上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)設(shè)計

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1、目 錄第1章 緒論31.1 選題背景31.2 設(shè)計目的41.3 現(xiàn)狀與發(fā)展前景41.4 設(shè)計任務(wù)51.5 設(shè)計原則6第2章 設(shè)計方案的論證62.1機(jī)械手總體方案的選擇62.2 機(jī)械手腰座構(gòu)造的設(shè)計92.3 機(jī)械手的手臂構(gòu)造設(shè)計112.4 機(jī)械手腕部的構(gòu)造設(shè)計122.5機(jī)械手的構(gòu)造設(shè)計142.6機(jī)械手整體驅(qū)動的設(shè)計172.7 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計173、機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計183.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計183.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計25結(jié) 論26第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計274.1機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計274.2機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計34參照文獻(xiàn)36附錄37道謝49第1章 緒論1.1 選

2、題背景隨著工業(yè)自動化限度的提高，工業(yè)現(xiàn)場中有諸多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機(jī)器人所替代。這一方面可以減輕工人的勞動強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在國內(nèi)的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費(fèi)時費(fèi)力，又影響效率。機(jī)械手是在機(jī)械自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的可以模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和規(guī)定實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。機(jī)械手生產(chǎn)中應(yīng)用中可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:能替代人類完畢危險、反復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)力、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；特別在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆

3、、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它替代人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱解決、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)送業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一種重要構(gòu)成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一種柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易變化，有助于公司不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適

4、應(yīng)市場競爭的需要。而目前國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比尚有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計是非常故意義的。 1.2 設(shè)計目的本設(shè)計通過對機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識進(jìn)行整合，完畢一種特定功能、特殊規(guī)定的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計，可以比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對性和明確的實(shí)行目的，可以實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。目前，在國內(nèi)諸多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完畢，勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,減少成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性

5、制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計用一臺裝卸機(jī)械手替代人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機(jī)械手重要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最后形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，國內(nèi)的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計可以應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的規(guī)定，從而減輕工人勞動強(qiáng)度，節(jié)省加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。1.3 現(xiàn)狀與發(fā)展前景目前，國外多種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：(1)工業(yè)機(jī)器人性價比性能不

6、斷提高，也就是性能(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)不斷提高的同步，而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。(2)機(jī)械構(gòu)造向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化妝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于原則化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化構(gòu)造:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用老式的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還

7、應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配備技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。(6)現(xiàn)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最出名實(shí)例?？偟膩碚f，大體是兩個方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多

8、控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，重要采用性價比高的模塊，在滿足工作規(guī)定的基本上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。國外多種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：國內(nèi)目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人核心元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比尚有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)

9、器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距。以上因素重要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，目前國內(nèi)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)顧客的規(guī)定，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化限度低、供貨周期長、成本也不低，并且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的核心技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推動產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 1.4 設(shè)計任務(wù)本課題將要完畢的重要任務(wù)如下:(1)機(jī)械手為數(shù)控機(jī)床上下料專用機(jī)械手；(2)選用機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度；(3)設(shè)計出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，涉及:腰部、手腕、手臂等部件的設(shè)計；(4)液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計，并繪出液壓原理圖；(5

10、)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計，本次選用三菱公司FX系列PLC進(jìn)行控制，并根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。1.5 設(shè)計原則在設(shè)計之前，必須要有一種指引原則。這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則是：以任務(wù)書所規(guī)定的具體設(shè)計規(guī)定為主線設(shè)計目的，充足考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體規(guī)定。在滿足工藝規(guī)定的基本上，盡量的使構(gòu)造簡潔，盡量采用原則化、模塊化的通用元配件，以減少成本，同步提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)規(guī)定的設(shè)計原則，同步也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識，如工程力學(xué)、工程制圖、機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理、液壓傳動、檢測技術(shù)、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動控制、機(jī)械系

11、統(tǒng)設(shè)計等知識盡量多的綜合運(yùn)用到設(shè)計中，使得通過本次設(shè)計對大學(xué)階段的知識得到鞏固和強(qiáng)化，同步也考慮個人能力水平和時間的客觀實(shí)際，充足發(fā)揮個人能動性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計。第2章 設(shè)計方案的論證2.1機(jī)械手總體方案的選擇對機(jī)械手的基本規(guī)定是能迅速、精確地拾一放和搬運(yùn)物件，這就規(guī)定它們具有高精度、迅速反映、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。充足分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)規(guī)定，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能規(guī)定和環(huán)境條件;明確工件的構(gòu)造形狀和材料特性，定位精度規(guī)定，抓取、搬運(yùn)時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步擬定對機(jī)械手構(gòu)造

