【文章內(nèi)容簡介】 電氣伺服控制屬于連續(xù)控制，其特點(diǎn)是輸出量隨輸入量的變化而變化，輸出量與輸入量之間存在一定的關(guān)系。由于電氣元件具有多方面的適應(yīng)性，信號的檢測、傳輸、綜合、放大等都很方便，而且?guī)缀醺鞣N物理量都能轉(zhuǎn)換成電量，故氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中的輸入量以電信號居多，轉(zhuǎn)換元件便以電磁式居多，其典型代表便是比例電磁鐵。它是利用電磁力作用在轉(zhuǎn)換元件的可動(dòng)部件上，通過其中的彈性元件轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?，通過此位移來調(diào)節(jié)氣動(dòng)放大器(放大元件)的節(jié)流面積，從而控制通過氣動(dòng)放大器的氣體壓力或流量。電氣伺服閥是由電機(jī)械轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換元件)和氣動(dòng)放大器(放大元件)所組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的功率一般只需幾瓦，而氣動(dòng)放大器的輸出氣流的功率可達(dá)幾千瓦。氣動(dòng)放大器的結(jié)構(gòu)形式有滑閥、噴嘴擋板閥等。本機(jī)械手采用噴嘴擋板式的電氣伺服閥，來確保連接機(jī)械手手臂的氣壓缸按所要求的控制規(guī)律和定位精度工作，工作過程大致如下：如圖33所示，若伺服放大器輸出的偏差信號(即設(shè)定的指令信號與反饋信號之差)經(jīng)放大后，加到氣壓伺服閥的電磁線圈上，則永久磁鐵和電磁線圈間產(chǎn)生相吸或相斥的電磁力，使端部裝有擋板的桿件偏離中間平衡位置繞支點(diǎn)左右擺動(dòng)，擋板使對稱布置的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器(結(jié)構(gòu)原理如圖34)噴嘴處的氣體流量發(fā)生不均等的變化，因而造成一側(cè)噴嘴背壓腔壓力升高，另一側(cè)轉(zhuǎn)換器噴嘴背壓腔壓力降低，則負(fù)載氣缸左右腔壓力不等，活塞桿(連接機(jī)械手手臂)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。現(xiàn)假定以右側(cè)轉(zhuǎn)換器為例考察其動(dòng)作原理，當(dāng)桿件在偏差信號作用上偏離中向平衡位置移向右側(cè)轉(zhuǎn)換器，由于擋板與噴嘴間隙減小，則隨著噴嘴背壓腔內(nèi)壓力升高，A腔壓力升高，使帶有噴嘴的閥座右移，把菌狀提動(dòng)閥推向右方，使D腔菌狀閥閥口開大，而C腔的小菌狀提動(dòng)閥閥口關(guān)閉，這樣，由進(jìn)氣口流入的控制氣流經(jīng)過節(jié)流閥調(diào)節(jié)針閥流向氣壓缸，驅(qū)動(dòng)活塞桿工作；與此同時(shí)，相反一側(cè)的左轉(zhuǎn)換器(各腔符合同右側(cè)，只是符號右上腳打“ˊ”來表示左側(cè)，以下同)，由于桿件端部的擋板與噴嘴間的間隙增加，造成左噴嘴背壓腔壓力降低，而使左側(cè)帶噴嘴的閥座在Cˊ腔(與右側(cè)C腔相對應(yīng))壓力作用下向右移動(dòng)，菌狀提動(dòng)閥在左側(cè)彈簧力作用下使左轉(zhuǎn)換器Dˊ腔的閥關(guān)小，而Cˊ腔的閥開大，則氣缸左端與排氣孔相通，壓力下降，實(shí)現(xiàn)活塞桿向消除偏差信號方向移動(dòng)(即活塞左向移動(dòng))：偏差信號為零時(shí)，左右側(cè)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出相等，這樣氣缸活塞停止在新的相對平衡位置上。圖33電氣一氣壓伺服閥工作原理圖上圖中，零位(點(diǎn))調(diào)整彈簧左右端均與帶擋板的桿件相聯(lián)，起著機(jī)械零位調(diào)整和對中彈簧補(bǔ)償作用；增益調(diào)整彈簧在偏差信號為零時(shí)(即輸出壓力處于平衡狀態(tài)時(shí))，不與桿件接觸，當(dāng)偏差信號超過某一數(shù)值后才接觸。它的作用是根據(jù)偏差信號大小改變補(bǔ)償流量增益的變化，確保氣缸定位精度的穩(wěn)定。另外，采用噴嘴擋板控制的菌狀提動(dòng)閥，抗污染性能強(qiáng)，不容易堵塞。圖34轉(zhuǎn)換器原理圖、機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。其中，每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都要進(jìn)行相應(yīng)的氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)，必要的還要加裝導(dǎo)向裝置。