【正文】 ........ 39 第六章 總結(jié)與展望 ............................................................................................................ 41 總結(jié) ......................................................................................................................... 41 展望 ......................................................................................................................... 41 致謝 ................................................................................................................................... 42 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................ 43 附錄 ................................................................................................................................... 44 1 第一章緒論 工業(yè)機(jī)械手 (以下簡稱機(jī)械手 )是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù) ,已經(jīng)成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。其二 ,它能按照生產(chǎn)工藝的要求 ,遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和卸載 。 因此 ,它能大大地改善工人的勞動(dòng)條件 ,顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率 ,加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展 ,機(jī)械手在世界范圍內(nèi)得以廣泛應(yīng)用。針對(duì)這些問題如果采用性能價(jià)格比高的可編程序控制器 PLC (基于 PLC 的優(yōu)點(diǎn)在下一節(jié)有闡述 )設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng) ,可使該系統(tǒng)的運(yùn) 行可靠性高、故障率低、維修方便 ,取得良好的工作效果 ⑴ 。但近年來 ,PLC 米用微處理器作為中央處理單元 ,不僅有邏輯控制功能 ,還有算術(shù)運(yùn)算、模擬量處理甚至通信聯(lián)網(wǎng)功能 ,正確應(yīng)稱為 PC,但為了與個(gè)人計(jì)算機(jī)有所區(qū)別 ,仍稱其為 PLC[2]。 2 圖 11PLC 控制系統(tǒng)示意圖 PLC 有以下幾大優(yōu)點(diǎn) : (一 )靈活、通用 控制功能改變 ,只要改變軟件及少量的線路即可實(shí)現(xiàn)。 軟件方面 :有自身的監(jiān)控程序 ,對(duì)強(qiáng)干擾信號(hào)、欠電壓等外界環(huán)境定期檢查 ,有故障時(shí) ,存現(xiàn)狀態(tài)到存儲(chǔ)器 ,并對(duì)其封閉以保護(hù)信息 。對(duì)程序進(jìn)行校驗(yàn) ,程序有錯(cuò)誤時(shí)輸出報(bào)警信息并停止執(zhí)行。輸入輸出接口可以與各種開關(guān)、傳感器、繼電器、接觸器、電磁閥連接 ,接線簡單。橫向 —— 可以控制一臺(tái)至幾臺(tái)設(shè)備 ,還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制 。 本課題采用可編程控制器 PLC 和觸摸屏實(shí)現(xiàn)機(jī)械手液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程的手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)控制 ,可使控制過程精確可靠 ,減少了手動(dòng)工作量 ,操作過程更加清晰明確 ,具有重要意義。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手 腕、手臂和立柱等部件 ,有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。由于與物件接觸的形式不同 ,可分為夾持式和吸附式手部。 (3)手臂支承手腕和手部的部件 ,用以改變工件的空間位置。 (5)行走機(jī)構(gòu)機(jī)械手為了完成遠(yuǎn)距離的操作和擴(kuò)大使用范圍 ,可以增設(shè)滾 輪行走機(jī)構(gòu)。 (6)機(jī)座它是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分 ,機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于基座上 ,故起支承和聯(lián)接的作用。常用的有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式。其主要特點(diǎn)是 :抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。 (2)氣壓傳動(dòng)是以壓縮空 氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。但是 ,由于空氣具有可壓縮的特性 ,工作速度的穩(wěn)定性差 ,而且氣源壓力較低 ,適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它常被用于為工作主機(jī)的上、下料。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長 ,維護(hù)和使用方便。 4 控制系統(tǒng) 有電氣控制和射流控制兩種 ,一般常見的為電氣控制。 位置檢測(cè)裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置 ,并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制 系統(tǒng) ,并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較 ,然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整 ,從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的進(jìn)度達(dá)到設(shè)定位置。