【正文】 識，結(jié)合當(dāng)代機(jī)械手的發(fā)展，本論文主要研究和討論以下幾個方面的問題：本設(shè)計課題研究的主要內(nèi)容：（1）對立體倉庫機(jī)械手整體方案進(jìn)行分析、設(shè)計在對自動化立體倉庫作簡單介紹的基礎(chǔ)上，分析立體倉庫機(jī)械手整體的方案，并根據(jù)自己的想法設(shè)計出簡單的模型，采用系統(tǒng)的觀點，立足全局，對機(jī)械手各功能模塊進(jìn)行合理劃分，優(yōu)化系統(tǒng)配置，綜合分析各部分特點，實現(xiàn)功能互補(bǔ)。軟件部分采用可編程序控制器（PLC）對機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取合適的PLC型號，并介紹PLC編程軟件基本特點；根據(jù)機(jī)械手的不同工作方式的流程圖編制出不同的PLC程序，并畫出程序流程圖和梯形圖；并能根據(jù)需要隨時改動程序，來控制機(jī)械手不同的動作順序。 第2章 立體倉庫機(jī)械手系統(tǒng)模型設(shè)計自動化立體倉庫又稱自動存取系統(tǒng)(AS/RS)，是一種采用高層貨架儲存貨物，用起重、裝卸、運輸機(jī)械設(shè)備進(jìn)行貨物出庫和入庫作業(yè)的倉庫。其中搬運設(shè)備（這里指機(jī)械手）是自動化倉庫中的重要設(shè)備，它們一般由電力或者氣動驅(qū)動，通過手動或自動控制，實現(xiàn)把貨物從一處搬運到另一處。所以，要求輸送系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)上的設(shè)備可靠、耐用、維修方便，對輸送系統(tǒng)設(shè)置手動控制做后備?，F(xiàn)在把在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”?，F(xiàn)如今，機(jī)械手已廣泛用于各工業(yè)生產(chǎn)中，它可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率；可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它能代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。 （a） （b）圖21 立體倉庫實驗裝置示意圖根據(jù)自動化立體倉庫的原理，設(shè)計整個倉庫系統(tǒng)運行過程如下：入庫時，由運輸系統(tǒng)通過輥道運輸帶等運輸設(shè)備將貨物運至入貨輥道口，再由機(jī)械手通過一定動作運行，將貨物送至各個堆垛機(jī)庫臺，然后由堆垛機(jī)完成貨物的儲存，放至合適的倉庫中。立體倉庫部分位于軌道的左右兩端，在各倉庫的前面一定距離設(shè)置堆垛機(jī)庫臺，分別為1號庫臺、2號庫臺、3號庫臺…。立體倉庫機(jī)械手系統(tǒng)模型圖如圖22所示： 圖22 立體倉庫機(jī)械手系統(tǒng)模型圖 結(jié)合立體倉庫機(jī)械手模型圖，設(shè)計機(jī)械手運動過程如下：機(jī)械手具有四個位置，分別是入貨輥道口、出貨輥道口、1號庫臺和2號庫臺，設(shè)其中的入貨輥道口為原點位置。根據(jù)設(shè)計模型中機(jī)械手的作用，列出設(shè)計本系統(tǒng)需要達(dá)到的目標(biāo)要求，以此來要求后面的對機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如圖31所示。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指結(jié)構(gòu)的選取取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。負(fù)壓吸盤通常用于吸取輕小片狀零件、光滑薄板材料等物件；而電磁吸盤通常用于吸取導(dǎo)磁性的環(huán)類、帶孔的盤類零件、以及有網(wǎng)孔狀的板料等物件。手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。目前工業(yè)機(jī)械手的控制器一般由程序控制部分和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)部分組成。然后根據(jù)自己系統(tǒng)的需要，設(shè)計合適類型的機(jī)械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。但對密封裝置要求嚴(yán)格，否則油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。