【正文】 角色。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、用以代替 人的繁重及單調(diào)勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化；并能在 高溫、腐蝕及有毒氣體等有害環(huán)境下 操作以保護(hù) 人身安全，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。采用 PLC 控制，是一種預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行物料分揀的自動(dòng)化裝置，可部分代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時(shí)需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行新的分配任務(wù)時(shí)，可以允許方便的改動(dòng)或重新設(shè)計(jì)其新部件，而對(duì)于位置改變時(shí)，只要重新編程，并能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費(fèi)用。機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能， 它可替代人從事危險(xiǎn)、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)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。 目前，國(guó)際上的機(jī)械手公司主要分為日系和歐系。在我國(guó)，機(jī)械手市場(chǎng)份額大部分被國(guó)外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。據(jù)猜測(cè)，今后機(jī)器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海洋開(kāi)發(fā)、機(jī)器維修、交 通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)機(jī)械手的手部、手臂和機(jī)座進(jìn)行設(shè)計(jì)。 (3) 物料分揀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時(shí)序進(jìn)行工作。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 坐 標(biāo) 形 式 的 選 擇 機(jī)械手的基本型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種基本型式：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。如在X 、 Y 、 Z 三個(gè)直線 運(yùn)動(dòng)方向上個(gè)具有 A 、 B 、 C 三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本體占用的空間較小， 而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。 3 、 球坐標(biāo)式機(jī)械手 球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它的特點(diǎn)能能自動(dòng)選擇最合理的 動(dòng)作路線。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適于在狹窄的空間工作。為具有近似人手的操作機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。 球坐標(biāo)式機(jī)械手和關(guān)節(jié)式機(jī)械手對(duì)動(dòng)作要求方面足夠滿足要求，但是它們的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，有很多動(dòng)作是不必要的，顯得浪費(fèi)和增加了制造的成本和難度。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 組 成 工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機(jī)械部分組成： （ 1） 手部 是機(jī)械手直接握持工件或工具的部分。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 各 部 分 的 分 析 與 選 擇 手部的選擇 1 手 部形式的確定 手部就是用來(lái)握持工件或工具的部分。其又可分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動(dòng)作方向相反。 （ 4） 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率 高。主要適應(yīng)于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。噴氣式吸附的工作原理是當(dāng)壓縮空氣高速進(jìn)入噴嘴時(shí)，由于管路的開(kāi)始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在管路的最小截面處，氣流速度達(dá)到臨界速度，此時(shí)的氣體受壓，密度加大。磁吸式手是利用工件的導(dǎo)磁 性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來(lái)吸附材料工件。 真空吸盤機(jī)構(gòu)如圖 所示。 1 手臂的組成： (1) 動(dòng)作元件，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。 (2) 手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小。 3 手臂的結(jié)構(gòu) 手臂的伸縮和升降運(yùn)動(dòng)一般采用直線油（氣）缸驅(qū)動(dòng)。 雙作用單活塞桿油缸 : 液壓機(jī)械手中實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)運(yùn)動(dòng)用得最多的是雙作用單活塞桿油缸。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程要求，油缸的體積又小。 本機(jī)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性和設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動(dòng)的雙作用單活塞桿氣缸。 機(jī)座結(jié)構(gòu)的選擇 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(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，是支撐起機(jī)械手全部重量的構(gòu)件?？梢苿?dòng)式的機(jī)座在停置時(shí)能夠剎車定位，以保證機(jī)械手工作時(shí)的位置精度。 物料分揀機(jī)械手手臂需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊，擺動(dòng)氣缸就要固定在機(jī)座上。如圖 所示。 