畢業(yè)設計（論文）-基于plc的液壓傳動鉆孔機械手控制系統(tǒng)設計

1、基于plc的液壓傳動鉆孔機械手控制系統(tǒng)設計摘要本文章是根據(jù)目前國內(nèi)外機械人的發(fā)展趨勢選用PLC 控制的液壓機械手進行研究。它采用了一種四自由度多關(guān)節(jié)坐標點位伺服控制機器人，它的控制方式由一個目標點移向另一個目標點，只是在這個目標點上完成操作。選擇液壓其原因主要是液壓壓力高，可以獲得很大的輸入力，流量輕便簡單，可實現(xiàn)無級調(diào)速，反應靈敏。該鉆孔式機械手是由各種機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制裝置等組成的一種鉆孔式專用工業(yè)機械手，是比較典型的機電液一體化的系統(tǒng)。在工業(yè)領域被廣泛使用。液壓部分在整個系統(tǒng)中來說是比較重要的一部分，在這個新的液壓部分系統(tǒng)中，是由PLC通過自動控制其上下運動電磁閥的一根自動電磁管鑄

2、鐵，進一步的來實現(xiàn)對于一個工業(yè)機械手各個人體運動系統(tǒng)動作的自我控制。在通過系統(tǒng)分析對輸入和輸出數(shù)據(jù)采集的需求，合理的選擇PLC控制系統(tǒng)3、IO模塊、AD模塊進行信息轉(zhuǎn)換。之后通過繼電器梯形圖語言（LD）編程實現(xiàn)機身旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮完成鉆孔。然后在繪制液壓原理圖以及機械手的設計。本課題的研究是將機械與計算機相互結(jié)合，體現(xiàn)出機電一體化的優(yōu)越性。同時也符合時代需求，不僅僅是單純的傳統(tǒng)機械。而是一種靈活性與通用性相結(jié)合的機械式電子設備，能夠讓使用者具有各種類似與人或其他生物體的動作和功能，同時也具有一定程度的智能，自主地進行一些操作。所以對這種“機-電-液”組成的自動化控制裝置的研究就十分有必要了。使其

3、能夠不斷的推廣到各個領域，不斷的豐富和提升人類的生產(chǎn)和生活。關(guān)鍵詞：機械手、PLC、液壓Design of control system for hydraulic drilling manipulator based on plcAbstractAccording to the development trend of robots at home and abroad at present, the hydraulic manipulator controlled by PLC is selected for research in this paper. It is a four-deg

4、ree-of-freedom multi-joint coordinate point servo control robot. Its control mode moves from one target point to another, and only completes the operation on the target point. The reasons for choosing hydraulic pressure are high hydraulic pressure, large output force, easy flow control, stepless spe

5、ed regulation and sensitive response. The manipulator is a drilling industrial manipulator composed of mechanical system, driving system and control system, which is a typical electromechanical and hydraulic integrated system. It is widely used in the industrial field. The hydraulic part is an impor

6、tant part of the whole system. In this hydraulic system, PLC controls the electromagnet of its electromagnetic valve to further control the actions of the industrial manipulator. Through systematic analysis of the demand for input and output data collection, PLC control system, I/O module and A/D mo

7、dule are reasonably selected for information conversion. After that, through relay ladder diagram language (LD) programming, the machine body rotates and the arm expands and contracts to complete drilling17. Then draw the hydraulic schematic diagram and design the manipulator. The research of this s

8、ubject is to combine machinery with computer, which shows the superiority of mechatronics. At the same time, it also meets the needs of the times, not just traditional machinery. It is a kind of mechanical and electronic device with flexibility and universality, which can have the action function si

9、milar to that of human beings or other organisms, and at the same time has a certain degree of intelligence to complete some operations autonomously. Therefore, it is necessary to study the automatic control device composed of "mechanical-electrical-hydraulic". So that it can be continuous

10、ly extended to various fields, and constantly enrich and enhance human production and life. Key words: manipulator、PLC、hydraulic pressure目錄第一章 緒論11.1課題研究價值及意義11.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11.3主要研究內(nèi)容3第二章 機械手的總體設計32.1機械手的基本結(jié)構(gòu)32.2設計依據(jù)62.2.1傳動方案的設計62.2.2本參數(shù)的確定62.3 機械手的運動學分析62.3.1剛體的姿態(tài)介紹72.3.2齊次坐標變換72.3.3連桿變換矩陣82.4機械手正運動

11、學92.5機械手逆運動學11第三章 液壓系統(tǒng)方案的設計123.1液壓系統(tǒng)的初步擬定123.2液壓系統(tǒng)的設計計算133.2.1底座回轉(zhuǎn)缸的計算133.2.2手臂擺動缸的計算153.2.3手臂伸縮缸的計算163.3液壓系統(tǒng)主要的參數(shù)確定173.3.1液壓系統(tǒng)工作壓力的選擇173.3.2液壓缸的尺寸設計183.3.3液壓馬達的排量計算19第四章 PLC控制系統(tǒng)的設計204.1可編程控制器的概述204.1.1可編程控制器(PLC)的簡介204.1.2可編程控制器的組成204.1.3 PLC 的基本工作原理214.2 PLC控制電路的設計214.3控制面板的相關(guān)設計23致謝24參考文獻25 第一章 緒論

