【文章內容簡介】 電氣伺服控制屬于連續(xù)控制，其特點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系。由于電氣元件具有多方面的適應性，信號的檢測、傳輸、綜合、放大等都很方便，而且?guī)缀醺鞣N物理量都能轉換成電量，故氣動伺服系統(tǒng)中的輸入量以電信號居多，轉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換元件的可動部件上，通過其中的彈性元件轉變?yōu)槲灰?，通過此位移來調節(jié)氣動放大器(放大元件)的節(jié)流面積，從而控制通過氣動放大器的氣體壓力或流量。電氣伺服閥是由電機械轉換器(轉換元件)和氣動放大器(放大元件)所組成。驅動電機械轉換器的功率一般只需幾瓦，而氣動放大器的輸出氣流的功率可達幾千瓦。氣動放大器的結構形式有滑閥、噴嘴擋板閥等。本機械手采用噴嘴擋板式的電氣伺服閥，來確保連接機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(即設定的指令信號與反饋信號之差)經放大后，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左右擺動，擋板使對稱布置的兩個轉換器(結構原理如圖34)噴嘴處的氣體流量發(fā)生不均等的變化，因而造成一側噴嘴背壓腔壓力升高，另一側轉換器噴嘴背壓腔壓力降低，則負載氣缸左右腔壓力不等，活塞桿(連接機械手手臂)移動，實現(xiàn)工作要求的運動規(guī)律。現(xiàn)假定以右側轉換器為例考察其動作原理，當桿件在偏差信號作用上偏離中向平衡位置移向右側轉換器，由于擋板與噴嘴間隙減小，則隨著噴嘴背壓腔內壓力升高，A腔壓力升高，使帶有噴嘴的閥座右移，把菌狀提動閥推向右方，使D腔菌狀閥閥口開大，而C腔的小菌狀提動閥閥口關閉，這樣，由進氣口流入的控制氣流經過節(jié)流閥調節(jié)針閥流向氣壓缸，驅動活塞桿工作；與此同時，相反一側的左轉換器(各腔符合同右側，只是符號右上腳打“ˊ”來表示左側，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，而使左側帶噴嘴的閥座在Cˊ腔(與右側C腔相對應)壓力作用下向右移動，菌狀提動閥在左側彈簧力作用下使左轉換器Dˊ腔的閥關小，而Cˊ腔的閥開大，則氣缸左端與排氣孔相通，壓力下降，實現(xiàn)活塞桿向消除偏差信號方向移動(即活塞左向移動)：偏差信號為零時，左右側兩個轉換器的輸出相等，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)調整彈簧左右端均與帶擋板的桿件相聯(lián)，起著機械零位調整和對中彈簧補償作用；增益調整彈簧在偏差信號為零時(即輸出壓力處于平衡狀態(tài)時)，不與桿件接觸，當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閥，抗污染性能強，不容易堵塞。圖34轉換器原理圖、機械手執(zhí)行機構設計執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。其中，每個執(zhí)行機構都要進行相應的氣動元件設計，必要的還要加裝導向裝置。氣動元件的計算與選擇，對整個氣動系統(tǒng)有著至關重要的作用。所選擇的元件既要滿足系統(tǒng)的性能要求，又不能浪費。下面分別對各驅動元件進行計算與選擇，并設計機械連接件與導向裝置。、機械手手部設計進行機械手設計時應考慮以下問題：(1) 應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力，應考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需要的驅動力大小是不同的。(2) 手指應具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。(3) 在保證本身剛度，強度的前提下，盡可能使結構緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負載。(4) 應保證手抓的夾持精度。通過綜合考慮，本設計選擇二指雙支點回轉型手抓，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現(xiàn)手抓的閉合。圖35為常見的滑槽杠桿式手部結構。圖35 滑槽杠桿式手部結構、手臂結構設計手臂是機械手的主要部分，它是支撐被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。前面已經敘述了，按照抓取工件的要求，本機械手有四個自由度，即手臂的伸縮、小臂的升降、立柱的回轉和升降運動。對手臂結構的要求：一是重量盡量輕，以達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊；二是要有足夠的剛度，以保證運動精度和定位精度。手臂的結構設計重點是驅動力的計算。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。對于直線運動氣缸的缸徑，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，即使氣缸不受橫向載荷也需要加上導向裝置，保證氣缸按正確方向運行。(1)氣缸內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，利用下述公式可計算出缸徑D。當活塞桿輸出推力克服載荷做功時 （31）式中：D—氣缸內徑(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=?—總機械效率，當氣缸動態(tài)性能要求工作顴率高時，取?=～。速度低時取大值，速度高時取小值。氣缸動態(tài)性能要求一般，工作頻率較低時，～。當活塞桿輸出拉力克服載荷做功時 （32）式中：F2—活塞桿的拉力(N)；d—根據(jù)拉力預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、缸的動作時間和換向閥到氣缸管道的容積有關。忽略氣缸管道容積時，則氣缸的單位時間壓縮空氣消耗量按下式計算 （34）式中：Q—每秒鐘壓縮空氣消耗量(）、—氣缸無、有活塞桿端進氣時壓縮空氣消耗量（）D、d—缸的內徑和活塞桿直徑(m)—氣缸活塞桿伸出與縮回時所需時間(s)S—氣缸的行程(m)。