電力傳動機(jī)械手這是有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。本課題本著以下的原則對機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件，充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，定位精度要求，抓取、釋放和搬運物件時安全性等。當(dāng)搬運物件是棒狀、方形、圓形時，手部選用夾持式手部；當(dāng)搬運物件是光滑板形（采用負(fù)壓式）、網(wǎng)狀板形（采用電磁式）時，手部選用吸附式手部。機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計按照抓取物件的要求，本機(jī)械手的手臂有4個自由度，即手臂的上升與下降、伸長與縮短、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)，以及機(jī)械手的前后移動。圖32 機(jī)械手結(jié)構(gòu)、運動示意圖機(jī)械手的驅(qū)動方式設(shè)計由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，且成本低廉，結(jié)合實際情況綜合考慮，本機(jī)械手采用氣壓傳動方式。本系統(tǒng)控制的對象為所設(shè)計的圓柱座標(biāo)式氣動機(jī)械手。如當(dāng)下降電磁閥通電時, 機(jī)械手下降，當(dāng)下降電磁閥斷電時, 機(jī)械手下降停止。當(dāng)該線圈通電時, 機(jī)械手夾緊；當(dāng)該線圈斷電時,機(jī)械手放松。設(shè)置限位開關(guān)的目的是為了能夠使機(jī)械手精確的達(dá)到各個位置，準(zhǔn)確無誤的放取貨物；同時保證運行時不會因為運行過限而造成機(jī)械上的損壞。在此系統(tǒng)中，機(jī)械手主要是通過手臂的移動動作和手指的抓取動作來完成貨物出、入倉庫的搬運任務(wù)。伸長至碰到伸長限位開關(guān)，伸長電磁閥斷電，伸長停止；此時用光電開關(guān)檢測入貨輥道口工作臺上有無物品，若有物品，光電開關(guān)不接通，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降（若無物品，光電開關(guān)接通，系統(tǒng)報警）。此時需要判斷和識別將貨物送至哪一個堆垛機(jī)庫臺，根據(jù)控制開關(guān)來判斷，若需送至1號庫臺，則接通左轉(zhuǎn)電磁閥，機(jī)械手左轉(zhuǎn)。同時夾緊電磁閥斷開，機(jī)械手松開。至此，機(jī)械手經(jīng)過10個動作完成了一個工作周期。這樣控制系統(tǒng)共設(shè)計四種控制方式，并可以根據(jù)實際情況，由操作人員選擇合適的控制方式。當(dāng)選擇左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)動作時，按下啟動按鈕，機(jī)械手右轉(zhuǎn)；按下停止按鈕，機(jī)械手左轉(zhuǎn)。單周期操作控制方式：機(jī)械手經(jīng)復(fù)位后，從原點開始，按一下啟動按鈕，機(jī)械手自動按照設(shè)計動作過程完成一個周期后停止在原點。在該控制面板中設(shè)計有4個操作按鈕，分別是電源啟動、急停按鈕和動作啟動、停止按鈕。運行時按下“電源啟動”按鈕，是KM線圈得電并自鎖，KM的主觸點接通，給外部負(fù)載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況時，用“急?！卑粹o來切斷負(fù)載電源，達(dá)到避免事故發(fā)生的目的。而加載選擇開關(guān)只能在選擇單操作方式（即手動操作）時才起作用，但操作時，按加載選擇開關(guān)的位置，用動作啟動、停止按鈕控制動作。該型號PLC集成的數(shù)字量輸入/輸出為14入10出，共24個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。有模擬量輸入/輸出模塊、高速計數(shù)器模塊、位置控制模塊、數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊、通信模塊等，可以實現(xiàn)模擬量控制、位置控制和聯(lián)網(wǎng)功能。而德國西門子公司S7200系列中的CPU224型號只集成14個輸入量、10個輸出量，所以應(yīng)增加數(shù)字量輸入。