機械手畢業(yè)設計

1、太原城市職業(yè)技術學院(信息工程系)太原城市職業(yè)技術學院信息工程系畢業(yè)設計任務書類別：專 業(yè)： 樓宇智能化工程技術班 級： 樓宇0811姓 名： 王進飛畢業(yè)設計題目： 關于機械手的設計方案 指導教師姓名： 葛晶晶 2011 年 5 月 20 日1關于機械手的設計方案摘 要 機械手是模仿著人手的部分動作，按照給定程序、軌跡和要求能實現(xiàn)自動抓取、搬運的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手叫做“工業(yè)機械手”。在實際生產(chǎn)中，應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境下，它代替人進行

2、正常的工作，意義更為重大。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機械加工、沖壓、鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等領域得到了越來越廣泛的應用。關鍵詞：PLC，機械手目錄1緒論41.1機械手的概述41.1.1 機械手的簡介41.1.2 機械手的發(fā)展41.2 氣動機械手的的發(fā)展狀況52 可編程控制器72.1 可編程控制器的系統(tǒng)組成72.2 可編程控制器的工作原理92.3 SIEMENS S7-300可編程控制器93 機械手總體方案的設計113.1 機械手的工作過程及控制要求113.1.1 機械手的基本結(jié)構(gòu)113.1.2 機械手的控制要求133.3 機械手軟件的選

3、擇144 系統(tǒng)硬件的設計154.1氣動伺服閥154.2 氣動執(zhí)行機構(gòu)的應用及選擇154.2.1 執(zhí)行氣缸154.2.2 執(zhí)行氣爪174.3 低速電機的選型184.3.1低速電機結(jié)構(gòu)原理與應用184.3.2低速電機選型194.4 光電開關204.4.1 光電開關的工作原理204.4.2 光電開關的分類214.4.3 光電開關的特點224.4.4光電開關的選型234.5 PLC模塊的選型235 PLC程序的設計與調(diào)試25致 謝27參考文獻281緒論1.1機械手的概述1.1.1 機械手的簡介機械手是模仿著人手的部分動作，按照給定程序、軌跡和要求能實現(xiàn)自動抓取、搬運的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機

4、械手叫做“工業(yè)機械手”。在實際生產(chǎn)中，應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境下，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機械加工、沖壓、鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等領域得到了越來越廣泛的應用。 國內(nèi)外對機器人及機械手所作的定義不盡相同。國際標準化組織(ISO)對機器人的定義:“機器人是一種能自動定位、可控的可編程的多功能操作機。這類操作機具有幾個軸，在可編程序操作下，能處理各種材料、零件、工具

5、和專用裝置，以執(zhí)行各種任務。” 美國國家標準(NBS)對機器人的定義:“一種可編程，并在自動化控制下執(zhí)行某種特定操作和移動作業(yè)任務的機械裝置?！比毡竟I(yè)機器人協(xié)會對工業(yè)機器人的定義:“一種裝備有記憶裝置和最終執(zhí)行裝置，能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機器?！彼址譃橐韵聝煞N情況來定義:(1)工業(yè)機器人:“一種能執(zhí)行與人的上肢類似動作的多功能機器?！?2)智能機器人:“一種具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為的機器。” 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手:它作為整機的附屬部分，動作簡單，工作對象單一，具有固定(有時可調(diào))程序，使用大批量的自動生產(chǎn)。如自動生產(chǎn)線上的上料機械

6、手，自動換刀機械手，裝配焊接機械手等裝置。通用機械手:它是一種具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小PLC的硬件結(jié)構(gòu)主要分單元式和模塊式兩種。將PLC的主要部分(包括CPU、 I/O系統(tǒng)、電源等) 體積小，安裝方便，全部安裝在一個機箱內(nèi)。1.1.2 機械手的發(fā)展工業(yè)機械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機械操作手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的；1962年，美國聯(lián)合控制公司

7、在上述方案的基礎上，又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手，命名為Unimate(即萬能自動)。1962年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運，可作點位和軌跡控制；該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機器人相繼在生產(chǎn)中開始應用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制出一種Unimation-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±lmm。聯(lián)邦德

8、國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)；聯(lián)邦德國Kuka公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快，應用國家最多的國家，自1969年從美國引進兩種典型機械手后，開始大力從事機械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機械手(機器人)應用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，主要用于機械化、自動化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)始于20世紀70年代。1972年我國第一臺機械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃(1986-1990)開始，我國政府將

9、工業(yè)機器人的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入的大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機器人，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器等等。這些機人的控制器，都是由中國科學院沈陽自動化研究所(SIA)和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的，同時一系列的機器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器，DC-PWM等等。我國的工業(yè)機械手(或第一代機械手)發(fā)展主要是逐步擴大其應用范圍；在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，研制出示教式機械

