【正文】 ......................................... 34 位置檢測(cè)裝置 ............................................................................ 34 滑覺(jué)傳感器 ................................................................................ 34 控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理 ...................................................... 35 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 ............................................... 35 PLC 種類及型號(hào)選擇 .............................................................. 39 I/O 點(diǎn)數(shù)分配 ............................................................................ 39 PLC 外部接線圖 ...................................................................... 41 機(jī)械手控制原理 ...................................................................... 42 PLC 程序設(shè)計(jì) .................................................................................... 43 總體程序框圖 .......................................................................... 43 初始化及報(bào)警程序 .................................................................. 45 手動(dòng)控制程序 .......................................................................... 47 自動(dòng)控制程序 .......................................................................... 48 總 結(jié) .................................................................................................................. 51 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................. 52 致 謝 .................................................................................................................. 53 附錄：英文及翻譯 .......................................................... 。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動(dòng)。 隨著工業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備更新時(shí)的需要，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。 可編程控制器 (PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開(kāi)發(fā) PLC 對(duì)玻璃搬運(yùn)機(jī)械手的控制，并借助必要的精密傳感器，使其能夠按預(yù)定的程序進(jìn)行搬運(yùn)，動(dòng)作靈活多樣，適用于中 小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線。本設(shè)計(jì)主要完成機(jī)械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計(jì)。 機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、 噴漆、上下料和搬運(yùn)。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。日系中 主要有安川、oTC、松下、 FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。 我國(guó)機(jī)械手起步于 20 世紀(jì) 70 年代初期，經(jīng)過(guò) 30 多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了 3 個(gè)階段： 70 年代萌芽期， 80 年代的開(kāi)發(fā)期和 90 年代的應(yīng)用化期。在國(guó)際強(qiáng)手面前，國(guó)內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。 隨著機(jī)械手發(fā)展的深度和廣度以及機(jī)器人智能水平的提高，機(jī)械手已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)器人等。在未來(lái)幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會(huì)使機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。 主要研究的內(nèi)容 隨著機(jī)械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強(qiáng)、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。主要包括機(jī)身、手臂、末端執(zhí)行器 3 部分組成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。 玻璃搬運(yùn)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動(dòng)力的裝置。內(nèi)容包括氣動(dòng)元件的選擇及其工作原理、氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)和氣動(dòng)原理圖的繪制。本機(jī)械手采用可編程控制器（ PLC）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，主要包括對(duì) PLC 的型號(hào)選擇、傳感器類型進(jìn)行選擇、 I/O 口的選擇、對(duì)控 制系統(tǒng)原理圖、自動(dòng)程序梯形圖的繪制等內(nèi)容。 執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)精度的問(wèn)題。 元件的匹配規(guī)則和知識(shí)的獲取及其表達(dá)形式。 第 2 章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 機(jī)械手的基本型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四 種基本型式：直角 坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機(jī)械部分組成： 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(jī)構(gòu)所構(gòu)成?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易， 故應(yīng)用較廣泛。手指結(jié)構(gòu)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。 傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)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 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、 液壓缸、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、液壓或電機(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 3 式立柱。 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)、 液壓傳動(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。 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 。設(shè)計(jì)液壓機(jī)械手的原則是 :充 分分析作業(yè)對(duì)象 (工件 )的作業(yè)技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性 轉(zhuǎn)換和編程控制 .本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用液壓上下料機(jī)械手，是一種適合于 成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻 繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo) 式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增 加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度。當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 由于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本 機(jī)械 手采用液壓傳動(dòng)方式。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變 PLC 程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。 基本 運(yùn)動(dòng) 參數(shù) 運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參 數(shù)。 而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。 最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 90 / s 。平均回轉(zhuǎn)速度為 60 / s 。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮 行程和工作半徑。過(guò)大 的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為 600mm,最大工作半徑約為 1400mm 。定位精度也是基本參數(shù)之一。 1mm。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同 ，手部機(jī)構(gòu)也是多種多樣。它主要由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。 夾持式手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： （ 1）手指應(yīng)有一定的開(kāi)閉范圍。 （ 3）要保證工件在手指內(nèi)的定位精度。 （ 5）通用性和可換性。它由吸盤(pán)、吸盤(pán)架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點(diǎn)；但要求工件上與吸盤(pán)接觸的部位光滑平整、清潔、被吸 附工件材質(zhì)致密，沒(méi)有透氣空隙。 氣吸式又可分為： 負(fù)壓吸盤(pán)：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤(pán)。 真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真 空，故稱真空式。在排氣管路中因界面逐漸增大，氣流膨脹減壓而使密度大大下降，致使氣流速度繼續(xù)增高，在吸氣口處形成負(fù)壓。自擠式空氣吸盤(pán)的工作原理是將軟質(zhì)吸盤(pán)按壓在工件的表面，擠出吸盤(pán)內(nèi)的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁 吸式手部不會(huì)破壞被吸附表面質(zhì)量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影響正常工作。而且滿足所設(shè)計(jì)機(jī)械手的要求，所以選用真空式吸盤(pán)。手臂一般有三個(gè)運(yùn)動(dòng) — 伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。 手臂的組成： (1)動(dòng)作元件，如油缸、液壓缸 等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。 (3)手臂，起著連接和承受外力的作用。 (2)手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小。 (4)位置精度要高。 手臂的結(jié)構(gòu) 手臂的伸縮和升降運(yùn)動(dòng)一般采用直線油（氣）缸驅(qū)動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。 雙作用單活塞桿油缸 :液壓機(jī)械手中實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)運(yùn)動(dòng)用得最多的是雙作 用單活塞桿油缸。機(jī)構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞桿運(yùn)動(dòng)；也可以是活塞桿固定，而缸體運(yùn)動(dòng)。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程要求，油缸的體積又小。 絲桿螺母機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的特點(diǎn)是易于自鎖，但傳動(dòng)效率低。 本機(jī)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單 性和設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動(dòng)的單作用單活塞桿油 缸。一般來(lái)說(shuō)，吸力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。 K2 = 1 + ga = 1 + a 為機(jī)器人搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度或減速度的絕對(duì) 值（ m/s）； K3 — 方位系數(shù)，根據(jù)吸盤(pán)與工件形狀以及吸盤(pán)與工件位置不同進(jìn)行選定， 吸盤(pán)與工件位置：吸盤(pán)垂直放置 工件垂直放置； 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) K3=4 G— 被抓取工件的重量為 50KG 求得吸力 FN： FN =K1K2K3mg= 4 5 0 =2946N ， 取整為 2950N。 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 （ 1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 ： 腕部處于手臂的最前端，它連同 手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 （ 3）必須考慮工作條件 ： 對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影 響，沒(méi)有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒(méi)有太多不利因素。其功能是利用自身的活動(dòng)度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說(shuō)是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。 典型的腕部結(jié)構(gòu) 有： (1) 具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定（一般小于 270 ） 。在要求回轉(zhuǎn)角大于 270 的情況下，可采用 齒條活塞驅(qū)動(dòng)的 腕部結(jié)構(gòu)。 (3) 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。 (4) 機(jī) 液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) ： 夾取工件重量 60Kg ，回轉(zhuǎn) 90 度 。 （ 2）腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩 M 摩 。