機械手-氣動機械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計,機械手,氣動,回轉(zhuǎn),結(jié)構(gòu)設(shè)計 第一章 概述 1.1 氣動機械手概述 氣動機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、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，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1.2 機械手的組成和分類 1.2.1機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。 圖1-1機械手組成方框圖: Pane chart of composition of manipulator (一)執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5、行走機構(gòu) 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。 6、機座 機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動， 并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置. 1.2.2 機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1、專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和‘叻口工中心” 2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制；同時還可分為伺服型和一般型的機械手，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅(qū)動方式分 1、液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2、氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，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，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 4、電力傳動機械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。 (2)機械結(jié)構(gòu)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、減速機、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)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，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)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應(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;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 1.4課題的提出及主要任務(wù) 1.4.1課題的提出 進入21世紀，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動生產(chǎn)率，降低工人的勞動強度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，將機械手，應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運到另外一條生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復性勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。。 現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點: (1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。 (2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技術(shù)水平。 鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動， 氣動技術(shù)有以下優(yōu)點: (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題. （2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。 (3)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。 (5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。 1.4.2課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下: (1) 進行氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設(shè)計； (2) 設(shè)計氣動機械手氣路設(shè)計，進行關(guān)鍵部件的設(shè)計計算； (3) 設(shè)計氣動機械伸縮、回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進行關(guān)鍵部件的設(shè)計計算； (4) 人工移動式（無動力）點位示教部分控制軟件設(shè)計與上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 第二章 機械手的設(shè)計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、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。