數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手

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1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 正 文 第27頁(yè) 摘 要 本文是設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手，通過(guò)查閱相關(guān)資料以及對(duì)本專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，對(duì)工業(yè)機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，設(shè)計(jì)了一種數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手。針對(duì)機(jī)械手的腰座、手臂、手爪等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。具體進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)，機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。基于PLC對(duì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的

2、 關(guān)鍵詞:機(jī)械手； PLC；液壓伺服定位；電液系統(tǒng) 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制 目 錄 緒 論 1 一、機(jī)械手的發(fā)展概況 2 （一）工業(yè)機(jī)械手的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 2 （二）PLC控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況 3 （三）課題的提出及主要任務(wù) 5 （四）機(jī)械手在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用 6 二、機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 7 （一）上下料機(jī)械手的工作原理 7 （二）機(jī)械手的組成 7 三、機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11 （一）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)概述 11 （二）執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要部分的設(shè)計(jì) 11 （三）手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12 （四）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作流程 13 四

3、、機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 （一）機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì) 15 （二）氣動(dòng)元件選取及工作原理 16 五、機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 （一）控制系統(tǒng)的性能要求 18 （二）控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理設(shè)計(jì) 18 （三）PLC 程序設(shè)計(jì) 23 結(jié) 論 27 參考文獻(xiàn) 28 致 謝 29 緒 論 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、課重復(fù)編程/能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞

4、動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率；可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、抵壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛地引用 一、機(jī)械手的發(fā)展概況 （一）工業(yè)機(jī)械手的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 機(jī)械手最早應(yīng)用在汽

5、車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可以代替人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。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)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。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。 目前，國(guó)際上的機(jī)械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、OTC、松下、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國(guó)的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB及奧地利的工GM公司。 我國(guó)機(jī)械

6、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。在我國(guó)，機(jī)械手市場(chǎng)份額大部分被國(guó)外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。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。如今我國(guó)正從一個(gè)“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn)，對(duì)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的提高迫在眉睫，政府無(wú)比會(huì)加大對(duì)機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會(huì)給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)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。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系

7、統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)器人等。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。 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)是機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。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(kāi)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。 目前，我國(guó)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手，計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，

8、選用不同的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(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。 （二）PLC控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況 自二十世界六十年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器PLC取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來(lái)，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開(kāi)關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。 目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交

9、通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)、 同時(shí)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是采用集中監(jiān)測(cè)、集中控制、集中顯示、集中管理、集中保存的系統(tǒng)， 融合了較先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，廣泛地應(yīng)用在化工、供暖、機(jī)械、供水、水處理等多個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來(lái)越顯著的作用。 可編程控制器的發(fā)展也電視更加適用于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型集合超小型機(jī)；從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程

10、控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、腰肢和生產(chǎn)時(shí)伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器?？梢灶A(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化的深入，PLC在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地 近10年來(lái)，隨著PLC價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的中小設(shè)備開(kāi)始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國(guó)的應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的告訴發(fā)展和基礎(chǔ)自動(dòng)化水平的不斷提高，今后一段時(shí)期內(nèi)PLC在我國(guó)仍將保持高速增長(zhǎng)勢(shì)頭。特別在那

11、些對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，對(duì)成本努不發(fā)表，對(duì)尺寸敏感的場(chǎng)合，嵌入式PLC大有可為。PLC控制在國(guó)內(nèi)將會(huì)有一個(gè)廣闊的發(fā)展前景、 隨著PLC技術(shù)的推廣和應(yīng)用，PLC將向兩個(gè)方面發(fā)展：一方面向著大型化的方向發(fā)展，另一方面則向著小型化的方向發(fā)展。 PLC向大型化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在大中型PLC向多功能、大容量、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，使之能與計(jì)算機(jī)組成集成按制系統(tǒng)，對(duì)大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合的自動(dòng)控制。 PLC向小型化方向發(fā)展，主要變現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：為了減小體積、降低成本，向高性能的整體型發(fā)展；在提高系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)；應(yīng)用的專業(yè)性，使得控制質(zhì)量大大提高。 另外，PKC

