【文章內(nèi)容簡介】 制造自動化生產(chǎn)線中的捻股車上的機(jī)械手的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)工字輪在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的裝卸、和搬運(yùn)。大大的減輕工人的勞動強(qiáng)度、減少人力資源的浪費(fèi)，節(jié)省生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，減少因?yàn)槿斯な韬鲈斐傻陌踩鹿省? 伴隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，機(jī)械手它憑著定位精度高、工作性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)靈活、可精確控制等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輕、重工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、科研等高新技術(shù)領(lǐng)域。它的運(yùn)用標(biāo)志著制造業(yè)向自動化、無人化、智能化的方向邁進(jìn)。就傳統(tǒng)繼電器控制的機(jī)械手而言，因其控制裝置落后、接線復(fù)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。現(xiàn)代機(jī)械手主要運(yùn)用的是可編程控制器?？删幊炭刂破饕蚱鋬?yōu)良的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械手的控制系統(tǒng)中?？删幊炭刂破骱喎Q PLC，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)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(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)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(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并能通過數(shù)字量或模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械手進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。 在現(xiàn)代工業(yè)運(yùn)用中可編程控制器 （ PLC） 的特點(diǎn)如下： 1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 可靠性是電 氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝和制造，內(nèi)部電路采用了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。就 PLC 的機(jī)外電路來說，使用 PLC 構(gòu)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(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)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(bào)信息。在軟件應(yīng)用中，應(yīng)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(shè)備也獲 得故障自診斷保護(hù)。 2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 發(fā) 展至今，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)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(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 控制領(lǐng)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(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)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(xué)易用，深受歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言容易為工程技術(shù)人員所接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方 式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)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(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是能夠使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序從而改變生產(chǎn)過程。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)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(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。配套齊全， 功能完善，適用性強(qiáng) 。 所以綜上所訴現(xiàn)代機(jī)械手，可以逐步改善勞動條件，提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)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(qiáng)度，減少勞動風(fēng)險(xiǎn)，減少工業(yè)生產(chǎn)中的工作量，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，提高企業(yè)競爭力，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。本設(shè)計(jì)運(yùn)用于鋼絲繩生產(chǎn)流水線中埝股車上“工”輪的裝卸和搬運(yùn)，可代替工人在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn) 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(qiáng)，維修方便等優(yōu)點(diǎn)?？梢院喕刂凭€路，節(jié)省成本，進(jìn)一步提高勞動生產(chǎn)率。 主要研究內(nèi)容及需要解決的關(guān)鍵問題和思路 課題研究內(nèi)容 本課題研究任務(wù)：實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在鋼絲繩生產(chǎn)線中，埝股車臺上“工”字輪的裝卸、互換和搬運(yùn)的動作，來代替工人進(jìn)行單調(diào)持久地搬移裝卸動作。 實(shí)現(xiàn)功能和要求： PLC 控制，預(yù)置工作程序，動作靈活，可根據(jù)“工”字輪的位置變化可以隨時更改相關(guān)控制參數(shù)。 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 硬件選擇 （ 1）動 力源 —— 步進(jìn)電機(jī)及其相應(yīng)驅(qū)動設(shè)備。機(jī)械手夾持部位采用氣動控制。 （ 2）傳動機(jī)構(gòu) —— 機(jī)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(jī)構(gòu) —— 采用步進(jìn)電機(jī)的抱死系統(tǒng)。 （ 4) 操作臺布置 —— 盡力人性化處理，顯示實(shí)時工作狀態(tài)及故障報(bào)警。 控制要求 (1）定位精確性 —— 步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器作為動力驅(qū)動設(shè)備，采用開環(huán)控制，滿足定位要求，用脈沖信號來控制機(jī)械手各方向的行程。 (2）行程限位保護(hù) —— 采用接近開關(guān)作為限位信號，實(shí)現(xiàn)限位控制。 (3) 故障報(bào)警系統(tǒng) —— 具有故障指示功能。 輸入 /輸出設(shè)備 （ 1）輸入：指令按鈕、旋鈕、急停按鈕、報(bào)警及指示裝置。 （ 2）輸出：指示燈、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動設(shè)備、氣動開關(guān)、電磁開關(guān)。 