12、及運(yùn)營控制的規(guī)定；盡量選用定型的原則組件，簡化設(shè)計制造過程，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。為了減輕機(jī)器人運(yùn)動部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。本次設(shè)計的械手的工作布局如圖2-1所示。圖2-1 機(jī)械手工作布局2.1.1 機(jī)械手總體構(gòu)造的類型工業(yè)機(jī)械手的種類諸多，有關(guān)分類的問題，在此暫按使用范疇、驅(qū)動方式、控制方式和構(gòu)造形式等進(jìn)行分類。(1)按使用范疇機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:1、專用機(jī)械手它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動作少、工作對象單一、構(gòu)造簡樸、

13、使用可靠和造價低等特點(diǎn)，合用于大批量的自動化生產(chǎn)，如自動機(jī)床、自動線的上、下料機(jī)械手和“加口工中心”附屬的自動換刀機(jī)械手。2、通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手的工作范疇大、定位精度高、通用性強(qiáng)，合用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。(2)按驅(qū)動方式1、液壓傳動機(jī)械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其重要特點(diǎn)是:抓持力較大，可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、構(gòu)造緊湊、動作敏捷。但對密封裝置規(guī)定嚴(yán)格，且不適宜在高溫、低溫下工作。2、氣壓傳動機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其重要特點(diǎn)是:介質(zhì)源極為以便，輸出力小，氣動動

14、作迅速，構(gòu)造簡樸，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，并且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤如下。合用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。3、電力傳動機(jī)械手即有特殊構(gòu)造的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手，由于不需要中間的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械構(gòu)造簡樸。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動速度快和行程長，維護(hù)和使用以便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前程。（3）按構(gòu)造形式工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)造形式重要有直角坐標(biāo)構(gòu)造，圓柱坐標(biāo)構(gòu)造，球坐標(biāo)構(gòu)造，關(guān)節(jié)型構(gòu)造四種。各構(gòu)造形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別簡介如下。1、直角坐標(biāo)機(jī)器手直角坐標(biāo)機(jī)器手的空間運(yùn)動是用三個互相

15、垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.a。直角坐標(biāo)機(jī)器人能達(dá)到很高的位置精度（m級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動空間相對機(jī)器人的構(gòu)造尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的構(gòu)造尺寸要比其她類型的機(jī)器人的構(gòu)造尺寸大得多。直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種構(gòu)造。2.圓柱坐標(biāo)機(jī)器手構(gòu)造圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用一種回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡樸，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一種圓柱狀的空間。3. 球坐標(biāo)機(jī)器手構(gòu)造球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一種直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機(jī)器人構(gòu)造簡樸、

16、成本較低，但精度不很高。重要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一種類球形的空間。4. 關(guān)節(jié)型機(jī)器人構(gòu)造關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.d。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，構(gòu)造緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。關(guān)節(jié)型機(jī)器人構(gòu)造，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式綜上所述，本設(shè)計采用機(jī)械手。2.1.2 設(shè)計采用方案具體到本次數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計中，設(shè)計規(guī)定搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG以上，且直徑達(dá)到50mm，同步考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對機(jī)

17、械手的具體規(guī)定，考慮在滿足系統(tǒng)工藝規(guī)定的前提下，盡量簡化構(gòu)造，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運(yùn)動,另一種為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動,綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為3，即一種轉(zhuǎn)動自由度兩個移動自由度，采用液壓傳動、圓柱坐標(biāo)式專用型機(jī)械手方案。2.2 機(jī)械手腰座構(gòu)造的設(shè)計進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計后，就要針對機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進(jìn)行具體設(shè)計。2.2.1 機(jī)械手腰座構(gòu)造設(shè)計原則 圓柱坐標(biāo)式腰座是機(jī)器手的第一種回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動部分所有安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的所有重量。在設(shè)計機(jī)器手腰座構(gòu)造時，要注意如下設(shè)計原則：1.腰座要

18、承受機(jī)器人所有的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的構(gòu)造要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。2.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 3.機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一種回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)器人末端的運(yùn)動精度影響最大，因此，在設(shè)計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。4.腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它涉及驅(qū)動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。5.腰部構(gòu)造要便于安裝、調(diào)節(jié)。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的互相位置精度。要設(shè)有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用來調(diào)節(jié)腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。

19、 2.2.2 設(shè)計采用方案腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計使用用前者。由于電動方式控制的精度可以很高，并且構(gòu)造緊湊，不用設(shè)計此外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一種回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最后精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動?？紤]到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體規(guī)定，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。又由于齒輪傳動存在著齒側(cè)間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（i=100），同步為了減小機(jī)械手的整體構(gòu)造，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動導(dǎo)致的誤差。腰座具體構(gòu)造

