3276 氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),氣動(dòng),機(jī)械手,回轉(zhuǎn),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) I摘 要本文簡要介紹了機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)形式，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，PLC控制的特點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，計(jì)算并設(shè)計(jì)出了回轉(zhuǎn)氣缸、伸縮手臂的機(jī)械機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)出了機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，對(duì)氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行了研究，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。利用可編程序控制器對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，設(shè)計(jì)出了人工移動(dòng)式（無動(dòng)力）點(diǎn)位示教控制軟件，并畫出了機(jī)械手的工作時(shí)序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手；氣動(dòng)；可編程序控制器（PLC）；IIAbstractAt first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dary information of the development briefly . What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator , tells out the free-degree and the form of coordinate . At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator , This paper designs the structure of the wrist , computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm.The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses PLC to control . The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator . The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart . What’s more , the paper workout the control program of the PLC , Keywork: industrial robot；manipulator ；pump；air pressure drive；PLCIII目 錄摘要（中文）.........................................................Ⅰ（英文）.........................................................Ⅱ第一章 緒論1.1 機(jī)械手概述.......................................................11.2 機(jī)械手的組成和分類...............................................11.2.1 機(jī)械手的組成...............................................11.2.2 機(jī)械手的分類...............................................31.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r...................................................41.4 課題的提出及主要任務(wù).............................................51.4.1 課題的提出.................................................51.4.2 課題的主要任務(wù).............................................6第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案2.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度........................................72.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)........................................82.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)........................................82.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)........................................82.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)............................................82.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)............................................82.7 機(jī)械手的主要參數(shù)................................................92.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表............................................9第三章 手臂伸縮，回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計(jì)與校核3.1 手臂伸縮部分尺寸設(shè)計(jì)與校核......................................113.1.1 手臂伸縮部分方案一的尺寸設(shè)計(jì)與校核........................113.1.2 手臂伸縮部分方案二的尺寸設(shè)計(jì)與校核........................113.1.3 導(dǎo)向裝置..................................................143.1.4 平衡裝置..................................................143.2 手臂回轉(zhuǎn)部分尺寸設(shè)計(jì)與校核......................................143.2.1 尺寸設(shè)計(jì)..................................................143.2.2 尺寸校核..................................................14第四章 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)..................................................16第五章 機(jī)械手的 PLC 控制設(shè)計(jì)5.1 可編程序控制器的選擇及工作過程..................................185.1.1 可編程序控制器的選擇......................................18IV5.1.2 可編程序控制器的工作過程..................................205.2 S7-200 的擴(kuò)展模塊...............................................215.2.1 數(shù)字量 I/O 擴(kuò)展模塊........................................215.2.2 模擬量擴(kuò)展模塊............................................225.2.3 通信模塊..................................................225.2.4 功能模塊..................................................235.3 PLC程序的實(shí)現(xiàn)..................................................235.4 本程序設(shè)計(jì)思路.................................................24第六章 上位界面的設(shè)計(jì)...............................................27第七章 結(jié)論...........................................................31結(jié)束語.................................................................32參考文獻(xiàn)...............................................................33北京信息科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題 目: 氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，人工移動(dòng)式（無動(dòng)力）點(diǎn)位示教部分控制軟件設(shè)計(jì)學(xué) 院: 機(jī) 電 工 程 學(xué) 院 專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化(機(jī)電方向)學(xué)生姓名: 