【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及用于 不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。 在機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力 機(jī)的上下料以及焊、噴漆等作業(yè)，它可以按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界的變化。如果機(jī)械手發(fā)生某些偏離時(shí)，會(huì)引起零部件甚至機(jī)械本身的損壞，但若有了傳感反饋?zhàn)詣?dòng)，機(jī)械手就可以根據(jù)反饋?zhàn)孕姓{(diào)整。 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉(zhuǎn)動(dòng)、開閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根據(jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形 狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。本設(shè)計(jì)采用二指的構(gòu)造。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確地定位。總之，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)離不開直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服液壓馬達(dá)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)架。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以電氣、氣動(dòng)用得最多，占 90％以上，液壓、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用得較 少。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過液壓缸、閥、油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用液壓缸、液壓馬達(dá)陽泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 加齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)液壓馬達(dá)、液壓缸與齒條、齒輪與鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小，出力大，動(dòng)作平緩，可無級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用 4～ 6 個(gè)大氣壓，個(gè)別達(dá)到 8～ 10 個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)方便，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大，由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。本設(shè)計(jì)的手爪部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)。 電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)可以采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。通用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流或交流的伺服電動(dòng)機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單，維護(hù)、使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一形式的動(dòng)力，出力比較大。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手爪和機(jī)械手的底盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械驅(qū)動(dòng)只適用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。 機(jī)械手控制的要素包括工 作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占 90％以上。 控制系統(tǒng)可以根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加以儲(chǔ)存，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手工作。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實(shí)現(xiàn)，具有編程簡(jiǎn)單、修改容易、可靠性高等。 第三節(jié) 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來越高，工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡(jiǎn)單 化，對(duì)于一些往復(fù)的工作由機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對(duì)人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。代表當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)在日本，他的自動(dòng)化，人性化令人嘆為觀陽泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 止，這些技術(shù)依賴于控制理論、新材料科學(xué)，它是融合各種尖端技術(shù)的現(xiàn)代機(jī)器。我國也陸續(xù)在工業(yè)中有所應(yīng)用，對(duì)于自動(dòng)控制，柔性制造系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛，但我國的自動(dòng)化水平有待提高。