20、如圖2-3所示：圖2-3 腰座構(gòu)造圖2.3 機(jī)械手的手臂構(gòu)造設(shè)計2.3.1手臂設(shè)計原則 機(jī)器手手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)目前機(jī)器人所規(guī)定的工作空間內(nèi)的運(yùn)動。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計時，要遵循下述原則；1.機(jī)器人手臂的構(gòu)造尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的規(guī)定。工作空間的形狀和大小與手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范疇有密切的關(guān)系。2.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡量在構(gòu)造上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，一般選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前比較有效的措施是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計。在保證所需強(qiáng)度與剛度的

21、狀況下，減輕機(jī)器人手臂的重量。3.機(jī)器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡量在重量上平衡，在設(shè)計機(jī)器人的手臂時，應(yīng)盡量運(yùn)用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘存的不平衡重量。4.機(jī)器人手臂在構(gòu)造上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機(jī)構(gòu)及其他元件的安裝。2.3.2 手臂采用方案 機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動都為直線運(yùn)動。直線運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)?？紤]到搬運(yùn)工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，屬中型重量，同步考慮到機(jī)械手的動

22、態(tài)性能及運(yùn)動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的規(guī)定。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運(yùn)動件，不用再設(shè)計此外的執(zhí)行件了；并且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，控制簡樸，易于實(shí)現(xiàn)計算機(jī)的控制。為滿足機(jī)械手運(yùn)動的穩(wěn)定性和剛度，手臂液壓缸的設(shè)計原則是缸的直徑獲得大一點(diǎn)（在整體構(gòu)造容許的狀況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。但由于具體工作的規(guī)定，機(jī)械手的手臂的構(gòu)造不能太大，因此，在設(shè)計時增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增長其剛度；大臂增設(shè)了四個導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導(dǎo)桿均采用空心構(gòu)造。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能明

23、顯提高機(jī)械手的運(yùn)動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了構(gòu)造、穩(wěn)定性的問題。2.4 機(jī)械手腕部的構(gòu)造設(shè)計機(jī)器人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動軌跡與運(yùn)動姿態(tài)，完畢所需要的作業(yè)動作。2.4.1手腕構(gòu)造的設(shè)計原則1.機(jī)器手手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，靈活性愈好，適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增長，也必然會使腕部構(gòu)造更復(fù)雜，控制更困難，成本也會增長。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)規(guī)定來擬定。在滿足作業(yè)規(guī)定的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡量的少。2.機(jī)器手腕部安裝在手臂的末端，應(yīng)力求減少其重量和體積，構(gòu)造力求緊湊。為了減

24、輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。3.機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有原則的聯(lián)接法蘭，構(gòu)造上要便于裝卸末端執(zhí)行器。4.機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動的傳遞。 5.要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。 6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)立硬限位，以避免超限導(dǎo)致機(jī)械損壞。2.4.2設(shè)計采用方案 通過對數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對機(jī)械手上下料作業(yè)時的具體規(guī)定，在滿足系統(tǒng)工藝規(guī)定的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的構(gòu)造盡量簡

25、樸，減少控制的難度，本設(shè)計手腕不增長自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)規(guī)定的，3個自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）構(gòu)造見圖2-4。圖2-4手爪聯(lián)結(jié)構(gòu)造2.5機(jī)械手的構(gòu)造設(shè)計2.5.1機(jī)械手的設(shè)計原則機(jī)器手是安裝在機(jī)器人手腕上用來進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。種類有諸多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作規(guī)定。按用途可分為搬運(yùn)用、加工用和測量用等。在設(shè)計機(jī)器人末端執(zhí)行器時，應(yīng)注意如下問題；1.機(jī)器手規(guī)定機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、構(gòu)造緊湊。2、萬能性是指一機(jī)多能，而通用性是指機(jī)械手可應(yīng)用在不同的多種場合伙業(yè)，可合用于不同的機(jī)器人，以上就規(guī)定末端執(zhí)行器要有原則的機(jī)械接口

26、（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)原則化和模塊化。3、兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的規(guī)定。4.機(jī)器手要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制。用計算機(jī)控制最以便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，另一方面是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動接口中需要增長電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。2.5.2機(jī)器手的驅(qū)動方式機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。機(jī)器人夾持器