袁航 班 級(jí)/學(xué) 號(hào) 機(jī) 0405-20指導(dǎo)老師/督導(dǎo)老師: 李 啟 光 起止時(shí)間: 2008 年 2 月 24 至 2008 年 6 月 9 日1畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )任務(wù)書學(xué)院 ：機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 班級(jí)：機(jī)0405學(xué)生情況 指導(dǎo)教師情況 題目類型理論研究 □姓 名 學(xué) 號(hào) 姓 名 職 稱 單 位科研開發(fā) □工程設(shè)計(jì) □√袁航 20 李啟光 副教授 機(jī)電工程學(xué)院論文 □題目 氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，人工移動(dòng)式（無動(dòng)力）點(diǎn)位示教部分控制軟件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容以及目標(biāo)(畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)完成的主要內(nèi)容，設(shè)計(jì)任務(wù)達(dá)到的目標(biāo) )1、進(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)；2、設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手氣路設(shè)計(jì)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；3、設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械伸縮、回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；4、人工移動(dòng)式（無動(dòng)力）點(diǎn)位示教部分控制軟件設(shè)計(jì)與上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)5、完成中英文摘要，開題報(bào)告、調(diào)研報(bào)告以及設(shè)計(jì)說明書。成果形式（畢業(yè)設(shè)計(jì)完成具體工作量；成果形式；驗(yàn)收方式）1、氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)裝配圖（1 張 A0 圖紙）2、氣動(dòng)機(jī)械手伸縮臂結(jié)構(gòu)裝配圖 （1 張 A1 圖紙）3、人工移動(dòng)式（無動(dòng)力）點(diǎn)位示教部分控制軟件及框圖，上位監(jiān)控界面4、英文翻譯：5000 字；5、開題報(bào)告：2000 字、調(diào)研報(bào)告：2000 字；6、論文：1.5~2 萬字；1 篇論文（其中包括中文摘要 400 字，英文摘要 250~300 單詞）基本要求（ 對(duì)完成設(shè)計(jì)任務(wù)方面的具體要求：設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)、數(shù)據(jù)及來源、調(diào)試所用儀器設(shè)備）1、設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手伸縮行程 10CM，升降行程 5CM，旋轉(zhuǎn) 180 度；2、抓握零件直徑 ?5~ ?20，最大重量 0.5KG 3、 界面友好，操作方便2實(shí)習(xí)調(diào)研要求（對(duì)部分有實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的專業(yè)，提出實(shí)習(xí)或調(diào)研的具體要求，包括調(diào)研提綱、實(shí)習(xí)時(shí)間、地點(diǎn)和具體內(nèi)容要求）1、利用各種途徑查找文獻(xiàn)資料，包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、圖書館、情報(bào)中心等，通過資料認(rèn)真了解軟硬件技術(shù)及設(shè)備特征，了解國內(nèi)外目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；2、在機(jī)電試驗(yàn)室現(xiàn)場了解等。3、掌握軟件設(shè)計(jì)的基本方法和界面組態(tài)軟件的使用。主要參考文獻(xiàn)（指導(dǎo)教師提供有關(guān)參考資料、工具書、期刊論文等）1、PLC 編程及應(yīng)用 2、S7-200 用戶手冊(cè) 3、BUILT 500 用戶手冊(cè)； 4、氣動(dòng)與液壓傳動(dòng)5、siemens 網(wǎng)站6．E-VIEW 網(wǎng)站主要儀器設(shè)備（ 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目情況需要填寫）1、計(jì)算機(jī)一臺(tái)2、E-VIEW 屏3、S7-200 一套4、氣動(dòng)機(jī)械手一套畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開始日期 2008-2-24畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成日期 2008-6-20畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度計(jì)劃（起止時(shí)間、工作內(nèi)容）（ 指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的進(jìn)度計(jì)劃提出要求 ,至少詳細(xì)到前期、中期和答辯階段）1～3 周，按照調(diào)研提綱完成調(diào)研，寫出調(diào)研報(bào)告；4 周，擬出設(shè)計(jì)方案，完成開題報(bào)告；5～７周，擬訂軟件方案、界面與程序通訊框架，完成控制功能初步設(shè)計(jì)；８～10 周，完成控制功能和界面詳細(xì)工程設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；11～12 周，完成氣路和結(jié)構(gòu)圖紙的草圖設(shè)計(jì)；13～14 周，完成裝配圖的設(shè)計(jì)；15～16 周，撰寫設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備答辯。3指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日督導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見：組長（簽字）： 年 月 日4氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，人工移動(dòng)式（無動(dòng)力）點(diǎn)位示教部分控制軟件設(shè)計(jì)開題報(bào)告班級(jí)（學(xué)號(hào)）機(jī) 0405-20 姓名 袁航指導(dǎo)老師 李啟光一、 綜述 1、工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)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(jī)器的進(jìn)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(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手” 。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)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(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、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手” ，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，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。2、機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。①執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)。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(jī)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(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(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(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(jī)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(jī)構(gòu)型式較多時(shí)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。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(shì))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(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立I因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。行走機(jī)構(gòu)：當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。機(jī)座：機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。②驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。③控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。