1 、底座 2 、擺動(dòng)氣缸 3 、雙向推力球軸承 4 、扣罩 5 、轉(zhuǎn)臺(tái) 圖 12 機(jī)座結(jié)構(gòu)圖 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 工 作 原 理 物料分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)座、立柱、水平手臂、垂直手臂、電磁閥和吸盤等組成。其動(dòng)作順序?yàn)椋撼跏嘉恢? → A右旋 → B 前伸 → C 氣缸下降 → D 吸物料 → C 上升 → B 收縮→ A 左旋 → C 氣缸下降 → D 放物料 → C 上升 → 回到初始位置。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力源的 不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。 電氣驅(qū)動(dòng)，控制精度高，驅(qū)動(dòng)力較大，響應(yīng)快，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便。另一方面，氣動(dòng)技術(shù)作為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù) ”， 由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的氣動(dòng)元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大速度發(fā)展， 氣動(dòng)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(shí)踐要求的一種重要使用工具。 圖 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖 氣動(dòng)系統(tǒng)包括三個(gè)三位四通電磁換向閥、兩個(gè)二位二通電磁閥、三個(gè)氣缸、一個(gè)吸盤、四個(gè)調(diào)速閥、六個(gè)單向調(diào)速閥、消聲器（若干）等。它將原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。按結(jié)構(gòu) 和工作原理可分為速度型和容積型兩大類。 2 、 儲(chǔ)氣罐 儲(chǔ)氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動(dòng)，使輸出氣流連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應(yīng)急氣源使用，還可以進(jìn)一步分離油水雜質(zhì)。 執(zhí)行元件 執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并將氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，如氣缸輸出直線往復(fù)式機(jī)械能，擺動(dòng)氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動(dòng)式機(jī)械能。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。 雙葉片式擺動(dòng)氣缸：從進(jìn)氣口進(jìn)入的壓縮空氣作用在一個(gè)葉片上，同時(shí)通過(guò)軸上的氣路也作用在另一葉片上帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)。氣動(dòng)控制元件按功能分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。 溢流閥是在回路中的壓力達(dá)到閥的規(guī)定值時(shí)，使部分氣體從排氣側(cè)排出，以保持回路內(nèi)的壓力在規(guī)定值的閥。本設(shè)計(jì)選用串聯(lián)減壓式調(diào)速閥。單向調(diào)速閥就是單向閥與 節(jié)流閥并聯(lián)而成。當(dāng)反向流動(dòng)時(shí)，單向閥打開(kāi)，不節(jié)流。 換向閥的性能的主要要求是：（ 1 ）油液流經(jīng)換向閥時(shí)的壓力損失小；（ 2 ）互不相通的油口間的泄漏小；（ 3 ）換向可靠、迅速且平穩(wěn)無(wú)沖擊。由于它操作輕便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此應(yīng)用廣泛?？煞譃闅庠磧艋b置和其他輔助元件兩大類。 2 、 消聲器 消聲器是降低排氣噪聲的裝 置。吸收型消聲器是依靠吸聲材料來(lái)消聲的。本設(shè)計(jì)選用膨脹型消聲器。 吸盤 吸盤是直接吸吊物體的元件，一般用橡膠做成。系統(tǒng)中選用電磁換向閥，限位開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 排氣路線：擺動(dòng)氣缸 C 的 E 口 → 單向調(diào)速閥 20→ 三位四通電磁換向閥 12排氣口 → 調(diào)速閥 8 → 消聲器 9 → 排出。 (3) 垂直手臂的下降 當(dāng)水平伸縮氣缸 A 伸出到指定位置時(shí)， 就會(huì)碰到前限開(kāi)關(guān)，使三位四通電磁換向閥 10的 1YA 斷電，手臂伸出動(dòng)作會(huì)停止。 (4) 吸物 小臂氣缸下降到指定位置時(shí)， 撞到下限位開(kāi)關(guān)，使三位四通電磁換向閥11 的 3YA 斷電，小臂下降動(dòng)作停止。 (5) 垂直手臂的上升 經(jīng)傳感器檢測(cè)到物料已經(jīng)被吸起時(shí)，發(fā)出訊號(hào)，使三位四通電磁閥 11 的電磁鐵 4YA 得電， 閥 11 的閥芯左移， 執(zhí)行小臂的上升動(dòng)作。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，使三位四通電磁閥 10的電磁鐵 2YA 得電，閥 10的閥芯左移，執(zhí)行水平手臂的回縮動(dòng)作。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，使三位四通電磁閥 12的電磁鐵 6YA 得電，閥 12的閥芯左移，執(zhí)行擺動(dòng)氣缸的向左旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，使三位四通電磁閥 11 的電磁鐵 3YA 得電，閥 11 的閥芯右移，執(zhí)行小臂的下降運(yùn)動(dòng)。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)， 使二位二通電磁 13斷電，二位二通電磁閥 14通電，真空發(fā)生器停止運(yùn)動(dòng)，真空消失，壓縮空氣進(jìn)入吸盤 26，將物料與吸盤吹開(kāi)，這時(shí)氣路為： 進(jìn)氣路線： 2 空氣處理單元 → 儲(chǔ)氣罐 3 → 二位二通電磁閥 14→ 調(diào)速閥23→ 過(guò)濾器 25→ 吸盤 26。 排氣路線：氣缸 B 的無(wú)桿腔→單向調(diào)速閥 17→三位四通電磁換向閥 11的排氣口→調(diào)速閥 6 →消聲器 7 →排出。為此本章在分析了當(dāng)前機(jī)械手廣泛采用的控制器結(jié)構(gòu)及 PLC 的發(fā)展之后，提出了采用 PLC的控制方法。 