畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-物料機(jī)械手設(shè)計(jì)

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1、北北京京化化工工大大學(xué)學(xué)課課程程設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)（說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)）中文題目中文題目 機(jī)機(jī) 械械 手手 外文題目外文題目 machinesmachines fingerfinger 教教 學(xué)學(xué) 院院 成人教育學(xué)院成人教育學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)專(zhuān)業(yè)班級(jí) 121121 吉電專(zhuān)吉電專(zhuān) 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào)學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 2014年年 5 5 月月 1717 日日 北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)I摘 要在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，工業(yè)機(jī)器人被定義為 :“一種能自動(dòng)定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。它能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。 ”機(jī)器人賴(lài)以完成各種作業(yè)的機(jī)械實(shí)體 (稱(chēng)作操作機(jī)或

2、操作器或機(jī)械手 )被定義為:“具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，可以在空間抓放物體或者進(jìn)行其他操作的機(jī)械裝置。 ”可見(jiàn)，工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)，機(jī)械手是它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。介紹了機(jī)械手的工作原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，以及機(jī)械手在國(guó)內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)。重點(diǎn)闡述了機(jī)械手的微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。關(guān)關(guān)鍵鍵詞詞：機(jī)器人； 控制系統(tǒng)； 手指 北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)IIAbstractIn the national standards, the industry robot by the definition is: “one kind can the automatic positioning control,

3、be possible to duplicate programs, multi-purpose, the multi-degree-of-freedom operation machine. It can transport the material, the components or manages the tool, with completes each kind of work.” The robot depends take completes each kind of work the mechanical entity (to be called as operation m

4、achine OR operation or manipulator) by the definition as: “has with the person arm similar holding function, may grasp in the space puts the object or carries on other operations the mechanism.” Obviously, the industry robot is a mechanical and electrical system, the manipulator is its implementing

5、agency. machines finger, introduced the working principle, structure design process, as well as the machines finger in the development of national status and trends. Chamber focuses on the automatic control system of the computerKey Words: robot； Testing equipment；finger 北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)III摘 要 .IAB

6、STRACT.II第 1 章 緒 論.11.1 引言.11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀.1第 2 章 機(jī)械手總體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).52.1 總體設(shè)計(jì)概況和思路：.52.1.總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).52.2、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).62.2.1 機(jī)械手的設(shè)計(jì).62.2.2 夾緊與推進(jìn)氣缸連接板.72.2.3 機(jī)器人總體模型的建立.7第 3 章 部件的選擇與計(jì)算.93.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇：.93.2 手指夾緊驅(qū)動(dòng)氣缸的選擇與計(jì)算：.103.2.1 手指夾緊驅(qū)動(dòng)氣缸的選擇：.103.2.2 夾緊汽缸規(guī)格的選擇：.113.3 推進(jìn)氣缸的選擇：.113.3.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)氣缸的選擇：.113.3.2 機(jī)械手推進(jìn)驅(qū)動(dòng)氣缸規(guī)格的選擇：.1

7、23.4 旋轉(zhuǎn)氣缸的選擇：.143.5 絲杠選擇:.153.5.1 絲杠形式的選擇.153.5.2 滾珠絲杠副的確認(rèn).163.6 光杠的選擇與固定.173.7 電機(jī)選擇：.183.8 聯(lián)軸器的選擇：.19第 4 章 控制部分.214.1 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)：.214.1.1 PLC 控制總體結(jié)構(gòu)：.214.1.2 行程控制 .214.1.3 進(jìn)給速度控制 .214.1.4 進(jìn)給方向控制 .224.1.5 PLC 的軟件控制邏輯.224.1.6 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成.224.1.7 可編程控制器的接口 .234.2 PLC 控制氣動(dòng)機(jī)械手：.24北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)IV4.2.

8、1 功能設(shè)計(jì)： .244.2.2 動(dòng)作流程設(shè)計(jì)： .244.2.3 電器元件的選擇： .25結(jié) 論 .27參考文獻(xiàn)：.28致 謝.1北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1第一章 緒 論1.1 引言機(jī)器人技術(shù)作為 20世紀(jì)人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一，1954年，美國(guó)人(George C. Devol)提出了一個(gè)關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)方案，隨后注冊(cè)成為專(zhuān)利。 1960年推出了工業(yè)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。1961年推出了定名為“Unimate”的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，用于模鑄生產(chǎn)。自60年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷 40多年的發(fā)展已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。手是人腦所能高度精確控制的一個(gè)器官。機(jī)器人操作手，特別是串聯(lián)機(jī)器人操作手，就是對(duì)