12、在軟件方面也將有較大的發(fā)展。系統(tǒng)的開(kāi)放使第三方的軟件能方便的在符合開(kāi)放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的PLC上得到移植。除了采用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件外，采用標(biāo)準(zhǔn)化的軟件也能大大縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期；同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的軟件由于經(jīng)受了實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，它的可靠性也明顯提高。 總之，PLC的發(fā)展趨勢(shì)是：高功能、高速度、高集成度、容量大、體積小、成本低、通信聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)。 （三）課題的提出及主要任務(wù) 1.課題的提出 隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動(dòng)場(chǎng)合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。例如，注塑及其的生產(chǎn)過(guò)程中，往往工件、材料的上下要人工完成，既費(fèi)時(shí)

13、又費(fèi)力，又影響效率。為此，我們把上下料機(jī)械手作為我們研究的課題。 2.課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下：機(jī)械手為上下料機(jī)械手 設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括：手部、手臂等部件的設(shè)計(jì)。手部設(shè)計(jì)成夾持式手指來(lái)抓取工件，為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來(lái)抓取棒料工件。 （1）氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，包括氣動(dòng)元器件的選取，氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)，并繪出氣動(dòng)原理圖。 （2）人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì) （3）機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本機(jī)械手?jǐn)M采用PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編織出PLC程序

14、。 （四）機(jī)械手在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用 因現(xiàn)在科技的發(fā)展和進(jìn)步，許多的危險(xiǎn)性和有害性的工作都由機(jī)器人取代了人工。所以機(jī)械手的誕生受到了市場(chǎng)很大的需求，機(jī)械手在各類機(jī)床上的應(yīng)用廣泛?？梢杂糜趭A持工件，搬運(yùn)運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳌? 二、機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確的搬運(yùn)工見(jiàn)，這就要求他們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度以及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是：充分分析作業(yè)對(duì)象的作業(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。 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是專用氣動(dòng)上下料機(jī)械手，專用機(jī)械手具

15、有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)。 （一）上下料機(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。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。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)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。位置檢測(cè)裝置隨時(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)定的位置相比較，然后通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的要求達(dá)到設(shè)定位置。 （二）機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以

16、及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如圖2-1所示。 控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng) 被抓取工件 位置檢測(cè)裝置 圖2-1 1.執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手臂和立柱、機(jī)座等不件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 （1）手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式。而在本課題中則選用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手爪和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手爪是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手爪運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手爪結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造也比較容易，故應(yīng)用廣泛。平移型應(yīng)用的比較少，其原因是平移型手爪結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但平移型手爪夾持圓形工件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心位置，

17、因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手爪結(jié)構(gòu)取決于被抓物件表面的形狀、被抓部位和物件的重量及尺寸。 而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手爪產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。 （2）手臂 手臂是支撐被抓物件、手爪、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件與驅(qū)動(dòng)源相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 （3）立柱 立柱是支撐手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)均與立柱有緊密的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，被稱為可移式立柱。 （4）機(jī)座 機(jī)座是機(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)

18、系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 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)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。 3.控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。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)和電氣定位系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，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)械手進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警。 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

19、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。 三、機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) （一）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)概述 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，可從該機(jī)械手的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來(lái)討論。 圖 3-1 機(jī)械手的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 所謂機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)機(jī)械手操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的 數(shù)目，它是表示機(jī)械手動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。 本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三 自由度,如圖 3-1 所示。 圖3-1 （二）執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要部分的設(shè)計(jì) 1. 手部的設(shè)計(jì)

