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專業(yè)代碼
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué) 院
機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)
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學(xué)生姓名
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指導(dǎo)教師
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提交日期
*****年*** 月*** 日
誠(chéng) 信 承 諾 書
本人鄭重承諾和聲明：
我承諾在畢業(yè)設(shè)計(jì)撰寫過程中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定,恪守學(xué)術(shù)規(guī)范,此畢業(yè)設(shè)計(jì)中均系本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立完成,沒有剽竊、抄襲他人的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、思想和成果,沒有篡改研究數(shù)據(jù),凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料,均作了注釋,如有違規(guī)行為發(fā)生,我愿承擔(dān)一切責(zé)任,接受學(xué)校的處理,并承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。
畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名：
年 月 日
摘 要
隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)化生產(chǎn)的日益加快，人們對(duì)工作環(huán)境和加工精度的要求越來越高，導(dǎo)致我國(guó)在超精加工、勞動(dòng)力資源缺乏等方面的問題日益嚴(yán)重。因此，為提高生產(chǎn)精度，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)的自動(dòng)化，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)顯得愈發(fā)必要。
針對(duì)上述問題，通過對(duì)自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及機(jī)械手功能的分析，設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分為機(jī)械部分和控制部分。通過對(duì)機(jī)械手各部件工作原理及功能的分析，設(shè)計(jì)具有3自由度關(guān)節(jié)的機(jī)械手。控制系統(tǒng)是以S7-200 CPU224型PLC為主控，通過操作面板設(shè)置機(jī)械手的運(yùn)行模式，以個(gè)人計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)的顯示和提示裝置，采用閉環(huán)伺服定位對(duì)機(jī)械手位置進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)操作，達(dá)到自動(dòng)上下料的目的。
關(guān)鍵詞：PLC;機(jī)械手;自動(dòng)上下料
ABSTRACT
With the rapid development of industrial technology in our country and the accelerating pace of automated production, people are increasingly demanding the working environment and processing accuracy, leading to increasingly serious problems in super-finishing and shortage of labor resources in China. Therefore, in order to improve the production accuracy, reduce the labor intensity of workers, and realize the automation of factory production, it is increasingly necessary to design an automatic loading and unloading robot system.
To solve the above problems, an automatic loading and unloading manipulator system was designed by analyzing the structure, working principle and manipulator function of automatic loading and unloading manipulator system. The system can be divided into mechanical part and control part. Through the analysis of the working principle and function of each part of the manipulator, a manipulator with a 3-degree-of-freedom joint is designed. The control system is based on the S7-200 CPU224 type PLC. The operation mode of the robot is set through the operation panel. The personal computer is used as the display and prompting device. The closed-loop servo positioning is used to detect the position of the robot and the automatic operation of the robot is achieved. To achieve the purpose of automatic loading and unloading.
Key Words: PLC;Manipulator;Automatic loading and unloading
目 錄
1 緒 論 1
1.1 選題背景及意義 1
1.1.1 選題背景 1
1.1.2 研究意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
1.3 研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 3
1.4 本章小結(jié) 4
2 總體設(shè)計(jì) 5
2.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu) 5
2.1.1 結(jié)構(gòu)類型 5
2.1.2 設(shè)計(jì)方案 6
2.2 機(jī)械手總體控制 7
2.3 本章小結(jié) 7
3 本體設(shè)計(jì) 8
3.1 機(jī)械手腰座的設(shè)計(jì) 8
3.1.1 設(shè)計(jì)要求 8
3.1.2 設(shè)計(jì)方案 8
3.2 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì) 9
3.2.1 設(shè)計(jì)要求 9
3.2.2 設(shè)計(jì)方案 9
3.3 機(jī)械手手腕的設(shè)計(jì) 9
3.3.1 設(shè)計(jì)要求 9
3.3.2 設(shè)計(jì)方案 10
3.4 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì) 10
3.4.1 設(shè)計(jì)要求 10
3.4.2 設(shè)計(jì)方案 11
3.5 液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算 11
3.5.1 液壓元件的選擇 11
3.5.2 液壓系統(tǒng)圖的繪制 11
3.5.3 液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定 12
3.5.4 計(jì)算和選擇液壓元件 15
3.6 電機(jī)的選擇及有關(guān)參數(shù)計(jì)算 15
3.7 本章小結(jié) 15
4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17
4.1 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能 17
4.1.1 控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 17
4.1.2 控制系統(tǒng)的主要功能 17
4.2 上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
4.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18
4.3.1 控制要求 18
4.3.2 作業(yè)流程 19
4.3.3 操作面板的布置 20
4.3.4 PLC概述 20
4.3.5 PLC型號(hào)的選擇 21
4.3.6 I/O地址分配 21
4.3.7 PLC外部接線設(shè)計(jì) 22
4.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23