④位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.3、機(jī)械手的分類工業(yè)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。①按用途分：機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種: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(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和‘叻口工中心”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。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)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(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制，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(jī)械手屬于數(shù)控類型。②按驅(qū)動(dòng)方式分液壓傳動(dòng)機(jī)械手：是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)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(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。氣壓傳動(dòng)機(jī)械手：是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)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(jī)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(jìn)行工作。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手：即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。電力傳動(dòng)機(jī)械手：即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。③按控制方式分點(diǎn)位控制：它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。連續(xù)軌跡控制：它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。4、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì):①工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。②機(jī)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(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);國外已有模塊化裝配機(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，便于標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)器人還應(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(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當(dāng)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)用的最著名實(shí)例。⑦機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)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(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)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，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，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(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(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求， “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(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)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)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(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。二、 研究內(nèi)容1、進(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手伸縮行程10CM，升降行程 5CM，旋轉(zhuǎn) 180 度；抓握零件直徑 ?5~ ?20，最大重量 0.5KG 。圖 2-1為氣路簡易示意圖：臂伸縮滑動(dòng)單元V1a V1bV1 圖 2-1 氣路簡易示意圖2、設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手氣路設(shè)計(jì)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；3、對(duì)現(xiàn)有資料和儀器進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。4、人工移動(dòng)式（無動(dòng)力）點(diǎn)位示教部分控制軟件設(shè)計(jì)與上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。人工對(duì)機(jī)械手進(jìn)行移動(dòng)，PLC 進(jìn)行儲(chǔ)存，并在結(jié)束后進(jìn)行自動(dòng)重復(fù)演示。三、 實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo)通過前期調(diào)研得知，我所研究的工作主要在WQK-3電子氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。WQK-III電子氣動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，精選國外工程用優(yōu)良元器件，集控制、檢測(cè)、執(zhí)行等技術(shù)于一體的綜合性實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由PLC模塊和機(jī)器人模塊構(gòu)成；PLC模塊由西門子S7-200（CPU224 CN） 、人機(jī)界面MT508TCN及輸出輸入接口板組成；機(jī)器人模塊由3自由度的電子氣動(dòng)操作機(jī)、FRL單元及相應(yīng)的輸入輸出接口板組成。本畢業(yè)設(shè)計(jì)，初步需要解決的是氣動(dòng)機(jī)械手的總體研究，即整體運(yùn)動(dòng)方式、整體氣路的的設(shè)計(jì)研究、回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，機(jī)械手的回轉(zhuǎn)部分設(shè)計(jì)可采用旋轉(zhuǎn)氣缸,安裝在上下方向?qū)U氣缸上,做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。選用氣壓轉(zhuǎn)角缸,旋轉(zhuǎn)角度最大為 180°,缸徑為 60 mm ,雙齒條機(jī)構(gòu),角度可任意調(diào)整,可附加感性開關(guān)。圖 3-1 為三自由度機(jī)械手簡易示意圖圖 3-1 三自由度機(jī)械手簡易示意圖通過對(duì)機(jī)械手氣動(dòng)回路觀察得出：此氣動(dòng)機(jī)械手共有 8 條控制氣路，分別為1、2、3、4、5、6、7、8，沒兩個(gè)構(gòu)成一組，每組控制一自由度的動(dòng)作。其中，1、2 號(hào)氣路控制機(jī)械手的伸縮3、4 號(hào)氣路控制機(jī)械手的升降5、6 號(hào)氣路控制機(jī)械手的回轉(zhuǎn)7、8 號(hào)氣路控制機(jī)械手手部的加緊與松開由于該試驗(yàn)裝置的氣路選用的是雙向四通閥，它所控制的機(jī)械手在非極限位置無法進(jìn)行停留，故設(shè)計(jì)方案需選用點(diǎn)位控制。圖3-2為機(jī)械手的氣動(dòng)原理圖、3-3為機(jī)械手運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的氣路圖：圖 3-2 機(jī)械手的氣動(dòng)原理圖3-3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的氣路圖通過這些初步的工作，更直觀、具體的了解氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)以及工作方式。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究的問題是人工移動(dòng)式（無動(dòng)力）點(diǎn)位示教部分控制軟件設(shè)計(jì)與上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這項(xiàng)工作的意義在于通過人工移動(dòng)機(jī)械手，使電腦能夠自動(dòng)記錄下機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程并進(jìn)行重復(fù)。這樣可以方便的讓不了解相關(guān)編程知識(shí)的人可以更加方便、快捷的對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行操作，以達(dá)到工作需要。此過程需要通過機(jī)械手各個(gè)移動(dòng)部件上的行程開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。