10、手、計算機控制機械手和組合式機械手等。可以將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，設計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型機構(gòu)，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于更換工件，擴大了應用范圍。1.2 氣動機械手的的發(fā)展狀況氣動技術這個被譽為工業(yè)自動化之“肌肉”的傳動與控制技術，在加工制造業(yè)領域越來越受到人們的重視，并獲得了廣泛應用。目前，伴隨著微電子技術、通信技術和自動化控制技術的迅猛發(fā)展，氣動技術也不斷創(chuàng)新，以工程實際應用為目標，得到了前所未有的發(fā)展。另一方面，氣動技術作為“廉價的自動化技術”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣

11、泛應用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領域。在現(xiàn)代化的成套設備與自動化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動系統(tǒng)。機械手的驅(qū)動方式有氣壓傳動、液壓傳動、電氣傳動和機械傳動。氣動機械手與其它控制方式的機械手相比，具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強等特點。因此，氣動機械手設備來滿足社會生產(chǎn)實踐需要也越來越多的受到重視，氣動機械手技術已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實踐要求的一種重要實用技術。工業(yè)自動化技術發(fā)展至今，氣動定位系統(tǒng)已由傳統(tǒng)的兩點可靠定位，發(fā)展到任意位置定位。傳統(tǒng)的氣動系統(tǒng)只能在兩個機械調(diào)定位置可靠定位，并且其運動速度只能靠單向節(jié)流閥單一調(diào)定的狀態(tài)，經(jīng)常無法滿足許多設備的自動控制要求。因而電氣比例和伺

12、服控制系統(tǒng)，特別是定位系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用。因為采用電氣伺服定位系統(tǒng)可非常方便地實現(xiàn)多點無極定位(柔性定位)和無極調(diào)速，此外利用伺服定位氣缸的運動速度連續(xù)可調(diào)性以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的節(jié)流閥和氣缸端部緩沖方式，可以達到最佳的速度和緩沖效果，大幅度降低氣缸的動作時間，縮短工序節(jié)拍，提高生產(chǎn)率。原先要設計某一專用機械手時，由于無法做到氣缸任意位置上的定位，因此氣缸的定位是靠選擇它的兩個終點位置來實現(xiàn)的。如選用多位氣缸，他的定位長度由氣缸的行程預先來確定。如果需要增加一個停頓位置，或者要改變其中兩個位置之間的距離，原來設計的多位氣缸便完全失去功能，如果要求停的位置越多，那么它的滑塊導向機構(gòu)設計就越復雜。也

13、有在其外部設立固定擋塊來限制位置定位的(由于受到擋塊本身尺寸的限制，兩個相鄰的位置的距離必須大于擋塊的尺寸，且擋塊也經(jīng)不起重載和高速沖擊。2 可編程控制器PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC已經(jīng)廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，它具有高可靠性、抗干擾能力強、功能強大、靈活，易學易用、體積小，重量輕，價格便宜的特點。該種技術是計算機

14、技術與繼電接觸控制技術相互結(jié)合的產(chǎn)物，其解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)內(nèi)接線復雜、可靠性低、耗能高以及靈活性較差等缺點，因此近年來被廣泛應用于電氣自動化中。要正確、合理地應用PLC去完成機械手的控制任務，首先應了解它的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，這對控制系統(tǒng)應用程序的開發(fā)設計有著非常重要的作用。2.1 可編程控制器的系統(tǒng)組成可編程控制器主要由中央處理單元CPU、存儲器、輸入輸出接口、電源、I/O擴展接口、外部設備接口、編程器等幾個主要部分構(gòu)成。(1)CPU CPU作為整個PLC的核心起著總指揮的作用，是PLC的運算和控制中心。它的主要任務是: 診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。 用掃描方式

15、采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存人輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。在運行狀態(tài)時，按用戶程序存儲器中存放的先后順序逐條讀取指令，經(jīng)編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務完成各種運算和操作，根據(jù)運算結(jié)果存儲相應數(shù)據(jù)，并更新有關標志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容。(2)存儲器 PLC內(nèi)部的存儲器有兩類:一類是系統(tǒng)程序存儲器，用以存放系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序根據(jù)PLC功能的不同而不同。生產(chǎn)廠家在PLC出廠前己將其固化。在只讀存儲器ROM或PROM中，用戶不能更改。另一類是用戶存儲器，包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。這類存儲器一般由隨機存取存儲器RAM構(gòu)成，其中的存儲內(nèi)容可通過編程器讀出并更改。為了防止RAM

16、中的程序和數(shù)據(jù)因電源停電而丟失，可用鋰電池作為后備電源，一旦交流電源停電，用鋰電池維持供電。PLC產(chǎn)品手冊中給出的存儲器類型和容量是到對用戶程序存儲器而言的。 (3)輸入輸出接口輸入/輸出(I/O)接口是將PLC與現(xiàn)場各種輸入/輸出設備連接起來的部件(有時也被稱為I/O單元或I/O模塊)。輸入接口通過PLC的輸入端子接受現(xiàn)場輸入設備(如限位開關、操作按鈕、光電開關、溫度開關等)的控制信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號。輸入信號是通過光電耦合器件傳送給內(nèi)部電路的，輸入信號與內(nèi)部電路之間并無電的聯(lián)系，通過這種隔離措施可以防止現(xiàn)場干擾串入PLC輸出接口則相反，它將經(jīng)CPU處理過的

