機械手臂搬運加工流程控制的設(shè)計精編

機械手臂搬運加工流程控制的設(shè)計精編機械手臂搬運加工流程控制的設(shè)計摘要隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，搬運機械手的應用也逐漸普及，主要在汽車，電子，機械加工、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的生產(chǎn)流水線或貨物裝卸調(diào)運,可以更好地節(jié)約能源和提高運輸設(shè)備或產(chǎn)品的效率，以降低其他搬運方式的限制和不足，滿足現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的要求。本機械手的機械結(jié)構(gòu)主要包括由兩個電磁閥控制的液壓鋼來實現(xiàn)機械手的上升下降運動及夾緊工件的動作，兩個轉(zhuǎn)速不同的電動機分別通過兩線圈控制電動機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)小車的快進、慢進、快退、慢退的運動運動；其動作轉(zhuǎn)換靠設(shè)置在各個不同部位的行程開關(guān)(SQ1---SQ9)產(chǎn)生的通斷信號傳輸?shù)絇LC控制器，通過PLC內(nèi)部程序輸出不同的信號，從而驅(qū)動外部線圈來控制電動機或電磁閥產(chǎn)生不同的動作，磁閥前???言能模仿人手和臂的某些動作功能，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。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)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，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件(或工具)的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(擺動)、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有2~3個自由度。動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡機械手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(chǎn)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。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。公司研制出第一臺機械手。第一章機械手概況搬運機械手的應用簡況在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75％是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5％。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性國內(nèi)外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應用于以下1.熱加工方面的應用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。2.冷加工方面的應用冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程機床上應用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應用，成為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。3.拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機械手，可用以對客車內(nèi)部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量近些年，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機械手中越來越多的應用，工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。機械手的應用意義在機械工業(yè)中，機械手的應用意義可以概括如下：1.可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化2.可以改善勞動條件、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或根本不可能的。而應用機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條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，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)應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。綜上所述，有效地應用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨機械手的發(fā)展概況專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，而且還應用一些電子學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領(lǐng)域也在不斷地擴大。節(jié)式的第一代機械手。50~60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型。60~70年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術(shù)進入80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應用。