【文章內容簡介】 各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有（2～3）個自由度。設計的是一個五自由度工件搬運氣動機械手。模塊式機械手是將一些通用部件，根據(jù)作業(yè)的要求，選擇必要的能完成預定機能的單元部件，以底座為基礎進行組合，配上與其相適應的控制部分，即成為能完成特殊要求的機械手。通過模塊選擇與組合以構成一定范圍內的不同功能或同功能不同性能、不同規(guī)格的系列產品。并且在產品變化或臨時需要對機械手進行新的分配任務時，可以允許方便的改動或重新設計其新部件，能很快地投產，降低安裝和轉換工作的費用。各模塊劃分，如圖41所示。圖41 機械手各模塊的組成 總體方案的設計本課題目標是實現(xiàn)生產瓷磚連續(xù)自動包裝,并且運動中速度要調節(jié),運動總體方框圖見圖42。因此,采用氣動元件構成所需驅動系統(tǒng)。PLC控制器手指吸瓷磚面磚豎放檢測瓷磚系統(tǒng)小臂對瓷磚分組（五個一組）瓷磚合格輸入檢測信號到控制器分析大臂放下合格瓷磚打包機完成封裝和打包至生產線圖 42 瓷磚自動包裝機械手運動框圖 機械手控制系統(tǒng)實例分析 機械手的結構該氣動機械手具有五自由度（手指運動不計入自由度數(shù)），結構示意圖，如圖43 所示。臂部有3個自由度，即大臂45176。旋轉、小臂五個位置的伸縮、手腕90176。旋轉；手指有1個自由度，即手指的吸合和斷開；還有腰關節(jié)180176。的旋轉。該氣動機械手具有五自由度（手指運動不計入自由度數(shù)），結構示意圖，如圖 所示。臂部有3個自由度，即大臂45176。旋轉、小臂五個位置的伸縮、手腕90176。旋轉；手指有1個自由度，即手指的吸合和斷開；還有腰關節(jié)180176。的旋轉。圖43 機械手的機構組成 機械手的動作流程機械手的動作如圖44所示，它是一個水平/垂直位移和旋轉的機械設備，用來將瓷磚由右工作臺搬到左工作臺。左工作臺是一個傳送帶,有步進電機控制(M1),手指每取走一塊瓷磚傳送帶就步進一個位置,光電開關檢測傳送帶是否有瓷磚,以防止誤動作,損壞機構.它的動作循環(huán)是：原位—手腕旋轉90176?！怆姍z測信號—手指吸盤吸合瓷磚—手腕旋轉90176。—大臂旋轉45176。—腰關節(jié)旋轉180176。—大臂旋轉45176。—小臂伸出一個位置—手腕旋轉90176?！种肝P斷開—放下第一塊瓷磚—大臂旋轉90176。—手腕旋轉90176?！”劭s回一個位置—腰關節(jié)旋轉180176?；氐皆弧滞笮D90176?！种肝P吸合—手腕旋轉90176。—大臂旋轉45176?！P節(jié)旋轉180176。—大臂旋轉45176。—小臂伸出一個位置—手腕旋轉90176?！种肝P斷開—放下第二塊瓷磚—大臂旋轉90176?！滞笮D90176?！”劭s回一個位置—原位—手腕旋轉90176?！种肝P吸合—手腕旋轉90176?！蟊坌D45176?！P節(jié)旋轉180176?！蟊坌D45176?！”凵斐鲆粋€位置—手腕旋轉90176。—手指吸盤斷開—放下第三塊瓷磚—大臂旋轉90176。—手腕旋轉90176。—小臂縮回一個位置—腰關節(jié)旋轉180176?；氐皆弧弧滞笮D90176?！种肝P吸合—手腕旋轉90176?！蟊坌D45176?！P節(jié)旋轉180176?！蟊坌D45176?！”凵斐鲆粋€位置—手腕旋轉90176?！种肝P斷開—放下第四塊瓷磚—大臂旋轉90176?！滞笮D90176?！”劭s回一個位置—腰關節(jié)旋轉180176?；氐皆弧弧滞笮D90176。—手指吸盤吸合—手腕旋轉90176。—大臂旋轉45176?！P節(jié)旋轉180176?！蟊坌D45176。—小臂伸出一個位置—手腕旋轉90176。—手指吸盤斷開—放下第五塊瓷磚—大臂旋轉90176?！滞笮D90176?！”劭s回一個位置—腰關節(jié)旋轉180176?；氐皆?。一個包裝箱五塊瓷磚包裝完成,通信系統(tǒng)通知下一級系統(tǒng)進行打包、運走,一個循環(huán)過程結束.圖44 機械手的動作模型 機械手的工作過程分析本論文機械手的全部動作由氣缸驅動，而氣缸又由相應的電磁閥控制。其中，手腕的旋轉由單線圈兩位電磁閥控制。例如，當手腕向下旋轉電磁閥通電時，手腕旋轉，當碰到限位開關SQ2時停止。而當線圈斷電時，手腕向上旋轉而當碰到限位開關SQ1時停止。