9、人手臂形狀和功能的仿制。自上世紀(jì) 60年代初問(wèn)世以來(lái)，機(jī)器人操作手不僅已成為制造工業(yè)中必不可少的核心裝備，而且機(jī)器人操作手正以驚人的速度向航空航天、軍事、服務(wù)、娛樂(lè)等人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域滲透。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀自從為了抓取放射性材料而設(shè)計(jì)制造的第一臺(tái)遙控機(jī)械手的誕生至今己經(jīng)五十余年，而第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世也已經(jīng)整整四十五年了。在機(jī)器人發(fā)展的歷史上，存在著兩條不同的技術(shù)路線(xiàn):一條是日本和瑞典所走的“需求牽引，技術(shù)驅(qū)動(dòng) ” ，把美國(guó)開(kāi)拓的機(jī)器人，結(jié)合工業(yè)發(fā)展的需求，開(kāi)發(fā)出一系列特定應(yīng)用的機(jī)器人，如:弧焊、點(diǎn)焊、噴漆裝配、刷膠、建筑等等，從而形成了龐大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，目前全世界裝機(jī)容量已達(dá)百萬(wàn)臺(tái)，

10、近幾年來(lái)仍舊以每年 20%的速率在增長(zhǎng) ;另一條路線(xiàn)是把機(jī)器人作為研究人工智能的載體，看成計(jì)算機(jī)科學(xué)的一部分。即:單純從技術(shù)上仿人的某些功能出發(fā)，研究智能機(jī)器人。如 :美國(guó)、英國(guó)的相當(dāng)一部分大學(xué)和研究所所做的，由于人工智能和其他智能技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)落后于人們對(duì)他的冀望，致使絕大部分研究成果始終走不出實(shí)驗(yàn)室。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的重要組成部分。早在60年代，就己經(jīng)開(kāi)始有關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究。移動(dòng)機(jī)器人是集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。由于對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣，更由于它在軍事偵

11、察、掃雷排險(xiǎn)、核、化污染等危險(xiǎn)與惡劣壞境以及民用中的物料搬運(yùn)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對(duì)它的研究受到世界各國(guó)的普遍關(guān)注。北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2國(guó)外在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究起步較早，初期的研究，主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開(kāi)拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。如由美國(guó)NASA資助研制的 “丹蒂 II”八足行走機(jī)器人，美國(guó) NASA研制的火星探測(cè)機(jī)器人“索杰那 ”于1997年登上火星等。另外，國(guó)外還在高完整性機(jī)器人，遙控移動(dòng)機(jī)器人，環(huán)境與移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的集成，生態(tài)機(jī)器人學(xué)，多機(jī)器人

12、系統(tǒng)等方面作了大量的研究。國(guó)內(nèi)在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究起步較晚，但己經(jīng)在某些方面取得了豐碩的成果。“九五 ”期間，由浙江大學(xué)、南京理工大學(xué)、國(guó)防科大、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)聯(lián)合研制了ALVLABII型陸地移動(dòng)機(jī)器人，并成功完成了全部實(shí)驗(yàn)測(cè)試，正常行駛速度為30. 6km/h，同時(shí)支持臨場(chǎng)感遙控駕駛及戰(zhàn)場(chǎng)偵察等功能。清華 V型智能車(chē) THMR-V是清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中科院院士張拔教授主持下研制的新一代智能移動(dòng)機(jī)器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能，于1994年通過(guò)鑒定。車(chē)體采用道奇7座廂式車(chē)改裝，裝備有彩色攝像機(jī)和激光測(cè)距儀組成的道路與障礙物檢測(cè)系統(tǒng);由差分GPS,磁羅盤(pán)和光

13、電碼盤(pán)組成的組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)等。兩套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分別進(jìn)行視覺(jué)處理，完成信息融合、路徑規(guī)劃、行為與決策控制等功能。4臺(tái)IPC工控機(jī)分別完成激光測(cè)距信息處理、定位信息處理、通訊管理、駕駛控制等功能。設(shè)計(jì)行駛于高速公路車(chē)速為80km/h，一般道路為 20km/h。目前己能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，進(jìn)行道路跟蹤和避障礙自主行駛。清華大學(xué)智能車(chē)涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù):基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)，基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)，路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)，傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)和智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。DY- I型導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)公司推出的新一代智能導(dǎo)游機(jī)器人。該機(jī)器人由伺服驅(qū)

14、動(dòng)系統(tǒng)、多傳感器信息避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語(yǔ)言識(shí)別及語(yǔ)言合成系統(tǒng)組成。導(dǎo)游機(jī)器人由蓄電池供電，可連續(xù)運(yùn)行4h，在一定環(huán)境下可自主行走，并可進(jìn)行壁障，并通過(guò)語(yǔ)言系統(tǒng)可以進(jìn)行人機(jī)交互。此外還有香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)和服務(wù)機(jī)器人、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的激光導(dǎo)引AGV和用于公安防暴的移動(dòng)機(jī)器人、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)制造的全方位移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)等。綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的研究情況，當(dāng)代移動(dòng)機(jī)械手的研究主要集中于以下幾個(gè)方面 1。北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3(1)機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)方面，

15、結(jié)合機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域及各種場(chǎng)合的應(yīng)用，研究人員開(kāi)展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當(dāng)前，對(duì)足式步行機(jī)器人、履帶式和特種機(jī)器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。 (2)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人整體性能的基礎(chǔ)，由于移動(dòng)機(jī)器人本身是一個(gè)非完整約束系統(tǒng)，是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)的零漂移的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過(guò)連續(xù)可微的時(shí)不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過(guò)時(shí)變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實(shí)現(xiàn)車(chē)速和轉(zhuǎn)向的自動(dòng)控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過(guò)渡，是該項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容。(

