機(jī)械手-氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其PLC控制系統(tǒng)

機(jī)械手-氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其PLC控制系統(tǒng),機(jī)械手,氣動(dòng),設(shè)計(jì),及其,plc,控制系統(tǒng) 河南科技學(xué)院 2012屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 論文題目：氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其PLC控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名： 周文濤 所在院系： 機(jī)電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 導(dǎo)師姓名： 安愛琴 完成時(shí)間：2012年 5月 10日 摘 要 本文設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手，其控制部分采用PLC控制系統(tǒng)。論文首先對氣動(dòng)機(jī)械手的功能進(jìn)行分析，確定了總體方案，并設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖。由設(shè)計(jì)參數(shù)對機(jī)械手的主要組成部分進(jìn)行選型，并對其進(jìn)行三維建模，用于演示其工作原理。然后，根據(jù)控制要求，對PLC進(jìn)行了選型，編寫出了控制系統(tǒng)的梯形圖程序，并繪制出了硬件接線圖。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手，PLC，氣壓傳動(dòng) Abstract Keywords: Manipulator，PLC，Pneumatic Transmission 目 錄 1 緒論 1 1.1 設(shè)計(jì)背景 1 1.2 目前國內(nèi)外有關(guān)機(jī)械手的研究狀況 2 1.3 本文的主要研究內(nèi)容 2 2 機(jī)械手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計(jì)方案 3 2.1 機(jī)械手的功能分析 3 2.2 機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析 4 2.3 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5 2.4 機(jī)械手的檢測系統(tǒng) 5 3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5 3.1 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù) 6 3.2 氣爪的選型 6 3.3 伸縮缸的選型 7 3.4 升降缸的選型 7 3.5 擺動(dòng)缸的選型 8 4 機(jī)械手的三維建模 9 4.1 零件的三維建模 9 4.1.1 氣爪的建模 10 4.1.2 伸縮缸的建模 10 4.1.3 升降缸的建模 10 4.1.4 擺動(dòng)缸的建模 10 4.2 機(jī)械手的裝配 11 4.3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真 11 5 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 12 5.1 PLC的介紹 12 5.1.1 PLC的定義 12 5.1.2 PLC的優(yōu)點(diǎn) 12 5.1.3 PLC的分類 13 5.2 PLC的選型 13 5.3 系統(tǒng)控制要求 15 5.4 程序設(shè)計(jì) 16 5.4.1 梯形圖語言介紹 16 5.4.2 梯形圖程序 16 5.5 機(jī)械手的工作分析 18 5.5.1 自動(dòng)工作方式 18 5.5.2 手動(dòng)工作方式 19 6 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 19 6.1 傳感器的選擇 19 6.2 PLC硬件接線圖 19 7 結(jié)束語 20 致謝 21 參考文獻(xiàn) 22 22 1 緒論 由于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等領(lǐng)域的需要，能代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化、，在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全的機(jī)械手得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)械手是自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線上的重要裝置之一，它可以根據(jù)各種自動(dòng)化設(shè)備的工作需要，按照預(yù)定的控制程序動(dòng)作。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鍛造、鑄造、裝配和熱處理等生產(chǎn)過程中被廣泛用來搬運(yùn)工件，借以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；也可以自動(dòng)取料、上料、卸料和自動(dòng)換刀的功能，氣動(dòng)機(jī)械手是機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。 機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、液壓氣壓傳動(dòng)、自動(dòng)控制、傳感器和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科的綜合技術(shù)。機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程的多功能機(jī)器，它有多自由度，可代替人的勞動(dòng)，以便在復(fù)雜、惡劣的環(huán)境中工作。 