20、 手部就是用來(lái)握持工件或工具的部分。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。本次設(shè)計(jì)是采用夾持式。 夾持式手部的結(jié)構(gòu)與人手類似，是工業(yè)機(jī)械廣泛應(yīng)用的一種手部形式。它主要由手指、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其又可分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件 的部位不同，手爪動(dòng)作方向相反。 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。 2、手指應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力。 3、要保證工件在手指內(nèi)的定位精度。 4、結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。 5、通用性和可換性。 （三）手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 手臂是機(jī)械手的主要部分，是支撐手腕、

21、手指和工件并使它們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。手臂一般 有三個(gè)運(yùn)動(dòng)—伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。手臂的基本動(dòng)作是將手部移動(dòng)到所需的位置和承受抓取 工件的大重量，以及手臂本身的重量。 1、 手臂的組成 (1)動(dòng)作元件，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。 (2)導(dǎo)向裝置，是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。 (3)手臂，起著連接和承受外力的作用。 2、手臂設(shè)計(jì)的要求： (1)手臂承載能力大、剛性好、自重輕。 (2)手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小。 (3)手臂的動(dòng)作要靈活。 (4)位置精度要高。 (5)通用性要強(qiáng)。 （四）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作流程

22、 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)座、立柱、手臂、電磁閥和夾緊手指等組成。其中機(jī)座采用擺 動(dòng)氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，手臂及夾持采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手的動(dòng)作基本有伸縮、 升降、左右旋轉(zhuǎn)、夾物和放物等動(dòng)作。其工作流程如圖3-2所示。其動(dòng)作順序?yàn)椋撼跏嘉? 置 → 左旋 → 前伸 → 下降 → 夾緊物料→上升 →收縮→右旋 →下降→放物料 →上 升→回到初始位置。機(jī)械手的動(dòng)作在整個(gè)過(guò)程中都是連續(xù)可循環(huán)的。 圖3-2 四、機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力源的 不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。目前

23、采用的主要 有液壓、氣壓、電氣這三種驅(qū)動(dòng)方式。 （一）機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì) 根據(jù)上下料機(jī)械手的要求，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動(dòng)方式主要有兩種： （1）直線運(yùn)動(dòng) （缸體固定，活塞桿運(yùn)動(dòng)）； （2）擺動(dòng)（缸體固定）。 圖 4-1 為機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作 原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī)通過(guò)快換接頭進(jìn)入儲(chǔ)氣 罐，經(jīng)空氣過(guò)濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動(dòng)作。 圖4-1 氣動(dòng)系統(tǒng)包括三個(gè)三位四通電磁換向閥、兩個(gè)氣缸、三個(gè)調(diào)速閥、六個(gè)單向調(diào)速閥、 消聲器（若干）等。圖中的調(diào)速閥控制氣缸伸長(zhǎng)和縮短、夾緊、擺動(dòng)過(guò)程中的速度，防止 速度過(guò)大對(duì)物料及機(jī)械手臂

24、的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運(yùn)動(dòng)方向。 （二）氣動(dòng)元件選取及工作原理 氣壓驅(qū)動(dòng)是利用壓縮氣體的壓力能來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞的一種方式，其介質(zhì)主要是空氣， 也包括燃?xì)夂驼羝５湫偷臍鈮簜鲃?dòng)系統(tǒng)由以下四部分組成：氣源裝置、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件。 五、機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃 分與巧妙實(shí)現(xiàn)，對(duì)提高機(jī)械手整體可靠性、實(shí)用性具有重要的意義，同時(shí)也是降低制造成 本、縮短開(kāi)發(fā)周期的有效途徑。為此本章在分析了當(dāng)前機(jī)械手廣泛采用的控制器結(jié)構(gòu)及 PLC 的發(fā)展之后，提出了采用 PLC 的控制方法。 （一）控制系統(tǒng)的性