27、（手爪）的驅(qū)動方式重要有三種1.氣動驅(qū)動方式 這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，因此氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。2.電動驅(qū)動方式 電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆規(guī)定的條件下，由于電機(jī)有也許產(chǎn)生火花和發(fā)熱。3.液壓驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)位置控制。2.5.3 機(jī)器手的典型構(gòu)造1.楔塊杠桿式手爪運(yùn)用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。2.滑槽式手爪 當(dāng)

28、活塞向前運(yùn)動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。3.齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。4.平行杠桿式手爪采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小諸多。2.5.4設(shè)計具體采用方案 結(jié)合具體的工作狀況，本設(shè)計采用齒輪齒條式的手爪。液壓缸驅(qū)動活塞往復(fù)移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計按照工件的直徑為50mm來設(shè)計。手爪的具體構(gòu)

29、造形式如圖2-5所示：本課題機(jī)械手的手部構(gòu)造如圖3-2所示，其工件重量G=30公斤，“V”形手指的角度2=120，b=120mm， R=25mm,摩擦系數(shù)取f=0.10 。圖2-5 齒輪齒條式手部(1) 根據(jù)手部構(gòu)造的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: (2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: N=12G*tan-=0.5309.8tan（60-5.4）205（N） 因此：=212025205=1985（N）(3) 實(shí)際驅(qū)動力: 由于傳力機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取=0.94 ，并取=1.5.若被抓取工件的最大加速度取a=g 時，則: 因此： p實(shí)際=19851.520.94=6337.5（N）

30、因此夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為6337.5N。2.6機(jī)械手整體驅(qū)動的設(shè)計工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。2.6.1工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計機(jī)械手時，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機(jī)械手的用途、作業(yè)規(guī)定、機(jī)器人的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜限度、運(yùn)營的功耗、性價比以及既有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點(diǎn)的基本上，綜合上述各因素，充足論證其合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最后的選擇。一般狀況下： 1.物料搬運(yùn)（涉及上下料）使用的有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)器人，重負(fù)荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中檔負(fù)荷的

31、可選電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機(jī)器人多采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。2.用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)器人，規(guī)定具有點(diǎn)位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才干滿足規(guī)定。點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。重負(fù)荷的任意點(diǎn)位控制的點(diǎn)焊及搬運(yùn)機(jī)器人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。2.6.2設(shè)計具體采用方案 具體到本設(shè)計，在分析了具體工作規(guī)定后，綜合考慮各個因素。機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)；由于采用液壓執(zhí)行缸來做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅(qū)動；同步考慮隨著機(jī)床加工的工件的不同，水平手臂伸出長度是不同的。因此，規(guī)定水平手臂具有伺服定

32、位能力，故采用電液伺服液壓缸進(jìn)行驅(qū)動。而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實(shí)現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。2.7 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計 直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)器人可以通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計構(gòu)造，使得手臂自身也許達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動器的負(fù)荷，同步縮短啟動時間。2.7.1機(jī)械手平衡機(jī)構(gòu)的形式一般，機(jī)器人所采用的平衡機(jī)構(gòu)重要有如下幾種：1.配重平衡機(jī)構(gòu) 這種平衡裝置構(gòu)造簡樸，平衡效果好，易于調(diào)節(jié)，工作可靠，但增長了機(jī)器人手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)器人手臂的不平衡力

33、矩比較小的狀況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。2.彈簧平衡機(jī)構(gòu)彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡樸、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。3.活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動兩種：液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；氣動平衡系統(tǒng)，具有較好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價高，設(shè)計、安裝和調(diào)試都增長了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作規(guī)定的場合。2.8.2設(shè)計具體采用的方案由于本設(shè)計機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的構(gòu)造，并且在手臂的構(gòu)造設(shè)計以及整個機(jī)械手的設(shè)計和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計

34、構(gòu)造，使得手臂自身盡量達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡成果不滿足，則設(shè)立彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。3、機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1.1 機(jī)械手工藝過程與控制規(guī)定機(jī)械手的動作有水平手臂的伸縮，垂直手臂的升降，執(zhí)行手爪的加快與松開以及腰部的旋轉(zhuǎn)。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實(shí)現(xiàn)驅(qū)動。而液壓缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如，當(dāng)下降電磁閥通電時，機(jī)械手下降；當(dāng)下降電磁閥斷電時，機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升電磁閥通電時，機(jī)械手才上升；而當(dāng)上升電磁閥斷電時，機(jī)械手上升停止。而水平方向的伸縮重要由電液伺服閥、伺服驅(qū)動器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)