設(shè)計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制. 2.1機械手的座標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關(guān)節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應(yīng)的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 圖2-1 機械手的運動示意圖 Fia.2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator 2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 2.5 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。 2.6 機械手的控制方案設(shè)計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 2.7 機械手的主要參數(shù) 1.機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為0.5公斤 2.基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設(shè)計為0.1m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為。平均移動速度為0.08m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為。 2.8 機械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途: 用于自動輸送線的上下料。 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù): 1、抓重 0. 2、自由度數(shù) 4個自由度 3、座標型式 圓柱座標 4、手臂運動參數(shù) 伸縮行程100mm 伸縮速度40mm/s 升降行程50mm 升降速度100mm/s 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 5、手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 6、手指夾持范圍 棒料: ?5~ ?20 9、定位方式 行程開關(guān) 10、定位精度 11、驅(qū)動方式 氣壓傳動 12、控制方式 點位程序控制(采用PLC) 第三章 手臂伸縮，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核 3.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核 3.1.1手臂伸縮氣缸方案一的尺寸設(shè)計與校核 為方便大規(guī)模生產(chǎn)需求以及采購，根據(jù)實驗設(shè)計要求，手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標準氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63. (1).在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計使用壓強, 則驅(qū)動力： （2）. 測定手腕質(zhì)量為5kg,設(shè)計加速度，則慣性力 =10×5=50 （3）.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), =50×0.2 =10 總受力 =50+10=60 所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求要求。 3.1.2手臂伸縮部分方案二的尺寸設(shè)計與校核 為使所設(shè)計的機械手擁有更高精度，同時便于安裝調(diào)試，現(xiàn)設(shè)計手臂伸縮部分第二套方案。 (1) 活塞桿上輸出力和缸徑的計算 活塞左行時活塞桿產(chǎn)生推力,活塞右行時產(chǎn)生拉力。 式中 活塞桿的推力(N); 活塞桿的拉力(N); 活塞直徑(m); 活塞桿直徑(m); 氣缸工作壓力(Pa); 氣缸工作總阻力(N); 氣缸工作時的總阻力與眾多因素有關(guān),如運動部件慣性力,背壓阻力,密封處摩擦力等.以上因素可以載荷率的形式計入公式,如要求氣缸的靜推力和靜拉力,則計入載荷率后 計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特征.若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高;且工作頻率高,其載荷率一般取 ,速度高時取小值,速度低時取大值.若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般,且工作頻率低,基本是勻速運動,其載荷率可取。根據(jù)要求本次設(shè)計中,我們?nèi)　；钊麠U拉力為克服機械手的自重（1.5KG）和克服抓取物的重量(0.5KG)所用的力為 可求得氣缸直徑D。 當推力作功時 活塞桿d可根據(jù)氣缸拉力預先估定。估定活塞桿直徑可按 計算得 =85mm 式中系數(shù)在缸徑較大時取小值，缸徑較小時取大值。 以上公式計算出的氣缸內(nèi)徑D應(yīng)圓整為標準值。 根據(jù)可估算得 d=12cm （2）活塞桿的計算 1）按強度條件計算 當活塞桿的長度L較小時（L≤10d），可以只按強度條件計算活塞桿直徑d 式中 氣缸的推力（N）； 活塞桿材料的許用應(yīng)力(Pa), 材料的抗拉強度（Pa）； 安全系數(shù)，S≥1.4。 按縱向彎曲極限力計算 氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當縱向力達到極限力以后，活塞桿會產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。 