畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）多功能取料機(jī)攜手一體化設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目： 多功能取料機(jī)械手一體化設(shè)計(jì) 系部名稱(chēng)： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 教師職稱(chēng)： 摘 要 在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給沖壓設(shè)備運(yùn)送物料。首先，本文將設(shè)計(jì)機(jī)器人的底座、大臂、小臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適

2、的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)該機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的選擇設(shè)計(jì)以及控制軟件的運(yùn)用，重點(diǎn)加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程的安全性，最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)問(wèn)題、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、機(jī)器人的示教編程和修改程序、程序的自動(dòng)運(yùn)行。關(guān)鍵詞：機(jī)器人，示教編程，伺服，自動(dòng)，制動(dòng)multifunctional material taking integrative design of manipulatorabstractin the modern large-scale

3、 manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by

4、 enterprises. the technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and

5、 take high work strength, and most of these robots work in playback way.in this paper i will design an industrial robot with four dofs, which is used to carry material for a punch. first i will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then ch

6、oose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. on this foundation, i will design the control system of the robot, including choosing daq card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. g

7、reat attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. the aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting refe

8、rence point and returning to reference point.keywords: robot playback servocontrol automatic brake目 錄第1章 緒論 11.1 機(jī)器人概述 11.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 31.3 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 5第2章 機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)及機(jī)械手的設(shè)計(jì) 62.1自由度及關(guān)節(jié) 62.2 基座及連桿 92.2.1 基座 92.2.2 大臂 92.2.3 小臂 102.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 102.4 驅(qū)動(dòng)方式 122.5 傳動(dòng)方式 152.6 制動(dòng)器 16第3章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 183.1 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 18

9、3.2 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 21第4章 結(jié)論 264.1 所完成的工作 264.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 264.3 誤差分析 264.4 可以繼續(xù)探索的方向 27致 謝 28參考文獻(xiàn) 29第1章 緒論1.1 機(jī)器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專(zhuān)用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠

10、定了良好的基礎(chǔ)?！肮I(yè)機(jī)器人”（industrial robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱(chēng)作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。 機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱(chēng)為專(zhuān)用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱(chēng)為通用機(jī)器人。簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。 機(jī)器人一般分為三類(lèi)。第一類(lèi)是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的

11、裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工操作的，稱(chēng)為操作機(jī)（manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類(lèi)是專(zhuān)業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱(chēng)之為“mechanical hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類(lèi)型，其中

12、關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過(guò)基座周?chē)囊恍┱系K物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類(lèi)似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。圖1-1 機(jī)器人的一般組成對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺(jué)裝置、視覺(jué)裝置和語(yǔ)言

13、識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。 圖1-2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴(lài)以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳

14、動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿(mǎn)足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 機(jī)器人首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。 目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改

15、進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺(jué)機(jī)能。 第三代機(jī)器人（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms(flexible manufacturing system) 和柔性制造單元fmc(flexible manufacturing cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。國(guó)際工業(yè)機(jī)器

16、人會(huì)議isir決定每年召開(kāi)一次會(huì)議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問(wèn)題。 目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，

17、針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（cim）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車(chē)間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用控制器，一般采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言作為離線(xiàn)編程工具，采用專(zhuān)用微處理器，并將控制算法固化在eprom中，這種專(zhuān)用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常

18、昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本辦法是研究和使用具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：（1）1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年，萬(wàn)能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶(hù)做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型。（2）1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車(chē)公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出sam新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車(chē)車(chē)身的焊接自動(dòng)線(xiàn)；又如，美國(guó)克萊斯勒汽車(chē)公司32條沖壓自動(dòng)線(xiàn)上

19、的448臺(tái)沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。（3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開(kāi)了第一屆全國(guó)工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬(wàn)能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車(chē)車(chē)輪生產(chǎn)自動(dòng)線(xiàn)。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型機(jī)器人。其他國(guó)家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開(kāi)始以美國(guó)的“ver