35、控制27。 而執(zhí)行手爪的加快與放松，通過柱塞缸與齒輪來實(shí)現(xiàn)。柱塞缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當(dāng)線圈不通電時，柱塞缸不工作，當(dāng)線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方時并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時，為了保證安全，必須在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才容許機(jī)械手下降進(jìn)行作業(yè)。同步，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。3.1.2 機(jī)械手的作業(yè)流程機(jī)械手的作業(yè)動作流程如圖4-1所示：圖4-1 上下料機(jī)械手工作流程圖從原點(diǎn)開始，按下啟動鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進(jìn)行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電

36、，同步手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降，同步張開手爪，下降到位后遇到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，同步手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，遇到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC開始輸出高速脈沖，驅(qū)動機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 接著下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后，遇到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，機(jī)械手達(dá)到卡盤中心高度； 機(jī)械手開始水平定位后縮，將工件裝入機(jī)床卡盤； 當(dāng)工件裝入到位后，卡盤收緊； 機(jī)械手松開手爪，準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，遇到上

37、限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC啟動高速脈沖驅(qū)動機(jī)械手作順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動，機(jī)械手回到原點(diǎn)待命； 機(jī)床進(jìn)行加工。當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工完一種工件時，發(fā)送下料命令給機(jī)械手，機(jī)械手接到命令后，PLC立即輸出脈沖驅(qū)動機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 下降電磁閥通電，同步手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降且張開手爪，下降到位后遇到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件；機(jī)床卡盤松開； 機(jī)械手開始前伸，將工件從機(jī)床上取出，準(zhǔn)備運(yùn)走； 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，遇到

38、上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后遇到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止； 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，遇到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同步手爪也閉合復(fù)原； 接著機(jī)械手水平手臂開始后縮，準(zhǔn)備回原點(diǎn)，當(dāng)后縮到位時，后縮停止，機(jī)械手回到原點(diǎn)，一種上下料過程結(jié)束； 機(jī)械手在原點(diǎn)等待命令，準(zhǔn)備下一種工作循環(huán)。機(jī)械手的每次循環(huán)都從原點(diǎn)位置開始動作。3.1.3 機(jī)械手操作面板布

39、置操作面板布置如圖4-2所示。 機(jī)械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種工作方式可以選擇28。(1) 手動操作：就是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動進(jìn)行單獨(dú)的控制。例如，當(dāng)選擇上/下按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕時，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇逆轉(zhuǎn)/順轉(zhuǎn)按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)動，而按下停止按鈕時，機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動。同理，當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。圖4-2 機(jī)械手操作面板示意圖(2) 自動操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動按鈕，機(jī)械手的動作將自動的、持續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完畢一種周期動作后，回到原

40、點(diǎn)位置。3.1.4控制器的選型機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計上考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及多種控制元件連接的靈活性和以便性，控制器選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計開發(fā)的工業(yè)控制器-PLC，選擇在國內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7-200型PLC29。具體型號為SIMATIC S7-200 CPU224。圖4-3 SIEMENS SIMATIC S-700 PLC該機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接7 個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個獨(dú)立的30kHz 高速計數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kH

41、z 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。1 個RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊合同、MPI 通訊合同和自由方式通訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。3.1.5 控制系統(tǒng)原理分析由于機(jī)械手作業(yè)時，取工件、放工件，安裝工件、卸下工件均有定位精度的規(guī)定，因此在機(jī)械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進(jìn)驅(qū)動進(jìn)行開環(huán)控制外，還要水平手臂進(jìn)行閉環(huán)伺服控制30。為了減少PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點(diǎn)。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號和反饋信號進(jìn)行比較后形成的控制信號通過PID調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動電液伺服閥對液壓缸進(jìn)行伺

42、服定位。PLC將上位機(jī)輸入的給定信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點(diǎn)，構(gòu)成模擬控制系統(tǒng)，如圖4-4所示。這種方案使得PLC控制量少（特別是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，并且編程簡樸，不必過多考慮控制算法等長處，也是完全能滿足工作規(guī)定的。圖4-4 水平手臂伺服定位控制原理圖3.1.6 PLC外部接線設(shè)計為適應(yīng)水平手臂液壓缸的伺服定位的控制規(guī)定，運(yùn)用西門子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，故增長一種模擬量輸出模塊EM232，鑒于伺服放大器和位移傳感器的輸入規(guī)定，PLC的模擬量采用-10V +10V輸入輸出

