【正文】 ┊ ┊ ┊ ┊ 第 2 章 設(shè)計原理 操作原理簡要說明 機械 手有手動、單周期、多周期和回原點五種工作方式，機械手在最上面、最左邊且電磁鐵線圈斷電，稱為系統(tǒng)處于原點狀態(tài)（或稱初始狀態(tài)）。 在用戶程序中，坐限位開關(guān)，上限位開關(guān)的常開觸點和表示電磁鐵線圈斷電常閉觸點的串聯(lián)電路接通時， “ 原點條件 ” 輔助繼電器變位 NO。在通過初始化指行 IST 利用輔助繼電器來決定機械手的工作方式 ， 在單周工作方式下，在初始狀態(tài)按下啟動按鈕后，機械手從初始步開始一個接一個周期地反復(fù)連續(xù)的工作。在按下停止按鈕并不馬上停止工作，完成最后一個周期的工作后，系統(tǒng)才返回并停留在初始步。 在單步工作方式下， 從初始步開始，按下按鈕系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步完成該步任務(wù)后，自動停止工作并停留在該步，再按一下啟動按鈕才轉(zhuǎn)到下一步。單步工作方式常用于系統(tǒng)的調(diào)試。在選擇單周期，多周期和單步工作方式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點狀態(tài)，如果不滿足這一條件，可選擇回原點工作方式 。 機械手的一個工作周期（動作順序）為下降、 夾緊 、上升、右行、下降、釋放、上升、左行返回。當(dāng)機械手在原點狀態(tài)時，按下啟動按鈕，機械手下降到為達下限位時， 下限位 處于斷電狀態(tài)。 夾緊 ，然后機械手上升，上升到上限位時，機械手臂右行。當(dāng)右行到右限位時，機械手下降，下降到下限位時 氣抓斷電，釋放 工件 ， 工件放入指定位置 。然后回到原點。當(dāng)機械手在原點時，按下啟動按鈕，機械手下降到為達下限位時，接通， 夾緊工價 ，機械手上升，上升到上限位時，機械手臂右行，當(dāng)右行到 限位開關(guān) 時機械手下降，下降到下限位時， 氣抓放松 。然后回到原點位置，機械手動作完成。 機械手的構(gòu)成 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可轉(zhuǎn)動、開閉手指。機械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，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)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多?？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)操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤。本設(shè)計采用二指的構(gòu)造。手臂有無關(guān)節(jié)臂和 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 共 42 頁 第 17 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 有關(guān)節(jié)臂之分。手臂的作用是引導(dǎo)手指準確的捉住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。總之，機械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動液壓缸、電液脈沖馬達、伺服液壓馬達、交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電動機等。軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的支架。 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種；液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械 驅(qū)動。其中以電氣、氣動用的最多，占 90%以上；液壓機械驅(qū)動用的較少。 液壓驅(qū)動主要是通過液壓缸、閥、液壓泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用液壓缸、液壓馬達加齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動液壓缸、液壓馬達與減速器、液壓缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大，動作平緩，可無極變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。一般采用 4 到 6 個大氣壓（ 392 到 588kpa),個別的達到 810 個大氣壓（ 785981kpa）。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。本設(shè)計的手爪部分采用氣壓驅(qū)動。 電氣驅(qū)動時，直線運動可采用電動機帶動絲杠、螺母機構(gòu)。通用機械手則考慮采用步進電動機、直流或交流的伺服電動機、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護、使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一形式的動力，出力比較大。本設(shè)計采用步進電動機驅(qū)動手臂運動，直流電動機驅(qū)動手爪和機械手的旋轉(zhuǎn)運動。 機械驅(qū)動只用于 工作固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。她的優(yōu)點是動作確實可靠，工作速度高，成本低；缺點是不易于調(diào)整。 機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度和加減速度等。機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點位控制為主，占 90%以上。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。對動作復(fù)雜的機械 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 共 42 頁 第 18 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、以小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)。 本設(shè)計的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實現(xiàn)，具有編程簡單、 修改容易、可靠性高等優(yōu)點。 各電氣設(shè)備的控制方式及控制要求 機械手的機能和特性 根據(jù)古典力學(xué)觀點，物體在三維空間內(nèi)的靜止位置是由三個坐標和繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定。因此，抓握物體的位置和方向（即關(guān)節(jié)間的角度）能從理論上求得。據(jù)資料介紹，如果采用的機械手，其技能要接近于人的上肢，則需要具有 27 個自由度，而每一個自由度至少要有一根人造肌肉。這樣就需要安裝27 根重量輕、小型和高輸出力的人造肌肉。就目前的技術(shù)狀況而言，上述功能還很難辦到，而且把機械手的運動搞的那么復(fù)雜，動作彼此嚴重重疊也是完全不必要 的。