基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)

劉鑫

[摘 要]本文是針對(duì)PLC控制器對(duì)以氣壓作為動(dòng)能的機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析機(jī)械手制作使用的參數(shù)和設(shè)計(jì)的坐標(biāo)形式，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)提出設(shè)計(jì)方案。對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行選擇與研究，利用編程對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與控制，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行總結(jié)。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手；氣動(dòng)；PLC編程控制器

[中圖分類號(hào)]TP241 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 機(jī)械手的分類

因?yàn)椴煌闆r下使用不同的機(jī)械手，機(jī)械手的側(cè)重功能的不同和其制作材料的不同等使它存在的樣式和類別多種多樣。對(duì)機(jī)械手進(jìn)行分類是我們認(rèn)識(shí)機(jī)械手、對(duì)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)的要求。

1.1 驅(qū)動(dòng)方式之液壓式機(jī)械手

所謂液壓式機(jī)械手則提供其運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力為液體，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則由各種液動(dòng)機(jī)構(gòu)成。這種機(jī)械手的動(dòng)力來(lái)源一般是由汽油等能量體提供，對(duì)此類機(jī)械手而言其作用下的抓力更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為緊湊，具有很強(qiáng)的防爆功能和保持平衡的性能，但是由于其動(dòng)力來(lái)源為油性液體，對(duì)其各方面的條件也就更高，其結(jié)構(gòu)組成必須嚴(yán)謹(jǐn)防止泄露，液體的精度和純度也對(duì)機(jī)械手的性能起到一定的限制。

1.2 驅(qū)動(dòng)方式之氣壓式機(jī)械手

利用氣壓作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的氣壓式機(jī)械手是依靠氣閥、空壓機(jī)等能把氣體進(jìn)行壓縮并把氣能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能為機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)提供可能的方式。氣壓式機(jī)械手因?yàn)槠湓靸r(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可控而一度為人們廣泛使用。然而氣壓式機(jī)械手雖然取材方便、無(wú)污染，但是氣體的的密度等要求氣壓不能太高，因而與其他驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手相比動(dòng)力不足，對(duì)物體的固定和抓舉的能力較小，在大型的生產(chǎn)工具中不適宜使用。

1.3 驅(qū)動(dòng)方式之電動(dòng)式機(jī)械手

電動(dòng)式機(jī)械手是目前生活中常見(jiàn)的額機(jī)械手之一，其以電力作為驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇多樣，可提供不同用途的機(jī)械手具體適用。電動(dòng)式機(jī)械手是以電力為動(dòng)力來(lái)源，今天的電源來(lái)源方便，電力大小可自由控制，對(duì)機(jī)械手適應(yīng)的各個(gè)行業(yè)均可操作，所以電動(dòng)式機(jī)械手的發(fā)展較為迅速和全面。

機(jī)械手因?yàn)椴煌猛竞托阅苓€有其他的驅(qū)動(dòng)方式，如混合式驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。而機(jī)械手的分類也可根據(jù)其功能的不同進(jìn)行，如搬運(yùn)式機(jī)械手，還可以根據(jù)其操作機(jī)位置的不同、機(jī)械手的自由度數(shù)量來(lái)進(jìn)行分類，如關(guān)節(jié)型機(jī)械手等。對(duì)機(jī)械手的分類越多，要求越精準(zhǔn)代表著機(jī)械手的使用范圍和功能的不可替代性，也證明了我們研究該課題的必要和意義所在。

2 機(jī)械手的組成

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

所謂執(zhí)行即指機(jī)械手具體開(kāi)展工作的部位，根據(jù)人體手臂的結(jié)構(gòu)可知其有手掌即機(jī)械手直接作業(yè)的手部、手腕即機(jī)械手連接手部，帶動(dòng)手部完成指定動(dòng)作，也是操作和結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的腕部、手臂即機(jī)械手動(dòng)力支撐點(diǎn)，通過(guò)杠桿的形式對(duì)手腕和手部起著控制與指導(dǎo)作用的臂部、而發(fā)力機(jī)構(gòu)、精度測(cè)量和固定形態(tài)則機(jī)械手的腰部和基座提供。

2.2 驅(qū)動(dòng)裝置

機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置即其傳動(dòng)裝置，一般的機(jī)械手的傳動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)，把機(jī)械手的動(dòng)力來(lái)源轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的驅(qū)動(dòng)器與充當(dāng)連接通道，由齒輪、鏈等組成的傳動(dòng)裝置組成。