4.4.1 控制流程 23
4.4.2 程序設(shè)計(jì) 23
4.5 本章小結(jié) 25
5 PLC程序的模擬仿真 26
5.1 S7-200的介紹 26
5.2 仿真步驟 26
5.3 仿真結(jié)果 27
5.4 本章小結(jié) 28
6 總結(jié)與展望 29
6.1 總結(jié) 29
6.2 展望 29
參考文獻(xiàn) 31
附 錄 31
致 謝 44
IX
1 緒 論
1.1 選題背景及意義
1.1.1 選題背景
隨著中國(guó)科技的進(jìn)步及制造業(yè)的發(fā)展，為了提高生產(chǎn)率、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，越來越多的公司引進(jìn)了機(jī)械手技術(shù)。機(jī)械手并不單單是代替人們工作，它更是一種機(jī)械電子設(shè)備，綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器的特長(zhǎng)。機(jī)械手能夠代替人們完成危險(xiǎn)以及枯燥乏味的工作，減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)力。因此，機(jī)械手得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)工廠中，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)與裝卸，特別是在自動(dòng)化機(jī)床、加工中心中使用更加普遍。目前，發(fā)展日新月異的機(jī)械手已經(jīng)是柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的一個(gè)重要組成部分。通過把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，并且該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)[1-2]，有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，能夠更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。
1.1.2 研究意義
本課題主要為自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，通過對(duì)機(jī)械手各組成部分的分析、比較以及查閱文獻(xiàn)，最終設(shè)計(jì)出一種基于PLC控制的機(jī)械手，主要意義有：
1．通過對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和研究，熟悉機(jī)械手的組成原理、運(yùn)動(dòng)原理，了解國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r，提高實(shí)踐應(yīng)用和工作能力。如：查閱文獻(xiàn)、零件分析能力以及CAD繪圖技能，培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和使用工具書、國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等手冊(cè)的能力。
2．通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，了解機(jī)械手相關(guān)方面的知識(shí)，對(duì)機(jī)械手有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。自動(dòng)化是目前國(guó)內(nèi)發(fā)展最快的工業(yè)趨勢(shì)之一，而機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、工作中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。因此，通過對(duì)機(jī)械手的研究能夠快速提高我國(guó)的工業(yè)水平，實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。
目前，數(shù)控機(jī)床在我國(guó)發(fā)展一日千里，已經(jīng)朝著高速化、高精度化、智能化和綠色化的方向發(fā)展。中國(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，主要依靠勞動(dòng)力多、價(jià)格低、資源豐富等優(yōu)勢(shì)，但是在產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新及自主研發(fā)方面與國(guó)外同行存在著很大的差距[3]。因此，中國(guó)應(yīng)加大改革創(chuàng)新力度，加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，加快對(duì)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度的提高，而機(jī)械手的出現(xiàn)正是解決了普通數(shù)控機(jī)床定位不準(zhǔn)確，加工精度達(dá)不到要求等問題[3-4]。因此，將機(jī)械手和數(shù)控機(jī)床組合生產(chǎn)，不僅能夠加快加工速度，還能夠適應(yīng)于不同工件的生產(chǎn)，并且能夠有效的節(jié)省工件運(yùn)輸費(fèi)用。因此，設(shè)計(jì)出自動(dòng)上下料機(jī)械手是非常有意義的。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
1958年第一臺(tái)機(jī)械手Unimate在美國(guó)誕生，它主要用于壓鑄作業(yè)，其手臂由計(jì)算機(jī)控制，能夠記憶180個(gè)工作步驟。隨著科技的進(jìn)步與人們不懈努力的探索，美國(guó)又不斷地推出用于示教的機(jī)械手。而起步晚于美國(guó)五、六年的日本，在經(jīng)歷了機(jī)械手的發(fā)展期、試用期后，進(jìn)入了快速發(fā)展階段，幾年后，一舉成為“機(jī)械手王國(guó)”。目前，機(jī)械手產(chǎn)業(yè)在迅速崛起，已經(jīng)形成了歐洲、美國(guó)、日本、中國(guó)、韓國(guó)等五大機(jī)械手發(fā)展區(qū)。其中最具有代表性主要是歐洲瑞典的ABB、瑞士的Staubli、德國(guó)的KUKA 日本的FANUC以及美國(guó)的Adept Technology等公司[5]。
圖1.1 全球機(jī)械手銷量及同比增速
根據(jù)國(guó)際機(jī)械手聯(lián)合會(huì)的統(tǒng)計(jì)，在過去十多年里全球機(jī)械手景氣度較高，如圖1.1所示。2015年，全球機(jī)械手總銷售量達(dá)到248000臺(tái)，同比增長(zhǎng)15%，2002-2008年，全球機(jī)械手年復(fù)合增長(zhǎng)率為8.6%，2009-2015年全球機(jī)械手年復(fù)合增長(zhǎng)率為23.5%，是過去6年的2.7倍。近幾年全球機(jī)械手增速明顯加快，其中日本、美國(guó)和德國(guó)的總銷量占全球銷量的3/4，一個(gè)全新的“機(jī)械手時(shí)代”已經(jīng)到來[6]。
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
改革開放以來，我國(guó)開始著手對(duì)機(jī)械手的研究。其中上海交通大學(xué)機(jī)械手研究所是我國(guó)最早從事機(jī)械手的研究機(jī)構(gòu)之一。被譽(yù)為“中國(guó)機(jī)械手之父”的蔣新松率先開展機(jī)械手研究，創(chuàng)建我國(guó)水下機(jī)械手產(chǎn)業(yè)[7]。
經(jīng)過幾代人的艱苦奮斗和不懈努力，在這一領(lǐng)域取得了一定的成績(jī)。目前主要應(yīng)用于機(jī)械加工工業(yè)、汽車制造工業(yè)、食品加工行業(yè)等領(lǐng)域中。中國(guó)自2013年開始占領(lǐng)全球機(jī)械手第一大市場(chǎng)，制造業(yè)中“機(jī)器換人”的需求旺盛，預(yù)計(jì)仍將保持快速增長(zhǎng)，截至2016年我國(guó)機(jī)械手累計(jì)安裝量為34.9萬臺(tái)，保有量約30萬臺(tái)[8]。
圖1.2 2015年世界各國(guó)制造業(yè)機(jī)械手密度比較（單位：臺(tái)/萬人）
盡管我國(guó)保有量已居全球前列，但目前我國(guó)機(jī)械手密度仍處于落后水平的現(xiàn)狀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全球制造業(yè)機(jī)械手密度為69臺(tái)/萬人，其中在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中，機(jī)械手密度普遍超過200臺(tái)/萬人，然而中國(guó)的機(jī)械手密度僅為49臺(tái)/萬人，如圖1.2所示。其中在這些機(jī)械手中，國(guó)產(chǎn)品牌占比不到一半，所以機(jī)械手的滲透率還處于較低水平，這也預(yù)示著中國(guó)機(jī)械手市場(chǎng)仍具備十分廣闊的提升空間。
1.3 研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排
本課題主要研究的是基于PLC控制的一種自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)，在研究的過程中，需要完成的主要任務(wù)是機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)、本體設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)以及程序的模擬仿真。自動(dòng)上下料機(jī)械手主要是與數(shù)控機(jī)床組合，自動(dòng)抓取待加工產(chǎn)品送到數(shù)控車床卡盤等待加工，待加工完成后，自行取下已加工工件放置流水線上。具體研究如下：