如發(fā)生某些偏離時(shí) ,將引起零件甚至機(jī)械手本身的損壞。由于發(fā)展時(shí)間較短 ,人們對(duì)它有一個(gè)逐步認(rèn)識(shí)的過程 ,機(jī)械手在技術(shù)上還有一個(gè)逐步完善的過程 : (1)擴(kuò)大機(jī)械手在熱加工行業(yè)上的應(yīng)用目前國內(nèi)機(jī)械手應(yīng)用在機(jī) 械工業(yè)冷加工作業(yè)中的較多 ,而在鑄、鍛、燥、熱處理等熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應(yīng)用較少。同時(shí) ,在其它行業(yè)和工業(yè)部門 ,也將隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高 ,而逐步擴(kuò)大機(jī)械手的使用。機(jī)械手工作性能中的重復(fù)定位精度和工作速度兩個(gè)指標(biāo) ,是決定機(jī)械手能否保質(zhì)保量地完成操作任務(wù)的關(guān)鍵因素。 (3)發(fā)展組合式機(jī)械手 從機(jī)械手本身的特點(diǎn)來說 ,可變程序的機(jī)械手更適應(yīng)產(chǎn)品改型、設(shè)備更新 ,多品種小批量的要求 ,但是它的成本高 ,專用機(jī)械手價(jià)格低廉 ,但適用范圍又受到限制。為了適應(yīng)應(yīng)用 5 領(lǐng)域分門別類的要求 ,可將機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可以組合的型式。它可以簡化結(jié)構(gòu) ,兼顧了使用上的專用性和設(shè)計(jì)上的通用性 ,便于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)和組織專業(yè)化生產(chǎn) ,有利于提高機(jī)械手的質(zhì)量和降低造價(jià) ,是一種有發(fā)展前途的機(jī)械手。如在工作過程中出現(xiàn)事故、障礙和情況變化等 ,機(jī)械手不能自動(dòng)分辨糾正 ,而只能停機(jī) ,待人們排除意外事故后才能繼續(xù)工作。這就需要一個(gè)能處理大量信息的計(jì)算機(jī) ,要求人與機(jī)器“對(duì)話”進(jìn)行信息交流。所謂“智能”是包括識(shí)別、學(xué)習(xí)、記憶、分析判斷的功能。 具有感覺功能的機(jī)器 人 ,其工作性能是比較完善的 ,能夠準(zhǔn)確地夾持任意方位的物件 ,判斷物件重量 ,越過障礙物進(jìn)行工作 ,自動(dòng)測(cè)出夾緊力大小 ,并能自動(dòng)調(diào)節(jié) ,適用于從事復(fù)雜、精密的操作 ,如裝配作業(yè)等 ,它有著一定的發(fā)展前途。它是當(dāng)代自動(dòng)控制技術(shù)的一個(gè)新興的領(lǐng)域。 為此 ,機(jī)械手發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手 ,設(shè)它擁有一定的傳感能力 ,能反饋外界條件的變化作相應(yīng)的變更 ,如位 置發(fā)生稍些偏差時(shí)即能更正 ,并自行檢測(cè)。 PLC 控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) PLC 的運(yùn)用現(xiàn)狀 (1)在制造工業(yè)和過程工業(yè)中 ,大量的開關(guān)量順序控制 ,它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作 , 6 并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制 ,及大量離散量的數(shù)據(jù)釆集。 1968 年美國 GM(通用汽車 )公司提出取代繼電氣控制裝置的要求 ,第二年 ,美國數(shù)字公司研制出了基于 集成電路和電子技術(shù)的控制裝置 ,使得電氣控制功能實(shí)現(xiàn)的程序化 ,這就是第一代可編程序控制器 ,英文名字叫Programmable Controller (PC)。 (3)上世紀(jì) 80 年代 ,個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來 ,也簡稱為 PC,為了方便 ,也為了反映或可編程控制器的功能特點(diǎn) ,美國 AB 公司將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器Programmable Logic Controller (PLC),并將“ PLC”作為其產(chǎn)品的注冊(cè)商標(biāo)。 (4)上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期 ,是 PLC 發(fā)展最快的時(shí)期 ,年增長率一直保持為 30～40%。 (5)目前我國 PLC生產(chǎn)廠約 30家 ,但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品 ,還有一部分是以仿制、來件組裝或“貼牌”方式生產(chǎn)。在我國應(yīng)用的 PLC 系統(tǒng)中 ,I/O 64 點(diǎn)以下 PLC 銷售額占整個(gè)PLC的 47%,64 點(diǎn) ~256 點(diǎn)的占 31%,合計(jì)占整個(gè) PLC 銷售額的 78%。大中型集控系統(tǒng)采用歐美 PLC 居多 ,小型控制系統(tǒng)、機(jī)床、設(shè)備單體自動(dòng)化及 OEM 產(chǎn)品采用 R 本的 PLC 居多。 (6)近年 ,工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù) (IPC)和現(xiàn)場(chǎng) 總線技術(shù) (FCS)發(fā)展迅速 ,擠占了一部分 PLC 市場(chǎng) ,PLC 增長速度出現(xiàn)漸緩的趨勢(shì) ,但其在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位 ,在可預(yù)見的將來 ,是無法取代的。企業(yè)投入大量的人力和財(cái)力建立起來的 PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)成型 ,如果要完全推翻再建立新的 DCS或 FCS控制系統(tǒng) ,需要更大的資金投入 ,將造成很大的浪費(fèi)。 (3) PLC 的功能增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ,I/O 模塊趨向分散化、智能化 ,編程工具和編程語言更具標(biāo)準(zhǔn)化和高級(jí)化。 (5)現(xiàn)在的 PLC 系統(tǒng)與 DCS 技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線 I/O 技術(shù)相結(jié)合 ,使其結(jié)構(gòu) 放、擴(kuò)展方便、技術(shù)先進(jìn)、價(jià)格低廉。 