43、，各輸入輸出點(diǎn)及其接線如圖3-5所示31。PLC的具體硬件接線圖如下圖所示（具體的硬件設(shè)計見圖紙）圖3-5 PLC硬件接線圖3.1.7 I/O地址分派表4-1 PLC輸入元件地址分派明細(xì)表控 制 元 件符 號編程地址備注總停開關(guān)SB0I0.0按下停止工作啟動開關(guān)SB1I0.1按下開始工作垂直缸上限行程開關(guān)SM1I0.2垂直缸下限行程開關(guān)SM2I0.3機(jī)床上下料命令開關(guān)SB2I0.4檢測料架有無工件光電開關(guān)SP0I0.5常閉開關(guān)，閉合表達(dá)有工件控制面板上/下選擇開關(guān)SQ1I0.6用于手動調(diào)節(jié)時控制面板夾緊/松開選擇開關(guān)SQ2I0.7用于手動調(diào)節(jié)時控制面板順/逆選擇開關(guān)SQ3I1.0用于手動調(diào)節(jié)時

44、控制面板手動工作選擇開關(guān)SQ4I1.1用于手動調(diào)節(jié)時控制面板自動工作選擇開關(guān)SQ5I1.2表4-2 PLC輸出元件地址分派明細(xì)表控 制 元 件符 號編程地址備注步進(jìn)電機(jī)高速驅(qū)動脈沖輸出/Q0.0步進(jìn)電機(jī)方向控制/Q0.2Q0.2為1順時針，反之為逆時針；垂直缸上升動作電磁閥2DTQ0.1垂直缸下降動作電磁閥3DTQ0.3手爪張開動作電磁閥5DTQ0.4機(jī)械手原點(diǎn)狀態(tài)批示燈L1Q0.5顯示原點(diǎn)位置中斷強(qiáng)制關(guān)機(jī)開關(guān)KMQ0.6用于中斷控制3.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.2.1 機(jī)械手控制主程序流程圖機(jī)械手控制主程序流程圖如圖4-6所示：圖4-6 機(jī)械手控制主程序流程圖3.2.2 機(jī)械手控制程序設(shè)

45、計機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用西門子S7-200 PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN32進(jìn)行，通過編程給出具體控制程序梯形圖并進(jìn)行編譯和調(diào)試32。得出了具體的程序梯形圖，具體梯形圖（LAD）程序。圖4-7 STEP 7-MICRO/WIN 32編程窗口結(jié) 論本設(shè)計通過對機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年所學(xué)知識進(jìn)行整合，完畢一種特定功能、滿足特殊規(guī)定的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計，比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實(shí)踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對性和明確的實(shí)行目的，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。本設(shè)計摒棄了照搬照抄國外設(shè)計，不具體問題具體分析

46、，不顧具體工作規(guī)定，一味仿照國外原型，盲目選擇高精度、高性能、高價格的先進(jìn)元件和設(shè)備，從而導(dǎo)致諸多功能主線用不著，“大材小用”，無謂的提高了成本，導(dǎo)致資源揮霍的老設(shè)計“套路”和老措施。在滿足系統(tǒng)工藝規(guī)定的前提下，將機(jī)械手系統(tǒng)中相對獨(dú)立的環(huán)節(jié)采用高性價比且相對簡潔的構(gòu)造形式和控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，大量采用原則化、模塊化的通用元配件，從而使成本大為減少，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。本機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)與數(shù)控機(jī)床相配合，實(shí)現(xiàn)加工過程中上下料的自動化、無人化。并且，只要把手爪的構(gòu)造稍作變化,就可實(shí)現(xiàn)多種工件的自動上料。它在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣必將提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并且節(jié)省能源，減輕工人的勞動強(qiáng)度，增進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)

47、的進(jìn)步。具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械手采用可編程序控制器控制,可以實(shí)行手動調(diào)節(jié)、手動及自動控制。系統(tǒng)構(gòu)造緊湊、工作可靠，設(shè)計周期短且造價較低。PLC有較高的靈活性，當(dāng)機(jī)械手工藝流程變化時，只要對I/O點(diǎn)的接線稍作修改，或?qū)/O重新分派，在控制程序中作簡樸修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。通過重新編制相應(yīng)的控制程序，就可以比較容易的推廣到其她類似的加工狀況。綜上，通過近三個月的畢業(yè)設(shè)計，通過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設(shè)計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學(xué)四本科階段的知識有了一種整體的深層次的理解，同步對工程的理解更加深刻和精確。因此，通過畢業(yè)設(shè)計實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的。第4章

