【文章內(nèi)容簡介】 等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 機(jī)械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機(jī)器， 它有多個自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 在工資水平較低的中國，分揀行業(yè)盡管仍屬于勞動密集型，機(jī)械手的使用已經(jīng)越來越普及，那些電子和汽車業(yè)的奧美跨國公司很早就 將 它們設(shè)在中國的工廠中 ， 引進(jìn)了自動化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化 是 那些分布在工業(yè)密集的華南，華東沿海地區(qū)也開始對機(jī)械手表現(xiàn)出越來 越濃厚的興趣，因為他們要面對工人流失率高，以及交帶來的挑戰(zhàn)。隨我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸，轉(zhuǎn)向，輸送或分揀流程越來越節(jié)約勞動力，可見機(jī)械手的大力發(fā)展有著很重要的意義。 2 機(jī)械手的發(fā)展 機(jī)械手一般為三類：一是不需要人工控制的通用型機(jī)械手。它是不屬于其他主機(jī)的獨立裝置?？梢愿鶕?jù)任務(wù)需要編制獨立程序完成各項規(guī)定操作。它的特點是具備不同裝置的性能之外還具備通用機(jī)械及記憶功能的三元型機(jī)械。二是需要人工操作的，起源于原子，軍事工業(yè)。先是通過操作完成特定工序，后來逐步發(fā)展到無線 遙控操作。第三類是專用機(jī)械手，通常依附于自動生產(chǎn)線上，用于機(jī)床的上下料和裝卸工件。這種機(jī)械手國外叫做 “Mechanical Hand”。它由主機(jī)驅(qū)動來服務(wù)，工作程序固定，一半是專用的。 機(jī)械手首先是在美國開始研制。第一臺機(jī)械手是在 1958 年美國聯(lián)合控制公司研究制作出來的。結(jié)構(gòu)是：主機(jī)安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，長臂頂端有電磁 抓放機(jī)構(gòu)。 日本在工業(yè)上應(yīng)用機(jī)械手最多，發(fā)展最快的國家，自 1969 年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后開始大力研發(fā)機(jī)械手。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展和應(yīng)用，自 1977 年，前蘇聯(lián)使用的機(jī)械手一半來自國產(chǎn)一半來 自進(jìn)口。 現(xiàn)代工業(yè)中，自動化在生產(chǎn)過程中已日趨突出，機(jī)械手就是在機(jī)械工業(yè)中為實現(xiàn)加工、裝配、搬運(yùn)等工序的自動化而產(chǎn)生的。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機(jī)械手的出現(xiàn)大大減輕了人類的勞動，提高了生產(chǎn)效率。采用機(jī)械手已為目前研究的熱重點。 目前機(jī)械手在工業(yè)上主要用于機(jī)床加工、鑄造，熱處理等方面，但是還不能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。 3 2 設(shè)計原理 操作原理簡要說明 機(jī)械手有手動、單周期、自動循環(huán) 、單步 和回原點 五 種工作方式，機(jī)械手在最上面、最左邊且電磁鐵線圈斷電，稱為系統(tǒng)處于原點狀態(tài)（或稱初始狀態(tài)）。 在用戶程序中，左限位開關(guān)，上限位開關(guān)的常開觸點和表示電磁鐵線圈斷電常閉觸點的串聯(lián)電路接通時， “原點條件 ”輔助繼電器變位 NO。在通過初始化執(zhí)行程序，利用輔助繼電器來決定機(jī)械手的工作方式。在單周工作方式下，在初始狀態(tài)按下啟動按鈕后，機(jī)械手從初始步開始一個接一個周期地反復(fù)連續(xù)的工作。在按下停止按鈕并不馬上停止工作，完成最后一個周期的工作后，系統(tǒng)才返回并停留在原點。 在單步工作方式下，從第一步開始，按下啟動按鈕轉(zhuǎn)換到下一步完成該步任務(wù)后，自動停止工作并停留在該步，再按一下啟動按鈕才轉(zhuǎn)到下一步。單步工作方式常用于系統(tǒng) 的調(diào)試。在選擇單周期，多周期和單步工作方式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點狀態(tài)，如果不滿足這一條件，可選擇回原點工作方式。 機(jī)械手的一個工作周期（動作順序）為下降、夾緊、上升、右行、下降、釋放、上升、左行返回，如圖 （詳細(xì)流程如： 附錄 2） 。 圖 機(jī)械手動作流程 當(dāng)機(jī)械手在原點狀態(tài)時，按下啟動按鈕，機(jī)械手下降到為達(dá)下限位時，機(jī)械手夾緊，然后機(jī)械手上升，上升到上限位時，機(jī)械手臂右行。當(dāng)右行到右限位時， 4 機(jī)械手下降，下降到下限位時 ,氣爪得電，釋放工件，機(jī)械手上升，回到原點，機(jī)械手一周期動作完成。 設(shè)備的控 制方式 本設(shè)計中設(shè)計的機(jī)械手，它共有三個自由度。即：載物臺左右移動、夾爪上下移動、夾爪抓取工件。而 機(jī)械手的傳動分氣壓、電氣和機(jī)械四種，本設(shè)計采用綜合傳動方式，即載物臺采用電氣傳動，而夾爪、夾爪上下移動都采用氣動傳動。機(jī)械手效果圖 （如 圖 ） 。 