【正文】 我還要感謝其他帶畢業(yè)設(shè)計(jì)的老師在本次設(shè)計(jì)中給予我們幫助和指導(dǎo)！也感謝對(duì)本次設(shè)計(jì)提供幫助的人。我首先要感謝我的導(dǎo)師竇建華老師，竇老師每周安排見(jiàn)面會(huì)，身體力行、兢兢業(yè)業(yè)地為我們排憂解難，對(duì)我們的構(gòu)思以及論文的內(nèi)容不厭其煩的進(jìn)行多次指導(dǎo)和悉心指點(diǎn)，使我在完成論文的同時(shí)也深受啟發(fā)和教育。雖然在畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到很多困難，但在做的過(guò)程中我真正掌握和領(lǐng)會(huì)了各項(xiàng)知識(shí)?；厥走@幾個(gè)月來(lái)的設(shè)計(jì)過(guò)程，可以說(shuō)是收獲良多，也付出了不少心力。本篇論文雖然凝聚著自己的汗水，但卻不是個(gè)人智慧的產(chǎn)品，沒(méi)有老師的指引和贈(zèng)予，沒(méi)有同學(xué)和朋友的幫助和支持，我得畢業(yè)設(shè)計(jì)也不會(huì)完成。在校期間所學(xué)到的東西應(yīng)該對(duì)我以后工作和生活有很大幫助。 隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。 目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)程序簡(jiǎn)單易懂，控制簡(jiǎn)單，上下左右位置定位準(zhǔn)確，缺點(diǎn)在于運(yùn)動(dòng)效率不夠穩(wěn)定。(5)機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(3)手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了在PLC指令下對(duì)機(jī)械手完成如下運(yùn)動(dòng)功能：(1)手臂上下直線運(yùn)動(dòng)。結(jié) 論 本設(shè)計(jì)通過(guò)利用三菱公司FX系列PLC的特點(diǎn),對(duì)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，對(duì)按鈕、電磁閥、編碼盤(pán)以及其他一些輸入/輸出點(diǎn)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)械手模型的手動(dòng)和自動(dòng)控制。并可以運(yùn)用軟件在線監(jiān)測(cè)PLC的運(yùn)行情況，同時(shí)可以用手持編程器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求修改程序中的各參數(shù)，達(dá)到任意位置停止的目的。 回原位程序回原位程序；在系統(tǒng)處于回原位工作狀態(tài)時(shí)，按下回原位按鈕（X3），M3變?yōu)镺N，機(jī)械手松開(kāi)和上升，當(dāng)升到上限位（X17變?yōu)镺N），機(jī)械手后退，直到后限位（X21為ON）才停止，并且M3復(fù)位。在前后移動(dòng)的程序中串聯(lián)上線位置開(kāi)關(guān)的動(dòng)合觸點(diǎn)是為了避免機(jī)械手在較低位置移動(dòng)時(shí)碰撞其他工件。手動(dòng)程序說(shuō)明：用對(duì)應(yīng)機(jī)械手的上下前后移動(dòng)和夾緊松開(kāi)按鈕?！∪缦聢D所示。按下停止按鈕X7后，M1變?yōu)镺FF，系統(tǒng)不會(huì)立即停止，而是完成當(dāng)前的工作周期后，機(jī)械手最終停止在原位。因此步進(jìn)順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強(qiáng)。后退到后限位，使X21接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S14，底盤(pán)順轉(zhuǎn)是X21接通，返回初始狀態(tài)，再開(kāi)始第二次循環(huán)動(dòng)作。延時(shí)時(shí)間到，T1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S11上升。下降到最低位，X16接通，電磁鐵放松。S6驅(qū)動(dòng)Y4后退。驅(qū)動(dòng)手順轉(zhuǎn)Y7，X24接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S3，驅(qū)動(dòng)下降Y2，X16接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S4，S4驅(qū)動(dòng)Y6置位，延時(shí)1秒，以使電磁力達(dá)到最大夾緊力。圖53 程序總的結(jié)構(gòu)圖 圖54公用程序梯形圖 自動(dòng)操作程序 自動(dòng)操作順序功能流程圖見(jiàn)圖55所示。