16、3)路徑規(guī)劃技術(shù)該技術(shù)主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術(shù)和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)。由于自主式移動(dòng)機(jī)器人在地面上行駛，必須避開(kāi)它無(wú)法通過(guò)的或?qū)ζ浒踩旭倶?gòu)成威脅的障礙物或區(qū)域，因此局部路徑規(guī)劃，尤其是復(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問(wèn)題，顯得更為重要。 (4)實(shí)時(shí)視覺(jué)技術(shù)該技術(shù)主要涉及到視覺(jué)信息的實(shí)時(shí)采集、預(yù)處理、特征提取和模式識(shí)別。而且，視覺(jué)信息處理的能力、處理速度、處理的可靠性和準(zhǔn)確性是決定智能機(jī)器人整休性能的決定性因素。(5)定位和導(dǎo)航技術(shù)該技術(shù)是現(xiàn)代輪式移動(dòng)機(jī)器人研制所急需的關(guān)鍵技術(shù)，也是下一代無(wú)人戰(zhàn)車(chē)的技術(shù)基礎(chǔ)。位置的測(cè)量可以分為相對(duì)位置測(cè)量和絕對(duì)位置測(cè)量，測(cè)量方法有里程計(jì)、慣性導(dǎo)航、

17、主動(dòng)燈塔、磁羅盤(pán)、全球定位系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標(biāo)導(dǎo)航等。(6)多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)自主式移動(dòng)機(jī)器人采用測(cè)距技術(shù)，GPS定位技術(shù)和小型陀螺儀技術(shù)等多種傳感技術(shù)來(lái)采集不同類(lèi)型的環(huán)境信息。因此，準(zhǔn)確地處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對(duì)所處環(huán)境作出準(zhǔn)確可靠的描述并據(jù)此作出正確的決策和控制，是多傳感集成和數(shù)據(jù)融合研究的任務(wù)。(7)高性能計(jì)算技術(shù)北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)4在移動(dòng)機(jī)器人的早期研究工作中，專(zhuān)用硬件結(jié)構(gòu)為多數(shù)研究者所采用，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)市場(chǎng)上的通用硬件不能滿(mǎn)足諸如實(shí)時(shí)圖像處理所需的計(jì)算能力。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的迅猛提高，研究者們開(kāi)始采用通用處理器來(lái)構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)。

18、目前用于移動(dòng)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)多數(shù)采用一個(gè)高速通用處理器加上幾個(gè)專(zhuān)用板卡或芯片(用于顏色查表、模板匹配或數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)計(jì)算)，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來(lái)縮小體積，達(dá)到優(yōu)化的性能。(8)無(wú)線(xiàn)通信與因特網(wǎng)技術(shù)這兩項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人之間的通信和信息共享，以及機(jī)器人與外部的聯(lián)系。北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)5第 2 章 機(jī)械手總體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本文要對(duì)物料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，已知條件：氣缸工作時(shí)所受力總和為F(實(shí)際 )=20N，上下活動(dòng)范圍為 350mm,前后活動(dòng)范圍 150mm,旋轉(zhuǎn)氣缸最大工作擺角為 120物體重 2N.根據(jù)已知條件可知機(jī)械手的強(qiáng)度要求不高，考到耐用度要久所以非

19、標(biāo)準(zhǔn)件材料選用鋁合金，標(biāo)準(zhǔn)件后面第三章會(huì)具體介紹。2.1 總體設(shè)計(jì)概況和思路：2.1.總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整個(gè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)如圖2-1所示：圖 2-1 機(jī)器人的組成北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)62.2、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1 機(jī)械手的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的手又稱(chēng)為末端執(zhí)行器，它使機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專(zhuān)用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類(lèi) 2：（1）夾鉗式取料手（2）吸附式取料手（3）專(zhuān)用操作器及轉(zhuǎn)換器（4）仿生多指

20、靈巧手由于要求簡(jiǎn)單快捷，我們所選擇（1）夾鉗式取料手。根據(jù)尺寸要求我們初步設(shè)定手形狀如圖2-2所示： 如圖 2-2北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)7圖 2-2 機(jī)械手2.2.2夾緊與推進(jìn)氣缸連接板：連接板使用與連接機(jī)器人各部零件的輔助零件，本設(shè)計(jì)共三處采用連接板連接即：機(jī)械手與推進(jìn)汽缸連接、推進(jìn)汽缸與旋轉(zhuǎn)氣缸的連接、旋轉(zhuǎn)氣缸與主體的鏈接分別如 圖2-3 由結(jié)構(gòu)推算可知板長(zhǎng) L=SS+S=150mm ，高 H=100mm ，厚 T=10mm。 （自制件） 圖 2-3 機(jī)器人連接板 推進(jìn)氣缸的選擇：推進(jìn)氣缸的選擇：根據(jù)資料，選取GA（C）P 系列平行雙桿氣缸，此系列氣缸為平行雙活塞桿作用氣缸，分