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也隨之提高，發(fā)展的趨勢(shì)是工作強(qiáng)度高，靈活性強(qiáng)，準(zhǔn)確可靠，可以自動(dòng)檢測(cè)并下達(dá)動(dòng)作命令，融入先進(jìn)的人工智能，使人只作 平時(shí)的簡(jiǎn)單的維護(hù)，這也是現(xiàn)代工廠的發(fā)展趨勢(shì)。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 第三 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 對(duì)于機(jī)械手的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如繼電器控制、單片機(jī)控制、 PLC控制等。但由于此明確指定采用 PLC 可編程控制器控制實(shí)現(xiàn)，所以，不用我們?nèi)タ紤]控制硬件方案，只是要對(duì) PLC 進(jìn)行比較選擇。 第一節(jié) PLC 的選型 對(duì)于 PLC 的選擇，我們必須考慮多方面的因素。例如輸入、輸出的最多點(diǎn)數(shù)；掃描速度；內(nèi)存容 量；指令條數(shù)；功能模塊等。同時(shí)還要考慮其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性以及工作環(huán)境對(duì)其的影響。 一 常用 PLC 介紹 PLC 發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號(hào)的也很多，各個(gè)廠家生產(chǎn)的也有一定區(qū)別，各個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計(jì)需要，考慮如何選擇。 ① 西門子 S7200 系列可編程控制器介紹： SIMATIC S7200 系列 PLC 是德國西門子（ Siemens） 公司生產(chǎn)的具有很高性能價(jià)格比的微型可編程控制器。西門子是世界上最大的電氣和電子公司之一。西門子的中國業(yè)務(wù)是其亞太地區(qū)業(yè)務(wù)的主 要支柱，活躍在中國的信息與通訊、自動(dòng)化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個(gè)行業(yè)中，其核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工業(yè)解決方案。 S7200 作為西門子 SIMATIC PLC 家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強(qiáng)大的內(nèi)置功能，多年來一直廣泛服務(wù)于國內(nèi)的各行各業(yè)。由于它具有結(jié)構(gòu)小巧，運(yùn)行速度快，價(jià)格低廉及多功能多用途等特點(diǎn)，因此在工業(yè)陽泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。 它 適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。在以下幾方面均有 出色的表現(xiàn)：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內(nèi)置集成功能；實(shí)時(shí)特性；強(qiáng)勁的通訊能力；豐富的擴(kuò)展模塊。 應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等 S7200 系列 PLC 在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。 S7200 產(chǎn)品憑借其先進(jìn)性、成熟性和廣泛的適用性在自動(dòng)化產(chǎn)品中受到廣泛的重視，相信此次發(fā)布的新產(chǎn)品一定能夠滿足部分用戶的需求，同時(shí)在自動(dòng) 化領(lǐng)域中獲得更廣泛的應(yīng)用。 突出的特點(diǎn)： 可靠性高、操作簡(jiǎn)便； 豐富的內(nèi)置集成功能； 強(qiáng)勁通訊能力； 豐富的擴(kuò)展模塊； 簡(jiǎn)單、易用的 Micro/WIN 編程軟件。 S7200 豐富的種類 【 4】 ： CPU221：內(nèi)置 10 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，不可擴(kuò)充； CPU222：內(nèi)置 14 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可擴(kuò)充到 78 路數(shù)字量 I/O 或 10 路模擬量I/O； CPU224：內(nèi)置 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可擴(kuò)充到 168 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬量 I/O； CPU226：內(nèi)置 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可擴(kuò)充到 248 路數(shù) 字量 I/O 或 35 路模擬量 I/O； 16 種擴(kuò)展模塊：數(shù)字量擴(kuò)展模塊，模擬量擴(kuò)展模塊、 PROFIBUSDP 擴(kuò)展模塊、ASI 接口模塊。 強(qiáng)大的通訊能力： 點(diǎn)到點(diǎn)通訊方式（ PPI）； 陽泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 多點(diǎn)接口通訊方式（ MPI）； 自由通訊口方式（ Freeport）； PROFIBUSDP 網(wǎng)絡(luò)通訊方式。 ② OMRON C200H 可編程控制器介紹： 圖 歐姆龍 PLC 歐姆龍株式會(huì)社是全球知名的自動(dòng)化控制及電子設(shè)備制造廠商，掌握著世界領(lǐng)先的傳感與控制核心技術(shù)。自 1933 年創(chuàng)業(yè) 至今的七十余年中，通過不斷創(chuàng)造新的社會(huì)需求，公司全球業(yè)務(wù)遍及 35 個(gè)國家和地區(qū)，擁有超過 27， 000 名員工；產(chǎn)品品種達(dá)幾十萬種，涉及工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、電子元器件、社會(huì)公共系統(tǒng)以及健康醫(yī)療設(shè)備等廣泛領(lǐng)域，在業(yè)內(nèi)建立了響亮的品牌，占據(jù)著不可替代的地位。 歐姆龍與中國的淵源可以追溯到 30 年前。