17、輸出數(shù)字信號(1或0)傳送給輸出端的電路元件，以控制其接通或斷開，從而驅(qū)動接觸器、電磁閥、指示燈等輸出設備獲得或失去工作所需的電壓或電流。為適應不同類型的輸出設備負載。(4)電源PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸入輸出接口等內(nèi)部電子電路工作需要的直流電源電路或電源模塊。輸入、輸出接口電路的電源彼此相互獨立，以避免或減小電源間干擾。 (5)編程器編程器是人與PLC聯(lián)系和對話的工具，是PLC比最重要的外圍設備。用戶可以利用編程器來輸入、讀出、檢查、修改和調(diào)試用戶程序，也可用它監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)，顯示錯誤代碼或修改系統(tǒng)寄存器的設置參數(shù)

18、等。除采用手持編程器編程和監(jiān)控外，還可通過PLC的RS232C外設通訊口(或S422口配以適配器)與計算機聯(lián)機，并利用PLC生產(chǎn)廠家提供的專用工具軟件，來對PLC進行編程和監(jiān)控。相比起來，利用計算機進行編程和監(jiān)控往往比手持編程工具更加直觀和方便。 (6) I/O擴展接口若主機(基本單元)的I/O點數(shù)不能滿足輸入輸出設備點數(shù)需要時，可通過此接口用扁平電細線將I/O擴展單元與基本單元相連，以增加I/O點數(shù)。(7)外部設備接口外部設備接口可將編程器、上位計算機、圖形監(jiān)控系統(tǒng)、打印機、條碼判讀器等外部設備于主機CPU連接，以完成相應的操作。2.2 可編程控制器的工作原理當PLC投入運行后，其工作過程一

19、般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 (1) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (2) 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上

20、而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在

21、下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 (3) 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出 2.3 SIEMENS S7-300可編程控制器S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應用。SIMATIC S7-300可編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設計。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展。S7-300主要由以下幾個部分組成:(1)中央處理單元(CPU)各種CPU有各種不同的性能

22、，例如，有的CPU上集成有輸入/輸出點，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通訊接口等。(2)信號模塊(SM)用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出。(3)通訊處理器(CP)用于連接網(wǎng)絡和點對點連接。(4)功能模塊(FM)用于高速計數(shù)，定位操作(開環(huán)或閉環(huán)定位)和閉環(huán)控制。(5)負載電源模塊(PS)用于將SIMATIC S7-300連接到120/230 伏交流電源，或24/48/60/110伏直流電源。(6)接口模塊(IM)用于多機架配置時連接主機架(CR)和擴展機架(ER)。S7-300通過分布式的主機架(CR)和3個擴展機架(ER),可以操作多達32個模塊。運行時無需風扇。(7)SIMATIC

23、S7-300適用于通用領域。(8)高電磁兼容性和強抗振動，沖擊性，使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應性。 S7-300有兩種類型:(1)標準型:溫度范圍從 0到 60。(2)環(huán)境條件擴展型:溫度范圍從 -25 到 +60 更強的耐受振動和污染特性。 SIMATIC S7-300 的大量功能支持和幫助用戶進行編程、啟動和維護、高速的指令處理。人機界面 (HMI)方便的人機界面服務已經(jīng)集成在 S7-300 操作系統(tǒng)內(nèi)。因此人機對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機界面 (HMI)從 S7-300 中取得數(shù)據(jù)，S7-300 按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300 操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送。診

24、斷功能 CPU 的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件 (例如 ：超時，模塊更換，等等)。 操作方式選擇開關 操作方式選擇開關像鑰匙一樣可以拔出，當鑰匙拔出時，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫用戶程序。通訊 這是一個經(jīng)濟而有效的解決方案；方便用戶的STEP7的用戶界面提供了通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。3 機械手總體方案的設計3.1 機械手的工作過程及控制要求3.1.1 機械手的基本結(jié)構(gòu)機械手是一個水平、垂直運動的機械設備，用來將工件由左工作臺搬到右工作臺。有上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制。簡易機械手在各類全自動和半

25、自動生產(chǎn)線上應用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動，替代人工作業(yè)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。本設計中的機械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動式結(jié)構(gòu)，機械手的動作由氣動缸驅(qū)動，氣動缸由相應的電磁閥來控制，電磁閥由PLC控制。驅(qū)動執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。圖3.1為機械手簡圖,其中 1-豎直氣缸，2-執(zhí)行氣爪，3-工件，4-水平氣缸，5-旋轉(zhuǎn)軸，6-支架，7-底座。這個機械手具有二個直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動自由度用于將源工作臺上的物品搬到其左側(cè)或右側(cè)目的工作臺上。機械手的直線動作由氣缸驅(qū)動，氣缸由電磁閥控制，整個機械手在工作中能實現(xiàn)上升/下降、左傳/右轉(zhuǎn)、夾緊/放松功能，是目前