20、satran”和“unimate”型機(jī)器人為藍(lán)本開(kāi)始進(jìn)行研制的。就日本來(lái)說(shuō)，1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國(guó)的“versatran”,川崎重工公司引進(jìn)“unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過(guò)引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國(guó)產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國(guó)并超過(guò)其他國(guó)家。經(jīng)過(guò)大約10年的實(shí)用化時(shí)期以后，從1980年開(kāi)始進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。我國(guó)雖然開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國(guó)已開(kāi)始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。1.3機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器

21、人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人。 b)開(kāi)發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類(lèi)型的場(chǎng)合，如開(kāi)發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開(kāi)發(fā)各類(lèi)行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合。 c)研制各類(lèi)傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周?chē)耐饨绛h(huán)境信息

22、、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。第2章 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及機(jī)械手的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)物料搬運(yùn)機(jī)器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報(bào)廢的焊接機(jī)器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要偏向于對(duì)原有機(jī)構(gòu)的改造和機(jī)械手的設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中，機(jī)械人的主要功能是：識(shí)別并抓取工件，然后將工件放到指定位置；主要?jiǎng)幼靼ǎ簥A緊、提升、平行移動(dòng)、下降、松開(kāi)，回到原位置。其本體設(shè)計(jì)如圖2-1 所示。2.1自由度及關(guān)節(jié) 圖2-1該機(jī)器人具有四個(gè)自由度 ，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；還有一個(gè)用于夾持物料的機(jī)械手。根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選

23、擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。常見(jiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有四種，下面分別論述其特點(diǎn)，然后確定運(yùn)動(dòng)形式。2.11.直角坐標(biāo)型機(jī)器人 直角坐標(biāo)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-1所示，它在x,y,z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，3個(gè)關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線(xiàn)相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測(cè)和作業(yè)。這種形式的主要特點(diǎn)是： (1)在三個(gè)直線(xiàn)方向上移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易想象。 (2)計(jì)算比較方便。 (3)由于可以?xún)啥酥?，?duì)于給定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，其剛性最大。 (4)要求保留較大的移動(dòng)空間，占用空間較大。 (5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。 (6)滑動(dòng)部件表面的密封較困難，容易被污染。2.12圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人圓柱

24、坐標(biāo)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-2所示，r、和x為坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)，其中r是手臂的徑向長(zhǎng)度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點(diǎn)是：(1)容易想象和計(jì)算。(2)能夠伸入形腔式機(jī)器內(nèi)部。(3)空間定位比較直觀(guān)。(4)直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。(5)手臂端部可以達(dá)到的空間受限制，不能到達(dá)靠近立柱或地面的空間。2.13.極坐標(biāo)型機(jī)器人 極坐標(biāo)型機(jī)器人又稱(chēng)為球坐標(biāo)機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)圖如圖1-3所示，r，和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角，是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動(dòng)角。這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡表面是半球面。其特點(diǎn)是： (1)在中心支架附近的工作范圍較大

25、。 (2)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置容易密封。 (3)覆蓋工作空間較大。 (4)坐標(biāo)系較復(fù)雜，較難想象和控制。 (5)直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封問(wèn)題。 (6)存在工作死區(qū)。2.14.多關(guān)節(jié)機(jī)器人 多關(guān)節(jié)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-4所示，它是以其各相鄰運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)角位移作為坐標(biāo)系的。、和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)，其中是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，是過(guò)底座的水平線(xiàn)與第一臂之間的夾角，是第二臂相對(duì)于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機(jī)器人手臂可以達(dá)到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達(dá)到區(qū)域的形狀取決于兩個(gè)臂的長(zhǎng)度比例。其特點(diǎn)是：(1)動(dòng)作較靈活，工作空間大。(2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)處容易密封防塵。(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。(4) 適合于電動(dòng)機(jī)

