【導(dǎo)讀】重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機械手作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學本科。分析，設(shè)計了一種圓柱坐標形式的數(shù)控機床上下料機械手。主要包括三個方面：機械手腰部，大臂，小臂，手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計；液壓系統(tǒng)設(shè)計；PLC控制部分的設(shè)定。

　　

【正文】 LPMLMa TT NGDGDt ? ??? （式 ） 學士學位論文 36 制動時間： )(3 7 5 )(22LPMLMd TT NGDGDt ? ??? （式 ） 負載額定功率： ????955010 LNTP （式 ） 負載加速功率： aLLa tNGDP ?? ?? 3 22 103577 （式 ） 負載力矩（折算到電機軸）： lM LL TNNT ??? ? （式 ） 負載 GD（折算到電機軸）： 222 )( lMLL GDNNGD ? （式 ） 起動時間： )(3 7 5 )(22LPMLMa TT NGDGDt ? ??? （式 ） 制動時間： )(3 7 5 )(22LPMLMd TT NGDGDt ? ??? （式 ） 式中， 0P 為額定功率， KW； aP 為加速功率， KW； lN 為負載軸回轉(zhuǎn)速度， r/min； MN 為電機軸回轉(zhuǎn)速度， r/min； 學士學位論文 37 lV 為負載的速度， m/min； ? 為減速機效率； ? 為摩擦系數(shù)； lT 為負載轉(zhuǎn)矩（負載軸）， mN? ； pT 為電機啟動最大轉(zhuǎn)矩， mN? ； LT 為負載轉(zhuǎn)矩（折算到電機軸上）， mN? ； 2lGD 為負載的 2GD ， 2mN? ； 2LGD 為負載 2GD （折算到電機軸上）， 2mN? ； 2MGD 為電機的 2GD ， 2mN? ； 具體到本設(shè)計，因為步進電機是驅(qū)動腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。 因為腰部回轉(zhuǎn) 運動只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有； RfGRFT fl ????? （式 ） 式中， f 為滾動軸承摩擦系數(shù)，取 ； G 為機械手本身與負載的重量之和，取 100KG ； R 為回轉(zhuǎn)軸半徑， R=240mm ； 帶入數(shù)據(jù)，計算得 lT = mN? ； 同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為 lN =5r/min；傳動比定為 1/120； 2mgDGDl ? （式 ） 帶入數(shù)據(jù)得： lGD = 2mN? 。 學士學位論文 38 將其帶入上式，得： ；kWP ? ；kWPa ? 啟動時間 mssta ?? ； 制動時間 mstd 3? ； 折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩為： ?LT mKN? 。 根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國產(chǎn) 北京 和利時電機技術(shù)有限公 司 （ 原 北 京 四 通 電 機 公 司 ） 的 步 進 電 機 ， 具 體 型 號 為 ： 110BYG550BSAKRMA0301 或 110BYG550BSAKRMT0301 或 110BYG550BBAKRMT0301,該步進電機 高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好。下圖為 110BYG550BSAKRMA0301 型步進電機 矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。驅(qū)動方式：升頻升壓； 步距角： 176。； 其中步距角 ，同時因為腰部齒輪傳動比為 1： 120，步進電機經(jīng)過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實際的步距角將為電機實際 步距角 的 1/120（理論上），雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相當高的，完全能滿足機械手上下料的定位精度要求。 所選電機相關(guān)參數(shù) 圖 所示： 表 電機參數(shù) 學士學位論文 39 機械手控制要求 機械手的動作有水平手臂的伸縮，垂直手臂的升降，執(zhí)行手爪的加緊與松開以及腰部的旋轉(zhuǎn)。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實現(xiàn)驅(qū)動。而液壓缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如，當下降電磁閥通電時，機械手下降；當下降電磁閥 斷電時，機械手下降停止。只有當上升電磁閥通電時，機械手才上升；而當上升電磁閥斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅(qū)動器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進行調(diào)節(jié)控制。 ［ 7］ 而執(zhí)行手爪的加緊與放松，通過液壓缸與齒輪來實現(xiàn)。液壓缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，液壓缸不工作，當線圈通電時，液壓缸工作沖程，手爪張開，液壓缸工作回程，手爪閉合。 當機械手旋轉(zhuǎn)到機床上方時并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業(yè) 。同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。 機械手的作業(yè)流程 圖 機械手作業(yè)流程 學士學位論文 40 從原點開始，按下啟動鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； —— → 下降電磁閥通電，同時手爪液壓缸電磁閥也通電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件； —— → 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； —— → PLC 開始輸出高速脈沖，驅(qū)動機械手逆時 針轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC 停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動； —— → 接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，機械手到達卡盤中心高度； —— → 機械手開始水平定位后縮，將工件裝入機床卡盤； —— → 當工件裝入到位后，卡盤收緊；—— → 機械手松開手爪，準備離開； —— → 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； —— → PLC 啟動高速脈沖驅(qū)動機械手作順時針轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動，機 械手回到原點待命； —— → 機床進行加工。 