當長細比 時 當長細比 時 式中 活塞桿計算長度（m），見表3-3 活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑， 實心桿 空心桿 活塞桿橫截面慣性矩， 實心桿 空心桿 空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）； 活塞桿截面積 實心桿 空心桿 系數(shù)，見表3-3 材料彈性模量，對鋼取 材料強度實驗值，對鋼取 系數(shù)，對鋼取a=1/5000 3.1.3.導向裝置 氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用導向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。 導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設(shè)計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。 3.1.4 平衡裝置 在本設(shè)計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。 3.2手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核 3.2.1 尺寸設(shè)計 氣缸長度設(shè)計為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強, 則力矩： 3.2.2 尺寸校核 1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量m1=20kg,分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： =20×0.1/2 =0.1（） =0.1×(90/0.5)=18 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù), =0.2×18=3.6 總驅(qū)動力矩 =18+3.6=21.6 設(shè)計尺寸滿足使用要求。 第四章 氣動系統(tǒng)設(shè)計 4．1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 圖4-1為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機（排氣壓力大于0.4-0.6MPa）通過快換接頭進入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。 圖4-1 機械手氣壓傳動原理圖 各執(zhí)行機構(gòu)調(diào)速。凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進行調(diào)速，這種方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可以加快啟動速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。 為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器。這樣可以省去電磁閥和切換調(diào)節(jié)閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。 電磁閥的通徑，是根據(jù)各工作氣缸的尺寸、行程、速度計算出所需壓縮空氣流量，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定的。 第五章 機械手的PLC控制設(shè)計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 5.1可編程序控制器的選擇及工作過程 5.1.1 可編程序控制器的選擇 目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。本次設(shè)計中選擇了SIMATIC公司的S7-200的可編程序控制器。 S7-200 PLC是SMIATIC S7家族中的小型可編程控制器，適用于各行各業(yè)、各種應(yīng)用場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200的使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制，到極復雜的自動化控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。S7-200的應(yīng)用范圍覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等。S7-200在全世界擁有數(shù)以百萬計的成功應(yīng)用案例，無論是單獨運行，還是聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。 S7-200將高性能與小體積集成一體，運行快速，并且提供了豐富的通信選項，具有極高的性能/價格比。S7-200的系統(tǒng)的硬件、軟件都易于使用。S7-200系統(tǒng)堅持一貫的模塊化設(shè)計，不但能夠經(jīng)濟地滿足目前的項目要求，也為將來擴展提供了開放的接口。S7-200易于編程，引入了編程工具箱（ToolBox）概念，設(shè)計了許多編程向?qū)В╓izard）以方便用戶完成一些比較復雜的程序設(shè)計工作。 S7-200 CN 繼承了 S7-200 的優(yōu)良品質(zhì)和卓越性能，適用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單 控制到復雜的自動化控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動監(jiān)測，自動化控制有關(guān)的工 業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種紡織機械、中央空調(diào)、印刷機械、包裝機械、工程機械、小型機床、 樓宇自控、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。 