氣動(dòng)元件的計(jì)算與選擇，對整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。所選擇的元件既要滿足系統(tǒng)的性能要求，又不能浪費(fèi)。下面分別對各驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行計(jì)算與選擇，并設(shè)計(jì)機(jī)械連接件與導(dǎo)向裝置。、機(jī)械手手部設(shè)計(jì)進(jìn)行機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下問題：(1) 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需要的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。(2) 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。(3) 在保證本身剛度，強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負(fù)載。(4) 應(yīng)保證手抓的夾持精度。通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開式夾緊裝置，他在氣壓的控制下實(shí)現(xiàn)手抓的閉合。圖35為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。圖35 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐被抓物件、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。前面已經(jīng)敘述了，按照抓取工件的要求，本機(jī)械手有四個(gè)自由度，即手臂的伸縮、小臂的升降、立柱的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。對手臂結(jié)構(gòu)的要求：一是重量盡量輕，以達(dá)到動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)速度高、節(jié)約材料和動(dòng)力，同時(shí)減少運(yùn)動(dòng)的沖擊；二是要有足夠的剛度，以保證運(yùn)動(dòng)精度和定位精度。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。小臂升降模塊小臂升降模塊安裝在手臂伸縮模塊上，其作用是將模擬刀具從刀庫插孔(刀架槽)中提出或插入，采用單桿雙作用氣缸。對于直線運(yùn)動(dòng)氣缸的缸徑，可按載荷/安全系數(shù)選取。氣缸活塞桿的穩(wěn)定性與工作壓力、安裝形式、最大行程有關(guān)，即使氣缸不受橫向載荷也需要加上導(dǎo)向裝置，保證氣缸按正確方向運(yùn)行。(1)氣缸內(nèi)徑的確定由作用在活塞桿上的工作載荷和初選的工作壓力，利用下述公式可計(jì)算出缸徑D。當(dāng)活塞桿輸出推力克服載荷做功時(shí) （31）式中：D—?dú)飧變?nèi)徑(m)—活塞上的推力(或稱工作載荷)(N)p—初選的工作壓力(Pa)，一般為P=?—總機(jī)械效率，當(dāng)氣缸動(dòng)態(tài)性能要求工作顴率高時(shí)，取?=～。速度低時(shí)取大值，速度高時(shí)取小值。氣缸動(dòng)態(tài)性能要求一般，工作頻率較低時(shí)，～。當(dāng)活塞桿輸出拉力克服載荷做功時(shí) （32）式中：F2—活塞桿的拉力(N)；d—根據(jù)拉力預(yù)先估定的活塞桿直徑。估定活塞桿直徑d/D=～。把d/D=～ （33）將式(31)與式(33)相比，D取大值，(2)氣缸耗氣量氣缸耗氣量與氣缸直徑D、行程S、缸的動(dòng)作時(shí)間和換向閥到氣缸管道的容積有關(guān)。忽略氣缸管道容積時(shí)，則氣缸的單位時(shí)間壓縮空氣消耗量按下式計(jì)算 （34）式中：Q—每秒鐘壓縮空氣消耗量(）、—?dú)飧谉o、有活塞桿端進(jìn)氣時(shí)壓縮空氣消耗量（）D、d—缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑(m)—?dú)飧谆钊麠U伸出與縮回時(shí)所需時(shí)間(s)S—?dú)飧椎男谐?m)。(3)小臂升降氣缸計(jì)算根據(jù)換刀機(jī)械手立柱升降氣缸運(yùn)動(dòng)過程的要求，氣缸收縮時(shí)承受的外力F≤15N，行程為30mm。