1.1 設(shè)計(jì)背景 工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的能力，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。 在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下： （1）提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度。應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。 （2）改善勞動(dòng)條件、避免人身事故。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)的或是根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （3）可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)。應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。 綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。但是，目前，在一些企業(yè)中使用的氣動(dòng)機(jī)械手仍然采用繼電器-接觸器控制系統(tǒng)。其弊端主要表現(xiàn)在:大量的機(jī)械觸點(diǎn)電弧燒蝕和機(jī)械磨損，可靠性降低且壽命短；觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作頻率低且存在抖動(dòng)現(xiàn)象，控制精度低；接線多而復(fù)雜，一旦系統(tǒng)構(gòu)成后就很難增加或改變功能。因此，靈活性和擴(kuò)展性差。 隨著可編程控制器技術(shù)（PLC）的快速發(fā)展，其強(qiáng)大的控制功能不僅能完成復(fù)雜的繼電器控制邏輯，而且能實(shí)現(xiàn)模擬量控制，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、易于擴(kuò)展、易實(shí)現(xiàn)工藝連鎖和可在線修改等優(yōu)點(diǎn)。因此在工藝自動(dòng)化領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用?；趯S控制系統(tǒng)的強(qiáng)大干擾能力的要求，對氣動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行了PLC控制，從根本上解決了上述弊端。 1.2 目前國內(nèi)外有關(guān)機(jī)械手的研究狀況 機(jī)械手的發(fā)展歷程大體分為三代：第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過程中的任務(wù)，它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一個(gè)環(huán)節(jié)。 目前，日本、美國和歐盟在氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手方面最為領(lǐng)先。我國對氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用相對較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車等行業(yè)，并為國家的發(fā)展與進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研制出高性能的氣動(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。由于氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單，易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、過載保護(hù)、復(fù)雜動(dòng)作等諸多優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手將會(huì)越來越廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等諸多領(lǐng)域。 1.3 本文的主要研究內(nèi)容 本文研究的主要內(nèi)容為氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其PLC控制系統(tǒng)，包含的內(nèi)容如下： 論文首先介紹了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)功能和總體設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)了機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。接著是依據(jù)機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)，對氣動(dòng)機(jī)械手的主要組成部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型，然后又對PLC做了較為全面的介紹，對系統(tǒng)所需的PLC進(jìn)行了選型，并確定了系統(tǒng)I/O點(diǎn)的分配，最后編寫了系統(tǒng)的梯形圖程序，并繪制出了PLC的硬件接線圖。 2 機(jī)械手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能和總體設(shè)計(jì)方案 氣動(dòng)機(jī)械手主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及位置檢測系統(tǒng)4部分組成。其控制系統(tǒng)采用PLC控制。 2.1 機(jī)械手的功能分析 氣動(dòng)機(jī)械手搬運(yùn)工件的工作過程示意圖如圖1所示。