(3)小臂升降氣缸計算根據(jù)換刀機械手立柱升降氣缸運動過程的要求，氣缸收縮時承受的外力F≤15N，行程為30mm。其主要尺寸的確定如下：A、缸徑D的計算：取d/D=，依據(jù)公式(33)取P=，?=，即B、耗氣量計算缸徑D=20mm，行程s=30mm，時間t=，依據(jù)公式(34)，得：C、驗算輸出力設，當P= Mpa時，該氣缸的推力為102N，而拉力為80N，均遠遠大于實際需要的15N緩沖該氣缸終端位置的沖擊能量為：設，當P=，所以安全。根據(jù)氣缸的運動要求，設：氣缸收縮時承受的外力F≤15N(慣性負載較大)，行程為70mm。其主要尺寸的確定如下：（1)缸徑D的計算取d/D=，依據(jù)公式(33)，取P=，?=，即(2)耗氣量計算水平缸缸徑D=32mm，行程S=70mm。時間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臺之上，用以支撐手臂并帶動它升降和移動的機構。對立柱的設計要求是堅固，剛性好。根據(jù)換刀機械手立柱升降氣缸的運動要求，氣缸收縮時承受的外力F≤60N，行程為100mm。其主要尺寸的確定如下：(1)缸徑D的計算取d/D=，依據(jù)公式(33)取P=, ?=，即2)耗氣量計算缸徑D=16mm，行程S=100mm，t=，依據(jù)公式(34)，得：手臂的回轉模塊擺動氣缸是利用壓縮空氣驅動輸出軸在一定角度范圍內作往復回轉運動的氣動執(zhí)行元件，用于物體的轉位、夾緊、閥門的開閉以及機械手的手臂動作等。擺動氣缸有齒輪齒條式和葉片式兩大類。本機械手臂采用齒輪齒條式擺動氣缸。表31 擺動氣缸的比較品種體積質量改變擺動角的方法設置緩沖裝置輸出力矩泄露擺動角度范圍最低使用壓力擺動速度用于中途停止狀態(tài)齒輪齒條式較大較大改變內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時間使用葉片式較小較小調節(jié)止動塊的位置內部設置困難較小微漏較窄較大不宜低速不宜長時間使用、基座結構設計基座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于基座上，是支撐機械手全部重量的構件。對其結構的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀?；Y構從形式上可分為落地式和懸掛式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機械手工作時基座應給予以固定。根據(jù)總體設計中換刀機械手的設計要求，本機械手的基座采用落地固定式。換刀機械手立柱模塊需要一個旋轉模塊，擺動氣缸則應固定在基座上。如果水平缸、垂直缸和手部機構直接安裝到擺動氣缸輸出軸上，機構雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，容易造成擺動氣缸的損壞。同時，機械手本身重心偏離立柱軸線對擺動氣缸轉動軸產生傾覆力矩。所以采用一個連接組件，將機械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機架來承擔。該連接組件主要由四個部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉臺和扣罩，如圖36所示，采用雙向推力球軸承可以方便地將軸承內環(huán)與轉臺連接，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 基座結構圖第4章 PLC控制系統(tǒng)設計、機械手控制系統(tǒng)PLC的選擇在系統(tǒng)控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機電一體化設計中主要有三種：單片機、工業(yè)控制計算機、可編程控制器（PLC）。隨著計算機系統(tǒng)的不斷發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用。PLC 控制有以下優(yōu)點：可靠性高PLC不需要大量的活動元件和連接電子元件，它的連線大大減少。與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間短，采用了一系列可靠性設計的方法進行設計，如：冗余的設計、斷電保護、故障診斷和信息保護及恢復等。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，一般不容易發(fā)生操作的錯誤。PLC 是為工業(yè)生產過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用計算機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，并配有相應的控制模塊，來實現(xiàn)整個機械手的控制功能。、機械手的PLC控制系統(tǒng)限位開關的布局示意圖圖41 限位開關的布局示意圖、機械手自動換刀系統(tǒng)的工作流程如下圖所示單個工作流程示意圖：圖42 自動控制原理圖機械手移動刀具的單個工作流程由復位到初始位置、將機械手移動到刀庫處、夾緊刀具、將刀具移動到目標位置、放下刀具和移動到初始位置6個過程組成。機械手移動刀具通過PLC平控制，可以實現(xiàn)這6個過程全自動依次運行。、機械手自動換刀系統(tǒng)的原理該控制系統(tǒng)的基本控制原理如下：(1)按下啟動按鈕，系統(tǒng)進行自檢查機械是否在初始位置，不是的話先進行復位工作，然后進行正式工作。(2)復位工作控制原理如下： ① 機械手首先上移，直到運動到最上端。 ② 上移后，機械手開始右移。 ③ 右移完成后，機械手開始左轉，至此，復位工作完成。(3)正式工作控制原理如下： ① 機械手開始左移，一直運動到最左端。 ② 運行到最左端后，機械手開始向下運動。 ③ 到達最下端后，機械手開始夾緊工件，一直到把工件夾緊為止，時間由定時器控制。 ④ 機械手開始向上運動，運動到最上端。 ⑤上移后，機械手開始右移。 ⑥ 右移完成后，機械手開始右轉，直到右轉限位開關檢測到信號。 ⑦ 右轉完成后，機械手下移。 ⑧ 運行到最低位置后，機械手把工件松開，一直到放松限位開關檢測到信號。 ⑨ 工件松開后，機械手開始向上運動。 ⑩ 到達最上端后，機械手開始左轉，真到左轉限位開關檢測到信號，此時機械手已加到初始位置。(