【正文】 伯一同制造出了世界上第一臺(tái)機(jī)械手； 1962本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 2 頁 共 36頁 年時(shí)，美國政府將機(jī)械手的實(shí)用性做了相關(guān)的敘述，機(jī)械手慢慢被大家所認(rèn)知； 1970年在美國召開了第一屆有關(guān)機(jī)械手相關(guān)的會(huì)議，主要研究它的價(jià)值和實(shí)用性； 1973年美國一家公司開始制造出了一臺(tái)小型的機(jī)械手，為工業(yè)發(fā)展做奠基；直到 1980 年，機(jī)械手在日本很快的發(fā)展起來，使得機(jī)械手得到了充分的改進(jìn)，現(xiàn)在機(jī)械手正在向智能化、高速化、精密化的方向發(fā)展，機(jī)械手的定位精度也是越來越高，能達(dá)到現(xiàn)在的納米級別，它的運(yùn)行速度可以達(dá)到 3m/s，產(chǎn)出的產(chǎn)品可以達(dá)到 6軸，夾起工件的重量也是越來越大。為了能夠更加直觀的對機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行展示，在本次設(shè)計(jì)中加入了組態(tài)軟件對機(jī)械手進(jìn)行監(jiān)控。 在本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，選用三菱系列的 PLC 對機(jī)械手進(jìn)行控制，完成自動(dòng)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在一些惡劣的環(huán)境下， PLC 同樣能夠取代人類去完成一些控制，從另一方面而言，成本也相對減輕了許多。所以 PLC 常被用于工業(yè)生產(chǎn)中，隨著它的地位逐漸增長，它的功能也隨之有了很大的提高。如今的機(jī)械手加入了傳感器反饋系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)械手發(fā)生故障時(shí)，它可以自我檢測，并且自動(dòng)修復(fù)。 機(jī)械手是一門綜合性的學(xué)科，它包含了機(jī)械、電子、材料、自動(dòng)控制等許多學(xué)科方面的知識(shí)。在機(jī)械制造行業(yè)中，機(jī)械手又稱工業(yè)機(jī)器人，它主要被應(yīng)用于運(yùn)送加工原料或者給特定的機(jī)床進(jìn)行刀具的轉(zhuǎn)換和機(jī)器的裝配等一些自動(dòng)化流水生產(chǎn)線上。工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的程度越來越高，而生產(chǎn)環(huán)境變得越來越惡劣，這樣對工人提出了更高的要求，比如安全性、健康性、環(huán)保性等。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 1 頁 共 36頁 1 緒論 課題提出背景 如今，機(jī)械自動(dòng)化已經(jīng)成為了新時(shí)代的主題。其中，機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多的，而且它的發(fā)展也是最快的。機(jī)械手可以有效的解決這個(gè)問題，它可以在高溫、高壓、有毒、放射性等場合應(yīng)用。綜上所述， 機(jī)械手的應(yīng)用更加有效率，同時(shí)還能降低生產(chǎn) 成本。隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械手也不斷的更新?lián)Q代，朝著精密化、智能化、復(fù)雜化的方向發(fā)展。 工業(yè)的自動(dòng)化程度的高低離不開 PLC， 它的控制能力越高，自動(dòng)化的程度也越高。對于 PLC 而言，它的程序編寫容易、系統(tǒng)操作靈活，同時(shí)對于控制也方便實(shí)現(xiàn)，這樣能夠提高 工業(yè)生產(chǎn)的效率和加工的質(zhì)量?；?PLC 設(shè)計(jì)的機(jī)械手自動(dòng)操作系統(tǒng)，更加容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)性。實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的上下、左右、旋轉(zhuǎn)等控制，要完全實(shí)現(xiàn)這些，還需要其它輔助元器件，比如氣缸、傳感器、電磁閥、底座和支架等。 MCGS 是一種用于對機(jī)械手整體監(jiān)控的一種組 態(tài)軟件，通過對機(jī)械手運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集， MCGS 以動(dòng)畫形式表現(xiàn)，對機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)控和整個(gè)流程的控制。 生產(chǎn)過程慢慢的向著機(jī)械、自動(dòng)、智能的方向發(fā)展，逐漸地融入了我們生活中。在國外，利用計(jì)算機(jī)和鏡頭采集裝置，再加上一些特殊的傳感器裝置組合在一起，能夠有效的定位，這樣更加精確和有效的進(jìn)行加工。機(jī)械手的靈活多變性可以有效地適用于小批量的自動(dòng)化生產(chǎn)和柔性的制造生產(chǎn)線上。在國家相對政策的扶持下，開始用機(jī)械手對加工零件進(jìn)行噴漆和焊接的工作，這些都是國內(nèi)自己開發(fā)研制的機(jī)器。在當(dāng)時(shí)，許多有著高技術(shù)的國家對自己的產(chǎn)品有嚴(yán)格保密性，不對外銷售，使得我國落后于國外一些國家，但是隨著時(shí)間的推移，技術(shù)和人才也飛快的跟上了世界的腳步。 