圖中傳送帶A、B由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，光電開關(guān)用于檢測工件，當(dāng)光電開關(guān)檢測到工件時(shí)，傳送帶A停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)給氣動(dòng)機(jī)械手發(fā)出一個(gè)信號，氣動(dòng)機(jī)械手便將工件從傳送帶A上搬運(yùn)到傳送帶B上。 圖1 機(jī)械手工作過程示意圖 機(jī)械手動(dòng)作過程如圖2所示。 圖2 機(jī)械手動(dòng)作過程 2.2 機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析 圖3為氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖，它由氣爪夾持機(jī)構(gòu)、手臂平移機(jī)構(gòu)、手臂升降機(jī)構(gòu)和手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和各種固定支架等部分組成。該機(jī)械手具有三個(gè)自由度，在氣壓驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)升降、伸縮、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及氣爪的夾緊與松開動(dòng)作。 圖3 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖 A—?dú)庾Γ珺—伸縮缸，C——升降缸，D—齒輪齒條式擺動(dòng)缸 氣爪A活塞的運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)對工件的夾緊和松開。伸縮缸B可實(shí)現(xiàn)手臂的伸出和縮回動(dòng)作。升降缸C用于實(shí)現(xiàn)立柱的上升與下降。擺動(dòng)缸D有兩個(gè)活塞，分別裝在帶齒條的活塞桿兩頭，齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)立柱上的齒輪旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)立柱及長臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 2.3 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械手的全部執(zhí)行機(jī)構(gòu)均有氣壓驅(qū)動(dòng)，主要由氣源及氣源處理裝置、氣爪、伸縮氣缸、升降氣缸、擺動(dòng)氣缸及控制閥組成，如圖4所示。各種執(zhí)行氣缸均采用單向節(jié)流閥來調(diào)節(jié)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度。通過對單電控電磁閥通斷電的控制，使機(jī)械手執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，再配合檢查系統(tǒng)，即可讓機(jī)械手按照某種控制要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的順序動(dòng)作。 圖4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖 2.4 機(jī)械手的檢測系統(tǒng) 檢查系統(tǒng)主要由檢查工件的光電開關(guān)和設(shè)置在氣爪夾緊與松開，手臂伸縮、升降與回轉(zhuǎn)氣缸上的8各限位磁性開關(guān)組成。光電開關(guān)用來檢測是否有工件，其檢測結(jié)果作為機(jī)械手控制系統(tǒng)的輸入信息。磁性開關(guān)的作用是對機(jī)械手的行程進(jìn)行檢測和判斷，其檢測結(jié)果亦作為機(jī)械手控制系統(tǒng)的輸入信息，從而控制機(jī)械手，使其按照程序規(guī)定的順序動(dòng)作。 3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)均采用標(biāo)準(zhǔn)型氣動(dòng)元器件，不需要進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，只需根據(jù)設(shè)計(jì)要求選型即可。 論文選用SMC氣動(dòng)元件，SMC公司為世界級的氣動(dòng)元件研發(fā)、制造、銷售商。在日本本土更擁有龐大的市場網(wǎng)絡(luò)。SMC產(chǎn)品以其品種齊全、可靠性高、經(jīng)濟(jì)耐用、能滿足眾多領(lǐng)域不同用戶的需求而聞名于世。SMC氣動(dòng)元件超過11000種基本系列，610000余種不同規(guī)格，主要包括氣動(dòng)潔凈設(shè)備、電磁閥、各種氣動(dòng)壓力、流量、方向控制閥、各種形式的氣缸、擺缸、真空設(shè)備、氣動(dòng)儀表元件及設(shè)備，以及其他各種傳感器與工業(yè)自動(dòng)化元器件等。 3.1 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù) （1）夾取工件重量：0.5Kg； （2）工作氣壓：0.5MPa； （3）主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 伸縮缸行程：150mm；升降缸行程100mm；回轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動(dòng)角度90°。 3.2 氣爪的選型 機(jī)械手系統(tǒng)采用支點(diǎn)開閉型氣爪。 氣爪夾持工件的受力分析如圖5所示，由圖可知，兩個(gè)手指的總夾持力產(chǎn)生的摩擦力為2μF必須大于夾持工件的重力mg，考慮到搬運(yùn)工件時(shí)加速度及沖擊力等，必須設(shè)定一個(gè)安全系數(shù)S，故應(yīng)滿足 即： 式中：F——?dú)庾A持力（單位N）； S——安全系數(shù)，取S=3； 圖5 工件受力分析圖 m——夾持工件質(zhì)量，m=0.5Kg； g——重力加速度，g=9.8m/s2； μ——?dú)庾A頭與工件的摩擦因數(shù)，一般μ=0.1~0.2，取μ=0.15。 