26、驅(qū)動(dòng)。(5)運(yùn)動(dòng)難以想象和控制，計(jì)算量較大。(6)不適于液壓驅(qū)動(dòng)。 圖1-1 直角坐標(biāo)型 圖1-2 圓柱坐標(biāo)型 圖1-3 極坐標(biāo)型 圖1-4 多關(guān)節(jié)型 選擇方案的準(zhǔn)則：1.滿(mǎn)足設(shè)設(shè)計(jì)要求：機(jī)械手能夠旋轉(zhuǎn)一定角度。2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于計(jì)算分析。分析比較以上四種運(yùn)動(dòng)形式，確定選用多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人。2.2基座及連桿2.2.1 基座基座是整個(gè)機(jī)器人本體的支撐。為保證機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用兩塊“z”字形實(shí)心鑄鐵作支撐?；厦媸墙泳€(xiàn)盒子，所有電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反饋信號(hào)都從中出入。接線(xiàn)盒子外面，有一個(gè)引入線(xiàn)出口和一個(gè)引出線(xiàn)出口。2.2.2 大臂大臂長(zhǎng)度230mm，具體尺寸如圖2-2所示： 圖2-2 大臂外

27、形2.2.3 小臂小臂長(zhǎng)度240mm，具體尺寸如圖2-3所示：圖2.-3小臂外形2.3機(jī)械手的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的手又稱(chēng)為末端執(zhí)行器，它使機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專(zhuān)用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類(lèi)：（1） 夾鉗式取料手（2） 吸附式取料手（3） 專(zhuān)用操作器及轉(zhuǎn)換器（4） 仿生多指靈巧手本文設(shè)計(jì)對(duì)象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。手指是直接與工件接觸的部件。手指

28、松開(kāi)和夾緊工件，是通過(guò)手指的張開(kāi)與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖2-4所示圖2-4 機(jī)械手手指形狀 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開(kāi)合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖2-5為初步設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（只畫(huà)出了一半，另外一半關(guān)于中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)）。 圖2-5 機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 在圖2.4中，o為電機(jī)輸出軸，曲柄oa、連桿ab、滑塊b和支架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；滑塊b、連桿bc、搖桿ce和支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過(guò)兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動(dòng)de的來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。 圖2.4中的黑線(xiàn)和藍(lán)線(xiàn)表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個(gè)極限位置。

29、為便于手指的順利合攏，可以在兩個(gè)手指之間設(shè)置一個(gè)彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。 另外，在選用電機(jī)的時(shí)候，要使電機(jī)的功率足以克服彈簧的收縮和張開(kāi)，并且提供足夠加緊物體的力。 圖2-6為采用虛擬樣機(jī)軟件adams來(lái)分析所設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作狀況。圖2-6 虛擬樣機(jī)場(chǎng)景下面更進(jìn)一步計(jì)算出所需要的電機(jī)力矩。圖2-7 力矩變化情況從圖2-7中看到，起始階段須克服的彈簧力最大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩必須大于550nmm，這為電機(jī)的挑選提供了一定的依據(jù)。2.4驅(qū)動(dòng)方式 該機(jī)器人一共具有四個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，一共需要五個(gè)動(dòng)力源。機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類(lèi)型。這三種方法

30、各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)表2.1：表2.1三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照內(nèi)容驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出功率 很大，壓力范圍為50140pa大，壓力范圍為4860pa，最大可達(dá)pa 較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜響應(yīng)速度 很高較高 很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封

31、問(wèn)題較大結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除dd電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)防爆性能好，高于1000kpa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差對(duì)環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染排氣時(shí)有噪聲無(wú)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度

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

33、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要?。?）經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。表2.2為選定的各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)及其相關(guān)參數(shù)。表2.2機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)電機(jī)參數(shù)腰關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)手爪型號(hào)maxon2332maxon2332maxon2332multiplexstell-servomultiplexstell-servo額定電壓18v18v18v6v6v額定轉(zhuǎn)矩18.2 nm18.2 nm18.2 nm10.3 nm10.3 nm最大轉(zhuǎn)矩67.4nm67.4nm67.4nm額定轉(zhuǎn)速7980rpm7980rpm

