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說 明 書 摘 要
本實用新型公開了一種伺服機械手，包括底座、電動機、支撐架、單桿氣缸、行程光電開關、伸縮桿、推動氣缸、緊固螺母、行走平臺、旋轉氣缸、升降手臂、升降光電開關、頂升桿、轉盤、彈簧、安裝頭、氣動手抓、夾板、基座和插接銷；所述底座的上端安裝有支撐架，支撐架的中間設置有基座；所述支撐架的兩側設置有夾板，兩者緊固連接；所述電動機安裝在底座上，底座的兩端利用插接銷固定；該伺服機械手，由于設置有夾板，對單桿氣缸起到了保護作用，增強了單桿氣缸的強度；在安裝頭上的安全報警開關和電動機電性連接，當出現故障時，安全報警開關會使電動機停止工作，提高了整個裝置的安全性。
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摘 要 附 圖
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權 利 要 求 書
1.一種伺服機械手，包括底座（1）、電動機（2）、支撐架（3）、單桿氣缸（4）、行程光電開關（5）、伸縮桿（6）、推動氣缸（7）、緊固螺母（8）、行走平臺（9）、旋轉氣缸（10）、升降手臂（11）、升降光電開關（12）、頂升桿（13）、轉盤（14）、彈簧（15）、安裝頭（16）、氣動手抓（17）、夾板（18）、基座（19）和插接銷（20）；其特征在于：所述底座（1）的上端安裝有支撐架（3），支撐架（3）的中間設置有基座（19）；所述支撐架（3）的兩側設置有夾板（18），兩者緊固連接；所述電動機（2）安裝在底座（1）上，底座（1）的兩端利用插接銷（20）固定；所述單桿氣缸（4）安裝在基座（19）上，在單杠氣缸（4）上設置有頂升桿（13），其頂升桿（13）和基座（19）活動連接；所述單桿氣缸（4）的右側安裝有升降光電開關（11）；所述旋轉氣缸（10）利用緊固螺母（8）安裝在推動氣缸（7）的右側；所述行走平臺（9）安裝在推動氣缸（7）的下端，推動氣缸（7）的上端固定安裝有伸縮桿（6）；所述推動氣缸（7）的左端連接有行程光電開關（5）；所述旋轉氣缸（10）和轉盤（14）通過升降手臂（11）活動連接；所述轉盤（14）的內部設置了彈簧（15），轉盤的下端設置有安裝頭（16），氣動手抓（17）連接在安裝頭（16）上。
2.根據權利要求1所述的一種伺服機械手，其特征在于：所述彈簧（15）為高彈性彈簧，該裝置設置有兩個彈簧（15），兩彈簧（15）緊固連接，其彈簧（15）的下端和安裝頭（16）緊固連接，在安裝頭（16）上安裝有安全報警開關，安全報警開關和電動機（2）通過導線電性連接。
3.根據權利要求1所述的一種伺服機械手，其特征在于：所述電動機（2）為伺服電機，在電動機（2）上安裝有兩個V帶齒輪，分別驅動基座（19）的旋轉和頂升桿（13）的升降，單桿氣缸（4）兩側的夾板（18）為L形結構，采用高碳鋼制造，該裝置安裝有四個夾板（18）。
4.根據權利要求1所述的一種伺服機械手，其特征在于：所述行程光電開關（15）和升降光電（12）開關均為PLC電氣元件，其行程光電開關（5）控制伸縮桿（6）和推動氣缸（7）的移動。
5.根據權利要求1所述的一種伺服機械手，其特征在于：所述氣動手抓（17）上安裝有氣動軸，其氣動軸為圓柱體結構，通過導管和推動氣缸（7）相連通。
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說 明 書
一種伺服機械手
技術領域
本實用新型涉及機械設備應用技術領域，具體為一種伺服機械手。
背景技術
機械手是目前在機械人技術領域中得到最廣泛實際應用的自動化機械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事以及太空探索等領域都能見到它的身影?，F有技術中機械手主要是針對沖床自動上下料的應用，下半部結構為方形，機械臂從中間引申出去的，運用絲桿和導軌，性能不穩(wěn)定 ；占地空間大，不利于節(jié)省空間資源 ；而且電氣部分和機械部分在一起，可能會引起干擾，也不大方便模塊化集成。機械手是能模仿人手的某些動作功能，用以按固定程序抓取，搬運物件或操作工具的自動操作裝置，機械手是最早出現的工業(yè)機器人，也是最早出現的現代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全。目前機械手的應用越來越廣泛，但是目前很多機械手，自動化程度都相對較低，對準精度差。因此急需一種改進的技術來解決現有技術中所存在的這一問題。
實用新型內容
本實用的目的在于克服現有技術中存在的缺點，提供了一種伺服機械手，通過升降光電開關和形成光電來分別驅動頂升桿桿的升降和推動氣缸的移動，大大提高了工作效率，當出現故障時安全報警開關使得電動機停止工作，提高了該裝置的安全系數；以解決上述背景技術中提出的問題。
為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：一種伺服機械手，包括底座、電動機、支撐架、單桿氣缸、行程光電開關、伸縮桿、推動氣缸、緊固螺母、行走平臺、旋轉氣缸、升降手臂、升降光電開關、頂升桿、轉盤、彈簧、安裝頭、氣動手抓、夾板、基座和插接銷；所述底座的上端安裝有支撐架，支撐架的中間設置有基座；所述支撐架的兩側設置有夾板，兩者緊固連接；所述電動機安裝在底座上，底座的兩端利用插接銷固定；所述單桿氣缸安裝在基座上，在單杠氣缸上設置有頂升桿，其頂升桿和基座活動連接；所述單桿氣缸的右側安裝有升降光電開關；所述旋轉氣缸利用緊固螺母安裝在推動氣缸的右側；所述行走平臺安裝在推動氣缸的下端，推動氣缸的上端固定安裝有伸縮桿；所述推動氣缸的左端連接有行程光電開關；所述旋轉氣缸和轉盤通過升降手臂活動連接；所述轉盤的內部設置了彈簧，轉盤的下端設置有安裝頭，氣動手抓連接在安裝頭上。
優(yōu)選的，所述彈簧為高彈性彈簧，該裝置設置有兩個彈簧，兩壓縮彈簧緊固連接，其彈簧的下端和安裝頭緊固連接，在安裝頭上安裝有安全報警開關，安全報警開關和電動機通過導線電性連接。
優(yōu)選的，所述電動機為伺服電機，在電動機上安裝有兩個V帶齒輪，分別驅動基座的旋轉和頂升桿的升降，單桿氣缸兩側的夾板為L形結構，采用高碳鋼制造，該裝置安裝有四個夾板。
優(yōu)選的，所述行程光電開關和升降光電開關均為PLC電氣元件，其行程光電開關控制伸縮桿和推動氣缸的移動。
優(yōu)選的，所述氣動手抓上安裝有氣動軸，其氣動軸為圓柱體結構，通過導管和推動氣缸相連通。
與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：該伺服機械手，由于設置有夾板，對單桿氣缸起到了保護作用，增強了單桿氣缸的強度；其行程光電開關和升降光電開關均為電氣元件，對基座和伸縮桿的控制更加穩(wěn)定和靈活；在安裝頭上的安全報警開關和電動機電性連接，當出現故障時，安全報警開關會使電動機停止工作，提高了整個裝置的安全性。
附圖說明
圖1為本實用新型整體結構示意圖；
