時(shí)間：2022-05-10 10:18:55
導(dǎo)語(yǔ)：在機(jī)械手設(shè)計(jì)論文的撰寫(xiě)旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了一篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
摘 要：本文結(jié)合機(jī)械手的工作過(guò)程原理和控制要求，設(shè)計(jì)了基于PLC控制的機(jī)械手，重點(diǎn)介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、PLC的選擇以及PLC程序設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC） 機(jī)械手 控制
一、機(jī)械手的工作過(guò)程及控制要求
1.機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)
機(jī)械手是一個(gè)水平、垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，有上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來(lái)控制，電磁閥由PLC控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中。圖1-1為機(jī)械手簡(jiǎn)圖，其中 1-執(zhí)行氣爪，2-水平伸縮氣缸，3-旋轉(zhuǎn)軸，4-豎直氣缸，5-底座，6-工件。
機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個(gè)方面組成。采集感知信號(hào)及控制信號(hào)均由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)。主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動(dòng)機(jī)械手能拓展成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。由于采用了模塊化拼裝結(jié)構(gòu)，可組成立柱型氣動(dòng)機(jī)械手、門(mén)架型氣動(dòng)機(jī)械手及滑塊型氣動(dòng)機(jī)械手，及其它各種類(lèi)型的機(jī)械手。氣動(dòng)機(jī)械手具有三個(gè)自由度，即水平（Z）方向自由度、垂直（Y）方向自由度和旋轉(zhuǎn)自由度，并可以采用多種靈活的控制方案。
2.機(jī)械手的控制要求
根據(jù)要求：機(jī)械手初始位置在原點(diǎn)位置，每次循環(huán)動(dòng)作都從原點(diǎn)位置開(kāi)始，完成上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)位置下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，左傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物品后，左傳送帶停止運(yùn)行。根據(jù)分析可得出機(jī)械手的工作流程圖，如圖2-1所示。
機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作，自動(dòng)操作又分為單周期操作和連續(xù)操作方式。
2.1 機(jī)械手的自動(dòng)運(yùn)行：
① 下降：② 加緊工件：③ 上升： ④ 右移： ⑤ 下降：⑥ 放松工件：⑦ 上升： ⑧ 左移：⑨ 回到原位又開(kāi)始新的工作循環(huán)周期。
2.2 機(jī)械手的手動(dòng)運(yùn)行
手動(dòng)運(yùn)行是指機(jī)械手的上升、下降、左移、右移及夾緊操作通過(guò)對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕控制，與操作順序無(wú)關(guān)。
二、機(jī)械手PLC控制的設(shè)計(jì)
1.設(shè)計(jì)思路
考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器（PLC）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。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。
送料機(jī)械手的動(dòng)作示意圖如圖3-1 所示。啟動(dòng)控制有2種，1個(gè)由啟動(dòng)開(kāi)關(guān)安裝在現(xiàn)場(chǎng)，1個(gè)由通過(guò)組態(tài)王軟件控制。在控制面板上，安裝一個(gè)檔位開(kāi)關(guān)，分手動(dòng)和自動(dòng)兩大檔位，手動(dòng)擋包括調(diào)試和回原位兩檔，自動(dòng)擋分單步、半自動(dòng)和全自動(dòng)三檔，要求自動(dòng)擋的操作必須在回原位的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行。
2.PLC的選擇
該機(jī)械手的控制為純開(kāi)關(guān)量控制，且所要的I/O點(diǎn)數(shù)不多，因此選擇一般小型抵擋機(jī)即可。由于所要的I/O點(diǎn)數(shù)為15/6點(diǎn)，考慮到機(jī)械手操作的工藝固定，PLC的I/O點(diǎn)基本上可不留裕量。
由于不同記性的PLC，其I/O點(diǎn)的編號(hào)不同，因此應(yīng)根據(jù)所選擇的機(jī)型，對(duì)PLC的I/O點(diǎn)分配編號(hào)。如圖所示的編號(hào)。
3.PLC程序設(shè)計(jì)
為了便于編程，先繪制出整個(gè)控制程序的結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-1所示。
在該結(jié)構(gòu)框圖中，當(dāng)操作方式選擇開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)”時(shí)，輸入點(diǎn)X407接通，其輸入繼電器常閉接點(diǎn)斷開(kāi)，執(zhí)行手動(dòng)操作程序。
由于手動(dòng)程序和自動(dòng)程序采用了跳轉(zhuǎn)指令，因此在著兩個(gè)程序段可以采用同樣的一套輸出繼電器。
用移位器編程：由于自動(dòng)操作的控制比較，不容易直接設(shè)計(jì)出梯形圖，因此可以先畫(huà)出自動(dòng)的操作流程圖，用以表明動(dòng)作的順序和條件，如圖3-2。
圖3-2中，矩形方框代表完成某一動(dòng)作的控制程序，方框之間的箭頭線(xiàn)用以表示程序的轉(zhuǎn)換，箭頭線(xiàn)上的小橫線(xiàn)用以表示轉(zhuǎn)換的條件。
當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)時(shí)，壓下上限位開(kāi)關(guān)和左限開(kāi)關(guān)，輸入點(diǎn)X402和X404接通，產(chǎn)生原點(diǎn)指示輸出。
根據(jù)自動(dòng)操作的流程圖，就可以設(shè)計(jì)自動(dòng)操作的梯形圖如圖3-3所示。
梯形圖的控制原理：
3.1連續(xù)及單周期操作
在連續(xù)及單周期操作方式下，單步輸入點(diǎn)X410斷開(kāi)，輸入繼電器X410常閉接點(diǎn)閉合，將位移寄存器的位移輸入直接接入輸入端。
當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)時(shí)，壓下上限位開(kāi)關(guān)和左限位開(kāi)關(guān)，輸入點(diǎn)X402和X404接通，Y435接通，原點(diǎn)指示燈亮。
① 按下起動(dòng)按鈕，M120接通并自保，移位器數(shù)據(jù)輸入端接通，M100置“1”，Y430接通，下降電磁閥得電，機(jī)械手下降。
② 下降到底碰到下限位開(kāi)關(guān)時(shí)，輸入繼電器X401接通，Y430斷開(kāi)，下降停止，同時(shí)產(chǎn)生移位信號(hào)，將M100的“1”態(tài)移到M101。M101的常開(kāi)接點(diǎn)將Y431接通，夾緊電磁閥的電，機(jī)械手夾緊工件，T450開(kāi)始計(jì)時(shí)。同時(shí)，M101的常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開(kāi)，使M100置“0”。
③T450延3s后，其常開(kāi)接點(diǎn)閉合，產(chǎn)生移位信號(hào)，將M102置“1”，M101置“0”。M102的常開(kāi)接點(diǎn)將Y432接通，上升電磁閥得電，機(jī)械手上升。同時(shí)，M102的常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開(kāi)。
④上升到頂碰到上限位開(kāi)關(guān)時(shí)，輸入繼電器X402接通，Y432斷開(kāi)，上升停止，同時(shí)產(chǎn)生移位信號(hào)，將M103置“1”，M102置“0”，M103的常開(kāi)接點(diǎn)將Y433接通，右移電磁閥得電，機(jī)械手右移。同時(shí)，M103的常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開(kāi)。
⑤ 右移到位碰到右限位開(kāi)關(guān)時(shí)，輸入繼電器X402接通，Y432斷開(kāi)，右移停止，同時(shí)產(chǎn)生移位信號(hào)，將M104置“1”，M103置“0”。M104的常開(kāi)接點(diǎn)閉合，若此時(shí)右工作臺(tái)無(wú)工件，則光電開(kāi)關(guān)因露光而導(dǎo)通，其常開(kāi)接點(diǎn)使輸入繼電器X405接通，Y430再次接通，機(jī)械手下降。同時(shí)，M104的常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開(kāi)。若右工作臺(tái)有工件，則光電開(kāi)關(guān)因遮光面斷開(kāi)，X405斷開(kāi)，Y430不能接通，機(jī)械手暫停等待。
3.2設(shè)計(jì)小結(jié)
機(jī)械手采用PLC控制技術(shù)后，操控簡(jiǎn)便，系統(tǒng)線(xiàn)路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)還能根據(jù)不同用戶(hù)的需求對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展，提高了工作效率及檢測(cè)準(zhǔn)確性。
摘 要：由于氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，控制方便等優(yōu)點(diǎn)，并可以根據(jù)各種自動(dòng)化設(shè)備的工作需要，按照設(shè)定的程序工作，因此它在自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線(xiàn)上被廣泛應(yīng)用。由于企業(yè)需要對(duì)變送器進(jìn)行高低溫補(bǔ)償，針對(duì)公司現(xiàn)有的提供補(bǔ)償所用的高低溫箱，設(shè)計(jì)了一套小型的用來(lái)放置變送器的立體框架，它采用了三菱PLC控制的氣動(dòng)機(jī)械手將準(zhǔn)備進(jìn)行高低溫補(bǔ)償?shù)淖兯推?，放置到框架上下兩層的各工位上。在詳?xì)研究了氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作循環(huán)及工作原理之后，根據(jù)該氣動(dòng)機(jī)械手的工作流程，設(shè)計(jì)了氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和三菱PLC控制系統(tǒng)。包括氣動(dòng)原理的制定、氣動(dòng)元件的選擇以及三菱PLC選型和順序功能圖的編寫(xiě)。氣動(dòng)機(jī)械手采用多位置氣缸，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在框架每層各工位之間的操作；并使機(jī)械手操作氣缸沿立柱上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在上下兩層之間的操作。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；控制系統(tǒng)
一、機(jī)械手的單個(gè)工作流程
機(jī)械手移動(dòng)到傳送帶B工件處夾緊工件――將工件移動(dòng)到指定位置傳送帶A―放下工件―機(jī)械手回到初始位置五個(gè)過(guò)程完成，機(jī)械手通過(guò)三菱PLC來(lái)控制，可實(shí)現(xiàn)這五個(gè)過(guò)程全自動(dòng)依次運(yùn)行：A）械手移動(dòng)到工件B處：機(jī)械手分別通過(guò)步進(jìn)電機(jī)及直流電機(jī)來(lái)控制，使得機(jī)械手移到工件（傳送帶B）處，移動(dòng)的最大位置通過(guò)相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制；B）工件移動(dòng)到指定位置：機(jī)械手分別通過(guò)步進(jìn)電機(jī)及直流電機(jī)來(lái)控制，使得機(jī)械手移到工件（傳送帶A）處，移動(dòng)的最大位置通過(guò)相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制；）C夾放工件：通過(guò)夾緊/放下直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)來(lái)控制，夾緊工件通過(guò)定時(shí)器來(lái)控制，即憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)時(shí)間（本系統(tǒng)設(shè)為55），在這個(gè)時(shí)間內(nèi)機(jī)械手能完全夾緊工件；D）放下工件：通過(guò)夾緊/放下直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)來(lái)控制，通過(guò)松限開(kāi)關(guān)來(lái)控制；E）機(jī)械手回到初始位置：機(jī)械手分別通過(guò)步進(jìn)電機(jī)及直流電機(jī)來(lái)控制，使得機(jī)械手移到初始位置處，移動(dòng)的最大位置通過(guò)相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制。
二、機(jī)械手的操作方式
機(jī)械手的操作方式可分為手動(dòng)操作方式和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)操作方式又分為單步、單周期和連續(xù)操作方式。（1）手動(dòng)：用按鈕操作對(duì)機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制，如：當(dāng)選擇上/下運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手上升，按下停止按鈕，機(jī)械手下降；當(dāng)選擇左/右運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手左移，按下停止按鈕，機(jī)械手右移；當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手夾緊，按下停止按鈕，機(jī)械手放松，該方式用于機(jī)械手系統(tǒng)的“回原位”操作本系統(tǒng)中，可用手動(dòng)方式用于機(jī)械手的初始狀態(tài)定位，用操作面板上的按鈕來(lái)點(diǎn)動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的各動(dòng)作；（2洋步：每按一次起動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后，自動(dòng)停止；（3洋周期操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按一下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，返回原位（如果在動(dòng)作過(guò)程中，按下停止按鈕，機(jī)械手停在該工序上，再按下起動(dòng)按鈕，則又從該工序繼續(xù)工作，最后停在原位），本系統(tǒng)采用單周期方式進(jìn)行機(jī)械手的工藝過(guò)翟機(jī)械手移動(dòng)到傳送帶B工件處―夾緊工件―將工件移動(dòng)到指定位置傳送帶A―放下工件―機(jī)械手回到初始位置）；（4漣續(xù)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按一下起動(dòng)按鈕SB3，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)，在工作中，若按一下停止按鈕SB4，則機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止。
三、C械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
氣動(dòng)機(jī)械手硬件系統(tǒng)由四個(gè)氣缸、三個(gè)真空吸盤(pán)、限位磁性接近開(kāi)關(guān)、5個(gè)兩位五通電磁氣閥和1個(gè)兩位兩通電磁氣閥組成的閥島、控制面板、接線(xiàn)端子、三菱PLC、按鈕開(kāi)關(guān)及指示燈等相關(guān)電氣元件組成。當(dāng)按鈕開(kāi)關(guān)或磁性接近開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)傳遞到三菱PLC輸入端子，經(jīng)過(guò)三菱PLC程序處理，三菱PLC發(fā)出動(dòng)作控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)主控閥電磁線(xiàn)圈的通斷，控制壓縮空氣的運(yùn)動(dòng)方向，使氣缸產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。要實(shí)現(xiàn)前述控制任務(wù)要求，其控制部分包括氣動(dòng)回路與三菱PLC控制部分。氣動(dòng)機(jī)械手的氣壓控制回路如圖3所示。氣源產(chǎn)生壓縮空氣，經(jīng)三聯(lián)件處理后，經(jīng)兩位五通閥和單向節(jié)流閥分別進(jìn)入滑臺(tái)氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、懸臂氣缸、升降氣缸。兩位五通閥電磁線(xiàn)圈的通斷決定了氣缸的動(dòng)作，比如控制滑臺(tái)氣缸的二位五通閥通電時(shí)，滑臺(tái)氣缸本體（缸體）左移；斷電時(shí)滑臺(tái)氣缸本體（缸體）右移。本機(jī)械手選擇兩位閥，而沒(méi)有選擇具有中位機(jī)能的三位閥，主要是為了減少控制信號(hào)，減少三菱PLC的輸出點(diǎn)數(shù)。單向節(jié)流閥的作用是調(diào)節(jié)氣缸的運(yùn)動(dòng)速度，產(chǎn)生一定的背壓緩沖。對(duì)真空吸盤(pán)吸光盤(pán)的過(guò)程，當(dāng)真空發(fā)生器通過(guò)高壓氣體時(shí)，產(chǎn)生一定的真空度，實(shí)現(xiàn)吸光盤(pán)，此時(shí)，兩位五通閥處于通電狀態(tài)，兩位兩通閥處于斷電狀態(tài)。對(duì)放光盤(pán)的過(guò)程，要求高壓氣體先經(jīng)兩位兩通閥，通過(guò)真空吸盤(pán)將吸附的光盤(pán)吹落，延遲一段時(shí)間后斷開(kāi)真空吸盤(pán)的氣路，以節(jié)約用氣量，故要求在兩位五通閥通電、兩位兩通閥斷電狀態(tài)下，兩位兩通閥先通電，延遲一段時(shí)間后，兩位五通閥再斷電，然后兩位兩通閥再斷電。
四、機(jī)械手電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
應(yīng)用三菱PLC作為電氣控制，可以減化控制線(xiàn)路，降低故障率，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多種動(dòng)作線(xiàn)路，具有一定的柔性，也適于教學(xué)演示。一般機(jī)械手有手動(dòng)、自動(dòng)控制之分，手動(dòng)控制主要用來(lái)硬件調(diào)試。自動(dòng)控制中也分單步、單周期、周期循環(huán)等工作狀態(tài)。其控制要求為：按下啟動(dòng)按鈕，檢測(cè)氣動(dòng)機(jī)械手是否處于原位，如果不是，按下復(fù)位按紐回到原位，如果是，則檢測(cè)氣動(dòng)機(jī)械手處于何種工作狀態(tài)下，單步意味著每按下一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手執(zhí)行一步動(dòng)作；單周期指執(zhí)行一次動(dòng)作循環(huán)，最后回到初始位置；周循環(huán)則是機(jī)械手重復(fù)不斷的執(zhí)行動(dòng)作，直到按下復(fù)位或停止按鈕為止。根據(jù)機(jī)械手的硬件結(jié)構(gòu)，三菱PLC輸入信號(hào)有：工作狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)輸入、啟動(dòng)停止按鈕輸入、磁性接近開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入、手動(dòng)開(kāi)關(guān)輸入及程序選擇開(kāi)關(guān)輸入共22個(gè)輸入點(diǎn)；機(jī)械手的輸出信號(hào)有：驅(qū)動(dòng)4個(gè)氣缸的電磁閥線(xiàn)圈4個(gè)，控制真空吸盤(pán)的電磁閥線(xiàn)圈2個(gè)，原點(diǎn)指示燈1個(gè)，共7個(gè)輸出點(diǎn)。選擇輸入點(diǎn)大于22點(diǎn)，輸出點(diǎn)大于7點(diǎn)的三菱PLC，可選擇三菱的FX2n-48MR。
五、機(jī)械手三菱PLC程序設(shè)計(jì)