（1）機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
根據(jù)生產(chǎn)的要求以及實(shí)際的需要，對(duì)自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的合理性、高效性。
（2）機(jī)械手的本體設(shè)計(jì)
根據(jù)所夾取零件的位置、所抓取零件的重量以及與機(jī)床的位置，選擇合適的動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置和控制裝置，以便使機(jī)械手能夠完美的和數(shù)控機(jī)床配合工作。
（3）機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采用合適的控制系統(tǒng)，通過控制機(jī)械手爪的張開和閉合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的抓取、運(yùn)輸、安裝等操作。
（4）控制程序的編制與模擬仿真
運(yùn)用STEP 7 Micro/WIN SP9 V4.0編寫機(jī)械手的控制程序，并采用S7-200仿真器對(duì)程序進(jìn)行模擬仿真，以保證程序滿足工作的要求。
1.4 本章小結(jié)
本章主要對(duì)機(jī)械手的發(fā)展歷程進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，同時(shí)針對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行說明分析。此外，由于本次設(shè)計(jì)內(nèi)容為自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)，故最后對(duì)本文中主要研究的機(jī)械手進(jìn)行簡(jiǎn)單的說明，以便更好地學(xué)習(xí)機(jī)械手的相關(guān)理論知識(shí)，從而提高我國(guó)的工業(yè)發(fā)展水平。
3
2 總體設(shè)計(jì)
自動(dòng)上下料機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)共分為三大模塊，分別是機(jī)械手本體設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及程序的模擬仿真，具體各模塊分布如圖2.1所示。
圖2.1 自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)分布圖
2.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)
2.1.1 結(jié)構(gòu)類型
目前機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型四大類，如圖2.2所示[8]。
（a）直角坐標(biāo)型 （b）圓柱坐標(biāo)型 （c）球坐標(biāo)型 （d）關(guān)節(jié)型
圖2.2 機(jī)械手的四種坐標(biāo)形式
各種類型的特點(diǎn)介紹如下：
（1）直角坐標(biāo)型(3P)
這類機(jī)械手末端操作器的位置是由3個(gè)線性關(guān)節(jié)來確定的，其中各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是獨(dú)立的，并且運(yùn)動(dòng)方程呈線性，所以容易通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的位置控制，達(dá)到高的位置精度和分辨率，并且不隨工作場(chǎng)合的變化而變化。但是手臂在收縮的同時(shí)又向著另外的方向伸長(zhǎng)，因此它具有操作范圍小，工作空間大等缺點(diǎn)。
（2）圓柱坐標(biāo)型(R2P)
圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的動(dòng)作是由兩個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)共同完成。這種機(jī)械手計(jì)算簡(jiǎn)單，可以采用液壓驅(qū)動(dòng)輸出較大的動(dòng)力，能夠伸入機(jī)器型腔內(nèi)部。但是，它的手臂受到空間的限制，不能夠到達(dá)接近地面的位置。
（3）球坐標(biāo)型(2RP)
球坐標(biāo)機(jī)械手采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)自身的運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械手可以繞中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，覆蓋空間較大。球坐標(biāo)系較為復(fù)雜難以控制，因此，此類機(jī)械手也不容易控制，并且存在工作死區(qū)和密封性不好等問題。
（4）關(guān)節(jié)型(3R)
關(guān)節(jié)型機(jī)械手采用三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)其空間運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械手類似于人的手臂，動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍復(fù)雜，是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域最常見的機(jī)械手形態(tài)之一。
2.1.2 設(shè)計(jì)方案
圖2.3 機(jī)械手的工作布局圖
機(jī)械手的工作布局如圖2.3所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，因所抓取的工件質(zhì)量為30KG，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床的布局以及對(duì)機(jī)械手的要求，在滿足機(jī)械加工工藝的要求下，盡量做到節(jié)約成本、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。因此，機(jī)械手共需要3種運(yùn)動(dòng)來完成工件的上下料，即垂直手臂的升降和水平手臂的伸縮兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，以及腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過多方面的綜合考慮，采用圓柱坐標(biāo)形式的機(jī)械手，自由度數(shù)為3。其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，工作范圍大，且易于控制，具有較高的定位精度。
2.2 機(jī)械手總體控制
機(jī)械手在工作的時(shí)候要求具有較高的位置精度，因此，采用伺服電機(jī)控制腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過PLC控制液壓電磁閥的得失電進(jìn)而控制機(jī)械手的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料功能。
2.3 本章小結(jié)
在本章中主要對(duì)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)及控制模塊進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，通過結(jié)合數(shù)控機(jī)床的分布，考慮在滿足機(jī)械手工作的前提下，盡量做到經(jīng)濟(jì)化、合理化。
3 本體設(shè)計(jì)
3.1 機(jī)械手腰座的設(shè)計(jì)
3.1.1 設(shè)計(jì)要求
腰座是機(jī)械手的首個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，承受機(jī)械手的所有重量和載荷。因此，在設(shè)計(jì)腰座時(shí)，必須遵循以下的設(shè)計(jì)原則：
1．安裝基面要足夠大，防止機(jī)械手在工作的時(shí)候出現(xiàn)亂動(dòng)，導(dǎo)致位置精度不能滿足設(shè)計(jì)要求。
2．腰座承受機(jī)械手的全部重量，因此，需要足夠大的強(qiáng)度和剛度，保證其承載能力。
3．腰座的重量相對(duì)比較集中，因此需要一定的驅(qū)動(dòng)裝置才能使其做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4．腰部結(jié)構(gòu)便于安裝、調(diào)整與拆卸。腰部與機(jī)械手的手臂要有可靠的連接以及定位，并且還要增加調(diào)節(jié)裝置，保證各關(guān)節(jié)之間的位置精度[9]。
5．為了減輕腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及提高機(jī)械手的穩(wěn)定性，回轉(zhuǎn)部分經(jīng)常使用輕質(zhì)合金材料，而不運(yùn)動(dòng)的則使用比較重的鑄鐵制成。
3.1.2 設(shè)計(jì)方案
腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)既可借助伺服電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，又可通過使用液壓缸來實(shí)現(xiàn)。因液壓系統(tǒng)需要借助液壓缸和其他輔助元件，而電機(jī)控制不需要，并且具有控制精度高，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。因此，目前更趨向于電機(jī)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。考慮到電機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)速和扭矩的要求，故采用傳動(dòng)比大于100的一級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)降低轉(zhuǎn)速，減小齒側(cè)間隙對(duì)傳動(dòng)精度的影響，同時(shí)齒輪宜采用強(qiáng)度和硬度比較高的材料，并且要保證其精度等級(jí)，減小齒輪傳動(dòng)所引起的誤差。具體的腰座結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。
圖3.1 腰座結(jié)構(gòu)圖
45
3.2 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)
3.2.1 設(shè)計(jì)要求
手臂作為機(jī)械手的主要握持部件，其作用主要是將手爪移動(dòng)到所需位置并且能夠使其準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到要求的位置上。因此，在設(shè)計(jì)手臂時(shí)，必須遵循以下的設(shè)計(jì)原則：
1．機(jī)械手臂不僅承載著手臂自身、末端操作器和手腕的重量，并且還承受被抓取工件的最大重量。因此在保證其有足夠的剛度和強(qiáng)度的情況下，盡可能在材料和結(jié)構(gòu)上減輕手臂的重量。
2．為便于控制，應(yīng)該使手臂各關(guān)節(jié)之間保持水平，相互垂直的軸盡量交于一點(diǎn)，簡(jiǎn)化機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)。
3．手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，不能盲目的追求高速度。在速度一定的情況下，盡量減小自重，從而降低由手臂運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力。因此，機(jī)械手臂要盡可能的輕。而鋁合金具有質(zhì)輕且柔軟、強(qiáng)度好、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，所以目前大部分企業(yè)通常采用高強(qiáng)度的鋁合金制造機(jī)械手手臂。
3.2.2 設(shè)計(jì)方案
機(jī)械手手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，一般是采用氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)或者電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)[9]?；诒驹O(shè)計(jì)，考慮到所搬運(yùn)的工件重量達(dá)30kg，對(duì)手臂的剛度和強(qiáng)度有較高的要求，同時(shí)為提高手臂運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性。綜上考慮，其手臂采用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是動(dòng)力元件又是執(zhí)行元件，因此不需要再設(shè)計(jì)其他元件。隨著工件的形狀、尺寸不同，手臂伸出的長(zhǎng)度也不同。因此，需要采用具有伺服定位功能的液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制手臂的伸縮。由于手臂在工作的時(shí)候穩(wěn)定性不高，所以在手臂四周添加空心導(dǎo)桿，提高手臂的剛度和穩(wěn)定性，從而滿足系統(tǒng)的要求。
3.3 機(jī)械手手腕的設(shè)計(jì)
3.3.1 設(shè)計(jì)要求
手腕是能夠?qū)⑹肿褪直圻B接起來的部件，主要用于調(diào)節(jié)、改變工件的方向。它具有獨(dú)立的自由度,從而使機(jī)械手手爪能夠完成復(fù)雜的動(dòng)作。因此，在設(shè)計(jì)手腕時(shí)，必須遵循以下的設(shè)計(jì)原則：
1．由于手腕處于手臂尾部，為減輕手臂上的載荷，應(yīng)盡量使手腕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊輕巧，減少其自重。
2．手腕的自由度越多，機(jī)械手各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍就越大，其動(dòng)作的靈活性就越高，對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也越強(qiáng)，但會(huì)使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以控制。所以手腕的自由度應(yīng)該根據(jù)作業(yè)的要求設(shè)定，一般機(jī)械手手腕自由度為2-3個(gè)，有的需要更多，但是有的卻不需要自由度，僅僅依靠手臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)其工作要求[10]。因此，在滿足工作需要的前提下，應(yīng)具體問題具體分析，選擇合適的、自由度盡可能少的方案。
3．為提高腕部動(dòng)作的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，減少傳動(dòng)過程中由間隙產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)反差。
3.3.2 設(shè)計(jì)方案
根據(jù)對(duì)數(shù)控機(jī)床在上下料作業(yè)時(shí)候的分析，考慮數(shù)控機(jī)床的布局以及對(duì)機(jī)械手作業(yè)時(shí)候的要求，在滿足系統(tǒng)要求的前提下，盡量能夠提高設(shè)備的安全性和可靠性，降低其控制難度，使機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因此，本設(shè)計(jì)中手腕部分不再增加自由度，具體的手臂手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。
圖3.2 手臂手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)圖
3.4 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)
3.4.1 設(shè)計(jì)要求
手爪位于機(jī)械手的末端，因此又稱為末端操作器，是機(jī)械手直接用于抓取和握持工件并進(jìn)行操作的部件。由于被握工件的尺寸、形狀、重量、材質(zhì)等不同，手爪的種類也是多種多樣的，按握持原理主要可以分為兩大類：夾持類、吸附類[11-12]。因此，在設(shè)計(jì)手腕時(shí)，必須遵循以下的設(shè)計(jì)原則：
1．要有足夠的夾緊力。在確定手指握工件力大小的時(shí)候，除了要考慮工件自身的重量外，還要考慮在傳送的過程中由轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心慣性力，以防止工件出現(xiàn)松動(dòng)或者脫落的情況。
2．手指之間要有一定的開閉角。所謂開閉角就是手指在張開和閉合的極限位置之間產(chǎn)生的夾角，開閉角的大小應(yīng)該確保工件能夠順利的進(jìn)入和脫開手爪[13]。
3．保證工件能夠精確定位。為了使手指和被搬運(yùn)工件之間的相對(duì)位置保持準(zhǔn)確，必須根據(jù)被搬運(yùn)工件的形狀和大小，合理選擇合適的手爪。例如圓柱形的工件一般采用“V”字型的手指，以便于定心。
3.4.2 設(shè)計(jì)方案
結(jié)合設(shè)計(jì)的具體情況，本設(shè)計(jì)采用夾持類手爪，通過液壓柱塞缸活塞的往返移動(dòng)，從而帶動(dòng)活塞桿端部的齒條，進(jìn)而帶動(dòng)中間齒輪和扇形齒輪使手指張開或者閉合。手指的開閉角可由壓力的大小控制。本系統(tǒng)按照所搬運(yùn)工件的直徑為50mm設(shè)計(jì)，具體的手爪結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。
圖3.3 機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)圖
3.5 液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算
3.5.1 液壓元件的選擇
由于機(jī)械手的手臂為直線運(yùn)動(dòng)，因此為了節(jié)省成本，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用單活塞桿的液壓缸足以實(shí)現(xiàn)其功能。本設(shè)計(jì)為中小流量的液壓系統(tǒng)，可通過電磁換向閥來控制方向，速度的控制通常是改變液壓缸輸入或者輸出油的流量，也可以利用液壓封閉的容積來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用節(jié)流閥實(shí)行節(jié)流調(diào)速。
3.5.2 液壓系統(tǒng)圖的繪制
本系統(tǒng)要求具有垂直手臂的上升和下降、水平手臂的前伸與后縮以及手爪的張開與夾緊機(jī)構(gòu)。液壓系統(tǒng)圖如圖3.4所示，其中系統(tǒng)的壓力是由三相異步電動(dòng)機(jī)M拖動(dòng)的泵來提供，溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力，電磁閥1DT的得失電決定了系統(tǒng)是否有動(dòng)力。因?yàn)槭肿υ诠ぷ鲿r(shí)候需要緩慢抓取、迅速松開工件，故采用兩個(gè)節(jié)流效果不同的節(jié)流閥?？紤]到垂直升降液壓缸在下降的時(shí)候與重力方向一致，為了使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，減小液壓沖擊，故采用溢流閥向液壓缸的下腔提供背壓，平衡重力負(fù)載。