圖中：1底座、2電動機、3支撐架、4單桿氣缸、5行程光電開關、6伸縮桿、7推動氣缸、8緊固螺母、9行走平臺、10旋轉氣缸、11升降手臂、12升降光電開關、13頂升桿、14轉盤、15彈簧、16安裝頭、17氣動手抓、18夾板、19基座和20插接銷。
具體實施方式
下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├绢I域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
實施例
請參閱圖1，本實用新型提供一種技術方案：一種伺服機械手，包括底座1、電動機2、支撐架3、單桿氣缸4、行程光電開關5、伸縮桿6、推動氣缸7、緊固螺母8、行走平臺9、旋轉氣缸10、升降手臂11、升降光電開關12、頂升桿13、轉盤14、彈簧15、安裝頭16、氣動手抓17、夾板18、基座19和插接銷20；所述底座1的上端安裝有支撐架3，支撐架3的中間設置有基座19；所述支撐架3的兩側設置有夾板18，兩者緊固連接；所述電動機2安裝在底座1上，底座1的兩端利用插接銷20固定；所述單桿氣缸4安裝在基座19上，在單杠氣缸4上設置有頂升桿13，其頂升桿13和基座19活動連接；所述單桿氣缸4的右側安裝有升降光電開關12；所述旋轉氣缸10利用緊固螺母8安裝在推動氣缸7的右側；所述行走平臺9安裝在推動氣缸7的下端，推動氣缸7的上端固定安裝有伸縮桿6；所述推動氣缸7的左端連接有行程光電開關5；所述旋轉氣缸10和轉盤14通過升降手臂11活動連接；所述轉盤14的內部設置了彈簧15，轉盤14的下端設置有安裝頭16，氣動手抓17連接在安裝頭16上。
所述彈簧15為高彈性彈簧，該裝置設置有兩個彈簧15，兩彈簧15緊固連接，其彈簧15的下端和安裝頭16緊固連接，在安裝頭16上安裝有安全報警開關，安全報警開關和電動機2通過導線電性連接，出現故障時，安全報警開關會使電動機2停止工作，提高了整個裝置的安全性；所述電動機2為伺服電機，在電動機2上安裝有兩個V帶齒輪，分別驅動基座19的旋轉和頂升桿13的升降，單桿氣缸4兩側的夾板18為L形結構，采用高碳鋼制造，該裝置安裝有四個夾板18，對單桿氣缸4起到了保護作用，增強了單桿氣缸4的強度；所述行程光電開關5和升降光電開關12均為PLC電氣元件，對基19和伸縮桿6的控制更加穩(wěn)定和靈活，其行程光電開關5控制伸縮桿6和推動氣缸7的移動；所述氣動手抓17上安裝有氣動軸，其氣動軸為圓柱體結構，通過導管和推動氣缸7相連通。
本實用新型在使用時候，電動機1啟動后，電動機2上的V帶輪驅動基座19旋轉，此時單桿氣缸4會推動頂升桿12上升或下降；行程光電開關5使得伸縮桿6和推動氣缸7在行走平臺9上前后移動；當氣動手抓17位于提取物品正上方時，旋轉氣缸10驅動升降手臂11下降，使得氣動手抓17抓緊提取物品，然后升降光電開關13驅動升降手臂11上升，V帶輪驅動基座19旋轉，使氣動手抓17將提取物品放置合適位置，如此反復循環(huán)；出現故障時，安全報警開關會使得電動機停止工作，保證了工作的安全性。
對于本領域技術人員而言，顯然本實用新型不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本實用新型的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本實用新型。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本實用新型的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本實用新型內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
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說 明 書 附 圖
圖 1
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寧學院
畢業(yè)設計(論文)
一種基于PLC控制的
伺服機械手的設計
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導老師
2016年 3月 30日
摘 要
近代的工業(yè)機械手是由目標機械本體、控制器系統(tǒng)、傳感裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和伺服動力器系統(tǒng)組成，是一種模仿人的操作、自動化控制、可多次編程、能在立體空間完成各式各樣作業(yè)的Mechatronics設備。工業(yè)機械手對于提高和確保產品質量，提升生產的效率，改善工人的工作條件和快速更新產品起著非常重要的作用。工業(yè)機械手技術結合了多們學科的知識。包含機構學、計算機、控制論、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等。它是當代十分活躍，應用非常廣泛的領域。
課題將設計一個伺服機械手，將用于工作人員出入，物料搬運的伺服機械手。機械手具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強，能長時間工作和工作精度高?？梢哉f機械手是工業(yè)進步的產物，它也發(fā)揮了在當今工業(yè)的至關重要的作用。如今，機械手工業(yè)已成為世界各國備受關注的產業(yè)。
本文闡述了機械手的發(fā)展歷史，國內外的應用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機械手設計要求和進行了總體方案設計和各自由度的具體結構設計、計算。
關鍵詞：機械手；工業(yè)；傳動；強度
V
Abstract
Modern industrial manipulator is composed of target machine body, system controller, sensing device system, control system and servo drive system, is a people to imitate operation and automation control, multiple programming, to complete the various operations of the mechatronics equipment in the three-dimensional space. The industrial manipulator to improve and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial machinery hand technology combined with multi discipline knowledge. Contains mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics etc.. It is the very active, very wide field of application.