26、較為簡單的、應用比較廣泛的一種機械手。其升降運動通過升降氣缸、垂直導柱、滑動導柱、垂直導軌及升降位置微動開關相互配合完成，升降工作行程為01500mm;轉(zhuǎn)動是通過電機驅(qū)動軸承、轉(zhuǎn)動工作行程為0180°；手爪是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預壓縮量來調(diào)整。機械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機部分和執(zhí)行部分四個方面組成。采集感知信號及控制信號均由氣動缸驅(qū)動。主機部分采用了標準型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機械手能拓展成系列化、標準化的產(chǎn)品。人們根據(jù)應用工況的要求，選擇相應功能和參數(shù)的模塊，像積木一樣隨意的組合，這是一種先進的設計思想，代表氣動技術今后的發(fā)展

27、方向，也將始終貫穿著機械手的發(fā)展及實用性模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向裝置更具有靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。由于采用了模塊化拼裝結(jié)構(gòu)，可組成立柱型氣動機械手、門架型氣動機械手及滑塊型氣動機械手，及其它各種類型的機械手。這些模塊化機械手組裝方便，動作靈活，具有較高的定位精度，但工作空間比較小，主要應用于一般的送料自動線上。氣動機械手具有三個自由度，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。4125673左右 圖3-1 機械手簡圖圖3.1中工件所處位置為原點位置，根據(jù)課題設計任務書的要求：機械手初始位置

28、在原點位置，每次循環(huán)動作都從原點位置開始，完成上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制，并能實現(xiàn)手動操作和自動操作方式。當機械手在原點位置下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，左傳送帶運轉(zhuǎn)。當光電開關檢測到物品后，左傳送帶停止運行。根據(jù)分析可得出機械手的工作流程圖，如圖3.2所示。工件延時下限上限原位下降夾緊上升右移停止左移上升松開下降下限延時上限左限啟動右限 圖3-2 機械手工作流程圖可見，實現(xiàn)要求功能需要如下條件：(1)底座與橫梁之間需要旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動由電機來完成，普通電機轉(zhuǎn)速較高，需要考慮安裝減速機，在這種頻繁啟動制動的場合下，選用低速電機會更方便。(2)橫梁在普通情況下，長度是固

29、定的，如果工作臺不進行調(diào)整，橫梁長度可永遠不變。課題任務也未作橫梁要求，但在實際應用中，可能出現(xiàn)工作臺距離調(diào)整的情況，為增加機械手的通用性，本設計中在橫梁上安裝了執(zhí)行氣缸，可使用手動按鈕調(diào)整橫梁長度。(3)豎直方向上是頻繁上下工作的機構(gòu)，可選用電機傳動的齒輪齒條嚙合機構(gòu)，也可選用執(zhí)行氣缸，后者是新技術更經(jīng)濟、環(huán)保、噪音低，也更符合課題要求。(4)抓緊機構(gòu)也可選用氣動執(zhí)行爪和執(zhí)行氣缸并用組成氣動執(zhí)行模塊。 (5)光電開關在控制方面是作為輸入量的信號源之一，它可以選擇模擬輸入和數(shù)字輸入，根據(jù)課題要求和后面PLC的各輸入量的情況，選用數(shù)字輸送式的光電開關更方便簡捷。根據(jù)以上分析，機械構(gòu)造方案基本固定

30、。整個機械手一共用到三個氣缸，PLC需要控制每個氣缸的動作：橫梁長氣缸的內(nèi)外調(diào)，執(zhí)行氣爪的夾持與放松、豎導桿氣缸的升降和各氣缸的定位控制上面所述的橫梁調(diào)整功能是本設計的創(chuàng)新之一，另外兩個是工件計數(shù)和故障報警。3.1.2 機械手的控制要求機械手的操作方式分為手動操作和自動操作，自動操作又分為單周期操作和連續(xù)操作方式。手動操作是指用按鈕對機械手的每一步運動單獨進行控制；單周期操作指機械手從原點開始，按啟動按鈕，機械手自動完成1個周期的動作后停止；連續(xù)操作指機械手從原點開始，按啟動按鈕，機械手的動作將自動地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作中若按停止按鈕，機械手將繼續(xù)完成1個周期的動作后，回到原點自動停