PLC 選擇 保證設(shè)計(jì)所需的指令、 I/O 點(diǎn)數(shù)、電壓及輸出方式的要求，選擇質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉、廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品以降低總設(shè)計(jì)成本為主要目的，所以選擇臺達(dá)的 PLC。 I/O 點(diǎn)數(shù)分配 合理選用滿足設(shè)備要求點(diǎn)數(shù)的 PLC，減少不必要的浪費(fèi)。優(yōu)先分配特殊 I/O 點(diǎn)，注意相關(guān)指定輸入輸出端歸類分布。 PLC 程序設(shè)計(jì) （ 1)手動程序 —— 通過控制臺 上的按鈕，手動對機(jī)械手進(jìn)行各個方向的控制和機(jī)械手夾的加緊和放松動作。 (2)自動程序 —— 當(dāng)切換到自動運(yùn)行狀態(tài)時，機(jī)械手可以自動的進(jìn)行動作，自動的對工字輪進(jìn)行搬運(yùn)、裝卸、和安放。 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 硬件設(shè)計(jì) 機(jī)械手夾持結(jié)構(gòu) 夾緊機(jī)構(gòu) —— 手爪 機(jī)械手手爪是用來抓取工件的部件。其機(jī)構(gòu)多種多樣可以分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種，本設(shè)計(jì)是屬于固定關(guān)節(jié)的。手指數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得較多?？筛鶕?jù)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(yīng)操作。手爪抓取工件時應(yīng)具有迅速性、 靈活性、準(zhǔn)確性和可靠性。 設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)需要，對機(jī)械手的運(yùn)行速度、加速度、夾持物體重量、慣性和沖擊力、開口尺寸進(jìn)行校核，且能夠自鎖，防止斷電或設(shè)備故障造成被抓物掉落。 本設(shè)計(jì)中手爪 結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)中被夾持的工件是“工”字輪，是有凹槽回轉(zhuǎn)體，且滿輪的“工”字輪重量比較重，所以在機(jī)械機(jī)構(gòu)方面對手爪做如圖 的設(shè)計(jì)。手爪的抓放動作由通過氣缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)。 圖 機(jī)械手手爪示意圖 本設(shè)計(jì)中手爪的工作方式：機(jī)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(yùn)動手爪張開；若線圈失電，機(jī)械手手爪將恢復(fù)到自然狀態(tài)，保持夾緊狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自鎖功能，避免因偶然斷電導(dǎo)致被抓物掉落。 其特點(diǎn)：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(shù)來增加安全性．通過橡膠氣缸 手抓 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jī)構(gòu) 本設(shè)計(jì)中機(jī)械手主要做三個方向上的運(yùn)動前后 (X)、左右 (Y)和上下 (Z)。機(jī)械手在 X、 Y、Z 這三個方向上作的都是直線運(yùn)動，其結(jié)構(gòu)基本上是由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置組成。選用步進(jìn)電機(jī)作為動力，選用絲杠螺母機(jī)構(gòu)或齒輪齒條機(jī)構(gòu)作為傳動機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)就兩者作以下分析： (1)絲杠螺母機(jī)構(gòu)：位移較準(zhǔn)確、降速比大，運(yùn)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(jié)構(gòu)，因傳動力大，應(yīng)用廣泛。滾珠絲桿效率高，但成本高。 (2)齒輪齒條機(jī)構(gòu)：傳動效率高，速度快、無自鎖。一般用于機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)，不作為定位機(jī)構(gòu)。 為滿足設(shè)計(jì)要求，所以 Y、 Z 方向優(yōu)先選用絲杠螺母機(jī)構(gòu)， X 方向 選用齒輪齒條機(jī)構(gòu)。 傳動方式 本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的驅(qū)動設(shè)備是步進(jìn)電機(jī)及其步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，所以機(jī)械手的位移和運(yùn)動速度，可由電控系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號數(shù)量及脈沖信號頻率來控制。脈沖信號數(shù)是來控制機(jī)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(jìn)電機(jī)能夠達(dá)到比較高的重復(fù)定位精度，沒有累積誤差。 步進(jìn)電機(jī) 的選擇 及其驅(qū)動器 設(shè)定 步進(jìn)電動機(jī) (stepping motor)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (稱 為“步距角” )，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差 (精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 步進(jìn)電動機(jī)分為機(jī)電式及磁電式兩種基本類型。 (1)機(jī)電式步進(jìn)電動機(jī)由鐵心、線圈、齒輪機(jī)構(gòu)等組成。螺線管線圈通電時將產(chǎn)生磁力，推動其鐵心心子運(yùn)動，通過齒輪機(jī)構(gòu)使輸出軸轉(zhuǎn)動一角度，通過抗旋轉(zhuǎn)齒輪使輸出轉(zhuǎn)軸保持在新的 工作位置；線圈再通電，轉(zhuǎn)軸又轉(zhuǎn)動一角度，依次進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動。 (2)磁電式步進(jìn)電動機(jī)主要有永磁式、反應(yīng)式和永磁感應(yīng)子式 3 種形式。永磁式步進(jìn)電動機(jī)由四相繞組組成。 A 相繞組通電時，轉(zhuǎn)子磁鋼將轉(zhuǎn)向該相繞組所確定的磁場方向 。A 相斷電、南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 B 相繞組通電時，就產(chǎn)生一個新的磁場方向，這時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子運(yùn)動方向。永磁式步進(jìn)電動機(jī)消耗功率較小，步矩角較大。缺點(diǎn)是起動頻率和運(yùn)行頻率較低。 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)在定、轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)外表面上設(shè)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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種步進(jìn)電動機(jī)步矩角可做到 1176?！?5176。，甚至更小，精度容易保證，起動和運(yùn)行頻率較高，但功耗較大，效率較低。 永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(jī)又稱混合式步進(jìn)電動機(jī)。是永磁式步進(jìn)電動機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)兩者的結(jié)合，并兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)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(qū)動電源向電機(jī)繞組提供脈沖電流。步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行性能決定于電機(jī)與驅(qū)動電源間的良好配合。 選擇步進(jìn)電機(jī)時，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。 而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性要能滿足機(jī)械負(fù)載，并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩 maxMj 大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這