1-油箱 2、9-過濾器 3-齒輪液壓泵 4-交流電動(dòng)機(jī) 5-單向閥 6、11-電磁換向閥 7-油壓表
8-蓄能器 10-溢流閥 12-調(diào)速閥 13-執(zhí)行手爪柱塞缸 14-電液伺服閥 15-水平伸縮液壓缸
16-位移傳感器 17-垂直升降液壓缸 18-行程開關(guān)
圖3.4 機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖
3.5.3 液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定
液壓系統(tǒng)的兩個(gè)主要參數(shù)是壓力和流量，壓力決定于外界載荷，流量取決于執(zhí)行元件的速度和尺寸[14]。
1．手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計(jì)算
（1）手爪夾緊力的計(jì)算
手爪能夠抓起工件必須滿足
（3·1）
式中：為所需夾持力；
為安全系數(shù)，通常取，這里取2；
為動(dòng)載系數(shù)，考慮到運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的慣性力的影響可按估算，其中為機(jī)械手在工作過程中的加速度，為重力加速度；
為方位系數(shù)，查表可選；
為被抓持工件的重量，為30KG。
將數(shù)據(jù)代入公式（3·1）得
（2）理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
（3·2）
式中：為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力；
為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離，為84mm；
為扇形齒輪分度圓半徑，為18mm；
為手指夾緊力；
為齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處取0.92；
其他同上。
將數(shù)據(jù)代入公式（3·2）計(jì)算得
（3）實(shí)際驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
（3·3）
式中：為實(shí)際驅(qū)動(dòng)力；
為安全系數(shù)，此處選1.9；
為工作條件系數(shù)，此處選1.6；
其他同上。
將數(shù)據(jù)代入公式（3·3）計(jì)算得
（4）柱塞缸工作油壓的計(jì)算
液壓缸的驅(qū)動(dòng)力是由液壓缸的油壓提供的，故可知
（3·4）
式中：為柱塞缸工作油壓；
為柱塞缸內(nèi)徑截面積，其直徑為72mm；
其他同上。
將數(shù)據(jù)代入公式（3·4），則所需的油壓為
2．液壓缸主要參數(shù)的確定
針對(duì)本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，機(jī)械手的剛度、強(qiáng)度及其系統(tǒng)的穩(wěn)定性是尤為重要的。因此，先從此角度考慮選擇液壓缸的直徑，保證機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和安全性。經(jīng)過大量計(jì)算和分析以及綜合前面的考慮，初步確定各液壓缸的基本參數(shù)分別如表3.1、3.2、3.3所示。
表3.1 執(zhí)行手爪柱塞缸參數(shù)
缸內(nèi)徑
壁厚
桿直徑
行程
工作壓力
72
21
25
80
1~3
注：手爪柱塞缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調(diào)定。
表3.2 水平伸縮液壓缸參數(shù)
缸內(nèi)徑
壁厚
桿直徑
行程
工作壓力
60
10
25
400
1
表3.3 垂直液壓缸參數(shù)
缸內(nèi)徑
壁厚
桿直徑
行程
工作壓力
60
10
30
100
1
3．校核液壓缸的強(qiáng)度
（1）缸筒壁厚的較核
當(dāng)D/時(shí)，液壓缸壁厚的較核公式如下
（3·5）
式中：為缸筒內(nèi)徑；
為缸筒內(nèi)徑；
為缸筒實(shí)驗(yàn)壓力，當(dāng)額定壓力時(shí)，??；
為缸筒材料的許用應(yīng)力，, 為材料抗拉強(qiáng)度，經(jīng)查資料取為;
為安全系數(shù)，此處取。
將數(shù)據(jù)代入公式（3·5）計(jì)算得
即上式成立，因此液壓缸壁厚強(qiáng)度能滿足工作要求。
（2）活塞桿強(qiáng)度的較核
活塞桿直徑d的較核公式為
（3·6）
式中：F為活塞桿上作用力, ；
為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處，n取2。
將數(shù)據(jù)代入公式（3·6）計(jì)算得
即上式成立，因此活塞桿的強(qiáng)度能滿足工作要求。
3.5.4 計(jì)算和選擇液壓元件
（1）確定液壓泵的實(shí)際工作壓力
（3·7）
式中：為計(jì)算工作壓力，定為；
為進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)壓力，可估為，這里取為。
因此，可以確定液壓泵的實(shí)際工作壓力為
（2）確定液壓泵的流量
（3·8）
式中：為泄露因數(shù)，取1.1；
為機(jī)械手工作時(shí)最大流量，，經(jīng)計(jì)算得。
將數(shù)據(jù)代入公式（3·8）計(jì)算得
（3）確定液壓泵電機(jī)的功率
（3·9）
式中：為最大運(yùn)動(dòng)速度下所需的流量，同前，取為；
為液壓泵實(shí)際工作壓力；
為液壓泵總效率，取為0.8。
將數(shù)據(jù)代入公式（3·9）計(jì)算得
3.6 電機(jī)的選擇及有關(guān)參數(shù)計(jì)算
因?yàn)檠康幕剞D(zhuǎn)主要是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他轉(zhuǎn)矩，因此回轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為
（3·10）
式中：為滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)，取0.005；
為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取100；
為回轉(zhuǎn)軸上大齒輪的分度圓半徑，R=240mm。
將數(shù)據(jù)代入公式（3·10）計(jì)算得
綜合考慮，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用110BYG550B-SAKRMT-0301型號(hào)，該電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩，低振動(dòng)的良好綜合性能，完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)所要求。
3.7 本章小結(jié)
本章主要內(nèi)容為對(duì)機(jī)械手腰座、手臂、腕部、手爪的結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)機(jī)械手工作需要完成的任務(wù)以及各部件的設(shè)計(jì)要求選擇合理的方案，其次對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行液壓系統(tǒng)圖的繪制和有關(guān)參數(shù)的計(jì)算，最后對(duì)電機(jī)進(jìn)行選擇并計(jì)算相關(guān)參數(shù)。
4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)是自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，決定著機(jī)械手功能及性能的好壞，類似于人的大腦[15]。機(jī)械手要與外接設(shè)備協(xié)調(diào)動(dòng)作，共同完成任務(wù)，就必須要有一個(gè)功能完善、靈敏可靠、定位精度高的控制系統(tǒng)。
4.1 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能
4.1.1 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
1．機(jī)械手的控制與機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。機(jī)械手的手爪可以在各種坐標(biāo)下進(jìn)行描述，并且根據(jù)具體需要選擇合適的坐標(biāo)系，做出一定的坐標(biāo)變換。
2．能夠?qū)⒍鄠€(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)起來，使其按照人們的意愿行動(dòng)，甚至可以賦予機(jī)械手一定的“智能”，不過這個(gè)任務(wù)只能由計(jì)算機(jī)來完成。因此，機(jī)械手控制系統(tǒng)必須是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[16-17]。
3．機(jī)械手的動(dòng)作往往可以通過不同的路徑和方法實(shí)現(xiàn)，因此，必然存在一個(gè)“最優(yōu)”的問題。機(jī)械手可以利用人工智能的方法，創(chuàng)建一個(gè)計(jì)算機(jī)信息庫(kù)，通過借助信息庫(kù)進(jìn)行控制、決策、管理和操作，能夠根據(jù)傳感器識(shí)別獲得對(duì)象以及外界環(huán)境的信息，按照給定的要求，自動(dòng)選擇最佳的控制方式。
4.1.2 控制系統(tǒng)的主要功能
控制系統(tǒng)主要完成的任務(wù)是控制機(jī)械手在空間運(yùn)動(dòng)的位置、軌跡、操作順序以及運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 [18]，其主要功能有：
