作部件上，其動(dòng)作原理也是將壓力能轉(zhuǎn)換