【文章內容簡介】 制造自動化生產線中的捻股車上的機械手的運用，實現(xiàn)工字輪在轉筒內的裝卸、和搬運。大大的減輕工人的勞動強度、減少人力資源的浪費，節(jié)省生產成本，提高生產效率，減少因為人工疏忽造成的安全事故。 伴隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，機械手它憑著定位精度高、工作性能穩(wěn)定、結構靈活、可精確控制等特點，被廣泛應用于輕、重工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、科研等高新技術領域。它的運用標志著制造業(yè)向自動化、無人化、智能化的方向邁進。就傳統(tǒng)繼電器控制的機械手而言，因其控制裝置落后、接線復雜、易受干擾、穩(wěn)定性差、維修困難等劣勢，逐步退 出了歷史舞臺?，F(xiàn)代機械手主要運用的是可編程控制器。可編程控制器因其優(yōu)良的特點被廣泛應用于現(xiàn)代機械手的控制系統(tǒng)中?？删幊炭刂破骱喎Q PLC，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用的是可編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作指令，并能通過數字量或模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械手進行工業(yè)生產。 在現(xiàn)代工業(yè)運用中可編程控制器 （ PLC） 的特點如下： 1）可靠性高，抗干擾能力強 可靠性是電 氣控制設備的關鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，嚴格的生產工藝和制造，內部電路采用了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。就 PLC 的機外電路來說，使用 PLC 構成控制系統(tǒng)和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，因此故障率也就大大降低。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在軟件應用中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及 設備也獲 得故障自診斷保護。 2）配套齊全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā) 展至今，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數據運算能力，可用于各種南通大學杏林學院畢業(yè)設計（論文） 2 控制領域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、濕度控制等各種工業(yè)控制中。加之 PLC 通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得越來越容易。 3）易學易用，深受歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言容易為工程技術人員所接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方 式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是能夠使同一設備經過改變程序從而改變生產過程。這很適合多品種、小批量的生產場合。 5）體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，其 底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗只有幾瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。配套齊全， 功能完善，適用性強 。 所以綜上所訴現(xiàn)代機械手，可以逐步改善勞動條件，提高生產效率和保證產品質量，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動力，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，減少勞動風險，減少工業(yè)生產中的工作量，顯著地提高勞動生產率，提高企業(yè)競爭力，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。本設計運用于鋼絲繩生產流水線中埝股車上“工”輪的裝卸和搬運，可代替工人在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進 行作業(yè)，可抓取重量較大的工件，采用 PLC 控制，和傳統(tǒng)繼電器控制相比較，具有穩(wěn)定性高，接線簡單，抗干擾能力強，維修方便等優(yōu)點?？梢院喕刂凭€路，節(jié)省成本，進一步提高勞動生產率。 主要研究內容及需要解決的關鍵問題和思路 課題研究內容 本課題研究任務：實現(xiàn)機械手在鋼絲繩生產線中，埝股車臺上“工”字輪的裝卸、互換和搬運的動作，來代替工人進行單調持久地搬移裝卸動作。 實現(xiàn)功能和要求： PLC 控制，預置工作程序，動作靈活，可根據“工”字輪的位置變化可以隨時更改相關控制參數。 南通大學杏林學院畢業(yè)設計（論文） 3 硬件選擇 （ 1）動 力源 —— 步進電機及其相應驅動設備。機械手夾持部位采用氣動控制。 （ 2）傳動機構 —— 機械手臂 Z 軸和 Y 軸采用滾珠絲杠螺母傳動， X 軸采用的是齒輪傳動。 （ 3）減速機構 —— 采用步進電機的抱死系統(tǒng)。 （ 4) 操作臺布置 —— 盡力人性化處理，顯示實時工作狀態(tài)及故障報警。 控制要求 (1）定位精確性 —— 步進電機和步進電機驅動器作為動力驅動設備，采用開環(huán)控制，滿足定位要求，用脈沖信號來控制機械手各方向的行程。 (2）行程限位保護 —— 采用接近開關作為限位信號，實現(xiàn)限位控制。 (3) 故障報警系統(tǒng) —— 具有故障指示功能。 輸入 /輸出設備 （ 1）輸入：指令按鈕、旋鈕、急停按鈕、報警及指示裝置。 （ 2）輸出：指示燈、步進電機及其驅動設備、氣動開關、電磁開關。 PLC 選擇 保證設計所需的指令、 I/O 點數、電壓及輸出方式的要求，選擇質優(yōu)、價廉、廣泛應用的產品以降低總設計成本為主要目的，所以選擇臺達的 PLC。 I/O 點數分配 合理選用滿足設備要求點數的 PLC，減少不必要的浪費。優(yōu)先分配特殊 I/O 點，注意相關指定輸入輸出端歸類分布。 PLC 程序設計 （ 1)手動程序 —— 通過控制臺 上的按鈕，手動對機械手進行各個方向的控制和機械手夾的加緊和放松動作。 (2)自動程序 —— 當切換到自動運行狀態(tài)時，機械手可以自動的進行動作，自動的對工字輪進行搬運、裝卸、和安放。 南通大學杏林學院畢業(yè)設計（論文） 5 第二章 硬件設計 機械手夾持結構 夾緊機構 —— 手爪 機械手手爪是用來抓取工件的部件。其機構多種多樣可以分為無關節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種，本設計是屬于固定關節(jié)的。手指數量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得較多。可根據夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作。手爪抓取工件時應具有迅速性、 靈活性、準確性和可靠性。 設計過程中應根據需要，對機械手的運行速度、加速度、夾持物體重量、慣性和沖擊力、開口尺寸進行校核，且能夠自鎖，防止斷電或設備故障造成被抓物掉落。 本設計中手爪 結構 本設計中被夾持的工件是“工”字輪，是有凹槽回轉體，且滿輪的“工”字輪重量比較重，所以在機械機構方面對手爪做如圖 的設計。手爪的抓放動作由通過氣缸的伸縮來實現(xiàn)。 圖 機械手手爪示意圖 本設計中手爪的工作方式：機械手的夾緊 與放松由電氣閥控制。若電氣閥得電，手爪端汽缸運動手爪張開；若線圈失電，機械手手爪將恢復到自然狀態(tài)，保持夾緊狀態(tài)，實現(xiàn)自鎖功能，避免因偶然斷電導致被抓物掉落。 其特點：由于夾緊的為鋼性工件，為了提高安全性能，防止損壞工件，我們可以在夾緊部分加上一層橡膠，這樣可以通過增大工件和手指之間的摩擦系數來增加安全性．通過橡膠氣缸 手抓 南通大學杏林學院畢業(yè)設計（論文） 6 的彈性變形來緩沖對工件的沖擊，可以減輕乃至消除對工件的損壞。 傳動系統(tǒng) 傳動定位機構 本設計中機械手主要做三個方向上的運動前后 (X)、左右 (Y)和上下 (Z)。機械手在 X、 Y、Z 這三個方向上作的都是直線運動，其結構基本上是由驅動機構和導向裝置組成。選用步進電機作為動力，選用絲杠螺母機構或齒輪齒條機構作為傳動機構。現(xiàn)就兩者作以下分析： (1)絲杠螺母機構：位移較準確、降速比大，運平穩(wěn)、無噪音、易自鎖，但高精度的絲杠制造比較困難，傳動效率低。矩形、梯形螺紋結構，因傳動力大，應用廣泛。滾珠絲桿效率高，但成本高。 (2)齒輪齒條機構：傳動效率高，速度快、無自鎖。一般用于機械手的傳動機構，不作為定位機構。 為滿足設計要求，所以 Y、 Z 方向優(yōu)先選用絲杠螺母機構， X 方向 選用齒輪齒條機構。 傳動方式 本設計中機械手的驅動設備是步進電機及其步進電機驅動器，所以機械手的位移和運動速度，可由電控系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號數量及脈沖信號頻率來控制。脈沖信號數是來控制機械手的行程的，而頻率是來控制其移動速度的，更重要的是步進電機能夠達到比較高的重復定位精度，沒有累積誤差。 步進電機 的選擇 及其驅動器 設定 步進電動機 (stepping motor)是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度 (稱 為“步距角” )，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差 (精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。 步進電動機分為機電式及磁電式兩種基本類型。 (1)機電式步進電動機由鐵心、線圈、齒輪機構等組成。螺線管線圈通電時將產生磁力，推動其鐵心心子運動，通過齒輪機構使輸出軸轉動一角度，通過抗旋轉齒輪使輸出轉軸保持在新的 工作位置；線圈再通電，轉軸又轉動一角度，依次進行步進運動。 (2)磁電式步進電動機主要有永磁式、反應式和永磁感應子式 3 種形式。永磁式步進電動機由四相繞組組成。 A 相繞組通電時，轉子磁鋼將轉向該相繞組所確定的磁場方向 。A 相斷電、南通大學杏林學院畢業(yè)設計（論文） 7 B 相繞組通電時，就產生一個新的磁場方向，這時，轉子就轉動一角度而位于新的磁場方向上，被激勵相的順序決定了轉子運動方向。永磁式步進電動機消耗功率較小，步矩角較大。缺點是起動頻率和運行頻率較低。 反應式步進電動機在定、轉子鐵心的內外表面上設有按一定規(guī)律分布的相近齒槽，利用這兩 種齒槽相對位置變化引起磁路磁阻的變化產生轉矩。這種步進電動機步矩角可做到 1176?！?5176。，甚至更小，精度容易保證，起動和運行頻率較高，但功耗較大，效率較低。 永磁感應子式步進電動機又稱混合式步進電動機。是永磁式步進電動機和反應式步進電動機兩者的結合，并兼有兩者的優(yōu)點。 步進電動機的驅動電源由變頻脈沖信號源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，由此驅動電源向電機繞組提供脈沖電流。步進電動機的運行性能決定于電機與驅動電源間的良好配合。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。 而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，電機的矩頻特性要能滿足機械負載，并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩 maxMj 大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這