則所需夾持力，由表1可知，雙作用比單作用夾持力矩要大些，故選擇雙作用動(dòng)作方式。初選缸徑為25mm，可查知力臂E為27mm，計(jì)算出所需夾持力矩M=F×E=49×0.027N·m=1.32N·m，依據(jù)表1可知，選擇氣爪型號為MHC2-25D可滿足要求。 表1 標(biāo)準(zhǔn)型氣爪 動(dòng)作方式 型號 缸徑mm 夾持力矩（N·m） 開閉角度(兩側(cè)) 雙作用 MHC2—10D 10 0.1 30°～-10° —16D 16 0.39 —20D 20 0.7 —25D 25 1.36 單作用 MHCM2—7S 7 0.017 20°～-7° MHC2—10S 10 0.07 30°～-10° —16S 16 0.31 —20S 20 0.54 —25S 25 1.08 3.3 伸縮缸的選型 伸縮缸行程為150mm，工件質(zhì)量0.5Kg，考慮到氣爪及連接板的重量，總質(zhì)量約為1Kg，故伸縮缸的最大橫向負(fù)載為F=mg=1×9.8N=9.8N?？紤]到一定冗余量，根據(jù)表2可選定伸縮缸型號為MGPL16—150。 表2 氣缸最大橫向負(fù)載 缸徑（mm） 軸承的種類 行程(mm) 40 50 75 100 125 150 175 200 250 12 MGPM 14 13 26 22 19 17 15 13 11 MGPL 35 30 23 18 15 12 11 10 8 16 MGPM 23 21 37 32 27 24 22 20 16 MGPL 54 47 35 28 23 20 17 15 12 20 MGPM 38 35 87 75 66 59 54 49 42 MGPL 101 90 70 58 62 54 48 43 35 25 MGPM 54 49 116 100 88 79 71 65 55 MGPL 132 118 93 77 80 70 62 55 45 3.4 升降缸的選型 機(jī)械手升降缸是支撐和驅(qū)動(dòng)伸縮缸的部件，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)，這些機(jī)構(gòu)直接構(gòu)成機(jī)身軀干與地底座相連。為了設(shè)計(jì)合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，要和伸縮缸、氣爪、工件一起考慮。 工件、氣爪、伸縮缸及連接板總重量約為2Kg，所以，升降缸最大軸向負(fù)載為F=mg=2×9.8N=19.6N?？紤]到氣壓的波動(dòng)等影響，由氣缸工作氣壓為0.5MPa，結(jié)合表3，選擇氣缸缸徑為50mm。 表3 雙作用氣缸輸出力表 缸徑 負(fù)載率η為50%時(shí)氣缸允許輸出力 使用空氣壓力 Mpa 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 6 0.43 0.57 0.71 0.85 0.99 10 1.18 1.57 1.97 2.36 2.75 12 1.70 2.26 2.83 3.39 4.00 16 3.02 4.02 5.05 6.05 7.05 20 4.71 6.30 7.85 9.40 11.00 25 7.35 9.80 12.30 14.70 17.20 32 12.10 16.10 20.10 24.20 28.20 40 18.90 25.20 31.40 37.70 44.00 50 29.50 39.30 49.10 58.50 68.50 63 46.80 62.50 78 93.50 109 80 75.50 101 126 151 176 100 118 157 197 236 275 根據(jù)氣缸缸徑，結(jié)合表4選擇升降缸系列為CG1系列。由升降缸行程為100mm，故選擇氣缸型號為CDG1LN50—100。 表4 氣缸系列選擇表 氣缸系列 氣缸缸徑mm 16 20 25 32 40 50 63 80 100 CJ2系列 小型不銹鋼缸筒系列 √ CM2系列 緊湊型、輕型不銹鋼缸筒系列 √ √ √ √ CG1系列 鋁制缸筒、輕型 √ √ √ √ √ √ √ √ CA2系列 拉桿型中缸系列 √ √ √ √ √ MB系列 √ √ √ √ √ √ CQS系列 緊湊，薄型 √ √ √ 3.5 擺動(dòng)缸的選型 擺動(dòng)氣缸位于機(jī)械手的底部，與底座相連，它承擔(dān)著機(jī)械手的全部重量，故對擺動(dòng)氣缸的承載能力要求很高。同時(shí)，擺動(dòng)氣缸要帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)，故要求其在回轉(zhuǎn)是要保證整個(gè)機(jī)械手的平穩(wěn)性。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)90?的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 本文采用齒輪齒條式回轉(zhuǎn)氣缸，實(shí)用CAR1系列，其特點(diǎn)為：該系列擺動(dòng)氣缸采用含油軸承，使活塞桿無需加油潤滑；氣缸本體，前后蓋經(jīng)過陽極硬質(zhì)氧化處理，不僅具有耐腐蝕性耐磨性，而且更顯外觀小巧精美；氣缸采用耐高溫材料，使氣缸在150攝氏度高溫條件下，仍能正常工作；氣缸活塞上有一個(gè)永久磁鐵，它可觸發(fā)安裝在氣缸上的感應(yīng)開關(guān)，用來檢測氣缸的運(yùn)動(dòng)位置。由氣缸擺動(dòng)角度選擇氣缸型號為CDRA1BS80-90。 4 機(jī)械手的三維建模 依據(jù)選擇出來的氣缸型號，查閱其相關(guān)尺寸，并考慮到建模的難度，對其進(jìn)行簡單的三維建模，以演示其工作過程。三維建模主要包含三部分：零件的建模、機(jī)械手的裝配和運(yùn)動(dòng)仿真。 論文采用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，SolidWorks公司是專業(yè)從事三維機(jī)械設(shè)計(jì)，工程分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)與營銷的跨國公司。