21、為滾動(dòng)直線(xiàn)軸承導(dǎo)向式和滑動(dòng)軸承導(dǎo)向式。該系列氣缸通過(guò)端板將并列的兩個(gè)活塞連接起來(lái)，在傳送工件時(shí)，可抗扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)向精度高。兩活塞桿可均勻承載，相同缸徑下，輸出力增加一倍，行程可調(diào)，可多方向的組合安裝，安裝維修方便。根據(jù)實(shí)際工作情況，推進(jìn)氣缸工作行程約為 200mm，因此選擇雙作用側(cè)進(jìn)氣滑動(dòng)軸承導(dǎo)向式GA（C）PH 氣缸，內(nèi)徑為 10mm。北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)8圖 2-4 2.2.3 機(jī)器人總體模型的建立機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)包括四個(gè)部分， （1）機(jī)械手的夾持運(yùn)動(dòng)， （2）手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，（3）手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， （4）手臂的上下運(yùn)動(dòng)，因此整個(gè)機(jī)器人需要四個(gè)驅(qū)動(dòng)原件具體選擇見(jiàn)第三章。綜合形狀，

22、尺寸，性能，運(yùn)動(dòng)部件及設(shè)計(jì)理念建立機(jī)器人整體模型如圖2-5所示：圖 2-5 機(jī)器人的整體模型工作原理：小型機(jī)器人屬于搖擺式 和小型橫走式 。絲杠帶動(dòng)機(jī)械手臂上下 運(yùn)動(dòng) 引拔行程 。前后行程和機(jī)械手夾緊放松，旋出入角度由旋出入角度架調(diào)節(jié) 均由驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)（具體驅(qū)動(dòng)元件的選擇見(jiàn)第三章）北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)9第 3 章 部件的選擇與計(jì)算本章我們介紹運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件，支撐元件，銜接元件的原則與參數(shù)的計(jì)算。3.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇：常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式有三種，液壓驅(qū)動(dòng) 、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) ，電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)表3.13：表 3.1 三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照驅(qū)動(dòng)方式內(nèi)容液壓驅(qū)動(dòng)

23、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出功率 很大，壓力范圍為50140Pa大，壓力范圍為4860Pa， 較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜響應(yīng)速度 很高較高 很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題

24、較小伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除 DD 電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)防爆性能好，高于1000kPa(10 個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差對(duì)環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)排氣時(shí)有噪聲無(wú)北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)10環(huán)境有污染在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平

25、衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如 AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求方便較復(fù)雜機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有：1） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；2） 反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換；3） 驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。?） 安全可靠；5） 操作和維護(hù)方便；6） 對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要?。?） 經(jīng)濟(jì)上合理，尤

26、其要盡量減少占地面積。因此絲杠驅(qū)動(dòng)選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其他均用氣缸驅(qū)動(dòng)。3.2 手指夾緊驅(qū)動(dòng)氣缸的選擇與計(jì)算：3.2.1 手指夾緊驅(qū)動(dòng)氣缸的選擇： 由于本設(shè)計(jì)將會(huì)大批生產(chǎn)投入使用，我們采用濟(jì)南華能公司汽缸產(chǎn)品。詳細(xì)產(chǎn)品規(guī)格與性能介紹均見(jiàn)濟(jì)南華能此產(chǎn)品設(shè)計(jì)書(shū)。本物料機(jī)械手用于堅(jiān)持物體因此具有夾持功能因此汽缸初步選用擺動(dòng)氣缸，又因工作要求和環(huán)境條件以及使用情況正確選擇氣缸，因此選擇QGABS輕型氣缸。 QGABSQGD系列擺動(dòng)氣缸分為但作用和雙作用兩種。該氣缸徑向尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。主要適用于短行程夾具的夾緊工作。根據(jù)需要我們北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)11選擇雙作用類(lèi)型的 QGABS薄輕型氣

27、 缸。3.2.2 夾緊汽缸規(guī)格的選擇：QGABS系列夾緊氣缸產(chǎn)品規(guī)格見(jiàn)表3.24：表 3.2 技術(shù)參數(shù)表機(jī)械手工作時(shí)所夾持的物體重為 F=20N，我們初設(shè)汽缸的缸徑為 16mm,氣缸的使用壓力范圍：0.15-0.8MPa，汽缸技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 3.3：表 3.3 夾緊氣缸參數(shù)因?yàn)槭褂檬褂脡毫σ阎?，則我們選用 QGABS50-90.3.3 推進(jìn)氣缸的選擇：3.3.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)氣缸的選擇：根據(jù)要求，選取亞德客系列雙桿氣缸GA（C）P 系列。GA（C）P 系列平行雙桿氣缸參數(shù)如表 3.4 所示：北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)12表 3.43.3.2 機(jī)械手推進(jìn)驅(qū)動(dòng)氣缸規(guī)格的選擇：由于設(shè)計(jì)要求前后行

