1、- 1 -摘 要机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和 PLC 控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择 PLC 的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移
2、动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型物料分拣机械手的设计方案，对其他经济型 PLC 控制系统的设计也有一定的借鉴价值。关键词: 机械手，气动控制，可编程控制器（PLC） ，自动化控制，物料分拣。- 2 -一 前 言（一） 研究的目的及意义机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、
3、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。适应工业需要，本
4、课题试图开发PLC对物料分拣机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。（二） 机械手在国内外现状和发展趋势
5、机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。- 3 -目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、
6、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。我国机械手起步于 20 世纪 70 年代初期，经过 30 多年发展，大致经历了 3 个阶段：70 年代萌芽期，80 年代的开发期和 90 年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。随着机械手
7、发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。（三） 主要研究的内容随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操
8、作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究物料分拣机械手以下几个方面的内容：1 物料分拣机械手执行系统的分析与选择执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行设计。2 物料分拣机械手驱动系统的分析与选择驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择气压驱动的方式。内容包括气动元件的选择及其工作原理、气动回路的设计和气动原理图的绘制。3 物料分拣机械手控制系统的设计- 4 -控制系统是
9、机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。本机械手采用可编程控制器（PLC）对机械手进行控制，主要包括对PLC的型号选择、传感器类型进行选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。（四） 解决的关键问题1 解决机械手机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济、具有一定的代表性。2 执行部件的运动精度的问题。3 机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制系统的协调问题。4 元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。5 传感器的类型选择。- 5 -二 执行系统的分析与选择机器手的执行结构是机械手赖以实现各种运动的实体。执行
10、机构的布局类型直接影响到机械手的工作性能。（一） 执行机构坐标形式的选择机械手的基本型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。机械手型式的选择首先是从满足它的运动要求方面进行考虑， 然后从机械手的复杂程度以及经济情况等方面来考虑。本设计中的机械手主要动作为机械手手臂的左右移动，升降移动和机械手的整体旋转。直角坐标式机械手虽然具备手臂的伸缩上下、左右直线运动等动作，但是不具备机械手整体旋转动作，所以不考虑用直角坐标式机械手。球坐标式机械手和关节式机械手对动作要求方面足够满足要求，但是它们的结构都比较复杂，有很多动作是不必要的，显得浪费和增加了制
11、造的成本和难度。圆柱坐标式机械手能满足手臂伸缩、手臂上下、手臂回转动等动作。可以将手臂回转动作改换成机械手的整体转动就可以满足本设计中机械手的动作要求。这样的修改并没有改变机械手的总体结构，只是进行了局部变动，使得整个系统经济、实惠，所以确定用圆柱坐标式机械手。（二） 执行机构的组成工业机械手的执行系统主要以下机械部分组成：1 手部 是机械手直接握持工件或工具的部分。2 臂部 是机械手用来支持腕部与手部实现较大的运动范围的部件。3 立柱 支承手臂并带动它升降、摆动和移动的机构。4 机座 是机械手用来支撑臂部，并安装驱动装置及其他装置的部分。（三） 执行机构各部分的分析与选择1 手部的选择手部就
12、是用来握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部机构也是多种多样。真空式具有结构简单、质量轻、不损伤工件、使用方便、不影响机械手的正常工作等优点。而且满足所设计机械手的要求，所以选用真空式吸盘。- 6 -2 手臂结构的选择手臂是机械手的主要部分，是支撑手腕、手指和工件并使它们运动的机构。手臂一般有三个运动伸缩、旋转和升降。手臂的基本动作是将手部移动到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。 本机械手的手臂有往复的直线运动，不需要很大的行程，考虑到结构的简单性和设计的经济性，选用缸体固定活塞杆运动的双作用单活塞杆气缸。机座结构的选择3 基