其主要尺寸的確定如下：A、缸徑D的計(jì)算：取d/D=，依據(jù)公式(33)取P=，?=，即B、耗氣量計(jì)算缸徑D=20mm，行程s=30mm，時(shí)間t=，依據(jù)公式(34)，得：C、驗(yàn)算輸出力設(shè)，當(dāng)P= Mpa時(shí)，該氣缸的推力為102N，而拉力為80N，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際需要的15N緩沖該氣缸終端位置的沖擊能量為：設(shè)，當(dāng)P=，所以安全。根據(jù)氣缸的運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)：氣缸收縮時(shí)承受的外力F≤15N(慣性負(fù)載較大)，行程為70mm。其主要尺寸的確定如下：（1)缸徑D的計(jì)算取d/D=，依據(jù)公式(33)，取P=，?=，即(2)耗氣量計(jì)算水平缸缸徑D=32mm，行程S=70mm。時(shí)間t=，依據(jù)公式(34)，得：立柱升降模塊立柱是安裝在與基座連接的轉(zhuǎn)臺(tái)之上，用以支撐手臂并帶動(dòng)它升降和移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。對立柱的設(shè)計(jì)要求是堅(jiān)固，剛性好。根據(jù)換刀機(jī)械手立柱升降氣缸的運(yùn)動(dòng)要求，氣缸收縮時(shí)承受的外力F≤60N，行程為100mm。其主要尺寸的確定如下：(1)缸徑D的計(jì)算取d/D=，依據(jù)公式(33)取P=, ?=，即2)耗氣量計(jì)算缸徑D=16mm，行程S=100mm，t=，依據(jù)公式(34)，得：手臂的回轉(zhuǎn)模塊擺動(dòng)氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行元件，用于物體的轉(zhuǎn)位、夾緊、閥門的開閉以及機(jī)械手的手臂動(dòng)作等。擺動(dòng)氣缸有齒輪齒條式和葉片式兩大類。本機(jī)械手臂采用齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸。表31 擺動(dòng)氣缸的比較品種體積質(zhì)量改變擺動(dòng)角的方法設(shè)置緩沖裝置輸出力矩泄露擺動(dòng)角度范圍最低使用壓力擺動(dòng)速度用于中途停止?fàn)顟B(tài)齒輪齒條式較大較大改變內(nèi)部或外部擋塊位置容易較大很小可較寬較小可以低速可適當(dāng)時(shí)間使用葉片式較小較小調(diào)節(jié)止動(dòng)塊的位置內(nèi)部設(shè)置困難較小微漏較窄較大不宜低速不宜長時(shí)間使用、基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基座是機(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)均安裝于基座上，是支撐機(jī)械手全部重量的構(gòu)件。對其結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀?；Y(jié)構(gòu)從形式上可分為落地式和懸掛式，或分為固定式、可移動(dòng)式和行走式。無論哪一種形式，機(jī)械手工作時(shí)基座應(yīng)給予以固定。根據(jù)總體設(shè)計(jì)中換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手的基座采用落地固定式。換刀機(jī)械手立柱模塊需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊，擺動(dòng)氣缸則應(yīng)固定在基座上。如果水平缸、垂直缸和手部機(jī)構(gòu)直接安裝到擺動(dòng)氣缸輸出軸上，機(jī)構(gòu)雖然簡單，但擺動(dòng)氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，容易造成擺動(dòng)氣缸的損壞。同時(shí)，機(jī)械手本身重心偏離立柱軸線對擺動(dòng)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)軸產(chǎn)生傾覆力矩。所以采用一個(gè)連接組件，將機(jī)械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機(jī)架來承擔(dān)。該連接組件主要由四個(gè)部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺(tái)和扣罩，如圖36所示，采用雙向推力球軸承可以方便地將軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺(tái)連接，外環(huán)用扣罩固定在底座上。