【正文】 為了新時代的標志。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在 1954 年，美國的著名工程師沃爾德最早提出了人機一體化的構(gòu)想；到了 1959年，擁有豐富創(chuàng)造力的兩人沃爾德和英格伯一同制造出了世界上第一臺機械手； 1962年時，美國政府將機械手的實用性做了相關(guān)的敘述，機械手慢慢被大家所認知； 1970年在美國召開了第一屆有關(guān)機械手相關(guān)的會議，主要研究它的價值和實用性； 1973年美國一家公司開始制造出了一臺小型的機械手，為工業(yè)發(fā)展做奠基；直到 1980 年，機械手在日本很快的發(fā)展起來，使得機械手得到了充分的改進，現(xiàn)在機械手正在向智能化、高速化、精密化的方向發(fā)展，機械手的定位精度也是越來越高，能達到現(xiàn)在的納米級別，它的運行速度可以達到 3m/s，產(chǎn)出的產(chǎn)品可以達到 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械手的動作進行展示，在本次設(shè)計中加入了組態(tài)軟件對機械手進行監(jiān)控。 在本次設(shè)計任務(wù)中，選用三菱系列的 PLC 對機械手進行控制，完成自動操作系統(tǒng)的設(shè)計。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。如今的機械手加入了傳感器反饋系統(tǒng)，當機械手發(fā)生故障時，它可以自我檢測，并且自動修復(fù)。 機械手是一門綜合性的學(xué)科，它包含了機械、電子、材料、自動控制等許多學(xué)科方面的知識。在機械制造行業(yè)中，機械手又稱工業(yè)機器人，它主要被應(yīng)用于運送加工原料或者給特定的機床進行刀具的轉(zhuǎn)換和機器的裝配等一些自動化流水生產(chǎn)線上。工業(yè)生產(chǎn)自動化的程度越來越高，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。1 緒論 課題提出背景 如今，機械自動化已經(jīng)成為了新時代的主題。其中，機械手是工業(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。機械手可以有效的解決這個問題，它可以在高溫、高壓、有毒、放射性等場合應(yīng)用。綜上所述， 機械手的應(yīng)用更加有效率，同時還能降低生產(chǎn) 成本。隨著計算機和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機械手也不斷的更新?lián)Q代，朝著精密化、智能化、復(fù)雜化的方向發(fā)展。 工業(yè)的自動化程度的高低離不開 PLC， 它的控制能力越高，自動化的程度也越高。對于 PLC而言，它的程序編寫容易、系統(tǒng)操作靈活，同時對于控制也方便實現(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)計的機械手自動操作系統(tǒng)，更加容易實現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)性。實現(xiàn)對機械手的上下、左右、旋轉(zhuǎn)等控制，要完全實現(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 是一種用于對機械手整體監(jiān)控的一種組 態(tài)軟件，通過對機械手運動數(shù)據(jù)的采集， MCGS 以動畫形式表現(xiàn)，對機械手的運動過程進行監(jiān)控和整個流程的控制。 生產(chǎn)過程慢慢的向著機械、自動、智能的方向發(fā)展，逐漸地融入了我們生活中。在國外，利用計算機和鏡頭采集裝置，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行加工。機械手的靈活多變性可以有效地適用于小批量的自動化生產(chǎn)和柔性的制造生產(chǎn)線上。在國家相對政策的扶持下，開始用機械手對加工零件進行噴漆和焊接的工作，這些都是國內(nèi)自己開發(fā)研制的機器。在當時，許多有著高技術(shù)的國家對自己的產(chǎn)品有嚴格保密性，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)的進度。機械手的直線、旋轉(zhuǎn)運動都是通過氣缸來完成，氣缸的運動由電磁閥來驅(qū)動。一上電，先控制底部轉(zhuǎn)動氣缸擺動調(diào)整機械手的位置，讓它復(fù)位。如圖 13所示： 圖 13 機械手實際效果圖 本次課題主要設(shè)計內(nèi)容： (1) 對機械手動作進行構(gòu)思 ， 設(shè)計出一套工作的整體方案 (2) 對機械手整體進行簡單設(shè)計 (3) 各氣缸選型， PLC 和 傳感器 的選型 (4) 系統(tǒng)硬件的 設(shè)計 和機械手 控制 程序的設(shè)計 (5) 組態(tài)軟件 MCGS 的設(shè)計 (6) 通過 PLC 來控制機械手，完成自動控制并且連接 MCGS 進行調(diào)控 設(shè)計的目的和意義 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，對于 機械產(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)計可以進行參考和總結(jié)，幫助我們完成對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計。