31、止。（1）機械手的自動運行： 下降：當機械手檢測到傳送帶A上有工件時，有原點位置開始下降，下降到位時，碰到下極限開關，機械手停止下降，同時接通加緊電磁閥線圈。 加緊工件：當機械手加緊到位時，壓力繼電器動合觸電閉合，接通上升電磁閥線圈。 上升：當機械手夾緊到位時，機械手開始上升，上升到位時，碰到上極限開關，機械手停止上升，同時接通右移電磁閥線圈。 右移：當機械手上升到位時，機械手開始右移，右移到位時，碰到有極限開關，機械手停止右移，同時接通下降電磁閥線圈。 下降：當機械手右移到位時，機械手重新開始下降，下降到位時，碰到下極限開關，機械手停止下降，同時釋放加緊電磁閥線圈。 放松工件：放松動作為時間

32、控制，設為2秒。 上升：工件放松后，機械手開始上升，上升到位時，碰到上極限開關，機械手停止上升，同時接通左移電磁閥線圈。 左移：機械手上升到位后，開始左移，左移到位時，碰到左極限開關，機械手停止左移。 回到原位：機械手左移到位后，回到原點位置，再次自動啟動傳送帶A，當光電開關檢測到工件后，又開始新的工作循環(huán)周期。機械手的手動運行 （2）手動運行是指機械手的上升、下降、左移、右移及夾緊操作通過對應的手動操作按鈕控制，與操作順序無關。PLC模塊選擇：電源模塊，CPU模塊，輸入模塊，輸出模塊。其中輸入和輸出模塊都選用數(shù)字量的類型，輸入量較多，選擇32路模塊，輸出量較少選擇16路的模塊。3.3 機械手

33、軟件的選擇與S7-300相配套的系統(tǒng)軟件是STEP 7編程軟件，界面如下圖所示： 圖3-3 STEP編程軟件4 系統(tǒng)硬件的設計 4.1氣動伺服閥圖4-1伺服閥閉環(huán)控制系統(tǒng)，閥是作為控制氣缸的元件，直接由電動作和控制。它也是信號轉(zhuǎn)換器。三位閥能用于控制氣缸反向運動，其可在中位關閉，因此允許氣缸定位在任意要求停止的位置。閥必須能連續(xù)可調(diào)以允許控制流量且動作迅速以快速地把控制信號轉(zhuǎn)換，得到要求的空氣壓力值。壓力值必須能很精確被調(diào)整，基于這原因，閥可以算是一個獨立的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。在這環(huán)節(jié)中，閥滑柱位移被測量和參考位移作比較。閥執(zhí)行信號輸出閥柱塞 位 移閥控制器放大器閥執(zhí)行機制柱塞位移測量器控制其輸出

34、電 壓 圖4-1 伺服閥閉環(huán)控制系統(tǒng)4.2 氣動執(zhí)行機構(gòu)的應用及選擇4.2.1 執(zhí)行氣缸執(zhí)行氣缸是以壓縮空氣作為源動力的執(zhí)行機構(gòu)，有薄膜式、活塞式和齒輪齒條式。氣源的開閉由電磁閥控制,從而改變執(zhí)行部件的位置。它具有經(jīng)濟、環(huán)保、低噪音等特點。執(zhí)行氣缸有缸徑（mm）、動作方式、制動器類型、使用壓力范圍、活塞速度、行程公差、環(huán)境及流體溫度、氣缸耐壓試驗壓力、制動器使用壓力范圍等指標。本機械手采用氣壓驅(qū)動，使用的是壓力為0.6MPa，最高可達1MPa。氣壓驅(qū)動主要優(yōu)點是氣源方便(一般工廠都由壓縮空氣站供應壓縮空氣)，驅(qū)動系統(tǒng)其有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低;便于維修。缺點是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，定位

35、精度不高。適用于易燃、易爆和灰塵大的場合。根據(jù)課題情況選擇合適的產(chǎn)品系列。這里選擇了機械式無桿氣缸帶制動器及行程可讀出傳感器ML2B系列。ML2B系列具有以下特點：采用雙活塞式齒輪、齒條結(jié)構(gòu)，效率高、體積小、重量輕。單氣控型采用多彈簧結(jié)構(gòu)，使雙氣控型和單氣控型外形尺寸相同，達到零件完全互換的目的。在需電磁閥控制時，電磁閥可在氣缸外壁直接安裝，無需外接氣管。單氣控型執(zhí)行機構(gòu)的彈簧預壓至設定的位置后，安裝在氣缸蓋內(nèi)，可方便、安全的增減彈簧 數(shù)量。氣缸采用鋁合金拉制成型，內(nèi)表面經(jīng)特殊工藝處理；活塞多導向結(jié)構(gòu)設計，用低摩擦非金屬材料做滑動軸承，避免氣缸內(nèi)壁與金屬材料直接接觸；齒輪精確加工；齒條精密鑄造