氣機(jī)械手的控制及動(dòng)作路線(xiàn)由三菱PLC的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)前述要求，該程序框架采用調(diào)用子程序方法，在主程序中實(shí)現(xiàn)機(jī)械手工作狀態(tài)的選擇，子程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的復(fù)位和動(dòng)作路線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)，這種程序框架邏輯清晰，便于閱讀與修改擴(kuò)展，其程序框架如圖所示。
在搬運(yùn)光盤(pán)的過(guò)程中，光盤(pán)會(huì)越搬越少，故選擇循環(huán)動(dòng)作工作狀態(tài)時(shí)，每次機(jī)械手下降的行程會(huì)逐漸增長(zhǎng)，故程序中沒(méi)有使用升降氣缸的伸出限位開(kāi)關(guān)來(lái)反饋位置信號(hào)，而是以三菱PLC的軟時(shí)間繼電器設(shè)置合適的延遲時(shí)間來(lái)代替，當(dāng)光盤(pán)被搬空時(shí)，升降氣缸伸出限位開(kāi)關(guān)被觸動(dòng)時(shí)，機(jī)械手就自動(dòng)復(fù)位，回初始位置。
結(jié)論
氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、成本低等特點(diǎn)。針對(duì)公司現(xiàn)有的高低溫箱，設(shè)計(jì)了一套小型的用來(lái)放置變送器的立體框架，它采用了三菱PLC控制的氣動(dòng)機(jī)械手，將準(zhǔn)備進(jìn)行高低溫補(bǔ)償?shù)淖兯推鳎胖玫娇蚣苌舷聝蓪拥母鞴の簧?，?shí)現(xiàn)了變送器的高低溫補(bǔ)償系統(tǒng)。并設(shè)計(jì)了氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和三菱PLC控制系統(tǒng)。包括氣動(dòng)原理的制定、氣動(dòng)元件的選擇以及三菱PLC選型和順序功能圖的編寫(xiě)。氣動(dòng)機(jī)械手采用了多位置氣缸，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在框架每層各工位之間的操作；并使機(jī)械手使用氣缸沿立柱上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在上下兩層之間的操作。本設(shè)計(jì)提高了生產(chǎn)的速度，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了人力資源，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
摘要：本文重點(diǎn)就PLC控制的智能機(jī)械手進(jìn)行了設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的取料機(jī)械手通過(guò)機(jī)械、氣動(dòng)、電氣和PLC控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)，可以廣泛應(yīng)用于各大行業(yè)的取料領(lǐng)域，實(shí)踐表明，該系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確的對(duì)控制要求做出反應(yīng)，具有可靠性高、靈活性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，可大大提高生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：PLC控制；智能機(jī)械手；設(shè)計(jì)
智能仿生機(jī)械手用智能手機(jī)的iOS應(yīng)用程序進(jìn)行控制的一款靈敏系數(shù)很高的一種仿生手。2013年帕特里克?凱恩成為英國(guó)首位裝配智能仿生手的人。這款機(jī)械手名為i-limb，可以用智能手機(jī)的iOS應(yīng)用程序進(jìn)行控制。帕特里克還能控制5個(gè)獨(dú)立供能的手指，其中大拇指還能旋轉(zhuǎn)。該款機(jī)械手是蘇格蘭觸摸仿生（Touch Bionics）公司的最新產(chǎn)品。目前，在國(guó)內(nèi)大部分中小型軸承加工企業(yè)中，軸承毛坯的沖壓、沖孔加工仍靠人工完成，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高、效率低，而且還存在著安全隱患和產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題；再加上大部分企業(yè)車(chē)間布局不統(tǒng)一，難以同時(shí)滿(mǎn)足所有企業(yè)的自動(dòng)化需求。因此，基于上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種用于軸承加工的智能機(jī)械手勢(shì)在必行。
一、智能機(jī)械手的結(jié)構(gòu)
智能機(jī)械手的總體裝置分為兩道工序，一道工序?qū)ｉT(mén)用于上料，主要包括氣動(dòng)手指、上料垂直氣缸、上料伸縮氣缸；一道工序?qū)ｉT(mén)用于下料，主要包括翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、下料伸縮氣缸。兩道工序互不干涉，相對(duì)于上下料由一道工序完成的機(jī)械手，大大節(jié)省了時(shí)間，提高了效率。在機(jī)械手上裝有兩個(gè)紅外光電開(kāi)關(guān)，一個(gè)開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)是否有料，若有料，機(jī)械手就按照指令一步一步動(dòng)作，完成軸承毛坯的加工，若沒(méi)料，機(jī)械手會(huì)等待毛坯到位之后再動(dòng)作；另一個(gè)開(kāi)關(guān)是用來(lái)檢測(cè)沖桿是否將工件帶起，若沒(méi)帶起會(huì)發(fā)出警報(bào)，等待工作人員處理。主要元件功能如下：氣動(dòng)手指實(shí)現(xiàn)工件的夾緊和松開(kāi)，裝有夾位、松位限位開(kāi)關(guān)；上料垂直氣缸實(shí)現(xiàn)上升和下降動(dòng)作，裝有上位、下位限位開(kāi)關(guān)；上料伸縮氣缸控制機(jī)械手的伸出和收縮，實(shí)現(xiàn)工件的上料動(dòng)作，裝有前位、后位限位開(kāi)關(guān)；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于工件的接取，翻轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作將工件翻轉(zhuǎn)掉到指定位置；旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)順時(shí)針、逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，裝有左側(cè)、右側(cè)限位開(kāi)關(guān)。
二、智能機(jī)械手工作過(guò)程
氣動(dòng)手指和氣缸均由220 V單電控二位五通電磁閥控制，電磁閥通電，氣缸伸出、手指夾緊；電磁閥斷電，氣缸收縮、手指松開(kāi)。將流量閥分別裝在氣缸和手指的進(jìn)氣口和出氣口，通過(guò)流量閥控制氣體的流量和速度，來(lái)調(diào)節(jié)舛手指和氣缸的動(dòng)作速度。初始狀態(tài)：氣動(dòng)手指松開(kāi)，上料垂直氣缸、上料伸縮氣缸、下料伸縮氣缸、翻轉(zhuǎn)氣缸都處于收縮狀態(tài)。工作過(guò)程為：（上電）回原點(diǎn)（啟動(dòng)） 工件到位上料垂直氣缸下降氣動(dòng)手指夾緊工件上料垂直氣缸收縮伸縮氣缸伸出斗氣動(dòng)手指松開(kāi)伸縮氣缸收縮壓力機(jī)沖壓工件，同時(shí)下料伸縮氣缸伸出下料伸縮氣缸收縮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)900翻轉(zhuǎn)氣缸伸出旋轉(zhuǎn)平臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)900，同時(shí)翻轉(zhuǎn)氣缸收縮，如此循環(huán)。
三、 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
（一）PLC控制系統(tǒng)
分析生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，確定控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)哪些功能要求；進(jìn)行控制器、L / O模塊、電源模塊、控制模式、數(shù)據(jù)通信模塊、通信模式的選擇；確定數(shù)字量、模擬量輸人、輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)，列出PLC輸入輸出分配表；畫(huà)出控制柜接線(xiàn)圖，根據(jù)接線(xiàn)圖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)；根據(jù)順序功能圖編寫(xiě)程序進(jìn)行調(diào)試，若是程序問(wèn)題修改程序，若是硬件問(wèn)題解決硬件問(wèn)題，直到調(diào)試成功。
（二） PLC軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)、連續(xù)、單周期、單步和回原點(diǎn)三種工作方式。機(jī)械手為初始狀態(tài)時(shí)稱(chēng)為系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)，在進(jìn)入手動(dòng)、連續(xù)、單周期和單步工作方式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點(diǎn)狀態(tài)。機(jī)械手從初始狀態(tài)開(kāi)始，到夾緊工件、接到工件并將其放到指定位置的過(guò)程稱(chēng)為一個(gè)工作周期，在自動(dòng)工作方式下，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手反復(fù)地工作，但按下停止按鈕機(jī)械手并不會(huì)立即停止工作，而是完成一個(gè)周期的工作后返回并停留在初始步。單步操作常用于系統(tǒng)的調(diào)試，在單步工作方式下，按下啟動(dòng)按鈕系統(tǒng)只完成一步的動(dòng)作，再次按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)接著完成下一步動(dòng)作。對(duì)于本系統(tǒng)而言，當(dāng)接通I0.3時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入單步工作方式，按一下啟動(dòng)按鈕，上料垂直氣缸下降，再按一下啟動(dòng)按鈕，手指夾緊工件，如此一步一步的動(dòng)作。連續(xù)工作方式的順序功能圖如圖1所示，將選擇開(kāi)關(guān)打到連續(xù)工作方式位置，I0.1為1狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入連續(xù)工作方式。MO.5為原點(diǎn)條件，在初始步為活動(dòng)步的情況下按下啟動(dòng)按鈕I0.5，紅外光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)是否有料，若有，則I2.3為1狀態(tài)，M2.O變?yōu)?狀態(tài)，上料垂直氣缸下降。同時(shí)，控制連續(xù)工作方式的線(xiàn)圈M0.7“通電”并自保持。
（三） PLC控制步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了一種基于PLC控制的工業(yè)取料機(jī)械手，設(shè)計(jì)了取料機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)系統(tǒng)，并給出了PLC控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度控制設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)應(yīng)用于各大行業(yè)，具有穩(wěn)定可靠的性能，提高了生產(chǎn)效率。
摘要：基于PLC控制的機(jī)械手具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。本文通過(guò)借鑒傳統(tǒng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，對(duì)適用于工廠(chǎng)鍛件搬運(yùn)的機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)模擬仿真和設(shè)計(jì)。在對(duì)機(jī)械手液壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為機(jī)械手的設(shè)計(jì)需要考慮回轉(zhuǎn)原點(diǎn)、點(diǎn)動(dòng)控制和自動(dòng)化控制三個(gè)因素；然后對(duì)適合機(jī)械手的PLC控制器、壓力和位移傳感器進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)參數(shù)選擇，同時(shí)還對(duì)整體程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)闡述，希望能夠給以后的機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒意義。
關(guān)鍵詞：PLC；機(jī)械手；控制
隨著工業(yè)機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，其已經(jīng)成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重要技術(shù)。在制造業(yè)不斷發(fā)展的今天，機(jī)械手一方面可以代替人工進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)的作業(yè)，另外一方面機(jī)械手可以按照實(shí)際生產(chǎn)工藝的要求，按照一定的時(shí)間和程序設(shè)置來(lái)完成工作的卸載和傳送。機(jī)械手的廣泛應(yīng)用可以大大的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)。如果機(jī)械手采用傳統(tǒng)的繼電器進(jìn)行控制，則會(huì)直接造成系統(tǒng)原件比較繁雜、穩(wěn)定性差以及出現(xiàn)故障概率高的特點(diǎn)。隨著PLC技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過(guò)使用PLC來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，可以保證較高的可靠性和較低的故障率，使用起來(lái)也相對(duì)簡(jiǎn)單。本文通過(guò)采用可編程控制器PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得控制過(guò)程精確可靠，使得在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中變得明確和清晰。
1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)分析
本文的機(jī)械手設(shè)計(jì)案例以鍛造車(chē)間的機(jī)械手為例，該機(jī)械手處在高溫的操作環(huán)境之中，機(jī)械手所要實(shí)現(xiàn)的功能就是將高溫的鍛件棒材加持到鍛造工位的傳送帶上。實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料準(zhǔn)確的搬運(yùn)，替代人工操作，改善工作環(huán)境。機(jī)械手的液壓系統(tǒng)主要包括了液壓驅(qū)動(dòng)、手臂的升降和收縮等系統(tǒng)，再加上液壓馬達(dá)。液壓換向回路使用三位四通閥進(jìn)行控制。在機(jī)械手設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）鍛件的重量較大，機(jī)械手應(yīng)該具備較大的夾緊力。同時(shí)工件在移動(dòng)的過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)較大的慣性，保證工件不會(huì)脫落。（2）機(jī)械手的手指應(yīng)該具備一定的夾角，手指的開(kāi)閉角直接影響著工件能否順利的加持到鍛造工位上，對(duì)于手指的開(kāi)閉幅度具有嚴(yán)格的要求；（3）機(jī)械手應(yīng)該保證工件在搬運(yùn)過(guò)程中的準(zhǔn)確定位，必須要根據(jù)鍛造工件的形狀來(lái)選擇機(jī)械手手指的形狀；（4）由于鍛件處在高溫狀態(tài)，在加持過(guò)程中應(yīng)該保證機(jī)械手具有較高的強(qiáng)度，另外機(jī)械手的結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量緊湊，使得機(jī)械手的重心能夠維持在手臂的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)上。（5）在機(jī)械手設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該考慮到被抓工件的要求。如果是圓柱形鍛件，則應(yīng)該考慮使用V型手指，圓球形的工件考慮采用三指狀的手指，方便加持工件。對(duì)于那些表面質(zhì)量要求比較高的工件，應(yīng)該在機(jī)械手的手指上加上泡沫墊片，防止加持部位的損壞。
2 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 PLC可編程控制器介紹
機(jī)械手所使用的PLC控制器主要包括了CPU、信號(hào)輸入模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、CPU擴(kuò)展單元以及編程模塊。CPU相當(dāng)于PLC的心臟，完成對(duì)輸入信號(hào)和數(shù)據(jù)的處理，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。對(duì)于輸入和輸出模塊而言，輸入的信號(hào)主要有分為兩個(gè)類(lèi)別，分別為電壓信號(hào)和電流信號(hào)，如果外在的信號(hào)比較尖銳，則會(huì)造成PLC的CPU損壞。另外為了控制外來(lái)的負(fù)載的額度，可以通過(guò)小型繼電器的使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)外來(lái)負(fù)載的隔離。在PLC中編程器主要是用來(lái)檢測(cè)各種信號(hào)的運(yùn)行狀態(tài)，一般使用編程器的狀況為邏輯輸入有誤或者需要檢修的時(shí)候。本文中的PLC電源使用的是24V直流電源或者220V的交流電源，機(jī)械手的PLC控制器選擇類(lèi)型為西門(mén)子20EDR-1，有兩個(gè)輸入和輸出模塊，在A/D轉(zhuǎn)換方面選擇AD041型號(hào)，所設(shè)計(jì)的PLC框架如圖1所示。
其中PLC的基本參數(shù)如表1所示。
本系統(tǒng)的輸入電流信號(hào)范圍是5-23mA，對(duì)應(yīng)的十六位進(jìn)制為0000-1770。用于補(bǔ)碼的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)范圍是3.2-4mA，當(dāng)輸入電流信號(hào)小于3.2mA時(shí)，斷線(xiàn)檢測(cè)的功能將會(huì)被充分啟用，并且將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為8000。首先對(duì)于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換方面，在CPU模塊中不能進(jìn)行量程控制字符的改變，如果需要改變，則必須進(jìn)行斷電后重新操作。
2.2 機(jī)械手位移傳感器的選擇
位移傳感器的選擇對(duì)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)具有重要的意義，機(jī)械手臂的升降和旋轉(zhuǎn)都需要位移傳感器的作用，還應(yīng)該把位移數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的顯示在屏幕上，主要目的就是滿(mǎn)足機(jī)械手臂的位移和速度測(cè)定。目前通用的傳感器為光柵位移傳感器，當(dāng)傳感器的兩塊光柵的位置發(fā)生相對(duì)變化時(shí)，光敏電阻發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)傳遞，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘?hào)，實(shí)現(xiàn)了位移的精確測(cè)量。除了直線(xiàn)位移傳感器外，還需要安裝角位移傳感器，角位移傳感器的類(lèi)型為E6W5-2014。最后機(jī)械手指在加持工件的過(guò)程中，需要安裝壓力傳感器，其中輸出信號(hào)范圍是5-60mA，電源選擇24V直流電源。在機(jī)械手觸摸屏的選擇方面，要求有兩個(gè)，首先就是要內(nèi)存要大，能夠存儲(chǔ)較多的數(shù)據(jù)，分辨率要大和較高的顯示亮度；其次PLC觸摸屏要有串行通信功能，更好的方便PLC與機(jī)械手臂之間的通信。
3 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與步進(jìn)電機(jī)選擇
3.1 機(jī)械手PLC總控制程序的設(shè)計(jì)