如果M0為OFF，M10被復(fù)位，系統(tǒng)不能進(jìn)入連續(xù)工作方式。公用程序如圖54，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：當(dāng)Y6復(fù)位（電磁閥松開(kāi)）、后限位X21和上限位X17接通時(shí)，輔助繼電器M0變?yōu)镺N，表示機(jī)械手在原位。由于P1處的X1的動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，所以又跳過(guò)回原位程序到P2處。該指令由于某種條件下跳過(guò)CJ指令和指針標(biāo)號(hào)之間的程序，從指針標(biāo)號(hào)處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時(shí)間。其中自動(dòng)程序包括單步、連續(xù)運(yùn)動(dòng)程序，因它們的工作順序相同所以可將它們和編在一起。 PLC的I/O分配根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作的要求，輸入、輸出分配如表51所示。圖51 控制面板示意圖 PLC梯形圖中的編程元件設(shè)計(jì)選用FX1N－60MR，其輸入繼電器（X）36點(diǎn)，輸出繼電器(Y)24點(diǎn)，輔助繼電器(M)384點(diǎn)，狀態(tài)繼電器(S)1000點(diǎn)，定時(shí)器(T)256點(diǎn)，計(jì)數(shù)器(C)，數(shù)據(jù)寄存器(D)等。當(dāng)旋鈕打向連續(xù)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)完成各工步操作，且循環(huán)動(dòng)作。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來(lái)，在手動(dòng)方式時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)，其控制面板如下圖51。然后對(duì)氣壓傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了說(shuō)明，對(duì)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成進(jìn)行了介紹，最后對(duì)機(jī)械手手爪氣壓控制回路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并繪制了手爪氣壓控制回路圖。氣動(dòng)控制回路如圖48所示。主要完成手爪的夾緊與松開(kāi)?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、氣爪旋轉(zhuǎn)、手爪夾緊松開(kāi)。 機(jī)械手的氣路設(shè)計(jì)本機(jī)械手有五個(gè)自由度，即垂直升降、水平橫移、177。（4）輔助元件：是對(duì)壓縮空氣進(jìn)行凈化、潤(rùn)滑、消聲以及用于元件之間連接等所需的輔件。本設(shè)計(jì)選用的是做直線運(yùn)動(dòng)的氣缸。（2）執(zhí)行元件：將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換元件，并對(duì)外做功。3）是否需要與電氣、液壓等控制方法相結(jié)合。1）了解主機(jī)的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方式、動(dòng)作循環(huán)過(guò)程，執(zhí)行元件的負(fù)載大小、運(yùn)動(dòng)速度和調(diào)速范圍，定位精度，連鎖要求和自動(dòng)化程度等。由于缸筒和端蓋之間是靜密封，根據(jù)〈〈液壓氣動(dòng)手冊(cè)〉〉，可選用以橡膠為材料的O形密封圈。按強(qiáng)度條件對(duì)活塞桿的直徑進(jìn)行計(jì)算，因采用推夾緊的結(jié)構(gòu)，故按受壓桿考慮得 （416）式中：—活塞桿所需的輸出壓力，N； d—活塞桿直徑，mm； —活塞桿材料的需用應(yīng)力（MPa），=,n為安全系數(shù)（一般取n＞此處取n=）， ==。所以能滿足要求。此處，取。由于所選氣缸組件為標(biāo)準(zhǔn)件，所以其它尺寸不需要計(jì)算，只需要驗(yàn)算即可。該處取工作壓力 ，；所以有 查〈〈機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（液壓氣動(dòng)分卷）〉〉，選取缸筒內(nèi)徑25mm＞，故取D=25mm。該手爪結(jié)構(gòu)為推夾緊內(nèi)卡式手爪，采用推夾緊的結(jié)構(gòu)有利于縮小氣缸的直徑。