圖 機(jī)械手效果圖 載物臺移動機(jī)構(gòu) 采用步進(jìn)電機(jī)帶動絲桿，通過絲桿將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動作轉(zhuǎn)變成左右移動，由可編程控制器發(fā)出脈沖信號，經(jīng)步進(jìn)驅(qū)動模塊驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，完成載物臺的 左右運(yùn)動。當(dāng)改變發(fā)出脈沖的個數(shù)，可控制載物臺的 X軸運(yùn)動的距離。同時在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位，用來做超程保護(hù)。采用 5 絲桿、 滾珠軸承 結(jié)構(gòu)傳動的特點是易于自鎖，位置精度較高，傳動效率較高。 Z 軸執(zhí)行機(jī)構(gòu) 設(shè)計采用無桿氣缸（圖 ）帶動夾爪上下運(yùn)動，但是由于氣缸動作比較快，因選用的是 磁偶式無桿氣缸，本身帶磁性，無法使用感應(yīng)磁的傳感器。所以為無杠氣缸設(shè)計一個機(jī)械限位擋塊（圖 ），使擋塊具有又能對氣缸進(jìn)行防止超程又能進(jìn)行定位 兩 個功能。其次為了防止氣缸旋轉(zhuǎn)，加上二個定位 導(dǎo)向 桿，對氣缸上下運(yùn)動進(jìn)行限位，并可以 防止其旋轉(zhuǎn)。 圖 無桿氣缸 圖 機(jī)械限位擋塊 電氣控制方式 6 主要是采用三菱的 FX2N48MT 可編程控制器對設(shè)計中的步進(jìn)電機(jī)、氣缸和夾爪進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)通過 PLC 發(fā)送脈沖給驅(qū)動器，使驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。氣缸通過 PLC 控制電磁閥線圈的得電，使電磁閥改變通道控制氣缸的上下移動。 可編程控制器的選型 根據(jù)被控制對象對 PLC,基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能要求，可進(jìn)行 PLC型號的選定。進(jìn)行 PLC 選型時，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要，同時要兼顧維修、備件的通用性。對開關(guān)量控制的系 統(tǒng)，當(dāng)控制速度要求較不高時，一般的小型 PLC 都可以滿足要求，如對小型泵的順序控制、單臺機(jī)械的目的自動控制等。當(dāng)控制速度要求較高、輸出有高速脈沖信號等情況時，要考慮輸入 /輸出點的形式，最好采用晶體管形式輸出。對帶有部分模擬量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的溫度、壓力、流量、液位等連續(xù)量的控制，應(yīng)選擇具有所需功能的 PLC 主機(jī)，還要根據(jù)需要選擇相應(yīng)的傳動感器、變送器和驅(qū)動裝置等。 輸入 /輸出的點數(shù)可以衡量 PLC 規(guī)模的大小。準(zhǔn)確統(tǒng)計被控對向的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)并考慮今后系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充，在實際的調(diào)整和 擴(kuò)充，在實際 I/O 點數(shù)基礎(chǔ)上，一般應(yīng)加上 10%20%的備用點數(shù)。多數(shù)小型 PLC 為整體式，具有體積小、價格便宜等優(yōu)點，適于工藝過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡單的系統(tǒng)。模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 采用主機(jī)模塊與輸入模塊、功能模塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊、判斷與處理故障快速方便，適用于工藝變化較多、控制要求復(fù)雜的系統(tǒng)。 此外，還應(yīng)考慮用戶存儲器的容量、 PLC 的處理速度是否能滿足實時控制的要求、編程器與外圍設(shè)備的選擇等。 本設(shè)備控制的對象是一個開關(guān)量控制的系統(tǒng)，同時 利用脈沖控制步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，故應(yīng)采用晶體管形式的輸出。 日本 三菱 FX 系列的 PLC 性價比搞、功能完善、指令豐富等優(yōu)點，能滿足本對象各項控制性能要求， 所以 系統(tǒng)采用 日本 三菱 FX2N—48MT 的 PLC（如圖 ），能輸出兩路脈沖信號進(jìn)行步進(jìn)電動機(jī)的控制 。 7 控制電源模塊的選型 采用 S1205 型號的開關(guān)電源 ,其特點是輸出功率大、體積小，重量輕、可靠性高，適應(yīng)寬范圍的輸入電壓波動，具有完備的過電壓、過電流保護(hù)功能。 主要參數(shù)： （ 1） 輸入交流電壓： 110220V/50HZ、 60HZ （ 2） 輸出直流電壓 ： 24V/ （ 3） 最大功率： 156W （ 4） 工作環(huán)境： 1040176。C 圖 PLC 外型 步進(jìn)電機(jī)的選型 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于帶動傳輸帶輸送物料前行 ,與光電編碼器連接在一起?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù) ,來控制角位移量 ,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時 ,可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度 ,達(dá)到調(diào)速的目的 。采用二相四