《上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（60頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、目 錄 第1章 緒論 3 1.1 選題背景 3 1.2 設(shè)計(jì)目的 4 1.3 現(xiàn)狀與發(fā)展前景 4 1.4 設(shè)計(jì)任務(wù) 5 1.5 設(shè)計(jì)原則 6 第2章 設(shè)計(jì)方案的論證 6 2.1機(jī)械手總體方案的選擇 6 2.2 機(jī)械手腰座構(gòu)造的設(shè)計(jì) 9 2.3 機(jī)械手的手臂構(gòu)造設(shè)計(jì) 11 2.4 機(jī)械手腕部的構(gòu)造設(shè)計(jì) 12 2.5機(jī)械手的構(gòu)造設(shè)計(jì) 14 2.6機(jī)械手整體驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì) 17 2.7 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 3、機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 3.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 18 3.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 25 結(jié) 論 26 第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2

2、7 4.1機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 27 4.2機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 34 參照文獻(xiàn) 36 附錄 37 道謝 49 第1章 緒論 1.1 選題背景 隨著工業(yè)自動(dòng)化限度的提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有諸多易燃、易爆等高危及重體力勞動(dòng)場(chǎng)合必將由機(jī)器人所替代。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。例如，目前在國(guó)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(shí)費(fèi)力，又影響效率。 機(jī)械手是在機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的可以模仿人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和規(guī)定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。機(jī)械手生產(chǎn)

3、中應(yīng)用中可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:能替代人類完畢危險(xiǎn)、反復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)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、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(lái)越廣泛的引用。機(jī)械手越來(lái)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(dòng)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

4、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(shí)，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(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前國(guó)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(guó)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(jì)是非常故意義的。 1.2 設(shè)計(jì)目的 本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)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(jì)，可以比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性

5、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(guó)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(dòng)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)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn),針對(duì)具體生產(chǎn)工藝,運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)裝卸機(jī)械手替代人工工作，以提高勞動(dòng)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(guò)程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無(wú)人化。目前，國(guó)內(nèi)的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來(lái)越多的資金流向制造業(yè)，越來(lái)越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計(jì)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(guò)程安裝、卸載加工工

6、件的規(guī)定，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省加工輔助時(shí)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(guó)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(shì)如下： (1)工業(yè)機(jī)器人性價(jià)比性能不斷提高，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(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的65萬(wàn)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(cè)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(guó)外已有模塊化妝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器

7、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(jiàn)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)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)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(guò)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(jué)來(lái)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

8、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(guó)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。 總的來(lái)說(shuō)，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，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(duì)具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，重要采用性價(jià)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(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。 國(guó)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(shì)如下： 國(guó)內(nèi)目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件

9、設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)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(kāi)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(lái)看，國(guó)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(guó)外比尚有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)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(guó)外比有差距。以上因素重要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，目前國(guó)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(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化限度低、供貨周期長(zhǎng)、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(duì)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(jì)，積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)

10、程。 1.4 設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)； (4)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并繪出液壓原理圖； (5)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(huà)出梯形圖。 1.5 設(shè)計(jì)原則 在設(shè)計(jì)之前，必須要有一種指引原則。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是：以任務(wù)書(shū)所規(guī)定的具體設(shè)計(jì)規(guī)定為主線設(shè)計(jì)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)

11、造簡(jiǎn)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(jì)原則，同步也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，如工程力學(xué)、工程制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、液壓傳動(dòng)、檢測(cè)技術(shù)、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)等知識(shí)盡量多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得通過(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同步也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充足發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。 第2章 設(shè)計(jì)方案的論證 2.1機(jī)械手總體方案的選擇 對(duì)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

12、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(dòng)定位等特性。充足分析作業(yè)對(duì)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(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步擬定對(duì)機(jī)械手構(gòu)造及運(yùn)營(yíng)控制的規(guī)定；盡量選用定型的原則組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)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(dòng)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(dòng)部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 本次設(shè)計(jì)的械手的工作布局如圖2-1所示。 圖2-1 機(jī)械手工作布