34、7980rpm5460rpm5460rpm最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子慣量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm腰關(guān)節(jié)手抓為備選電機(jī)，控制系統(tǒng)中沒(méi)用，用于改進(jìn)設(shè)計(jì)。2.5傳動(dòng)方式由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕；（2）傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)；（3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置

35、控制精度；（4）壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。 本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來(lái)傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動(dòng)。 齒形帶傳動(dòng)原理如圖2-8所示。齒輪帶的傳動(dòng)比計(jì)算公式為 齒輪帶的平均速度為 圖2-8 齒形帶傳動(dòng)2.6制動(dòng)器制動(dòng)器及其作用：制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)動(dòng)的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動(dòng)器和電氣制動(dòng)起兩類(lèi)。在

36、機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動(dòng)器的情況如下： 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 停電時(shí)，防止運(yùn)動(dòng)部分下滑而破壞其他裝置。機(jī)械制動(dòng)器： 機(jī)械制動(dòng)器有螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器、盤(pán)式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器等幾種。其中最典型的是電磁制動(dòng)器。 在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常使用伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動(dòng)器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動(dòng)器就是用彈簧力制動(dòng)的盤(pán)式制動(dòng)器，只有勵(lì)磁電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)制動(dòng)器打開(kāi)，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開(kāi)線(xiàn)圈中無(wú)勵(lì)電流時(shí)，在彈簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動(dòng)器被稱(chēng)為無(wú)勵(lì)磁動(dòng)型電磁制動(dòng)器。又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用于安全制動(dòng)場(chǎng)合，所以也稱(chēng)為

37、安全制動(dòng)器。電氣制動(dòng)器 電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí)也能通過(guò)其反過(guò)程來(lái)達(dá)到制動(dòng)的目的。但對(duì)于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類(lèi)型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。 本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未安裝機(jī)械制動(dòng)器，因此機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)因?yàn)橹亓σ蛩囟侣?。另外，由于各方面限制，不方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動(dòng)器，所以只能通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動(dòng)。 采用電氣制動(dòng)器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)又具有制動(dòng)功能，這是非常理想的情況，而在機(jī)器

38、人上安裝機(jī)械制動(dòng)器會(huì)使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。缺點(diǎn)在于：這種方法不如機(jī)械制動(dòng)器工作可靠，斷電的時(shí)候?qū)⑹ブ苿?dòng)作用。第3章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.11 plc概況及在機(jī)械手中的應(yīng)用1. 可編程序控制器的應(yīng)用和發(fā)展概況可編程序控制器（programmable controller），現(xiàn)在一般簡(jiǎn)稱(chēng)為plc（programmable logic controller），它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通 信網(wǎng)絡(luò)技發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。以其顯著的優(yōu)點(diǎn)在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)

39、控制三大支柱之一。在可編程序控制器問(wèn)世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于掌握、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用甚廣。但是控制裝置體積大、動(dòng)作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線(xiàn)構(gòu)成系統(tǒng)，接線(xiàn)繁雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對(duì)象改變時(shí)，原有的接線(xiàn)刻控制盤(pán)（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。2.plc的應(yīng)用概況plc的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，并在迅速擴(kuò)大，對(duì)于而今的plc幾乎可以說(shuō)凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要plc，尤其近幾年來(lái)plc的性?xún)r(jià)比不斷提高已被廣泛應(yīng)用在冶金、機(jī)械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。按plc的控制類(lèi)型，其應(yīng)用大致可分為

