機(jī)械手-氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),機(jī)械手,氣動(dòng),回轉(zhuǎn),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(guó)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(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)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(zhǎng)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(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)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(lái)越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)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(jiǎn)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。 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?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)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(lái)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(wú)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)。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)。 (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?？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)。 (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(guò)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(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)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(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、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)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(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)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(lái)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(guò)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(lái)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(jiǎn)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(jiǎn)單。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(guò)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(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過(guò)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(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)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(wàn)美元降至97年的65萬(wàn)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(guó)外已有模塊化裝配機(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(lái)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(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)境中的感覺來(lái)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(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)用的最著名實(shí)例。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)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(guó)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(guó)家的支持下，通過(guò)“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(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，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;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)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(wàn)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(guó)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(zhǎng)、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(guó)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(wú)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(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)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(guó)人口老齡化的提前到來(lái)，近來(lái)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(guó)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。。 現(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(guò)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(chǎng)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(wèn)題. （2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)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 圖2-1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖 Fia.2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator 2.2 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(guò)立柱來(lái)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(lái)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(guò)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。平均移動(dòng)速度為0.08m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為。 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 0. 2、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 回轉(zhuǎn)速度 5、手腕運(yùn)動(dòng)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(dòng)方式 氣壓傳動(dòng) 12、控制方式 點(diǎn)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(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(gòu)，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要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng), 則驅(qū)動(dòng)力： （2）. 測(cè)定手腕質(zhì)量為5kg,設(shè)計(jì)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(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。 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.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)?。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)所用的力為 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(zhǎng)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(zhǎng)細(xì)比 時(shí) 當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 時(shí) 式中 活塞桿計(jì)算長(zhǎng)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=1/5000 3.1.3.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(lái)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(lái)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(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間0.5s,壓強(qiáng), 則力矩： 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： =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(dòng)力矩 =18+3.6=21.6 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。 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(guò)快換接頭進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，經(jīng)分水過(guò)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。 圖4-1 機(jī)械手氣壓傳動(dòng)原理圖 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(jiǎn)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(lái)完成。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來(lái)調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。 為簡(jiǎn)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(lái)確定的。 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(guò)程 5.1.1 可編程序控制器的選擇 目前，國(guó)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(guó)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(chǎng)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(jiǎn)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(wàn)計(jì)的成功應(yīng)用案例，無(wú)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(lái)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(jiǎn)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 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(lái)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 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(guò)程 可編程序控制器是通過(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)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(guò)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(wèn)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 · 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(jiǎn)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 · 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(lái)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(lái)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(zhǎng)度 （二進(jìn)制位） 數(shù)據(jù)類型 取值范圍 BOOL（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(wú)符號(hào)整數(shù) 0 ~ 255；0 ~ FF（Hex） INT（整數(shù)） 16 （字） 有符號(hào)整數(shù) - 32768 ~ 32767； 8000 ~ 7FFF（Hex） WORD（字） 無(wú)符號(hào)整數(shù) 0 ~ 65535； 0 ~ FFFF（Hex） DINT （雙整數(shù)） 32 （雙字） 有符號(hào)整數(shù) - 2147483648 ~ 2147483647 8000 0000 ~ 7FFF FFFF（Hex） DWORD （雙字） 無(wú)符號(hào)整數(shù) 0 ~ 4294967295； 0 ~ FFFF FFFF（Hex） REAL （實(shí)數(shù)） 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 8/個(gè) （字節(jié)） 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） 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(wú)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(wú)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(wú)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)樵趐lc內(nèi)部并沒有用到Q0.3,因此我在編程過(guò)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位地址提取出來(lái)，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(wú)動(dòng)力示教。 還有一個(gè)很重要的問(wèn)題是在演示過(guò)程中的時(shí)間問(wèn)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(lái)，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(lái)，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(guò)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(wú)法運(yùn)行。 由于課題的特殊性，在演示過(guò)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(guò)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(lái)，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(guò)程，當(dāng)下降到下限位時(shí)，機(jī)械手無(wú)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wú)法進(jìn)行監(jiān)控。者直接導(dǎo)致了如果程序有錯(cuò)誤，無(wú)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(wèn)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： 圖5-7 plc程序監(jiān)控圖 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(wú)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(guò)程都會(huì)占用很長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)潔，美觀，實(shí)用等特點(diǎn)。 在總界面，點(diǎn)擊“無(wú)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 回原點(diǎn) ：無(wú)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(yè)：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。 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 圖6-5 傳輸過(guò)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。 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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)設(shè)定PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢愿鶕?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)。 結(jié)束語(yǔ) 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\(chéng)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(lái)為我的成長(zhǎng)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 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(guó)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 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