48、控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1.1機(jī)械手工藝過程與控制規(guī)定機(jī)械手的動作有水平手臂的伸縮，垂直手臂的升降，執(zhí)行手爪的加快與松開以及腰部的旋轉(zhuǎn)。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實(shí)現(xiàn)驅(qū)動。而液壓缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如，當(dāng)下降電磁閥通電時，機(jī)械手下降；當(dāng)下降電磁閥斷電時，機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升電磁閥通電時，機(jī)械手才上升；而當(dāng)上升電磁閥斷電時，機(jī)械手上升停止。而水平方向的伸縮重要由電液伺服閥、伺服驅(qū)動器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。 而執(zhí)行手爪的加快與放松，通過柱塞缸與齒輪來實(shí)現(xiàn)。柱塞缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當(dāng)

49、線圈不通電時，柱塞缸不工作，當(dāng)線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方時并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時，為了保證安全，必須在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才容許機(jī)械手下降進(jìn)行作業(yè)。同步，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。4.1.2機(jī)械手的作業(yè)流程機(jī)械手的作業(yè)動作流程如圖4-1所示：圖4-1 上下料機(jī)械手工作流程圖從原點(diǎn)開始，按下啟動鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進(jìn)行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電，同步手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降，同步張開手爪，下降到位后遇到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止

50、，同步手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，遇到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC開始輸出高速脈沖，驅(qū)動機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 接著下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后，遇到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，機(jī)械手達(dá)到卡盤中心高度； 機(jī)械手開始水平定位后縮，將工件裝入機(jī)床卡盤； 當(dāng)工件裝入到位后，卡盤收緊； 機(jī)械手松開手爪，準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，遇到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC啟動高速脈沖驅(qū)動機(jī)械手作順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停

51、止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動，機(jī)械手回到原點(diǎn)待命； 機(jī)床進(jìn)行加工。當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工完一種工件時，發(fā)送下料命令給機(jī)械手，機(jī)械手接到命令后，PLC立即輸出脈沖驅(qū)動機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 下降電磁閥通電，同步手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降且張開手爪，下降到位后遇到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件；機(jī)床卡盤松開； 機(jī)械手開始前伸，將工件從機(jī)床上取出，準(zhǔn)備運(yùn)走； 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，遇到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC

52、停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后遇到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止； 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，遇到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同步手爪也閉合復(fù)原； 接著機(jī)械手水平手臂開始后縮，準(zhǔn)備回原點(diǎn)，當(dāng)后縮到位時，后縮停止，機(jī)械手回到原點(diǎn)，一種上下料過程結(jié)束； 機(jī)械手在原點(diǎn)等待命令，準(zhǔn)備下一種工作循環(huán)。機(jī)械手的每次循環(huán)都從原點(diǎn)位置開始動作。4.1.3機(jī)械手操作面板布置 操作面板布置如圖4-2所示。 機(jī)械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種工作方式可以選擇。1.手動操作：就

53、是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動進(jìn)行單獨(dú)的控制。例如，當(dāng)選擇上/下按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕時，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇逆轉(zhuǎn)/順轉(zhuǎn)按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)動，而按下停止按鈕時，機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動。同理，當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。圖4-22.自動操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動按鈕，機(jī)械手的動作將自動的、持續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完畢一種周期動作后，回到原點(diǎn)位置。4.1.4控制器的選型機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計上考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及多種控制元件連接的靈活性和以便性，控制器選擇有極高

54、可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計開發(fā)的工業(yè)控制器-PLC，選擇在國內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7-200型PLC。具體型號為SIMATIC S7-200 CPU224。圖4-3 SIEMENS SIMATIC S-700 PLC該機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個數(shù)字量I/O 點(diǎn)。可連接7 個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個獨(dú)立的30kHz 高速計數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。1 個RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊合同、MPI 通訊合同和自由方式通訊能力。I/O 端子排可很

55、容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。4.1.5控制系統(tǒng)原理分析由于機(jī)械手作業(yè)時，取工件、放工件，安裝工件、卸下工件均有定位精度的規(guī)定，因此在機(jī)械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進(jìn)驅(qū)動進(jìn)行開環(huán)控制外，還要水平手臂進(jìn)行閉環(huán)伺服控制。為了減少PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點(diǎn)。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號和反饋信號進(jìn)行比較后形成的控制信號通過PID調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動電液伺服閥對液壓缸進(jìn)行伺服定位。PLC將上位機(jī)輸入的給定信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點(diǎn)，構(gòu)成模擬控制系統(tǒng)，如圖4-4所示。這種方案使得PLC控