36、；確保整機動作靈敏可靠和長久的使用壽命。允許中間停止，多點定位及保持位置。采用行程可讀出傳感器并配以特別為ML2而設計的控制器CEU2，令重復精度提高（±0.5mm）。制動器采用氣釋放式，不動作時被彈簧鎖緊，供氣時才把制動器釋放。最小量度單位：0.1mm。ML2B系列執(zhí)行氣缸的選型標號如圖4-2所示。 圖4-2 ML2B系列執(zhí)行氣缸的選型標號 執(zhí)行氣缸型號根據(jù)參數(shù)要求選擇為ML2B 25 S500L，數(shù)據(jù)如表4-1所示：表4-1氣缸參數(shù)數(shù)據(jù)ML2B 25 S500L缸徑（mm）25使用流體空氣氣缸動作方式雙向作用制動器類型氣壓及彈簧并用型氣缸使用壓力范圍0.1-0.8MPa1.0-8

37、.2kgf/cm2環(huán)境及流體溫度5-50活塞速度100-1500mm/s(定位時100-500mm/s)行程公差0-+1.8mm緩沖氣緩沖/帶液壓緩沖器（任選）接管口徑Rc(PT)1/8氣缸耐壓試驗壓力1.2MPa12.2kgf/cm2制動器使用壓力范圍0.3-0.5MPa3.0-5.1kgf/cm24.2.2 執(zhí)行氣爪氣缸與氣爪在氣動元件領域內(nèi)，都稱呼為執(zhí)行元件。他們通過不同的結(jié)構(gòu)設計，來達到不同的使用效果。氣缸的主要劃分是根據(jù)結(jié)構(gòu)：有桿、無桿，然后根據(jù)輸出力的大小，對應的活塞直徑，行程各不相同，同時還有單作用，雙作用，行程可調(diào)等等各種規(guī)格。氣爪簡單的理解其實也是氣缸，都是通過壓縮空氣來推動

38、活塞動作，氣爪的開頭一般情氣爪選擇方面使用了MHL系列型號表示方法如圖4-3所示： 圖4-3 MHL系列執(zhí)行氣爪的選型標號況下分為兩片，通過推動活塞，完成夾緊和收放的動作。 氣缸與氣爪的相同點一般在于，都是使用壓縮空氣作動力源，都是使用電磁閥來完成換向。基于這樣的分析和實際要求，再考慮氣動執(zhí)行元件的特點和當前的技術性能，可以獲得這樣的認識：(1)一般來說，氣缸可以保證起點和終點的定位精度，因此，對于豎直方向的定位應該可以保證；(2)現(xiàn)在SMC的ML2B系列機械式無桿氣缸(帶制動器及行程可讀出傳感器)能夠?qū)崿F(xiàn)中間若干位置的定位，定位精度可以在0.5mm內(nèi)，因此，可以滿足水平方向的多個位置定位及精

39、度要求。這就是采用氣動技術可望替代伺服電機控制方式的可行性和技術基礎。而且，采用氣動技術可以顯著地降低機械手的成本。4.3 低速電機的選型低速電機是近幾年出現(xiàn)的專利產(chǎn)品,內(nèi)置諧波發(fā)生器和高低速轉(zhuǎn)子。與傳統(tǒng)電機相比，它具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、低能耗、低噪音、體積小、精度高、安裝簡便、使用壽命長等特點。它無需配減速機，可直接驅(qū)動機械設備，并且可實現(xiàn)0.01秒左右的快速制動效果，適用于頻繁制動啟動場合。低速電機的外觀圖如上圖所示。4.3.1低速電機結(jié)構(gòu)原理與應用目前現(xiàn)有工業(yè)上大量使用的電機的轉(zhuǎn)速一般為2880r/min、1440r/min、960r/min等等，具有上述轉(zhuǎn)速的電機，欲用于工業(yè)設備的運行，

40、一般需要與減速機配套使用。這一傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動方式，仍保留至今，人們總試圖發(fā)明一種電機能滿足不同轉(zhuǎn)速需要并能直接驅(qū)動機械設備，但總沒有根本性的突破，雖然近幾年出現(xiàn)了一些新原理的低速電機，但這種電機效率和功率因素極低，整機效率35%，功率因素僅為0.30.5，能力指標較差，是一個耗能產(chǎn)品，并且體積龐大，因此，僅適合于小于300瓦的場合，無法驅(qū)動動力設備。本低速電機的目的在于提供一種能直接驅(qū)動工業(yè)設備，特點為（1）輸出扭矩大，能直接驅(qū)動機械設備，（2）轉(zhuǎn)速低，最低為2.2轉(zhuǎn)/分，（3）體積小，重量輕，（4）效率高，噪音低，節(jié)省能源。它克服了已有技術轉(zhuǎn)速高，扭矩小，效率和功率因數(shù)低體積龐大，耗能源的缺點，