通過行程開關(guān)的“0” 、 “1”狀態(tài)的改變來體現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程?？刂贫酥灰涗浵逻@些改變就可以完全實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在人工移動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)過程。該重點(diǎn)研究問題需要使用 PLC（SIEMENS S7-200）進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)的控制，而控制的關(guān)鍵是如何將人工移動(dòng)機(jī)械手的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存以及將儲(chǔ)存數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后再次重復(fù)，在儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)整合問題上需做更深一步研究。另外，還將使用到 E-VIEW（EB500 開發(fā)軟件）人機(jī)界面軟件，該軟件在操作人員和機(jī)器設(shè)備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時(shí)可能變化信息，通過它使操作以及演示更加直觀、便捷。圖 3-4 為 E-VIEW 操作界面以及 EB500 主界面。V1a V1b V2a V2b V3a V3bV1 V2 V3 V4 圖 3-4 E-VIEW 操作界面以及 EB500 主界面四、 對(duì)進(jìn)度的具體安排第 1 至第 3 周： 按照調(diào)研提綱完成調(diào)研，寫出調(diào)研報(bào)告；第 4 周： 擬出設(shè)計(jì)方案，完成開題報(bào)告；第 5 至第７周： 擬訂軟件方案、界面與程序通訊框架，完成控制功能初步設(shè)計(jì)；第８至第 10 周： 完成控制功能和界面詳細(xì)工程設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第 11 至第 12 周: 完成氣路和結(jié)構(gòu)圖紙的草圖設(shè)計(jì)；第 13 至第 14 周: 完成裝配圖的設(shè)計(jì)；第 15 至第 16 周: 撰寫設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備答辯。五、 參考文獻(xiàn)1、PLC 編程及應(yīng)用 2、S7-200 用戶手冊(cè) 3、BUILT 500 用戶手冊(cè)； 4、氣動(dòng)與液壓傳動(dòng)5、siemens 網(wǎng)站6．E-VIEW 網(wǎng)站指導(dǎo)教師： 年 月 日督導(dǎo)教師： 年 月 日領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見 審查人簽字： 年 月 日主程序Network 1 LD M12.0CALL SBR1Network 2 LD I0.0EDR V5000.0, 1S V5000.1, 1Network 3 LD I0.1EDR V5000.1, 1S V5000.0, 1Network 4 LD I0.2EDR V5000.4, 1S V5000.2, 1Network 5 LD I0.3EDR V5000.2, 1S V5000.4, 1Network 6 LD I0.4EDR V5000.5, 1S V5000.6, 1Network 7 LD I0.5EDR V5000.6, 1S V5000.5, 1Network 8 LD I0.6EDR V5001.0, 1S V5000.7, 1Network 9 LD I0.7EDR V5000.7, 1S V5001.0, 1Network 10 LD M12.1AN M15.1AN M12.2CALL SBR2Network 11 LD M12.2CALL SBR0在現(xiàn)子程序Network 1 LD M10.2EUMOVW 0, VW4020MOVD &VB4100, VD4022MOVD VD4006, VD4026Network 2 LD T42EULD M10.2EUOLDBMB *VD4022, VB4030, 3MOVB VB4030, QB0MOVW VW4031, VW4033+D 3, VD4022DECD VD4026Network 3LD M10.2AN T42AD>= VD4026, 0TON T42, VW4033Network 4LDD= VD4026, 0R M10.2, 1初始化Network 1LD M12.0O M11.0AN M10.2AN I0.1= M11.0= Q0.1Network 2 LD M12.0O M11.1AN M10.2AN I0.2= M11.1= Q0.4Network 3LD M12.0O M11.2AN I0.7= M11.2R Q0.7, 1Network 4 LD M12.0O M11.3AN M10.2AN I0.5= M11.3= Q0.6存儲(chǔ)程序Network 1 LD M10.0EUMOVD &VB4100, VD4040MOVW 0, VW4004MOVD 0, VD4006Network 2LD V5000.0EULD V5000.1EUOLDLD V5000.2EUOLDLD V5000.4EUOLDLD V5000.5EUOLDLD V5000.6EUOLDLD V5000.7EUOLD= M15.0Network 3 LD M15.0EUMOVB VB5000, VB4000MOVW T41, VW4001-I VW4010, VW4001MOVW T41, VW4010BMB VB4000, *VD4040, 3+D 3, VD4040INCD VD4006Network 4 LD M10.0TON T41, 30000目 錄附件 1：開題報(bào)告...............................................共 8 頁附件 2：計(jì)算機(jī)程序.............................................共 5 頁附件 3：外文文獻(xiàn)譯文...........................................共 8 頁附件 4：外文文獻(xiàn)原文...........................................共 12 頁1氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一章 概述1.1 氣動(dòng)機(jī)械手概述氣動(dòng)機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)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(jī)器的進(jìn)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(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)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(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、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，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(jī)械手的組成和分類1.2.1機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)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。2圖1-1機(jī)械手組成方框圖:Pane chart of composition of manipulator(一)執(zhí)行機(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)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(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(jī)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(jī)構(gòu)型式較多時(shí)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(shì))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(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。5、行走機(jī)構(gòu)當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式3行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。6、機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(三)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(四)位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.1.2.2 機(jī)械手的分類工業(yè)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。(一)按用途分機(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(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和‘叻口工中心”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。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)4立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)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(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制；同時(shí)還可分為伺服型和一般型的機(jī)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(jī)械手屬于數(shù)控類型。