在機(jī)械手臂的下降和上升的程序設(shè)計(jì)中，只是兩者的輸入和輸出的地址不同。在壓力檢測(cè)方面，只有檢測(cè)到鍛件毛坯夾緊以后才可以進(jìn)行下一步的位移動(dòng)作，所以首先應(yīng)該進(jìn)行壓力的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了壓力數(shù)值的顯示。本文還通過(guò)CAE的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的啟停與位移控制，減少PLC控制器的安裝面的位置，可以將啟動(dòng)按鈕與停止按鈕進(jìn)行合并。同時(shí)為了確定機(jī)械手臂是處于手動(dòng)工作模式還是處在連續(xù)工作模式，需要進(jìn)行連續(xù)工作模式按鈕，可以根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況來(lái)調(diào)整機(jī)械手臂的位置。同時(shí)為了保證機(jī)械手的正常運(yùn)行，機(jī)械手在每一個(gè)工作周期內(nèi)都要進(jìn)行初始位置的檢驗(yàn)，如果不是回到初始位置，則應(yīng)該執(zhí)行回到回轉(zhuǎn)原點(diǎn)的操作。和啟動(dòng)的程序一樣，機(jī)械手臂工作的運(yùn)行方式也是通過(guò)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)的，手動(dòng)按鈕可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各種動(dòng)作操作，從而滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的需求，只需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，盡量減少機(jī)械手的行程。在經(jīng)過(guò)CAE軟件操作的優(yōu)化的過(guò)程中，可以通過(guò)以下結(jié)果步驟來(lái)進(jìn)行，首先應(yīng)該對(duì)機(jī)械手臂的模型進(jìn)行優(yōu)化，建立相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括各種零件的設(shè)計(jì)以及機(jī)械手自由度的設(shè)計(jì)；其次，對(duì)機(jī)械手的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬，測(cè)試模型設(shè)計(jì)是否能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需求；然后細(xì)化設(shè)計(jì)模型，建立設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，得到性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。本文根機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)要求將機(jī)械手的抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而繪制PLC控制流程圖，通過(guò)對(duì)梯形圖控制程序的編寫(xiě)，滿(mǎn)足了實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械手的工位需求。
3.2 步進(jìn)電機(jī)選擇
三相步進(jìn)電機(jī)通常將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰菩盘?hào)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是依靠角度的不斷移動(dòng)而進(jìn)行的。通過(guò)對(duì)電脈沖數(shù)量的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)位移的控制。在步進(jìn)電機(jī)的選擇方面，本文采用的是三菱公司的橫軸和縱軸位移的機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)，最大使用電流為3A。另外PLC啟動(dòng)技術(shù)的控制與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比，具有價(jià)格低廉和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代化的PLC啟動(dòng)技術(shù)可以分為感知系統(tǒng)、控制程序、主機(jī)CPU部分以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)部分。在使用CAE進(jìn)行軟件仿真模擬的過(guò)程中，通過(guò)使用鍛件的抓取機(jī)構(gòu)為實(shí)際性能的優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)次優(yōu)化和坐標(biāo)位置優(yōu)化，使得機(jī)械手臂的抓緊力由3.5MN轉(zhuǎn)變?yōu)?0.56MN。通過(guò)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以有效的模擬機(jī)械手在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的抓取行為，現(xiàn)夾緊力的不斷提高，具有較大的實(shí)際成產(chǎn)意義。表2位本PLC系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的基本參數(shù)。
四個(gè)自由度的機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)具有一定的普遍性和實(shí)用性，在PLC控制的模式下，實(shí)現(xiàn)鍛件從一個(gè)位置運(yùn)送至另一個(gè)位置，準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)位置定位和完成各項(xiàng)動(dòng)作。在實(shí)際操作的過(guò)程中可以通過(guò)觸摸屏完成各項(xiàng)操作和讀取機(jī)械手實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)，包括壓力和位移數(shù)值等信息，方便對(duì)機(jī)械手進(jìn)行很好的控制。
4 結(jié)語(yǔ)
PLC控制技術(shù)在機(jī)械手設(shè)計(jì)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，從而使得機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文在分析參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，借鑒傳統(tǒng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，對(duì)適用于工廠(chǎng)鍛件搬運(yùn)的機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了CAE模擬仿真和設(shè)計(jì)。首先對(duì)機(jī)械手液壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的分析，得到機(jī)械手控制的三個(gè)關(guān)鍵因素；然后對(duì)適合機(jī)械手的PLC控制器、壓力和位移傳感器進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)參數(shù)選擇，同時(shí)還對(duì)整體程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)闡述，希望能夠給以后的機(jī)械手PLC控制設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值
摘 要：面粉包裝機(jī)的設(shè)計(jì)和制造是面粉加工行業(yè)的一個(gè)重要的創(chuàng)新點(diǎn)，具有實(shí)力的面粉企業(yè)會(huì)不斷在原有機(jī)器上改進(jìn)工藝，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)也會(huì)不斷提高設(shè)備效率，面向小型面粉廠(chǎng)進(jìn)行推廣。
關(guān)鍵詞：PLC控制；包裝工藝；PID模糊控制
0 引言
對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，面粉包裝的機(jī)械化能再提高面粉包裝效率的同時(shí)大大節(jié)省勞動(dòng)力成本。采用機(jī)械化包裝的面粉，不僅包裝效率極高，且包裝的品質(zhì)十分穩(wěn)定。采用PLC控制的更加先進(jìn)和高效面粉包裝機(jī)械手的設(shè)計(jì)，是各大面粉廠(chǎng)家進(jìn)行研發(fā)的重點(diǎn)目標(biāo)，也是小型面粉生產(chǎn)廠(chǎng)家對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)換代的一個(gè)必由之路。
1 主要功能設(shè)計(jì)
面粉包裝機(jī)械手需完成指定的工作循環(huán)，同時(shí)要根據(jù)循環(huán)過(guò)程中的反饋對(duì)循環(huán)進(jìn)行協(xié)調(diào)。具有調(diào)節(jié)壓力、時(shí)間、溫度和速度的功能，具有質(zhì)量檢測(cè)、自動(dòng)計(jì)量計(jì)數(shù)、完整的安全策略和根據(jù)客戶(hù)需要提供的可視化操作平臺(tái)等功能。
控制系統(tǒng)由PLC控制確定精度，并可以根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)節(jié)各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)，本系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，可以讓機(jī)械手系統(tǒng)在效率和節(jié)約方面調(diào)節(jié)側(cè)重?？傮w來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)包含軟件和硬件兩大部分，其中，軟件控制部分包含的主要內(nèi)容即對(duì)利用智能模糊PID控制結(jié)合快速逼近算法實(shí)現(xiàn)的封口過(guò)程的精確定位研究，結(jié)合此項(xiàng)工作進(jìn)行PLC硬件選型，編寫(xiě)控制程序。如果需要，同時(shí)應(yīng)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的人機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和手動(dòng)調(diào)節(jié)功能。硬件部分的設(shè)計(jì)需：（1）閉環(huán)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)；（2）電機(jī)、變頻器、PLC控制器和光電編碼器等硬件的選型；（3）根據(jù)系統(tǒng)要求，確定系統(tǒng)I/O設(shè)備數(shù)量，模擬量的通道數(shù)量；（4）建立帶有說(shuō)明的I/O功能分配表。
2 設(shè)備組成及包裝工藝
如圖1所示，開(kāi)機(jī)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)拉膜帶勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，該速度可根據(jù)包裝規(guī)格調(diào)整。拉膜外側(cè)是高彈力膠帶，內(nèi)側(cè)為正向齒形帶，這種結(jié)構(gòu)可以極大地加強(qiáng)薄膜與皮帶的摩擦力，包裝材料隨著機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)糾偏槽到達(dá)成型機(jī)，這樣就可以對(duì)其進(jìn)行桶狀處理，進(jìn)而加熱、加壓和縱向熱封。
封構(gòu)機(jī)在運(yùn)行前回到原始位置，包裝材料色標(biāo)達(dá)到傳感器時(shí)，傳感器啟動(dòng)橫向封口電機(jī)，每個(gè)封口器都有前后兩部分組成，且采用彈簧鏈接。在工作循環(huán)中，兩個(gè)橫向封口機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行互相擠壓產(chǎn)生一定的R縮行程，采用這種設(shè)計(jì)，使兩個(gè)橫封頭的回轉(zhuǎn)中心的中心距小于兩者的回轉(zhuǎn)半徑和。豎直方向上封口機(jī)的運(yùn)動(dòng)會(huì)完成包裝袋的橫向熱封和切斷，同時(shí)，啟動(dòng)計(jì)量螺桿，橫封機(jī)構(gòu)回位，等待傳感器采集的下一個(gè)色標(biāo)指令。
關(guān)于包裝工藝，主要涉及供料、橫向封裝、縱向封裝和切斷四個(gè)方面。本設(shè)計(jì)主要以各類(lèi)傳感器輸入和異步電機(jī)通過(guò)PLC的控制配合，將生產(chǎn)需求轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)控制的過(guò)程，達(dá)到對(duì)生產(chǎn)工藝可控化。
3 PLC設(shè)計(jì)
首先是確定控制方案和選型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有14個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，7個(gè)輸出，4個(gè)模擬量輸入和兩個(gè)輸出，根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)需求及冗余設(shè)計(jì)，選擇EM232模擬量I/O模塊和EM231熱電偶PID模塊。這樣，基本保證了光標(biāo)檢測(cè)、手動(dòng)運(yùn)行、聯(lián)鎖自動(dòng)運(yùn)行、電機(jī)速度反饋等。開(kāi)關(guān)量可以控制設(shè)備的產(chǎn)品輸送管路電磁閥、輸送監(jiān)視系統(tǒng)、橫封縱封電機(jī)和信號(hào)指示系統(tǒng)等。4個(gè)模擬量控制熱電偶溫度輸入和橫封縱封的加熱器溫度等。利用MOBUS總線(xiàn)RS485通信調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率控制包裝機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到對(duì)工藝的控制。
在此硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們開(kāi)發(fā)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式。手動(dòng)模式中，操作員跳過(guò)PLC主機(jī)啟停相應(yīng)異步電機(jī)從而達(dá)到控制灌裝量的目的。控制器、執(zhí)行器件等開(kāi)始執(zhí)行相應(yīng)循環(huán)。同時(shí)，操作員操作循環(huán)可以保存相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)模式下的循環(huán)過(guò)程。手動(dòng)模式的主要目的是調(diào)試和修改生產(chǎn)參數(shù)。
自動(dòng)模式中，PLC根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)，自動(dòng)執(zhí)行循環(huán)包裝流程。該模式下，操作員依舊可以通過(guò)修改參數(shù)干預(yù)循環(huán)過(guò)程，但此過(guò)程不打斷生產(chǎn)。只需在調(diào)整完成后監(jiān)視生產(chǎn)情況和指示燈，在遇緊急情況是介入停機(jī)或采取其他操作。同時(shí)，自動(dòng)模式還具有光標(biāo)模式，按照給定長(zhǎng)度進(jìn)行封裝，無(wú)需橫向封裝的絕對(duì)準(zhǔn)確。
作者簡(jiǎn)介：李建偉（1980-），女，河南l輝人，本科，現(xiàn)在鶴壁汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院任教，主要研究方向：機(jī)電技術(shù)。
【摘要】機(jī)械手是模仿人的手部動(dòng)作，并按要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)等動(dòng)作的自動(dòng)裝置。機(jī)械手可以在惡劣環(huán)境中以及單調(diào)、頻繁的操作中代替人作業(yè)，因此得日益廣泛的應(yīng)用。機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測(cè)裝置四部分組成，智能機(jī)械手還具有感覺(jué)系統(tǒng)和智能系統(tǒng)。介紹了工業(yè)機(jī)械手屬圓柱坐標(biāo)式、全液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，設(shè)計(jì)了液壓回路，對(duì)手部材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，采用了西門(mén)子PLC控制其工作過(guò)程。
【關(guān)鍵詞】機(jī)械手；液壓；電氣
1.機(jī)械手機(jī)械本體設(shè)計(jì)
采用了四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)，底座與步進(jìn)電機(jī)相連，可沿導(dǎo)軌準(zhǔn)確定位，適應(yīng)于中小輕型物品的搬運(yùn)和定位放置。分別用3個(gè)液壓缸和一個(gè)絲杠控制，絲杠由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)沿x軸的直線(xiàn)行走，一個(gè)沿y軸直線(xiàn)行走，一個(gè)沿z軸直線(xiàn)行走和一個(gè)繞z軸旋轉(zhuǎn)的4個(gè)自由度。機(jī)械手工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程：當(dāng)貨物到達(dá)時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)開(kāi)始工作，旋轉(zhuǎn)液壓缸和伸出液壓缸迅速定位到達(dá)工件上方，絲杠旋轉(zhuǎn)下降，同時(shí)機(jī)械手液壓缸卸荷，機(jī)械手爪張開(kāi)，機(jī)械手到達(dá)工件中部，機(jī)械手液壓缸加壓，將工件夾緊。絲杠旋轉(zhuǎn)上升，旋轉(zhuǎn)液壓缸開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，伸出液壓缸開(kāi)始收縮，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)。放置工件時(shí)，機(jī)械手迅速定位至指定位置的上方，絲杠旋轉(zhuǎn)下降，機(jī)械手液壓缸卸荷，工件被放入指定位置。
2.手抓夾持面的應(yīng)力分析
（1）夾持裝置的材料特征。手爪夾持裝置會(huì)頻繁地夾持工件，因此，選擇了低合金鋼。這種鋼可塑性好，有著比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼更高的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的材料。低合金鋼還有著較好的冷熱加工成形性，良好的焊接性，較低的冷脆傾向和時(shí)效敏感性， 以及較好的抗大氣、海水等腐蝕能力。（2）夾持面受力分析。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中安全可靠生產(chǎn)是必須考慮的一個(gè)因素，應(yīng)力分析與位移分析是對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)中主要受力部分進(jìn)行安全系數(shù)評(píng)估。在應(yīng)力分析與位移分析過(guò)程中，手爪的4個(gè)固定孔作為固定面，以手爪夾持工件的面為主受力面，整個(gè)分析過(guò)程中所施加給手爪的力為100 N，使用的材質(zhì)是鋁合金，最后分析安全系數(shù)為 1.5，滿(mǎn)足了工作要求。（3）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系必須要在控制之中，這樣才能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出其運(yùn)動(dòng)的軌跡，在Pro/E的裝配中，利用機(jī)構(gòu)來(lái)裝配其手部，模擬其手部的運(yùn)動(dòng)得出運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)。由機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)可知，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)模量變化較為穩(wěn)定。
3.液壓回路的設(shè)計(jì)
液壓機(jī)械手的回路（見(jiàn)圖2）設(shè)計(jì)主要由4個(gè)回路組成，控制機(jī)械手的升降、伸縮、抓緊與放松、回轉(zhuǎn)4個(gè)動(dòng)作，分別由3個(gè)直動(dòng)式油缸和1個(gè)回轉(zhuǎn)油缸組成。在液壓回路設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)兩位四通的電磁換向閥控制換向，可以通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的節(jié)流口大小控制流量大小，從而控制液壓缸運(yùn)動(dòng)的速度。此外，為了防止機(jī)械手爪誤抓住人或其他物體之后造成傷害，在回路中安裝了安全閥（溢流閥），當(dāng)壓力達(dá)3 MPa時(shí)，安全閥打開(kāi)，所以回路中最高壓力不超過(guò)3 MPa。液壓回路很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可以通過(guò)PLC來(lái)控制換向閥就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向。此外，液壓回路可以適應(yīng)任何惡劣環(huán)境，比較容易維護(hù)，所以在自動(dòng)控制中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