13、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(wèn)題，在此暫按使用范疇、驅(qū)動(dòng)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(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、構(gòu)造簡(jiǎn)樸、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，合用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和“加口工中心”附屬的自動(dòng)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(dòng)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

14、種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。 (2)按驅(qū)動(dòng)方式 1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)平穩(wěn)、構(gòu)造緊湊、動(dòng)作敏捷。但對(duì)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(dòng)機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)動(dòng)作迅速，構(gòu)造簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)械手 即有特殊構(gòu)造的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率

15、步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)樸。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，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(jiǎn)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(dòng)是用三個(gè)互相垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)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（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的構(gòu)造尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的構(gòu)造尺寸要比其她

16、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(dòng)是用一種回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)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(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一種直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機(jī)器人構(gòu)造簡(jiǎn)樸、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(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.d。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，構(gòu)造緊湊，占地

17、面積小。相對(duì)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(jì)采用機(jī)械手。 2.1.2 設(shè)計(jì)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(jì)中，設(shè)計(jì)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(duì)機(jī)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(jiǎn)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(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng),另一種為手臂的回

18、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為3，即一種轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度，采用液壓傳動(dòng)、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(jì) 進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。 2.2.1 機(jī)械手腰座構(gòu)造設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)機(jī)器手腰座構(gòu)造時(shí)，要注意如下設(shè)計(jì)原則： 1.腰座要承受機(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

19、證機(jī)器人在工作時(shí)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(duì)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。 4.腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它涉及驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、液壓及氣動(dòng)）及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)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(lái)調(diào)節(jié)腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。 2.2.2 設(shè)計(jì)采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電

20、機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是通過(guò)擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)使用用前者。由于電動(dòng)方式控制的精度可以很高，并且構(gòu)造緊湊，不用設(shè)計(jì)此外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件。考慮到腰座是機(jī)器人的第一種回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最后精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體規(guī)定，采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。又由于齒輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)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(dòng)導(dǎo)致的誤差。腰座具體構(gòu)造如圖2-3所示： 圖2-3 腰座構(gòu)造圖 2

21、.3 機(jī)械手的手臂構(gòu)造設(shè)計(jì) 2.3.1手臂設(shè)計(jì)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(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，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(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范疇有密切的關(guān)系。 2.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的狀況下，減輕機(jī)器

22、人手臂的重量。 3.機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡量在重量上平衡，在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，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(lái)減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)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(kāi)關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)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(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)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(dòng)

23、態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的規(guī)定。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動(dòng)均選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，不用再設(shè)計(jì)此外的執(zhí)行件了；并且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)樸，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。 為滿足機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度，手臂液壓缸的設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)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(zhǎng)其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心構(gòu)造。通過(guò)增設(shè)導(dǎo)桿，

24、能明顯提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了構(gòu)造、穩(wěn)定性的問(wèn)題。 2.4 機(jī)械手腕部的構(gòu)造設(shè)計(jì) 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(dòng)，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完畢所需要的作業(yè)動(dòng)作。 2.4.1手腕構(gòu)造的設(shè)計(jì)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(lái)設(shè)計(jì)。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(zhǎng)，也必然會(huì)使腕部構(gòu)造更復(fù)雜，控制更困難，成本也會(huì)增長(zhǎng)。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(lái)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

25、積，構(gòu)造力求緊湊。為了減輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用分離傳動(dòng)。腕部驅(qū)動(dòng)器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動(dòng)，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(dòng)的傳遞。 5.要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。 6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開(kāi)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(jì)采用方案 通過(guò)對(duì)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(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體規(guī)定，

26、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(jiǎn)樸，減少控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增長(zhǎng)自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)規(guī)定的，3個(gè)自由度來(lái)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(jiàn)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(jì) 2.5.1機(jī)械手的設(shè)計(jì)原則 機(jī)器手是安裝在機(jī)器人手腕上用來(lái)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(cè)量用等。在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意如下問(wèn)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(wàn)能性是指一機(jī)多能，而通用性