40、以下幾個(gè)方面。1）. 用于邏輯控制這是plc最基本，也是最廣泛的應(yīng)用方面。用plc取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機(jī)床的電氣控制、包裝機(jī)械的控制、自動(dòng)電梯控制等。2）. 用于模擬量控制plc通過(guò)模擬量i/o模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量控制。3）. 用于機(jī)械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代plc具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機(jī)械加工中的數(shù)字控制（nc）及計(jì)算機(jī)控制（cnc）緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。4）. 用于工業(yè)機(jī)器人控制5）. 用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的plc具有較強(qiáng)的通信聯(lián)通能力，可實(shí)現(xiàn)plc與plc之間、plc與遠(yuǎn)程i/o之間、plc與上位機(jī)之間的通信。從而形成多層分布式控

41、制系統(tǒng)或工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。3. plc的特點(diǎn)1）. 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)plc能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等中可靠地工作，plc的平均無(wú)故障間隔時(shí)間高，日本三菱公司的f1系列plc平均無(wú)故障時(shí)間間隔長(zhǎng)達(dá)30萬(wàn)h，這是一般微機(jī)所不能比擬的。2）. 控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)由于plc是采用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，對(duì)同一控制對(duì)象，當(dāng)控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時(shí)，不必改變plc的硬件設(shè)備，只需相應(yīng)改變軟件程序。3）. 編程簡(jiǎn)單、使用、維護(hù)方便4）. 組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣plc既可用于開(kāi)關(guān)量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機(jī)控制，又可用于組成多級(jí)控制系

42、統(tǒng)；既可控制簡(jiǎn)單系統(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。因此，plc應(yīng)用范圍很廣。5）. 體積小、重量輕、功耗低plc采用了半導(dǎo)體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時(shí)功耗也很低，空載功耗約1.2kw。5.plc在機(jī)械手中的應(yīng)用機(jī)械手通常應(yīng)用于動(dòng)作復(fù)雜的場(chǎng)合來(lái)代替人的反復(fù)的操作，從而節(jié)省人的勞動(dòng)，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經(jīng)常被應(yīng)用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的電氣及流水線(xiàn)控制，而plc以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng);控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng);編程簡(jiǎn)單、使用、維護(hù)方便;組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣; 體積小、重量輕、功耗低等有點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于類(lèi)似機(jī)械手的控制動(dòng)作復(fù)雜的場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)正是以plc控制為基礎(chǔ)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各

43、種動(dòng)。圖3.1 plc硬件接線(xiàn)圖本次設(shè)計(jì)中選用了西門(mén)子 s7-200 系列機(jī) cpu226 型，其輸入、輸出接口將能滿(mǎn)足控制要求。其硬件接線(xiàn)圖如圖 5 所示。為了保護(hù)plc輸出繼電器,在電磁鐵的兩端各并聯(lián)一阻容吸收電路,防止在感性負(fù)載斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或浪涌電流對(duì)plc輸出點(diǎn)及內(nèi)部電源的沖擊。采用 plc 控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手做點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，選用光電脈沖編碼器作為傳感器來(lái)反饋信號(hào)。在機(jī)械手的手腕仰俯電機(jī)中，由于是電動(dòng)機(jī)與齒形帶連接減速之后直接帶動(dòng)，光電編碼器直接安裝于機(jī)械手控制上。光電編碼器的輸出直接通過(guò) plc 的高速記數(shù)單元與 plc 進(jìn)行連接，plc 再通過(guò)高速記數(shù)單元將控制信號(hào)發(fā)