公司創(chuàng)始人立石一真先生曾擔(dān)任國貿(mào)促京都總局副會(huì)長(zhǎng)，七十年代初作為經(jīng)濟(jì)界代表開始了與中國各界的交流與合作。公司從 1980 年繼電器的委托加工貿(mào)易開始不斷發(fā)展， 1991 年在大連設(shè)立了第一家生產(chǎn)健康醫(yī)療設(shè)備的工廠 —— 歐姆龍（大連）有 限公司； 1994 年，作為第一家日本電子制造企業(yè)，被國家有關(guān)部門批準(zhǔn)成立投資性公司 —— 歐姆龍（中國）有限公司； 經(jīng)過 30 年的不懈努力，歐姆龍以高質(zhì)量的產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，贏得了中國用戶的信賴與好評(píng)。 先進(jìn)的、小型化的可編程序控制器 .OMRON 的可編程序控制器更加小型化。 SYSMAC CPM1A 的大小僅相當(dāng)于一個(gè) PC 卡 (對(duì)于 10 點(diǎn)的機(jī)型來說 )，從而使安裝體積大幅度減小，同時(shí)也進(jìn)一步節(jié)省了控制柜的空間。它不僅具備了以往小型 PLC 所具備的功能，而且還可連接可編程序終端，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)造了新的環(huán)境。 可連接可編程終端，選 用通訊適配器以相應(yīng)的上位 Link 或高速 NT Link 與 PT之間進(jìn)行高速通訊。 有 10 點(diǎn)至 40 點(diǎn)多種 CPU 單元。 CPU 單元與擴(kuò)展 I/O 并用，可完成 10 點(diǎn)到 100陽泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 點(diǎn)的輸入輸出要求。并有 AC 和 DC 兩種電源型號(hào)可選擇。 匯集了各種先進(jìn)的功能，如高速響應(yīng)功能、高速計(jì)數(shù)功能、中斷功能，還備有 2個(gè)模擬量設(shè)定。 充足的程序容量，具有 2048 字的用戶程序存儲(chǔ)器和 1024 字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 編程環(huán)境與 CQM1 及 SYSMAC A 等機(jī)種相同。由于原有 SYSMAC 支持軟件及編程器都可繼續(xù)使用，故而系統(tǒng)的擴(kuò)展及維護(hù)都可簡(jiǎn)單進(jìn)行。 ③ 松下可編程控制器介紹 【 9】 ： 包括 FPO， FP1， FP2， FP3， FPe， FPX 等系列 圖 松下 PLC FPX 特點(diǎn)：超高速處理，浮點(diǎn)數(shù) PID 運(yùn)算只有 32181。s，基本指令只需 ，可快速掃描充裕的程序容量達(dá)到 32K 步，注釋區(qū)域也可以保證； I/O 最多 300 點(diǎn)；通過8 位密碼和禁止上傳功能，有效保護(hù)程序：配備 USB 端口，可與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單連接 。 FPe（晶體管輸出，繼電器輸出）特點(diǎn)：面板式安裝型控制器，電源電壓 24VDC， 程序容量 步，運(yùn)算速 度 s。 FP FP FP10sh 系列（輸出類型同上）：最多可控制 2048 點(diǎn)（使用遠(yuǎn)程 I/O），程序容量大 16K， 30K 步，可擴(kuò)展到 120K 步， CUP 運(yùn)行世界最快（ 1ms/20 步，快速起運(yùn) 以下） 。 FPO 系列（輸出同上）：世界產(chǎn)品體積最小，掃描周期 1ms，選擇點(diǎn)從 10 到 128點(diǎn)。 ④ 三菱 FX 系列可編程控制器介紹 【 10】 ： FX 系列可編程控制器是當(dāng)今國內(nèi)外最新，最具特色、最具代表性的微型 PLC。日本三菱電機(jī)公司研發(fā)的。在 FX 中，除基本的指令表編程方式外， 還可以采用梯形陽泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 土編程及對(duì)應(yīng)機(jī)械動(dòng)作流程進(jìn)行順序設(shè)計(jì)的 SFC 順序功能圖編程，而且這些程序可互相轉(zhuǎn)換。在 FX 系列 PLC 中設(shè)置了高數(shù)計(jì)數(shù)器，對(duì)來自特定的輸入繼電器的高頻脈沖進(jìn)行中斷處理，擴(kuò)大了 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域。其 FX2N PLC 還可以采用作為擴(kuò)展設(shè)備的硬件計(jì)數(shù)器，可獲取最高 50kHz 的高速脈沖。 FX 系列 PLC 基于“基本功能、高速處理、便于使用”的研發(fā)理念，使其具有數(shù)據(jù)傳送與比較，四則運(yùn)算與邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)循環(huán)與移動(dòng)等應(yīng)用指令系統(tǒng)。除此之外，還具有輸入輸出刷新、中斷、高速計(jì)數(shù)器比較指令、高速脈沖輸出等 告訴處理指令，以及在 SFS 控制方面，將機(jī)械控制的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作封裝化的狀態(tài)初始化指令等，使功能大大增加。 FX 系列 PLC 在特殊控制方面不但具備模擬量輸入輸出控制，而且具有定位控制幾 PID 系統(tǒng)控制。在通信方面，能夠方便地與 PC 計(jì)算機(jī)鏈接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與管理。 二 確定型號(hào) FX1N－ 60MR 綜上，對(duì)于被控對(duì)象，采用 PLC 系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，力求具有較好的性價(jià)比，使用和維修方便；選用的 PLC 主機(jī)和配置、控制功能等必須能滿足被控對(duì)象的各種控制要求；選用的 PLC 主機(jī)及配置必須是功能較強(qiáng)的新一代PLC 機(jī) 型，一般最好不要選用舊機(jī)型（若采用三菱公司的 PLC，則選 FX 系列，不選 F1 系列）。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮將來工藝的變化和擴(kuò)展，在滿足確定的要求外，留有一定的余量；確保整個(gè)控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對(duì)產(chǎn)品的熟悉程度，以及編程指令的易懂性。在此，我選用三菱FX2N PL