其軟件產(chǎn)品SolidWorks自1995年問世以來，以其優(yōu)異的性能，易用性和創(chuàng)新性，極大地提高了機(jī)械設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)效率。在于同類軟件的激烈競爭中已經(jīng)確立了它的市場地位，成為三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的標(biāo)準(zhǔn)。自1996年以來，SolidWorks公司已為數(shù)千家中國制造企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)提高完整的信息化解決方案及服務(wù)。并在CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/ERP等領(lǐng)域?yàn)槠髽I(yè)的信息化建設(shè)提供了完整的，使用的解決方案，在航空、航天、鐵道、兵器、電子、機(jī)械等領(lǐng)域擁有廣泛的用戶。 SolidWorks軟件包含零件建模、裝配設(shè)計(jì)、工程圖與鈑金等模塊，還與高級圖形渲染軟件Photoworks,高級有限元分析軟件Comos,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件Motionworks,產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)軟件Smarteam，以及數(shù)控加工等軟件無縫集成。SolidWorks還首創(chuàng)了自上而下的全相關(guān)設(shè)計(jì)，并憑借高效運(yùn)行的裝配設(shè)計(jì)使之成為實(shí)作技術(shù)[5]。 4.1 零件的三維建模 對機(jī)械手的主要組成部分：氣爪、伸縮缸、伸縮缸和擺動(dòng)缸進(jìn)行簡單的三維建模，用來仿真氣動(dòng)機(jī)械手的工作過程。主要零件的尺寸參考SMC氣動(dòng)元件的尺寸。 4.1.1 氣爪的建模 夾緊機(jī)構(gòu)的模型如圖6所示，桿3的往復(fù)移動(dòng)通過桿2帶動(dòng)桿1擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對工件的夾緊與放松。氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)桿3的運(yùn)動(dòng)。 在氣爪零部件的建模過程中，主要用到的操作有拉伸、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)等常用命令，這些命令在后面伸縮缸和升降缸的建模過程中也常用到。 氣爪的三維模型圖如圖7所示。 圖6 氣爪模型圖 圖7 氣爪三維模型圖 4.1.2 伸縮缸的建模 伸縮缸的三維裝配圖如圖8所示。 4.1.3 升降缸的建模 升降缸的三維裝配圖如圖9所示。 圖8升降缸三維模型圖 圖9 伸縮缸三維模型圖 4.1.4 擺動(dòng)缸的建模 擺動(dòng)缸采用齒輪齒條式，通過齒條的線性移動(dòng)帶動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手臂的回轉(zhuǎn)。 齒輪的設(shè)計(jì)是通過SolidWorks軟件的插件生成的，在插件中給定齒輪的參數(shù)（模數(shù)m、齒數(shù)z、齒寬B）便可直接生成齒輪。軸承是在插件的標(biāo)準(zhǔn)庫中直接調(diào)用的，亦不需繪制。 擺動(dòng)缸的三維模型圖如圖10所示。 圖10 擺動(dòng)氣缸三維模型圖 4.2 機(jī)械手的裝配 對機(jī)械手的各主要組成部分進(jìn)行裝配，以底座為首要基準(zhǔn)，遵循從下往上、從左往右的原則進(jìn)行裝配。裝配的主要的順序?yàn)椋合葦[動(dòng)缸，在升降缸，最后為氣爪部分。氣動(dòng)機(jī)械手的三維裝配圖如圖11所示。 圖11 機(jī)械手三維模型圖 4.3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真 根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作過程對機(jī)械手的裝配圖進(jìn)行三維仿真，從而演示氣動(dòng)機(jī)械手的工作原理及工作過程。 機(jī)械手的動(dòng)作順序?yàn)椋菏直凵斐觥鷬A緊工件→手臂縮回→手臂上升→手臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)→手臂伸出→松開工件→手臂縮回→手臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)→手臂下降。 該氣動(dòng)機(jī)械手具有四個(gè)自由度，在運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，每一步仿真，都只能有一個(gè)自由度。故在仿真時(shí)，每一步都應(yīng)限定三個(gè)自由度，留下一個(gè)自由度，否則，將得不得理想的仿真效果。 5 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是指程序的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)程序之前，對PLC做了簡單介紹，包括定義、優(yōu)點(diǎn)和分類，其次是根據(jù)控制系統(tǒng)所需要的I/O點(diǎn)數(shù)，選擇PLC的型號，最后編寫了控制系統(tǒng)的梯形圖程序。 5.1 PLC的介紹 隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，PLC的制造成本不斷下降，而其功能大大增強(qiáng)。目前在先進(jìn)工業(yè)國家中PLC已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，應(yīng)用面幾乎覆蓋了所有工業(yè)領(lǐng)域，例如鋼鐵、冶金、采礦、水泥、石油、化工、輕工、電力、機(jī)械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保、交通、建筑、食品、娛樂等各行各業(yè)。