S7-200的出色性能表現(xiàn)在： · 極高的可靠性 · 極豐富的指令集 · 易于掌握 · 便捷的操作 · 豐富的內(nèi)置集成功能 · 實時特性 · 豐富的擴展模塊 圖5-1CPU外形結(jié)構(gòu) · CPU及其擴展模塊安裝在標準的35mm的導軌上 · 模式選擇開關(guān)：開關(guān)撥到RUN，則CPU運行（在上電時，CPU會自動運行）；開關(guān)撥到STOP，CPU停止；開關(guān)撥到TERM時，不改變當前操作模式。當模式選擇開關(guān)打在RUN或TERM狀態(tài)時，可以使用Micro/WIN編程軟件來控制CPU的運行停止。 · CPU226和CPU226XM上有兩個通信口 圖5-2 S7-200 CN CPU 正面 圖5-3 S7-200 CN CPU 側(cè)面 圖5-4 S7-200 CN EM（擴展模塊）正面 圖 5-5 S7-200 CN EM 側(cè)面 5.1.2 可編程序控制器的工作過程 可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個階段。 第一階段是初始化處理。 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。 第二階段是處理輸入信號階段。 在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息 送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。 第三階段是程序處理階段。 當輸入狀態(tài)信息全部進入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān)指令進行運算和處理，最后將結(jié)果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。 第四階段是輸出處理階段。 段CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進行各種相應(yīng)的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。 5.2 S7-200的擴展模塊 除了CPU221外，S7-200的其他CPU型號都可以附加擴展模塊，以增加I/O點數(shù)、擴展通信能力和一些特殊功能。 S7-200的擴展模塊包括： · 數(shù)字量I/O擴展模塊 · 模擬量I/O模塊 · 通信模塊 · 功能模塊 不同類型的模塊可以組合搭配，一起做S7-200 CPU的擴展模塊。 5.2.1數(shù)字量I/O擴展模塊 數(shù)字量I/O擴展模塊有： · EM221：數(shù)字量輸入擴展模塊。包括 o 8點 x 24VDC o 8 x 120/230VAC o 16 x 24VDC · EM222： 數(shù)字量輸出擴展模塊 o 4 x 24VDC/5A o 4 x 繼電器/10A o 8 x 24VDC/0.75A o 8 x 繼電器/2A o 8 x 120/230VAC/0.5A · EM223：數(shù)字量輸入/輸出混合模塊 o 4 x 24VDC輸入；4 x 24VDC/0.75A輸出 o 4 x 24VDC輸入；4 x 繼電器/2A輸出 o 8 x 24VDC輸入；8 x 24VDC/0.75A輸出 o 8 x 24VDC輸入；8 x 繼電器/2A輸出 o 16 x 24VDC輸入；16 x 24VDC/0.75A輸出 o 16 x 24VDC輸入；16 x 繼電器/2A輸出 不同類型的數(shù)字量模塊可以同時連接到CPU后面，只要注意各自的電源連接就可以了。 數(shù)字量I/O接線 ? 5.2.2模擬量擴展模塊 除了CPU224 XP外有兩通道輸入/一通道輸出的簡單模擬量I/O組外，其他CPU都需要加模擬量擴展模塊才能獲得模擬量I/O能力。 · EM231：4通道電源/電流模擬量輸入 · EM231 RTD：2通道熱電阻溫度輸入模塊 · EM231 TC：4通道熱電偶溫度輸入模塊 · EM235：4通道電壓、電流輸入/1通道電壓、電流輸出模塊 ? 5.2.3通信模塊 除CPU本體上的通信口可以支持PPI/MPI和自由口通信之外，S7-200系列使用擴展模塊支持更多的通信模式。 這些通信模塊有： · EM277：PROFIBUS-DP/MPI通信模塊。帶DB-9插座，可連接到PROFIBUS-DP和MPI網(wǎng)絡(luò)上。EM277也可以用于連接西門子的HMI產(chǎn)品 · EM241：模擬音頻調(diào)制解調(diào)器（Modem）模塊，帶RJ11電話插口。支持自動電話撥號等功能 · CP243-1：以太網(wǎng)模塊，帶RJ45接口，可連接到支持TCP/IP標準的以太網(wǎng)中，與西門子的其他CP243模塊、CP343/CP443模塊，或西門子軟件（OPC Server）通信 · CP243-1 IT：帶因特網(wǎng)功能的以太網(wǎng)模塊，除CP243-1的功能外，還支持FTP、HTTP、E-mail等IT功能 · CP243-2：AS-Interface（執(zhí)行器－傳感器接口）主站模塊。AS-Interface從站可以連接到端子上。一個完整的系統(tǒng)還需要AS-Interface電源等設(shè)備 5.2.4功能模塊 S7-200目前有一種特殊功能模塊： · EM253：定位處理模塊，支持開環(huán)速度和定位控制。一般用于控制步進電機控制器和伺服電機控制器。支持RS422/RS-485差動輸出和漏極開路輸出。每個模塊可以控制一個軸。使用多個模塊的情況下也不能進行復雜的插補計算 5.3 plc程序的實現(xiàn) S7-200的數(shù)據(jù)主要分為： · 與實際輸入/輸出信號相關(guān)的輸入/輸出映象區(qū)： o I：數(shù)字量輸入（DI） o Q：數(shù)字量輸出（DO） o AI：模擬量輸入 o AQ：模擬量輸出 · 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū) o V：變量存儲區(qū)，可以按位、字節(jié)、字或雙字來存取V 區(qū)數(shù)據(jù) o M：位存儲區(qū)，可以按位、字節(jié)、字或雙字來存取M區(qū)數(shù)據(jù) o T：定時器存儲區(qū)，用于時間累計，分辨率分為1ms、10ms、100ms三種 o C：計數(shù)器存儲區(qū)，用于累計其輸入端脈沖電平由低到高的次數(shù)。