44、送給電機(jī)。3.2.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)機(jī)器人有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式。在手動(dòng)操作方式下,各種動(dòng)作都是用按鈕控制來(lái)實(shí)現(xiàn),其控制程序可單獨(dú)設(shè)計(jì),與自動(dòng)工作方式控制程序相對(duì)獨(dú)立。因此總程序設(shè)計(jì)成兩段獨(dú)立的部分：自動(dòng)操作程序和手動(dòng)操作程序。手動(dòng)操作主要用于檢修調(diào)整,通過(guò)按鈕對(duì)機(jī)器人的每一步動(dòng)作進(jìn)行單獨(dú)控制。例如,當(dāng)選擇小臂伸/縮運(yùn)動(dòng)時(shí),按下啟動(dòng)按鈕,小臂伸出；按下停止按鈕,小臂縮回。其它動(dòng)作以此類(lèi)推。這樣,其控制較簡(jiǎn)單,可按照一般繼電器控制系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)法來(lái)設(shè)計(jì)。在正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人處于自動(dòng)操作方式。光耦合器檢測(cè)到工件，機(jī)械手臂開(kāi)始由原點(diǎn)下降，碰到下限位開(kāi)關(guān)后，停止下降并接通夾緊電磁閥夾緊工件，為保證工

45、件可靠加緊在該位置等待5s。夾緊后，手臂上升電磁閥通電開(kāi)始上升，上升到頂碰到上限位開(kāi)關(guān)，停止上升，改向順時(shí)針回轉(zhuǎn) 90，碰到順轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)停止回轉(zhuǎn)，改為手臂前伸，前伸碰到前限位開(kāi)關(guān)，停止前伸，改為下降至下限位開(kāi)關(guān)，下降電磁閥斷電，停止下降，同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手將工件松開(kāi)，放在目標(biāo)位上，為確保可靠松開(kāi)，在該位置停留5s，然后手臂縮回碰到后限位開(kāi)關(guān)，后電磁閥斷電后改為上升，上升至原點(diǎn)碰到限位開(kāi)關(guān)停止，上升電磁閥斷電。機(jī)械手回轉(zhuǎn)到原位，回轉(zhuǎn)電磁閥斷電，停止回轉(zhuǎn)。至此，機(jī)械手搬運(yùn)一個(gè)工件的全過(guò)程結(jié)束。機(jī)器人又重復(fù)上述動(dòng)作。這是一個(gè)典型的按順序動(dòng)作的步進(jìn)控制系統(tǒng),可用plc的步進(jìn)指令編程。圖 6 機(jī)

46、器人自動(dòng)操作程序圖圖 3.23為機(jī)器人的自動(dòng)操作程序的plc梯形圖。機(jī)器人采用 plc 控制技術(shù)，其電氣控制系統(tǒng)線(xiàn)路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的可靠性高,功能強(qiáng),整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、精確,同時(shí)還可根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展。第4章 結(jié)論4.1 所完成的工作（1） 對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改造 本文利用的是報(bào)廢的焊接機(jī)器人，要改造成送料機(jī)器人，不但要對(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，還要重新布線(xiàn)。（2） 設(shè)計(jì)機(jī)械手具體步驟及驅(qū)動(dòng)電路 機(jī)械部分是機(jī)械手的骨架和主體是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，驅(qū)動(dòng)控制部分是是其大腦神經(jīng)中樞，（3） 控制軟件程序的設(shè)計(jì) 軟件是機(jī)器人的“大腦思維”，軟件的設(shè)計(jì)就是將人的意志賦予機(jī)器人的“大腦”。4.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)（1） 底座設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體不合理當(dāng)腰關(guān)節(jié)在不同的位置時(shí)，肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的下限不同，不便于編程；最好將底座設(shè)計(jì)成圓柱體，并且下面帶有法蘭支撐。 （2） 最好安裝機(jī)械制動(dòng)裝置 僅依靠程序來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)并不可靠，例如突然掉電，將無(wú)法制動(dòng)。 （3） 電機(jī)上應(yīng)安裝放電回路 電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)線(xiàn)圈，在電機(jī)啟動(dòng)或者停止瞬間，會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，很可能會(huì)對(duì)電路中的元器件造成破壞，所以要加上穩(wěn)壓或者續(xù)流元件。4.3 誤差分析 本文中每個(gè)關(guān)節(jié)的角度誤差在2左右，由于是開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)，所