另外，推力軸承要選擇公稱尺寸相對較大一些的，這樣可以更好地承受傾覆力矩。圖36 基座結(jié)構(gòu)圖第4章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC的選擇在系統(tǒng)控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中主要有三種：單片機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。PLC 控制有以下優(yōu)點(diǎn)：可靠性高PLC不需要大量的活動(dòng)元件和連接電子元件，它的連線大大減少。與此同時(shí)，系統(tǒng)的維修簡單，維修時(shí)間短，采用了一系列可靠性設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如：冗余的設(shè)計(jì)、斷電保護(hù)、故障診斷和信息保護(hù)及恢復(fù)等。易操作性PLC 有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點(diǎn)，一般不容易發(fā)生操作的錯(cuò)誤。PLC 是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設(shè)計(jì)的控制裝置，它具有比通用計(jì)算機(jī)控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯(cuò)率大大降低。靈活性PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程簡單、應(yīng)用而拓展。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變量十分容易。經(jīng)過各方面分析比較，本課題采用三菱FX2N系列PLC作為控制器，并配有相應(yīng)的控制模塊，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手的控制功能。、機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)限位開關(guān)的布局示意圖圖41 限位開關(guān)的布局示意圖、機(jī)械手自動(dòng)換刀系統(tǒng)的工作流程如下圖所示單個(gè)工作流程示意圖：圖42 自動(dòng)控制原理圖機(jī)械手移動(dòng)刀具的單個(gè)工作流程由復(fù)位到初始位置、將機(jī)械手移動(dòng)到刀庫處、夾緊刀具、將刀具移動(dòng)到目標(biāo)位置、放下刀具和移動(dòng)到初始位置6個(gè)過程組成。機(jī)械手移動(dòng)刀具通過PLC平控制，可以實(shí)現(xiàn)這6個(gè)過程全自動(dòng)依次運(yùn)行。、機(jī)械手自動(dòng)換刀系統(tǒng)的原理該控制系統(tǒng)的基本控制原理如下：(1)按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行自檢查機(jī)械是否在初始位置，不是的話先進(jìn)行復(fù)位工作，然后進(jìn)行正式工作。(2)復(fù)位工作控制原理如下： ① 機(jī)械手首先上移，直到運(yùn)動(dòng)到最上端。 ② 上移后，機(jī)械手開始右移。 ③ 右移完成后，機(jī)械手開始左轉(zhuǎn)，至此，復(fù)位工作完成。(3)正式工作控制原理如下： ① 機(jī)械手開始左移，一直運(yùn)動(dòng)到最左端。 ② 運(yùn)行到最左端后，機(jī)械手開始向下運(yùn)動(dòng)。 ③ 到達(dá)最下端后，機(jī)械手開始夾緊工件，一直到把工件夾緊為止，時(shí)間由定時(shí)器控制。 ④ 機(jī)械手開始向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到最上端。 ⑤上移后，機(jī)械手開始右移。 ⑥ 右移完成后，機(jī)械手開始右轉(zhuǎn)，直到右轉(zhuǎn)限位開關(guān)檢測到信號。 ⑦ 右轉(zhuǎn)完成后，機(jī)械手下移。 ⑧ 運(yùn)行到最低位置后，機(jī)械手把工件松開，一直到放松限位開關(guān)檢測到信號。 ⑨ 工件松開后，機(jī)械手開始向上運(yùn)動(dòng)。 ⑩ 到達(dá)最上端后，機(jī)械手開始左轉(zhuǎn)，真到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)檢測到信號，此時(shí)機(jī)械手已加到初始位置。(