引言

自上世紀(jì)60年代，機(jī)械手被實(shí)現(xiàn)為一種產(chǎn)品后，對(duì)他的開發(fā)應(yīng)用也在不斷的發(fā)展，最典型的發(fā)展是生產(chǎn)者將此產(chǎn)品應(yīng)用與衛(wèi)生行業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)生檢驗(yàn)中急需短時(shí)間、大量樣品數(shù)據(jù)的要求，但在衛(wèi)生領(lǐng)域的機(jī)械手因采用樣品單一酶試劑顯色法，且采用濾光片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，造成試劑價(jià)格昂貴，限制了產(chǎn)品的市場(chǎng)發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的設(shè)計(jì)也突破了單一試劑、加熱及濾光片的束縛。工業(yè)機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度快，抓力大，但存在速度難以控制的不足；液壓驅(qū)動(dòng)抓力較大，但速度慢；而氣壓則速度較快，抓力小。

隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展及氣動(dòng)技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。進(jìn)二十年來(lái)，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛的應(yīng)用。電氣可編程控制器技術(shù)與氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引進(jìn)，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動(dòng)技術(shù)從開關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高。

隨著機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，加上PLC控制技術(shù)及電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，適用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的通用機(jī)械手得到了廣泛的應(yīng)用。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/10~1/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。由于氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、定位準(zhǔn)確,因此在自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到了廣泛應(yīng)用。本文將介紹一種采用PLC與步進(jìn)電機(jī)控制的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手。

1、氣動(dòng)機(jī)械手簡(jiǎn)介

氣動(dòng)機(jī)械手主要由氣缸，平行機(jī)構(gòu)，鉸鏈，固定爪和活動(dòng)爪氣缸五大部分組成。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，集平行機(jī)構(gòu)與單邊擺動(dòng)機(jī)構(gòu)于一體。為了克服氣壓驅(qū)動(dòng)的不足，快進(jìn)過(guò)程采用差動(dòng)回路，工作過(guò)程采用同步回路與調(diào)壓回路。如圖1所示為氣缸驅(qū)動(dòng)式機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作順序圖。

圖1機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

圖2氣缸動(dòng)作順序圖

1.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。

1、手部

即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。

2、手腕

是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))

3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。

4、立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。

5、行走機(jī)構(gòu)

當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無(wú)軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。

6、機(jī)座

機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。

1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，

并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.3動(dòng)作流程

在初始位置時(shí)，機(jī)械手張開一定角度，即缸2的初始角度為0，氣缸1有一定的偏移角度。

該氣動(dòng)機(jī)械手工作過(guò)程為:當(dāng)工件推入存放料臺(tái)后,氣動(dòng)機(jī)械手手臂前伸--前臂下降--氣動(dòng)手指夾緊工件--前臂上升--手臂縮回--手臂右旋到位--手臂前伸--前臂下降--手爪松開將工件放入料口--前臂上升--手臂縮回--機(jī)械手左旋返回原位,等待下一個(gè)工件到位,然后重復(fù)上面的動(dòng)作。

氣動(dòng)機(jī)械手的左/右旋轉(zhuǎn)主要靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn),本系統(tǒng)選用了三相混合式步進(jìn)電機(jī)及細(xì)分型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為機(jī)械手旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置和定位裝置。為了機(jī)械手定位需要,在機(jī)械手底座裝有電感傳感器作為機(jī)械手的基準(zhǔn)傳感器,并在機(jī)械手左/右旋轉(zhuǎn)的極限位置裝有限位開關(guān)。

2、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

PLC是控制系統(tǒng)的核心器件，它相當(dāng)于人的大腦，控制我們一切的動(dòng)作。它的結(jié)構(gòu)一般是由中央處理器、電源部件，輸入、輸出部分構(gòu)成。圖3為一般PLC的結(jié)構(gòu)模塊圖。PLC的軟件簡(jiǎn)單易學(xué)、使用維護(hù)方便；集電控、電傳、電儀于一體；可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；PLC網(wǎng)絡(luò)的性能價(jià)格比高，以至成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化三大支柱之首。現(xiàn)在世界上比較出名的PLC公司有日本的三菱、松下，美國(guó)的A-B以及德國(guó)的西門子等，每一個(gè)公司的產(chǎn)品都有它的獨(dú)特之處。