We design a servo manipulator, will be used for staff entry, material handling servo manipulator. The manipulator has the ability of many humans do not have, including rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. Can be said that the manipulator is a product of industrial progress, it also plays a vital role in today's industry. Nowadays, industrial robot has become a worldwide concern of the industry.
In this paper, the history of the development of manipulator, the application status at home and abroad, and its great superiority proposed specific manipulator design requirements and the overall scheme design and various degrees of freedom of the design of the concrete structure, calculation.
Keywords: manipulator; industrial; transmission; strength
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1課題背景及目的 1
1.2伺服機械手的定義與發(fā)展狀況 1
1.2.1定義 1
1.2.2 伺服機械手的發(fā)展 2
1.3課題研究意義 2
1.4主要研究的內容 3
第2章 伺服機械手機構介紹分析 5
2.1伺服機械手機構 5
2.2伺服機械手機構的組成 5
2.3伺服機械手機構的應用 5
2.4伺服機械手機構的分類 6
第3章 伺服機械手機構的結構方案和驅動方案選型 8
3.1原始數據及資料 8
3.2伺服機械手機構形式及分析動作要求 8
3.2.1機構形式 8
3.2.2動作要求分析 9
3.3伺服機械手機構結構及驅動系統(tǒng)選型 9
第4章 系統(tǒng)各主要組成部分設計 10
4.1手部設計計算 10
4.2腕部設計計算 13
4.3臂伸縮機構設計 15
4.4氣壓驅動系統(tǒng)設計 17
4.5手部抓取缸 18
4.6腕部擺動氣壓回路 18
4.7小臂伸縮缸氣壓回路 19
4.8總體系統(tǒng)圖 20
4.9機身結構的設計 22
4.9.1 電機的選擇 23
4.9.2 減速器的選擇 23
4.9.3螺柱的設計與校核 24
4.9.4機座的機械結構 25
4.10伺服機械手機構的定位及平穩(wěn)性確定 26
4.10.1常用的定位方式 26
4.10.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 27
4.10.3伺服機械手機構運動的緩沖裝置 28
第5章 搬運機械手PLC控制系統(tǒng)設計 29
5.1 搬運機械手的工藝過程 29
5.2 PLC 控制系統(tǒng) 30
5.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設計 32
總結與展望 36
參考文獻 37
致 謝 38
第1章 緒論
1.1課題背景及目的
畢業(yè)設計是機械設計制造及其自動化專業(yè)在校學習的最后一個環(huán)節(jié)，是對四年大學學習的繼續(xù)深化和檢驗，即有實踐性又有綜合性，是其他單一課程所不能替代的，通過畢業(yè)設計更能提高綜合訓練能力，為即將走向工作崗位，提高實際工作能力起到十分重要的作用。以達到如下目的：
（1）綜合運用所學的基礎理論、基本知識和基本技能，提高分析解決實際問題的能力。
（2）接受工程師必須的綜合訓練，提高實際工作能力。如調查研究、查閱文獻和收集資料并進行分析的能力；制訂設計或試驗方案的能力；設計、計算和繪圖能力；總結提高撰寫論文的能力。
（3）檢驗綜合素質與實踐能力。
1.2伺服機械手的定義與發(fā)展狀況
1.2.1定義
目前，工業(yè)伺服機械手的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯合國國際標準化組織采納了美國伺服機械手協會給工業(yè)伺服機械手下的定義：工業(yè)伺服機械手是一種可重復編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結合我國的習慣用語，對工業(yè)伺服機械手作如下定義：
工業(yè)伺服機械手是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具[1]。
工業(yè)伺服機械手以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據外部來的信號，自動進行各種操作。
工業(yè)伺服機械手是在計算機控制下可編程的自動伺服機械手是提高產品質量與勞動生產率，實現生產過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。伺服機械手的誕生和發(fā)展雖只有30多年的歷史，但它已應用到國民經濟，民事技術等眾多的領域，具有廣闊的應用和發(fā)展前景，顯示出強大的生命力[2]。
根據所處的環(huán)境和作業(yè)需求，工業(yè)伺服機械手具有至少一項或多項擬人功能，如抓取功能或移動功能，或兩者兼有之，另外還可能程度不等的具有某些環(huán)境感知功能（如視覺，力覺，觸覺等）。以及語音功能及至邏輯思維，判斷決策功能等。從而使其能在要求的環(huán)境中代替人進行作業(yè)。
在工業(yè)伺服機械手的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現的技術基礎是精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動。本次設計就是在這一思維下展開的。根據設計內容和需求確定圓柱坐標型工業(yè)伺服機械手，利用錐齒輪傳動實現伺服機械手的旋轉，利用液壓缸實現其移動以及對零件的抓取。在步進電機的控制下，機器達到精確的回轉運動。
1.2.2 伺服機械手的發(fā)展
工業(yè)伺服機械手的發(fā)展，由簡單到復雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代：