41、可廣泛應用于機械設備，電子設備，生產(chǎn)自動線，化工設備等領域。 圖4-4是低速電機結(jié)構(gòu)示意圖。其各部分名稱如下： 圖4-4 低速電機結(jié)構(gòu)示意圖1.輸出軸 2.低速轉(zhuǎn)子 3.柔輪 4.剛輪 5.諧波發(fā)生器 6.定子7.高速轉(zhuǎn)子 8.風罩 9.風葉 10.機體 現(xiàn)結(jié)合圖3-4作進一步描述。本系列產(chǎn)品是供驅(qū)動工業(yè)設備用的低速電機，它包括有輸出軸(1)、低速轉(zhuǎn)子(2)、高速轉(zhuǎn)子(7)、定子(6)、風葉(9)、機體(10)和風罩(8)，還包括有剛輪（5）和諧波發(fā)生器（6）。輸出軸、低速轉(zhuǎn)子、定子、剛輪和諧波發(fā)生器置于機體內(nèi)，用DR510-50硅鋼片制成的定子與用30CrMnSiA結(jié)構(gòu)合金鋼制成的低速轉(zhuǎn)子剛

42、性聯(lián)接，并一起作低速轉(zhuǎn)動，用DR510-50硅鋼片制成的高速轉(zhuǎn)子置于定子中，高速轉(zhuǎn)子一端通過軸承與低速轉(zhuǎn)子相聯(lián)，之間又能保持相對運動，高速轉(zhuǎn)子與用45號鋼制成的諧波發(fā)生器固聯(lián)，高速轉(zhuǎn)子另一端又通過一軸承與HT20-40鑄鐵制成的機體相聯(lián)，其端尾還轉(zhuǎn)有一只用尼龍或鑄鋁制成的風葉，風葉外還裝有用A3鋼板制成的風罩，諧波發(fā)生器放置在低速轉(zhuǎn)子內(nèi)，能夠自由旋轉(zhuǎn)，并使用低速轉(zhuǎn)子上的齒與用45號鋼制成的剛輪上的齒相嚙合，剛輪與機體固聯(lián)。值此低速電機做出。本低速電機是由下列措施實現(xiàn)的，它包括有輸出軸，低速轉(zhuǎn)子，高速轉(zhuǎn)子，定子，風葉和機體，它還包括剛輪和諧波發(fā)生器。 輸出軸，低速轉(zhuǎn)子，定子，剛輪和諧波發(fā)生器置于

43、機體內(nèi)，定子與低速轉(zhuǎn)子剛性聯(lián)接，并一起作低速轉(zhuǎn)動，定子中又放置高速轉(zhuǎn)子，高速轉(zhuǎn)子一端通過軸承與低速轉(zhuǎn)子相聯(lián)，之間又能保持相對運動，高速轉(zhuǎn)子另一端又通過一軸承與機體固聯(lián)，高速轉(zhuǎn)子還與諧波發(fā)生器固聯(lián)，諧波發(fā)生器放置在低速轉(zhuǎn)子內(nèi)，能自由旋轉(zhuǎn)，并使低速轉(zhuǎn)子上的齒與剛輪上的齒相嚙合；剛輪與機體固聯(lián)。高速轉(zhuǎn)子端尾還裝有一只風葉，風葉外還裝有風罩，風罩與機體固聯(lián)。低速電機工作原理：定子通以三相電或單相電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，高速轉(zhuǎn)子在磁場的作用下高速旋轉(zhuǎn)，并帶動諧波發(fā)生器在低速轉(zhuǎn)子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，此時，剛輪上的齒與低速轉(zhuǎn)子上的齒相嚙合，由于諧波發(fā)生器產(chǎn)生一雙波變形波，使低速轉(zhuǎn)子產(chǎn)生波動變形，而剛齒數(shù)為Z1，低速轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z2

44、，當高速轉(zhuǎn)子速為N1時，則低速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速N2=（2N1）/Z2。例如：N1=1400轉(zhuǎn)/分，Z2=200,則N2=（2×1400）/200=14轉(zhuǎn)/分，由此得到電機的低速運行。低速電機與普通電機相比有如下特點：(1)輸出扭矩大，這樣就可直接驅(qū)動機械設備；(2)轉(zhuǎn)速低，最低可達2.2轉(zhuǎn)/分；(3)體積小，重量輕，僅為普通電機同減速機之和的1/2左右；(4)簡化傳動系統(tǒng)，由于直接驅(qū)動機械設備，不再用減速機，因而簡化了傳動系統(tǒng)；(5)效率高達65%左右，功率因素達0.650.85，因此節(jié)省能源，并且噪音低，工作平穩(wěn)等等。該實用新型可廣泛應用于紡織機械，輕工機械，建材機械，礦山冶金，起重運輸

45、，電子設備，儀器儀表，醫(yī)療器械，生產(chǎn)自動線，家用電器和化工設備等領域。4.3.2低速電機選型YDS-II系列低速電機選型，要根據(jù)多種參數(shù)，表4-2列出了參數(shù)指標，將型號最終選為了YDS-II-56。表4-2低速電機參數(shù)數(shù)據(jù)YDS-II-56轉(zhuǎn)速r/min29.8扭矩N*M38額定功率W90額定電流A0.42輸入功率W180額定電壓V220供電頻率HZ50/60工作環(huán)境溫度-10+95保護方式極性反接保護是否有電刷有維護周期2年維護方式更換碳刷，潤滑軸承4.4 光電開關光電開關是傳感器大家族中的成員，它把發(fā)射端和接收端之間光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達到探測的目的。由于光電開關輸出回路和輸入回