4.PLC機(jī)械手具體系統(tǒng)的主要組成
PLC 液壓機(jī)械手整個(gè)系統(tǒng)主要包括嵌入式微機(jī)、端口驅(qū)動(dòng)模塊、位置傳感器、壓力傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于機(jī)械手非常重要的組成部分，同時(shí)也是機(jī)械手內(nèi)部的主體部分，其中主要包括手腕、手臂以及行走機(jī)構(gòu)等部分。驅(qū)動(dòng)屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行重要的傳動(dòng)裝置，經(jīng)常使用的包括液壓、氣壓、電力以及機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)機(jī)械手的重要核心部分，主要是用來(lái)支配機(jī)械手各種規(guī)定的運(yùn)行程序等，并存儲(chǔ)相應(yīng)的指令信息，按照控制系統(tǒng)具體的內(nèi)部信息完成指令的分配，在一定條件下還能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)械手具有的監(jiān)視作用。
以下主要分析在輪胎自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中的具體控制。在初始的狀態(tài)下，]合整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)，并處于上線(xiàn)轉(zhuǎn)出具體的位置，如果接收到開(kāi)始的具體控制信號(hào)，開(kāi)始啟動(dòng)所有的電動(dòng)機(jī)并進(jìn)行正轉(zhuǎn)，利用絲杠運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手逐漸下降。如果下降具體的行程開(kāi)關(guān)發(fā)生斷開(kāi)時(shí)，下降交流內(nèi)部的接觸器將會(huì)斷電，最后使電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)最終停止，利用自動(dòng)減壓控制機(jī)械手具體的動(dòng)作開(kāi)始抓取工件，如果機(jī)械手內(nèi)部的全張油缸使用的開(kāi)關(guān)在完成閉合以后，機(jī)械手上升交流內(nèi)部的接觸器被接通，從而使電動(dòng)機(jī)開(kāi)始發(fā)轉(zhuǎn)，完成機(jī)械手抓取工件同時(shí)并上升的動(dòng)作。如果到達(dá)了上線(xiàn)行程內(nèi)部具體的開(kāi)關(guān)閉合位置過(guò)程中，機(jī)械手內(nèi)部上升交流所在的基接觸器發(fā)生斷電，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)最終停止，同時(shí)等待來(lái)自于主控系統(tǒng)發(fā)送的主圖命令，并將會(huì)啟動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)完成轉(zhuǎn)入。由于當(dāng)機(jī)械手開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，半徑部分出現(xiàn)了相互重疊的情況，因此，每次都會(huì)支持一只機(jī)械手完成轉(zhuǎn)入動(dòng)作。如果機(jī)械手全部完成了最終的轉(zhuǎn)入動(dòng)作，機(jī)械手進(jìn)行同時(shí)下降的動(dòng)作。如果下降放工件具體的行程開(kāi)關(guān)完全接通以后，需要接通機(jī)械手內(nèi)部的電磁閥，使氣壓系統(tǒng)內(nèi)部工作得到有效的控制，控制機(jī)械手手指最后閉合完成放工件的動(dòng)作。如果機(jī)械手內(nèi)部閉合閥具有的壓力開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)接通以后，左右機(jī)械手將會(huì)馬上全部閉合，最后完成放胎的動(dòng)作，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)動(dòng)作得以順利的控制，并帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手開(kāi)始上升的動(dòng)作，直到最后達(dá)到上線(xiàn)的具體位置，完成機(jī)械手最終的整個(gè)過(guò)程。
5.結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。液壓技術(shù)在該機(jī)械手中的應(yīng)用，使設(shè)備更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和過(guò)載保護(hù)，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。西門(mén)子S7-200 型號(hào)的PLC在總控制中的應(yīng)用，使得機(jī)械手在工作時(shí)更加穩(wěn)定和便于控制。
摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大的促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步，提高了我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)技能，使得自動(dòng)化設(shè)備在當(dāng)下社會(huì)會(huì)中廣泛應(yīng)用。在社會(huì)生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)闅鈩?dòng)機(jī)械具有自身的優(yōu)勢(shì)，其在應(yīng)用過(guò)程中制造的財(cái)務(wù)支出較少，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用較為便捷，具有較好的實(shí)際應(yīng)用性。為了提高手動(dòng)機(jī)械手控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性，提高高手動(dòng)機(jī)械手控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性，本文主要基于PLC基礎(chǔ)氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，來(lái)保證手動(dòng)機(jī)械手控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效進(jìn)行。
關(guān)鍵詞：PLC；氣動(dòng)機(jī)械；手控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)研究
0 前言
手動(dòng)機(jī)械手控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，可以提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化能力，提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，來(lái)促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展。為了促進(jìn)手動(dòng)機(jī)械手控系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，把PLC技術(shù)和手動(dòng)機(jī)械手控系統(tǒng)檢修整合設(shè)計(jì)和應(yīng)用，增加了手動(dòng)機(jī)、械手控系統(tǒng)的自動(dòng)化性能，實(shí)現(xiàn)工業(yè)社會(huì)自動(dòng)化發(fā)展目標(biāo)，因此對(duì)PLC基礎(chǔ)下氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。
1 PLC技術(shù)闡述
PLC技術(shù)是一種具有可編制性的邏輯控制設(shè)備，其在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，可以利用具有編制性能的存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)對(duì)不同設(shè)備和元件，來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并可以保障計(jì)算的邏輯性。PLC技術(shù)也可以對(duì)不同的程序和系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制，對(duì)不同的設(shè)備來(lái)進(jìn)行定時(shí)操作，把模擬的數(shù)字轉(zhuǎn)化為機(jī)械和設(shè)備的實(shí)際運(yùn)作指示和口令。PLC技術(shù)在系統(tǒng)中，其主要的核心設(shè)備是微處理設(shè)備，可以在工業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)技術(shù)的局限性，實(shí)際操作較為便捷和簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性和可靠性較高，PLC技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中結(jié)合了微處理設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足電氣裝置工作人員的操作需要，滿(mǎn)足當(dāng)下社會(huì)的工業(yè)生產(chǎn)需求[1]。PLC技術(shù)在我國(guó)首次應(yīng)用是在上個(gè)世紀(jì)的六十年代，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷增加，在當(dāng)下的中型產(chǎn)品和小型產(chǎn)品[2]。電子產(chǎn)品、紡織領(lǐng)域、印刷環(huán)節(jié)等等被廣泛應(yīng)用，具有實(shí)際應(yīng)給予價(jià)值。
2 PLC技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)闡述
2.1 順序和功能的設(shè)計(jì)闡述
為了保證實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)的合理性，保證生產(chǎn)不同環(huán)節(jié)的有序性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要建立在設(shè)計(jì)順序和設(shè)計(jì)功能圖紙的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以降低設(shè)計(jì)的暗度，為初步設(shè)計(jì)人員提供方便性，提高設(shè)計(jì)工作人員的設(shè)計(jì)效率，保證設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，具備較高的應(yīng)用性。順序圖和功能圖這一設(shè)計(jì)方法，可以把具有編程性質(zhì)的元件與專(zhuān)用的編程元件整合運(yùn)用，在當(dāng)下的PLC設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)用較為普遍，建立在氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的運(yùn)作流程來(lái)看，其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要保證氣動(dòng)機(jī)械手建立在原始點(diǎn)基礎(chǔ)上，來(lái)進(jìn)行擺動(dòng)缸操作，保證其擺動(dòng)作業(yè)、伸出作業(yè)的循環(huán)作業(yè)，保證其自動(dòng)化的運(yùn)作到初始點(diǎn)，進(jìn)行循環(huán)的操作[3]。在實(shí)際的操作過(guò)程中，氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作以邏輯樹(shù)的形式來(lái)進(jìn)行，即首先進(jìn)行根節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作判斷，是否動(dòng)作、怎么樣動(dòng)作，完成之后進(jìn)行下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作判斷，亦即是否動(dòng)作、怎樣動(dòng)作，一個(gè)連續(xù)的邏輯樹(shù)結(jié)構(gòu)即能夠指揮氣動(dòng)機(jī)械手完成一系列連貫的移動(dòng)、屈伸、抓取的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的目的。
2.2 氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的整體順序和功能設(shè)計(jì)
氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的整體順序和功能設(shè)計(jì)，首先在設(shè)計(jì)時(shí)要保證其手動(dòng)的開(kāi)關(guān)與監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)是開(kāi)放的形式，進(jìn)而保證氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的整體順序和功能設(shè)計(jì)是，其開(kāi)關(guān)的變化和控制的合理性與單一性。對(duì)于氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的操作形式來(lái)說(shuō)，其要依據(jù)開(kāi)關(guān)的選擇離開(kāi)進(jìn)行選擇。如果在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，選擇的是具有自動(dòng)性的操作方法，氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)其沒(méi)有返回原始狀態(tài)，要優(yōu)先利用手動(dòng)的方法，保證氣動(dòng)機(jī)械手返回到初始位置，在進(jìn)行其他不同環(huán)節(jié)的操作。對(duì)于氣動(dòng)機(jī)械手的單周期和自動(dòng)化操作，其可以利用開(kāi)關(guān)的選擇來(lái)進(jìn)行運(yùn)作。如下圖一所示，是氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)構(gòu)建圖[4]。
由上圖1氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)構(gòu)建圖我們可以看出，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)可以把其劃分為兩個(gè)不同層次，保證每個(gè)不同層次可以存放兩排，保證每排可以存儲(chǔ)四個(gè)變送設(shè)備。為了保證氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)的合理性，保證高溫箱和低溫箱可以順利的金融的框架體系中，其在實(shí)際設(shè)計(jì)是，要考慮框架放入變送設(shè)備后的重量。在框架的下部環(huán)節(jié)可以使用輪子來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)得知己應(yīng)用中，可以在工作臺(tái)上進(jìn)行自由運(yùn)作，保證其可以順利的進(jìn)入到高溫箱和低溫箱中。氣動(dòng)機(jī)械手控制的變送設(shè)備的設(shè)計(jì)和定位，要依據(jù)設(shè)計(jì)框架的外部大小來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。確保氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的在完成整體框架的設(shè)計(jì)后，其可以進(jìn)行不同工位的運(yùn)作和搬送，可以良好的進(jìn)行元件的放置。保證氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中們可以便捷的進(jìn)行加緊作業(yè)和伸縮與移動(dòng)作業(yè)，保證氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最大目標(biāo)[5]。
3 結(jié)論
PLC技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的結(jié)合設(shè)計(jì)和發(fā)展，是社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)物，是科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)晶，具有時(shí)代性的特征，對(duì)當(dāng)下社會(huì)的生產(chǎn)和生活具有較大影響。PLC技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的結(jié)合發(fā)展，這主要是因?yàn)镻LC技術(shù)自身的優(yōu)勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用性，其滿(mǎn)足氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的發(fā)展需求，可以增加氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的操作精市裕提高氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的安全性，降低了氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的事故發(fā)生率。
作者簡(jiǎn)介：唐躍嘉（1993-），男，四川南充人，本科，研究方向：機(jī)械工程。
摘 要：在生產(chǎn)制造行業(yè)內(nèi)，機(jī)床越來(lái)越普遍，而機(jī)床也向著自動(dòng)化邁進(jìn)，無(wú)論是控制還是其他系統(tǒng)，而在自動(dòng)化機(jī)床中，機(jī)械手的應(yīng)用也越來(lái)越普遍，在機(jī)床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)上，升降系統(tǒng)是非常重要的，除了升降系統(tǒng)機(jī)械手的換刀和對(duì)刀具的夾持，都是需要仔細(xì)地去設(shè)計(jì)，而對(duì)于機(jī)械手設(shè)計(jì)上要保證機(jī)床設(shè)備本身與機(jī)械手的柔性連接，保證工件的正常輸送和機(jī)床的自動(dòng)化加工。
關(guān)鍵詞：升降系統(tǒng)；刀具換刀與夾持；機(jī)械手設(shè)計(jì)
1 升降系統(tǒng)
機(jī)床機(jī)械手的升降系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它的組成部分包括動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置滾動(dòng)絲杠、導(dǎo)向柱、調(diào)速裝置、控制元件等。
機(jī)床機(jī)械手機(jī)構(gòu)中，升降電機(jī)帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，滑座在絲桿上做上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)械手在滑座上一同做運(yùn)動(dòng)，所以絲杠要承受機(jī)械手M和滑座m的重量，如圖1。
通過(guò)圖1分析機(jī)械手升降系統(tǒng)的工作過(guò)程，當(dāng)機(jī)械手接到機(jī)床的指令后，電機(jī)開(kāi)始工作，滑塊上機(jī)械手手抓上升到選刀排的位置，機(jī)械手觸發(fā)刀庫(kù)的觸點(diǎn)，這時(shí)候制動(dòng)器工作，機(jī)械手停止上升，機(jī)械手進(jìn)行換刀，完成之后，機(jī)械手回到初始位置。
通過(guò)分析機(jī)械手升降系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)，機(jī)械手手抓工作的功率，可是在工作過(guò)程中，制動(dòng)器會(huì)使電動(dòng)機(jī)功率變大，所以在選用電動(dòng)機(jī)時(shí)候電動(dòng)機(jī)的功率是手抓理論功率和制動(dòng)器功率，如下公式：
P電=P制+P手抓
同時(shí)在電機(jī)工作過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)也會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)負(fù)載的升高，如圖2所示。
2 刀具換刀與夾持