1．示教再現(xiàn)功能。通過有線或者手把手的方式示教，將動(dòng)作的順序、速度、位置等信息教給機(jī)械手，機(jī)械手會(huì)將這些信息自動(dòng)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，當(dāng)需要再現(xiàn)操作，只需要重放存儲(chǔ)器的內(nèi)容即可。
2．運(yùn)動(dòng)控制功能。主要是指機(jī)械手的手爪從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的過程中，對(duì)其位置、速度和加速度的控制。
4.2 上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)上述對(duì)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能的分析，考慮在本設(shè)計(jì)中采用上、下位機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。其中上位機(jī)以個(gè)人計(jì)算機(jī)為中心，下位機(jī)以PLC為中心。這種控制結(jié)構(gòu)，一方面充分利用PLC編程簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快、性價(jià)比高等特點(diǎn)，能夠完成實(shí)時(shí)采集信息及控制任務(wù)；另一方面可以利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和人機(jī)交換界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、信息監(jiān)控，同時(shí)也可以進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷、故障報(bào)警等功能，更加實(shí)現(xiàn)人性化操作。
圖4.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
在控制系統(tǒng)中，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部件之間的相互協(xié)調(diào)、系統(tǒng)的優(yōu)化，以保證整個(gè)系統(tǒng)能夠高效、平穩(wěn)的運(yùn)行。主要有：對(duì)PLC發(fā)送命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手各關(guān)節(jié)的控制；對(duì)PLC和其他設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控其運(yùn)營(yíng)狀況,并且還具有模擬仿真功能。下位機(jī)主要負(fù)責(zé)接收個(gè)人計(jì)算機(jī)的指令，通過控制液壓系統(tǒng)中的各個(gè)電磁閥通斷電進(jìn)而控制機(jī)械手的動(dòng)作，另外下位機(jī)還具有動(dòng)作位置信息反饋等功能?？傊?，PLC的參與使機(jī)械手的控制系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)潔，程序的編制以及修改也變得易如反掌。
4.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.3.1 控制要求
在本設(shè)計(jì)中，機(jī)械手的動(dòng)作主要是腰部的回轉(zhuǎn)、垂直手臂的升降、水平手臂的伸縮以及機(jī)械手爪的張開與閉合。
手臂的升降和伸縮主要由液壓驅(qū)動(dòng)，而液壓缸的行程又有對(duì)應(yīng)的電磁閥控制。其中，當(dāng)上升電磁閥得電時(shí)，手臂開始上升；當(dāng)上升電磁閥失電時(shí)，上升停止。同理，通過下降電磁閥的通斷電控制手臂下降的開始及停止。而水平手臂的主要通過感應(yīng)式位移傳感器、電液伺服閥、伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的伺服液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。
因機(jī)械手在工作的時(shí)候?qū)θ ⒎?、安裝和卸載工件有嚴(yán)格的定位要求，因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)候，對(duì)垂直手臂、機(jī)械手爪和腰部均采用開環(huán)結(jié)構(gòu)的控制，而水平手臂對(duì)位移要求較高，所以采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)的控制，控制原理如圖4.2所示。
圖4.2 水平手臂閉環(huán)控制原理圖
為了降低PLC 的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，采用伺服放大器作為比較點(diǎn)。伺服放大器能夠?qū)LC輸入和位移傳感器反饋的信號(hào)進(jìn)行放大和調(diào)節(jié)，然后輸出給伺服閥，對(duì)水平手臂的伸縮進(jìn)行定位。這種控制能夠有效的減少PLC對(duì)模擬量的控制，并且程序的編寫也較為簡(jiǎn)單，能夠滿足要求。
機(jī)械手爪的張開和閉合可以通過柱塞缸與齒輪進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中柱塞缸的行程是由單線圈的電磁閥控制。當(dāng)線圈失電時(shí)，柱塞缸不工作；當(dāng)線圈得電，柱塞缸沖程時(shí)帶動(dòng)機(jī)械手爪張開，柱塞缸回程時(shí)帶動(dòng)機(jī)械手爪閉合。
為了確保設(shè)備的安全性，當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到數(shù)控機(jī)床上方，準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作的時(shí)候，必須在數(shù)控機(jī)床停止工作并發(fā)出命令，才允許機(jī)械手下降進(jìn)行工作。同時(shí)，在從料架上抓取工件時(shí)，應(yīng)該先判斷料架上是否有可抓取的工件。
4.3.2 作業(yè)流程
上下料機(jī)械手的作業(yè)流程如圖4.3所示。
圖4.3 上下料機(jī)械手作業(yè)流程圖
機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)鍵，機(jī)械手接收到有上料命令的時(shí)候→水平液壓缸開始前伸，位移傳感器感應(yīng)到伸出位移到位時(shí)給伺服閥發(fā)送指令→液壓缸停止前伸；下降電磁閥3DT和手爪張開動(dòng)作電磁閥5DT同時(shí)得電，機(jī)械手臂開始下降，手爪張開→當(dāng)碰到下限行程開關(guān)SM2，下降電磁閥3DT斷電，手臂停止下降，手爪開始抓取并夾緊待加工的工件→上升電磁閥2DT得電同時(shí)帶動(dòng)機(jī)械手臂上升，直到碰到上限行程開關(guān)SM1→上升電磁閥2DT斷電，上升停止→隨后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)PLC輸出高速脈沖，機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到轉(zhuǎn)到90°→脈沖輸出停止，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)→接著下降電磁閥3DT得電，機(jī)械手臂開始下降→當(dāng)碰到下限行程開關(guān)SM2，下降電磁閥3DT斷電并且機(jī)械手臂停止下降，機(jī)械手到達(dá)卡盤的中心上方→隨后，機(jī)械手開始后縮進(jìn)行水平定位，定位成功后，手爪松開，工件放置到位→接著，上升電磁閥2DT得電，手臂開始上升→上升到位后，碰到上限位開關(guān)SM1，上升電磁閥2DT斷電，上升動(dòng)作停止→PLC輸出高速脈沖，并驅(qū)動(dòng)機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到旋轉(zhuǎn)到90°→脈沖輸出停止，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)→機(jī)械手回到原點(diǎn)，上料動(dòng)作完成，機(jī)床開始對(duì)工件進(jìn)行加工。
當(dāng)工件加工完成，在機(jī)械手接收到下料命令以后→步進(jìn)電動(dòng)機(jī)迅速驅(qū)動(dòng)PLC輸出高速脈沖，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到旋轉(zhuǎn)到90°→脈沖輸出停止，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)→此時(shí)，3DT和5DT同時(shí)得電，機(jī)械手開始下降，手爪張開→當(dāng)碰到SM2時(shí)，3DT斷電，手臂停止下降，手爪開始抓取加工好的工件，機(jī)床卡盤松開→機(jī)械手前伸，將工件從機(jī)床上取下來運(yùn)走→接著，2DT通電，機(jī)械手上升→上升到位后，碰到SM1，2DT斷電，機(jī)械手上升動(dòng)作停止→PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到轉(zhuǎn)到90°→脈沖輸出停止，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)→接著3DT得電，機(jī)械手臂開始下降→當(dāng)碰到SM2時(shí)，3DT斷電并且機(jī)械手臂停止下降→然后，5DT得電，機(jī)械手爪張開，放下工件并準(zhǔn)備離開→接著，2DT通電，機(jī)械手開始上升→上升到位后，碰到SM1，2DT斷電,機(jī)械手爪閉合→機(jī)械手水平手臂開始后縮，當(dāng)后縮到位時(shí)，位移傳感器給伺服閥發(fā)送指令，后縮停止→機(jī)械手回到原點(diǎn),下料完成。