28、程為 150mm，上表顯示 TN 系列平行雙桿氣缸最大行程為150mm，因此我們需要計(jì)算最大行程為 150mm 的氣缸缸徑如何選擇，其參數(shù)如表3.5 所示表 3.5 平行雙桿氣缸計(jì)算參數(shù)北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)13由于第一章所設(shè)計(jì)可知整個(gè)材料均為鋁合金材料，機(jī)械手和連接板總質(zhì)量大約為 1.5k，擺動(dòng)汽缸為 0.4kg，物料為 2kg，因此手臂前部總質(zhì)量最多為 4kg。所以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要最大拉力，推力為 40N，由圖 3-5 可選用缸徑為 16mm 汽缸。根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)選擇說(shuō)明我們選用 TN16-150所選汽缸外形及安裝尺寸如圖 3-3 所示：圖 3-1 汽缸外形尺寸3.4 旋轉(zhuǎn)氣缸的

29、選擇：旋轉(zhuǎn)氣缸在機(jī)器人中有著旋轉(zhuǎn)的作用，因其在實(shí)際工作中要求最大擺角為120和工作環(huán)境的要求依然選用擺動(dòng)汽缸即可。QGABS 系列擺動(dòng)氣缸是通過(guò)齒輪齒條將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行元件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、安裝空間小、動(dòng)作靈活、傳動(dòng)精度高、輸出扭矩范圍大等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于有擺動(dòng)動(dòng)作的場(chǎng)合，如輸送帶傳送，平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，閥門(mén)開(kāi)閉等。由于夾緊汽缸和推進(jìn)汽缸已確定所以整個(gè)旋轉(zhuǎn)所需動(dòng)力已知在這里不再細(xì)算，參照表 3-2 與圖 3-1 可選旋轉(zhuǎn)汽缸為 QGABS50-90。 北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)143.5 絲杠選擇:3.5.1 絲杠形式的選擇絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)

30、化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。主要有兩種（1）滾珠絲杠、 （2）滑動(dòng)絲杠滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。 1)與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為 1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到

31、 1/3 以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫助。 2)高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來(lái)的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 3)微進(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。 4)無(wú)側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。

32、 5)高速進(jìn)給可能滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。由聞邦椿， 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版，第二卷得到計(jì)算過(guò)程5： (3-3) maxmaxnVPh =式中: 導(dǎo)程 mm hp北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)15 min/8maxmv：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度 m/minvmax min/1500maxrn=：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 r/minnmax代入得： mmph5因此選擇絲杠公稱(chēng)直徑為 20mm ，公稱(chēng)導(dǎo)程為 5mm。3.5.2 滾珠絲杠副的確認(rèn)相對(duì)于滑動(dòng)絲杠副滾珠絲杠副有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）傳動(dòng)效率高 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率高達(dá) 90%98%，為傳統(tǒng)的滑動(dòng)絲杠系統(tǒng)的 24 倍，能

33、以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)可逆） 。 （2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)為點(diǎn)接觸滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動(dòng)時(shí)無(wú)顫動(dòng)、低速時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進(jìn)給。 （3）高精度 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱伸長(zhǎng)，因此可以獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 （4）高耐用性 鋼球滾動(dòng)接觸處均經(jīng)硬化（HRC5863）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過(guò)程純屬滾動(dòng)，相對(duì)對(duì)磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 （5）同步性好 由于運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無(wú)阻滯、無(wú)滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相

34、同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 （6）高可靠性 與其它傳動(dòng)機(jī)械，液壓傳動(dòng)相比，滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡(jiǎn)單，只需進(jìn)行一般的潤(rùn)滑和防塵。在特殊場(chǎng)合可在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下工作。 （7）無(wú)背隙與高剛性 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀（見(jiàn)圖 3-4） 、使鋼珠與溝槽達(dá)到最佳接觸以便輕易運(yùn)轉(zhuǎn)。若加入適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，消除軸向間隙，可使?jié)L珠有更佳的剛性，減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達(dá)到北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)16更的精度。 圖 3-2 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)絲杠選用壓扎滾珠絲杠具體參數(shù)如表 3-6：表 3-6類(lèi)型大徑中徑小徑牙型高牙高內(nèi)螺紋15mm1

35、3mm12mm1mm-外螺紋16mm15mm13.5mm-1.25mm絲母選用可自動(dòng)消除軸向間隙的螺母絲母工作原理:靠彈簧的張力自動(dòng)將兩個(gè)螺母反向撐開(kāi), 以消除軸向間隙，性能穩(wěn)定?？咳斯ざㄆ谡{(diào)整雙螺母，將螺旋的兩個(gè)螺母定期沿軸向壓緊，消除軸向間隙，調(diào)整后前后間隙不同。由于絲杠部分主要受軸向力，所以選用背靠背角接觸軸承。它可以同時(shí)承受較大的軸向負(fù)荷、徑向負(fù)荷和傾覆力矩。轉(zhuǎn)盤(pán)軸承一般都帶有安裝孔、內(nèi)齒輪或外齒輪、潤(rùn)滑油孔和密封裝置，因而能使主機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)方便，安裝簡(jiǎn)便和維護(hù)容易。綜上公稱(chēng)導(dǎo)程為 6mm，公稱(chēng)直徑 16mm ，牙頂牙底間隙 0.25mm ，旋合長(zhǎng)350mm。3.6 光杠的

