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为目标，得到了前所未有的发展。气动技术(Pneumatics)是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。“Pneumatics”一词起源于希腊文的“Pneuma”，其原义为“呼吸”，后来才一演变成“气动技术”。
气动技术因具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单，以及防火、防爆、抗电磁干扰、抗幅射等优点广泛应用于汽车制造、电子、工业机械、食品等工业产业中。随着新材料、新技术、新工艺的开发和应用，气动技术己经突破传统的设计、制造理念，正在IC/LCD、微电子、生物制药、医疗机械等高技术领域扮演着重要角色。
随着生产自动化程度的不断提高，气动技术应用面迅速扩大，气动产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家，气动元件产值已接近液压元件的产值，而且仍以较快的速度在发展。气动工业的高速增长，进一步刺激了气动技术的发展。气动技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展。
1.2.2 气动机械手
工业机械手使用最多的一种驱动方式是电机驱动。驱动电机一般采用步进电机、直流伺服电机以及交流伺服电机。由于电机速度高，通常须采用减速机构(如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等)。这类机械手的特点是控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方案。但是由于这类机械手价格昂贵，限制了在一些场合的广泛应用。因此，人们开始寻求其它一些经济适用的机械手驱动方式。随着气动技术获得了快速发展，其利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动设备，在满足社会生产实践需要的同时也越来越多的受到重视。气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术。
气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点，表1.1给出了各种控制方式的比较。
表1.1 各种控制方式的比较
项目 系统结构 安装自由度 输出力 定位精度 气压传动 简单 大 稍大 一般 液压传动 复杂 大 大 一般 电气传动 复杂 中 小 很高 机械传动 较复杂 小 不太大 高 2
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续表 1.1
动作速度 响应速度 清洁度 维护 价格 技术要求 控制自由度 危险性
大 慢 清洁 简单 一般 较低 大 几乎没问题 稍大 快 可能污染 比气动复杂 稍高 较高 大 注意火 大 快 清洁 需要专门技术 高 最高 中 一般无问题 小 中 较清洁 简单 一般 较低 小 无特殊问题 气动机械手是在己有的机械手基础上发展起来的。二者之间的区别在于气动机械手发展的起点颇高，它强调模块化的形式，把专用机械手和通用机械手结合起来。现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由智能阀岛来处理，气动伺服定位系统代替了伺服电机、步进马达或液压伺服系统；气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作；主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用情况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动机械手今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性。因此，气动机械手可以代替一些功能不理想的工业机械手的地位，在目前的工业自动线上有着及其广泛的应用前景。
1.2.3 气动机械手的发展趋势
尽管世界工业经济发展放缓，使得气动机械手的发展受到一定的影响，然而，作为新兴科学技术的产物，气动机械手的发展势不可挡。目前，气动机械手的发展呈现出了以下趋势：
1、结构模块化 2、控制智能化 3、感觉功能变强 4、系统应用与集成化 5、可靠性越来越高 6、易操作更灵活 7、向微型化方向发展
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第2章 方案论证
2.1 机械手的设计
2.1.1 气动搬运机械手的结构
机械手的种类很多，但按手臂坐标类型来分主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、SCARA型。
本论文所针对的机械手属于圆柱坐标式，如图2.1所示，机械手主要是由基座和手臂两部分组成。基座的主要任务是支撑和完成手臂回转。手臂装在基座上，作上下直线运动，手部可夹紧/放松。
图2.1 机械手原理图
机械手基座 机械手横臂 机械手立柱 机械手手部 本机械手的全部动作由气缸驱动。气缸由电磁阀控制。驱动部分有升降气缸、摆动气缸和手部驱动气缸。
2.1.2 气动搬运机械手的工作原理
本机械手采用气压驱动，使用的是压力为0. 6 MPa，最高可达1 Mpa。这个机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度，用于将原工作台上的物品搬到其左侧工作台上。机械手的全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左旋转/右旋转、夹紧/放松功能，是目前较为简单
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的、应用比较广泛的一种机械手。机械手的工作流程如图2.2所示。
放松 图2.2工作流程
抓紧 上升 下降 左旋 开始 下降 上升 右旋 结束 原位 其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成，升降工作行程为0~1500mm。转动是通过摆动气缸、轴向止推轴承、摆动臂及摆动位置微动开关协调完成，转动工作行程为0~180°。手部是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩量来调整。
2.2 气动搬运机械手群
2.2.1 气动搬运机械手群结构
本论文的控制对象是由三个机械手组成的机械手群。其结构如图2.3所示。 红外检测 工作台C 红外检测 工作台B 红外检测 工作台A 机械手3 机械手2 机械手1 图2.3机械手群结构
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三个机械手、三个工作台和三个红外检测器固定在一个大型的基座上。每个机械手的手部正下方都有工作台，用于放置物品。在每个机械手的基座和工作台之间都有一个红外检测器，用于检测工作台上是否有物品。机械手把物品从右面的工作台上移到左面的工作台上。
2.2.2 气动搬运机械手群工作原理
当系统工作开始时，工作台A上有物品时，机械手1首先工作，完成8个基本操作后（即一个循环），把物品放在工作台B上，机械手2便启动工作，同样完成一个循环后，把物品放在工作台C上，机械手3启动工作，这样3个机械手不断的循环工作；当系统工作结束时，机械手1首先完成一个循环后停止，然后机械手2、机械手3也顺序依次停止工作。
2.3 本论文的主要内容及达到的目标
本论文主要内容是以气动搬运机械手作为控制对象，用PLC作为控制器，最终实现对气动搬运机械手群自动运行的控制。
本论文要达到的目标是，当系统工作开始时，机械手1首先工作，完成8个基本操作后（即一个循环），机械手2便启动工作，同样完成一个循环后，机械手3启动工作，这样3个机械手不断的循环工作；当系统工作结束时，机械手1首先完成一个循环后停止，然后机械手2、机械手3也顺序依次停止工作。
每个机械手的完成8个基本操作，第1步当工作台上有物品时，机械手下降。第2步是机械手在最低位抓紧物品。第3步是机械手夹紧物品上升。第4步是机械手夹紧物品右旋180度。第5步是机械手夹紧物品下降。第6步是在最低位时松开物品。第7步机械手上升。第8步是机械手左旋180度，回到原位。
2.4 本系统的控制方案
为了实现对气动搬运机械手群的自动控制，本系统采用PLC做控制器。 本系统的输入开关量为数字信号，直接连接PLC，PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制。系统框图如图2.4所示。
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