第一代工業(yè)伺服機械手就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現型工業(yè)伺服機械手，它主要由手部、臂部、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，執(zhí)行機構按指令再現示教的操作。
第二代伺服機械手是帶感覺的伺服機械手。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)伺服機械手要復雜得多，這種伺服機械手從1980年開始進入了實用階段，不久即將普及應用。
第三代工業(yè)伺服機械手即智能伺服機械手。這種伺服機械手除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作環(huán)境的功能。這種伺服機械手還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用[2-4]。
1.3課題研究意義
(1)培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術問題的獨立工作能力，拓寬和。
(2)培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，設計構思和創(chuàng)新思維，掌握工程設計的一般程序規(guī)范和方法。
(3)培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和使用技術資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設計計算，數據處理，編寫技術文件等方面的工作能力。
(4)培養(yǎng)學生進行調查研究，面向實際，面向生產，向工人和技術人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。
1.4主要研究的內容
隨著搬運機械手技術的飛速發(fā)展和搬運機械手應用領域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經濟性強。本論文主要研究搬運機械手以下幾個方面的內容：
要求獨立完成工業(yè)搬運機械手PLC控制系統(tǒng)設計與調試。
(1) 如圖所示，有兩部機械對工作物進行加工，加工位置分別是A點、B點，要求由搬運機械手臂將加工物從A點送至B點。
(2) 手動操作，每個動作均能單獨操作，用于將搬運機械手復歸至原點位置；
(3) 連續(xù)運行，在原點位置按起動按鈕時，搬運機械手按圖連續(xù)工作一個周期，一個周期的工作過程如下：
原點→下降→夾緊（T）→上升→右移→下降→放松（T）→上升→左移到原點。
任務要求：
1) PLC外部接線圖，以及其它相關設備的電氣圖；PLC編程元件明細表，應包含定時器、計數器等元件的設定值；
2) 完整的程序資料，應包括PLC工序圖、梯形圖、指令表等3種格式的程序及注解；
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第2章 伺服機械手機構介紹分析
2.1伺服機械手機構
伺服機械手機構，顧名思義，是指能模仿人手的部分動作，用以完成某些抓放，搬運物件或操縱工具等工作的自動化機械裝置。伺服機械手機構通常用附屬于它所服務的設備，動作程序固定，多數沒有獨立的控制系統(tǒng)，其控制裝置包括在主機的控制系統(tǒng)（不包括工業(yè)伺服機械手）。
2.2伺服機械手機構的組成
執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機身機座等，其中最主要是運動系統(tǒng)。
伺服機械手機構主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。
手部是夾緊（或吸附、托持）與松開工件或工具 的部件，由手指（或吸盤），驅動元件和傳動元件等組成。
腕部、臂部、機身是將手部抓取的工件或工具進行搬運或操作的部件。
驅動系統(tǒng)是驅動臂部、腕部、手部和伺服機械手機構整體運動機構動作的動力裝置，常用的驅動方式有液壓、氣動、機械、電氣或其他的組合。
控制系統(tǒng)是支配伺服機械手機構按規(guī)定程序和要求進行運動的裝置，他們主要用來控制：位置（點位控制或連續(xù)軌跡控制）、
時間、速度和加速度等參數。
伺服機械手機構與主機及其它有關裝置之間的聯系[3]。
2.3伺服機械手機構的應用
按伺服機械手機構布局形式分可分為：架空式伺服機械手機構、附機式伺服機械手機構、落地式伺服機械手機構三種。此外，還有安裝在自動線料道上或料道旁，實現工件上、下料、傳遞轉位、轉向等用途的伺服機械手機構，他們具有運動單一、結構簡單，位置靈活及精度一般要求較低的特點。
伺服機械手機構通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置[3]。
2.4伺服機械手機構的分類
(1)根據所承擔的作業(yè)的特點，工業(yè)伺服機械手機構可分為以下三類：
(a)承擔搬運工作的伺服機械手機構：這種伺服機械手機構在主要工藝設備運行時，用來完成輔助作業(yè)，如裝卸毛坯、工件和工夾具。
(b)生產工業(yè)用伺服機械手機構：可用于完成工藝過程中的主要作業(yè)，如裝配、焊接、涂漆、彎曲、切斷等。
(c)通用工業(yè)伺服機械手機構：其用途廣泛，可以完成各種工藝作業(yè)[9]。
(2)按功能分類:
(a)專用伺服機械手機構：它是附屬于主機的具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用伺服機械手機構具有動作少，工作對象單一，結構簡單，實用可靠和造價低等特點，適用于大批大量的自動化生產，如自動機床，自動線的上、下料伺服機械手機構和“加工中心”附屬的自動換刀伺服機械手機構。
(b)通用伺服機械手機構：又稱工業(yè)伺服機械手。它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強的特點，適用于不斷變換品種的中小批量自動化的生產。
(c)示教再現伺服機械手機構：采用示教法編程的通用伺服機械手機構。所謂示教，即由人通過手動控制，“拎著”伺服機械手機構做一遍操作示范，完成全部動作后，其儲存裝置即能記憶下來。伺服機械手機構手可按示范操作的程序行程進行重復的再現工作。
(3)按驅動方式分：
(a)氣力驅動式的伺服機械手：氣源壓力一般只有0.6Mpa左右，適宜抓舉力較小的場合。
(b)液力驅動式的伺服機械手：結構緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。
(c)電力驅動式的伺服機械手：無環(huán)境污染，易于控制，運動精度高，成本低，驅動效率高等優(yōu)點，其運用最為廣泛。
(d)新型驅動式的伺服機械手：例如靜電驅動器，壓電驅動器，形狀記憶合金驅動器，人工肌肉及光驅動器等
(4)按控制方式分:
(a)固定程序伺服機械手機構：控制系統(tǒng)是一個固定程序的控制器。程序簡單，程序數少，而且是固定的，行程可調但不能任意點定位。
(b)可編程序伺服機械手機構：控制系統(tǒng)是一個可變程序控制器。其程序可按需要編排，行程能很方便改變[9]。
第3章 伺服機械手機構的結構方案和驅動方案選型
3.1原始數據及資料
1．陶瓷插芯加工材料：氧化鋯（ZrO2）, 尺寸：毛胚外徑2.56mm,內孔0.02mm,長度10.5mm。
2．陶瓷插芯同心度(內孔與外徑)1微米。
3．砂輪：金剛石砂輪，線速度50米／秒。
4．裝料內孔定位，裝料用氣動形式,裝料速度6只/min。
3.2伺服機械手機構形式及分析動作要求
3.2.1機構形式
圖3.1 伺服機械手機構圖
3.2.2動作要求分析
動作一：送 料
動作二：預夾緊
動作三：手臂上升
動作四：手臂旋轉
動作五：小臂伸長
動作六：手腕旋轉
預夾緊
手臂上升
手臂旋轉
手臂伸長
手臂轉回 手腕旋轉
圖3.2 伺服機械手機構動作簡易圖
3.3伺服機械手機構結構及驅動系統(tǒng)選型
本課題所設計的伺服機械手機構為通用型的伺服機械手機構，其中坐標系為圓柱坐標系結構。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式手部設計方案。手部部分由手指和傳力機構所構成，手指與工件接觸而傳力機構則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務。其他部分則按照一般工業(yè)生產所采用的通用形式進行設計。
驅動系統(tǒng)選用電機驅動和氣壓驅動，電機驅動用于機座的旋轉和手臂的上下移動，氣壓驅動用于手臂的伸縮和伺服機械手機構的夾取和翻轉[3]。
第4章 系統(tǒng)各主要組成部分設計
4.1手部設計計算
a．有適當的夾緊力
手部在工作時，應具有適當的夾緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。
b．有足夠的開閉范圍
夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖4.1所示。
圖4.1 伺服機械手機構工作示例簡圖
c．力求結構簡單，重量輕，體積小
手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個伺服機械手機構的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。
d．手指應有一定的強度和剛度
因此送料，夾緊伺服機械手機構，根據工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。
(a)右腔推力為
（4.1）
=4908.7N
(b)根據鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為：
（4.3）
其中 N′=498N=392N，帶入公式4.2得：
=
=1764N
則實際加緊力為 （4.3）
經圓整F1=3500N
由公式得：
a=50.5 mm
b=72 mm
(c)計算手部活塞桿行程長L,即
（4.4）
=25×tg30o
=23.1mm
經圓整取l=25mm
(d)確定“V”型鉗爪的L、β[3]。
取 （4.5）
式中： （4.6）
由公式（4.5）（4.6）得：L=3Rcp=150
取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉角β按最佳偏轉角來確定，
查表得：
β=22o39′
(5)機械運動范圍（速度）
(a)伸縮運動 Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
(b)上升運動 Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
(c)下降Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
(d)回轉 =90o/s
=30o/s
所以取手部驅動活塞速度V=60mm/s
(6)手部右腔流量
（4.7）
=60
=60×3.14×252
=1177.5mm3/s
(7)手部工作壓強
（4.8）
=
如圖所示：
圖4.3 尺寸示意圖
4.2腕部設計計算
腕部是聯結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。
要求：回轉±90o
角速度=45o/s
以最大負荷計算：
當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重5kg，長度l =650mm。如圖4.4所示。
工件
圖4.4 腕部受力簡圖
(1)計算扭矩[4]
設重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩為：
（4.9）
=5×9.8×0.2=19.6（N·M）
(2)氣缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 [4]
F =5kg S =10cm
帶入公式2.9得
=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
(3)擺動缸的摩擦力矩[4]
=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
=×S =6（N·M）
(4)擺動缸的總摩擦力矩 [4]
=++ （4.10）
=30.5（N·M）
(5)由公式
（4.11）
其中： b—葉片密度，這里取b=3cm；
—擺動缸內徑, 這里取=10cm；
—轉軸直徑, 這里取=3cm。
所以代入（4.11）公式
=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106
=0.89Mpa
又因為
所以
=
=0.27×10-4m3/s
=27ml/s
4.3臂伸縮機構設計
手臂是伺服機械手機構的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。
臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復雜。
伺服機械手機構的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導向裝置和定位方式就顯得尤其重要了[5]。
手臂的伸縮速度為200m/s
行程L=500mm
(1)手臂右腔流量，公式（4.7）得：
=200×π×402
=1004800mm3/s
=0.1/102m3/s
=1000ml/s
(2)手臂右腔工作壓力，公式（4.8） 得：
（4.12）
式中：F ——取工件重和手臂活動部件總重，估算 F =10+20=30kg，=1000N。
所以代入公式（3.12）得：
=
=0.26Mpa
(3)繪制機構工作參數表如表4.1所示：
機構名稱
工作速度