當數(shù)控機床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機械手，機械手接到命令后， PLC 馬上輸出脈沖驅(qū)動機械手逆時針轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動； —— → 下降電磁閥通電，同時手爪液壓缸電磁閥也通電，機械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件； —— →機床卡盤松開； —— → 機械手開始前伸，將工件從機床上取出，準備運走； —— → 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電 磁閥斷電，上升停止； —— → PLC 輸出高速脈沖，驅(qū)動機械手順時針轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC 停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動； —— → 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止； —— → 接著手爪液壓缸電磁閥通電，手爪張學士學位論文 41 開，放下工件準備離開； —— → 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同時手爪也閉合復(fù)原； —— → 接著機械手水平手臂開始后縮，準備回原點，當后縮到位時，后縮停止，機械手回到原點，一個上下料過程結(jié)束； —— → 機械手在原點等待命令，準備下一個工作循環(huán)。 機械手的每次循環(huán)都從原點位置開始動作。 機械手操作面板布置 操作面板布置如圖所示。機械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種工作方式可以選擇。 ：就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。例如，當選擇上 /下按鈕時，按下啟動按鈕，機械手上升；按下停止按鈕時，機械手上升。當選擇逆轉(zhuǎn) /順轉(zhuǎn)按鈕時，按下啟動按鈕，機械手順時針轉(zhuǎn)動，而按下停止按鈕時，機械手逆時針轉(zhuǎn)動。同理，當選擇夾緊 /放松按鈕時，按下啟動按鈕，機械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。 圖 機械手操作方式 ：機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機械手將繼續(xù)完成一個學士學位論文 42 周期動作后，回到原點位置。 控制器 選型 機械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計上考慮到機械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計開發(fā)的工業(yè)控制器 PLC，選擇在國內(nèi)應(yīng)用較多的西門子 S7200 型 PLC，見圖 。具體型號為 SIMATIC S7200 CPU224。 圖 SIEMENS SIMATIC S700 PLC 該機集成 14 輸入 /10 輸出共 24 個數(shù)字量 I/O 點。可連接 7 個擴展模塊，最大擴展至 168 路數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點。 16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 6 個獨立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 1 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。 ［ 15］ 控制系統(tǒng)原理分析 因為機械手作業(yè)時，取工件、放工件，安裝工件、卸下工件都有定位精學士學位論文 43 度的要求，所以在機械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進驅(qū)動進行開環(huán)控制外，還要水平手臂進行閉環(huán)伺服控制。 為了減少 PLC 的 I/O 點數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號和反饋信號進行比較后形成的控制信號經(jīng)過 PID 調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動電液伺服閥對液壓缸進行伺服定位。 PLC 將上位機輸入的給定信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖 所示。 這種方案使得 PLC 控制量少（尤其是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，而且編程簡單，不必過多考慮控制算法等優(yōu)點，也是完全能滿足工作要求的。 ［ 12］ 圖 控制系統(tǒng) PLC 外部接線設(shè)計 為適應(yīng)水平手臂液壓缸的伺服定位的控制要求，利用西門子 SIMATIC S7200 （ CPU224） PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，故增加一個模擬量輸出模塊 EM232，鑒于伺服放大器和位移傳感器的輸入要求， PLC 的模擬量采用 10V~ +10V 輸入輸出，各輸入輸出點及其接線如圖 所示。 學士學位論文 44 圖 PLC 硬件接線圖 I/O 地址分配 PLC 輸入元件地址分配明細表 如 所示 ： 控 制 元 件 符 號 編程地址 備注 總停開關(guān) SB0 按下停止工作 啟動開關(guān) SB1 按下開始工作 垂直缸上限行程開關(guān) SM1 垂直缸下限行程開關(guān) SM2 機床上下料命令開關(guān) SB2 檢測料架有無工件光電開關(guān) SP0 常閉開關(guān)，閉合表示有工件 控制面板上 /下選擇開關(guān) SQ1 用于手動調(diào)整時 控制面板夾緊 /松開選擇開關(guān) SQ2 用于手動調(diào)整時 控制面板順 /逆選擇開關(guān) SQ3 用于手動調(diào)整時 學士學位論文 45 控制面板手動工作選擇開關(guān) SQ4 用于手動調(diào)整時 控制面板自動工作選擇開關(guān) SQ5 表 PLC 輸入元件地址分配明細表 PLC 輸出元件地址分配明細表 ： 控 制 元 件 符 號 編程地址 備注 步進電機高速驅(qū)動脈沖輸出 步進電機方向控制 為 1 順時針，反之為逆時針； 垂直缸上升動作電磁閥 2DT 垂直缸下降動作電磁閥 3DT 手爪張開動作電磁閥 5DT 機械手原點狀態(tài)指示燈 L1 顯示原點位置 中斷強制關(guān)機開關(guān) KM 用于中斷控制 表 PLC 輸出元件地址分配明學士學位論文 46 圖 主程序流程圖 機械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用西門子 S7200 PLC 的編程軟件STEP7Micro/WIN32 進行，通過編程給出具體控制程序梯形圖并進行編譯和調(diào)試。 具體程序代碼，包括主程序 MAIN，自動操作子程序 SBR0，手動工作子程序 SBR1，機械手中斷服務(wù)程序 INT_0。 詳細程序參照附錄 。 學士學位論文 47 結(jié)論 本設(shè)計通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年所學知識進行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設(shè)計，比較好地體現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動化專業(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