根據(jù)齒輪齒條式手爪的夾緊力公式：可以得出： （413）式中：P—理論驅(qū)動(dòng)力，N； b—平衡點(diǎn)到支點(diǎn)的距離，mm； N—手爪的夾緊力，N； a—齒輪中心到嚙合曲線的距離，mm；將以上數(shù)據(jù)帶入計(jì)算得出：對(duì)被抓物體的中心點(diǎn)受力分析如48所示，圖47 O點(diǎn)結(jié)構(gòu)受力圖根據(jù)平衡條件： 得 （414）式中 P—理論驅(qū)動(dòng)力，N； —夾緊氣缸所需的驅(qū)動(dòng)力，N；則有 ；因此，取其設(shè)計(jì)值為60N。圖44 手指各部分尺寸圖圖45 氣壓雙作用單桿活塞缸本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手爪驅(qū)動(dòng)裝置采用雙向作用的單桿活塞缸，【】形手指的角度是，按照設(shè)計(jì)要求物品的重量約為1kg。在結(jié)構(gòu)上，單桿活塞缸應(yīng)用最多。而其手爪的結(jié)構(gòu)也是各式各樣的，但以氣動(dòng)手爪應(yīng)用較為普遍。 夾緊氣缸的選用在自動(dòng)化生產(chǎn)線中，各種形式的機(jī)械手應(yīng)用越來(lái)越廣泛。根據(jù)硬鋁合金的材料性能和可加工性能，確定手爪的其它尺寸如圖44所示。此時(shí)，根據(jù)式（47）和（49）有所以?shī)A持誤差，結(jié)果與計(jì)算法吻合。取【】型槽的夾角，根據(jù)下式求得最佳偏角為： （47）即有 （48）在雙曲線上，由于和關(guān)于對(duì)稱，所以，即即 （49）對(duì)手指的夾持誤差要求不要超過(guò)1mm，根據(jù)式（49）可寫(xiě)出約束條件為： （410）計(jì)算得：為了減小夾持誤差，設(shè)計(jì)中可加長(zhǎng)手指的長(zhǎng)度，但手指過(guò)長(zhǎng)，整個(gè)手爪結(jié)構(gòu)就要增大。根據(jù)以上所討論的雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的夾持誤差分析，來(lái)確定手指的主要參數(shù)：—手指長(zhǎng)度；—偏轉(zhuǎn)角，要求手指的夾持誤差≤1mm。根據(jù)幾何關(guān)系，可得 （41）整理得， （42）該方程為雙曲線方程，經(jīng)過(guò)分析得出以下結(jié)論：（1） 當(dāng)時(shí)，有最小的值，即 （43）的變化以為分界，左右兩部分是對(duì)稱的。手指材料的恰當(dāng)選用，對(duì)機(jī)械手的使用效果影響也很大，為了符合手部的結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)保證手指有足夠的強(qiáng)度，本機(jī)械手的手指采用硬鋁合金（2A12）。本機(jī)械手的手爪采用的是【】型槽的回轉(zhuǎn)型手指，如圖42所示。 手指的抓取機(jī)能及手指尺寸計(jì)算一、 手指的抓取機(jī)能手指的抓取機(jī)能是由被抓取物件和手指共同決定的。（四） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。在通常情況下，所需要的握力是物件重量的2～3倍。圖中表示松開(kāi)物件時(shí)圖41手指張開(kāi)最小距離與被抓取表面最大距離尺寸之間的距離關(guān)系在圖41中，有A－D﹥C式中：A—手指松開(kāi)物件后的最大尺寸； D—被抓取物件表面的最大尺寸； C—手指張開(kāi)或閉合后與物件之間保持的最小間隙。但對(duì)回轉(zhuǎn)型手指來(lái)說(shuō)，手指要有足夠的張開(kāi)與閉合角度。手指的開(kāi)閉角應(yīng)能保證被抓物件順利進(jìn)入或脫開(kāi)，其大小直接與工件和手指的形狀、尺寸及手部接近被抓物件的路線等因素有關(guān)，同時(shí)還要注意路線周圍的環(huán)境。根據(jù)工件的大小和輕重，可將幾個(gè)吸盤(pán)同時(shí)裝在一個(gè)手腕上。它與機(jī)械手爪相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、表面吸附力分布均勻，以及能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)等特性，適用于板材、玻璃件、弧形殼體零件，特別適用于沖壓零件。因此，本系統(tǒng)采用回轉(zhuǎn)型齒輪齒條傳動(dòng)的內(nèi)卡式手爪。同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。機(jī)械式手爪由驅(qū)動(dòng)元件、手爪夾持部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、手指及各種墊片、附件等組成。 手爪的種類及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)一、 手爪的種類 機(jī)械式機(jī)械式手爪是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。由手指、傳力(或增力)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置組成。