27、是指機(jī)械手可應(yīng)用在不同的多種場(chǎng)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（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(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)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(jì)算機(jī)控制。用計(jì)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(dòng)接口中需要增長(zhǎng)電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。 2.5.2機(jī)器手的驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)

28、器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來(lái)分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。 機(jī)器人夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式重要有三種 1.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來(lái)控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，因此氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。 2.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)

29、系統(tǒng)傳動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開(kāi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。 2.滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)。這種手爪開(kāi)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(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開(kāi)動(dòng)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(dòng)，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小諸多。 2.5.4設(shè)計(jì)具體采用方案 結(jié)合具體的工作狀況

30、，本設(shè)計(jì)采用齒輪齒條式的手爪。液壓缸驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開(kāi)或閉合。手指的最小開(kāi)度由加工工件的直徑來(lái)調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為50mm來(lái)設(shè)計(jì)。手爪的具體構(gòu)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(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: (2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式: N=12G*ta

31、nθ-φ=0.5×30×9.8×tan?（60-5.4）≈205（N） 因此：=2×12025×205=1985（N） (3) 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: 由于傳力機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取=0.94 ，并取=1.5. 若被抓取工件的最大加速度取a=g 時(shí)，則: 因此： p實(shí)際=1985×1.5×20.94=6337.5（N） 因此夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為6337.5N。 2.6機(jī)械手整體驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力

32、源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。 2.6.1工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(yíng)的功耗、性價(jià)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，中檔負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。沖壓機(jī)器人多采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2.

33、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(dòng)系統(tǒng)。只有采用液壓或電動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。 2.6.2設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì)，在分析了具體工作規(guī)定后，綜合考慮各個(gè)因素。機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；由于采用液壓執(zhí)行缸來(lái)做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅(qū)動(dòng)；同步考慮隨著機(jī)床加工的工件的不同，水平手臂伸出長(zhǎng)度是不同的。因此，規(guī)定水平手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 而手爪的張開(kāi)和夾緊通過(guò)

34、液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過(guò)活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開(kāi)和閉合。 2.7 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)器的負(fù)荷，同步縮短啟動(dòng)時(shí)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(jiǎn)樸，平衡效果好，易于調(diào)節(jié)，工作可靠，但增長(zhǎng)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矩比較小的狀況下采用這種

35、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(jiǎn)樸、造價(jià)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(dòng)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(dòng)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(dòng)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價(jià)高，設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都增長(zhǎng)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(chǎng)合。 2.8.2設(shè)計(jì)具體采用的方案 由于本設(shè)計(jì)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(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問(wèn)題，通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)

36、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(jì) 3.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1.1 機(jī)械手工藝過(guò)程與控制規(guī)定 機(jī)械手的動(dòng)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(kāi)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(dòng)。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(shí)，機(jī)械手下降；當(dāng)下降電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手才上升；而當(dāng)上升電磁閥斷電時(shí)，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(dòng)器、感應(yīng)式位移傳感器

37、構(gòu)成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制[27]。 而執(zhí)行手爪的加快與放松，通過(guò)柱塞缸與齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。柱塞缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來(lái)控制，當(dāng)線圈不通電時(shí)，柱塞缸不工作，當(dāng)線圈通電時(shí)，柱塞缸工作沖程，手爪張開(kāi)，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(shí)并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時(shí)，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(shí)，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(shí)，也要先判斷料架上有無(wú)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(dòng)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(kāi)始，按下啟動(dòng)鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開(kāi)

38、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(kāi)手爪，下降到位后遇到下限行程開(kāi)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(kāi)始上升，上升到位后，遇到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC開(kāi)始輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)；——→ 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(kāi)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(kāi)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

39、，卡盤收緊；——→ 機(jī)械手松開(kāi)手爪，準(zhǔn)備離開(kāi)；——→ 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開(kāi)始上升，上升到位后，遇到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC啟動(dòng)高速脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，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(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)；——→ 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(kāi)手爪，下降到位后遇到下限行程開(kāi)關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾

40、緊已加工好的工件；——→機(jī)床卡盤松開(kāi)；——→ 機(jī)械手開(kāi)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(kāi)始上升，上升到位后，遇到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)；——→ 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(kāi)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(kāi)，放下工件準(zhǔn)備離開(kāi)；——→ 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開(kāi)始上升，上升到位后，遇到上限位開(kāi)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(kāi)始后縮，準(zhǔn)備

41、回原點(diǎn)，當(dāng)后縮到位時(shí)，后縮停止，機(jī)械手回到原點(diǎn)，一種上下料過(guò)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(kāi)始動(dòng)作。 3.1.3 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(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種工作方式可以選擇[28]。 (1) 手動(dòng)操作：就是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)的控制。例如，當(dāng)選擇上/下按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇逆轉(zhuǎn)/順轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手爪夾緊，而

42、按下停止按鈕時(shí)，手爪松開(kāi)。 圖4-2 機(jī)械手操作面板示意圖 (2) 自動(dòng)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)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(dòng)作后，回到原點(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(jì)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(jì)開(kāi)發(fā)的工業(yè)控制器---PLC，選擇在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7-200型PLC[29]。具體型號(hào)為SIMATIC S7-200 CPU224。 圖4-3 SIEMENS SIMATIC S

43、-700 PLC 該機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接7 個(gè)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(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。1 個(gè)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(shí)，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(duì)垂直手臂、執(zhí)行手爪液

44、壓缸和腰部步進(jìn)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開(kāi)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(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較后形成的控制信號(hào)通過(guò)PID調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動(dòng)電液伺服閥對(duì)液壓缸進(jìn)行伺服定位。PLC將上位機(jī)輸入的給定信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(jiǎn)樸，不必過(guò)多考慮控制算法等長(zhǎng)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

45、外部接線設(shè)計(jì) 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(zhǎng)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(jì)見(jiàn)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(hào) 編程 地址 備注 總停開(kāi)關(guān) SB0 I0.0 按下

46、停止工作 啟動(dòng)開(kāi)關(guān) SB1 I0.1 按下開(kāi)始工作 垂直缸上限行程開(kāi)關(guān) SM1 I0.2 垂直缸下限行程開(kāi)關(guān) SM2 I0.3 機(jī)床上下料命令開(kāi)關(guān) SB2 I0.4 檢測(cè)料架有無(wú)工件光電開(kāi)關(guān) SP0 I0.5 常閉開(kāi)關(guān)，閉合表達(dá)有工件 控制面板上/下選擇開(kāi)關(guān) SQ1 I0.6 用于手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí) 控制面板夾緊/松開(kāi)選擇開(kāi)關(guān) SQ2 I0.7 用于手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí) 控制面板順/逆選擇開(kāi)關(guān) SQ3 I1.0 用于手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí) 控制面板手動(dòng)工作選擇開(kāi)關(guān) SQ4 I1.1 用于手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí) 控制面板自動(dòng)工作選擇開(kāi)關(guān) SQ5 I1.2

47、 表4-2 PLC輸出元件地址分派明細(xì)表 控 制 元 件 符 號(hào) 編程 地址 備注 步進(jìn)電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)脈沖輸出 / Q0.0 步進(jìn)電機(jī)方向控制 / Q0.2 Q0.2為1順時(shí)針，反之為逆時(shí)針； 垂直缸上升動(dòng)作電磁閥 2DT Q0.1 垂直缸下降動(dòng)作電磁閥 3DT Q0.3 手爪張開(kāi)動(dòng)作電磁閥 5DT Q0.4 機(jī)械手原點(diǎn)狀態(tài)批示燈 L1 Q0.5 顯示原點(diǎn)位置 中斷強(qiáng)制關(guān)機(jī)開(kāi)關(guān) KM Q0.6 用于中斷控制 3.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.2.1 機(jī)械手控制主程序流程圖

48、 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)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用西門子S7-200 PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN32進(jìn)行，通過(guò)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(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年所學(xué)知識(shí)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(jì)，比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研