特別是在輕工行業(yè)中，因生產(chǎn)門類多，加工方式多變，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，所以PLC廣泛應(yīng)用在組合機(jī)床生產(chǎn)線、專用機(jī)床、塑料機(jī)械、包裝機(jī)械、灌裝機(jī)械、電鍍自動(dòng)線、電梯等電器設(shè)備中。PLC日益躍居工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化三大支柱[即PLC機(jī)器人（robot）和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造（CAD/CAM）]的首位[3]。 5.1.1 PLC的定義 可編程邏輯控制器是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充的原則設(shè)計(jì)[3]。 5.1.2 PLC的優(yōu)點(diǎn) （1）編程簡單 PLC用于編程的梯形圖與傳統(tǒng)的繼電器接觸控制線路圖有許多相似之處，對于具有一定電工知識(shí)和文化水平的人員，都可以在較短的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)編制程序的步驟和方法。 （2）可靠性高 PLC是專門為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)與制造過程中均采用了諸如屏蔽、濾波、隔離、無觸點(diǎn)、精選元器件等多層次有效的抗干擾措施，因此可靠性很高，平均無故障時(shí)間間隔為2萬小時(shí)以上。此外PLC還具有很強(qiáng)的自診斷功能，可以迅速方便地檢查、判定出故障，縮短檢修時(shí)間。 （3）通用性好 PLC品種多，檔次也多，可由各種組件靈活組合成不同的控制系統(tǒng)，以滿足不同的控制要求。同一臺(tái)PLC只要改變軟件則可實(shí)現(xiàn)控制不同的對象或不同的控制要求。 （4）功能強(qiáng)大 PLC能進(jìn)行邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)、和步進(jìn)等控制，能完成A/D與D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等任務(wù)，具有很強(qiáng)的功能。隨著PLC技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種新的功能模塊不斷得到開發(fā)，使PLC的功能日益齊全，應(yīng)用領(lǐng)域也得到進(jìn)一步拓展。 （5）體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 由于PLC采用半導(dǎo)體集成電路，因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)。 （6）設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試周期短 PLC以軟件編程來取代硬件接線，使其構(gòu)成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝、使用方便，而且商品化的PLC模塊功能齊全，程序的編制、調(diào)試和修改也很方便，因此可大大縮短PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、和投產(chǎn)周期[1]。 5.1.3 PLC的分類 目前PLC生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品種類眾多，型號規(guī)格也不統(tǒng)一，其分類也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通?？捎?種形式分類。 （1）按結(jié)構(gòu)形式分類 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同PLC可分為整體式、模塊式和單板式三種。 （2）按功能分類 按PLC所具有的功能不同，可分為低檔機(jī)、中檔機(jī)、高檔機(jī)三檔。 （3）按I/O點(diǎn)數(shù)和程序容量分類 PLC按I/O點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量可分為超小型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)和大型機(jī)4類，見表5[3]。 表5 PLC分類 分類 I/O點(diǎn)數(shù) 程序容量 超小型機(jī) <64 256～1000B 小型機(jī) 64～256 1～3.6KB 中型機(jī) 256～2048 3.6～13KB 大型機(jī) >2048 13KB以上 5.2 PLC的選型 本文選擇松下電工FP0系列PLC，F(xiàn)P0是日本松下電工株式會(huì)社繼小型機(jī)FP1系列之后又開放的小型PLC產(chǎn)品。它集CPU、I/O、通信等諸多功能模塊與一體，具有體積小、功能強(qiáng)和性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，適用單機(jī)、小規(guī)?？刂疲跈C(jī)床、紡織、電梯控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別適合在我國的中小企業(yè)推廣應(yīng)用。 其特點(diǎn)如下： （1）超小型尺寸，具有世界上最小的安裝面積，寬25mm×高90mm×長60mm； （2）輕松擴(kuò)展，擴(kuò)展單元可直接連接到控制單元上、不需任何電纜； （3）從I/O 10點(diǎn)到最大I/O 128點(diǎn)的選擇空間； （4）擁有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 控制系統(tǒng)有自動(dòng)工作方式啟動(dòng)按鈕1個(gè)，手動(dòng)工作方式啟動(dòng)按鈕1個(gè)，自動(dòng)方式停止按鈕1個(gè)，1個(gè)光電開關(guān)，自動(dòng)工作方式的8個(gè)傳感器，手動(dòng)工作方式的8個(gè)單步工作方式按鈕，2個(gè)繼電器，4個(gè)電磁閥，共需20個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)要求，選擇FP0系列PLC的C32型主機(jī)。