CPU提供了三種類 型的計數(shù)器：一種只能增計數(shù)；一種只能減計數(shù)；另外一種既可 以增計數(shù)，又可以減計數(shù) 尋址格式 數(shù)據(jù)長度 （二進制位） 數(shù)據(jù)類型 取值范圍 BOOL（位） 1（位） 布爾數(shù) （二進制位） 真（1）；假（0） BYTE（字節(jié)） 8 （字節(jié)） 無符號整數(shù) 0 ~ 255；0 ~ FF（Hex） INT（整數(shù)） 16 （字） 有符號整數(shù) - 32768 ~ 32767； 8000 ~ 7FFF（Hex） WORD（字） 無符號整數(shù) 0 ~ 65535； 0 ~ FFFF（Hex） DINT （雙整數(shù)） 32 （雙字） 有符號整數(shù) - 2147483648 ~ 2147483647 8000 0000 ~ 7FFF FFFF（Hex） DWORD （雙字） 無符號整數(shù) 0 ~ 4294967295； 0 ~ FFFF FFFF（Hex） REAL （實數(shù)） IEEE 32位 單精度浮點數(shù) -3.402823E+38 ~ -1.175495E-38（負數(shù)）； +1.175495E-38 ~+3.402823E+38（正數(shù)）； 0.0※ ASCII 8/個 （字節(jié)） 字符列表 ASCII字符、 漢字內(nèi)碼（每個漢字2字節(jié)） STRING （字符串） 字符串 1 ~ 254個ASCII字符、 漢字內(nèi)碼（每個漢字2字節(jié)） 圖5-6 S7-200支持的數(shù)據(jù)格式 5.4 本程序設(shè)計思路 我所設(shè)計的程序要求要求在無動力的情況之下，人工移動機械手使其完成任意的動作。在打開動力后，按下“示教”按鈕，系統(tǒng)可以演示處在無動力時的所有動作。 我的想法是利用機械手各部位限位開關(guān)的跳變進行存儲以及提取，從未而實現(xiàn)機械手的運動。 無動力人工運動時，各個限位開關(guān)的負跳變對應(yīng)機械手的各個動作，需要注意的是，任何一個跳變所對應(yīng)的動作是相反的。例如：縮回到位傳感器從1跳變到0時，對應(yīng)的動作是“機械手伸出”。因此在程序的內(nèi)部必須進行一步從限位開關(guān)到機械手運動的轉(zhuǎn)換，這在其他同學的程序中是沒有的。 具體做法如下：機械手一共有8個限位開關(guān)，在出現(xiàn)跳變時也對應(yīng)了8個不同的動作。如果出現(xiàn)負跳變，則將此限位開關(guān)的跳變存入V區(qū)的某個地址。每個地址有8個位，正好對應(yīng)機械手的8個動作。（實際上在存儲時沒有用到VX.3，因為在plc內(nèi)部并沒有用到Q0.3,因此我在編程過程中也不用0.3這一位，這樣做可以是程序在調(diào)試時更加方便，總體的風格保持一致。）在存儲結(jié)束后，按下“再現(xiàn)示教”按鈕，系統(tǒng)會一次性將這8位地址提取出來，當作QB0,從而在現(xiàn)機械手的所有動作，這樣就實現(xiàn)了機械手的無動力示教。 還有一個很重要的問題是在演示過程中的時間問題，手動演示時步與步之間停頓的時間是不一樣的，在線演示時必須要把每步間相差的時間體現(xiàn)出來，做到完整的示教。在編制程序時我在plc中設(shè)定定時器，在演示開始時定時，當輸入發(fā)生跳變時把記錄下的時間存入寄存器。這樣，把跳變的時間相減就得到了某一部完整的運動時間了。再現(xiàn)演示時把寄存器中的時間數(shù)據(jù)提取出來，機械手就完全可以實現(xiàn)按照手動演示時的時間差運動了。 在程序的調(diào)試過程中，出現(xiàn)了許多困難。因為沒有編程的經(jīng)驗，在程序中出現(xiàn)了許多錯誤。數(shù)據(jù)不匹配，字節(jié)，字、雙字運用不合理等都是導致錯誤出現(xiàn)的原因。而且在程序中經(jīng)常會出現(xiàn)難以發(fā)現(xiàn)的邏輯錯誤，使得程序無法運行。 由于課題的特殊性，在演示過程中有一點需要特別注意。因為本程序是下降沿激發(fā)，各個限位開關(guān)都是很靈敏的，所以在手動演示過程中，我必須要注意機械手必須要按照我所規(guī)定的動作運動。在任何方向想如果有細微的移動導致限位開關(guān)發(fā)生了跳變，程序就會記錄下來，在演示時就會發(fā)生跟手動演示不一樣錯誤。例如：如果手動演示時沒有扶好，升降臂會因為自重的原因下降一定距離，限位開關(guān)跳變。當發(fā)現(xiàn)錯誤之后把升降臂調(diào)回到上極限位置，再次進行下降演示。在程序在線演示時，系統(tǒng)會先實現(xiàn)因為自重而導致的“下降”過程，當下降到下限位時，機械手無法再次下降，正常狀態(tài)下的手動下降就不能實現(xiàn)了。解決的方法是如果出現(xiàn)了因為及其自身原因?qū)е碌南尬婚_關(guān)跳變，則必須結(jié)束示教，本次儲存的數(shù)據(jù)作廢，一切從頭開始。 當然，這個問題的出現(xiàn)是因為編程時不嚴謹導致的。如果把程序改成下降沿以及相對應(yīng)傳感器的上升沿激發(fā)則可以解決這個問題。比如當上升到位傳感器的下降沿激發(fā)后，如果下降到位傳感器的上升沿沒有被激發(fā)，則系統(tǒng)不會采納這次動作。這就解決了由于系統(tǒng)自身原因產(chǎn)生的動作干擾再現(xiàn)演示的問題。但是這個程序的實現(xiàn)難度會大大加大，也需要更多的時間編程以及調(diào)試才能實現(xiàn)。這是我在程序設(shè)計初期考慮不足導致的，沒有做到對所做課題中充分的調(diào)查研究。慶幸的是這個錯誤沒有導致課題沒有實現(xiàn)，只需要在演示時多加注意就可以了。 本次畢業(yè)設(shè)計所用機械手在演示時不能停留在中間狀態(tài)，這是由氣動元件所決定的。這也在很大程度上減少了機械手所能完成動作的種類。 由于實驗臺設(shè)備的原因，在上位界面與plc通訊時，電腦無法進行監(jiān)控。者直接導致了如果程序有錯誤，無法得知錯誤的原因。這樣大大加大了程序編制的難度。編程人員只能在不鏈接上位界面的情況之下，對plc程序進行調(diào)試，當成功后，在利用上位界面進行控制。如果出現(xiàn)問題，就證明是上位界面出了差錯。 