一個(gè)上下料過程完成后，機(jī)械手都會(huì)在原點(diǎn)等待命令，準(zhǔn)備下一個(gè)工件，機(jī)械手的每一次上下料過程都是在原點(diǎn)開始動(dòng)作。
4.3.3 操作面板的布置
機(jī)械手的操作面板如圖4.4所示，分為自動(dòng)操作和手動(dòng)操作兩種。
圖4.4 機(jī)械手操作面板示意圖
1．自動(dòng)操作：當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)時(shí)，原點(diǎn)指示燈亮起，將旋鈕撥到自動(dòng)檔位，按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手自動(dòng)做周期性、連續(xù)性的循環(huán)。
2．手動(dòng)操作：用按鈕控制機(jī)械手的每一個(gè)動(dòng)作。當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)時(shí)，原點(diǎn)指示燈亮起，調(diào)至手動(dòng)檔位并同時(shí)選擇升/降按鈕，在按下啟動(dòng)按鈕的時(shí)候，機(jī)械手上升；而按下停止按鈕，則機(jī)械手下降；同理，當(dāng)選擇夾緊/松開時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手爪夾緊，而按下停止按鈕，機(jī)械手爪松開。
4.3.4 PLC的系統(tǒng)組成及其工作原理
PLC又稱為可編程邏輯控制器，是專門為工業(yè)生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的電子裝置，它具有邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)與計(jì)數(shù)等功能。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[19]。
PLC主要有中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口、電源單元、編程單元、I/O拓展接口等組成。PLC的工作分為3個(gè)階段，分別是輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。在PLC運(yùn)行期間，PLC會(huì)依次以掃描的方式讀取用戶輸入的數(shù)據(jù)，并將其存入相應(yīng)的單元內(nèi)。待采樣結(jié)束，PLC將進(jìn)入程序執(zhí)行階段，按照自上而下的順序掃描程序，并按照先左后右、先上后下的順序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，最后進(jìn)入輸出刷新階段[20]。
4.3.5 PLC型號(hào)的選擇
考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性以及可靠性，因此，控制器要求具有良好的適應(yīng)性、優(yōu)良的可拓展性，而PLC具有簡(jiǎn)單易操作，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)通信、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)穩(wěn)定、物美價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮，在本次控制系統(tǒng)中采用國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的西門子S7-200 CPU224型PLC結(jié)合步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[21]。
該P(yáng)LC中的CPU共集成24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)，其中輸入和輸出分別為14、10，最多可以連接7個(gè)拓展模塊。除此以外，本PLC還具有13k字節(jié)的存儲(chǔ)空間來儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)，具有3種通訊能力，分別是PPI通訊、MPI通訊和自由通訊，具有較強(qiáng)的控制能力[21-22]。西門子S7-200 CPU224型PLC如圖4.5所示。
圖4.5 西門子S7-200CPU224型PLC
4.3.6 I/O地址分配
因?yàn)樗欧糯笃骱臀灰苽鞲衅髟诠ぷ鞯臅r(shí)候輸出均為模擬量，為了便于控制，故增加一個(gè)模擬量輸出模塊EM232。在控制過程中，PLC會(huì)將上位機(jī)給定的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，輸出給伺服放大器，然后再通過EM232控制伺服驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制電液伺服閥的通斷電。因此，對(duì)水平手臂的伸縮不進(jìn)行I/O地址分配。具體的PLC輸入/輸出地址分配分別如表4.1、4.2所示。
表4.1 PLC輸入元件地址分配表
控 制 元 件
符 號(hào)
編程
地址
備 注
停止開關(guān)
SB0
I0.0
按下停止工作
啟動(dòng)開關(guān)
SB1
I0.1
按下開始工作
垂直液壓缸上限行程開關(guān)
SM1
I0.2
垂直液壓缸下限行程開關(guān)
SM2
I0.3
機(jī)床上下料命令開關(guān)
SB2
I0.4
檢測(cè)料架有無工件開關(guān)
SP0
I0.5
常閉開關(guān)，閉合表示有工件
控制面板升/降選擇開關(guān)
SQ1
I0.6
用于手動(dòng)調(diào)整
控制面板夾緊/松開選擇開關(guān)
SQ2
I0.7
用于手動(dòng)調(diào)整
控制面板順/逆旋轉(zhuǎn)選擇開關(guān)
SQ3
I1.0
用于手動(dòng)調(diào)整
控制面板手動(dòng)工作選擇開關(guān)
SQ4
I1.1
閉合為手動(dòng)
控制面板自動(dòng)工作選擇開關(guān)
SQ5
I1.2
閉合為自動(dòng)
表4.2 PLC輸出元件地址分配表
控 制 元 件
符 號(hào)
編程
地址
備注
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)PLC輸出高速脈沖
KM
Q0.0
輸出高速脈沖
垂直液壓缸上升動(dòng)作電磁閥
2DT
Q0.1
步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制
KM1
Q0.2
控制電機(jī)正轉(zhuǎn)
垂直液壓缸下降動(dòng)作電磁閥
3DT
Q0.3
手爪張開動(dòng)作電磁閥
5DT
Q0.4
機(jī)械手原點(diǎn)狀態(tài)指示燈
L1
Q0.5
顯示原點(diǎn)位置
步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制
KM2
Q0.6
控制電機(jī)反轉(zhuǎn)
4.3.7 PLC外部接線設(shè)計(jì)
根據(jù)I/O地址分配畫出外部接線圖，如圖4.6所示。
圖4.6 PLC外部接線圖
4.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.4.1 控制流程
在沒有按下啟動(dòng)鍵時(shí)，PLC進(jìn)行初始化，當(dāng)按下啟動(dòng)鍵后，系統(tǒng)開始選擇自動(dòng)操作和手動(dòng)操作，自動(dòng)操作執(zhí)行自動(dòng)程序，直至按下停止按鈕，程序結(jié)束。機(jī)械手的控制流程如圖4.7所示。
圖4.7 控制流程圖
4.4.2 程序設(shè)計(jì)
機(jī)械手的PLC控制程序采用Siemens S7-200編程軟件STEP7-Micro/win64進(jìn)行編寫程序[23]，如圖4.8所示。
圖4.8 STEP7-Micro/win64編程軟件窗口圖
1．雙擊STEP 7 Micro/WIN SP9 V4.0圖標(biāo)，打開安裝好的軟件，進(jìn)入主頁(yè)面后，選擇新建項(xiàng)目，出現(xiàn)一個(gè)項(xiàng)目1；
2．雙擊項(xiàng)目1下方的按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇PLC的類型及CPU版本，點(diǎn)擊確定；
3．單擊菜單欄的查看，選擇梯形圖語(yǔ)言，（也可選STL（語(yǔ)句表）、FBD（功能塊））；
4．選擇MAIN主程序，在網(wǎng)絡(luò)1中輸入程序。單擊網(wǎng)絡(luò)1中的，從菜單欄或指令樹中選擇相關(guān)符號(hào)[24]。如在指令樹中選擇，可在指令樹中雙擊，從中選擇常開觸點(diǎn)符號(hào)，雙擊；再選擇調(diào)用子程序符號(hào)，選擇需要調(diào)用的子程序。如果需要輸出，只要選擇位邏輯指令下方的輸出線圈指令即可。在編寫程序的過程中，如果發(fā)現(xiàn)程序過于復(fù)雜、龐大，可以靈活選擇工具欄中的向上/下連線、向左/右連線按鈕；
5．單擊編輯區(qū)中的，輸入相應(yīng)的器件號(hào)；
6．為了方便維修與調(diào)試，在程序編輯過程中，可以給每個(gè)程序加上注釋，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)加上標(biāo)題；
7．在菜單欄的文件中選擇保存，輸入“自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)”文件名，保存成為nwp格式的文件，方便后續(xù)程序的修改；
8．通過編寫程序并進(jìn)行調(diào)試、翻譯，最終得到具體的梯形圖程序（LAD）和STL程序，詳細(xì)的梯形圖見附錄。
4.5 本章小結(jié)