36、選擇與固定光杠不僅作為運(yùn)行的導(dǎo)軌，還有承受一定的彎矩，因此在理想狀態(tài)下氣受力若滿(mǎn)足要求，那么就可以應(yīng)用公式6。 （3-4）20(95 150 175)8.4MFLN m因此選擇光杠直徑為 16mm。為保證導(dǎo)向精度可選導(dǎo)向軸作為光杠，故選兩端外螺紋同經(jīng)型 D=mm，粗糙度為006. 0017. 0160.8。 北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)17光杠固定塊是連接光杠和支架平臺(tái)的連接裝置，可根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)（見(jiàn)第二章機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)）需要來(lái)確定，因此可確：L=43Mmm ，W=48mm，H=85mm，可根據(jù)實(shí)際需要在進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.7 電機(jī)選擇：電動(dòng)機(jī)是常用的原動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、控制簡(jiǎn)便和維

37、護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型根據(jù)動(dòng)力源和工作條件, 根據(jù)工作需要選擇步進(jìn)電機(jī)。由于機(jī)械手整個(gè)工作過(guò)程簡(jiǎn)單所需功率較小我們選用 H 型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，H 型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)圖 3-47： 北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)18圖 3-4 H 型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)有圖技術(shù)參數(shù)我們可確定所選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：103H 7823-0740。其具體參數(shù)見(jiàn)表 3.7：表 3.7 103H 7823-0740 具體參數(shù)步距角電壓相電流相電阻相電感保持力矩轉(zhuǎn)子慣量重量接線(xiàn)方式1.803.6V3A/phase1.2/phase2.4mH/phase2.1N.m0.8410-4kg.m21.34Kg13.8 聯(lián)軸器的選

38、擇：聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)常用的部件，它主要用來(lái)是聯(lián)接軸與軸（有時(shí)也聯(lián)接其它回北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)19轉(zhuǎn)零件） 。以傳遞運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩。用聯(lián)軸器連接的兩根軸只有在機(jī)器停車(chē)后用拆卸的方法才能把兩軸分離。根據(jù)實(shí)際連接狀況我們選用天津艾斯普斯精密機(jī)械有限公司生產(chǎn)的米思米規(guī)格尺寸的十字形螺塞固定型聯(lián)軸器系列如圖 3-58：圖 3-5十字形螺塞固定型聯(lián)軸器米思米規(guī)格尺寸的十字形螺塞固定型聯(lián)軸器三種型號(hào)具體規(guī)格與參數(shù)分別見(jiàn)表3.8 與 3.9：表 3.8 聯(lián)軸器規(guī)格北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)20 表 3.9 聯(lián)軸器參數(shù)上面我們選用了絲杠公稱(chēng)直徑 20mm 和電動(dòng)機(jī)的選擇。所以我們初選為 CPO

39、 形式聯(lián)軸器根據(jù)力學(xué)性能綜合考慮我們選用 CPO20 滿(mǎn)足要求。北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)21第 4 章 控制部分4.1 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)：4.1.1 PLC 控制總體結(jié)構(gòu)：一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)。采用 PLC 控制由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和聯(lián)軸器等部分組成，見(jiàn)圖 4-1。圖 4-1 控制系統(tǒng)組成絲杠傳動(dòng)副則應(yīng)該根據(jù)該單元的加工精度要求，確定選用滾珠絲杠副。采用滾珠絲杠副，具有傳動(dòng)效率高、系統(tǒng)剛度好、傳動(dòng)精度高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高且不能自鎖。4.1.2 行程控制行程正比于步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角即可。由步進(jìn)

40、電機(jī)的工作原理和特性可知步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個(gè)數(shù)；因此可以根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的位移量確定 PLC 輸出的脈沖個(gè)數(shù)：n= DL/d9 （4-1）式中： DL伺服機(jī)構(gòu)的位移量（mm）d 伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）4.1.3 進(jìn)給速度控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度取決于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率;因此可以根據(jù)該工序要求的進(jìn)給速度,確定其 PLC 輸出的脈沖頻率:f=Vf/60d(Hz) （4-2）式中： Vf伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度(mm/min)北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)224.1.4 進(jìn)給方向控制進(jìn)給方向控制即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過(guò)改變步

41、進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來(lái)改變其轉(zhuǎn)向;如三相步進(jìn)電機(jī)通電順序?yàn)?A-AB-B-BC-C-CA-A時(shí)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)繞組按 A-AC-C-CB-B-BA-A順序通電時(shí)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此可以通過(guò) PLC 輸出的方向控制信號(hào)改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來(lái)實(shí)現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。4.1.5 PLC 的軟件控制邏輯步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖總數(shù)和脈沖頻率受到相應(yīng)的控制。因此在控制軟件上設(shè)置一個(gè)脈沖總數(shù)和脈沖頻率可控的脈沖信號(hào)發(fā)生器；對(duì)于頻率較低的控制脈沖，可以利用 PLC 中的定時(shí)器構(gòu)成，如圖 4-2 所示。脈沖頻率可以通過(guò)定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)控制脈沖周期，脈沖總數(shù)控制則可以

