【正文】 取了合適的PLC型號，根據(jù)機械手的工作流 程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。機器人技術是綜合 了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高 新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人 的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判 斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說 它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先 ，按給定程序、 軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以 減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)。 因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交 ，專用性較強， 僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷 變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖21所示。手部即與物件接觸的部件。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成?；剞D(zhuǎn)型手指結構簡 單，制造容易，故應用較廣泛。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的 重量及尺寸。指數(shù)有 雙指式、多指式和雙手雙指式等。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒 條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。手臂的作用是帶動手指去抓取物件， (如油 缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電 機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱 為可移式立柱。滾輪式布為有軌的 和無軌的兩種。機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上， 故起支撐和連接的作用。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。(二)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和 射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息 (如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制， 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)， 一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類 型。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。若機械手采用電液伺服驅(qū)動 系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高， 油液過濾要求嚴格，成本高。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。機械傳動機械手 即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅(qū)動的機械手。它的主要特點是運動 準確可靠，用于工作主機的上、下料。電力傳動機械手 即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構，故機械結構簡單。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。 國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系 統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外， 裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、 力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制。(5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機 器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種 系統(tǒng)成功應用的最著名實例。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已 成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺， 約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。 因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通 用化、模塊化設計，“863” 計劃的支持下，也取得了不少成果。但是在多傳感器信息融合控制 技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā) 應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重 點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立 于世界先進行列之中。現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點: (1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平 穩(wěn)性及正確性。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動，氣動技術有以下優(yōu)點: (1)介質(zhì)提取和處理方便。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成 壓力明顯降低和嚴重污染。 氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工 藝流程不致突然中斷。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓 傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要 求，制造容易，成本較低。此外氣源工作壓 力較低，抓舉力較小。 本課題將要完成的主要任務如下:(1)機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面相對較廣. (2)選取機械手的座標型式和自由度(3)設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。(4)氣壓傳動系統(tǒng)的設計本課題將設計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設計，并 繪出氣動原理圖。(6)機械手的控制系統(tǒng)的設計 本機械手擬采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號，根 據(jù)機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合 理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件。盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性， ，是一種適合于 成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動強度大和操作單調(diào)頻 繁的生產(chǎn)場合。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此， 采用圓柱座標型式。當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結構，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構為回轉(zhuǎn)氣缸。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。 機械手的驅(qū)動方案設計由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機 械手采用氣壓傳動方式。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計 速度過低限制了它的使用范圍。 / s 。平均移動 速度為 / s 。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作 的空間。在這種情況 下宜采用自動傳送裝置為好。手臂升降行程定為120mm 。 該機械手的定位精度為 177。 機械手的技術參數(shù)列表 一、用途: 用于自動輸送線的上下料。1mm1驅(qū)動方式 氣壓傳動1控制方式 點位程序控制(采用PLC)圖26 ‘機械手的工作范圍 Work Range of Manipulator第三章 手部結構設計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料 時，使用夾持式手部:如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結構，夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為 一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。 同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動 型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。(二)手指間應具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。對于移動型手 指只有開閉幅度的要求。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 (五)考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型， 由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如附圖所示。 5 180。 )= 25(N )所以p = 2b NR= 245(N )(3)實際驅(qū)動力:p 179。若被抓取工件的最大加a速度取 a = 3g 時，則: K 2 = 1 + = 4g所以 p實際= 245 180。 4 = 1563( N )所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1563N 。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為:pD 2 PF1 = Ft Fz4式中:F1 活塞桿上的推力，NFt 彈簧反作用力，NFz 氣缸工作時的總阻力，NP 氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算:Ft = G f