本章主要內(nèi)容為機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先闡述控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能，然后確定上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，其后根據(jù)本設(shè)計(jì)的控制要求以及作業(yè)流程，對(duì)PLC進(jìn)行型號(hào)選擇以及I/O地址的分配，最后對(duì)程序的控制流程進(jìn)行了分析，通過編寫程序進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。
5 PLC程序的模擬仿真
受實(shí)際情況的限制，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)僅僅提供了一種控制方式的設(shè)計(jì)思想，完全沒必要花費(fèi)巨額投資來實(shí)現(xiàn)，因此采用S7-200仿真軟件驗(yàn)證程序的可靠性。
5.1 S7-200的介紹
S7-200的仿真軟件最早是由西班牙的PLC愛好者開發(fā)，后來傳入國(guó)內(nèi)被漢化。該軟件可以仿真大量的S7-200指令（支持常用的邏輯運(yùn)算指令、定時(shí)指令、位觸點(diǎn)指令、比較指令、計(jì)數(shù)器指令和大部分?jǐn)?shù)學(xué)運(yùn)算指令等），并且提供了數(shù)字信號(hào)輸入開關(guān)，2個(gè)模擬電位器和發(fā)光二極管的輸出顯示，同時(shí)支持對(duì)TD-200文本顯示器的仿真[25]。仿真界面如圖5.1所示。
圖5.1 S7-200仿真軟件窗口圖
本軟件可以識(shí)別awl格式的文件，其工作方式為解釋運(yùn)行。因此，在程序編輯完成后，應(yīng)該將程序?qū)С鰹閍wl格式。程序在模擬仿真過程中，執(zhí)行速度只與掃描頻率的快慢有關(guān)，而與程序本身的長(zhǎng)度無關(guān)。
5.2 仿真步驟
1．在程序編寫完成后，點(diǎn)擊工具欄中的全部編譯按鈕，檢查程序是否有錯(cuò)誤。檢查結(jié)果如圖5.2所示；
圖5.2 程序檢查結(jié)果圖
2．程序檢查無誤后，將程序?qū)С鰹閍wl格式的文件；
3．啟動(dòng)仿真器，雙擊CPU類型選擇區(qū)，選擇224類型的CPU，點(diǎn)擊確定按鈕；
4．單擊菜單欄中的程序，選擇載入程序，將程序?qū)敕抡孳浖?。部分梯形圖、語(yǔ)句表如圖5.3所示；
圖5.3 部分梯形圖、語(yǔ)句表圖
5．點(diǎn)擊工具欄按鈕，開始仿真。
5.3 仿真結(jié)果
因程序較長(zhǎng)，本文就簡(jiǎn)單介紹一下垂直手臂的升/降程序、手爪的張開/夾緊程序的仿真結(jié)果。
1．按下I1.1,調(diào)用子程序SBR_1；
2．按下I0.6，I0.1，Q0.1輸出，手臂開始上升；
3．按下I0.6，I0.0，Q0.3輸出，手臂開始下降；
4．按下I0.7，I0.1，手爪抓緊；
5．按下I0.7，I0.0，手爪松開；
6．經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，程序中沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤，故滿足工作要求。
5.4 本章小結(jié)
本章主要內(nèi)容為利用S7-200仿真軟件對(duì)程序進(jìn)行模擬仿真，仿真的結(jié)果主要通過觀察軟件顏色的變化判斷按鈕是否得電，從而判斷程序是否正確運(yùn)行。通過以上仿真結(jié)果，可以驗(yàn)證程序的合理性，能夠滿足生產(chǎn)的要求。
6 總結(jié)與展望
6.1 總結(jié)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要研究了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特性以及控制系統(tǒng)的相關(guān)理論，并在實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上形成具體方案，設(shè)計(jì)基于PLC控制的機(jī)械手系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)上下料。在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到生產(chǎn)實(shí)踐的需要，分為4個(gè)步驟，分別是：機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)、本體設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及PLC程序的模擬仿真。
本設(shè)計(jì)主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究：
1．首先通過閱讀大量的文獻(xiàn)資料，了解國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的研究現(xiàn)狀，深入學(xué)習(xí)了相關(guān)的理論知識(shí)，并對(duì)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)等進(jìn)行了總結(jié)和歸納，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)現(xiàn)狀的了解，對(duì)存在的問題進(jìn)行分析，并最終解決問題。
2．在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，機(jī)械手的相關(guān)理論知識(shí)為任務(wù)的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。
3．利用多門學(xué)科的知識(shí)以及根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，分別對(duì)機(jī)械手的腰座、手臂、腕部、手爪展開了分析，并形成設(shè)計(jì)方案。
4．在控制系統(tǒng)中采用國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用最多的控制器PLC，根據(jù)任務(wù)的要求，經(jīng)過選擇PLC的型號(hào)、PLC接線圖的設(shè)計(jì)、I/O地址的分配以及控制程序的編寫、仿真，最終形成了控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的目的。
本機(jī)械手可以和機(jī)床相配合使用，實(shí)現(xiàn)工件在加工過程的自動(dòng)化，并且只要把手爪稍微進(jìn)行改變或者更換，就可以抓取不同形狀、類型的工件?？刂葡到y(tǒng)采用可編程邏輯控制器，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制。當(dāng)加工工序有所改變時(shí)，只需要重新分配I/O點(diǎn)，就可實(shí)現(xiàn)其功能。
通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對(duì)機(jī)械手設(shè)計(jì)的相關(guān)理論知識(shí)以及軟件的使用有了很大的收獲，同時(shí)也對(duì)大學(xué)四年的知識(shí)有了一個(gè)深層次的理解，相信這些對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和工作大有裨益。
6.2 展望
雖然已經(jīng)完成了課題相關(guān)的研究和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，但是受限于國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀和本人對(duì)機(jī)械手方面的了解，課題和系統(tǒng)的發(fā)展仍存在一些問題沒有很好的解決，如由于機(jī)械手的自由度過低，導(dǎo)致對(duì)于某些復(fù)雜的動(dòng)作難以實(shí)現(xiàn)。此外，對(duì)于加工大批量工件時(shí)，由于系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，進(jìn)而加工效率低，不能普遍使用。
在今后的發(fā)展階段，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)還有許多方面需要完善和改進(jìn)：
1．加大對(duì)關(guān)鍵零部件的研發(fā)制造，例如：伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、末端執(zhí)行器、傳感器等，只有良好的零部件才能提高加工精度。
2．采用多自由度的機(jī)械手，以便使機(jī)械手更加靈活，可以適合不同場(chǎng)合的需要。
6 總結(jié)與展望
3．重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差范圍，與驅(qū)動(dòng)器的分辨率和反饋裝置有關(guān)。誤差范圍越小，重復(fù)精度就越高，從而能夠達(dá)到準(zhǔn)確定位。因此提高重復(fù)精度也尤為重要[26]。
4．由“可編程序控制器-傳感器-氣動(dòng)元件”組成的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的主要方面，繼機(jī)電氣一體化的相結(jié)合將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[27-28]。
隨著科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展，人工智能的時(shí)代已經(jīng)到來，相信在不久的將來自動(dòng)上下料機(jī)械手將會(huì)完全代替工人，能夠切實(shí)解決工業(yè)遇到的疑難問