當腰旋轉電磁閥得電時，腰部旋轉，碰限位開關SQ4停止，而斷電時復位。機械手的工作過程如下：1） 原位狀態(tài)下（機械手大臂在右限位、手腕在上限位SQ小臂在左限位SQ9動作），按啟動按鈕，機械手手腕開始動作。2） 手腕旋轉90176。，當碰到限位開關SQ2動作，手腕旋轉結束，機械手手指吸盤吸瓷磚。3） 吸合瓷磚延時1S，手指動作結束，機械手大臂開始旋轉。4） 大臂旋轉45176。碰限位開關SQ3動作，旋轉結束，機械手腰開始動作。5） 腰旋轉180176。碰限位開關SQ4動作，旋轉結束，大臂開始動作。6） 大臂旋轉180176。將第一塊瓷磚放入包裝箱1中。7） 手指吸盤斷開，放下瓷磚延時1S。同時，向PLC發(fā)出信號，小臂收縮一個位置。8） 小臂收縮到行程開關SQ8受壓動作，收縮停止，腰旋轉180176。9） 重復步驟1）——5）。10） 大臂旋轉180176。將第二塊瓷磚放入包裝箱1中。11） 手指吸盤斷開，放下瓷磚延時1S。同時，向PLC發(fā)出信號，小臂收縮一個位置。12） 小臂收縮到行程開關SQ7受壓動作，收縮停止，腰旋轉180176。13） 重復步驟1）——5）。14） 大臂旋轉180176。，將第三塊瓷磚放入包裝箱3中。15） 手指吸盤斷開，放下瓷磚延時1S。同時，向PLC發(fā)出信號，小臂收縮一個位置。16） 小臂收縮到行程開關SQ6受壓動作，收縮停止，腰旋轉180176。17） 重復步驟1）——5）。18） 大臂旋轉180176。將第四塊瓷磚放入包裝箱4中。19） 手指吸盤斷開，放下瓷磚延時1S。同時，向PLC發(fā)出信號，小臂收縮一個位置。20） 小臂收縮到行程開關SQ6受壓動作，收縮停止，腰旋轉180176。21） 重復步驟1）——5）。22） 大臂旋轉180176。將第五塊瓷磚放入包裝箱5中。23） 手指吸盤斷開，放下瓷磚延時1S。同時，向PLC發(fā)出信號，小臂收縮一個位置。24） 小臂收縮到行程開關SQ5受壓動作，收縮停止，腰旋轉180176。25） 完成五塊瓷磚的包裝，一個工作循環(huán)完畢。轉入下一次循環(huán)。機械手按上述順序周而復始地包瓷磚。即為瓷磚自動包裝線。瓷磚通過傳送帶送到機械手，傳送帶為步進式控制。每當機械手從傳送帶上取走一塊瓷磚時，該傳送帶向前步進一個步距，將使機械手在下一個工作循環(huán)取走瓷磚。當機械手準備下降時，為了確保安全，必須在工作臺無工件時才允許機械手下降。也就是說，若上一次搬運到工作臺上的工件尚未過來，機械手應自動停止下降，用光電開關X008進行無工件檢測。傳送帶由電動機M1驅動，機械手腰部的回轉運動由氣動閥YY2控制，大臂的旋轉運動由氣動閥YY4控制，機械手的手指吸合與斷開由氣動閥Y5控制，小臂的伸縮運動分別有氣動閥YYYYY10控制。機械手的操作方式分為手動操作方式和自動操作方式。自動操作方式又分為步進、單周期和連續(xù)操作方式。手動操作：及時用按鈕操作對機械手的每一步運動單獨進行控制。例如當選擇大臂旋轉運動時，按下按鈕，機械手大臂旋轉。當選擇吸合/斷開運動是，按下啟動按鈕，手指吸合；按下停止按鈕，手指斷開。步進操作：每按下一次啟動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。單周期操作：機械手從原點開始，按一下啟動按鈕，機械手自動完成一個周期的動作后停止。連續(xù)操作：機械手從原點開始，按一下啟動按鈕，機械手的動作將自動地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作中若按一下停止按鈕，則機械手將繼續(xù)完成一個周期的動作后，回到原點自動停止。5 PLC設計 PLC的簡介隨著微電子技術、計算機技術、通信技術、容錯控制技術、數(shù)字控制技術的飛速發(fā)展，可編程序控制器的數(shù)量、型號、品種以異乎尋常的速度發(fā)展。目前，可變程序控制器的生產廠家眾多，產品型號、規(guī)格不可勝數(shù)，但主要分為歐、日、美三大塊。在中國市場上，歐洲的代表是西門子公司，日本的代表是三菱和歐姆龍公司，美國的代表是AB與GE公司。各大公司在中國均推出自己的從微型到大型的系列化產品。令人感到遺憾的是，國產PLC始終沒有突破性的發(fā)展，占有市場份額很小。目前，在中國市場上最具競爭力的西門子公司、三菱公司、歐姆龍公司、AB公司所推出的PLC均為從小到大全系列的產品，可以滿足各種各樣的要求。 