(二)按驅(qū)動(dòng)方式分1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)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(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)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(jī)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(jìn)行工作。3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。4、電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分1、點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r5國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì):(1)工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。(2)機(jī)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(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);國外已有模塊化裝配機(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，便于標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)器人還應(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(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)當(dāng)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)用的最著名實(shí)例。(7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)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(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)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，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，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(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(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“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(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)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)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)6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(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)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(jìn)入21世紀(jì)，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(dòng)生產(chǎn)率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高我國工業(yè)自動(dòng)化水平勢(shì)在必行，將機(jī)械手，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率?！，F(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn):(1)液壓傳動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。(2)工作時(shí)受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn)動(dòng)特性變化。(3)因液壓脈動(dòng)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(jià)格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動(dòng)，氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)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(bǔ)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(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。(3)動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。(4)能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)，機(jī)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(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。(6)成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)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(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)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7壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng)機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)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(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)；(2) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手氣路設(shè)計(jì)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；(3) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械伸縮、回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；(4) 人工移動(dòng)式（無動(dòng)力）點(diǎn)位示教部分控制軟件設(shè)計(jì)與上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)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(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.2.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度8圖2-1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖Fia.2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator92.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。2.7 機(jī)械手的主要參數(shù)1.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為0.5公斤2.基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為0.1m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 。平均移s/90?動(dòng)速度為0.08m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為 。s/60?2.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途:用于自動(dòng)輸送線的上下料。二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、抓重100. kg52、自由度數(shù)4個(gè)自由度3、座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)4、手臂運(yùn)動(dòng)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 ??180?回轉(zhuǎn)速度 s/9?5、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍 ??180?回轉(zhuǎn)速度 s/9?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 m1?11、驅(qū)動(dòng)方式氣壓傳動(dòng)12、控制方式點(diǎn)位程序控制(采用PLC)11第三章 手臂伸縮，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核3.