25、能要求 對(duì)于一般的控制系統(tǒng)有以下控制的要求： (1)穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到短暫的擾動(dòng)后其運(yùn)動(dòng)性能從偏離平衡點(diǎn)恢復(fù)到原平 衡點(diǎn)狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是一般自動(dòng)控制必須滿足的基本要求，對(duì)穩(wěn)定性的研究是自動(dòng)化 控制系統(tǒng)中的一個(gè)基本問(wèn)題。 (2)過(guò)渡過(guò)程性能 描述過(guò)渡過(guò)程性能可以用平衡性和快速性加以衡量，平衡性指系 統(tǒng)由初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到新的平衡狀態(tài)時(shí)具有較小的超調(diào)和震蕩性；系統(tǒng)由初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到新 的平衡狀態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間表示系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的快速程度。 (3)穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差是在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實(shí)際的穩(wěn)態(tài)輸 出量之差?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越小，說(shuō)明控制精度越高

26、。因此，穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系 統(tǒng)性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)之一就是在兼顧其他性能指標(biāo)的情況下，使穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小或者小于某個(gè)允許的限制值。 （二）控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理設(shè)計(jì) 1. PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 設(shè)計(jì)任何一個(gè)PLC控制系統(tǒng)，如同設(shè)計(jì)任何一種電氣控制系統(tǒng)一樣，其目的都是通過(guò)控制被控對(duì)象（生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程）來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝要求，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則。 （1）PLC 控制系統(tǒng)控制被控對(duì)象大限度地滿足工藝要求。設(shè)計(jì)前，應(yīng)深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，搜索資料，并與機(jī)械部分的設(shè)計(jì)人員和實(shí)際操作人員密切配

27、合，共同擬訂控制方案，協(xié)同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。 （2）在滿足工藝要求的前提下，力求使 PLC 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。 （3）保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。 （4）考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在配置 PLC 硬件設(shè)備時(shí)應(yīng)適當(dāng)留有一定的裕量。 2. I/O點(diǎn)數(shù)分配 根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作流程分析及 I/O 點(diǎn)數(shù)確定，可以確定電氣控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)分配，如 表 5-1、表 5-2 所示： 圖5-1 圖5-2 3. PLC外部接線圖 根據(jù)表 5-1、5-2分配輸入/輸出信號(hào)與 PLC 輸入/輸出接口分配情況及所選定PLC， 得到 PLC 的外部接線圖如圖

28、 5-3： 圖5-3 4. 機(jī)械手控制原理 在 PLC 的控制下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)等多種工作方式。手動(dòng)：利用按鈕對(duì)機(jī)械手每一動(dòng)作手動(dòng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)上升、下降、前伸、縮回、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、夾物、放物等操作； 自動(dòng)：按下循環(huán)按鈕后機(jī)械手從原點(diǎn)位置開(kāi)始連續(xù)不斷的執(zhí)行上下料的各步。 按下啟動(dòng)按鈕 SB1，系統(tǒng)初始化→擺動(dòng)氣缸左旋→水平手臂伸出→垂直手臂下降→吸 物→垂直手臂上升→水平手臂縮回→擺動(dòng)氣缸右旋→垂直手臂下降→放物→垂直手臂上升→回初始位置。 (1)系統(tǒng)程序的初始化 按下啟動(dòng)按鈕 SB1，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能檢測(cè)，檢測(cè)正確后，進(jìn)入控制系統(tǒng)的軟件，開(kāi)始運(yùn)行

29、程序。 (2)擺動(dòng)氣缸左旋 初始化程序正常運(yùn)行后，PLC 的輸入端 X000 接通輸入，輸出端 Y000 出，右旋按鈕 SB7 通，使三位四通電磁換向閥 5YA 得電，擺動(dòng)氣缸會(huì)執(zhí)行右旋的命令。 (3)水平手臂的伸出 擺動(dòng)氣缸右旋到指定位置時(shí)（90 度），PLC 輸入端 X004 接通輸入，輸出端 Y003 輸出，手臂前伸按鈕SB9接通，使三位四通電磁換向閥 1YA 得電，執(zhí)行手臂前伸動(dòng)作。 (4)垂直手臂的下降 手臂前伸到指定位置，PLC 輸入端 X010 接通輸入，輸出端 Y005 輸出，手臂下降按鈕 SB6 接通，使三位四通電磁換向閥 3Y