在機(jī)床機(jī)械手換刀上，是自動(dòng)換刀裝置，同時(shí)它還擔(dān)負(fù)著把刀從刀庫(kù)送到主軸上，刀具在主軸上使用完成之后在從主軸上送回到刀庫(kù)中，機(jī)床刀具的換刀方式有圓盤(pán)形、直線(xiàn)型，圓盤(pán)形換刀是刀架是一個(gè)回轉(zhuǎn)體，每個(gè)刀都置于圓盤(pán)的外圓端，通過(guò)圓盤(pán)的選擇，刀具旋轉(zhuǎn)到指定位置，機(jī)械手進(jìn)行換刀，這種換刀方法是機(jī)床上最常見(jiàn)的。
刀具的夾持設(shè)計(jì)上，一般選取柄式夾持和法蘭式夾持，柄式夾持方法是在軸向夾持，這種方法是利用最多的，因?yàn)榈侗奈膊渴且粋€(gè)錐柄，這種刀具采用模式錐度方法夾持最方便、快捷。而法蘭式夾持方法是在機(jī)械手前端安裝法蘭盤(pán)，這種夾持方法有一些繁瑣。
3 機(jī)械手設(shè)計(jì)
機(jī)床機(jī)械的形式有很多，種類(lèi)繁多，對(duì)于每個(gè)機(jī)械手都有它不同的意義和用處。
單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手，這種機(jī)械手的手臂是可以回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)線(xiàn)與刀庫(kù)的軸線(xiàn)平行，意義在于機(jī)械手的手抓可以快速地抓取到刀具。
單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手，這種機(jī)械手的手臂上有兩個(gè)機(jī)械手手抓，手抓是對(duì)稱(chēng)放置，這種機(jī)械手的兩個(gè)手抓是分工的，一個(gè)是從刀庫(kù)拿刀送往主軸，另一個(gè)是從主軸將刀具拿回到刀庫(kù)內(nèi)。
雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手，這種機(jī)械手的手抓不是對(duì)稱(chēng)的，是在一天軸線(xiàn)上，軸線(xiàn)的兩端放置手抓，兩個(gè)手抓繞中心做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)取刀和主軸送刀同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省的時(shí)間，提高工作效率。
雙機(jī)械手，這種結(jié)構(gòu)是有些類(lèi)似于人的雙手，有兩個(gè)手臂，兩個(gè)手抓，它們是分別運(yùn)動(dòng)的，一個(gè)是從刀庫(kù)取刀，一個(gè)是送刀，示意圖如圖3。
4 結(jié)束語(yǔ)
因?yàn)橹圃鞓I(yè)和工業(yè)不斷的發(fā)展，科學(xué)不斷的進(jìn)步，對(duì)生產(chǎn)效率不斷提高的要求，單純的使用人力，是不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要的，使得機(jī)械手的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它可以代替人完成更高要求、難度、重復(fù)枯燥的工作，所以機(jī)械手現(xiàn)在不僅僅應(yīng)用在機(jī)床上，所以怎樣能更大提升機(jī)床機(jī)械手的性能，怎樣將機(jī)床的控制系統(tǒng)與機(jī)械手完美的連接，怎樣能使機(jī)械手成為FMS系統(tǒng)中一個(gè)重要部分，這是機(jī)械手研究設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)和意義所在。
摘 要：在制造業(yè)機(jī)械手是一個(gè)非常有名氣的詞組，機(jī)械手是自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上不可缺少的一部分，它的出現(xiàn)使生產(chǎn)行業(yè)更方便更快捷，它的優(yōu)勢(shì)就是靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小，可以代替人手去完成相應(yīng)的工作，而在大型機(jī)床上也有機(jī)械手的應(yīng)用，它是附著在機(jī)床桁架上，通過(guò)分析機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用，總體布局，以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，最終確定機(jī)床桁架機(jī)械手，而在制造行業(yè)內(nèi)，通過(guò)機(jī)床桁架機(jī)械手的應(yīng)用，提高了機(jī)床的自動(dòng)化程度，同時(shí)也增加了機(jī)床加工中的安全性、可靠性。
關(guān)鍵詞：機(jī)構(gòu)分析；機(jī)械手；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
1.總體結(jié)構(gòu)
機(jī)床桁架機(jī)械手的設(shè)計(jì)和分析，可以從兩部分分析，一部分是桁架，另一部分是機(jī)械手，對(duì)于桁架的分析，可以簡(jiǎn)化成梁的分析，它的機(jī)構(gòu)就類(lèi)似于力學(xué)當(dāng)中的結(jié)構(gòu)梁，從力學(xué)的角度分析，可以將機(jī)床桁架與簡(jiǎn)支梁做橫向?qū)Ρ?，可以通過(guò)簡(jiǎn)支梁的彎矩圖分析桁架，增加機(jī)械手對(duì)桁架的作用力，我們可以畫(huà)出如圖1所示的力學(xué)分析圖。在機(jī)床上桁架機(jī)械手有著很高的要求，要求機(jī)械手有著效率高、可靠性強(qiáng)的要求，對(duì)于桁架的立柱選擇，它要使桁架支撐穩(wěn)定，同時(shí)也要節(jié)省機(jī)床的整體空間，而對(duì)于大多數(shù)立柱的結(jié)構(gòu)，都選取鋼結(jié)構(gòu)。
2.機(jī)械手及手臂
2.1 機(jī)械手
桁架機(jī)械手的作用就是起到運(yùn)輸?shù)淖饔茫鞘构ぜ谏舷铝系能壍琅c機(jī)床內(nèi)之間移動(dòng)，將加工后的零件從機(jī)床上拿出，再將要加工的零件從軌道上拿起，放到機(jī)床上。主要的動(dòng)作就是：爪張開(kāi)，抓取，升降，左右移動(dòng)。對(duì)于機(jī)械手的手爪設(shè)計(jì)有很多種方案和形式，可以根據(jù)不同的需求，選擇不同的設(shè)計(jì)方法。如D2所示。
（1）機(jī)械自鎖手爪：對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者們非常喜歡，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)很受消費(fèi)者的喜歡，它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是在對(duì)抓取上也做了復(fù)雜的設(shè)計(jì)，為了防止在夾持零件時(shí)候脫落，增加了自鎖裝置。
連桿杠桿式手爪：這種結(jié)構(gòu)可以從名字上得到啟發(fā)，它的設(shè)計(jì)就是利用機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)連桿和杠桿的傳遞，使手爪夾持和松開(kāi)，但這種機(jī)構(gòu)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是夾持力比較大。
齒輪齒條式手爪：這種機(jī)構(gòu)的傳遞性最好，動(dòng)作反應(yīng)速度最快，它是通過(guò)齒輪之間的傳動(dòng)來(lái)控制手爪，可以實(shí)現(xiàn)速度上的突破。
2.2 手臂
對(duì)于桁架上機(jī)械手的手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮機(jī)械手臂的載荷，在運(yùn)動(dòng)上要實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)，但在機(jī)構(gòu)上也要能承受力。在機(jī)床桁架上的機(jī)械手一般做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，所以在考慮手臂設(shè)計(jì)時(shí)候，一般選擇液壓直接驅(qū)動(dòng)手臂，在機(jī)械手臂的液壓缸選用上，要使液壓缸的直徑大一些，這樣手臂的整體強(qiáng)度比較高，而對(duì)于液壓缸的校核可以通過(guò)以下公式進(jìn)行核對(duì)：
活塞桿直徑的校核公式：
式中：F――活塞桿上的作用力；[σ]――活塞桿材料的許用應(yīng)力。
缸體壁厚的校核公式：
式中：D――缸筒內(nèi)徑；py――缸筒的試驗(yàn)壓力。
桁架機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)為機(jī)械手在桁架上做水平運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位置后，機(jī)械手下降運(yùn)動(dòng)，手爪夾緊工件，帶動(dòng)工件上升，逆向運(yùn)動(dòng)，將零件放置到軌道上，手爪松開(kāi)，在這個(gè)期間內(nèi)，有幾個(gè)位置PLC控制限位器，分別在機(jī)械手的下降和上升停止的時(shí)候。在機(jī)械手將零件從機(jī)床夾持時(shí)候，下一個(gè)工件到待定區(qū)域，機(jī)械手結(jié)束這個(gè)動(dòng)作后，回到待加工零件位置處，機(jī)械手下降，夾持零件，將零件放置到機(jī)床內(nèi)，機(jī)械手回到初始位置，PLC停止脈沖輸出，機(jī)床進(jìn)行加工，機(jī)械手完成運(yùn)動(dòng)，桁架機(jī)械手往返做以上運(yùn)動(dòng)。
3.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
對(duì)于機(jī)床桁架機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，是通過(guò)手指的方法區(qū)分，要是通過(guò)機(jī)械手夾持的不同可以分為內(nèi)外兩種。
（1）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式：這種控制方式是通過(guò)電磁閥來(lái)控制機(jī)械手，在通過(guò)利用氣流調(diào)節(jié)閥來(lái)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度，這種驅(qū)動(dòng)的成本比較低，因?yàn)榈玫綒怏w成本低。
（2）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式：在機(jī)床桁架機(jī)械手設(shè)計(jì)上，這種驅(qū)動(dòng)方式使用最頻繁，因?yàn)闄C(jī)床也需要用電，而這驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只是需要利用電機(jī)，就可以達(dá)到速度上的控制。
（3）液壓驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)方式是通過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，它的好處就是可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制，同時(shí)傳動(dòng)剛度也大，液壓驅(qū)動(dòng)一般選擇液壓馬達(dá)作為動(dòng)力源，液壓驅(qū)動(dòng)元件的特點(diǎn)見(jiàn)表1。
結(jié)語(yǔ)
隨著國(guó)內(nèi)不斷地發(fā)展，勞動(dòng)力成本的不斷提升，機(jī)床在自動(dòng)化行業(yè)歡迎程度也隨之提高，但同時(shí)也要將機(jī)床的配套設(shè)施提高上去，尤其對(duì)于生產(chǎn)大批零件，機(jī)械手也變得尤為重要。對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)，機(jī)械手的發(fā)展速度還是不是很快，對(duì)于機(jī)械手的控制上要采用PLC控制是最方便的，而對(duì)于機(jī)械手的發(fā)展要不斷去開(kāi)發(fā)，團(tuán)結(jié)思想，通過(guò)集體設(shè)計(jì)者們的努力，不要客觀(guān)地設(shè)計(jì)，要將多元素有機(jī)結(jié)合起來(lái)。
摘 要：在本文中，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是應(yīng)用于機(jī)械手系統(tǒng)，保證機(jī)械手能夠有效完成兩條生產(chǎn)線(xiàn)之間的運(yùn)輸任務(wù)。系統(tǒng)整體上選用電氣一體化的方法，通過(guò)氣缸自鎖功能能夠保證機(jī)械手在抓放或者斷氣狀態(tài)下保持機(jī)械手姿勢(shì)，通過(guò)電機(jī)控制技術(shù)完成機(jī)械手多自由度運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手系統(tǒng)具有上電初始化、原點(diǎn)復(fù)位、報(bào)警提示、手動(dòng)操作、半自動(dòng)操作及全自動(dòng)操作功能，滿(mǎn)足了企業(yè)的工作需求。
關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)械手；電氣一體化；定位控制
0.引言
隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械手成為當(dāng)今時(shí)代的標(biāo)志，有效改善勞動(dòng)條件，保障人身安全。當(dāng)前，機(jī)械手可以精確執(zhí)行預(yù)先編寫(xiě)的程序命令，實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)動(dòng)作，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、模具鍛造或者點(diǎn)焊、噴漆工藝方面。本文基于完成生產(chǎn)線(xiàn)之間物品運(yùn)輸設(shè)計(jì)的機(jī)械手系統(tǒng)，能夠完成手臂上下伸縮、手臂左右擺動(dòng)以及手指抓握3個(gè)動(dòng)作；采用集成傳輸模式，即手臂機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手爪機(jī)構(gòu)則采用氣壓傳動(dòng)。
1.硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 伺服電機(jī)選擇
電機(jī)選擇方面，本課題選用交流伺服電機(jī)，因?yàn)殡S著電機(jī)調(diào)速方法的不斷研究，目前能夠?qū)㈦姍C(jī)調(diào)速范圍與成本降低到寬調(diào)速直流電機(jī)。同時(shí)，交流伺服電機(jī)擁有較高的可靠性和控制性，因此目前能夠得到廣泛應(yīng)用。而直流伺服電機(jī)內(nèi)部存在電刷和換向器因素，導(dǎo)致電機(jī)工作可靠性降低，提高后期運(yùn)行成本；交流異步電動(dòng)機(jī)雖然沒(méi)有電刷磨損，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但應(yīng)用時(shí)對(duì)其調(diào)速十分煩瑣，成本相對(duì)較高，不經(jīng)濟(jì)適用。考慮到電機(jī)后期維護(hù)方便，本課題的升降電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)都選用交流伺服電機(jī)PanasonicMDMA152P1U型號(hào)，便于后期保養(yǎng)維修，采用的驅(qū)動(dòng)器為MDDDT5540型號(hào)。
1.2 氣缸和閥門(mén)的選擇
本機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度由氣流調(diào)節(jié)閥控制，運(yùn)動(dòng)方向由電磁閥控制。目前，氣體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)憑借其價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)氣動(dòng)夾持器由于氣體的可壓縮性，在捕獲過(guò)程中具有一定的靈活性，不會(huì)由于力度過(guò)大導(dǎo)致被抓取物破壞。根據(jù)指尖距離及手爪夾緊力，夾緊裝置選擇一個(gè)具有可調(diào)緩沖裝置的雙作用氣缸，并設(shè)有夾緊裝置和壓力傳感器。氣缸本身配有兩個(gè)一位單通閥門(mén)，本設(shè)計(jì)為了能夠保證氣缸在斷氣狀態(tài)下保持氣缸內(nèi)部的壓力，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用SMC公司的VZ110氣開(kāi)閥。
1.3 傳感器的選擇
傳感器的功能是將被測(cè)物的物理量轉(zhuǎn)變成由控制系統(tǒng)可以識(shí)別的電信號(hào)。實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)本身以及工作對(duì)象、工作環(huán)境的狀況，為控制系統(tǒng)提供有效精準(zhǔn)的電信號(hào)。本課題研究的機(jī)械手，位置檢測(cè)裝置主要用來(lái)判斷機(jī)械手執(zhí)行左旋/右旋，上升/下降等動(dòng)作時(shí)是否到位，通常選擇行程開(kāi)關(guān)，并將其安裝在預(yù)先設(shè)定的位置。本機(jī)械手選用直線(xiàn)接觸式行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，立即終止當(dāng)前動(dòng)作，準(zhǔn)備運(yùn)行下一動(dòng)作。
2.機(jī)械手動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)過(guò)程
機(jī)械手的工作均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)和電機(jī)自轉(zhuǎn)來(lái)完成。本機(jī)械手的一個(gè)工作周期要完成手臂下降―工件加緊―手臂上升―右旋―手臂再下降―松開(kāi)工件―手臂在上升―左旋8個(gè)動(dòng)作，全部由對(duì)應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制，系統(tǒng)原始位置設(shè)置在原點(diǎn)，當(dāng)按下開(kāi)始命令時(shí)，機(jī)械手會(huì)立即有序的執(zhí)行預(yù)訂相應(yīng)動(dòng)作。為確保人身安全，機(jī)械手安裝了一個(gè)光電開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)械手右旋到預(yù)定位置時(shí)，必須檢測(cè)到右工作臺(tái)上沒(méi)有工件時(shí)才能執(zhí)行下降動(dòng)作。另外，機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖功能，在系統(tǒng)斷電斷氣情況下保持機(jī)械手姿勢(shì)。本文研究的機(jī)械手系統(tǒng)工作方式一共有手動(dòng)操作，半自動(dòng)操作，自動(dòng)操作3種模式，當(dāng)系統(tǒng)上電后機(jī)械手首先初始化，然后進(jìn)行選擇相應(yīng)的工作方式。
3.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)是機(jī)械手設(shè)計(jì)的重要組成部分，是保證機(jī)械手在工作過(guò)程中安全可靠的關(guān)鍵。實(shí)時(shí)控制著機(jī)械手的每一個(gè)作業(yè)動(dòng)作，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性的好壞直接決定了機(jī)械手工作過(guò)程的效率，起著不可低估作用。
3.1 PLC的選用
本文機(jī)械手的控制系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用“CPU226AC/24輸入/16輸出”型PLC，另外，由于系統(tǒng)I/O端的分組情況及隔離與接地的需求，需要增加10%～20%的裕量，配置了兩個(gè)EM253位控模塊和一個(gè)EM22324VDC數(shù)字組合8輸入/8輸出的擴(kuò)展模塊。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，控制面板上操作按鈕的輸入端應(yīng)該接入PLC輸入口的I0.0-I1.5，系統(tǒng)的行程開(kāi)關(guān)接入I1.6-I2.3，料架上的兩個(gè)光電傳感器應(yīng)該接入I2.4、I2.5輸入口，伺服驅(qū)動(dòng)器的報(bào)警端接入I2.6、I2.7接口，伺服電機(jī)定位完成后發(fā)出的信號(hào)接入I3.0、I3.1。其次，PLCQ0.0-Q0.6輸出端連接系統(tǒng)信號(hào)指示燈，Q0.7-Q1.4端連接外部信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)械手狀態(tài)，Q1.5-Q1.7端連接驅(qū)動(dòng)器，為電機(jī)提供電源，Q2.0-Q2.3端連接定位模塊，主要控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，Q2.4-Q2.5端連接氣缸控制閥，調(diào)節(jié)氣缸的伸縮。
3.2 控制模塊設(shè)計(jì)
本文中，控制系統(tǒng)主要由PLC主控單元、I/O模塊和EM253位核心控制器構(gòu)成，機(jī)械手的抓放動(dòng)作由選用的氣缸驅(qū)動(dòng)，其余動(dòng)作由選用的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)配有驅(qū)動(dòng)器，由位控模塊接收脈沖輸入。結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)配有極限行程開(kāi)關(guān)，每個(gè)部件的極限運(yùn)動(dòng)由脈沖來(lái)限位。主控單元采用單獨(dú)封裝，設(shè)計(jì)為模塊式結(jié)構(gòu)，安裝在相應(yīng)的支架上，主要包括PLC模塊、觸摸終端、I/O模塊和兩個(gè)位控模塊，通過(guò)PLC專(zhuān)用電纜進(jìn)行相互通信。位控模塊采用的是PLC特殊模塊EM253，因?yàn)榭梢赃\(yùn)用其產(chǎn)生的脈沖串對(duì)電機(jī)速度何位置進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，產(chǎn)生的脈沖串存儲(chǔ)在S7-200相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)中，通過(guò)擴(kuò)展的I/O總線(xiàn)與S7-200進(jìn)行通信。