90年代以后，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展?？傊?，目前機械手的主要經(jīng)歷分為三代：第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設(shè)有電子計算機控制系統(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，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一環(huán)。機械手的發(fā)展趨勢目前國內(nèi)工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，國內(nèi)主要是逐步擴大機械手應用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀 (即距離傳感器)以及衛(wèi)星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機械手進行工觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控展，機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機械手裝配?，F(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。PLC概況及在機械手中的應用1.可編程序控制器的應用和發(fā)展概況可編程序控制器(programmablecontroller)，現(xiàn)在一般簡稱為PLC(programmablelogiccontroller)，它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、半導體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應用甚廣。但是控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng)，接線繁雜，當生產(chǎn)工藝或控制對象改變時，原有的接線刻控制盤(柜)就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要PLC，尤其近幾年來PLC的性價比不斷提高已被廣泛應用在冶金、機械、石油、化1).用于邏輯控制電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。2).用于模擬量控制換，并對模擬量控制。3).用于機械加工中的數(shù)字控制PLC能，它可以與機械加工中的數(shù)字控制(NC)及計算機控制(CNC)緊密結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字4).用于工業(yè)機器人控制5).用于多層分布式控制系統(tǒng)從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。1).可靠性高、抗干擾能力強PLC能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工作，PLC的平均無故障間隔時間2).控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強象，當控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時，不必改變PLC程序。3).編程簡單、使用、維護方便4).組合方便、功能強、應用范圍廣PLC既可用于開關(guān)量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機控制，又可用于組成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單5).體積小、重量輕、功耗低PLC采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約。在機械手中的應用機械手通常應用于動作復雜的場合來代替人的反復的操作，從而節(jié)省人的勞動，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經(jīng)常被應用于動作簡單的電氣及流水線控制，而PLC以其可靠性高、抗干擾能力強;控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強;編程簡單、使用、維護方便;組合方便、功能強、應用范圍廣;體積小、重量輕、功耗低等有點被廣泛應用于類似機從而實現(xiàn)機械手的各種動。第二章搬運機械手總體設(shè)計方案搬運機械手結(jié)構(gòu)及其動作本機械手用于生產(chǎn)線上工件的自動搬運，根據(jù)對機械手的機械手的控制過程AB個液壓缸完成工件的夾緊和提升升降；由小車實現(xiàn)機械手的移動。該小車由兩臺電動機驅(qū)動，一臺是高速，一臺是慢速。當小車前進時以慢—快—慢的形式進行，返回時按慢—快—慢的形式后退。當工件從傳送帶傳輸?shù)綑C械手下方時，工件碰壓行程開關(guān)SQ1，B缸活塞桿伸出，帶動機械手下降，下降至終點碰壓行程開關(guān)SQ3與機械手夾鉗相連的A缸活塞桿收進，機械手將工件夾緊；當把工件提升；當工件提升到最高位置時碰壓行程開關(guān)SQ4，啟動小車慢速右行；當小車碰壓行程開關(guān)SQ7時轉(zhuǎn)為快速行走；接近終點時小車碰壓行程開關(guān)SQ8，轉(zhuǎn)為慢速行走；行松開，將工件放下；然后機械手上升，小車以慢—快—慢的形式沿原路返回，恢復到圖示所示的原點位置。機械手的控制要求為了便于生產(chǎn)加工、維修、調(diào)整設(shè)置的工作方式選擇開關(guān)。分為手動和自動操作，其中自動操作中包括了：單步、單周期、連續(xù)；手動操作包括手動和回原位的操作。手動操作：供維修用，即用按鈕對機械手的每一步動作單獨控制。