56、制量少（特別是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，并且編程簡樸，不必過多考慮控制算法等長處，也是完全能滿足工作規(guī)定的。圖4-4 水平手臂伺服定位控制原理圖4.1.6 PLC外部接線設(shè)計為適應(yīng)水平手臂液壓缸的伺服定位的控制規(guī)定，運(yùn)用西門子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，故增長一種模擬量輸出模塊EM232，鑒于伺服放大器和位移傳感器的輸入規(guī)定，PLC的模擬量采用-10V +10V輸入輸出，各輸入輸出點(diǎn)及其接線如圖4-5所示。PLC的具體硬件接線圖如下圖所示（具體的硬件設(shè)計見圖紙）圖4-5 PLC硬件接線圖4.1.7 I/O地址分派表4-

57、1 PLC輸入元件地址分派明細(xì)表控 制 元 件符 號編程地址備注總停開關(guān)SB0I0.0按下停止工作啟動開關(guān)SB1I0.1按下開始工作垂直缸上限行程開關(guān)SM1I0.2垂直缸下限行程開關(guān)SM2I0.3機(jī)床上下料命令開關(guān)SB2I0.4檢測料架有無工件光電開關(guān)SP0I0.5常閉開關(guān)，閉合表達(dá)有工件控制面板上/下選擇開關(guān)SQ1I0.6用于手動調(diào)節(jié)時控制面板夾緊/松開選擇開關(guān)SQ2I0.7用于手動調(diào)節(jié)時控制面板順/逆選擇開關(guān)SQ3I1.0用于手動調(diào)節(jié)時控制面板手動工作選擇開關(guān)SQ4I1.1用于手動調(diào)節(jié)時控制面板自動工作選擇開關(guān)SQ5I1.2表4-2 PLC輸出元件地址分派明細(xì)表控 制 元 件符 號編程地址

58、備注步進(jìn)電機(jī)高速驅(qū)動脈沖輸出/Q0.0步進(jìn)電機(jī)方向控制/Q0.2Q0.2為1順時針，反之為逆時針；垂直缸上升動作電磁閥2DTQ0.1垂直缸下降動作電磁閥3DTQ0.3手爪張開動作電磁閥5DTQ0.4機(jī)械手原點(diǎn)狀態(tài)批示燈L1Q0.5顯示原點(diǎn)位置中斷強(qiáng)制關(guān)機(jī)開關(guān)KMQ0.6用于中斷控制4.2機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.2.1機(jī)械手控制主程序流程圖機(jī)械手控制主程序流程圖如圖4-6所示：圖4-6 機(jī)械手控制主程序流程圖4.2.2機(jī)械手控制程序設(shè)計機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用西門子S7-200 PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN32進(jìn)行，通過編程給出具體控制程序梯形圖并進(jìn)行編譯和調(diào)試。得出了具

59、體的程序梯形圖，具體梯形圖（LAD）程序見附錄3。圖4-7 STEP 7-MICRO/WIN 32編程窗口參照文獻(xiàn)1 宋吉來，俞建成等輪槳腿一體化兩棲機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計J北京：微計算機(jī)信息.2 張毅剛，趙光權(quán)，孫寧等.TMS320LF240X系列DSP原理、開發(fā)與應(yīng)用D .哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.3 熊新民，曹毅等智能機(jī)器人運(yùn)動關(guān)節(jié)集成驅(qū)動控制器研究J北京：微計算機(jī)信息.4 高峰,馮培恩,高宇,周波,張強(qiáng).挖掘機(jī)器人液壓傳動的伺服控制方略. 北京：液壓與氣動.5 廖萬輝，李琳等基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)J北京：微計算機(jī)信息.6 程憲平.機(jī)電傳動與控制. 北京：華中科技大學(xué)出版社.7

60、 郭仁生.機(jī)械設(shè)計基本. 北京：清華大學(xué)出版社.8 張群生.液壓與氣動傳動. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.9 液壓總綱.北京：國防工業(yè)出版社.10 電力拖動控制系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社.11 機(jī)械制造專業(yè)畢業(yè)設(shè)計指引.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.12 王承義.機(jī)械手及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1981.13 朱龍根.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.14 左健昆.液壓與氣壓傳動.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.15 孔玉安.液壓技術(shù)在工程中的應(yīng)用.江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.1986.16 孫志禮.機(jī)械設(shè)計.沈陽：東北大學(xué)出版社.附錄附件1：外文原文Manipulator developed in recent d

61、ecades as high-tech automated production equipment. Industrial robot is an important branch of industrial robots. It features can be programmed to perform tasks in a variety of expectations, in both structure and performance advantages of their own people and machines, in particular, reflects the peoples intelligence and adaptability. The accuracy of robot operations and a variety of environments the ability to complete the work in the field of national economy and there are broad prospects for development. With the development of