行程
工作壓力
流量
手部抓緊
腕部回轉
小臂伸縮
60mm/s
45°/s
200mm/s
25mm
±90°
500mm
1.78 Mpa
0.89 Mpa
0.26Mpa
117.8m/s
27m/s
1000ml/s
表4.1 機構工作參數表
(4)由初步計算選氣泵
所需氣壓最高壓力
P =1.78Mpa
所需氣壓最大流量
Q =1000ml/s
選取CB-D型氣泵
此泵工作壓力為1Mpa，轉速為1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之間，可以滿足需要。
(5)驗算腕部擺動缸：
（4.13）
（4.14）
式中：—機械效率?。? 0.85～0.9
—容積效率?。? 0.7～0.95
所以代入公式（4.13）得：
=25.8（N·M）
T < M=30.5（N·M）
代入公式（4.14）得：
=0.673rad/s
W <π/4≈0.785rad/s
因此，取腕部回轉氣缸工作壓力 P =1Mpa
流量 Q =35ml/s
圓整其他缸的數值：
手部抓取缸工作壓力=2Mpa
流量=120ml/s
小臂伸縮缸工作壓力=0.25Mpa
流量=1000ml/s
4.4氣壓驅動系統(tǒng)設計
氣壓控制室伺服機械手機構的一種主要的控制形式。伺服機械手機構的運動速度和操作室根據氣體的流量與壓力來確定，因而只要控制氣的流量和壓力，就可以控制伺服機械手機構的運動速度和操作力，氣壓壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內，最大臂力可達160公斤以上。
主要優(yōu)點：
(1)氣壓執(zhí)行元件(馬達和氣缸)結構緊湊，重量輕，功率小。
(2)可通過空氣帶走大量熱能，保證機械的正常運行。
(3)氣壓元件有直線位移式和旋轉式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調節(jié)就能實現開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
(4)響應速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強。
(5)氣壓元件于其他驅動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。
缺點:控制系統(tǒng)比較復雜，處理功率訊號的數學運算誤差，檢測，放大，測試和補償功能不如電子，機電裝置靈活簡便[4-6]。
4.5手部抓取缸
圖 4.5 手部抓取缸氣壓原理圖
(1)手部抓取缸氣壓原理圖如圖4.5所示
(2)泵的供氣壓力P取1Mpa，流量Q取系統(tǒng)所需最大流量即Q =1300ml/s。
因此，需裝圖4.1中所示的調速閥，流量定為7.2L/min，工作壓力P=2Mpa。
選取采用：
2FRM5-20/102調速閥
23E1-10B二位三通閥
4.6腕部擺動氣壓回路
圖 4.6 腕部擺動氣壓回路
(1)腕部擺動缸氣壓原理圖如圖4.6所示
(2)工作壓力: P=1Mpa
流量: Q=35ml/s
選取采用:
2FRM5-20/102調速閥
34E1-10B 換向閥
4.7小臂伸縮缸氣壓回路
圖 4.7 小臂伸縮缸氣壓回路
(1)小臂伸縮缸氣壓原理圖如圖4.7所示
(2)工作壓力: P =0.25Mpa
流量: Q =1000ml/s
選取采用：
2FRM5-20/102 調速閥
23E1-10B二位三通閥
4.8總體系統(tǒng)圖
圖 4.8 總體系統(tǒng)圖
(1)總體系統(tǒng)圖如圖4.8所示,
(2)工作過程:
小臂伸長→手部抓緊→腕部回轉→小臂回轉→小臂收縮→手部放松
(3)電磁鐵動作順序表:
表4.2總體系統(tǒng)圖
元件
動作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
小臂伸長
手部抓緊
腕部回轉
小臂收縮
手部放松
卸荷
-
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
±
+
-
-
-
+
±
-
-
+
-
-
±
-
-
-
-
-
±
(4)確電機規(guī)格：
氣壓泵選取CB-D型氣泵，額定壓力P =1Mpa，工作流量在32～70ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵，
因此：傳動功率 （4.15）
式中：η=0.8 （經驗值）
所以代入公式（4.15）得：
=16.7KN
選取電動機JQZ-61-2型電動機，額定功率17KW，
轉速為2940r/min。
4.9機身結構的設計
臂部和機身的配置形式基本上反映了伺服機械手機構的總體布局。本課題伺服機械手機構的機身設計成機座式，這樣伺服機械手機構可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型伺服機械手機構。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的要求[7-9]。
4.9.1 電機的選擇
機身部使用了兩個電機，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉運動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶動機身回轉的電機安裝在混凝土地基上。
帶動臂部升降的電機：
初選上升速度 V =100mm/s
P =6KW
所以轉/分
選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表4.3 Y90S-4電動機技術數據所示：
表4.3 Y90S-4電動機技術數據
型號
額定功率KW
滿載時
堵轉電流
堵轉轉矩
最大轉矩
電流A
轉速r/min
效率%
功率因素
額定電流
額定轉矩
額定轉矩
Y90S-4
1.1
2.7
1400
79
0.78
6.5
2.2
2.2
4.9.2 減速器的選擇
減速器的原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置。用來降低轉速和增
轉矩，以滿足工作需要。
初選WD80型圓柱蝸桿減速器。
WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。
蝸桿的材料為38siMnMo調質
蝸輪的材料為ZQA19-4
中心矩 a=80
Ms×q=4.0×11 （4.16）
傳動比I =30
傳動慣量0.265×10ˉ3kg·m2
4.9.3螺柱的設計與校核
螺桿是伺服機械手機構的主支承件，并傳動使手臂上下運動。
螺桿的材料選擇：
從經濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。
螺距 P =6mm 梯形螺紋
螺紋的工作高度 h =0.5P （4.17）
=3mm
螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （4.18）
螺桿強度〖11〗 （4.19）
=30～50Mpa
螺紋牙剪切 =40
彎曲=45～55
(1)當量應力
(4.20)
式中 T——傳遞轉矩N·mm
[σ]——螺桿材料的許用應力
所以代入公式（4.20）得：
6225025d12+11236≤900d16×1012
6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012
即16471pa＜535340pa
合格
(2)剪切強度
（旋合圈數） （4.21）
（4.22）
=206.8×103pa
=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa
(3)彎曲強度
=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa
合格
4.9.4機座的機械結構
帶動機身回轉的電機：
初選轉速 W =60o/s
N =1/6轉/秒
=10轉/分
由于齒輪 I =3
減速器 I =30
所以 n =10×3×30=900轉/分
選擇 Y90L-6型籠型異步電動機
電動機采用B級絕緣。外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表4.4 Y90S-6電動機技術數據所示：
表4.4 Y90L-6電動機技術
型號
額定功率KW
滿載時
堵轉電流
堵轉轉矩
最大轉矩
電流
A
轉速
r/min
效率
%
功率因素
額定電流
額定轉矩
額定轉矩
Y9OL-6
1.1
3.2
910
73.5
0.72
6.0
2.0
2.0
機座的機械結構如圖4.9所示:
圖4.9 機座結構圖
4.10伺服機械手機構的定位及平穩(wěn)性確定
4.10.1常用的定位方式
機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。當伺服機械手機構經減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。
若定位前已減速，定位時驅動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復精度。一般可高于±0.5mm，若定位時關閉驅動油路而去掉工作壓力，這時伺服機械手機構可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低[12]。
4.10.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素
伺服機械手機構能否準確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下：
(1)定位方式
不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關。
(2)定位速度
定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅動系統(tǒng)使運動部件適時減速。
(3)精度
伺服機械手機構的制造精度和安裝調速精度對定位精度有直接影響。
(4)剛度
伺服機械手機構本身的結構剛度和接觸剛度低時，因易產生振動，定位精度一般較低。
(5)運動件的重量
運動件的重量包括伺服機械手機構本身的重量和被抓物的重量。
運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。
(6)驅動源
氣壓的壓力波動及電壓、氣溫的波動都會影響伺服機械手機構的重復定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調節(jié)氣壓措施。
(7)控制系統(tǒng)
開關控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關[13]。
本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位。
4.10.3伺服機械手機構運動的緩沖裝置
緩沖裝置分為內緩沖和外緩沖兩種形式。內緩沖形式有油缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機械元件和液壓緩沖器。內緩沖的優(yōu)點是結構簡單，緊湊。但有時安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點是安置位置靈活，簡便，緩沖性能好調等，但結構較龐大。
本課題所采用的緩沖裝置為油缸端部緩沖裝置。
當活塞運動到距油缸端蓋某一距離時能在活塞與端蓋之間形成一個緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產生臨時背壓阻力，以使運動減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱為油缸端部緩沖裝置[12-15]。
在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。
設計油缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時，（最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個參數是受工作條件限制的。通常采用的辦法是先選定其中一個參數，然后校驗其余兩個參數。步驟如下：
(1)選擇最大加速度
通常，amax值按伺服機械手機構類型和結構特點選取，同時要考慮速度與載荷大小。對于重載低速伺服機械手機構，- 取5m/s2以下，對于輕載高速伺服機械手機構，-取5～10 m/s2
(2)計算沿運動方向作用在活塞上的外力F
水平運動時：
（4.23）
=0.25×103×π×3.62-7
=138N
(3)計算殘余速度Vr
（4.24）
m/s
第5章 搬運機械手PLC控制系統(tǒng)設計
5.1 搬運機械手的工藝過程
搬運機械手的工作均由電機 驅動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機驅動絲桿旋轉來完成的。 分析工藝過程搬運機械手的初始位置停在原點，按下啟動后按扭后，搬運機械手將原點→下降→夾緊（T）→上升→右移→下降→放松（T）→上升→左移到原點,動作完成一個工作周期。搬運機械手的下降、上升、右移、左移等動作轉換，是由相應的限位開關來控制的，而加緊、放松動作的轉換是有時間來控制的。
為了確保安全，搬運機械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降， 若上次搬到右工作臺上的工件尚未移走，搬運機械手應自動暫停，等待。為此設置了一個光電開關，以檢測“無工件”信號。
為了滿足生產要求，搬運機械手設置了手動工作方式和自動工作方式，而自動工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。