例如，當選擇手動操作時，按下上升/下降按鈕，機械手在滿足條件情況下即執(zhí)行相應的動作，其它動作以此類回原位：當由于斷電或其它原因?qū)е聶C械手運行中途停止時，再次通電將操作方式選擇置于回原位位置，按下復位按鈕，機械手即可按最短路徑的原則返回到原點位置。單步運行：供試用，即沒按一次啟動按鈕機械手向前執(zhí)行單周期運行：供首次檢驗用，當機械手在原點時按下啟動按鈕，機械手自動執(zhí)行一個周期后停止在原點位置啟動按鈕時，機械手周而復始的執(zhí)行各工步動作。該機械手在自動工作狀態(tài)時，應先將其工作方式選擇開關(guān)放在“返回原位”，并按下返回原位按鈕，對狀態(tài)器進行置位，然后再將工作方式選擇開關(guān)放置自動工作方式下。若自動工作狀態(tài)解除，則硬件工作方式選擇開關(guān)放置于“手從操第三章搬運機械手硬件系統(tǒng)設(shè)計硬件系統(tǒng)設(shè)計包括機械部分和電氣控制部分的設(shè)計。機械手的結(jié)構(gòu)機械手的位置及機械手夾鉗的夾緊、放松狀態(tài)，并對系統(tǒng)實電氣控制的設(shè)計包括主電路和控制電路的設(shè)計。主電路由兩臺電動機，即慢速電機和快速電機，分別拖動小車慢行和快行，其控制如轉(zhuǎn)。機械手的夾緊放松動作是由一單電兩位四通電磁閥控制的一個液壓缸完成的，在通電情況下，機械手松開，得電時松開，可以防止在設(shè)備運行過程中突然斷電導致的機械手松開，工件脫落的情況發(fā)生。操作面板及動作說明根據(jù)控制和生產(chǎn)工藝的要求，控制操作包括手動和自動，自動控制包括單步、單手動工作方式下，手動動作包括上升、下降、放松、快進、慢進、快退、慢退和復位，故設(shè)置六個動作看官按鈕。各個動作進行的同時均設(shè)有動作指示燈。另外設(shè)有啟動停止按操作方式選擇旋鈕輸??開關(guān)入手動時運動選擇按鈕數(shù)5829信號I/O設(shè)備交流接觸器控制輸??出動作指示數(shù)4381啟動停止按鈕啟動停止按鈕原點指示行程開關(guān)電氣接線圖見附圖第四章搬運機械手的軟件系統(tǒng)設(shè)計機械手動控制屬順序控制，故其手動程序采用普通的PLC控制指令控制，自動程序采用步進梯形指令控制梯形圖的總體設(shè)計按照機械手控制和工藝流程的要求，在選擇“手動方式”時應執(zhí)行手動程序；在選擇“回原位”時應執(zhí)行回原位程序；在選擇自動程序時應執(zhí)行自動程序。其中自動程序要在啟動按鈕按下時才執(zhí)行。故梯形圖的總體構(gòu)成如圖3—6各部分梯形圖的設(shè)計1.通用部分梯形圖設(shè)計圖分為三部分：被置位、復位。當方式選擇開關(guān)置于“返回原位”(X514接通)時，按下復位按鈕(X507)時被置位，在“手動操作” (X510)接通時，S600復位。處于中間工步的狀態(tài)器用手動做復位操作，即在方式選擇開關(guān)位于“手動操作”或“返回原位”時，中間狀態(tài)器同步復位。故初始化梯形圖如圖3—7所示，(如果狀態(tài)器要在供電時從斷電前條件開始繼續(xù)工作，則不需要M71)。2).狀態(tài)器轉(zhuǎn)換啟動。若機械手工作在自動工作方式下，當初始狀態(tài)器S600被置位后按下啟動按鈕，輔助繼電器M575工作，狀態(tài)器的狀態(tài)可以一步一步的向下傳遞，即可進行轉(zhuǎn)換。在執(zhí)行“連續(xù)程序”時，轉(zhuǎn)換啟動繼電器M575一直保持到停機按鈕按下為止。另一面采用M100檢查機器是否3).狀態(tài)器轉(zhuǎn)換禁止梯形圖。激活特殊輔助繼電器M574并用步進梯形指令控制狀態(tài)器轉(zhuǎn)換時，狀態(tài)器的轉(zhuǎn)換就被自勵并自保持，操作停止在現(xiàn)行工步。當按下停止按鈕時，從允許狀態(tài)器轉(zhuǎn)換一次。在“手動”工作方式時禁止進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在手動方式解禁止狀態(tài)轉(zhuǎn)換，直到按下啟動按鈕。故狀態(tài)器轉(zhuǎn)換禁止梯形3—7和3—8的分析可得出：在執(zhí)行“手動操作”期被接通，(按下啟動按鈕時除外)；執(zhí)行“步進”程序時轉(zhuǎn)換一次；在執(zhí)行“單周期操作”程序時，按下啟動按鈕，作停止在現(xiàn)行工序(再次按下啟動按鈕時從現(xiàn)行工序開始工作)；在執(zhí)行“連續(xù)程序”時，M575一直接通到按下停止按2.手動操作梯形圖手動操作方式由于不需要任何復雜的順序控制，可以用常規(guī)繼電器順序方式來設(shè)計梯形圖?！笆謩硬僮鲿r”按下放松按鈕時，機械手卡抓松開，當松開放松按鈕時，機械手卡爪在液壓缸作用下自動加緊并保持；按下上升按鈕，上升輸出車停止；快進、快退、慢退情況同慢進。手動操作梯形圖設(shè)置有互鎖，只有在小車處于左限位(即X403閉合)或右限位(即X412閉合)時機械手的上升下降動作才能進行，只有當機械手處于下限位(即X404接通)機械手的加緊放松動作才可以手動控制；為了安全，同一個電動機的正反轉(zhuǎn)線圈不能同時接通，設(shè)計中設(shè)計了自鎖開關(guān)，防止線圈同時接通造成的短路。故手動操作時梯形圖如圖3.返回原位梯形圖?在“返回原位”狀態(tài)下，“夾緊”與“下降”動作應被停止，上限位未動作時，應進行“上升”；上限位動作時，“右行”動作應停止，并左行至左限時執(zhí)行各工步的情況，表示了各工步的實現(xiàn)和轉(zhuǎn)換的條件。在第一次下降工步中，下降電磁閥Y436接通。自下限位置位，至加緊限位X406接通，轉(zhuǎn)換為上升動作；當上限為開關(guān)時、下降、加緊、上升、慢退、快退、慢退動作依次類推，如上所述一步一步按順序驅(qū)動各個負載動作，稱為順序控制或過程步進型控制。將從初始化開始的一系列梯形圖，按照總體結(jié)構(gòu)圖(圖3—6)的形式組合在一起，得到機械手PLC控制的梯形圖 (見附圖)，其語句表見附錄。結(jié)論本綜合實驗主要應用于機加工生產(chǎn)，貨物調(diào)運等場合。用PLC控制，體積小，重量輕，控制方式靈活，可靠性高，操作簡單，維修容易。