圖45 PLC外部接線圖第5章 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計德國西門子公司上產(chǎn)的S7200系列的PLC是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。為了在程序中安排機(jī)械手控制系統(tǒng)的原點復(fù)位操作、單操作、自動操作等功能程序，先對系統(tǒng)整體程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，如圖51所示。若選擇單操作控制方式，接著執(zhí)行單操作程序。若兩者都斷開，則跳過自動操作程序。圖 51 系統(tǒng)整體程序結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)控制系統(tǒng)要執(zhí)行自動操作控制，而此時機(jī)械手又不在原點位置時，就需要對機(jī)械手進(jìn)行原點復(fù)位控制，省去用手動操作復(fù)位，可以減輕人力和勞力。在設(shè)計單操作程序時，為了避免發(fā)生誤動作而產(chǎn)生不安全事故，需要插入一些聯(lián)鎖電路。在加載開關(guān)撥到“抓緊/放開”時，設(shè)立下限安全聯(lián)鎖保護(hù)，按下啟動按鈕，機(jī)械手抓緊；按下停止按鈕，機(jī)械手放開。由于單周期操作控制和連續(xù)控制都將采用自動操作程序，若此時為單周期操作狀態(tài)，機(jī)械手將停在原點；若此時為連續(xù)工作狀態(tài)，重復(fù)執(zhí)行自動程序。綜合考慮后，設(shè)計自動操作程序，見附錄四。結(jié)果：在過程中發(fā)現(xiàn)錯誤3個，并及時改正錯誤，并編譯成功。結(jié)果：在此過程中，除此下載失敗，原因是PLC的型號和CPU的版本與實際不符。用狀態(tài)表來讀、寫、強(qiáng)制和監(jiān)視PLC的內(nèi)部編程元件。 結(jié)果：調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)5處錯誤，其中有2處是動作過程錯誤，沒有按照設(shè)計的過程運行，這由書寫程序時大意造成；有1處錯誤是對順空繼電器指令理解不夠深刻；還有2處是屬于硬件接線錯誤。也就是在進(jìn)行完總體設(shè)計以及具體的硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計后，除了要分別對硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試外，還必須對軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行合調(diào)試和試運行，反復(fù)進(jìn)行修改調(diào)整，直到整個控制系統(tǒng)全部投入正常工作為止。機(jī)械手控制系統(tǒng)采用PCL控制，系統(tǒng)硬件具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點。通過設(shè)計，學(xué)習(xí)和掌握了立體倉庫和機(jī)械手方面的基本知識，了解了自動化技術(shù)在現(xiàn)在各行各業(yè)中的運用和發(fā)展?fàn)顩r，知道了其發(fā)展趨勢和發(fā)展前景，鞏固了可編程控制器等自動化專業(yè)課程的相關(guān)知識。在設(shè)計過程中，老師時時給我熱情的鼓勵和不倦的教誨，在設(shè)計思想和設(shè)計方法上給我了諸多啟示，解答了很多難題。若工作方式選擇開關(guān)撥至單周期操作或者連續(xù)操作控制方式，則執(zhí)行子程序SBR2；，則跳過子程序SBR2。：判斷機(jī)械手是否在縮短限位位置，若不在縮短限位位置，機(jī)械手縮短，機(jī)械手停止縮短，；若在縮短限位位置。附錄三：子程序2手動操作程序附錄四：子程序3——自動操作方式，對狀態(tài)進(jìn)行初始復(fù)位，當(dāng)機(jī)械手在原點位置時。若無物件，機(jī)械手發(fā)出報警信號，報警指示燈亮，報警指示燈熄滅；若有物件。 ：，機(jī)械手執(zhí)行左轉(zhuǎn)動作，當(dāng)旋轉(zhuǎn)碰到1號庫臺限位時，機(jī)械手停止左轉(zhuǎn)。此時需用光電開關(guān)檢測2號庫臺上是否有物件，若有物件，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，報警指示燈亮，報警信號解除，指示燈熄滅；若無物件。 、中間繼電器接通，機(jī)械手執(zhí)行下降動作。 、中間繼電器接通，機(jī)械手執(zhí)行右