下載項目到S7-200 CPU，使用狀態(tài)圖在線監(jiān)控可以看到： 圖5-7 plc程序監(jiān)控圖 第六章 上位界面的設(shè)計 E-view觸摸屏的設(shè)計需要做到界面友好，操作方便等特點。在設(shè)計觸摸屏界面時，需要了解自己的plc程序，從而設(shè)定所需要的按鍵，太多則略顯復雜，少了則無法實現(xiàn)設(shè)計要求。在設(shè)計E-view屏時，還要充分考慮到每一個按鍵的性質(zhì)，因為在調(diào)試plc程序時想要模擬按鍵是非常麻煩的。多次的改正會使畢業(yè)設(shè)計的效率很低，速度也會變得很慢。每一次下載的過程都會占用很長的時間。所以正確判斷按鍵的性質(zhì)是是非常重要的。 其次還要考慮到界面的美觀，一個美觀的操作界面會使操作者的工作效率提高，工作情緒高漲。要盡量使用柔和的色調(diào)，那些不常用到的顏色不宜使用，如果太長時間緊盯著屏幕會使眼睛產(chǎn)生疲勞感，降低工作效率。 因此，E-view屏的設(shè)計要滿足簡潔，美觀，實用等特點。 在總界面，點擊“無動力示教”按鈕，進入我的eview界面。 圖6-1 本設(shè)計E-view界面 界面中各按鍵作用如下： 演示開始：進入初始化程序，同時進入儲存程序 記錄數(shù)據(jù)：開始儲存程序，按下此按鈕后，可以手動對機械手進行操作。 記錄結(jié)束：儲存停止 準備示教：進入在現(xiàn)程序 示教開始：開始在現(xiàn)手動演示步驟 回原點 ：無論機械手在任何位置，迅速回到初始位置。（縮回、逆轉(zhuǎn)、上升、松開） 前 頁：返回到主界面 在界面編制完成之后，就要對上位界面進行下載。系統(tǒng)配備的數(shù)據(jù)線可以直接連在電腦的com口上，在下載之前需要對Easybuilder的系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置。 圖6-2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定圖 首先要選定plc類型，本次畢業(yè)設(shè)計所使用的plc是SIEMENS S7/200，數(shù)據(jù)位設(shè)定成8位，plc站號設(shè)定成2。其余參數(shù)不變。 在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定好后，將聯(lián)機線插入主機箱，此時可以對觸摸屏界面進行下載。 圖6-3 E-view下載軟件Easymanager操作界面 先要選定主機使用的com口，本次下載使用的是com2口。選擇結(jié)束后，點擊download，系統(tǒng)就會將選擇的上位界面下載到觸摸屏中。 圖6-4 選擇下載文件示意圖 圖6-5 傳輸過程圖 在傳輸結(jié)束后，點擊jump to application按鈕，對觸摸屏進行應(yīng)用。這時，在觸摸屏上顯示的就是剛剛上傳完畢的界面了。 如果要對觸摸屏的界面進行修改，可以選擇upload，這個按鍵的作用是將觸摸屏中的程序上傳到電腦中，方便對觸摸屏的修改。 第七章 結(jié) 論 1、本次設(shè)計的是氣動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由 度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。 2、采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小， 不會污染環(huán)境。同時成本低廉。 3、通過對氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度， 節(jié)省了大量時間和避免了不必要的重復勞動，同時做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。 4、機械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進 行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù) 機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強。 結(jié)束語 本文是在我尊敬的導師李啟光教授悉心指導下完成的。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和精益求精的工作作風使我受益匪淺。在此，我首先向?qū)煴硎菊\摯的感謝，并致以崇高的敬意!在課題的研究和開發(fā)階段，得到了機電工程學院老師的大力支持和幫助，在此一并向他們表示衷心的感謝。在日常生活和學習中，機電工程學院的各位老師，以及全體同學給與我大力支持和幫助，在此我向他們以及多年來為我的成長付出辛勤勞動的老師和同學們表示衷心的感謝。感謝父母 、家人，感謝所有關(guān)心我的朋友和老師，感謝北京信息科技大學大學的學習環(huán)境。 袁 航 2008年6月3日 參考文獻 [1]張建民.工業(yè)機器人.北京:北京理工大學出版社，1988 [2]蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術(shù)，2001, 4 [3]金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機器人發(fā)展勢態(tài)分析.機器人技術(shù)與應(yīng)用 ，2001, 2 [4]王雄耀.近代氣動機器人(氣動機械手)的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動與密封，1999, 5 [5]嚴學高，孟正大.機器人原理.南京:東南大學出版社，1992 [6]機械設(shè)計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1986 [7]黃錫愷，鄭文偉.機械原理.北京:人民教育出版社，1981 [8]成大先.機械設(shè)計圖冊.北京:化學工業(yè)出版社 [9]鄭洪生.氣壓傳動及控制.北京:機械工業(yè)出版社，1987 [10]吳振順.氣壓傳動與控制.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995 [11]徐永生.氣壓傳動.北京:機械工業(yè)出版社，1990, 5 33