49、究水平、實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)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(jì)摒棄了照搬照抄國(guó)外設(shè)計(jì)，不具體問(wèn)題具體分析，不顧具體工作規(guī)定，一味仿照國(guó)外原型，盲目選擇高精度、高性能、高價(jià)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(wú)謂的提高了成本，導(dǎo)致資源揮霍的老設(shè)計(jì)“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(duì)獨(dú)立的環(huán)節(jié)采用高性價(jià)比且相對(duì)簡(jiǎn)潔的構(gòu)造形式和控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，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(guò)程中上下料的自動(dòng)化、無(wú)人

50、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(dòng)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(dòng)強(qiáng)度，增進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)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(dòng)調(diào)節(jié)、手動(dòng)及自動(dòng)控制。系統(tǒng)構(gòu)造緊湊、工作可靠，設(shè)計(jì)周期短且造價(jià)較低。PLC有較高的靈活性，當(dāng)機(jī)械手工藝流程變化時(shí)，只要對(duì)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(jiǎn)樸修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。通過(guò)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(guò)近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，通過(guò)資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計(jì)算，再到工程圖紙的繪

51、制以及畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫(xiě)等各個(gè)環(huán)節(jié)，我對(duì)大學(xué)四本科階段的知識(shí)有了一種整體的深層次的理解，同步對(duì)工程的理解更加深刻和精確。因此，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的。 第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1.1機(jī)械手工藝過(guò)程與控制規(guī)定 機(jī)械手的動(dòng)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(kāi)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(dòng)。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(shí)，機(jī)械手下降；當(dāng)下降電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手才上升；而當(dāng)上升電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械

52、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(dòng)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(guò)柱塞缸與齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。柱塞缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來(lái)控制，當(dāng)線圈不通電時(shí)，柱塞缸不工作，當(dāng)線圈通電時(shí)，柱塞缸工作沖程，手爪張開(kāi)，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(shí)并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時(shí)，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(shí)，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(shí)，也要先判斷料架上有無(wú)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(dòng)作流程如圖4-1所示： 圖4-1 上下料機(jī)械手工

53、作流程圖 從原點(diǎn)開(kāi)始，按下啟動(dòng)鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開(kāi)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(kāi)手爪，下降到位后遇到下限行程開(kāi)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(kāi)始上升，上升到位后，遇到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC開(kāi)始輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)；——→ 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(kāi)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)

54、械手開(kāi)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(kāi)手爪，準(zhǔn)備離開(kāi)；——→ 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開(kāi)始上升，上升到位后，遇到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC啟動(dòng)高速脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，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(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)；——→ 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(kāi)手爪，

55、下降到位后遇到下限行程開(kāi)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(kāi)；——→ 機(jī)械手開(kāi)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(kāi)始上升，上升到位后，遇到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)； ——→ 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(kāi)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(kāi)，放下工件準(zhǔn)備離開(kāi)；——→ 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開(kāi)始上升，上升到位后，遇到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電

56、，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(kāi)始后縮，準(zhǔn)備回原點(diǎn)，當(dāng)后縮到位時(shí)，后縮停止，機(jī)械手回到原點(diǎn)，一種上下料過(guò)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(kāi)始動(dòng)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(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種工作方式可以選擇。 1.手動(dòng)操作：就是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)的控制。例如，當(dāng)選擇上/下按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇逆轉(zhuǎn)/順轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)

57、。同理，當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手爪夾緊，而按下停止按鈕時(shí)，手爪松開(kāi)。 圖4-2 2.自動(dòng)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)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(dòng)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(jì)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(jì)開(kāi)發(fā)的工業(yè)控制器---PLC，選擇在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7-200型PLC。具體型號(hào)為SIMATIC S7-200 CPU224。 圖4-3

58、SIEMENS SIMATIC S-700 PLC 該機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。可連接7 個(gè)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(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。1 個(gè)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。 4.1.5控制系統(tǒng)原理分析 由于機(jī)械手作業(yè)時(shí)，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

59、制中，除了要對(duì)垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進(jìn)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開(kāi)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(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較后形成的控制信號(hào)通過(guò)PID調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動(dòng)電液伺服閥對(duì)液壓缸進(jìn)行伺服定位。PLC將上位機(jī)輸入的給定信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(jiǎn)樸，不必過(guò)多考慮控制算法等長(zhǎng)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