目前，國家正在對中國未來的機(jī)械制造裝備也出謀劃策，爭取讓這些企業(yè)占取大量的市場份額。國家對于機(jī)械手企業(yè)提高了優(yōu)惠的政策 支持，并且扶持這些企業(yè)提高技術(shù)水平，加大工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)度。機(jī)械手的直線、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都是通過氣缸來完成，氣缸的運(yùn)動(dòng)由電磁閥本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 3 頁 共 36頁 來驅(qū)動(dòng)。一上電，先控制底部轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸擺動(dòng)調(diào)整機(jī)械手的位置，讓它復(fù)位。如圖 13所示： 圖 13 機(jī)械手實(shí)際效果圖 本次課題主要設(shè)計(jì)內(nèi)容： (1) 對機(jī)械手動(dòng)作進(jìn)行構(gòu)思 ， 設(shè)計(jì)出一套工作的整體方案 (2) 對機(jī)械手整體進(jìn)行簡單設(shè)計(jì) (3) 各氣缸選型， PLC 和 傳感器 的選型 (4) 系統(tǒng)硬件的 設(shè)計(jì) 和機(jī)械手 控制 程序的設(shè)計(jì) (5) 組態(tài)軟件 MCGS 的設(shè)計(jì) (6) 通過 PLC 來控制機(jī)械手，完成自動(dòng)控制并且連接 MCGS 進(jìn)行調(diào)控 設(shè)計(jì)的目的和意義 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，對于 機(jī)械產(chǎn)品的精度等級和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也是要求越來越高。所以，針對國外的設(shè)計(jì)可以進(jìn)行參考和總結(jié)，幫助我們完成對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。尤其在一些有污染環(huán)境 的場合，機(jī)械手的實(shí)用性更加體現(xiàn)出來。同時(shí)，也是因?yàn)闄C(jī)器人的發(fā)展，促進(jìn)了機(jī)械手的 飛速 發(fā)展。 本次課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通過用三菱 PLC 來進(jìn)行程序系統(tǒng)的控制， PLC 控制是機(jī)械手的靈魂。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 5 頁 共 36頁 2 機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手概述 在機(jī)械行業(yè)中，由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)比較多，要想各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)行需要大量的人力、物力、空間資源等，這樣的生產(chǎn)方法成本高、效率低、復(fù)雜程度高。 在過去的幾十年里，機(jī)械手發(fā)展非常快，迅速發(fā)展成為一種高科技的自動(dòng)化程度非常高的生產(chǎn)設(shè)備。相對于我國來說，機(jī)械手有著更為廣大的發(fā)展空間，也有利于提高國民經(jīng)濟(jì)的水平 [3]。它擁有多個(gè)自由度，在空間中能夠靈活地自由運(yùn)動(dòng)。其中 執(zhí)行元件由手部、手臂和身軀構(gòu)成。機(jī)械手的手部可以模仿人的手指，因此非常的靈活。在設(shè)計(jì)中我們可根據(jù)被夾工件的大小和形狀來裝備各種各樣的夾頭，以便適應(yīng)不同的操作需要。一般機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)有兩種，一種是直線運(yùn)動(dòng)，另一種是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)元件是用來驅(qū)動(dòng)氣爪來抓取工件也可以吸取工件，以達(dá)到預(yù)定的功能。驅(qū)動(dòng)元件 的 能夠?qū)崿F(xiàn)上升、下降、旋轉(zhuǎn)、前后左右移動(dòng)的這些動(dòng)作 ， 叫做 機(jī)械手的自由度。 本次設(shè)計(jì)對機(jī)械手整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，來完成特定的工作內(nèi)容。 通過上面的有關(guān)知識(shí)，我們設(shè)計(jì)出了一套機(jī)械手，他總共有 4 個(gè)自由度，包括：本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 6 頁 共 36頁 手臂上下運(yùn)動(dòng)、手臂前后伸縮、氣爪的夾緊、底座的旋轉(zhuǎn)。 機(jī)械手整體控制要求 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制要求一般為手動(dòng)模式和自動(dòng)控制模式。本次課題所設(shè)計(jì)的是自動(dòng)控制模式，通過對 PLC 編寫特定的程序，機(jī)械手會(huì)按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完成特定的動(dòng)作，往往在設(shè)計(jì)中我們加入手動(dòng)控制模式，這樣便于安裝和調(diào)試，當(dāng)機(jī)械手出現(xiàn)故障的時(shí)候，可以用手動(dòng)控制來檢測故障點(diǎn)。