42、設(shè)置一脈沖計(jì)數(shù)器 C10。當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，計(jì)數(shù)器 C10 動(dòng)作切斷脈沖發(fā)生器回路，使其停止工作。伺服機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)無(wú)脈沖輸入時(shí)便停止運(yùn)轉(zhuǎn)，伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位。當(dāng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移速度要求較高時(shí)，可以用 PLC 中的高速脈沖發(fā)生器。不同的 PLC 其高速脈沖的頻率可達(dá) 圖 4-2 PLC 中的定時(shí)器構(gòu)成40006000Hz。對(duì)于自動(dòng)線(xiàn)上的一般伺服機(jī)構(gòu)，其速度可以得到充分滿(mǎn)足。4.1.6 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器和步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 4-1。控制系統(tǒng)中 PLC 用來(lái)產(chǎn)生控制脈沖；通過(guò) PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，北京化工大學(xué)

43、成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)23控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量；同時(shí)通過(guò)編程控制脈沖頻率既伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度；環(huán)行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)行分配器，也可以采用如圖 4-1 所示的硬件環(huán)行分配器。采用軟環(huán)占用的 PLC 資源較多，特別是步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù) M4 時(shí)，對(duì)于大型生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)該予以充分考慮。采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省占用 PLC 的 I/O 口點(diǎn)數(shù)，目前市場(chǎng)有多種專(zhuān)用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器將 PLC 輸出的控制脈沖放大到幾十上百伏特、幾安十幾安的驅(qū)動(dòng)能力。一般

44、PLC 的輸出接口具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負(fù)載能力僅為十幾幾十伏特、幾十幾百毫安。但對(duì)于功率步進(jìn)電機(jī)則要求幾十上百伏特、幾安十幾安的驅(qū)動(dòng)能力，因此應(yīng)該采用驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸出脈沖進(jìn)行放大。4.1.7 可編程控制器的接口如伺服機(jī)構(gòu)采用硬件環(huán)行分配器，則占用 PLC 的 I/O 口點(diǎn)數(shù)少于 5 點(diǎn)，一般僅為 3 點(diǎn)。其中 I 口占用一點(diǎn)，作為啟動(dòng)控制信號(hào)；O 口占用 2 點(diǎn)，一點(diǎn)作為 PLC 的脈沖輸出接口，接至伺服系統(tǒng)硬環(huán)的時(shí)鐘脈沖輸入端，另一點(diǎn)作為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號(hào)，接至硬環(huán)的相序分配控制端，如圖 4-3 所示；伺服系統(tǒng)采用軟件環(huán)行分配器時(shí)，其接口如圖 4-4。圖 4-3 硬

45、環(huán)的相序分配控制端圖 4-4 軟件環(huán)行分配器接口北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)244.2 PLC 控制氣動(dòng)機(jī)械手：4.2.1 功能設(shè)計(jì)：機(jī)械手的任務(wù)是將平面 A 上的物品搬運(yùn)到平臺(tái) B。為使機(jī)械手動(dòng)作準(zhǔn)確，在機(jī)械手的極限位置安裝了限位開(kāi)關(guān) SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5，對(duì)機(jī)械手分別進(jìn)行下降，抓緊，上升，右轉(zhuǎn)，再下降，松料，再上升 ，左轉(zhuǎn)動(dòng)作的限位，并發(fā)出動(dòng)作到位的輸入信號(hào)。機(jī)械手的起、停由 SB1（啟動(dòng)） 、SB2（停止）按鈕控制。機(jī)械手的上、下、左、右、夾料、松料等動(dòng)作由氣動(dòng)元件（氣缸）執(zhí)行，由六個(gè)相應(yīng)的電磁閥驅(qū)動(dòng)，統(tǒng)一由 PLC 控制。機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作:下降 夾料 上升 右轉(zhuǎn)

46、 再下降 松料 再上升 左轉(zhuǎn)。在這個(gè)裝置中 ,我們只實(shí)現(xiàn)一個(gè)工件的循環(huán)動(dòng)作 ,故在機(jī)械手回原點(diǎn)后 ,需將工件推回原來(lái)位置。4.2.2 動(dòng)作流程設(shè)計(jì)：機(jī)械手順序動(dòng)作的要求是：（1）按下啟動(dòng)按鈕 SB1 時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)工作。首先下降電磁閥通電，手臂下降，至下降限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作；（2）由光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)傳送帶上有無(wú)物品送來(lái)，若檢測(cè)到物品，則抓緊電磁閥通電，機(jī)械手抓緊，直至抓緊限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作；（3）上升電磁閥通電，手臂上升，至上升限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作；（4）右轉(zhuǎn)電磁閥通電，手臂右轉(zhuǎn)，至右轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作；（5）下降電磁閥再次通電，手臂下降，直至下降限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作；（6）松料電磁閥通電，機(jī)械手打開(kāi)，直至松料限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作；（7