PLC的硬件組成 PLC的硬件組成與微型計算機相似，其主機由CPU板、存儲器、輸入／輸出（I／O）接口、電源等幾大部分組成；可配備如編程器、圖形顯示器、通信接口等外部設備CPU也稱中央處理器，是由一片或幾片大規(guī)模集成電路芯片組成的，相當于人的大腦，是PLC的核心部分；CPU的作用是可通過接口及軟件向系統(tǒng)的各個部分發(fā)出各種命令，同時對被測參數(shù)進行巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、控制運算、報警處理及邏輯判斷等，實現(xiàn)對整個PLC的工作過程進行控制；目前大多數(shù)小型PLC都用8位或者16位單片機作CPU。 RAM為隨機存儲器，一般都是CMOS型的，耗電極微，在PLC中通常用鋰電池作后備，失電時也不會丟失程序；ROM為只讀存儲器，系統(tǒng)程序固化在其中，用戶不可更改，失電不受影響；EPROM為可擦除存儲器，其寫入和擦除時都必須要用專用的寫入器和擦除器，用戶很不方便；EEPROM為電可擦除只讀存儲器，其內部的程序可通過編程器的寫入和擦除。 I／O接口是輸入（IN）／輸出（OUT）接口的簡稱，是PLC主機與被控對象進行信息交換的紐帶；PLC通過I／O接口與外部設備進行數(shù)據(jù)交換，PLC的輸入輸出信號有開關量、模擬量、數(shù)字量三種類型，所有的輸入輸出信號均經(jīng)過光電等隔離，大大增強了PLC的抗干擾能力。 常見的輸出形式有繼電器輸出、晶閘管（SSR）輸出、晶體管輸出。特點是：繼電器輸出型：CPU驅動繼電器線圈，令觸點吸合，使外部電源通過閉合的觸點驅動外部負載，其開路漏電流為零，響應時間慢（約10ms），可帶較大的外部負載；晶體管輸出型：CPU通過光耦合使晶體管通斷，以控制外部直流負載，響應時間快（），可帶外部負載小；可控硅輸出型：CPU通過光耦合使三端雙向可控硅通斷，以控制外部交流負載,開路漏電流大,響應時間較快(約1ms)。 可編程控制系統(tǒng)指以可編程控制器為核心單元的控制系統(tǒng)，一般由控制器（PLC）、編程器、信號輸入部件、輸出執(zhí)行部件等組成，見PLC控制系統(tǒng)組成圖（以FX2型PLC為例）。可編程控制系統(tǒng)可在不改變系統(tǒng)硬件接線的情況下，通過改變PLC的用戶程序來改變被控對象的運行方式，大大地提高了控制系統(tǒng)的靈活性。 PLC控制I/O分配明細概括地講，PLC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式，每一次掃描所用的時間成為掃描周期或工作周期。CPU從第一條指令開始，順序逐條地執(zhí)行用戶程序知道用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復始地重復上述循環(huán)掃描的。執(zhí)行用戶程序時，需要各種現(xiàn)場信息，這些現(xiàn)場信息已接到PLC的輸入端。PLC采集現(xiàn)場信息即采集輸入信號有兩種方式：1） 集中采樣輸入方式。2） 立即輸入方式。 輸入/輸出分析 分析系統(tǒng)信號輸入/輸出要求，系統(tǒng)I/O信號全部為開關量，其中：1）輸入信號為12個開關量信號，它們分別為：起動、停止、連續(xù)/單循環(huán)選擇、手指下限位、手指上限位、大臂左限位、腰右限位、小臂五個限位、吸合瓷磚。2）輸出信號為12 個開關量控制信號它們分別為：瓷磚進料傳送帶A、手腕旋轉、小臂收縮、小臂伸張、小臂復位、大臂旋轉、腰旋轉、抓瓷磚和放瓷磚。 用戶程序容量估計 分析系統(tǒng)控制要求，一個工作循環(huán)分為11個工步，每一工步完成一些簡單動作。因此，控制用的程序估計較短，約在三百步之內。綜合分析系統(tǒng)要求，考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性和技術指標，選用三菱公司微型PLC，本文選用FX1S—32MR—001型號。 安排I/O端口及所用內部元件地址 機械手控制系統(tǒng)I/O地址表見表 5—1表5—1 機械手PLC控制I/O地址表輸入輸出器件代號地址號功能說明器件代號地址號功能說明SQ0X0無瓷磚檢測開關KM1Y1手腕氣缸下旋轉SQ1X1手腕旋轉上限位KM2Y