表35所選器材列表名稱型號(hào)或規(guī)格數(shù)量名稱型號(hào)或規(guī)格數(shù)量PLCFX1N60MR1限位開(kāi)關(guān)LX191118電磁閥VF31301轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)LW651按鈕LA101H13熔斷器RC1A30/152連接導(dǎo)線若干 本章對(duì)設(shè)計(jì)中夾緊機(jī)構(gòu)做了介紹說(shuō)明，并對(duì)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、編碼盤(pán)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元以及傳感器進(jìn)行了選型，其中還對(duì)步進(jìn)電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算與校和，最后繪制了器材列表。 圖37 旋轉(zhuǎn)編碼盤(pán)可以通過(guò)改變程序中計(jì)數(shù)器C0的初值來(lái)確定所要轉(zhuǎn)過(guò)的角度，這里可以通過(guò)用計(jì)算機(jī)讀出指令表，然后修改得到不同的控制角度。90mm機(jī)械手底盤(pán)和軀干每旋轉(zhuǎn)3度發(fā)出一個(gè)脈沖，并把信號(hào)送回可編程控制器來(lái)得到轉(zhuǎn)過(guò)的準(zhǔn)確的角度。電平轉(zhuǎn)換板原理圖如圖36所示。其中IN端接PLC的輸出端口，OUT端接模型的信號(hào)輸入端。圖35 金屬傳感器本裝置中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是由兩個(gè)繼電器的吸合與斷開(kāi)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的，從而實(shí)現(xiàn)基座和氣夾的正反轉(zhuǎn)。PLC內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路，PLC信號(hào)輸入有效，工作原理如圖34所示。 圖33 PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接圖圖34傳感器工作原理圖接近開(kāi)關(guān)：接近開(kāi)關(guān)有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號(hào)，當(dāng)與檔塊接近時(shí)輸出電頻為低電頻，否則為高電頻。基座和氣夾的正反轉(zhuǎn)限位采用接近開(kāi)關(guān)（金屬傳感器）如圖35，通過(guò)調(diào)整基座和氣夾上的金屬物的位置，可以在一定范圍內(nèi)改變基座和氣夾的旋轉(zhuǎn)角度。另外若不采用驅(qū)動(dòng)器，而采用PLC輸出觸點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，會(huì)占用很多的輸出觸點(diǎn)，同時(shí)給編程帶來(lái)不便。驅(qū)動(dòng)器輸入端為低電平有效。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分等，利用驅(qū)動(dòng)器可以很方便的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如下表3表3表3表34所示。主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。所以 （414）式中 —電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，； —加速起動(dòng)時(shí)的慣性力矩，；——恒速運(yùn)行時(shí)的摩擦力矩，； （415）式中 —負(fù)載慣量，；—時(shí)間常數(shù)，； （416）式中 —脈沖當(dāng)量，； —步距角，；—時(shí)間常數(shù)，；—轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量，kg；則有 所以 即 由此可知步進(jìn)電機(jī)的最大力矩發(fā)生在快速起動(dòng)的情況下。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行只要考慮摩擦負(fù)載。（二）靜力矩的選擇 靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。（五相電機(jī)）、（二、四相電機(jī)）、（三相電機(jī)）等。選用步驟如下：（一）步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要正反脈沖供電，成本較高。（3） 混合型步進(jìn)電機(jī)：是永磁式和反應(yīng)式相結(jié)合的一種形式。（2）