30、A 得電，執(zhí)行垂直手臂的下降動(dòng)作。 (5)夾物 小臂下降到指定位置，PLC 輸入端 X006 接通輸入，輸出端 Y006 輸出，夾緊按鈕 SB11 接通，三位四通電磁閥 7YA 得電，將物料夾緊。 (6)垂直手臂的上升 經(jīng)滑覺(jué)傳感器檢測(cè)到物料已經(jīng)被夾緊時(shí)，輸出端 Y004 輸出，手臂上升按鈕 SB5 接通，使三位四通電磁閥 4YA 得電，執(zhí)行垂直手臂的上升動(dòng)作。 (7)水平手臂的回縮 手臂上升到指定位置，PLC 輸入端 X005 接通輸入，輸出端 Y002 輸出，水平縮回按鈕 SB10 接通，使三位四通電磁換向閥 2YA 得電，執(zhí)行水平手臂回縮動(dòng)

31、作。 (8)擺動(dòng)氣缸右旋 水平手臂回縮到指定的位置，PLC 輸入端 X007 接通輸入，輸出端 Y001 出，左旋按 鈕 SB8 通，三位四通電磁閥 6YA 得電，執(zhí)行擺動(dòng)氣缸的向左旋轉(zhuǎn)。 (9)垂直手臂的下降 擺動(dòng)氣缸向左旋轉(zhuǎn)到指定位置（90 度），PLC 輸入端 X003 接通輸入，輸出端 Y005 輸出，垂直手臂下降按鈕 SB6 接通，使三位四通電磁閥 3YA 得電，執(zhí)行手臂的下降運(yùn)動(dòng)。 (10)松開(kāi) 手臂下降到指定位置，PLC 輸入端 X006 接通輸入，輸出端 Y007 輸出，松開(kāi)按鈕 SB12 接通，將物料松開(kāi)。 (11)手臂上

32、升 傳感器檢測(cè)到物料已經(jīng)放開(kāi)，輸出端 Y004 輸出，手臂上升按鈕 SB5 接通，使三位四通電磁換向閥 2YA 得電，執(zhí)行手臂上升動(dòng)作。 (12)回到初始位置 手臂上升到指定位置，PLC 輸入端 X005 接通輸入，自動(dòng)重復(fù)以上動(dòng)作。 （三）PLC 程序設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的程序總體結(jié)構(gòu)如圖 4-3，分為初始化程序、自動(dòng)程序、手動(dòng)程序和回原位程序等四部分。其中自動(dòng)程序包括單步、連續(xù)運(yùn)動(dòng)程序，因它們的工作順 序相同所以可將它們和編在一起。 設(shè)備有“手動(dòng)/自動(dòng)”兩種工作方式，其控制程序可分為自動(dòng)控制程

33、序和手動(dòng)控制程序兩個(gè)模塊，各模塊程序分開(kāi)編寫(xiě)，結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和修改。當(dāng)操作方式選擇開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)”時(shí)，輸入點(diǎn) X012 接通，執(zhí)行手動(dòng)程序；當(dāng)操作方式選擇開(kāi)關(guān)置于“自動(dòng)”時(shí)，輸入 點(diǎn) X013 接通，執(zhí)行自動(dòng)程序。 1.人初始化及報(bào)警程序 該部分的程序主要是將機(jī)械手的位置調(diào)整到用戶設(shè)定的狀態(tài)。在控制系統(tǒng)將機(jī)械手不 工作并處于原點(diǎn)位置設(shè)定為初始狀態(tài)，此外，如果出現(xiàn)超出設(shè)定的界線，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警。 2.回原點(diǎn)程序 回原點(diǎn)方式使用的順序控制設(shè)計(jì)法，功能圖如圖 5-4 所示，S1 是回原點(diǎn)的初始狀。用 S10-S12 作為零操作元件。應(yīng)注意。當(dāng)用 S10-S12 作回零操作時(shí)，在后狀態(tài)在