3.3 控制面板的設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手根據(jù)實(shí)際應(yīng)用所需設(shè)置以下控制按鈕。（1）工作模式選擇開(kāi)關(guān)：當(dāng)正常生產(chǎn)時(shí)將機(jī)械手調(diào)到自動(dòng)模式，機(jī)械手會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)機(jī)械手出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)報(bào)警時(shí)可以將機(jī)械手調(diào)到手動(dòng)模式，機(jī)械手可通過(guò)點(diǎn)動(dòng)調(diào)整。（2）電源開(kāi)關(guān)：當(dāng)機(jī)械手系統(tǒng)準(zhǔn)備工作時(shí)，必須將電源撥至ON位置，給系統(tǒng)設(shè)施供電，其中觸摸終端由PLC進(jìn)行供電。當(dāng)機(jī)械手系統(tǒng)停止工作時(shí)，必須將電源撥至OFF位置，切斷一切設(shè)施供電，保證系統(tǒng)及人身安全。（3）急停按鈕：當(dāng)機(jī)械手系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)突發(fā)情況例如搬運(yùn)不夠穩(wěn)定、下放物品不到位、超過(guò)了極限位置以及沒(méi)有抓取成功目標(biāo)物等等發(fā)生時(shí)，迫使機(jī)械臂系統(tǒng)停止工作，此時(shí)僅需按下急停按鈕，則可立即使機(jī)械手停止工作，有效避免事故的發(fā)生和經(jīng)濟(jì)損失。（4）機(jī)械手上升、下降、左旋、右旋、夾緊、松開(kāi)按鈕：這些按鈕通常在調(diào)試或者排除系統(tǒng)故障時(shí)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行單步操作時(shí)使用，屬于手動(dòng)操作。（5）復(fù)位按鈕：當(dāng)需要將機(jī)械手系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到初始位置的情況時(shí)，需要按此按鈕實(shí)現(xiàn)相應(yīng)復(fù)位功能。（6）啟動(dòng)按鈕：當(dāng)機(jī)械手系統(tǒng)完成上電，工作模式等一系列前期準(zhǔn)備工作之后，按下此按鈕系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)完成預(yù)設(shè)搬運(yùn)動(dòng)作。（7）測(cè)試燈/報(bào)警按鈕：機(jī)械手系統(tǒng)安裝結(jié)束后，要對(duì)機(jī)械手的作業(yè)穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)。此時(shí)，試燈/報(bào)警清除按鈕對(duì)電路上所有的工作指示燈做檢測(cè)，保證正式運(yùn)行時(shí)的安全。另外，當(dāng)機(jī)械手系y出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障維修后，必須按此按鈕消除報(bào)警，使系統(tǒng)進(jìn)行正常作業(yè)。
結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)方面進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致地研究，能夠?qū)ιa(chǎn)線(xiàn)上有無(wú)工件進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，降低了工作勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的柔性制造方面和工作效率方面起到了不可估量的作用。
摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新和進(jìn)步，生產(chǎn)自動(dòng)化已經(jīng)作為一種趨勢(shì)，深入到工業(yè)生產(chǎn)的方方面面。在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)中，氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)被廣泛采用。本文首先介紹氣動(dòng)機(jī)械手的概況，接著進(jìn)行自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)的介紹，最后將二者結(jié)合，具體探討氣動(dòng)機(jī)械手在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和前景。
關(guān)鍵詞：氣動(dòng)機(jī)械手；自動(dòng)化；沖壓生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)；應(yīng)用
近年來(lái)，我國(guó)的沖壓生產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)高度自動(dòng)化，改變了過(guò)去單純依靠勞動(dòng)力投入的低效率模式。隨著技術(shù)的進(jìn)步，氣動(dòng)機(jī)械手又廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)，進(jìn)一步解放了人類(lèi)勞動(dòng)，工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率顯著提高。基于氣動(dòng)機(jī)械手在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)中的重要作用，企業(yè)開(kāi)始將自身發(fā)展同氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用密切聯(lián)系。
一、氣動(dòng)機(jī)械手概述
氣動(dòng)機(jī)械手指的是利用現(xiàn)代氣動(dòng)技術(shù)、氣動(dòng)伺服控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的控制技術(shù)，完成生產(chǎn)線(xiàn)上物品的抓持、搬運(yùn)和卸料工作，以此代替人力勞動(dòng)，提高生產(chǎn)效率的現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)。
氣動(dòng)機(jī)械手是典型的機(jī)、電、器一體化的產(chǎn)物，同市面上存在的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手、液壓傳動(dòng)機(jī)械手、電氣傳動(dòng)機(jī)械手相比，具有技術(shù)要求低、動(dòng)作速度快、使用成本低、維護(hù)費(fèi)用少的特點(diǎn)，因此是最受生產(chǎn)企業(yè)歡迎的高性?xún)r(jià)比的生產(chǎn)工具。
二、自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)
自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的單線(xiàn)系統(tǒng)，它的工作周期一般為：拆垛――物料運(yùn)輸――取料、送料（壓機(jī)沖壓）（該步驟可能重復(fù)）――生產(chǎn)線(xiàn)末端輸送――人工碼垛。
（一）系統(tǒng)組成
自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)是一個(gè)單線(xiàn)系統(tǒng)，它的組成往往根據(jù)廠(chǎng)家生產(chǎn)產(chǎn)品的不同而略有差異。一般來(lái)講，自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)有拆垛系統(tǒng)、過(guò)程操作（涂油、壓板等工藝）系統(tǒng)、上下料系統(tǒng)和線(xiàn)末運(yùn)輸系統(tǒng)組成，最后經(jīng)過(guò)人工碼垛，完成整體生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程。
（二）控制系統(tǒng)
1、控制層
自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的控制系統(tǒng)一般采用PLC控制方式，這種控制方式具有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的控制，同時(shí)具有單獨(dú)控制及連線(xiàn)自動(dòng)控制的功能。它將整個(gè)系統(tǒng)分為不同的控制部分，每個(gè)控制部分上都設(shè)置有一個(gè)PLC，每個(gè)部分PLC之間與上級(jí)PLC之間采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，聯(lián)網(wǎng)時(shí)可以被系統(tǒng)監(jiān)控和使用。
2、設(shè)備層
設(shè)備層管理的主要是生產(chǎn)線(xiàn)中的各種設(shè)備，處于整個(gè)控制系統(tǒng)的最低層，同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗刂频氖菍?shí)際生產(chǎn)的環(huán)節(jié)，主要監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)操作站、現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分的工作。設(shè)備層受總線(xiàn)PLC控制，向總線(xiàn)PLC發(fā)送信號(hào)和數(shù)據(jù)，并將接收到的總線(xiàn)PLC命令直接傳達(dá)到生產(chǎn)線(xiàn)的指定環(huán)節(jié)和設(shè)備，使自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)穩(wěn)定地生產(chǎn)和運(yùn)行。
（三）安全系y
安全是自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的最大特點(diǎn)， 自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)一般配置高級(jí)的保護(hù)系統(tǒng)和完善的安全裝置，不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控生產(chǎn)的進(jìn)行，還能在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，有的甚至能夠自動(dòng)判斷危險(xiǎn)級(jí)別，進(jìn)行停機(jī)保護(hù)。
整個(gè)安全系統(tǒng)同樣受總線(xiàn)PLC控制，保證了線(xiàn)路運(yùn)行在統(tǒng)一的指揮和監(jiān)控下安全運(yùn)行。
三、氣動(dòng)機(jī)械手在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用具有安全性高、抗高溫環(huán)境、抗危險(xiǎn)（易燃、易爆、輻射等等）環(huán)境、效率高的特點(diǎn)，并且在成本投入上，又有成本低、動(dòng)作快、平穩(wěn)可靠、節(jié)能環(huán)保、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)中，不管是汽車(chē)制造業(yè)、家電制造業(yè)還是食品加工業(yè)、軍事制造業(yè)，都能看見(jiàn)它的身影。
（一）氣動(dòng)機(jī)械手要求對(duì)控制器進(jìn)行有效選擇
氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用，需要在強(qiáng)有力的系統(tǒng)控制下進(jìn)行。因此，在設(shè)計(jì)自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)的過(guò)程中，如果考慮加入氣動(dòng)機(jī)械手，就要做好控制器的選擇工作。要選擇具良好性能，同時(shí)遵循“簡(jiǎn)單、穩(wěn)定”特征，能夠?qū)偩€(xiàn)和各部分PLC進(jìn)行準(zhǔn)確把握的控制器。
（二）氣動(dòng)機(jī)械手要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的送料系統(tǒng)
在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程中，大部分工作都由自動(dòng)化的氣動(dòng)機(jī)械手來(lái)完成，但是要求必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)系統(tǒng)與手動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)合。因?yàn)闅鈩?dòng)機(jī)械手只能完成規(guī)定的將物料送入機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作，但是在一些需要主觀(guān)能動(dòng)性決定的工作操作（質(zhì)量檢驗(yàn)、裝箱碼垛等等）中，氣動(dòng)機(jī)械手卻無(wú)能為力，只能靠手動(dòng)操作系統(tǒng)來(lái)完成。
（三）氣動(dòng)機(jī)械手要求系統(tǒng)具有可靠的功能
氣動(dòng)機(jī)械手在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，要求系統(tǒng)能夠提供相應(yīng)的安全和生產(chǎn)保障，從而來(lái)指揮氣動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行正常的生產(chǎn)。
1、報(bào)警系統(tǒng)
作為一種機(jī)器，氣動(dòng)機(jī)械手的工作過(guò)程是簡(jiǎn)單機(jī)械的，只要系統(tǒng)不發(fā)出停止或者其他操作指令，它就會(huì)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。在危險(xiǎn)發(fā)生的時(shí)候，氣動(dòng)機(jī)械手并沒(méi)有主動(dòng)判斷危險(xiǎn)的能力，這個(gè)時(shí)候，如果沒(méi)有可靠的報(bào)警系統(tǒng)給總線(xiàn)控制系統(tǒng)傳遞信號(hào)，氣動(dòng)機(jī)械手就會(huì)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致重大生產(chǎn)事故的發(fā)生。
2、停止功能
在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一定要格外重視對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手停止功能的設(shè)計(jì)。在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，通過(guò)設(shè)備或者遙控開(kāi)關(guān)面板上的“停止”鍵，使設(shè)備立即停止運(yùn)行，能夠及時(shí)阻止更危險(xiǎn)情形的出現(xiàn)，降低事故的損失率。
3、狀態(tài)顯示功能
機(jī)器人不會(huì)說(shuō)話(huà)，它的工作運(yùn)行狀態(tài)，只能通過(guò)狀態(tài)顯示功能來(lái)體現(xiàn)。因此，在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一定要做好狀態(tài)顯示功能的設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)ο到y(tǒng)各個(gè)部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)，及時(shí)解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。
四、氣動(dòng)機(jī)械手在自動(dòng)糊沖壓生產(chǎn)線(xiàn)中應(yīng)用的前景
（一）重復(fù)高精度
與人工操作相比，氣動(dòng)機(jī)械手采用氣動(dòng)伺服技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，生產(chǎn)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)高精度重復(fù)。在氣動(dòng)機(jī)械手生產(chǎn)的過(guò)程中，如果一個(gè)氣動(dòng)機(jī)械手出現(xiàn)了定位不精確的誤差，就會(huì)及時(shí)啟動(dòng)誤差調(diào)整功能，保證工作的高精度。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)機(jī)械手的精確度會(huì)越來(lái)越高，它的發(fā)展前景和工作領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越寬廣。
（二）模塊化
現(xiàn)代的氣動(dòng)機(jī)械手正在由組合驅(qū)動(dòng)裝置向模塊化拼裝裝置轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化使氣動(dòng)機(jī)械手的安裝使用更加靈活方便，擴(kuò)大了氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用范圍，也是氣動(dòng)機(jī)械手發(fā)展的重要方向之一。
（三）無(wú)給油化
在食品、醫(yī)藥、紡織等生產(chǎn)要求高的行業(yè)，無(wú)污染是他們共同的追求。現(xiàn)在，隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不加潤(rùn)滑脂的不供油潤(rùn)滑元件生產(chǎn)技術(shù)。這種無(wú)潤(rùn)滑元件如果在氣動(dòng)機(jī)械手裝置中得到廣泛應(yīng)用，不僅能夠節(jié)省潤(rùn)滑油、降低環(huán)境污染，而且能降低生產(chǎn)成本、延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命，給相關(guān)行業(yè)帶來(lái)更大的利潤(rùn)空間。
（四）勞動(dòng)力集約化
在傳統(tǒng)的生產(chǎn)線(xiàn)中，單純采用人工方式進(jìn)行重復(fù)性、危險(xiǎn)性、節(jié)拍高的生產(chǎn)工作，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，很容易發(fā)生工傷。氣動(dòng)機(jī)械手在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)中的使用，代替了大部分危險(xiǎn)性的人工工作，節(jié)約了人力勞動(dòng)成本，提高了人工及設(shè)備的安全性。這正體現(xiàn)了一種未來(lái)工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。
結(jié)語(yǔ)：
氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，我國(guó)對(duì)氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但是近年來(lái)，隨著我國(guó)相關(guān)部門(mén)和企業(yè)重視程度的提高，對(duì)于氣動(dòng)機(jī)械手的投入力度和研發(fā)力度在不斷加大，我國(guó)自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在各種行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用，并且獲得了國(guó)際的一致好評(píng)，為國(guó)家的技術(shù)進(jìn)步做出了卓越貢獻(xiàn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，氣動(dòng)機(jī)械手將越來(lái)越廣泛地進(jìn)入工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等各個(gè)領(lǐng)域，更多地影響我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和人民的現(xiàn)代化生活水平。
摘 要：DELTA并聯(lián)機(jī)械手具有其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、運(yùn)行速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛的應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、電子等輕工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上作為裝配或分揀機(jī)構(gòu)。本文以三菱Q系列PLC為核心控制器，以QD75P2定位模塊和三菱伺服驅(qū)動(dòng)單元為運(yùn)動(dòng)控制部件，制作了一臺(tái)DELTA機(jī)械手裝置，利用SVM等視頻智能分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同形狀和不同特點(diǎn)物體的識(shí)別和分揀，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)械手 三菱QPLC QD75 視覺(jué)分析