如圖 23所示，機(jī)械手工作流程圖： 圖 23 機(jī)械手工作流程圖 在機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，往往加入手動(dòng)控制的方式。一旦自動(dòng)控制發(fā)生故障或者在第一次設(shè)備安裝調(diào)試過程中，可以通過手動(dòng)控制進(jìn)行檢測。要使得單向閥保持通暢，需要?dú)怏w 有一定的壓力來抵消彈簧的壓力。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 7 頁 共 36頁 單向節(jié)流閥 單向節(jié)流閥是由單向閥和節(jié)流閥組合而成的，帶有壓力的氣體從 P 流向 A，經(jīng)過節(jié)流閥的作用，它只能向一個(gè)方向流動(dòng)，這種方式常被用于調(diào)速和延時(shí)回路中。 這樣的結(jié)合就是為了在頻繁控制的場合多次開閉主閥芯，對其造成沖擊和磨損。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 水平氣缸 本設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用到氣缸元件，氣缸因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的不同可以分為兩大類：膜片式和活塞式。氣動(dòng)控制元件是將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種裝置，如：氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)。缸筒前后蓋四角有四根拉桿和螺母進(jìn)行緊固。 （ 2） 無桿氣缸 無桿氣缸利用活塞直接或間接方式 來實(shí)現(xiàn) 機(jī)構(gòu) 的往復(fù)運(yùn)動(dòng) ，并 且沒有像普通氣缸一樣的剛性活塞桿。與有桿氣缸相比，它的行程推動(dòng)力是雙向的，特別適用于小缸徑和長行程場合的試用。 (3) 擺動(dòng)氣缸 擺動(dòng) 氣缸是指在空間中一定范圍內(nèi)進(jìn)行一定角度的運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)的幅度是有一定的局限性。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 8 頁 共 36頁 升降導(dǎo)向氣缸 在機(jī)械手中往往不只有水平氣缸，在本設(shè)計(jì)中也用到了升降導(dǎo)向氣缸，通常為了完成抓取并將工件放置到目標(biāo)工作臺(tái)上，這時(shí)必須設(shè)置具有升降功能的氣缸來完成特定的抓取任務(wù)。所以選擇時(shí)必須要帶有導(dǎo)向的氣缸。兩邊的兩根光軸為導(dǎo)桿，與外連接板為過盈配合，在活塞桿帶動(dòng)外連接板運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩根導(dǎo)桿便隨連接板一起運(yùn)動(dòng)，同時(shí)兩導(dǎo)桿又限制了活塞桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得活塞桿以及外連接板只能沿著導(dǎo)桿的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而起到導(dǎo)向的作用。氣爪抓取工件時(shí)要迅速、靈活、準(zhǔn)確 ,其夾緊力不宜過大或者過小，則應(yīng)該根據(jù)所夾取工件的外形、大小、尺寸來計(jì)算。同時(shí)還需要配備多種抓取機(jī)構(gòu)，以必要時(shí)可以安裝旋轉(zhuǎn)氣爪。 其中按氣爪運(yùn)動(dòng)的方式可分為平移、平動(dòng)、回轉(zhuǎn)這三種 。 手爪由驅(qū)動(dòng)元件、手爪零部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、手指、墊片、附件等組成。這種氣爪的抓取力和對中性比較好，同時(shí)也可用于內(nèi)外抓取工件進(jìn)行 移動(dòng)。 其抓取力較大，并且可以確保力恒定。幾種不同的氣爪如圖 25 所示： 圖 25 氣爪 在本設(shè)計(jì)中選擇一種平行二指氣爪。 綜上所述：對于各氣缸、氣爪的選型如下表 25 所示： 表 25 氣壓系統(tǒng)清單 序號(hào) 名稱 數(shù)量 型號(hào) 備注 1 水平氣缸 1 MY1B63G200 2 垂直氣缸 1 MY1B50G200 3 擺動(dòng)氣缸 1 MHS332D 4 氣爪缸 1 MHZ2 系列 5 單向節(jié)流閥 4 JSC L 型節(jié)流閥 6 三位四通換向閥 4 巨普 /TG251206 氣動(dòng)系統(tǒng)圖設(shè)計(jì) 氣動(dòng)系統(tǒng)圖主要是實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制，可以使機(jī)械手平移、旋轉(zhuǎn)、上下、抓緊等動(dòng)作在本次設(shè)計(jì)中均采用 單向節(jié)流 閥來對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制 [15]。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 10 頁 共 36頁 (2) 當(dāng)電磁閥 2 得電，氣壓進(jìn)入控制回路后，經(jīng)過電磁閥 13，氣流