該系統(tǒng)可編程控制器件采用的是西門子公司的300系列PLC，具體型號(hào)為315-2PN/DP，315-2PN/DP性能參數(shù)及模塊參數(shù)如下表1所示：

表1西門子315-2PN/DP及模塊性能參數(shù)

3、傳感器

接近開關(guān)傳感器的概念在各類開關(guān)中，有一種對(duì)接近它物件有“感知”能力的元件——位移傳感器。利用位移傳感器對(duì)接近物體的敏感特性達(dá)到控制開關(guān)通或斷的目的，這就是接近開關(guān)。當(dāng)有物體移向接近開關(guān)，并接近到一定距離時(shí)，位移傳感器才有“感知”，開關(guān)才會(huì)動(dòng)作。通常把這個(gè)距離叫“檢出距離”。不同的接近開關(guān)檢出距離也不同。

接近傳感器的選型和檢測(cè)對(duì)于不同的材質(zhì)的檢測(cè)體和不同的檢測(cè)距離，應(yīng)選用不同類型的接近傳感器，以使其在系統(tǒng)中具有高的性能價(jià)格比，為此在選型中應(yīng)遵循以下原則：

（1）當(dāng)檢測(cè)體為金屬材料時(shí)，應(yīng)選用高頻振蕩型接近傳感器，該類型接近傳感器對(duì)鐵鎳、A3鋼類檢測(cè)體檢測(cè)最靈敏。對(duì)鋁、黃銅和不銹鋼類檢測(cè)體，其檢測(cè)靈敏度就低。

（2）當(dāng)檢測(cè)體為非金屬材料時(shí)，如；木材、紙張、塑料、玻璃和水等，應(yīng)選用電容型接近傳感器。

（3）金屬體和非金屬要進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)和控制時(shí)，應(yīng)選用光電型接近傳感器或超聲波型接近傳感器。

（4）對(duì)于檢測(cè)體為金屬時(shí)，若檢測(cè)靈敏度要求不高時(shí)，可選用價(jià)格低廉的磁性接近式傳感器或霍爾式接近傳感器。

圖4接近開關(guān)傳感器的原理圖

4、PLC動(dòng)作控制與仿真

采用德國(guó)西門子S7-300編程操作面版進(jìn)行PLC梯形圖編程。I0.0為電源開關(guān)，I0．1為缸2行程開關(guān)，I0.4為缸1行程開關(guān)，I0.2為缸2限位開關(guān)，I0.3為缸1限位開關(guān)，M0.0、M0.1為中間繼電器，QO.1、Q0.2為電磁閥YA1、YA2，Q0.3、Q0.4為電磁閥YB1、YB2，Q0.5、Q0.6為電磁閥YC1、YD2。當(dāng)電源開關(guān)I0.0接通，中間繼電器M0.0自鎖，QO.1、Q0.3同時(shí)得電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手同步伸動(dòng)作；當(dāng)固定爪接觸到物體，行程開關(guān)I0.4常閉觸點(diǎn)斷開，Q0.1失電，缸1停止，缸2繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)活動(dòng)爪抓牢物體，行程開關(guān)I0.1常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，Q0.1、Q0.3失電，Q0.2、Q0.4、Q0.5、Q0.6得電，缸1、缸2同時(shí)縮回；當(dāng)缸1到達(dá)指達(dá)初始位置，限位開關(guān)I0.3常閉觸點(diǎn)斷開，缸1停止，缸2繼續(xù)運(yùn)動(dòng)放開物體；當(dāng)缸2到達(dá)指達(dá)初始位置，限位開關(guān)I0.2常閉觸點(diǎn)斷開，完成一個(gè)循環(huán)過(guò)程。梯形圖中中間繼電器M0.0、M0.1實(shí)現(xiàn)互鎖。

按液壓氣路在西門子液壓PLC控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成液壓回路接線，采用STEP7對(duì)S7-300進(jìn)行編程，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5仿真結(jié)果

5、結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)通用機(jī)械手，相對(duì)于專用機(jī)械手，通用機(jī)械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。采用氣壓傳動(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是進(jìn)行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制，都可通過(guò)設(shè)定PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。

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