【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式。手腕手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))。手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。手臂既能實(shí)現(xiàn)直線和回轉(zhuǎn)運(yùn)這樣的基本運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)有直線與回轉(zhuǎn)、直線與直線的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。行走機(jī)構(gòu)當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種；驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。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(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。二、驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式。三、控制器控制器是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定要求運(yùn)動(dòng)的控制裝置。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。控制器有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。四、位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制器，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制器進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。 工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。然后根據(jù)自己系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)合適類型的機(jī)械手。一、按用途分專用機(jī)械手這是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)，如自動(dòng)機(jī)床的上、下料機(jī)械手等。通用機(jī)械手這是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)和搬運(yùn)。二、按驅(qū)動(dòng)方式分液壓傳動(dòng)機(jī)械手這是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，否則油的泄漏對(duì)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。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。氣壓傳動(dòng)動(dòng)機(jī)械手這是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。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。 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手這是由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。電力傳動(dòng)機(jī)械手這是有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。三、按控制方式分點(diǎn)位控制這種控制的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。連續(xù)軌跡控制 這種控制的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。根據(jù)立體倉庫的性能，總結(jié)出系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手的基本要求是：能快速、準(zhǔn)確地抓取、釋放和搬運(yùn)物件，也就是說要求機(jī)械手具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。本課題本著以下的原則對(duì)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件，充分分析作業(yè)對(duì)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(yùn)物件時(shí)安全性等。根據(jù)前面對(duì)機(jī)械手各部分的介紹，以及每種類型的適用范圍，按照立體倉庫系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手的基本要求，完成對(duì)機(jī)械手各部分的選擇和設(shè)計(jì)如下，設(shè)計(jì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)示意圖如圖32所示。機(jī)械手的選型 根據(jù)前面所講述的機(jī)械手在用途上的差別，為了使機(jī)械手的使用范圍更廣，動(dòng)作能夠隨時(shí)調(diào)整，本設(shè)計(jì)選用通用性機(jī)械手。手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，更加靈活多變，把手部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)。當(dāng)搬運(yùn)物件是棒狀、方形、圓形時(shí)，手部選用夾持式手部；當(dāng)搬運(yùn)物件是光滑板形（采用負(fù)壓式）、網(wǎng)狀板形（采用電磁式）時(shí)，手部選用吸附式手部。手指運(yùn)動(dòng)形式均為平移型。機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照抓取物件的要求，本機(jī)械手的手臂有4個(gè)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(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱設(shè)計(jì)為可移動(dòng)式立柱，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移，手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手的坐標(biāo)形式按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在搬運(yùn)貨物過程中，需要手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式機(jī)械手。圖32 機(jī)械手結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)示意圖機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)際情況綜合考慮，本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程需要改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。第4章 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)械手的工作要求和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，本課題機(jī)械手控制系統(tǒng)選用PLC作為系統(tǒng)的控制器，本章主要對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，并確定系統(tǒng)選取PLC控制器的型號(hào)，確定系統(tǒng)輸入、輸出分配，畫出PLC外部接線圖，對(duì)控制系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)控制的對(duì)象為所設(shè)計(jì)的圓柱座標(biāo)式氣動(dòng)機(jī)械手。它的手臂具有三個(gè)自由度，即水平方向的伸長和縮短、豎直方向的上升和下降、繞豎直軸的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)（右轉(zhuǎn)）和逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)（左轉(zhuǎn)），并由它的末端執(zhí)行裝置（機(jī)械手手指）完成抓緊、放開物品功能。以上機(jī)械手各動(dòng)作均采用氣缸驅(qū)動(dòng)，而氣缸由對(duì)應(yīng)的電磁閥控制。其中, 上升、下降，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，以及伸長和縮短分別由2位5通雙線圈電磁閥控制。如當(dāng)下降電磁閥通電時(shí), 機(jī)械手下降，當(dāng)下降電磁閥斷電時(shí), 機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí), 機(jī)械手才上升；當(dāng)上升電磁閥斷電時(shí), 機(jī)械手上升停止。同理, 左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)分別由左轉(zhuǎn)電磁閥和右轉(zhuǎn)電磁閥控制；伸長、縮短分別由伸長電磁閥和右轉(zhuǎn)電磁閥控制。機(jī)械手的放松或夾緊由一個(gè)單線圈兩位置電磁閥，稱為夾緊電磁閥控制。當(dāng)該線圈通電時(shí), 機(jī)械手夾緊；當(dāng)該線圈斷電時(shí),機(jī)械手放松。這樣，可用PLC的輸出端與相應(yīng)的電磁閥線圈相連，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵(lì)，從而使機(jī)械手按預(yù)先安排的動(dòng)作序列工作，如果欲改變機(jī)械手的動(dòng)作，不需改變接線，只需將程序中動(dòng)作代碼及順序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六個(gè)動(dòng)作末端或指定位置均放置一限位開關(guān)(如圖41所示)，以檢測(cè)動(dòng)作是否到位，當(dāng)動(dòng)作到達(dá)限位時(shí)才能執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作任務(wù)。圖41為機(jī)械手的限位開關(guān)示意圖，其中SQ1SQ8分別代表下降、上升、伸長、縮短、旋轉(zhuǎn)至入貨口、旋轉(zhuǎn)至1號(hào)庫臺(tái)、旋轉(zhuǎn)至2號(hào)庫臺(tái)、旋轉(zhuǎn)至出貨口限位開關(guān)。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(gè)位置，準(zhǔn)確無誤的放取貨物；同時(shí)保證運(yùn)行時(shí)不會(huì)因?yàn)檫\(yùn)行過限而造成機(jī)械上的損壞。當(dāng)機(jī)械手動(dòng)作到位并準(zhǔn)備下降時(shí)，為了確保安全，在下降抓取前需確定工作臺(tái)上有物品才能下降，而在下降放開物品前需確定工作臺(tái)無物品才允許下降。圖41 機(jī)械手限位開關(guān)示意圖也就是說，在每次下降時(shí)都要用檢測(cè)元件檢測(cè)工作臺(tái)上是否有物品，是否符合下降要求，若不符合，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 最終機(jī)械手會(huì)在PLC程序的控制下，按照第2章的立體倉庫機(jī)械手實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭贫ㄈ?、出庫的機(jī)械手動(dòng)作順序，并按此動(dòng)作完成任務(wù)，從而完成立體倉庫內(nèi)貨物的入、出庫工作。在此系統(tǒng)中，機(jī)械手主要是通過手臂的移動(dòng)動(dòng)作和手指的抓取動(dòng)作來完成貨物出、入倉庫的搬運(yùn)任務(wù)。由于出庫和入庫動(dòng)作恰好相反，但其設(shè)計(jì)思路和控制方法都相同，為了避免重復(fù)，本論文主要是分析和設(shè)計(jì)對(duì)入庫過程的控制，出庫過程暫不涉及。機(jī)械手的動(dòng)作過程如圖42所示，設(shè)計(jì)系統(tǒng)原點(diǎn)位置為入貨輥道口位置，機(jī)械手的原始動(dòng)作狀態(tài)是：上升至上限位開關(guān)處、縮短至縮短限位開關(guān)處、旋轉(zhuǎn)至原點(diǎn)位置，且機(jī)械手手指處于松開狀態(tài)。當(dāng)有貨物入庫時(shí)，機(jī)械手從原點(diǎn)位置開始，按下啟動(dòng)按鈕，伸長電磁閥通電，機(jī)械手伸長。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(shí)用光電開關(guān)檢測(cè)入貨輥道口工作臺(tái)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(bào)警）。下降至碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷開，下降停止。同時(shí)接通夾