【正文】 PLC 有較高的靈活性，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時(shí)，只要對(duì) I/O 點(diǎn)的接線稍作修改，或?qū)?I/O 重新分配，在控制程序中作簡(jiǎn)單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。 控制器的選型機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器應(yīng)選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)開發(fā)的工業(yè)控制器PLC，故選擇在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的西門子 S7200 型 PLC。：就是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)的控制。 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。對(duì)高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場(chǎng)合。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)械手中采用。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，不產(chǎn)生傳動(dòng)死區(qū)，要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪，并采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低成本。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖 25 所示： 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題由于傳動(dòng)部件直接影響著機(jī)械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，在設(shè)計(jì)機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下問題：１、機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小，以提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。３、為實(shí)現(xiàn)腕部的通用性，要求有標(biāo)準(zhǔn)的連接法蘭，以便于和不同的機(jī)械手手爪進(jìn)行連接。當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。２、機(jī)械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC中一個(gè)重要組成部分。重點(diǎn)針對(duì)機(jī)械手的手爪、手腕、手臂、腰座等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)（傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。為了提高工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求,針對(duì)具體生產(chǎn)工藝,結(jié)合機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。 驅(qū)動(dòng)方式一般工業(yè)機(jī)械手手爪，多為雙指手爪。采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)，且比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小得多。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖 24。２、腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。５、適當(dāng)?shù)淖枘岜?。其特點(diǎn)是傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高（可達(dá) 98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤(rùn)滑；傳動(dòng)平穩(wěn)，能高速傳動(dòng)（可達(dá) 40m/s）、傳動(dòng)比可達(dá) 10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)械手中使用很多。由于手臂采用液壓缸，故用液壓驅(qū)動(dòng)。 因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有； 電機(jī)型號(hào)的選擇根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，并綜合考慮各方面因素，決定選擇北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司（原北京四通電機(jī)公司）的步進(jìn)電機(jī)，具體型號(hào)為：110BYG550BSAKRMA0301 或 110BYG550BSAKRMT0301 或 110BYG550BBAKRMT0301，該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩，低振動(dòng)，綜合性能很好，各項(xiàng)參數(shù)如表 32。油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。經(jīng)過仔細(xì)分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下； 因?yàn)樯炜s缸的作用主要是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因?yàn)槭肿A持工件，受力方向?yàn)榇怪狈较颍?，軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。在工作中若按下停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期動(dòng)作后，回到原點(diǎn)位置。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。在這段時(shí)間里，我運(yùn)用大學(xué)所學(xué)知識(shí)，通過對(duì)本設(shè)計(jì)的論證、計(jì)算以及圖紙的繪制，對(duì)大學(xué)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了一次系統(tǒng)的整合，使自己的理論和實(shí)際動(dòng)手能力有了很大提高。 PLC 外部接線設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)水平手臂液壓缸伺服定位的控制要求，利用西門子 SIMATIC S7200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，因此增加一個(gè)模擬量輸出模塊 EM232。當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方，并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時(shí)，為了確保安全，必須在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時(shí)，才允許機(jī)械手下降進(jìn)行作業(yè)。因?yàn)榇怪币簤焊姿惺艿妮d荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。 繪制液壓系統(tǒng)圖 本機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖如圖 32 所示（詳見圖紙第四頁(yè)），它擁有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)考慮機(jī)械手的工作環(huán)境和載荷對(duì)其布局和定位精度的要求，以及計(jì)算機(jī)的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。一般在機(jī)械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。根據(jù)需要也可將這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)龋挥幸詡鬟f運(yùn)動(dòng)為主的，如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠。 具體設(shè)計(jì)方案腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式主要有兩種，一是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，二是通過擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)。 具體設(shè)計(jì)方案由于機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，且考慮到搬運(yùn)工件的重量較大（質(zhì)量達(dá)30KG），以及機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式。 手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求１、由于手腕安裝在機(jī)械手末端，因此要求手腕設(shè)計(jì)應(yīng)盡量小巧輕盈，結(jié)構(gòu)緊湊。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。 具體采用方案如圖 22 所示機(jī)械手模擬工作布局圖，根據(jù)實(shí)際操作的需要，該機(jī)械手在工作中需要 3 種運(yùn)動(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運(yùn)動(dòng),另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),因此其自由度數(shù)目為 3，綜合考慮，應(yīng)選擇圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作范圍相對(duì)較大，且有較高的精度，滿足設(shè)計(jì)要求。 總的來說，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，性價(jià)比高，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。 hydraulic servo system。 PLC。四．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)械手開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； 五．焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖 23 所示： 機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，與手爪相連接，它與機(jī)械手手臂配合，使手爪在空間運(yùn)動(dòng)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。５、為提高機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度、減小電機(jī)負(fù)載，機(jī)械手的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡。４、為了減輕機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高控制精度，要求回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其特點(diǎn)工業(yè)常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。 平衡機(jī)構(gòu)的形式這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。二者的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合見表 31：因?yàn)闄C(jī)械手設(shè)計(jì)為圓柱坐標(biāo)形式，且具有 3 個(gè)自由度，一個(gè)為腰座的轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)為手臂的移動(dòng)自由度。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對(duì)循環(huán)的液壓油進(jìn)行凈化。另一方面，為增大結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，將兩個(gè)導(dǎo)向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。實(shí)現(xiàn)執(zhí)行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當(dāng)線圈不通電時(shí)，柱塞缸不工作，當(dāng)線圈通電時(shí)，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。PLC 將上位機(jī)輸入的給定信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點(diǎn)，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖 44 所示：這種方案使得 PLC 控制量少（尤其是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，而且編程簡(jiǎn)單，不必過多考慮控制算法等優(yōu)點(diǎn)，也是完全能滿足工作要求的。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成，我得到了很多老師和同學(xué)的幫助和支持，在此向他們表示感謝。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 工藝過程與控制要求機(jī)械手的動(dòng)作有腰座的旋轉(zhuǎn)，垂直手臂的升降，水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。而且因?yàn)闄C(jī)械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。一般泵的入口要裝粗濾油器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過精濾油器再次過濾。 其中 110BYG550BSAKRMA0301 型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。隨著機(jī)床加工的工件的不同，手臂伸出長(zhǎng)度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 具體設(shè)計(jì)方案因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的手臂，它既是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，又是動(dòng)力單元，因此不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，又提高了精度。阻尼比越大，零件產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)最大振幅越小，衰減越快。要有可靠的定位基準(zhǔn)面和調(diào)整機(jī)構(gòu)。 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求機(jī)械手的手臂在工作時(shí)，要承受一定的載荷，且其運(yùn)動(dòng)本身具有一定的速度，因此，機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)需要遵循以下設(shè)計(jì)要求：１、工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)合理，一般滿足其工作空間即可。 具體設(shè)計(jì)方案結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型；按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種