2.3 控制系統(tǒng)

目前機(jī)械手的控制系統(tǒng)主要有利用計(jì)算機(jī)和伺服控制器組成的對(duì)機(jī)械手的操作和運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)控制作用。利用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制一般可以是一臺(tái)總控制計(jì)算機(jī)發(fā)生作用，即所有機(jī)械手功能的實(shí)現(xiàn)由一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制；還有就是分散型的控制即機(jī)械手的各部分的運(yùn)作由多臺(tái)控制機(jī)進(jìn)行集體控制。

2.4 職能系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的智能化是二十一世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的要求，也是目前機(jī)械手發(fā)展還不夠完善的方面，利用機(jī)械手目前發(fā)展迅速的子系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)智能化的控制是我們的設(shè)計(jì)目的。

3 機(jī)械手基本形式的選擇

3.1 機(jī)械手的坐標(biāo)形式

由于機(jī)械手在不同情境下行使著不同的職能，所以決定了其也手臂和坐標(biāo)等形式的多樣化。對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)角度的不同等可以把其坐標(biāo)進(jìn)行分類，常見(jiàn)的坐標(biāo)有直角式、圓柱式座標(biāo)及座標(biāo)式、關(guān)節(jié)式坐標(biāo)。我們對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求不僅是上下移動(dòng)和抓放，還要求其水平移動(dòng)和收縮伸展等功能，綜合上述圓柱式座標(biāo)能符合機(jī)械手的基本座標(biāo)要求。

3.2 機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)

由于機(jī)械手的設(shè)計(jì)必須要考慮到世紀(jì)應(yīng)用，所以對(duì)機(jī)械手的控制綜合了數(shù)據(jù)分析和實(shí)際應(yīng)用的需要，我們對(duì)其選擇了基于程序可編的控制器（PLC），利用點(diǎn)位的控制方式對(duì)其進(jìn)行控制。這樣設(shè)計(jì)的機(jī)械手在設(shè)定和更改程序、功能和用途時(shí)只需要對(duì)程序進(jìn)行變動(dòng)即可，而不用把機(jī)械手回爐重造，浪費(fèi)社會(huì)資源。

3.3 機(jī)械手主要參數(shù)設(shè)計(jì)

由上述可知機(jī)械手利用氣動(dòng)作為其驅(qū)動(dòng)源而不能抓取重力過(guò)大的物體，所以我們對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)抓力應(yīng)該具有一個(gè)明確的最大數(shù)值的規(guī)定，如此一來(lái)限定了其用途和范圍，但是實(shí)現(xiàn)其使用范圍內(nèi)最優(yōu)才是我們的目標(biāo)。綜合數(shù)據(jù)分析、對(duì)比與實(shí)際試驗(yàn)得出本機(jī)械手的預(yù)期的最大抓重的質(zhì)量為5公斤

機(jī)械手主要參數(shù)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度的參數(shù)設(shè)計(jì)。由于本機(jī)械手是以氣壓轉(zhuǎn)化的動(dòng)能和機(jī)械能，其物質(zhì)因素活性較大，運(yùn)動(dòng)速度高，所以機(jī)械手移動(dòng)的最大速度為1.0m/s，而最大的回轉(zhuǎn)速度可達(dá)到90/s，所以其平均移動(dòng)的速度是0.8m/s、平均回轉(zhuǎn)的速度為60/s。

機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)的伸縮和范圍參數(shù)也在我們的設(shè)計(jì)范圍。為了解決機(jī)械手因?yàn)樯炜s緩慢、僵硬與其因?yàn)榘霃竭^(guò)大、幅度過(guò)長(zhǎng)而引起的偏重力矩增大導(dǎo)致其剛性降低等問(wèn)題。根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比我們得出采用自動(dòng)傳送裝置相比其他裝置性能發(fā)揮會(huì)更好。所以有：機(jī)械手手臂的伸縮幅度為600mm，其最大工作半徑在1400mm左右，升降行程為120mm，定位精度為1mm。

4 主要參數(shù)設(shè)計(jì)的參考列表

4.1 技術(shù)參數(shù)

對(duì)機(jī)械手的抓重質(zhì)量為10kg的物體設(shè)計(jì)，機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)的自由度為4，同時(shí)我們選擇圓柱式的坐標(biāo)形式；則其工作半徑可為1400mm，手臂能伸到最高值為1250mm，升降速度

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