其輸入點(diǎn)數(shù)為16，輸出點(diǎn)數(shù)為16，不能滿足控制要求，故需要對控制單元進(jìn)行擴(kuò)展，根據(jù)控制要求選擇E8型擴(kuò)展單元。 擴(kuò)展后I/O口的地址編號如下： C32型主機(jī)：輸入端X0～XF,輸出端Y0～YF； E8型擴(kuò)展單元：輸入端X30～X37。 PLC的I/O點(diǎn)分配如表6所示。 表6 PLC的I/O點(diǎn)分配表 PLC點(diǎn)名稱 連接的外部設(shè)備 功能說明 X0 自動(dòng)工作方式按鈕SB1 啟動(dòng)自動(dòng)工作方式命令 X1 手動(dòng)工作方式按鈕SB2 啟動(dòng)手動(dòng)工作方式命令 X2 停止按鈕SB3 停止命令 X3 光電開關(guān)SE1 檢測有無工件 X4 電磁開關(guān)SE2 檢測氣爪A夾緊工件到位 X5 電磁開關(guān)SE3 檢測氣爪A松開工件到位 X6 電磁開關(guān)SE4 檢測伸縮缸B退回到位 X7 電磁開關(guān)SE5 檢測伸縮缸B伸出到位 X8 電磁開關(guān)SE6 檢測立柱下降到位 X9 電磁開關(guān)SE7 檢測立柱上升到位 XA 電磁開關(guān)SE8 檢測齒輪缸D順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到位 XB 電磁開關(guān)SE9 檢測齒輪缸D逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到位 XC 夾緊按鈕SB4 夾緊工件 XD 松開按鈕SB5 松開工件 XE 縮臂按鈕SB6 手臂縮回 XF 伸臂按鈕SB7 手臂伸出 X30 下降按鈕SB8 立柱下降 X31 上升按鈕SB9 立柱上升 X32 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)按鈕SB10 立柱順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) X33 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)按鈕SB11 立柱逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) Y0 繼電器KM1 控制電機(jī)M1 Y1 繼電器KM2 控制電機(jī)M2 Y2 電磁閥YA 控制氣爪A夾緊工件 Y3 電磁閥YB 控制伸縮缸B伸出 Y4 電磁閥YC 控制升降缸C上升 Y5 電磁閥YD 控制齒輪缸D轉(zhuǎn)動(dòng) 5.3 系統(tǒng)控制要求 機(jī)械手控制系統(tǒng)的要求： （1）按下啟動(dòng)按鈕，傳送帶A、B運(yùn)動(dòng)，當(dāng)光電開關(guān)檢測到工件時(shí)，傳送帶A停止，同時(shí)，機(jī)械手動(dòng)作； （2）機(jī)械手有自動(dòng)和手動(dòng)工作方式兩種； （3）自動(dòng)工作方式設(shè)有停止按鈕，當(dāng)按下停止按鈕，機(jī)械手完成當(dāng)前工作循環(huán)便停止工作； （4）若啟動(dòng)手動(dòng)工作方式，待結(jié)束時(shí)應(yīng)使各氣缸回到原位，方可再次按下自動(dòng)按鈕。 5.4 程序設(shè)計(jì) 梯形圖是PLC常用的編程語言，采用梯形圖氣動(dòng)對機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)其控制要求。 5.4.1 梯形圖語言介紹 PLC的梯形圖在形式上沿襲了傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制圖，是在原繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎(chǔ)上演變而來的一種圖形語言。它將PLC內(nèi)部的各種編程元件（如繼電器的觸點(diǎn)、線圈、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等）和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號、標(biāo)號定義，并按邏輯要求及連接規(guī)律組合和排列，從而構(gòu)成了表示PLC輸入、輸出之間控制關(guān)系的圖形。由于它在繼電器接觸器的基礎(chǔ)上加進(jìn)了許多功能強(qiáng)大、使用靈活的指令，并將計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)結(jié)合進(jìn)去，使邏輯關(guān)系清晰直觀、編程容易、可讀性強(qiáng)，所實(shí)現(xiàn)的功能大大超過了傳統(tǒng)的繼電接觸控制電路，所以很受用戶歡迎。它是目前用的最多的PLC編程語言[3]。 5.4.2 梯形圖程序 根據(jù)控制要求，編寫機(jī)械手控制系統(tǒng)的PLC梯形圖程序，如圖12所示。 圖12 PLC梯形圖程序 5.5 機(jī)械手的工作分析 機(jī)械手具有手動(dòng)/自動(dòng)兩種工作方式，兩種工作方式的運(yùn)動(dòng)情況分析如下。 5.5.1 自動(dòng)工作方式 （1）按下自動(dòng)工作方式按鈕SB1，繼電器KM1、KM2得電，傳送帶A、B運(yùn)動(dòng)；當(dāng)光電開關(guān)檢測到有工件到來時(shí)，傳送帶A停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，電磁閥YB得電，使B缸的主控閥處于左位，手臂伸出。 （2）當(dāng)手臂伸出到位時(shí)，傳感器SE5檢測到，電磁閥YA得電，使A缸的主控閥處于左位，氣爪夾緊工件。 （3）當(dāng)夾緊工件到位時(shí)，傳感器SE2檢測到，電磁閥YB失電，使B缸的主控閥處于右位，手臂縮回，同時(shí)，傳送帶A運(yùn)動(dòng)，待檢測到下一個(gè)工件時(shí)才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。 （4）當(dāng)手臂縮回到位后，傳感器SE4檢測到，電磁閥YC得電，使C缸的主控閥處于左位，立柱上升。 （5）當(dāng)立柱上升到位時(shí)，傳感器SE7檢測到，電磁閥YD得電，使D缸的主控閥處于左位，擺動(dòng)氣缸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 （6）當(dāng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到位時(shí)，傳感器SE8檢測到，電磁閥YB再次得電，使B缸的主控閥處于右位，手臂伸出。 （7）當(dāng)手臂伸出到位時(shí)，傳感器SE5再次檢測到，電磁閥YA失電，使A缸的主控閥處于右位，氣爪松開工件。 （8）當(dāng)氣爪松開工件到位時(shí)，傳感器SE3檢測到，電磁閥YB失電，使B缸的主控閥處于右位，手臂縮回。 （9）當(dāng)手臂縮回到位時(shí)，傳感器SE4檢測到，電磁閥YD失電，使D缸的主控閥處于右位，擺動(dòng)氣缸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 （10）當(dāng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到位時(shí)，傳感器SE9檢測到，電磁閥YC失電，使C缸的主控閥處于由位，立柱下降，一個(gè)工作循環(huán)介紹。 （11）若在上一個(gè)循環(huán)結(jié)束之前，光電開關(guān)已檢測到工件，機(jī)械手會(huì)接著重新開始下一個(gè)工作循環(huán)；若在上一個(gè)循環(huán)介紹時(shí)，還未檢測到工件，機(jī)械手便會(huì)停止工作，直至檢測到下一個(gè)工件時(shí)才開始新的循環(huán)。 （12）當(dāng)按下停止按鈕SB3時(shí)，機(jī)械手在完成當(dāng)前工作循環(huán)后，停止工作，并使繼電器KM1、KM2失電，傳送帶A、B均停止工作；當(dāng)再次按下自動(dòng)工作方式啟動(dòng)按鈕SB1時(shí)，系統(tǒng)又會(huì)開始新的工作。 5.5.2 手動(dòng)工作方式 當(dāng)按下手動(dòng)工作方式按鈕SB2時(shí)，就可利用按鈕可對機(jī)械手的每一個(gè)動(dòng)作單獨(dú)進(jìn)行控制，例如，按下伸臂按鈕SB7，手臂伸出；按下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)按鈕SB10機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這種工作方式便于機(jī)械手在維修時(shí)的調(diào)整，結(jié)束手動(dòng)工作方式時(shí)，應(yīng)是機(jī)械手回到初始位置，之后方可按下自動(dòng)工作方式，否則，可能出錯(cuò)。 6 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是指PLC的外部接線圖首先繪出了系統(tǒng)所用到的兩種傳感器的接線圖，然后繪出了PLC的外部接線圖。 6.1 傳感器的選擇 氣動(dòng)機(jī)械手的控制系統(tǒng)采用光電開關(guān)用來檢測工件的有無，其接線方法如圖13所示；采用兩線式磁性開關(guān)來檢測氣缸活塞是否移動(dòng)到位，其接線方法如圖14所示。 圖13 磁性開關(guān)接線圖 圖14 光電開關(guān)接線圖 6.2 PLC硬件接線圖 繪制出PLC的硬件接線圖，如圖15所示。 圖15 PLC的硬件接線圖 7 結(jié)束語 對機(jī)械手系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，與教材采用的行程程序控制相比，有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）整個(gè)氣動(dòng)機(jī)械手氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，減少許多氣控元器件，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性； （2）當(dāng)機(jī)械手動(dòng)作順序改變時(shí)，硬件系統(tǒng)無需改變，只需修改梯形圖程序，即容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械手動(dòng)作的多樣化，以滿足現(xiàn)實(shí)的需要； （3）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡單可靠。 對于其它的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，甚至是夜壓傳動(dòng)系統(tǒng)，如氣動(dòng)鉆床、氣液動(dòng)力滑臺(tái)、組合機(jī)床系統(tǒng)、磨床系統(tǒng)、液壓機(jī)系統(tǒng)等，均可采用PLC控制，同樣具有以上優(yōu)點(diǎn)。正如前面開頭所述的那樣，用PLC設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為世界潮流。 致謝 本論文是在我的指導(dǎo)老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，她始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。向我的導(dǎo)師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在此，我還要感謝在這四年間教過我的所有老師，你們不僅教會(huì)了我文化知識(shí)，也教會(huì)了我如何做一個(gè)對社會(huì)有用的人。還要感謝我的朋友們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 參考文獻(xiàn) [1] 王曉芳.液壓與氣動(dòng)技術(shù)[M].中國輕工業(yè)出版社，2006 [2] 田勇，高長銀.液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2011 [3] 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