46、路是電隔離的（即電緣絕），所以它可以在許多場合得到應用。圖4-5 光電開關4.4.1 光電開關的工作原理光電開關（光電傳感器）是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。圖4-6 所示是反射式光電開關的工作原理框圖。圖中，由振蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)反射電路后，由發(fā)光管GL輻射出光脈沖。當被測物體進入受光器作用范圍時，被反射回來的光脈沖進入光敏三極管DU。并在接收電路中將光脈沖解調(diào)為電脈沖信號，

47、再經(jīng)放大器放大和同步選通整形，然后用數(shù)字積分或RC積分方式排除干擾，最后經(jīng)延時（或不延時）觸發(fā)驅(qū)動器輸出光電開關控制信號。電源整流穩(wěn)壓調(diào)制器電源整流穩(wěn)壓調(diào)制器時鐘邏輯負載（a）發(fā)射器（b）接收器放大器光電三極管圖4-6光電開關原理圖光電開關一般都具有良好的回差特性，因而即使被檢測物在小范圍內(nèi)晃動也不會影響驅(qū)動器的輸出狀態(tài)，從而可使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)。同時，自診斷系統(tǒng)還可以顯示受光狀態(tài)和穩(wěn)定工作區(qū)，以隨時監(jiān)視光電開關的工作。4.4.2 光電開關的分類 光電開關的分類方法一般有兩種：（1）按檢測方式分常用光電開關的分類方法：按檢測方式可分為反射式、對射式和鏡面反射式三種類型。對射式檢測距離遠，可檢

48、測半透明物體的密度（透光度）。反射式的工作距離被限定在光束的交點附近，以避免背景影響。鏡面反射式的反射距離較遠，適宜作遠距離檢測，也可檢測透明或半透明物體。（2）按結(jié)構(gòu)分類光電開關按結(jié)構(gòu)可分為放大器分離型、放大器內(nèi)藏型和電源內(nèi)藏型三類。放大器分離型是將放大器與傳感器分離，并采用專用集成電路和混合安裝工藝制成，由于傳感器具有超小型和多品種的特點，而放大器的功能較多。因此，該類型采用端子臺連接方式，并可交、直流電源通用。具有接通和斷開延時功能，可設置亮、音動切換開關，能控制6種輸出狀態(tài)，兼有接點和電平兩種輸出方式。放大器內(nèi)藏型是將放大器與傳感一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成，使用直流電源

49、工作。其響應速度局面（有0.1ms和1ms兩種），能檢測狹小和高速運動的物體。改變電源極性可轉(zhuǎn)換亮、暗動，并可設置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈。兼有電壓和電流兩種輸出方式，能防止相互干擾，在系統(tǒng)安裝中十分方便。電源內(nèi)藏型是將放大器、傳感器與電源裝置一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成。它一般使用交流電源，適用于在生產(chǎn)現(xiàn)場取代接觸式行程開關，可直接用于強電控制電路。也可自行設置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈，輸出備有SSR固態(tài)繼電器或繼電器常開、常閉接點，可防止相互干擾，并可緊密安裝在系統(tǒng)中。4.4.3 光電開關的特點光電開關有以下特點：（1）檢測距離長：與電感式接近開關相比，可以獲得很長的檢測距離，例

50、如：對射型開關檢測距離可達數(shù)十米，反射已從幾厘米到幾米，由于是非接觸檢測，所以不損傷被測物，也不受其影響。（2）檢測對象廣泛：因為是根據(jù)檢測對象的反射和透光檢測，所以不管是金屬、即使是玻璃、橡膠、木材、液體、氣體等幾乎都可以檢測。（3）響應速度快：檢測介質(zhì)本身是高速的，因為幾乎不包含機械動作，因而可以獲得非常高的檢測速度。（4）分辨能力高：因為光是直線傳播，且波長短，因而分辨率高，適用于微小物體和高精度位置檢測。（5）容易取得規(guī)則的檢測區(qū)：采用了透鏡等光學系統(tǒng)，可以比較容易的聚光、擴散和折射，對應不同的檢測對象和不同的使用環(huán)境，可以適當?shù)倪x取具有某種檢測區(qū)域的產(chǎn)品。（6）不受磁場和振動的影響：檢測開關一般較多地安裝在具有較強磁場和振動的場所，從本質(zhì)上說，光電開關受其影響很少，因而能夠可靠的動作。（7）利用光的特性檢測：可以做色標、形狀特征的選擇檢測。（8）壽命長：由于是非接觸檢測，所以壽命長，特別是用發(fā)光二極管做為光源，控制輸出采用無接點方式，壽命就更長。4.4.4光電開關的選型根據(jù)課題中工件的