60、圖 4.1.6 PLC外部接線設(shè)計(jì) 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(zhǎng)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(jì)見(jiàn)圖紙） 圖4-5 PLC硬件接線圖 4.1.7 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(hào) 編程 地址 備注 總停開(kāi)關(guān)

61、SB0 I0.0 按下停止工作 啟動(dòng)開(kāi)關(guān) SB1 I0.1 按下開(kāi)始工作 垂直缸上限行程開(kāi)關(guān) SM1 I0.2 垂直缸下限行程開(kāi)關(guān) SM2 I0.3 機(jī)床上下料命令開(kāi)關(guān) SB2 I0.4 檢測(cè)料架有無(wú)工件光電開(kāi)關(guān) SP0 I0.5 常閉開(kāi)關(guān)，閉合表達(dá)有工件 控制面板上/下選擇開(kāi)關(guān) SQ1 I0.6 用于手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí) 控制面板夾緊/松開(kāi)選擇開(kāi)關(guān) SQ2 I0.7 用于手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí) 控制面板順/逆選擇開(kāi)關(guān) SQ3 I1.0 用于手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí) 控制面板手動(dòng)工作選擇開(kāi)關(guān) SQ4 I1.1 用于手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí) 控制面板自動(dòng)工作選擇

62、開(kāi)關(guān) SQ5 I1.2 表4-2 PLC輸出元件地址分派明細(xì)表 控 制 元 件 符 號(hào) 編程 地址 備注 步進(jìn)電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)脈沖輸出 / Q0.0 步進(jìn)電機(jī)方向控制 / Q0.2 Q0.2為1順時(shí)針，反之為逆時(shí)針； 垂直缸上升動(dòng)作電磁閥 2DT Q0.1 垂直缸下降動(dòng)作電磁閥 3DT Q0.3 手爪張開(kāi)動(dòng)作電磁閥 5DT Q0.4 機(jī)械手原點(diǎn)狀態(tài)批示燈 L1 Q0.5 顯示原點(diǎn)位置 中斷強(qiáng)制關(guān)機(jī)開(kāi)關(guān) KM Q0.6 用于中斷控制 4.2機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.2.1機(jī)械手控制主程序流程圖 機(jī)械手控

63、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(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用西門子S7-200 PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN32進(jìn)行，通過(guò)編程給出具體控制程序梯形圖并進(jìn)行編譯和調(diào)試。得出了具體的程序梯形圖，具體梯形圖（LAD）程序見(jiàn)附錄3。 圖4-7 STEP 7-MICRO/WIN 32編程窗口 參照文獻(xiàn) [1] 宋吉來(lái)，俞建成等．輪槳腿一體化兩棲機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．北京：微計(jì)算機(jī)信息．. [2] 張毅剛，趙光權(quán)，孫寧等.TMS320LF240X系列DSP原理、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[D

64、] .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(dòng)關(guān)節(jié)集成驅(qū)動(dòng)控制器研究［J］．北京：微計(jì)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(dòng)的伺服控制方略. 北京：液壓與氣動(dòng).. [5] 廖萬(wàn)輝，李琳等．基于機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)［J］．北京：微計(jì)算機(jī)信息．. [6] 程憲平.機(jī)電傳動(dòng)與控制. 北京：華中科技大學(xué)出版社.. [7] 郭仁生.機(jī)械設(shè)計(jì)基本. 北京：清華大學(xué)出版社.. [8] 張群生.液壓與氣動(dòng)傳動(dòng). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.. [9] 液壓總綱.北京：國(guó)防工業(yè)出版社.. [10] 電力拖動(dòng)控制系統(tǒng).北京：清華大

65、學(xué)出版社.. [11] 機(jī)械制造專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.. [14] 左健昆.液壓與氣壓傳動(dòng).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(jì).沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社.. 附錄 附件1：外文原文 Manipulator developed in recent decades as high-tech automated product

66、ion 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 people's 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