退一步，如果機械手要求具有完全通用的程度，那么它的整機、本體、手臂和手指都得有三個直線運動和三個旋轉(zhuǎn)運動，總共要有 24 個自由度。這在實際上也是不必要的，這樣會使機械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費用增多。因此，不應(yīng)盲目模仿人手的動作，增加過多的自由度，而應(yīng)該根據(jù)實際需要的動作設(shè)計出最少的自由度，就能完成作業(yè)所要求的動作。所以一般專用的機械手通常具有兩到三個自由度。而通用機械手則一般取四到五個自由度。 本設(shè)計中設(shè)計的機械手，它共有五個自由度。即：手臂伸縮、手臂上下擺動、手臂左右擺動、手腕回轉(zhuǎn)、手指抓握。 軀干和傳 動系統(tǒng) 機械手的傳動分液壓、氣壓、電氣和機械四種，本設(shè)計采用綜合傳動方即 手臂采用電氣傳動，而手爪則采用氣壓傳動。如圖 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 共 42 頁 第 19 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 機械手模型 夾緊機構(gòu) 機械手手爪是用來抓取工件的部件。手爪抓取工件時要滿足迅速、靈活、準確和可靠的要求。設(shè)計制造夾緊機構(gòu) 手爪時，首先要從機械手的坐標形式、運行速度和加速度的情況來考慮。其夾緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小來計算。同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化為擴大機械手的應(yīng)用 范圍，還需備有多種抓取機構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動定心結(jié)構(gòu)。為防止突然停電造成的被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、動作靈活和工作可靠。 夾緊結(jié)構(gòu)形式多樣，有機械式、吸盤和電磁式等。有的夾緊機構(gòu)還帶有傳感裝置和攜帶工具進行操作的裝置。本設(shè)計采用機械式夾緊機構(gòu)。 機械式夾緊機構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運動的方式和模仿人手的動作?？煞譃榛剞D(zhuǎn)型、直進型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動力來源則可分為彈簧式、氣動式、液壓式等。本設(shè)計采用二指式氣動手爪。由可編程控制控制電磁閥動作，從而控制手爪的張閉。手爪的回轉(zhuǎn)則用一個直流電動機完成，同時 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 共 42 頁 第 20 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 通過兩個限位磁頭完成回轉(zhuǎn)角度的限位，一般可設(shè)置在 180176。 軀干由底盤和手臂兩大部分組成 。 ( 1 ) 盤底是支撐機械手全部重量并能帶動手臂旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)。采用一個直流電動機驅(qū)動，盤底旋轉(zhuǎn)時帶動一個旋轉(zhuǎn)碼盤旋轉(zhuǎn)，機械手每旋轉(zhuǎn) 3176。發(fā)出一個脈沖，由傳感氣檢測并送入可編程控制器，從而計算盤底旋轉(zhuǎn)的角度。同時 ，在盤底裝有限位磁頭，最大旋轉(zhuǎn)角度可達 270176。 ( 2 ) 手臂是機械手的主要部分，它是支撐手爪、工件并使他們遠動的機構(gòu)。本設(shè)計中手臂由橫軸和豎軸組成，可完成伸縮、升降的運動。手臂采用步進電動機帶動絲桿、螺母來實現(xiàn)伸縮和升降運動。由可編程控制器發(fā)出脈沖信號，經(jīng)步進電動機驅(qū)動器驅(qū)動步進電動機旋轉(zhuǎn)，帶動滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，完成手臂的運動。改變發(fā)出脈沖的個數(shù)，可控制手臂的兩個軸運動的距離。同時在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位。采用絲桿、螺母結(jié)構(gòu)傳動的特點是易于自鎖，位置精度較高，傳動效率較高。 電器元件和設(shè) 備的選擇 機型的選擇 根據(jù)被控制對象對 PLC,基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能要求，可進行 PLC型號的選定。 進行 PLC 選型時，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要，同時要兼顧維修、備件的通用性。對開關(guān)量控制的系統(tǒng)，當(dāng)控制速度要求較不高時，一般的小型PLC 都可以滿足要求，如對小型泵的順序控制、單臺機械的目的自動控制等。當(dāng)控制速度要求較高、輸出有高速脈沖信號等情況時，要考慮輸入 /輸出點的形式，最好采用晶體管形式輸出。對帶有部分模擬量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的溫度、壓力、流量、液位等連續(xù)量的控制 ，應(yīng)選擇具有所需功能的PLC 主機，還要根據(jù)需要選擇相應(yīng)的傳動感器、變送器和驅(qū)動裝置等。 輸入 /輸出的點數(shù)可以衡量 PLC 規(guī)模的大小。準確統(tǒng)計被控對像的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)并考慮今后系統(tǒng)的調(diào)整和擴充，在實際的調(diào)整和擴充，在實際 I/O 點數(shù)基礎(chǔ)上，一般應(yīng)加上 10%20%的備用點數(shù)。多數(shù)小型 PLC 為整體式，具有體積小、價格便宜等優(yōu)點，適于工藝過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡單的 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 共 42 頁 第 21 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 系統(tǒng)。模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 采用主機模塊與輸入模塊、功能模塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊、判斷與處理故障快速方便，適用于工藝 變化較多、控制要求復(fù)雜的系統(tǒng)。 此外，還應(yīng)考慮用戶存儲器的容量、 PLC 的處理速度是否能滿足實時控制的要求、編程器與外圍設(shè)備的選擇等。 本設(shè)備控制的對象是一個開關(guān)量控制的系統(tǒng)，同時利用脈沖控制步進電動機的運轉(zhuǎn)，故應(yīng)采用晶體管形式的輸出。三菱 FX 系列的 PLC 性價比搞、功能完善、指令豐富等優(yōu)點，能滿足本對象各項控制性能要求，因此，本系統(tǒng)采用三菱 FX2N— 48MR 系列 PLC 作為基本模塊（如圖 所示 PLC），能輸出兩路脈沖信號進行步進電動機的控制。 ： 采用 Dm150 系列開關(guān)電源。其特點是輸出功率 大、體積小，重量輕、可靠性高，適應(yīng)寬范圍的輸入