尤其在一些有污染環(huán)境 的場合，機械手的實用性更加體現(xiàn)出來。同時，也是因為機器人的發(fā)展，促進了機械手的 飛速 發(fā)展。 本次課題設(shè)計的機械手是通過用三菱 PLC 來進行程序系統(tǒng)的控制， PLC 控制是機械手的靈魂。 2 機械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械手概述 在機械行業(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，機械手發(fā)展非常快，迅速發(fā)展成為一種高科技的自動化程度非常高的生產(chǎn)設(shè)備。相對于我國來說，機械手有著更為廣大的發(fā)展空間，也有利于提高國民經(jīng)濟的水平 [3]。它擁有多個自由度，在空間中能夠靈活地自由運動。其中 執(zhí)行元件由手部、手臂和身軀構(gòu)成。機械手的手部可以模仿人的手指，因此非常的靈活。在設(shè)計中我們可根據(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。一般機械手的運動有兩種，一種是直線運動，另一種是旋轉(zhuǎn)運動。 驅(qū)動元件是用來驅(qū)動氣爪來抓取工件也可以吸取工件，以達到預(yù)定的功能。驅(qū)動元件 的 能夠?qū)崿F(xiàn)上升、下降、旋轉(zhuǎn)、前后左右移動的這些動作 ， 叫做 機械手的自由度。 本次設(shè)計對機械手整體機構(gòu)進行控制，來完成特定的工作內(nèi)容。 通過上面的有關(guān)知識，我們設(shè)計出了一套機械手，他總共有 4個自由度，包括：手臂上下運動、手臂前后伸縮、氣爪的夾緊、底座的旋轉(zhuǎn)。 機械手整體控制要求 機械手運動控制要求一般為手動模式和自動控制模式。本次課題所設(shè)計的是自動控制模式，通過對 PLC 編寫特定的程序，機械手會按照一定的運動規(guī)律完成特定的動作，往往在設(shè)計中我們加入手動控制模式，這樣便于安裝和調(diào)試，當機械手出現(xiàn)故障的時候，可以用手動控制來檢測故障點。如圖 23所示，機械手工作流程圖： 圖 23 機械手工作流程圖 在機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計中，往往加入手動控制的方式。一旦自動控制發(fā)生故障或者在第一次設(shè)備安裝調(diào)試過程中，可以通過手動控制進行檢測。要使得單向閥保持通暢，需要氣體 有一定的壓力來抵消彈簧的壓力。 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，它只能向一個方向流動，這種方式常被用于調(diào)速和延時回路中。 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)行機構(gòu) 水平氣缸 本設(shè)計中主要運用到氣缸元件，氣缸因為結(jié)構(gòu)的不同可以分為兩大類：膜片式和活塞式。氣動控制元件是將壓力能轉(zhuǎn)化為機械能的一種裝置，如：氣缸和氣動馬達。缸筒前后蓋四角有四根拉桿和螺母進行緊固。 （ 2） 無桿氣缸 無桿氣缸利用活塞直接或間接方式 來實現(xiàn) 機構(gòu) 的往復(fù)運動 ，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) 擺動氣缸 擺動 氣缸是指在空間中一定范圍內(nèi)進行一定角度的運動，它的運動的幅度是有一定的局限性。 升降導(dǎo)向氣缸 在機械手中往往不只有水平氣缸，在本設(shè)計中也用到了升降導(dǎo)向氣缸，通常為了完成抓取并將工件放置到目標工作臺上，這時必須設(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，在活塞桿帶動外連接板運動時，兩根導(dǎo)桿便隨連接板一起運動，同時兩導(dǎo)桿又限制了活塞桿的轉(zhuǎn)動，使得活塞桿以及外連接板只能沿著導(dǎo)桿的方向進行運動，從而起到導(dǎo)向的作用。氣爪抓取工件時要迅速、靈活、準確 ,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、尺寸來計算。同時還需要配備多種抓取機構(gòu)，以必要時可以安裝旋轉(zhuǎn)氣爪。 其中按氣爪運動的方式可分為平移、平動、回轉(zhuǎn)這三種 。 手爪由驅(qū)動元件、手爪零部件、傳動機構(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，同時也可用于內(nèi)外抓取工件進行 移動。 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 名稱 數(shù)量 型號 備注 1 水平氣缸 1 MY1B63G200 2 垂直氣缸 1 MY1B50G200 3 擺動氣缸 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 氣動系統(tǒng)圖設(shè)計 氣動系統(tǒng)圖主要是實現(xiàn)對機械手運動控制，可以使機械手平移、旋轉(zhuǎn)、上下、抓緊等動作在本次設(shè)計中均采用 單向節(jié)