1 引 言
機(jī)器人可以代替人類(lèi)進(jìn)行很多繁重和危險(xiǎn)的工作，是過(guò)去數(shù)千年一貫的夢(mèng)想。人類(lèi)進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，讓機(jī)器人逐漸由夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)在機(jī)器人已經(jīng)成為信息和自動(dòng)化行業(yè)蓬勃發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。機(jī)器人從結(jié)構(gòu)上可以分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人兩類(lèi)，串聯(lián)機(jī)器人具有工作空間大、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，雖然在工業(yè)生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，但是它也存在承載能力低、動(dòng)力學(xué)性能差和關(guān)節(jié)誤差累積等缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中需要機(jī)器人具有高的承載能力、良好的動(dòng)力學(xué)性能以及高精度等要求時(shí)，這就迫切需要有另外一種機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的機(jī)器人可供選擇。在這種情況下，并聯(lián)機(jī)器人就應(yīng)運(yùn)而生了。并聯(lián)機(jī)器人與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人具有運(yùn)行速度快、承載能力強(qiáng)、高柔性化、精度高以及慣性小等特點(diǎn)，因而在航天、航空、航海、機(jī)電工業(yè)、醫(yī)療器械、微型微動(dòng)機(jī)械等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
并聯(lián)機(jī)械手由于其諸多的優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)在研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，由于其運(yùn)行速度快、承載能力強(qiáng)、高柔性化、精度高以及慣性小等特點(diǎn)，已在航天、航空、航海、機(jī)電工業(yè)、醫(yī)療器械、微型微動(dòng)機(jī)械等方面得到了廣泛的應(yīng)用。PLC的控制使得并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡和控制更加的科學(xué)化、人性化?？勺詣?dòng)按程序完成工件的檢測(cè)、抓取、放置、按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行工作，保證了伺服電機(jī)、主軸、從動(dòng)軸等各執(zhí)行構(gòu)件的動(dòng)作相互協(xié)調(diào)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。
2硬件方案設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)械手主要由三條主動(dòng)臂、三條從動(dòng)臂和上下兩個(gè)平臺(tái)組成，每條主動(dòng)臂上由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一個(gè)鋁制主動(dòng)臂和一組碳棒組成的從動(dòng)臂連接，兩個(gè)平臺(tái)也分別是用鋁材料打造而成。三個(gè)伺服電機(jī)固定在主平臺(tái)上，電機(jī)與鋁制主動(dòng)臂是通過(guò)鍵結(jié)構(gòu)連接，該結(jié)構(gòu)使電機(jī)與主動(dòng)臂聯(lián)為一體，主動(dòng)臂另一端同從動(dòng)臂連接，從動(dòng)臂與動(dòng)平臺(tái)框架連接。當(dāng)機(jī)構(gòu)圓點(diǎn)回歸運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)臂末端連接的三個(gè)伺服電機(jī)同時(shí)作用于動(dòng)平臺(tái)，這樣就可以讓動(dòng)平臺(tái)位于固定的一點(diǎn)，全部結(jié)構(gòu)由三維建模軟件SOLIDWORKS設(shè)計(jì)并仿真，在完成仿真后進(jìn)行分零件加工。并聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維模型圖如下圖1所示。
當(dāng)機(jī)構(gòu)需要對(duì)物體進(jìn)行抓取時(shí)，則需要伺服電機(jī)同時(shí)輸出不同的脈沖數(shù)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)到達(dá)指定位置。動(dòng)平臺(tái)框架上可以根據(jù)生產(chǎn)中的實(shí)際需要來(lái)安裝不同形式的抓手。本文為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀鎳鐵合金物體的抓取，采用了電磁鐵，用于拾取工作臺(tái)內(nèi)的鎳鐵金屬物件（例如螺絲，螺帽，硬幣等），體現(xiàn)機(jī)械手整體的靈活性、精確度而選擇，為了不影響吸取周?chē)慕饘傥锛?，吸盤(pán)的周?chē)黾恿司彌_套，為了能吸到物件偏離而設(shè)計(jì)，也可以防止吸到其他的物件，選擇吸盤(pán)不止可以金屬分類(lèi)，也可以對(duì)金屬和非金屬的雜物進(jìn)行篩選。在動(dòng)平臺(tái)不但可以裝電磁鐵，也可以和切割、畫(huà)圖、掃描等功能多元化結(jié)合，可以拓展的功能多種多樣。
為了進(jìn)行視覺(jué)信息的采集，本機(jī)構(gòu)中采用了攝像頭模塊，其分辨率為320*640像素，視角為75度廣角鏡^，主要功能是捕捉工作臺(tái)上的物件位置外觀(guān)，可以附件工作錄像、實(shí)施拍照等功能，增加攝像頭可以大大提升了設(shè)備的智能化水平，對(duì)于不同的器件的分揀，只需要擴(kuò)展其識(shí)別類(lèi)別即可。攝像頭的工作內(nèi)容為識(shí)別工件的位置、形狀等信息，將相關(guān)信息傳輸?shù)饺藱C(jī)界面，人機(jī)界面將數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸?shù)絇LC，等待PLC計(jì)算并控制機(jī)械手動(dòng)作并對(duì)其監(jiān)視，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行下次識(shí)別工作。
PLC可編程控制器作為本裝置的控制核心處理器，選擇的是三菱Q系列PLC，作為一款中型PLC產(chǎn)品，三菱Q系列PLC具有更高的處理速度和更多的智能模塊可以選擇。具體的各模塊型號(hào)如下：Q61P電源、Q30UDCPU、QD75D2N定位模塊、QX40輸入模塊、QY10輸出模塊、QJ71E71-100以太網(wǎng)模塊，伺服運(yùn)動(dòng)控制器選擇：三個(gè)MR J3-10A伺服驅(qū)動(dòng)器、三個(gè)HF-KP13伺服電機(jī)。
本裝置狀態(tài)的監(jiān)控采用三維力控監(jiān)控軟件，作為一款主流的控制監(jiān)控HMI，力控提供了性能優(yōu)異的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、多設(shè)備接口、專(zhuān)業(yè)的HMI等功能，為完成機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)。
3軟件方案設(shè)計(jì)
3.1 PLC控制模塊
在PLC程序中采用雙精度64位的浮點(diǎn)型傳送指令將實(shí)物中的主動(dòng)臂長(zhǎng)度，從動(dòng)臂長(zhǎng)度輸入到某個(gè)指定的位置中，如"EDMOVP E20 D2"。然后，運(yùn)用PLC程序里的浮點(diǎn)型算法指令"ED*、ED/、ED-、ED+"編寫(xiě)上述計(jì)算出夾角的方程，PLC程序中動(dòng)平臺(tái)中心點(diǎn)P的坐標(biāo)是通過(guò)外部信號(hào)傳輸給它的，每一次P點(diǎn)的坐標(biāo)更新都會(huì)通過(guò)PLC編寫(xiě)的算法重新進(jìn)行計(jì)算，PLC算法最終是計(jì)算出主動(dòng)臂和XY平面的浮點(diǎn)型弧度角，所以需要再通過(guò)PLC轉(zhuǎn)化，將算出來(lái)的浮點(diǎn)型弧度值轉(zhuǎn)化，如"DINTD D0 D4"。最后對(duì)計(jì)算出來(lái)的弧度進(jìn)行放大處理轉(zhuǎn)化為三個(gè)伺服電機(jī)的脈沖數(shù)，讓三個(gè)電機(jī)運(yùn)行到硬幣位置，電磁鐵得電硬幣被吸引實(shí)現(xiàn)抓取，抓取后運(yùn)動(dòng)到指定區(qū)域后電磁鐵失電實(shí)現(xiàn)硬幣放置，完成本次智能識(shí)別抓取任務(wù)，并進(jìn)行下一次識(shí)別動(dòng)作準(zhǔn)備。
3.2 定位模塊參數(shù)設(shè)置
伺服放大器MR-J3-10A具有更高性能和更高功能，其控制模式有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，廣泛用于機(jī)械工具和工業(yè)機(jī)械等需要高精度位置控制和平穩(wěn)速度控制。伺服控制參數(shù)的設(shè)定是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，通過(guò)Q系列PLC的參數(shù)設(shè)置使用編程軟件Works2對(duì)其自帶定位參數(shù)進(jìn)行修改，伺服系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設(shè)定，是根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)可編程控制器的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，從而使PLC通過(guò)脈沖來(lái)控制伺服放大器來(lái)對(duì)伺服電機(jī)控制，通過(guò)設(shè)置機(jī)械設(shè)備和相應(yīng)電機(jī)的速度來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行速度控置。
3.3 PLC控制模塊
視覺(jué)識(shí)別模塊主要完成對(duì)硬幣形狀、顏色、大小的識(shí)別。它是整個(gè)裝置中的核心信息驅(qū)動(dòng)模塊，主要由工業(yè)攝像機(jī)和相關(guān)軟件組成。工業(yè)攝像機(jī)可以清晰的拍攝到物料圓槽中的所有飾品，并形成圖像傳遞給信息處理計(jì)算機(jī)，為了完成飾品原料的精確抓取，需要完成樣本庫(kù)的創(chuàng)建、圖像的抓取、二值化、輪廓識(shí)別、子圖摳取、子圖旋轉(zhuǎn)、矢量化運(yùn)算、樣本比對(duì)等環(huán)節(jié)，最終完成每個(gè)飾品的位置、方位、傾角、文字符號(hào)的定位和模式識(shí)別。得到這些信息后，機(jī)械手才能正常的完成工作。因此視覺(jué)識(shí)別模塊為系統(tǒng)核心模塊和其他模塊的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供必要條件。
4系統(tǒng)調(diào)試
使用三菱編程軟件GX Works2進(jìn)行程序的編輯，打開(kāi)GX Works2軟件，設(shè)置相關(guān)PLC參數(shù)，進(jìn)入主程序編輯界面，輸入相關(guān)程序，編輯QD75P2模塊的相關(guān)參數(shù)。具體操作步驟如下：
（1）新建程序文檔，更改程序文件名；
（2）進(jìn)入軟件，更改PLC類(lèi)型、程序語(yǔ)言；
（3）輸入用戶(hù)程序，在程序編輯框內(nèi)，逐條輸入程序指令；
（4）編輯程序，如果程序中有語(yǔ)法錯(cuò)誤，則給出錯(cuò)誤的數(shù)量。
4.2 模擬調(diào)試
通過(guò)計(jì)算機(jī)和PLC連接，使用編程軟件GX Works2上的模擬調(diào)試功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬調(diào)試，虛擬調(diào)試不需要連接設(shè)備減小了系統(tǒng)損耗，也使程序編寫(xiě)更加方便，是系統(tǒng)調(diào)試必須要進(jìn)行的環(huán)節(jié)，具體操作步驟如下：
（1）在斷電情況下，用編程電纜（PC/PPI電纜）將計(jì)算機(jī)和PLC主機(jī)相連；
（2）接通計(jì)算機(jī)與PLC的工作電源；
（3）在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行GX Works2軟件，并進(jìn)行正確的通信參數(shù)設(shè)置；
（4）通過(guò)GX Works2軟件，將機(jī)械手的控制系統(tǒng)程序?qū)胫罰LC中，并將相關(guān)的定位數(shù)據(jù)同時(shí)寫(xiě)入PLC中；
（5）建立計(jì)算機(jī)和PLC主機(jī)的在線(xiàn)聯(lián)系；
（6）用戶(hù)程序監(jiān)視運(yùn)行；
（7）用戶(hù)程序動(dòng)態(tài)調(diào)試。
結(jié)合程序監(jiān)視運(yùn)行的動(dòng)態(tài)顯示，分析程序運(yùn)行的結(jié)果，以及影響程序運(yùn)行的因素，然后在STOP狀態(tài)下對(duì)程序進(jìn)行修改編輯，重新編譯、下載、監(jiān)視運(yùn)行，如此反復(fù)修改調(diào)試，直至得出正確運(yùn)行結(jié)果為止。
4.3聯(lián)機(jī)調(diào)試
在斷電條件下硬件線(xiàn)路接好，按照電路圖要求，將PLC和外部設(shè)備通過(guò)航空插座相連，同時(shí)將PLC和編程計(jì)算機(jī)，伺服放大器與伺服電機(jī)相連。將系統(tǒng)所有設(shè)備接通電源后，PLC在計(jì)算機(jī)的監(jiān)視下運(yùn)行用戶(hù)程序。觀(guān)察系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求。伺服電機(jī)執(zhí)行回原點(diǎn)動(dòng)作，定位啟動(dòng)按鍵斷開(kāi)，按下"原點(diǎn)回歸"按鍵，近位開(kāi)關(guān)將回到起始位置。第一步定位完成。 當(dāng)攝像頭成功的識(shí)別出物體后，PLC將位置數(shù)據(jù)傳送給各個(gè)伺服放大器，伺服放大器驅(qū)動(dòng)X、Y、Z軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)定位點(diǎn)，接著，PLC控制電磁鐵得電，將物體吸引實(shí)現(xiàn)抓取；最后，當(dāng)機(jī)械手抓到物體后，再將抓取物體先提升到指定高度，平移，最后下移，到達(dá)指定高度后，將物體放置下來(lái)，并做好對(duì)下一物體的抓取準(zhǔn)備，完成了一個(gè)抓取周期。
5 結(jié) 論
并聯(lián)機(jī)械手由于其剛度大、承載能力弱、響應(yīng)速度快、精度高以及慣性小等特點(diǎn)，在輕工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，成為了機(jī)械代替人力的典型范例。隨著機(jī)械手應(yīng)用的普及，機(jī)械手向著專(zhuān)用化、機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化、可重構(gòu)化的方向發(fā)展，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)更加的靈活準(zhǔn)確多樣化，其控制方式也在向著多元化的方向發(fā)展，其應(yīng)用將有著更大的發(fā)展空間。
摘要：液壓機(jī)械手主要是以液體為介質(zhì)，并且利用液體的壓力由此來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。其主要特點(diǎn)是：首先，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)工作的自動(dòng)化和自動(dòng)過(guò)載保護(hù)；其次，控制調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，方便省力；最后，這樣能夠更好地實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)，還可以讓操作更加平穩(wěn)。
0 引言
機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作，按給定程序、執(zhí)行軌跡、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓舉或搬運(yùn)的自動(dòng)化機(jī)械裝置。產(chǎn)品機(jī)械手價(jià)格昂貴，一些小型機(jī)械企業(yè)望而止步。文中所研究的機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，主要功能是實(shí)現(xiàn)上下料過(guò)程的自動(dòng)化。其造價(jià)低廉、控制性好，可為小型機(jī)械行業(yè)所用?，F(xiàn)將設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單介紹。
1 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)
①自由度（四個(gè)自由度）
臂轉(zhuǎn)動(dòng) 180°
臂上下運(yùn)動(dòng) 175mm
臂伸長(zhǎng)（收縮） 400mm
手部轉(zhuǎn)動(dòng) ±90°
②手指握力 392N
③驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)
2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
2.1 結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求繪制出其機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理圖，如圖1所示。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 本次液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)裝置，被抓取工件等部分組成，各系統(tǒng)之間的相互關(guān)系如圖2所示。
2.3 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成的，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)又包括末端操作器、手腕、手臂和機(jī)身。
2.3.1 末端操作器
機(jī)械手為了進(jìn)行作業(yè)，在手腕上裝上了操作機(jī)構(gòu)被定義為末端操作器。它的最為基本作用是：直接抓取工件、工具或物體等，末端操作器的功能與人手相似，工件的形狀和特征直接決定末端操作器的機(jī)構(gòu)形式。本次設(shè)計(jì)手部的結(jié)構(gòu)選擇為滑槽杠桿式夾鉗。
2.3.2 手腕
機(jī)器手的手腕是連接手部和手臂的橋梁，其主要用途是調(diào)節(jié)、改變工件的坐標(biāo)，因此具有相對(duì)獨(dú)立的自由度，從而使機(jī)器人的手部能夠完成各種復(fù)雜的動(dòng)作。一般，按照自由度分類(lèi)，手腕可以設(shè)計(jì)為三個(gè)自由度。分別為：?jiǎn)巫杂啥?、二自由度和三自由度。本次設(shè)計(jì)中選用的是單自由度手腕。
2.3.3 手臂
手臂是機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尤為重要組成部件。手臂根據(jù)它的運(yùn)動(dòng)方式可以分成四種類(lèi)型，它們分別是“直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)。此次設(shè)計(jì)選用的是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。
2.3.4 機(jī)身
機(jī)械手的最基礎(chǔ)的部分是機(jī)身，它的主要作用是連接、支撐。所以機(jī)械手主要承受動(dòng)力裝置、液壓裝置的重量。
通過(guò)Pro/E軟件完成機(jī)械手的三維造型如圖3所示。
2.4 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。
3 結(jié)束語(yǔ)
四自由度液壓機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，能準(zhǔn)確完成上下料工作，機(jī)械密封可靠，說(shuō)明液壓回路的設(shè)計(jì)及液壓元器件的選擇滿(mǎn)足產(chǎn)品使用的需求。最為重要的是整套設(shè)備的制作費(fèi)用在五千元左右，與產(chǎn)品工業(yè)機(jī)器手?jǐn)?shù)萬(wàn)元的價(jià)格相比，很大程度上滿(mǎn)足了小型機(jī)械企業(yè)向自動(dòng)化、智能化發(fā)展的需求，可為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。