47、）手臂再次上升，至上升限位開(kāi)關(guān)再次動(dòng)作；（8）左轉(zhuǎn)電磁閥通電，手臂左轉(zhuǎn)，至左轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作；即機(jī)械手復(fù)位到原位，開(kāi)始下一個(gè)周期。圖 4-5 為順序功能圖：北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)25圖 4-5 順序功能圖4.2.3 電器元件的選擇：（1）行程開(kāi)關(guān) 圖 4-610產(chǎn)品名稱(chēng)：行程開(kāi)關(guān) 產(chǎn)品型號(hào)：XZ-8/107產(chǎn)品大類(lèi)：行程開(kāi)關(guān)系列產(chǎn)品系列：XZ-8/型行程開(kāi)關(guān)系列 （2）限位開(kāi)關(guān) 圖 4-7產(chǎn)品型號(hào): HD-01 工作溫度-4070 攝氏度,額定負(fù)荷 0.2A 60VDC, 動(dòng)作力 2035g,接觸電阻小于或等于 0.02 歐,絕緣電阻大于或等于 100 兆歐,開(kāi)關(guān)壽命 100 萬(wàn)次。

48、北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)26圖 4-6 行程開(kāi)關(guān) 圖 4-7 限位開(kāi)關(guān) 北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)27結(jié)結(jié) 論論工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了誕生一成長(zhǎng)一成熟期后，已成為制造業(yè)中不可缺少的核心裝備。同時(shí)隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機(jī)器人也被開(kāi)發(fā)出來(lái)去適應(yīng)制造領(lǐng)域以外的各個(gè)行業(yè)，這些機(jī)器人作為機(jī)器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來(lái)居上之勢(shì)，仿人形機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。其中移動(dòng)機(jī)器人成為機(jī)器人學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重要分支。實(shí)際上早在 60 年代，國(guó)外就有

49、了關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究。發(fā)展到今天，移動(dòng)機(jī)器人涉及到的各學(xué)科門(mén)類(lèi)日益豐富，也給國(guó)內(nèi)外的研究人員及學(xué)者提出了許多新的挑戰(zhàn)，更由于其在軍事偵察、排雷排險(xiǎn)、防核污染等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境具有廣闊的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)主要做了如下幾方面的工作：（1）概述了目前機(jī)器人技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，說(shuō)明了開(kāi)發(fā)機(jī)器人技術(shù)對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要意義。（2）重點(diǎn)介紹了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和工作原理，為改進(jìn)機(jī)器人技術(shù)提出了部分方案。北京化工大學(xué)成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)28參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：1.1 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè).北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1999.3 2.2唐金松.簡(jiǎn)明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.199

50、23.3哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)M.北京：高等教育出版社.1981.4.4孫桓，李繼慶.機(jī)械原理教程M.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，20075.5 濟(jì)南話(huà)能電氣公司產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)。6-1100 6.6聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版，第二卷，中國(guó)工業(yè)出版社 20017.7陳庾梅等.機(jī)械設(shè)計(jì)教程M. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，20068.8唐增寶，常建娥.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.9.9 李仁定. 電機(jī)的微機(jī)控制.北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1999.1010.10 楊長(zhǎng)能等.可編程序控制器基礎(chǔ)及應(yīng)用. 重慶 .重慶大學(xué)出版社 .1992.1致 謝通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì),暴露

51、出了平時(shí)學(xué)習(xí)當(dāng)中存在的問(wèn)題:學(xué)習(xí)不夠深入,了解不透徹,導(dǎo)致在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,經(jīng)常對(duì)一些基本的知識(shí)點(diǎn)弄混。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是本課題在選題、研究和論文撰寫(xiě)的過(guò)程中，得到了劉興德老師的悉心指導(dǎo)，提出了許多寶貴的意見(jiàn)和建議。老師嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的科研精神，樂(lè)觀豁達(dá)的人生態(tài)度，是我今后做人、做事、做學(xué)問(wèn)的榜樣。在此表示衷心、誠(chéng)摯的感謝。本次設(shè)計(jì)是在修完四年本科課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是一次理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合性訓(xùn)練。本次設(shè)計(jì)是對(duì)所學(xué)過(guò)的知識(shí)的綜合應(yīng)用檢驗(yàn)，在設(shè)計(jì)中加深了對(duì)以前所學(xué)知識(shí)的理解，同時(shí)又?jǐn)U展了知識(shí)面。還鍛煉了獨(dú)自解決問(wèn)題的能力。四個(gè)多月以來(lái)，在劉教師的悉心指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)個(gè)人的努力，順利完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我學(xué)到了許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，而且學(xué)到很多以前在課上學(xué)不到的理論。在這過(guò)程中，我逐漸認(rèn)識(shí)到，設(shè)計(jì)是與制造、裝配緊密聯(lián)系在一起的，做到先了解加工情況，做到心中有數(shù)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以養(yǎng)成良好的習(xí)慣。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅使我們?cè)诶碚撝R(shí)和設(shè)計(jì)能力方面有所提高，而且培養(yǎng)了我們理論聯(lián)系實(shí)際，尊重科學(xué)勇于實(shí)踐的品質(zhì)，以及克服困難的毅力和一絲不茍認(rèn)真負(fù)責(zé)，對(duì)設(shè)計(jì)的全部技術(shù)結(jié)論計(jì)算的正確性全負(fù)責(zé)的科學(xué)態(tài)度和負(fù)責(zé)精神。再此，對(duì)指導(dǎo)教師以及熱心幫助過(guò)我的老師表示衷心感謝。