【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 LC技術(shù)，數(shù)控技術(shù)，機(jī)器人，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析）支柱之一。 我國(guó)研制與應(yīng)用 PLC起步較晚， 1973年開(kāi)始研制， 1977年開(kāi)始應(yīng)用。 20世紀(jì) 80年代初以前發(fā)展較慢。 20世紀(jì) 80年代隨 著成套設(shè)備或?qū)I(yè)設(shè)備的引進(jìn)了不少 PLC，例如寶鋼一期工程整個(gè)生產(chǎn)線上就使用了數(shù)百臺(tái)的 PLC，二期工程將使用更多的 PLC。進(jìn)幾年來(lái)國(guó)外 PLC產(chǎn)品大量進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，我國(guó)已有許多單位在消化吸收 PLC技術(shù)的基礎(chǔ)上仿制或研制了 PLC產(chǎn)品。 20世紀(jì) 80年代中后期，我郭開(kāi)發(fā)應(yīng)用 PLC技術(shù)發(fā)展迅速．有資料介紹東風(fēng)汽車(chē)公司裝備系統(tǒng)從 1986起，全面采用 PLC對(duì)老設(shè)備進(jìn)行更新改造，截止 1991年止一共改造設(shè)備 1000多臺(tái)，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 1995年廣州第二電梯廠，尾巴 PLC成功的應(yīng)用于技術(shù)要求更加復(fù)雜的高層電梯控制上， 并已投入批量生產(chǎn)。廣東佛山市中聯(lián)自基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 8 動(dòng)控制工程公司．近幾年來(lái)已為多個(gè)廠家設(shè)計(jì)制造了 PLC控制裝置幾十套，成功應(yīng)用于、陶瓷窯爐瓷磚輸送線等生產(chǎn)線和其他自動(dòng)控制生產(chǎn)設(shè)備上。從近幾年召開(kāi)的學(xué)術(shù)會(huì)議及有關(guān)文獻(xiàn)介紹可見(jiàn)．我國(guó)研制尤其是應(yīng)用 PLC技術(shù)日益廣泛，更加成熟。 隨著 PLC技術(shù)的推光和應(yīng)用 ,PLC將向兩個(gè)方面發(fā)展：一方面向著大型化的方向發(fā)展， 另一方面則向著小型化的方向發(fā)展。 PLC向大型化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在大中型 PLC向多功能、大容量、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展．使之能與計(jì)算機(jī)組成集成按制系統(tǒng)，對(duì)大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行 綜合的自動(dòng)控制 o PLC向小型化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：為了減小體積、降低成本，向高性能的整體型發(fā)展；在提高系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上．產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)；應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)性，使得控制質(zhì)量大大提高。 另外， PLC在軟件方面也將有較大的發(fā)展。系統(tǒng)的開(kāi)放使第三方的軟件能方便地在符合開(kāi)放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的 PLC上得到移植。除了采用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件外，采用標(biāo)準(zhǔn)化的軟件也能大大縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期；同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的軟件由于經(jīng)受了實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，它的可靠性也明顯提高。 總之， PLC的發(fā)展趨勢(shì)是：高功能、高速度、高集成度、 容量大、體積小、成本低、通信聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)。 本課題設(shè)計(jì)要求 本課題將要完成的主要任務(wù)如下 : （ 1）機(jī)械手為通用機(jī)械手，因此相對(duì)于專(zhuān)用機(jī)械手來(lái)說(shuō)，它的適用面相對(duì)較廣。 （ 2）選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度。 （ 3）設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括 :手部、手臂等部件的設(shè)計(jì)。 為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來(lái)抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時(shí)候還可以用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)來(lái)吸取板料工件。 （ 4）氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，包括氣動(dòng)元器件的選取，氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)，并繪出氣動(dòng)原理圖。 （ 5） 機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器 (PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取 PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出 PLC程序，并畫(huà)出梯形圖 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 9 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手的系統(tǒng)工作 原理 及組成 機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。在 PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。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)。位置檢測(cè)裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的要求達(dá)到設(shè)定位置 [4]。 （一）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)。 （ 1）手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指 (或手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和 平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔 )和物件的重量及尺寸。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有 :滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 （ 2）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)。 （ 3）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)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱(chēng)為可移式立柱。 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 10 （ 4）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 [6]。 （二）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。它由動(dòng)力裝置、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)、機(jī)械傳動(dòng) [5]。 （三）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機(jī)械擋塊定位 )系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是 PLC程序控制系統(tǒng)，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)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)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。 