摘要：本文利用SolidWorks對(duì)用于箱類(lèi)和袋類(lèi)物品取放的存碼垛工業(yè)機(jī)器人本體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。存碼垛工業(yè)機(jī)器人本體主要有基座、腰部、大臂、小臂、末端執(zhí)行器、等部件組成。本設(shè)計(jì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科；創(chuàng)新能力；機(jī)械制造基礎(chǔ)；教學(xué)改革
1 Solidworks軟件簡(jiǎn)介
SolidWorks是法國(guó)達(dá)索公司最先在Windows系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)的一款三維設(shè)計(jì)軟件。其CAD功能方面涵蓋了所有的設(shè)計(jì)類(lèi)型，實(shí)體建模、曲面設(shè)計(jì)、二維工程圖、裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、結(jié)構(gòu)分析等功能一應(yīng)俱全。創(chuàng)新的自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程使得設(shè)計(jì)工作一目了然，實(shí)時(shí)的更新功能使得工程師可以隨時(shí)對(duì)產(chǎn)品特征參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改。除此之外，SolidWorks還為不同的設(shè)計(jì)人群提供不同的功能模塊，包括鈑金、管道布線(xiàn)、電氣設(shè)計(jì)等，使得設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)潔而豐富。
2 碼垛機(jī)器人的發(fā)展
國(guó)外，最早將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運(yùn)是日本和瑞典。1968年，日本第一次將機(jī)器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)。1974年，瑞典ABB公司研發(fā)了全球第一臺(tái)全電控式工業(yè)機(jī)器人IRB6，主要應(yīng)用于物品的取放和物料的搬運(yùn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)以及人工智能控制等技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，日本、意大利、德國(guó)、美國(guó)、瑞典、韓國(guó)等國(guó)家在碼垛機(jī)器人的研究上做了大量工作，相應(yīng)推出了自己的碼垛機(jī)器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德國(guó)的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，使得碼垛機(jī)器人在各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。
3 碼垛機(jī)器人的工作對(duì)象
本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人的工作對(duì)象及其參數(shù)如下：
（1）碼垛物品：箱類(lèi)物品（如一箱紙巾）和袋類(lèi)物品（如一袋洗衣粉）等。
（2）物品尺寸：長(zhǎng)為200至500mm，寬為200至400mm，高為100至300mm。
（3）物品質(zhì)量：每件物品為5至15kg。
（4）物品運(yùn)動(dòng)范圍：以機(jī)器人為中心的，半徑為3m，角度為90至180度。
4 碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人為關(guān)節(jié)型機(jī)器人，這類(lèi)機(jī)器人占地面積小、機(jī)構(gòu)緊湊，工作空間大，還能穿過(guò)障礙物進(jìn)行抓取，是機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)型式。碼垛機(jī)器人的本體（即機(jī)械手）包括基座、腰部、大臂、小臂、末端執(zhí)行器（俗稱(chēng)爪子），它的運(yùn)動(dòng)主要由碼垛機(jī)械手手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)和腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。
4.1 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械手臂末端抓取器大致可分為：夾鉗式、專(zhuān)用操作式、吸附式、仿生多指式四類(lèi)。由于工作對(duì)象為箱式或袋式物品，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取物品的夾鉗式即可。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以抓取不同大小多個(gè)種類(lèi)的箱式或袋式貨物。
4.2 臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手臂部件（簡(jiǎn)稱(chēng)臂部）是機(jī)器人的重要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部（關(guān)節(jié)）和手部（包括工件和工具），并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)，臂部還安裝一些傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從臂部的受力情況來(lái)看，它在工作中直接承受腕，手和工件的靜動(dòng)載荷，自身運(yùn)動(dòng) 又較多，所以受力情況復(fù)雜。
臂部主要是進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)，這里采用鉸接活塞缸實(shí)現(xiàn)臂部的俯仰運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是，工作范圍大、靈活性好。
4.2.1 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大臂是臂部的組成部分，它兩端分別與小臂和立柱相連，它都是通過(guò)鉸鏈連接。大臂的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)與立柱相連的鉸鏈活塞缸來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳遞的，它的運(yùn)動(dòng)軌跡就是一個(gè)圓弧形，通過(guò)活塞缸來(lái)進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。它較之小臂粗大，因?yàn)樗谴a垛機(jī)器人主要的受力部分之一。其三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。
4.2.2 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
小臂兩端是與大臂和末端執(zhí)行器連接，這里采用鉸鏈連接，大臂與小臂之間的運(yùn)動(dòng)傳遞，采用鉸接活塞缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)性能好。小臂比之大臂在設(shè)計(jì)時(shí)材料消耗要比大臂少，體積也小，重量輕。其三維結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。
4.3 立柱（腰部）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
立柱主要是支撐大臂小臂的重量，連接大臂和底座，并且固定了活塞缸的運(yùn)動(dòng)范圍。結(jié)合要求與設(shè)計(jì)過(guò)程，腰部的結(jié)構(gòu)材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，無(wú)經(jīng)淬火與回火處理。其三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。
4.4 活塞缸的設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)，我采用最多的動(dòng)力傳動(dòng)方式就是活塞缸，因?yàn)樗ぷ餍问絾我唬荒苓M(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由缸體和活塞缸組成，并且它在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中運(yùn)用很廣泛。其三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。
4.5 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
底座是承受碼垛機(jī)器人整體重量的主要部件，且由于碼垛機(jī)器人的手臂長(zhǎng)，導(dǎo)致機(jī)器人整體重心并不在底座中線(xiàn)上，所以底座較為寬大。其三維結(jié)構(gòu)如圖6所示。基于底座在本次設(shè)計(jì)中的作用，選取底座的材料為鑄鐵，且設(shè)計(jì)底座尺寸為：長(zhǎng)×寬×高= 280 mm×120 mm× 20 mm。
5 結(jié)論
碼垛機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，其運(yùn)動(dòng)是由腰部的旋轉(zhuǎn)、手臂的俯仰、末端執(zhí)行器的夾緊和放松組成。碼垛機(jī)器人工作的全部流程：第一步，大臂處的活塞桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)小臂進(jìn)行下伏運(yùn)動(dòng)，從而末端執(zhí)行器接近物品，并通過(guò)夾緊缸將物品抓?。坏诙?，大臂進(jìn)行上仰運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)物品上升；第三步，腰部回轉(zhuǎn)缸進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將物品移到堆放指定區(qū)域上空；第四步，大臂又下伏，將物品放在堆放臺(tái)上，并且?jiàn)A緊缸放松物品，最后大臂上仰，腰部旋轉(zhuǎn)回到原位。
摘要：隨著21世紀(jì)生物技術(shù)高速發(fā)展， 隨著人們對(duì)生物體認(rèn)識(shí)的深入， 仿生智能機(jī)械應(yīng)用也將有更光明的前景。仿生智能機(jī)械手可以在醫(yī)生的監(jiān)控或操作下，按照即定的方案，高精度地、高可靠地實(shí)施手術(shù)，并在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)完成。仿生智能機(jī)械手的應(yīng)用可以為醫(yī)院病人帶來(lái)福音。
關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人；智能；機(jī)械手；醫(yī)療；
1.引言
假肢是醫(yī)療領(lǐng)域最早使用仿生智能機(jī)械手， 隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可以模仿人手做絕大部分的操作的仿生機(jī)器手，使用方便、靈活。在外科手術(shù)里，醫(yī)生需要長(zhǎng)時(shí)間地或在有限的時(shí)間內(nèi)完成一系列復(fù)雜精確的操作。仿生智能機(jī)械手是一種仿人機(jī)械，可以在醫(yī)生的監(jiān)控或操作下， 按照即定的方案， 高精度地、高可靠地實(shí)施手術(shù)，并在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)完成。仿生智能機(jī)械手的應(yīng)用可以為病人帶來(lái)福音?，F(xiàn)代社會(huì)、科技的高速發(fā)展推動(dòng)著機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 對(duì)其自身結(jié)構(gòu)、能量消耗或者運(yùn)動(dòng)的可靠性提出了更為嚴(yán)苛的要求。在環(huán)境優(yōu)勝劣汰法則的作用下，自然界存在擁有神奇的特性與功能各種各樣的生物。仿生智能機(jī)械手就是模仿人手的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理而誕生。人手共有27個(gè)自由度，可以精確定位并做出復(fù)雜精細(xì)的動(dòng)作。仿生智能機(jī)械手可以通過(guò)模仿人類(lèi)手部的動(dòng)作，并依照智能控制系統(tǒng)給定的程序而實(shí)現(xiàn)智能化的手部抓取、搬運(yùn)等復(fù)雜動(dòng)作的自動(dòng)機(jī)械裝置。
在中國(guó)，醫(yī)療類(lèi)自動(dòng)控制機(jī)械設(shè)備的研究和應(yīng)用起步較晚，然而近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)外自動(dòng)控制和智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，以及醫(yī)院等醫(yī)療機(jī)構(gòu)的迫切需求，智能機(jī)械手的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。智能控制技術(shù)可以建立柔性程序控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)醫(yī)療機(jī)械手的高精度控制。
2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
2.1.基本結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的醫(yī)療機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。
手部用來(lái)抓取刀具，由手指?jìng)髁C(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置等組成。仿生機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)一般以雙指或者多指結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)；如果根據(jù)實(shí)現(xiàn)的不同任務(wù)動(dòng)作要求，又被分成以下兩種結(jié)構(gòu)形式：外抓和內(nèi)抓；如果根據(jù)仿生機(jī)械手的手部的運(yùn)動(dòng)形式又可以分為回轉(zhuǎn)式和平移式，其中回轉(zhuǎn)型又分為以下幾種形式：?jiǎn)沃c(diǎn)式，雙支點(diǎn)式。在以上結(jié)構(gòu)中，我們較多選用回轉(zhuǎn)式的手部，這種結(jié)構(gòu)能夠方便的用來(lái)抓取藥瓶等圓柱形醫(yī)療工具，平移型用于抓持方形醫(yī)療工具。
對(duì)于醫(yī)療機(jī)械手而言，其手部需滿(mǎn)足的條件：首先，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生強(qiáng)且穩(wěn)定的夾持力，用來(lái)精確安全的夾持醫(yī)療器具。由于醫(yī)療器具的搬運(yùn)過(guò)程中，往往會(huì)存在一定的動(dòng)載荷，因此在設(shè)計(jì)校核的過(guò)程中，一定要充分考慮動(dòng)載荷的波動(dòng)。同時(shí)，不同重量、尺寸的醫(yī)療器具在被夾持和傳送過(guò)程中所要求的基本方向、動(dòng)作、精度等不相同，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須充分考慮各種器具的使用條件。第三，必須充分考慮醫(yī)療器具的高精度定位要求。第四，醫(yī)療機(jī)械手的尺寸結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足緊湊、精巧的要求，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
智能仿生醫(yī)療器械手的動(dòng)作機(jī)構(gòu)的作用對(duì)象是醫(yī)療器具或者患者身體工，因此需要完成的不同動(dòng)作都必須滿(mǎn)足安全行要求，防止意外的發(fā)生；同時(shí)，智能仿生醫(yī)療器械手的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、尺寸等對(duì)于機(jī)械手的整體的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能以及使用條件和使用范圍等也有著直接、顯著的影響。智能仿生醫(yī)療器械手整體動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的高低，決定了機(jī)械手最終能否正常按照控制機(jī)構(gòu)的指令進(jìn)行工作。因此，智能仿生醫(yī)療器械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整體設(shè)計(jì)的最重要環(huán)節(jié)。
智能仿生醫(yī)療器械手的手腕在于手和手臂之間，用于調(diào)整手的方向。要使智能仿生醫(yī)療器械手能以不同的旋轉(zhuǎn)角度和方位進(jìn)行動(dòng)作，因此，智能仿生醫(yī)療器械手的手腕要能滿(mǎn)足六個(gè)自由度的動(dòng)作要求，即：分別獨(dú)立的繞X、Y、Z 軸向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，這樣，智能仿生醫(yī)療器械手的手腕才能實(shí)現(xiàn)大范圍角度的伸、縮、轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)、擺動(dòng)等。
智能仿生醫(yī)療器械手的臂部是運(yùn)動(dòng)的主要執(zhí)行部件，需要承載手部抓起器具的整體重力載荷，臂部的運(yùn)動(dòng)形式?jīng)Q定了它的基本結(jié)構(gòu)。臂部運(yùn)動(dòng)的基本作用是把機(jī)械的手部所夾持的器具送到控制機(jī)構(gòu)要求的空間點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。
2.2. 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是智能仿生醫(yī)療器械手的動(dòng)力來(lái)源。智能仿生醫(yī)療器械手的動(dòng)力源與常規(guī)的動(dòng)力源相同，主要包括液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等幾種主要形式，近年來(lái)還發(fā)展了其它幾種形式。電動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量小、控制方便，備受設(shè)計(jì)人員的青睞。
智能仿生醫(yī)療器械手控制方式一般為基于模糊控制理論的點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。智能仿生醫(yī)療器械手緩沖干擾源也越來(lái)越多樣化，需要在不同的工作環(huán)境下，對(duì)干擾源進(jìn)行正確的分析，并找出其抑制措施，是非常有必要的。
2.3. 結(jié)構(gòu)布置要求及平穩(wěn)性與定位精度
智能仿生醫(yī)療器械手在工作中運(yùn)動(dòng)定位要求較高，在結(jié)構(gòu)布置上應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)精確平穩(wěn)，這樣可提高使用的可靠性，并可延長(zhǎng)使用壽命，在結(jié)構(gòu)上要注意以下幾點(diǎn)：
2.3.1.臂部要防止偏重。一般情況下臂部為懸臂，所以在設(shè)計(jì)臂部、手部結(jié)構(gòu)時(shí)，要盡量使其總的重心在支撐中心，防止偏重。假如有偏重，它將會(huì)產(chǎn)生附加的彎矩，引起立柱和導(dǎo)向的變形。防止偏重過(guò)大可采取的措施如下：一是減輕手部重量，以盡量減少偏心載荷；二是臂部上各部件應(yīng)合理分布或增加平衡重，使臂部平衡；三是在結(jié)構(gòu)上無(wú)法避免偏重時(shí)，則應(yīng)加強(qiáng)導(dǎo)向支撐。
2.3.2.加強(qiáng)臂部剛度。臂部的剛度，決定于臂部的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向形式。選取臂部結(jié)構(gòu)時(shí)，各個(gè)方向的剛度都有要求。提高臂部剛度，是減少手部顫動(dòng)的關(guān)鍵，也有利于提高定位精度。
2.3.3.改進(jìn)緩沖裝置和提高配合精度。機(jī)械手緩沖干擾源越來(lái)越多樣化，需要在不同的工作環(huán)境下，對(duì)干擾源進(jìn)行正確的分析，并找出其抑制措施，是非常有必要的。
3. 總結(jié)
盡管目前仿生智能學(xué)在工程機(jī)械行業(yè)中的研究還有很長(zhǎng)的路要走，但伴隨著21世紀(jì)生物技術(shù)高速發(fā)展， 隨著人們對(duì)生物體認(rèn)識(shí)的深入， 仿生智能機(jī)械設(shè)計(jì)也將有更光明的前景。仿生智能機(jī)械手仿人機(jī)械可以在醫(yī)生的監(jiān)控或操作下， 按照即定的方案，高精度地、高可靠地實(shí)施手術(shù)， 并在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)完成。仿生智能機(jī)械手的應(yīng)用可以為病人帶來(lái)福音。
作者簡(jiǎn)介：姓名：張金輝（1979.10-）性別：男，籍貫：云南，最高學(xué)歷：本科，目前職稱(chēng)：助理工程師，主要研究方向：機(jī)電