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核3.1.1手臂伸縮氣缸方案一的尺寸設(shè)計(jì)與校核為方便大規(guī)模生產(chǎn)需求以及采購，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，手臂伸縮氣缸采用煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)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(shí)，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1D要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) ,MPa4.0?則驅(qū)動(dòng)力：2RPF???)(1460315..02N?（2）. 測(cè)定手腕質(zhì)量為5kg,設(shè)計(jì)加速度 ，則慣性力)/(0sma?maF?112=10×5=50（3）.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ,2.0?k1Fkm?=50×0.2=10總受力?mF?10=50+10=60F?0所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求要求。3.1.2 手臂伸縮部分方案二的尺寸設(shè)計(jì)與校核為使所設(shè)計(jì)的機(jī)械手擁有更高精度，同時(shí)便于安裝調(diào)試，現(xiàn)設(shè)計(jì)手臂伸縮部分第二套方案。(1) 活塞桿上輸出力和缸徑的計(jì)算活塞左行時(shí)活塞桿產(chǎn)生推力 ,活塞右行時(shí)產(chǎn)生拉力 。1F2F14zDp???2()zFdF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(shí)的總阻力 與眾多因素有關(guān),如運(yùn)動(dòng)部件慣性力,背壓阻力,密封處摩擦力等.zF以上因素可以載荷率 的形式計(jì)入公式 ,如要求氣缸的靜推力 和靜拉力 ,則計(jì)入載荷率1F2后計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特征.若氣缸動(dòng)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(shí)取小值,速度低時(shí)取大值.若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般,且工作頻率低,基本是勻速運(yùn)動(dòng),其載荷率可取 。根據(jù)要求本次設(shè)計(jì)中,我們?nèi)?3。活塞桿拉力 為克服機(jī)械手的自重（1.5KG）和克服抓取物的重量(0.5KG)所用0.8??2F的力為 2(1.50)2N????可求得氣缸直徑D。當(dāng)推力作功時(shí)活塞桿d可根據(jù)氣缸拉力預(yù)先估定。估定活塞桿直徑可按 計(jì)算得=85mm式中系數(shù)在缸徑較大時(shí)取小值，缸徑較小時(shí)取大值。以上公式計(jì)算出的氣缸內(nèi)徑D應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù) 可估算得 d=12cm（2）活塞桿的計(jì)算1）按強(qiáng)度條件計(jì)算 當(dāng)活塞桿的長度 L較小時(shí)（L≤10d），可以只按強(qiáng)度條件計(jì)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(qiáng)度（ Pa）；安全系數(shù)，S≥1.4。按縱向彎曲極限力計(jì)算 氣缸承受軸向壓力以后，會(huì)產(chǎn)生軸向彎曲，當(dāng)縱向力達(dá)到極限力 以后，活塞桿會(huì)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(dāng)長細(xì)比 時(shí)當(dāng)長細(xì)比 時(shí)14式中 活塞桿計(jì)算長度（m），見表3-3活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，實(shí)心桿空心桿活塞桿橫截面慣性矩，實(shí)心桿 空心桿空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）；活塞桿截面積實(shí)心桿 空心桿 系數(shù)，見表3-3材料彈性模量，對(duì)鋼取材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取系數(shù)，對(duì)鋼取a=1/50003.1.3.導(dǎo)向裝置氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。3.1.4 平衡裝置在本設(shè)計(jì)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(duì)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(yùn)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(jì)與校核3.2.1 尺寸設(shè)計(jì)氣缸長度設(shè)計(jì)為 ,氣缸內(nèi)徑為 ,半徑R=105mm,軸徑mb120?mD210?半徑 ,氣缸運(yùn)行角速度 = ，加速度時(shí)間 0.5s,D402?R?s/9?t??15壓強(qiáng) ,MPa4.0?則力矩： 2)(rRpb?).(5)02.15.(04.6mN???3.2.2 尺寸校核1．測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)半徑 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：r20?21rmJ?=20×0.1/2=0.1（ ）2.kgtJM???慣=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) ,2.0?k慣摩 k.=0.2×18=3.6總驅(qū)動(dòng)力矩摩慣驅(qū) M??=18+3.6=21.6〈驅(qū)設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。?16第四章 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4．1氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖圖4-1為該機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī)（排氣壓力大于0.4-0.6MPa）通過快換接頭進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動(dòng)作。17圖4-1 機(jī)械手氣壓傳動(dòng)原理圖18各執(zhí)行機(jī)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(jìn)行調(diào)速，這種方法的特點(diǎn)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(gè)快速排氣閥，可以加快啟動(dòng)速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進(jìn)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(jì)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。19第五章 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)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(jì)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(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)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(fù)雜的自動(dòng)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(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等。S7-200 在全世界擁有數(shù)以百萬計(jì)的成功應(yīng)用案例，無論是單獨(dú)運(yùn)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(yùn)行快速，并且提供了豐富的通信選項(xiàng)，具有極高的性能/價(jià)格比。S7-200 的系統(tǒng)的硬件、軟件都易于使用。S7-200 系統(tǒng)堅(jiān)持一貫的模塊化設(shè)計(jì)，不但能夠經(jīng)濟(jì)地滿足目前的項(xiàng)目要求，也為將來擴(kuò)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(jì)了許多編程向?qū)В╓izard）以方便用戶完成一些比較復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)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(fù)雜的自動(dòng)化控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工 業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種紡織機(jī)械、中央空調(diào)、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、工程機(jī)械、小型機(jī)床、 樓宇自控、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)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(shí)時(shí)特性 ? 豐富的擴(kuò)展模塊 20圖 5-1CPU 外形結(jié)構(gòu)? CPU 及其擴(kuò)展模塊安裝在標(biāo)準(zhǔn)的 35mm 的導(dǎo)軌上 ? 模式選擇開關(guān)：開關(guān)撥到 RUN，則 CPU 運(yùn)行（在上電時(shí)，CPU 會(huì)自動(dòng)運(yùn)行）；開關(guān)撥到 STOP，CPU 停止；開關(guān)撥到 TERM 時(shí)，不改變當(dāng)前操作模式。當(dāng)模式選擇開關(guān)打在 RUN或 TERM 狀態(tài)時(shí)，可以使用 Micro/WIN 編程軟件來控制 CPU 的運(yùn)行停止。 ? CPU226 和 CPU226XM 上有兩個(gè)通信口圖 5-2 S7-200 CN CPU 正面21圖 5-3 S7-200 CN CPU 側(cè)面圖 5-4 S7-200 CN EM（擴(kuò)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(gè)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(jī)相連，CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對(duì)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(gè)專門22存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機(jī)時(shí)，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。第二階段是處理輸入信號(hào)階段。在處理輸入信號(hào)階段，CPU對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)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(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)變化的影響，因此不能造成運(yùn)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(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個(gè)階段。在這個(gè)階段中，可編程序控制器對(duì)用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)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(duì)用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。5.2 S7-200 的擴(kuò)展模塊除了 CPU221 外，S7-200 的其他 CPU 型號(hào)都可以附加擴(kuò)展模塊，以增加 I/O 點(diǎn)數(shù)、擴(kuò)展通信能力和一些特殊功能。S7-200 的擴(kuò)展模塊包括：? 數(shù)字量 I/O 擴(kuò)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(kuò)展模塊。 5.2.1 數(shù)字量 I/O 擴(kuò)展模塊數(shù)字量 I/O 擴(kuò)展模塊有：? EM221：數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊。包括 o 8 點(diǎn) x 24VDC o 8 x 120/230VAC o 16 x 24VDC 23? EM222： 數(shù)字量輸出擴(kuò)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(shí)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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 24? 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(dòng)電話撥號(hào)等功能 ? CP243-1：以太網(wǎng)模塊，帶 RJ45 接口，可連接到支持 TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(jìn)電機(jī)控制器和伺服電機(jī)控制器。支持 RS422/RS-485 差動(dòng)輸出和漏極開路輸出。每個(gè)模塊可以控制一個(gè)軸。使用多個(gè)模塊的情況下也不能進(jìn)行復(fù)雜的插補(bǔ)計(jì)算 5.3 plc程序的實(shí)現(xiàn)S7-200 的數(shù)據(jù)主要分為：? 與實(shí)際輸入/輸出信號(hào)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(chǔ)區(qū)o V：變量存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)器存儲(chǔ)區(qū)，用于時(shí)間累計(jì)，分辨率分為 1ms、10ms、100ms 三種 o C：計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)區(qū)，用于累計(jì)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(jì)數(shù)器：一種只能增計(jì)數(shù)；一種只能減計(jì)數(shù)；另外一種既可 以增計(jì)數(shù)，又可以減計(jì)數(shù) 尋址格式 數(shù)據(jù)長度（二進(jìn)制位） 數(shù)據(jù)類型 取值范圍25BOOL（位） 1（位） 布爾數(shù)（二進(jìn)制位） 真（1）；假（0）BYTE（字節(jié)） 8（字節(jié)） 無符號(hào)整數(shù) 0 ~ 255；0 ~ FF（Hex）INT（整數(shù)） 有符號(hào)整數(shù) - 32768 ~ 32767；8000 ~ 7FFF（Hex）WORD（字）16（字）無符號(hào)整數(shù) 0 ~ 65535；0 ~ FFFF（Hex）DINT（雙整數(shù)） 有符號(hào)整數(shù)- 2147483648 ~ 21474836478000 0000 ~ 7FFF FFFF（Hex）DWORD（雙字） 無符號(hào)整數(shù)0 ~ 4294967295；0 ~ FFFF FFFF（Hex）REAL（實(shí)數(shù)）32（雙字）IEEE 32 位單精度浮點(diǎn)數(shù) -3.402823E+38 ~ -1.175495E-38（負(fù)數(shù)）；+1.175495E-38 ~+3.402823E+38（正數(shù)）； 0.0※ASCII 字符列表ASCII 字符、漢字內(nèi)碼（每個(gè)漢字 2 字節(jié)）STRING（字符串）8/個(gè)（字節(jié)）字符串 1 ~ 254 個(gè) ASCII 字符、漢字內(nèi)碼（每個(gè)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(jì)思路我所設(shè)計(jì)的程序要求要求在無動(dòng)力的情況之下，人工移動(dòng)機(jī)械手使其完成任意的動(dòng)作。在打開動(dòng)力后，按下“示教”按鈕，系統(tǒng)可以演示處在無動(dòng)力時(shí)的所有動(dòng)作。我的想法是利用機(jī)械手各部位限位開關(guān)的跳變進(jìn)行存儲(chǔ)以及提取，從未而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。無動(dòng)力人工運(yùn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)限位開關(guān)的負(fù)跳變對(duì)應(yīng)機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作，需要注意的是，任何一個(gè)跳變所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作是相反的。例如：縮回到位傳感器從 1 跳變到 0 時(shí)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)作是“機(jī)械手伸出” 。因此在程序的內(nèi)部必須進(jìn)行一步從限位開關(guān)到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，這在其他同學(xué)的程序中是沒有的。具體做法如下：機(jī)械手一共有 8 個(gè)限位開關(guān)，在出現(xiàn)跳變時(shí)也對(duì)應(yīng)了 8 個(gè)不同的動(dòng)作。如果出現(xiàn)負(fù)跳變，則將此限位開關(guān)的跳變存入 V 區(qū)的某個(gè)地址。每個(gè)地址有 8 個(gè)位，正好對(duì)應(yīng)機(jī)械手的 8 個(gè)動(dòng)作。 （實(shí)際上在存儲(chǔ)時(shí)沒有用到 VX.3，因?yàn)樵?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(shí)更加方便，總體的風(fēng)格保持一致。 ）在存儲(chǔ)結(jié)束后，按下“再現(xiàn)示教”按鈕，系統(tǒng)會(huì)一次性將這 8 位地址提26取出來，當(dāng)作 QB0,從而在現(xiàn)機(jī)械手的所有動(dòng)作，這樣就實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的無動(dòng)力示教。還有一個(gè)很重要的問題是在演示過程中的時(shí)間問題，手動(dòng)演示時(shí)步與步之間停頓的時(shí)間是不一樣的，在線演示時(shí)必須要把每步間相差的時(shí)間體現(xiàn)出來，做到完整的示教。在編制程序時(shí)我在plc中設(shè)定定時(shí)器，在演示開始時(shí)定時(shí)，當(dāng)輸入發(fā)生跳變時(shí)把記錄下的時(shí)間存入寄存器。這樣，把跳變的時(shí)間相減就得到了某一部完整的運(yùn)動(dòng)時(shí)間了。再現(xiàn)演示時(shí)把寄存器中的時(shí)間數(shù)據(jù)提取出來，機(jī)械手就完全可以實(shí)現(xiàn)按照手動(dòng)演示時(shí)的時(shí)間差運(yùn)動(dòng)了。在程序的調(diào)試過程中，出現(xiàn)了許多困難。因?yàn)闆]有編程的經(jīng)驗(yàn)，在程序中出現(xiàn)了許多錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)不匹配，字節(jié)，字、雙字運(yùn)用不合理等都是導(dǎo)致錯(cuò)誤出現(xiàn)的原因。而且在程序中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)難以發(fā)現(xiàn)的邏輯錯(cuò)誤，使得程序無法運(yùn)行。由于課題的特殊性，在演示過程中有一點(diǎn)需要特別注意。因?yàn)楸境绦蚴窍陆笛丶ぐl(fā)，各個(gè)限位開關(guān)都是很靈敏的，所以在手動(dòng)演示過程中，我必須要注意機(jī)械手必須要按照我所規(guī)定的動(dòng)作運(yùn)動(dòng)。