【文章內容簡介】 大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。 但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有 75％是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的 5％。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。機械手可在空間抓放物體，動 作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動線。 國內外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應用于以下幾方面： （ 1） 熱加工方面的應用 熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。 （ 2） 冷加工方面的應用 冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯(lián)接的重要于段。 （ 3） 拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內噴漆通用機械手，可用以對客車內部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質量和效率。近些年，隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用，工畢業(yè)設計（論文） 4 業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生 產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。 機械手的發(fā)展趨勢 目前國內工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 因此，國內主要是逐步擴大機械手應用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。 將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據(jù)不同的作業(yè)要 求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某 些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。 視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。 觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸 出手指尋找工件，通過裝在手指內的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。 手的抓力大小可通過裝在手指內側的壓力敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小?？傊S著傳感技術的發(fā)展，機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。到 1995 年，全世界約有 50%的汽車由機械手裝配。 現(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 PLC 概況及在機械手中的應用 （ 1） 可編程序控制器的應用和發(fā)展概況 可編程序控制器（ programmable controller），現(xiàn)在一般簡稱為 PLC（ programmable logic controller），它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數(shù)字技術、通 信網(wǎng)絡技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯畢業(yè)設計（論文） 5 著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等領域獲得了廣泛的應用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。 在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領域中是繼電器控制占主導地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應用甚廣。但是控制裝置體積大、動作速度較慢、耗 電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構成系統(tǒng)，接線繁雜，當生產(chǎn)工藝或控制對象改變時，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。 （ 2） PLC 的應用概況 PLC 的應用領域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的 PLC 幾乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要 PLC，尤其近幾年來 PLC 的性價比不斷提高已被廣泛應用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。 按 PLC的控制類型，其應用大致可分為以下幾個方面。 1） 用于邏輯控制 這是 PLC 最基本，也是最廣泛的應用方面。用 PLC 取代繼電器控制和順 序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。 2）用于模擬量控制 PLC 通過模擬量 I/O 模塊，可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉換，并對模擬量控制。 3）用于機械加工中的數(shù)字控制 現(xiàn)代 PLC 具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機械加工中的數(shù)字控制（ NC）及計算機控制（ CNC）緊密結合，實現(xiàn)數(shù)字控制。 4）用于工業(yè)機器人控制 5）用于多層分布式控制系統(tǒng) 高功能的 PLC 具有較強的通信聯(lián)通能力，可實現(xiàn) PLC 與 PLC 之間、 PLC 與遠程 I/O 之間、 PLC 與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自 動化網(wǎng)絡。 （ 3） PLC 的特點 1）可靠性高、抗干擾能力強 PLC 能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工作， PLC 的平均無故障間隔時間高，日本三菱公司的 F1 系列 PLC 平均無故障時間間隔長達30 萬 h，這是一般微機所不能比擬的。 2）控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強 由于 PLC 是采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能，對同一控制對象，當控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時，不必改變 PLC 的硬件設備，只需相應改變軟件程序。 3）編程簡單、使用、維護方便 4）組合方便、功能強、應用范圍廣 PLC 既可用于 開關量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機控制，又可用于組成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)。因此， PLC 應用范圍很廣。 5）體積小、重量輕、功耗低 畢業(yè)設計（論文） 6 PLC 采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約。 （ 4） PLC 在機械手中的應用 機械手通常應用于動作復雜的場合來代替人的反復的操作，從而節(jié)省人的勞動，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經(jīng)常被應用于動作簡單的電氣及流水線控制，而PLC 以其可靠性高、抗干擾能力強 ?？刂葡到y(tǒng)構成簡單、通用性強 。 編程簡 單、使用、維護方便 。組合方便、功能強、應用范圍廣 。 體積小、重量輕、功耗低等有點被廣泛應用于類似機械手的控制動作復雜的場合，本設計正是以 PLC 控制為基礎從而實現(xiàn)機械手的各種動。 設計目的 本設計通過對機電一體化技術專業(yè)大學三年的所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的搬運機械手的設計，能夠比較好地體現(xiàn)機電一體化技術專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。 目前，在國內很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成 ，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率 ,降低成本 ,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) ,適應現(xiàn)代自動化大生產(chǎn) ,針對具體生產(chǎn)工藝 ,利用機器人技術，設計用一臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。 本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設計能夠應用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞 動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。 設計原則 在設計之前，必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設計的設計原則是：以任務書所要求的具體設計要求為根本設計目標，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎上，盡可能的使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設計原則，同時也考慮本次設計是畢業(yè)設計的特點，將大學期間所學的知識，如機械設計、機械原理、液壓、氣動、電氣傳動及控制、可編程控制器（ PLC）、電子技術、自動控 制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設計中，使得經(jīng)過本次設計對大學階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設計。 畢業(yè)設計（論文） 7 本設計的主要內容 （ 1）機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用液壓方式驅動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為 60Kg。 （ 2）基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。 而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。該機械手手臂最大中心高設計為 848mm。最大回轉角設計為 0180度。平均升降速度為 67mm/s。平均伸縮速度為 83mm/s。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。 在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為 800mm,最大工作半徑約為 1200mm。手臂升降行程定為 300mm。 畢業(yè)設計（論文） 8 對搬運機械手的基本要求是能快速、準確地拾 放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計搬運機械手的原則是 :充分分析作業(yè)對象 (工件 )的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件 。明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取 、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求 ； 盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制 .本次設計的機械手是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動作強度大和操作單調頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。 機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在 PLC程序控制的條件下，采用液壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運 動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反 饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整， 從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置 。 執(zhí)行機構 執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 （ 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構。夾持式手部由手指 (或手爪 )和 傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，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。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內孔 )和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有 :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）手腕 是連接 手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位 (即姿勢 ) （ 3）手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