機(jī)械手基本形式的選擇 常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài) ,按坐標(biāo)形式大致可以分為以下 4種，如圖 : (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手； (2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手； ( 3)球坐標(biāo) (極坐標(biāo) )型機(jī)械手； (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。 圖 工業(yè)機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)形式 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 11 其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分 , 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同 , 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式共有三種方式 :氣動(dòng)方式 ,液壓方式 ,電驅(qū)動(dòng)方式 [7]。 （ 1）氣動(dòng)方式 : 成本低 ,出力小 ,噪聲大 ,控制簡(jiǎn)單。但難以準(zhǔn)確控制位置和速度。屬于簡(jiǎn)單非伺服型。 （ 2）液壓方式 : 功率重量比大 ,低速平穩(wěn) ,需液壓動(dòng)力源 ,漏油和油性變化會(huì)影響系統(tǒng) ,各軸耦合較強(qiáng) ,成本較高。可用于易爆的環(huán)境。 （ 3）電驅(qū)動(dòng)方式 : A 步進(jìn)驅(qū)動(dòng) : 功率小 ,開(kāi)環(huán)控制 ,控制簡(jiǎn)單 ,可能失步。 B 直流驅(qū)動(dòng) : 調(diào)速性能好 ,功率較大 ,效率較高 ,但換向器需維護(hù) ,不易用于易爆 ,多粉塵的環(huán)境。 C 交流驅(qū)動(dòng) : 維護(hù)簡(jiǎn)單 ,使用環(huán)境不受限制 ,成本較低 ,調(diào)速性差。 根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和減速機(jī)傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用氣壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂上下運(yùn)動(dòng)；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人工作范圍不大，故利用氣壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，用小型氣壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊。 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 用途 搬運(yùn) :用于車(chē)間搬運(yùn) 在工業(yè)生產(chǎn)線中，機(jī)械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運(yùn)送到另一個(gè)指定的位置進(jìn)行裝配。機(jī)械手臂代替了人工的繁雜勞動(dòng)，并且操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) : 1. 機(jī)械手最大抓重 : 1kg 2. 工件尺寸： 直徑約 ～ 2cm 3. 自由度數(shù) : 3 個(gè)自由度 4. 坐標(biāo)型式 : 圓柱坐標(biāo) 5. 手指開(kāi)合 角度： 60176。（最大速度 : 60 度每秒） 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 12 6. 支座旋轉(zhuǎn)角度 : 90176。（最大速度 : 90 度每秒） 7. 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮行程： 100mm 伸縮速度： 100mm/s 升降行程： 200mm 升降速度： 100mm/s 8. 機(jī)械手（重復(fù)）定位精度： ? 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 13 3 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)概述 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，可從該機(jī)械手的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型等三方面來(lái)討論。 圖 機(jī)械手的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 （ 1）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度 所謂機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)機(jī)械手操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，它是表示機(jī)械手動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。 本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度 ,如圖 。 （ 2）機(jī)械手的工作空間 工作空間是指機(jī)械手正常運(yùn)行時(shí)，手部參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖 。 圖 工作空間圖 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 14 （ 3）機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型 圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計(jì)所采用方案，這種運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn) 動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（代號(hào) RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作條件下，機(jī)體占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各動(dòng)作如表 所示。 表 機(jī)械手開(kāi)機(jī)，處于 A位 工步一 旋轉(zhuǎn)至 B位 工步二 手臂下降 工步三 手臂伸出 工步四 夾緊工件 工步五 手臂收縮 工步六 手臂上升 工步七 旋轉(zhuǎn)至 A位 工步八 手臂下降 工步九 放松工件 工步十 手臂上升 工步十一 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò) 程中的各工步是由機(jī)械手的控制系統(tǒng)和各種檢測(cè)原件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)械手對(duì)工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性 [8]。 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 15 4 機(jī)械手手部 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)及計(jì)算 手部結(jié)構(gòu) 本課題中采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，由手指 (或手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，課題中采用齒輪齒條式的傳力機(jī)構(gòu)。 手指的形狀和分類(lèi) 夾持式是最常見(jiàn)的一種。其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式。按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式 (或內(nèi)漲式 )和外夾式兩種；按 模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型 (或稱(chēng)直進(jìn)型 )，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指；同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 （ 1）具有足夠的握力 (即夾緊力 ) 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工 件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工