【正文】 設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手,既便于設(shè)計(jì)制造，又便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，同時(shí)也可提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用[3]。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作[4]。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，則能自行檢測(cè)并進(jìn)行改正。視覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)，工作過(guò)程是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作[5]。2）可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能實(shí)現(xiàn)的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。3）可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)，應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。a. 發(fā)展概況：專用機(jī)械手經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大[9] 。50～60年代制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。如尤尼曼特(Unimate)機(jī)械手即屬于這種類型。8090年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展[10]。：1）應(yīng)用廣泛性。2）結(jié)構(gòu)多樣性。在應(yīng)用的各領(lǐng)域、各工作層面中，機(jī)械手的形狀各異，不受到任何標(biāo)準(zhǔn)形狀的制約，為實(shí)用、抽象的結(jié)構(gòu)體，發(fā)揮著其獨(dú)有的高效作用[13]。借助傳感器反饋系統(tǒng)，將機(jī)械手工作時(shí)的動(dòng)態(tài)信息及時(shí)的反饋回中央處理單元，進(jìn)行動(dòng)作的實(shí)時(shí)控制。在生產(chǎn)車間中運(yùn)用該機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)，構(gòu)建無(wú)人車間[14]。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、強(qiáng)功能等方面有了質(zhì)的飛躍，使早期的PLC從最初的邏輯控制、順序控制，發(fā)展成為具有邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)、記憶和算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信及PID回路調(diào)節(jié)等功能的現(xiàn)代PLC。PLC之所以有生命力，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和市場(chǎng)的要求，具有高可靠性、強(qiáng)抗各種干擾的能力、編程安裝使用簡(jiǎn)便、低價(jià)格長(zhǎng)壽命。PLC的下端(輸入端)為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計(jì)算機(jī)。世界上PLC產(chǎn)品可按地域分成三大流派：一個(gè)流派是美國(guó)產(chǎn)品，一個(gè)流派是歐洲產(chǎn)品，一個(gè)流派是日本產(chǎn)品。而日本的PLC技術(shù)是由美國(guó)引進(jìn)的，對(duì)美國(guó)的PLC產(chǎn)品有一定的繼承性，但日本的主推產(chǎn)品定位在小型PLC上。PLC實(shí)質(zhì)上是一種專門用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，它的硬件結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)基本上是一樣的，其組成構(gòu)件有：①電源：PLC的電源為整個(gè)系統(tǒng)提供工作電源，保證PLC各模塊的集成電路能夠正常工作，它在整個(gè)系統(tǒng)中有著非常重要的作用[19]。③存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器可分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器，主要是用來(lái)存放系統(tǒng)的監(jiān)控程序、用戶程序、邏輯變量以及其他相關(guān)信息[21]。在工作時(shí)，可以按照I/O的點(diǎn)數(shù)來(lái)確定模塊的規(guī)格及數(shù)量，但其最大數(shù)仍受限于PLC系統(tǒng)底板或機(jī)架的槽數(shù)[22]。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不足為怪了[24]。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC（Computer number control）等各種工業(yè)控制中，加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易[25]。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受，梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能，為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門[26]。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能，這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合[27]。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備[28]。1)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量，為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。3)運(yùn)動(dòng)控制PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合[32]。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。（論文）內(nèi)容本設(shè)計(jì)是基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)主要用PLC實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)和手動(dòng)搬運(yùn)工件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)上述介紹，其章節(jié)內(nèi)容安排為：第一章緒論介紹機(jī)械手的含義、意義、發(fā)展過(guò)程及研究現(xiàn)狀，接著介紹PLC的概念、優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域；第二章機(jī)械手的系統(tǒng)組成，首先是機(jī)械手的工藝過(guò)程、控制要求，然后介紹機(jī)械手的組成系統(tǒng)；第三章方案論證和選擇，首先介紹一下機(jī)械手的控制方法，通過(guò)對(duì)比得出PLC控制較優(yōu)，緊接著介紹PLC的特點(diǎn)；最后介紹驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案，通過(guò)對(duì)比選擇液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；第四章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，首先對(duì)限位開(kāi)關(guān)、電磁閥、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、CPU等進(jìn)行介紹，然后進(jìn)行選擇，接著畫出系統(tǒng)輸入輸出I/O分配表及電氣接線圖；第五章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)系統(tǒng)的工作過(guò)程畫出系統(tǒng)的工作過(guò)程流程圖，然后編寫主程序與子程序，最后對(duì)程序進(jìn)行模擬調(diào)試；第六章對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)。