13、座结构的选择机座结构从形式上分为落地式和悬浮式，或分为固定式、可移动式和行走式。无论哪一种形式，机械手工作时机座一定予以固定。可移动式的机座在停置时能够刹车定位，以保证机械手工作时的位置精度。根据本机械手的设计要求选用落地固定式机座。（四） 执行机构的工作原理物料分拣机械手的结构主要由机座、立柱、水平手臂、垂直手臂、电磁阀和吸盘等组成。其中机座采用摆动气缸进行驱动，手臂及吸盘采用单活塞杆双作用气缸驱动。机械手的动作基本有伸缩、升降、左右旋转、吸物和放物等动作。其结构原理如图2.2所示。其动作顺序为：初始位置 A右旋 B前伸 C气缸下降 D吸物料 C上升 B收缩A左旋 C 气缸下降 D放物料 C
14、上升回到初始位置。机械手的动作在整个过程中都是连续可循环的。（五） 执行机构简图根据前面机械手各部分的设计，可做出机械手大体结构简图，如图 2.1 所示，大图见CAD 图。- 7 -1 右旋限位开关 2 左旋限位开关 3 回缩限位开关4 前伸限位开关 5 上升限位开关 6 下降限位开关A 摆动气缸 B 前伸/回缩气缸 C 上升/下降气缸 D 真空吸盘 图 2.1 执行机构简图- 8 -三 驱动系统的分析与选择机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。机械手的驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。（
15、一） 驱动系统的分析与选择液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术” ，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产
16、线上，几乎都配有气动系统。据统计：在工业发达国家中，全部自动化流程中约有 30装有气动系统，有 90的包装机械，70的铸造、焊接设备，50的自动操机、40的锻造设备和洗衣设备、30的采煤机械，20的纺织机械、制鞋业、木材加工、食品机械，43的工业机器人装有气压系统。日、美、德等国的气动元件销售平均每年增长超过 10-15。许多工业发达国家的气动元件产值已接近液压元件的产值，且仍以较大速度发展，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。通过以上三种驱动方式的比较选用气动驱动的方式，不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本。（二） 机械手驱动系统的控制设计根据物料分拣
17、机械手的要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要有两种：（1）直线运动（缸体固定，活塞杆运动） ；（2）摆动（缸体固定） 。其气动驱动系统原理图如图 3.1所示。- 9 -图 3.1 驱动系统原理图气动系统包括三个三位四通电磁换向阀、两个二位二通电磁阀、三个气缸、一个吸盘、四个调速阀、六个单向调速阀、消声器（若干）等。图中的调速阀控制气缸上升和下降、伸长和缩短、摆动过程中的速度，防止速度过大对物料及机械手臂的冲击；三位四通电磁换向阀是改变气缸的运动方向；真空发生器的工作原理利用气体的喷射产生真空吸附物料，其主要功能是实现对物料的吸取和释放，真空发生器的动作是由二位二通电磁阀控制的。（三） 气动回路
18、的工作原理物料分拣机械手的工作循环是：摆动气缸的右旋水平手臂的伸出垂直手臂的下降吸物垂直手臂的上升水平手臂的缩回摆动气缸的左旋垂直手臂的下降放物垂直手臂的上升回到初始位置。系统中选用电磁换向阀，限位开关，实现气缸的往复运动。二位二通电磁阀实现吸盘的吸物和放物。实现工作循环的工作原理如下：1 摆动气缸的右旋按下启动按钮，右旋按钮接通，使三位四通电磁换向阀 12 的 5YA 得电，阀 12 的阀芯右移，摆动气缸会执行右旋的命令。这时的气路是：- 10 -进气路线：2 空气处理单元储气罐 3三位四通电磁换向阀 12 左端单向调速阀19摆动气缸 C 的 D 口。排气路线：摆动气缸 C 的 E 口单向调
19、速阀 20三位四通电磁换向阀 12 排气口调速阀 8消声器 9排出。2 水平气缸的伸出当摆动气缸 C 右旋到指定位置时（90 度） ，就会碰到右旋限位开关，使二位五通电磁换向阀 12 的 5YA 断电，摆动气缸旋转运动会停止，经时间继电器延时，使三位四通电磁换向阀 10 的 1YA 得电，阀 10 的阀芯右移，执行手臂前伸动作。这时的气路是:进气路线：2 空气处理单元储气罐 3三位四通电磁换向阀 10 左端单向调速阀15气缸 A 的无杆腔。排气路线：气缸 A 的有杆腔单向调速阀 16三位四通电磁换向阀 10 的排气口调速阀 4消声器 5排出。3 垂直手臂的下降当水平伸缩气缸 A 伸出到指定位置
20、时，就会碰到前限开关，使三位四通电磁换向阀 10的 1YA 断电，手臂伸出动作会停止。经时间继电器延时，小臂下降按钮接通，使三位四通电磁换向阀 11 的 3YA 得电，阀 11 的阀芯右移，执行小臂的下降动作。这时的气路是：进气路线：2 空气处理单元储气罐 3三位四通电磁换向阀 11 左端单向调速阀17气缸 B 的无杆腔。排气路线：气缸 B 的有杆腔单向调速阀 18三位四通电磁换向阀 11 的排气口调速阀 6消声器 7排出。4 吸物小臂气缸下降到指定位置时，撞到下限位开关，使三位四通电磁换向阀 11 的 3YA 断电，小臂下降动作停止。经时间继电器延时，二位二通电磁阀 13 的 7YA 得电，真空发生器 22 开始动作，经真空开关 24 检测真空度，并发出讯号给控制器，真空吸盘 26 将物料吸起。这时的气路是：进气路线：2 空气处理单元储气罐 3二位二通电磁阀 13真空发生器 22过滤器25吸盘 26。排气路线：2 空气处理单元储气罐 3二位二通电磁阀 13 真空发生器 22消声器 21。5 垂直手臂的上升