控制系統(tǒng)的硬件一般包括 3 個(gè)部分： (1) 感知部分 用來(lái)收集機(jī)械手的內(nèi)部和外部的信息，如位置、速度、加速度傳感器可接受機(jī)械手的本體狀態(tài)，而視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等傳感器可感受機(jī)械手的工作環(huán)境的外部狀態(tài)。穩(wěn)定性是一般自動(dòng)控制必須滿足的基本要求，對(duì)穩(wěn)定性的研究是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的一個(gè)基本問(wèn)題。因此，穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)之一就是在兼顧其他性能指標(biāo)的情況下，使穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小或者小于某個(gè)允許的限制值。位置檢測(cè)裝置檢測(cè)機(jī)械手動(dòng)作是否到位，滑覺(jué)傳感器是判別物料是否被穩(wěn)定吸住，視覺(jué)傳感器是為了完成機(jī)械手對(duì)物料的識(shí)別。行程開(kāi)關(guān)按其結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)式、滾輪式、微動(dòng)式和組合式。軟吸取時(shí)吸力不夠時(shí)被吸物體會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，滑覺(jué)傳感器就是為了檢測(cè)滑動(dòng)而設(shè)計(jì)的，可以檢測(cè)垂直于吸物方向物體的位移、由重力引起的變形，以達(dá)到修 正吸力，防止吸取物的滑動(dòng)。這類裝置許 多是溫反射型、光束型、光纖型的，封裝在各種金屬和聚碳酸脂外殼中。 優(yōu)點(diǎn)： 設(shè)計(jì)靈活。要求使用外部電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，然后才能輸送到數(shù)字信號(hào)處理器。輸出允許直接接口微控制器或其它邏輯控制通路，如 2 線串行接口，以進(jìn)一步處理信號(hào)，而不需額外的器件。 控制系統(tǒng) PLC 的 選 型 及 控 制 原 理 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 一、 PLC機(jī)型 的選擇 PLC 機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭(zhēng)最佳 的性能價(jià)格比。 (2) 確定合理的 安裝方式 PLC 系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠(yuǎn)程 I ／ O 式以及多臺(tái) PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式。 對(duì)于以開(kāi)關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶 A ／ D和 D ／ A 轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔 PLC 。 (4) 滿足 響應(yīng)速度 要求 PLC 是為工業(yè)自動(dòng)化 設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次 PLC 的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。對(duì)可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng) 。 本課題的要求不高，不需要考慮配備上位計(jì)算機(jī)，但為了方便采購(gòu)和管理等我們還是要求機(jī)型要統(tǒng)一。 3 ）確定應(yīng)選擇 PLC 的點(diǎn)數(shù) PLC 平均的 I ／ O 點(diǎn)的價(jià)格還比較高，因此應(yīng)該合理選用 PLC 的 I ／O 點(diǎn)的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭(zhēng)使用的 I ／ O 點(diǎn)最少，但必須留有一定的裕量。 同時(shí)接通輸出設(shè)備的累計(jì)電流值必須小于公共端所允許通過(guò)的電流值，如一個(gè) 220V／ 2A的８點(diǎn)輸出模塊，每個(gè)輸出點(diǎn)可承受 2A的電流，但輸出公共端允許通過(guò)的電流并不是 16A(8 2A) ，通常要比此值小得多。 存儲(chǔ)容量（字節(jié)）＝開(kāi)關(guān)量 I ／ O 點(diǎn)數(shù) 10 ＋ 模擬量 I ／ O 通道數(shù) 100 A=40*10+0*100 =400 （字節(jié)） 另外，在存儲(chǔ)容量選擇的同時(shí)，注意對(duì)存儲(chǔ)器的類型的選擇。不同的 I ／ O模塊，其電路及功能也不同，直接影響 PLC 的應(yīng)用范圍和價(jià)格，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需要加以選擇。選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)和周圍環(huán)境因素等。一般 5 Ｖ、 12Ｖ、 24Ｖ用于傳輸距離較近場(chǎng)合，如5 Ｖ輸入模塊最遠(yuǎn)不得超過(guò) 十米 。 匯點(diǎn)式的開(kāi)關(guān)量輸入模塊所有輸入點(diǎn)共用一個(gè)公共端（ COM ）；而分組式的開(kāi)關(guān)量輸入模塊是將輸入點(diǎn)分成若干組，每一組（幾個(gè)輸入點(diǎn)）有一個(gè)公共端，各組之間是分隔的。門檻電平越高，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸距離也越遠(yuǎn)，具體可參閱 PLC 說(shuō)明書。 對(duì)于頻繁通斷的負(fù)載，應(yīng)該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無(wú)觸點(diǎn)元件。 分組式輸出是幾個(gè)輸出點(diǎn)為一組，一組有一個(gè)公共端，各組之間是分隔的，可分別用于驅(qū)動(dòng)不同電源的外部輸出設(shè)備；分隔式輸出是每一個(gè)輸出點(diǎn)就有一個(gè)公共端，各輸出點(diǎn)之間相互隔離。 3 ）驅(qū)動(dòng)能力 開(kāi)關(guān)量輸出模 塊的輸出電流 ( 驅(qū)動(dòng)能力 ) 必須大于 PLC 外接輸出設(shè)備的額定電流。另外，晶閘管的最大輸出電流隨環(huán)境溫度升高會(huì)降低，在實(shí)際使用中也應(yīng)注意。 FX2N系列是 FX系列 PLC 家族中最先進(jìn)的系列，它能最大范圍地包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)，程式執(zhí)行更快，全面補(bǔ)充通訊功能，適合世界各國(guó)不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動(dòng)化控制應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。 按下啟動(dòng)按鈕 SB1 ，系統(tǒng)初始化→擺動(dòng)氣缸右旋→水平手臂伸出→垂直手臂下降→吸物→垂直手臂上升→水平手臂縮回→擺動(dòng)氣缸左旋→垂直手臂下降→放物→垂直手臂的上升→回初始位置。 (4) 垂直手臂的下降