PLC 發(fā)展至今已有幾十年的歷史 ,隨著半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展 ,工業(yè)控制領(lǐng)域已有 翻天覆地的變化 ,PLC 亦在不斷的發(fā)展 ,正朝著新的技術(shù)發(fā)展。另一方面 ,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得到廣泛的釆用 ,PLC 與其他安裝在現(xiàn)場(chǎng)的智能化設(shè)備 ,比如智能儀表、傳感器、智能型電磁閥、智能型驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等 ,通過一根傳輸介質(zhì) (比如雙絞線、同軸電纜、光纜 )鏈 接起來 ,并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息 ,由此構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò) ,這種網(wǎng)絡(luò)與單純的 PLC遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相比 ,配置更靈活 ,擴(kuò)展更方便 ,造價(jià)更低 ,性能價(jià)格比更好 ,也更具 放意義。比如三菱的 FXIS系列 PLC,最小的機(jī)種 ,體積僅為 60x90x75mm,相當(dāng)于一個(gè)繼電器 ,但卻具有高速計(jì)數(shù)、斜坡、交替輸出及 16 位四則運(yùn)算等能力 ,還具有可調(diào)電位器時(shí)間設(shè)定功能。從這種意義上說 ,PLC 系統(tǒng)與DCS(集散控制系統(tǒng) )的差別越來越小了 ,用 PLC同樣可以構(gòu)成一個(gè)過程控制系統(tǒng)。目前 PLC 推廣的難度之一就是復(fù)雜的編程使得用戶望而卻步 ,而且不同廠商 PLC所有編程的語言也不盡相同 ,用戶往往需要掌握更多種編程語言 ,難度較大。這些程序往往還與中斷有關(guān) ,編程的過程既繁瑣又容易出錯(cuò) ,阻礙了 PLC 的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。 9 圖 12機(jī)械手控制系統(tǒng)框圖 PLC 的選擇 本次畢業(yè)設(shè)計(jì) 要研究內(nèi)容是針 對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中用到的工業(yè)機(jī)械手 ,其整體控制系統(tǒng)框圖如圖 12所示 ,使用可編程控制器 PLC 和觸摸屏進(jìn)行控制 ,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程的手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)控制。 PLC 控制系統(tǒng)各個(gè)模塊的選用和電路設(shè)計(jì)。 表 12 PLC 控制系統(tǒng) 各模塊 1 西門子 S7200PLC 4 觸摸屏 （ Smart 700 IE） 2 擴(kuò)展模塊（ EN231） 5 供電電路單元 3 壓力傳感器（ PT210B） 6 相關(guān)控制柜單元 與 開關(guān) 繪制 PLC 控制系統(tǒng)整體電路圖。 10 第二章機(jī)械手機(jī)構(gòu)與液壓系統(tǒng)分析 機(jī)械手工作環(huán)境分析 本機(jī)械手運(yùn)用于鍛造車間流水作業(yè)生產(chǎn)線上如圖 ,處于高溫、危險(xiǎn)的環(huán)境當(dāng)中。 基于上述分析 ,機(jī)械手要求在高溫、承受重載荷的條件下 ,能實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料的快速 ,準(zhǔn)確地搬運(yùn)。 圖 21 機(jī)械手樣機(jī)圖 機(jī)械手機(jī)構(gòu)分析 工作環(huán)境也自然影響到一臺(tái)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)。 11 圖 22 機(jī)械手示意圖 課題以四自由度液壓機(jī)械手為對(duì)象 ,采用可編程控制器 (PLC)和觸摸屏進(jìn)行控制 ,實(shí)現(xiàn)機(jī)身升降、機(jī)身旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手腕旋轉(zhuǎn)、和手指夾取 ,如圖所示 ,其中 1為沿立柱作上下移動(dòng) 。3為沿水平方向作伸縮運(yùn)動(dòng)柱 。 機(jī)械手液壓系統(tǒng)分析 本臺(tái)機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng) ,機(jī)械手臂升降、收縮和手指夾緊執(zhí)行元件采用液壓缸 ,手臂旋轉(zhuǎn)采用液壓馬達(dá) [6]。手臂伸縮設(shè)置有緩沖功能 ,用兩位兩通閥進(jìn)行控制 。液壓系統(tǒng)的卸荷用兩位兩通閥進(jìn)行控制。 手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的 閉角。若夾持不同直徑的工件 ,應(yīng)按最大直 徑的工件考慮。 應(yīng)保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置 ,必須根據(jù)被抓取工件的形狀 ,選擇相應(yīng)形狀的手指。 應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度 手指除受到被夾持工件的反作用力外 ,還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響 ,要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形 ,但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊 ,自重輕 ,并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上 ,使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。如工件為圓柱形 ,則采用 V 形手指 ,圓球狀工件用圓弧形三指手指 ,方料用平面形手指 ,細(xì)絲工件用尖指勾形或細(xì)齒鉗爪手指。 (2)抓取部位的尺寸盡可能是不變的 ,若加工后尺寸有變化 ,手指應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求 ,否則不允許定為抓取部位。 (3)抓取數(shù)量若用一對(duì)手指抓取多個(gè)工件 ,為了不發(fā)生個(gè)別工件的松動(dòng)或脫 落現(xiàn)象 ,在手指上可增加彈性襯墊， 如橡皮 、泡沫塑料等 ,對(duì)于較