34、自我復(fù)位前應(yīng)該使特殊繼電器M8043 置1。 圖5-4 3.手動(dòng)控制程序 當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇了“手動(dòng)運(yùn)行”狀態(tài)，PLC控制系統(tǒng)執(zhí)行手動(dòng)狀態(tài)，用各自的按鈕使各個(gè)負(fù)載單獨(dú)接通或斷開(kāi)的方式。手動(dòng)操作主要用于檢修調(diào)整，通過(guò)按鈕對(duì)機(jī)械手的每一步動(dòng)作進(jìn)行單獨(dú)控制。手動(dòng)控制程序用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手升降、伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、夾緊/松開(kāi)及復(fù)位的運(yùn)動(dòng)。在自動(dòng)工作過(guò)程中，若將“手動(dòng)/自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到“手動(dòng)”位置時(shí)，輸入 X012 接通系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)控制方式狀態(tài)。此時(shí)，按下相應(yīng)的受動(dòng)按鈕可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上升、下降、左 旋、右旋、伸出、縮回、夾緊、松開(kāi)及復(fù)位動(dòng)作， 4.自動(dòng)控制程序 分析知，在“自動(dòng)”工作方式下，本機(jī)

35、械手的運(yùn)動(dòng)是以開(kāi)關(guān)量作為轉(zhuǎn)移信號(hào)，按所設(shè)計(jì)的工藝流程一步一步地進(jìn)行工作，其控制過(guò)程為順序循環(huán)控制。當(dāng)機(jī)械手完成一次物料的吸放任務(wù)后返回原位為下一個(gè)任務(wù)做好準(zhǔn)備。 圖5-5 結(jié) 論 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在學(xué)完大學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，旨在培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)去分析和解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的能力及培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想，并通過(guò)運(yùn)用 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)、和查閱有關(guān)技術(shù)資料去進(jìn)行理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)思考、繪制圖 樣、寫(xiě)相關(guān)說(shuō)明性材料，培養(yǎng)我們機(jī)械設(shè)計(jì)的基本技能和工程設(shè)計(jì)工作者的基本素質(zhì)，為 我們走上工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本論文的設(shè)計(jì)主要有幾個(gè)方面： 首先，對(duì)上下料機(jī)械手的

36、結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)等各組成部分進(jìn)行了較為全 面的分析，后得出其總體設(shè)計(jì)方案。其次，根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求設(shè)計(jì)了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。機(jī)械手的控制系統(tǒng)采用了技術(shù)性、可靠性非常高的 PLC 進(jìn)行控制。這使得機(jī)械設(shè)備更加靈活，動(dòng)作準(zhǔn)確，易于維護(hù)，勞動(dòng)生產(chǎn)率大大得到了提高。各種操作方式自由切換，滿足了各種生產(chǎn)要求。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是短暫和辛苦的，但是我學(xué)到的東西是寶貴的，讓我學(xué)到了在課堂上難以學(xué)到的知識(shí)和能力，而這將是我一生中永遠(yuǎn)珍貴的財(cái)富。由于作者經(jīng)驗(yàn)缺乏、時(shí)間有限，在本論文中難免存在不足之處，希一望各位老師給予批評(píng)與指正。 參考文獻(xiàn) [1] 鐘肇新.可編程控制器原理及應(yīng)用

37、[M].第 4 版.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2008：84-85 [2] 吳旭朝.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].第 4 版，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1979：66-69 [3] 郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用技術(shù)[M].北京，科學(xué)出版社，2008，07 [4] 張建民.工業(yè)機(jī)器人[M].第 1 版.北京:北京理工大學(xué)出版社，1988 [5] 張鐵，謝存禧.機(jī)器人學(xué)［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001：115～138. [6] 孟繁華.機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989：71-73 [7] 孫恒,陳作模.機(jī)械原理[M]. 北京:高等教育出

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