1） 手動工作方式：利用按鈕對搬運機械手每一步動作進行控制。例如，按下“下降” 按鈕，搬運機械手下降；按下“上升”按鈕，搬運機械手上升。手動操作可用于調整工作 位置和緊急停車后搬運機械手返回原點。
2） 單步工作方式：從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按一次啟動按鈕，
搬運機械手完成一步動作后自動停止。
39
3） 單周期工作方式：按下啟動按鈕，搬運機械手按工序自動自動完成一個周期的動
作，返回原點后停止。
4） 連續(xù)工作方式：按下按鈕，搬運機械手從原點，按步序自動反復連續(xù)工作，在連 續(xù)工作方式下設置兩種停車狀態(tài)：
正常停車：在正常工作狀態(tài)下停車。按下復位按鈕，搬運機械手在完成最后一個 周期的工作后，返回原點自動停機。
緊急停車：在發(fā)生事故或緊急狀態(tài)時停車。按下緊急停車按鈕，搬運機械手停止 在當前狀態(tài)。當故障排除后，需手動回到原點。
5.2 PLC 控制系統(tǒng)
1．確定輸入/輸出點數并選擇 PLC 型號
1）輸入信號
位置檢測信號：下限、上限、右限、左限共 4 個行程開關，需要 4 個輸入端 子。
“無工件檢測”信號：用光電開關作檢測元件，需要 1 個端子?！肮ぷ鞣绞健边x擇開關：有手動、單步、單周期和連續(xù) 4 種工作方式，需要4 個輸如端子。
手動操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松 6 個按鈕，也需要6 個輸入端子。
自動工作：尚需啟動、正常停車、緊急停車 3 個按鈕，也需要 3 個輸入端子。 以上共需要 18 個輸入信號。
2）輸出信號
PLC 的輸出用于控制搬運機械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松以三個 電動機轉速的控制等，共需要 11 個輸出點。搬運機械手從原點開始工作，需要一個 原點指示燈，也需要 1 個輸出點。所以，至少需要 6 個輸出點。
由于搬運機械手的控制屬于開關量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型 號的小型 PLC 均可滿足要求。根據所需的 I/O 總點數并留有一定的備用量，可選用 FX2N-48RM，其輸入和輸出各 24 點，繼電器輸出型。FX2N-48RM 的各項工作參數已在第二章介紹，在此不在做介紹。
2．分配 PLC 的輸入/輸出端子
PLC 的輸入輸出端子分配接線圖，如圖 5-2 所示。
圖 5-2 輸入/輸出分配接線圖
所需元器件明細表
5.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設計
為了方便編程，可將手動和自動程序分別編出相對獨立的程序段，用跳轉指 令進行選擇，控制系統(tǒng)程序結構框圖，如圖 5-3 所示。選擇手動方式時，X3 接 同，跳過自動程序，執(zhí)行手動程序；選擇自動工作方式時，X3 斷開，執(zhí)行自動 程序。
（1）手動程序 手動操作不需要按工序順序進行動作，所以可按普通繼電器程 序來設計。手動操作的梯形圖，如圖 5-4 所示，手動按鈕 X20-X25 分別控制下
圖 5-3 總程序結構框圖
圖 5-4 手動程序 降、上升、右移、左移、加緊和放松各個動作。為了保證系統(tǒng)的的安全與進行， 設置了一些必要的連鎖。其中在左、右移動的電路中加入 X11 作上限連鎖，這是 因為搬運機械手只有處于上限位置時，才允許左、右移動。
（2） 自動程序 自動程序如圖 5-5 所示。
1）連續(xù)及單周期操作。當搬運機械手在原點時，程序處于初始狀態(tài) S0，執(zhí)行下 降動作。當下降到下限位開關時，X10 接通，又接通下一個狀態(tài) S21，接著執(zhí)行 下一步動作。當執(zhí)行完最后一步動作，即左移到原點碰到左限位開關時，X13 接 通，如果是單周期操作，則 M0 斷開，回到初始狀態(tài)，如果連續(xù)操作，則 M0 接通， 狀態(tài)轉移至 S20，又開始下一個周期的循環(huán)。
在運行中，如按正常停車按鈕，則 X1 接通，M0 復位，搬運機械手的動作繼續(xù)執(zhí) 行完一個周期后，回到初始狀態(tài)。如按緊急停車按鈕，則 X2 接通，狀態(tài) S0~S33 全部復位，搬運機械手工作停止。重新啟動時，先用手動來將搬運機械手移回原點，才能 再次進行自動操作。
2）單步操作。當自動操作程序采用步進指令設計時，單步操作程序用“禁止狀態(tài)轉移”標志器 M8040 來實現，如圖 5-6 所示。該繼電器線圈接通時，禁進狀態(tài)轉移，線圈斷電時，允許狀態(tài)轉移。
圖 5-5 自動程序 止步
在單步操作方式下，利用啟動按鈕 X0 作為單步操作信號，X4 接通。不按啟 動按鈕時，X0 斷開，其常閉接點閉合，M8040 接通，狀態(tài)轉移被禁止。
圖 5-6 用“禁止狀態(tài)轉移”設計的單步操作梯形圖
當完成一步動作后，按下啟動按鈕，X0 接通，，其常閉接點將 M8040 斷開，狀態(tài)轉移到下一步。
將如圖 5-6 所示的單步操作梯形圖連接在如圖 5-5 所示的自動程序上端，就 得到了包括單步、單周期、連續(xù)操作在內的整個自動操作的梯形圖。
至此，搬運機械手的控制程序分段設計完畢。根據圖 5-3 所示的總程序結構框圖，
將手動操作程序梯形圖和自動程序梯形圖嵌入，就得到整個程序的梯形圖。
總結與展望
總結與展望
一、總結
畢業(yè)設計轉眼間就到了掃尾階段，在這幾個月的設計學習過程中，我取得了長足的進步。
在這次畢業(yè)設計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W的知識做了一次系統(tǒng)的復習，更深一步了解了所學的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網絡查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學習,努力的提高自己的水平。經過本次設計，我切實體會到作為一個優(yōu)秀的設計人員的艱難性。在設計過程中，我經常遇到各種各樣的問題，有的是知識方面的不足導致的，有的是設計經驗方面不足導致的。這些問題有時使得我束手無措，不過在指導老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設計。
雖然我的設計存在很多不足的地方，總的來說，我希望通過這次畢業(yè)設計對自己未來將從事的工作進行一次適應性的訓練，從中鍛煉自己分析問題，解決問題的能力，為將來工作打下良好的基礎畢業(yè)設計是對未來工作的一種模擬。
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