在任何方向想如果有細(xì)微的移動(dòng)導(dǎo)致限位開關(guān)發(fā)生了跳變，程序就會(huì)記錄下來，在演示時(shí)就會(huì)發(fā)生跟手動(dòng)演示不一樣錯(cuò)誤。例如：如果手動(dòng)演示時(shí)沒有扶好，升降臂會(huì)因?yàn)樽灾氐脑蛳陆狄欢ň嚯x，限位開關(guān)跳變。當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤之后把升降臂調(diào)回到上極限位置，再次進(jìn)行下降演示。在程序在線演示時(shí)，系統(tǒng)會(huì)先實(shí)現(xiàn)因?yàn)樽灾囟鴮?dǎo)致的“下降”過程，當(dāng)下降到下限位時(shí)，機(jī)械手無法再次下降，正常狀態(tài)下的手動(dòng)下降就不能實(shí)現(xiàn)了。解決的方法是如果出現(xiàn)了因?yàn)榧捌渥陨碓驅(qū)е碌南尬婚_關(guān)跳變，則必須結(jié)束示教，本次儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)作廢，一切從頭開始。當(dāng)然，這個(gè)問題的出現(xiàn)是因?yàn)榫幊虝r(shí)不嚴(yán)謹(jǐn)導(dǎo)致的。如果把程序改成下降沿以及相對(duì)應(yīng)傳感器的上升沿激發(fā)則可以解決這個(gè)問題。比如當(dāng)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(huì)采納這次動(dòng)作。這就解決了由于系統(tǒng)自身原因產(chǎn)生的動(dòng)作干擾再現(xiàn)演示的問題。但是這個(gè)程序的實(shí)現(xiàn)難度會(huì)大大加大，也需要更多的時(shí)間編程以及調(diào)試才能實(shí)現(xiàn)。這是我在程序設(shè)計(jì)初期考慮不足導(dǎo)致的，沒有做到對(duì)所做課題中充分的調(diào)查研究。慶幸的是這個(gè)錯(cuò)誤沒有導(dǎo)致課題沒有實(shí)現(xiàn)，只需要在演示時(shí)多加注意就可以了。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所用機(jī)械手在演示時(shí)不能停留在中間狀態(tài)，這是由氣動(dòng)元件所決定的。這也在很大程度上減少了機(jī)械手所能完成動(dòng)作的種類。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備的原因，在上位界面與plc通訊時(shí)，電腦無法進(jìn)行監(jiān)控。者直接導(dǎo)致了如果程序有錯(cuò)誤，無法得知錯(cuò)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(duì)plc程序進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)成功后，在利用上位界面進(jìn)行控制。如果出現(xiàn)問題，就證明是上位界面出了差錯(cuò)。下載項(xiàng)目到S7-200 CPU，使用狀態(tài)圖在線監(jiān)控可以看到：27圖5-7 plc程序監(jiān)控圖28第六章 上位界面的設(shè)計(jì)E-view 觸摸屏的設(shè)計(jì)需要做到界面友好，操作方便等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)觸摸屏界面時(shí)，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(fù)雜，少了則無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì) E-view 屏?xí)r，還要充分考慮到每一個(gè)按鍵的性質(zhì)，因?yàn)樵谡{(diào)試 plc 程序時(shí)想要模擬按鍵是非常麻煩的。多次的改正會(huì)使畢業(yè)設(shè)計(jì)的效率很低，速度也會(huì)變得很慢。每一次下載的過程都會(huì)占用很長的時(shí)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(gè)美觀的操作界面會(huì)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(shí)間緊盯著屏幕會(huì)使眼睛產(chǎn)生疲勞感，降低工作效率。因此，E-view 屏的設(shè)計(jì)要滿足簡潔，美觀，實(shí)用等特點(diǎn)。在總界面，點(diǎn)擊“無動(dòng)力示教”按鈕，進(jìn)入我的 eview 界面。圖6-1 本設(shè)計(jì)E-view界面界面中各按鍵作用如下：演示開始：進(jìn)入初始化程序，同時(shí)進(jìn)入儲(chǔ)存程序記錄數(shù)據(jù)：開始儲(chǔ)存程序，按下此按鈕后，可以手動(dòng)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行操作。記錄結(jié)束：儲(chǔ)存停止準(zhǔn)備示教：進(jìn)入在現(xiàn)程序示教開始：開始在現(xiàn)手動(dòng)演示步驟29回原點(diǎn) ：無論機(jī)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(duì)上位界面進(jìn)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(duì)Easybuilder的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)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(jì)所使用的plc是SIEMENS S7/200，數(shù)據(jù)位設(shè)定成8位，plc站號(hào)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(jī)線插入主機(jī)箱，此時(shí)可以對(duì)觸摸屏界面進(jìn)行下載。30圖6-3 E-view下載軟件Easymanager操作界面先要選定主機(jī)使用的com口，本次下載使用的是com2口。選擇結(jié)束后，點(diǎn)擊download，系統(tǒng)就會(huì)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31圖6-5 傳輸過程圖在傳輸結(jié)束后，點(diǎn)擊jump to application按鈕，對(duì)觸摸屏進(jìn)行應(yīng)用。這時(shí)，在觸摸屏上顯示的就是剛剛上傳完畢的界面了。如果要對(duì)觸摸屏的界面進(jìn)行修改，可以選擇upload，這個(gè)按鍵的作用是將觸摸屏中的程序上傳到電腦中，方便對(duì)觸摸屏的修改。32第七章 結(jié) 論1、本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)通用機(jī)械手，相對(duì)于專用機(jī)械手，通用機(jī)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(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。3、通過對(duì)氣壓傳動(dòng)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(shí)間和避免了不必要的重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。4、機(jī)械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無論是進(jìn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)。可以根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。33結(jié)束語本文是在我尊敬的導(dǎo)師李啟光教授悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的工作作風(fēng)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(jī)電工程學(xué)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(xué)習(xí)中，機(jī)電工程學(xué)院的各位老師，以及全體同學(xué)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(dòng)的老師和同學(xué)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(xué)大學(xué)的學(xué)習(xí)環(huán)境。袁 航2008年6月3日34參考文獻(xiàn)[1]張建民.工業(yè)機(jī)器人.北京:北京理工大學(xué)出版社，1988[2]蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展戰(zhàn)略.機(jī)器人技術(shù)，2001, 4[3]金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展勢(shì)態(tài)分析.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ，2001, 2[4]王雄耀.近代氣動(dòng)機(jī)器人(氣動(dòng)機(jī)械手)的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動(dòng)與密封，1999, 5[5]嚴(yán)學(xué)高，孟正大.機(jī)器人原理.南京:東南大學(xué)出版社，1992[6]機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986[7]黃錫愷，鄭文偉.機(jī)械原理.北京:人民教育出版社，1981[8]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社[9]鄭洪生.氣壓傳動(dòng)及控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987[10]吳振順.氣壓傳動(dòng)與控制.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1995[11]徐永生.氣壓傳動(dòng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990, 5