該機(jī)械手是一個(gè)水平/垂直位移的機(jī)械設(shè)備，其操作是將工件從左工作臺(tái)搬運(yùn)到右工作臺(tái)，當(dāng)傳送帶把工件傳送過(guò)來(lái)時(shí)，由工作臺(tái)上檢測(cè)限位開(kāi)關(guān)是否閉合來(lái)說(shuō)明工作臺(tái)上的工件是否到位。其中，上升/下降和左移/右移分別有兩位四通電磁閥控制，放松/夾緊由一個(gè)兩位兩通電磁閥（稱為夾緊電磁閥）控制。為保證工件可靠夾緊，在該位置等待5s。至此，機(jī)械手搬運(yùn)一個(gè)工件的全過(guò)程結(jié)束。機(jī)械手整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程要求都能自動(dòng)控制。下圖22是機(jī)械手控制系統(tǒng)的邏輯流程圖。系統(tǒng)啟動(dòng)之前，機(jī)械手處于原始位置，條件是機(jī)械手在高位、左位。(2)夾緊工件: 機(jī)械手在最低位開(kāi)始夾緊工件，延時(shí)5s抓住，抓緊。(4)機(jī)械手右移：機(jī)械手右移到位時(shí)，碰到右限位開(kāi)關(guān)，停止右移。(6)放開(kāi)工件：機(jī)械手在最低位開(kāi)始放松工件，延時(shí)5s放松，松開(kāi)。(8)機(jī)械手左移：機(jī)械手在高位開(kāi)始左移，碰到左限位開(kāi)關(guān)，停止左移。夾緊上升低位高位右移延時(shí)到位下降工件啟動(dòng)左位停止高位上升左移延時(shí)放松下降低位圖22機(jī)械手控制系統(tǒng)邏輯流程圖 由工藝過(guò)程和控制要求可知，機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成，各系統(tǒng)相互之間關(guān)系如下方框圖23所示：執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手動(dòng)作位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)圖23機(jī)械手的組成方框圖其中控制系統(tǒng)一般由電氣控制，本設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)采用PLC編程控制，它是機(jī)械手的重要組成部分，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)行，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電磁閥，即由PLC編程控制的部分，從而控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作的傳動(dòng)裝置，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，本設(shè)計(jì)中采用液壓傳動(dòng)；位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)控制PLC程序的觸點(diǎn)閉合，進(jìn)而控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將機(jī)械手動(dòng)作的實(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，然后控制系統(tǒng)的運(yùn)行，從而使機(jī)械手以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置，本設(shè)計(jì)用限位開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)與閉合來(lái)控制機(jī)械手的動(dòng)作。3方案論證和選擇單片機(jī)是計(jì)算機(jī)的一種，只不過(guò)單片機(jī)把CPU、RAM、ROM、I/O接口等部分集成在了一片獨(dú)立的IC芯片當(dāng)中。單片機(jī)與PLC相比具有價(jià)格低廉、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，但如果普通的用戶想使用單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，首先要掌握這種單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和這種單片機(jī)的指令系統(tǒng)，除此以外還要掌握與計(jì)算機(jī)接口相關(guān)的專業(yè)知識(shí)?？傊?，由單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)雖然在智能控制方面有較強(qiáng)的功能，但都有一個(gè)共性就是抗干擾性差,系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)，因?yàn)闄C(jī)械手一般都用在干擾源比較多、情況比較復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),所以由單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)很難保證長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。在20世紀(jì)之前，工業(yè)控制設(shè)備的主流產(chǎn)品是以繼電器、接觸器為主體的控制裝置。復(fù)雜的系統(tǒng)使用了成千上萬(wàn)個(gè)各式各樣的繼電器，成千上萬(wàn)根導(dǎo)線連接，只要其中的一個(gè)繼電器失效或一根導(dǎo)線連接故障，系統(tǒng)就不能正常的工作，大大的降低控制系統(tǒng)的可靠性；其次是系統(tǒng)的維護(hù)和改造十分困難。復(fù)雜繼電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)大多采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)中要盡量減少中間繼電器的數(shù)目來(lái)減少系統(tǒng)的成本和功耗，系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)以后要制作模型進(jìn)行控制系統(tǒng)的調(diào)試，經(jīng)多次調(diào)試通過(guò)以后才能交付用戶使用，并且在繼電器控制系統(tǒng)中的準(zhǔn)確定時(shí)、高速計(jì)數(shù)和模擬信號(hào)采集等問(wèn)題都不易解決。此控制系統(tǒng)可利用四個(gè)傳統(tǒng)繼電器作為限位開(kāi)關(guān)，并加上輔助電路以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的功能。所以這種控制方式已經(jīng)逐漸被淘汰，顯然此控制系統(tǒng)不能選用此方案。首先要考慮該控制系統(tǒng)的可靠性要求，可靠性要求嚴(yán)格的控制系統(tǒng)必須采用PLC設(shè)計(jì)。其次從系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)象來(lái)看，控制系統(tǒng)價(jià)格較高的系統(tǒng)，我們可以優(yōu)先考慮采用PLC控制系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床刀庫(kù)控制系統(tǒng)。最后從研發(fā)周期來(lái)看，采用PLC設(shè)計(jì)系統(tǒng)相當(dāng)于單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)省去了單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路板的設(shè)計(jì)，縮短了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間。綜上所述，我們可以看到PLC控制系統(tǒng)同其他控制系統(tǒng)相比，簡(jiǎn)單易學(xué)，可靠性高，靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)周期短，易于維護(hù)。（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。（5）對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU