【正文】 .............. 30 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 30 控制手臂上下移動(dòng)的腰部氣缸的設(shè)計(jì) ........................................................... 30 導(dǎo)向裝置 ........................................................................................................... 33 平衡裝置 ........................................................................................................... 33 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計(jì)算 ....................................................................................... 33 本章小結(jié) ........................................................................................................... 34 7 機(jī)械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................. 35 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖 ............................................................................... 35 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程 ............................................................... 36 可編程序控制器的使用步驟 ........................................................................... 36 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 ................................................................... 37 本章小結(jié) ........................................................................................................... 47 8 結(jié)論 ..................................................................................................... 48 參考文獻(xiàn) .................................................................................................. 49 致謝 ......................................................................................................... 50 基于 PLC控制四自由度氣動(dòng)式機(jī)械手 1 1 緒論 計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展使機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展一次次達(dá)到一個(gè)新水平。人類文明的發(fā)展，科技的進(jìn)步已和機(jī)器人的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了密不可分的關(guān)系。 機(jī)械手的概述 機(jī)械手也被稱為自動(dòng)手，能模仿人手和臂 部 的某些動(dòng)作功能， 可 以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn) 動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個(gè)自由度。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。 機(jī)械手的發(fā)展史 機(jī)械手 首先是從美國(guó)開始研制的。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。商名為 Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 1962 年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫 Vewrsatran 機(jī)械手。雖然這兩種 機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1 毫米。 聯(lián)邦德國(guó) KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。自 1969 年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。 目前，工業(yè) 機(jī)械手 大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的 方向主要是降低成本和提高精度。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。 氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展過(guò)程 氣動(dòng)技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞或信號(hào)傳遞的工程技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一。 1880 年，人們第一次利用氣缸做成氣動(dòng)剎車裝置，將它成功地用到火車的制動(dòng)上。至 50 年代初，大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過(guò)來(lái)，體積很大。在 70 年代，由于氣動(dòng)技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛的推廣。 90 年代至今，氣動(dòng)技術(shù)突破了傳統(tǒng) 的死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展，人們克服了閥的物理尺寸局限，真空技術(shù)日趨完美，高精度模塊化氣動(dòng)機(jī)械手問(wèn)世，智能氣動(dòng)這一概念產(chǎn)生，氣動(dòng)伺服定位技術(shù)使氣缸高速下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)自動(dòng)定位，智能閥島十分理想地解決了整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的分散與集中控制問(wèn)題。氣動(dòng)機(jī)械手強(qiáng)調(diào)模塊化的形式，現(xiàn)代傳輸技術(shù)的氣動(dòng)機(jī)械手在控制方面采用了先進(jìn)的閥島技術(shù)（可重復(fù)編程等），氣動(dòng)伺服系統(tǒng)（可實(shí)現(xiàn)任意位置上的精確定位），在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上全部采用模塊 化的拼裝結(jié)構(gòu)。 Bando 教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電子氣動(dòng)機(jī)器人 —— “阿基里斯”六腳勘探員，是氣動(dòng)技術(shù)、 PLC 控制技術(shù)和傳感技術(shù)完美結(jié)合產(chǎn)生的“六足動(dòng)物”。 基于 PLC控制四自由度氣動(dòng)式機(jī)械手 4 由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的氣動(dòng)攀墻機(jī)器人，它集遙感技術(shù)和真空技術(shù)于一體，成功地解決了垂直攀緣等視為危險(xiǎn)工作的操作問(wèn)題。在幕后操縱人員的操作下（或通過(guò)自身的編程控制）能與人進(jìn)行對(duì)話，或作自我介紹等。 機(jī)械手未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) （ 1） 重復(fù)高精度 精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確，通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤差是可以預(yù)測(cè)的，因此可以通過(guò)編程予以校正。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以及氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室和氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的成套化。 （ 2） 模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。 智能閥島的出現(xiàn)對(duì)提高模塊化氣動(dòng)機(jī)械手和氣動(dòng)機(jī)器人的性能起到了十分重要的支持作用。 （ 3） 無(wú)給油化 為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無(wú)污染要求，不加潤(rùn)滑脂的不供油潤(rùn)滑元件已經(jīng)問(wèn)世。 （ 4） 機(jī)電氣一體化 由“可編程序控制器 傳感器 氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技基于 PLC控制四自由度氣動(dòng)式機(jī)械手 5 術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件 ，使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡(jiǎn)單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來(lái)越離不開 PLC，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使 PLC 在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域機(jī)械手的應(yīng)用也越來(lái)越多。據(jù)猜測(cè)，今后機(jī)器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機(jī)器維修、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用 [3]。并且畫 出機(jī)械手的總裝圖和各部件的零件圖。 機(jī)械手控制部分由 PLC 完成，通過(guò)設(shè)計(jì)要完成 PLC 的選型、 PLC 的外部接線圖以及根據(jù)機(jī)械手的流程圖編寫出 PLC 梯形圖。因此機(jī)械手就在這樣誕生了 ,機(jī)械手是機(jī)械手系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的 關(guān)鍵部件之一。 其中的工業(yè)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)，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：它能部分地代替人工操作；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(lái)完成工件的傳送和裝卸；廣泛的應(yīng)用機(jī)械手，可以逐步改善勞動(dòng)條件，更強(qiáng)與可控的生產(chǎn)能力，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，消除枯燥無(wú)味的工作，節(jié)約勞動(dòng)力，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)床，減少工藝過(guò)程中的工作量及基于 PLC控制四自由度氣動(dòng)式機(jī)械手 6 降低停產(chǎn)時(shí)間和 庫(kù)存，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐 [5]。 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手的工作原理及系統(tǒng)組成 機(jī)械手的工作原理：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。 （ 1）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在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。傳力機(jī)構(gòu)通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等 )與驅(qū)動(dòng)源 (如液壓、氣壓或電機(jī)等 )相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。 （ 2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位 )系統(tǒng)組成。 （ 4）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(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置 [8]。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，容易實(shí)現(xiàn) [7]。 圖 21 是機(jī)械手 外觀輪廓圖 。根據(jù)動(dòng)力源的 不同 , 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式共有三種方式：氣動(dòng)方式 ,液壓方式 ,電驅(qū)動(dòng)方式 [9]。但難以準(zhǔn)確控制位置和速度。 （ 2）液壓方式： 功率重量比大 ,低速平穩(wěn) ,需液壓動(dòng)力源 ,漏油和油性變化會(huì)影響系統(tǒng) ,各軸耦合較強(qiáng) ,成本較高。 （ 3）電驅(qū)動(dòng)方式： 基于 PLC控制四自由度氣動(dòng)式機(jī)械手 9 ： 功率小 ,開環(huán)控制 ,控制簡(jiǎn)單 ,可能失步。 ： 維護(hù)簡(jiǎn)單 ,使用環(huán)境不受限制 ,成本較低 ,調(diào)速性差。 機(jī)械手詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù) 機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示： ? 機(jī)械手（重復(fù)）定位精度：177。 本章小結(jié) 本章主要講述了機(jī)械手的工作原理和系統(tǒng)組成，并且簡(jiǎn)要介紹了執(zhí)行部分。 3 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 計(jì)算 手部結(jié)構(gòu) 四自由度氣動(dòng)機(jī)械手采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，由手爪和傳力機(jī)構(gòu)所組成。 端執(zhí)行器的要求 （ 1）不論是夾持或是吸附，末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)要求的足夠的夾持力和所基于 PLC控制四自由度氣