12、1.1課題研究價值及意義由于時代的發(fā)展和科技的進步，工業(yè)機械手(以下簡稱機械手)已經(jīng)逐漸融入人類社會的生產(chǎn)生活中，它已成為人們工業(yè)生產(chǎn)中一種必備的新技術(shù)。在自動化控制方向中一大新型技術(shù)領域，逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代制造和生產(chǎn)管理系統(tǒng)的一個重要組成部分。是機械手的出現(xiàn)讓工業(yè)水平得到迅速的提升，在沒有機械手之前，人們只能靠自身的勞動去完成一些高強度的工作，不僅浪費時間而且工作精準度也不高，導致生產(chǎn)水平低下，工業(yè)產(chǎn)品嚴重滯后。更嚴重的會影響整個國家的經(jīng)濟水平，對我國實現(xiàn)現(xiàn)代化的夢想產(chǎn)生了巨大的阻礙。國家必須要投入大量的資金去研發(fā)，只有科技才能強國。所以機械手的研究是提高國家生產(chǎn)水平不可或缺的關(guān)鍵一步。機械手

13、的優(yōu)點是它不僅可以部分代替人工進行高強度操作，還可以完成人工不易完成的工作。大大的減少了工人們的勞動和生產(chǎn)時間，提高了企業(yè)的勞動生產(chǎn)率，加快推進工業(yè)機械化以及現(xiàn)代自動化的進程。目前為止機械手已經(jīng)被各個國家廣泛使用。因此現(xiàn)在隨著機械手的發(fā)展以及市場需求的不斷提高，那么傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差、故障率高的問題也就隨之出現(xiàn)了。機械手剛研發(fā)的時候，由于技術(shù)不成熟，機械比較笨重、繁雜，生產(chǎn)效率并不高，給工業(yè)化生產(chǎn)帶來諸多不便。為了能進一步提高生產(chǎn)效率，必要重新研發(fā)新技術(shù)。經(jīng)過一系列的探索，針對以上的問題若采用性價比比較高的可編程序控制器PLC設計控制系統(tǒng)，可以很好的改善這些問題。同時也可以將工業(yè)生產(chǎn)領域做

14、出新的技術(shù)突破，帶給人類更加便捷的生活方式，使人們逐漸進入新的智能化、自動化的發(fā)展階段。1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢機械手臂是機器人技術(shù)發(fā)展的過程中衍生而來的一個分支，是一種先進、智能化的新型設備。其可通過編程方式來完成各類預期作業(yè)任務，雖然不能達到人手的那種靈活程度，但可以實現(xiàn)高強度的持續(xù)作業(yè)。大大降低參加工人的勞動強度，也極大提高了加工企業(yè)的平均勞動生產(chǎn)率，因此被各個國家廣泛使用，促使機械手領域得到了蓬勃的發(fā)展。我國機械手技術(shù)的發(fā)展史源于美國。1958年時美國的聯(lián)合控制公司想方設法研發(fā)了第一臺能夠進行操縱工作的機械人。其基本結(jié)構(gòu)是在機身上安裝一個手臂，這個人的頭部是可以進行高速回轉(zhuǎn)，在其頂部直

15、接安裝一個具有電磁塊的人體工件捕捉裝置，其控制單元也都是示教圖案。在經(jīng)過四年的探索和改進，美國聯(lián)合公司經(jīng)過不斷的探索和改進終于設計制造了一臺新型的數(shù)控示教模擬再現(xiàn)型機械手，命名為Unimate(即萬能自動)，他的模型設計原理是按照坦克的炮塔，其手臂可以進行回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、驅(qū)動的方式都是液壓型；機械手操縱控制單元一開始就由簡單磁鼓組成的機器人來作為內(nèi)容存儲 2。之后絕大多數(shù)的球-坐標類型機械手都是根據(jù)這種技術(shù)的基礎衍生而來。同年，此公司又開始研發(fā)出一種新型機械手，名為Versatran機械手。此類新型機械手對于中央移動立柱也同樣能夠具有自動回轉(zhuǎn)、升降操作功能,也是一種能夠采用新型液壓機械驅(qū)動操

16、作方式的新型機械手,同樣也可分屬于一種示教式和再現(xiàn)式的新型機械手。這兩類工業(yè)機械手均已發(fā)展成為國內(nèi)外專門的為研究我國工業(yè)機械手臂的發(fā)展趨勢奠定了堅固的技術(shù)基石13。日本對于使用機器手和人手的制造行業(yè)研究發(fā)展雖然比歐和美國晚,但是由于日本最近更喜歡國外引入并不斷學習國外先進的的科學家和技術(shù)。自從1967年7月日本川崎重工業(yè)公司率先從一家美國公司引進了先進的制造機械手段和制造設備技術(shù)后,日本政府在其工業(yè)技術(shù)、政策、教育和發(fā)展市場經(jīng)濟上都大力地對其采用了一些相關(guān)改進措施并不斷使其產(chǎn)業(yè)取得了快速的成功和快速發(fā)展。自此以后現(xiàn)在日本的現(xiàn)代工業(yè)機械手快速地逐步進入了達到機床實驗中投入應用的新階段,并且也由此

17、開始逐步地逐漸進入了達到成熟工業(yè)產(chǎn)品大量研發(fā)投入市場應用的發(fā)展階段,在20世紀80年代就在汽車與電子等各大行業(yè)大量的使用工業(yè)機械手,從此以后工業(yè)機械手就開始被廣泛使用16。之后,德國的瑞土的一家工業(yè)有限責任公司根據(jù)之前的工藝設計經(jīng)驗自己研發(fā)出了一種新型的涂漆機械手,它們都是直接采用了示教的方法進行編程。自從1970年,德國的機器人工廠就已經(jīng)開始進行研發(fā)機械手,其中 kuka 公司也已經(jīng)開發(fā)出一種稱為點焊機械手,主要目的就是利用這種關(guān)節(jié)形狀的結(jié)構(gòu)及程序進行控制。它主要作業(yè)有三類:起重、焊接。1978年,美國unimate公司與美國麻省理工學院、斯坦福大學共同合作研制了一種un

18、imate-vicarm型用于工業(yè)化全自動化的專用機械手,其主體結(jié)構(gòu)設計特點之一就是通過手上安裝一臺小型的專用電子自動計算機系統(tǒng)來對其操作進行人工操縱和自動控制,其中的定位精度誤差最小可以直接達到不大于±1毫米的定位精度9。使機械手裝置更加精密、穩(wěn)定、更加具有實用性。當前，世界上機械手的發(fā)展無論是技術(shù)水平還是從裝備的數(shù)量上來看，大多數(shù)都集中在以歐美為代表的國家和地區(qū)。但是，隨著中國等發(fā)展國家的不斷追趕，世界機械手的發(fā)展及需求格局發(fā)生了翻天覆地的變化。中國現(xiàn)代工業(yè)機器手的起步比較晚,開始于1970年左右,剛剛起步最主要的時候就是以吸引先進技術(shù)和設備為主,來減輕工人的勞動強度。1972年

19、,中國在上海成功地研制了生產(chǎn)并推出第一臺自動化的機械手。隨后,各種大型企業(yè)都開始了自己的設備,并且也被廣泛地使用。1986年后,政府的第七個五年行動計劃決定優(yōu)先發(fā)展新型工業(yè)機器。他們也開始了建設各類項目,大量地投入了財力物力去學習研究如何把工業(yè)機器手運用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。此外專用機器手的零部件也都陸續(xù)量產(chǎn)，例如專用的軸承、傳感器、伺服電動機等一系列的配件被廣泛生產(chǎn)使用。再者中科院沈陽自動化研究所與北京科技大學機械人研究所共同研制出核心部件控制器1。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，自動控制領域普以及機械制造業(yè)的發(fā)展，我國在許多工業(yè)上應用了機器人控制技術(shù)，并取得了快速的發(fā)展；智能化、柔性化、網(wǎng)絡化、人性化和編程

20、化圖形的新型工業(yè)機械手逐漸融入這個時代并不斷的蓬勃發(fā)展。 進年來的機械手層出不窮，其技術(shù)已經(jīng)十分成熟了。尤其是智能仿生機械手，由英國生產(chǎn)的一種利用智能手機控制的機械手，基本上可以代替真正的人手，有著靈活的五指，而且各個手指都可以旋轉(zhuǎn)。一位英國的男孩應患疾病，替換了該款仿生機械手，不僅可以完成人手的一些微動作，甚至還有人手的觸感。在未來的幾年，隨著科技的突飛猛進，想必會出現(xiàn)更加智能化、人性化的機械手，為人類的生產(chǎn)生活帶來更多的益處。1.3主要研究內(nèi)容一般而言,機械手的結(jié)構(gòu)主要可分為執(zhí)行器機構(gòu)、驅(qū)動器系統(tǒng)、控制器和位置自動檢測設備等。該機械手通過觸摸屏和PLC的控制下對液壓系統(tǒng)發(fā)出指令,在通過液壓

21、驅(qū)動系統(tǒng)完成機械手的旋轉(zhuǎn)、伸縮、擺動等一系列動作。機械手的作用和執(zhí)行機構(gòu)主要是通過進行運動和壓力的傳遞;驅(qū)動系統(tǒng)是一個機械手臂的主要動力來源,它們可以是空氣和風力。也可以是液壓或者電動的。位置檢測設備相當于一個傳感器,主要是實現(xiàn)機器人的內(nèi)部狀況和外部環(huán)境情況的監(jiān)測7。其主要設計內(nèi)容如下：1、設計計算機身機座的結(jié)構(gòu)尺寸。2、設計機械手連桿機構(gòu)。對所設計的平面連桿機構(gòu)進行速度分析。3、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設計及液壓原理圖。4、PLC控制系統(tǒng)各個模塊的選用和電路設計。第二章 機械手的總體設計2.1機械手的基本結(jié)構(gòu)按機械手的結(jié)構(gòu)坐標系特點可分為四類：a)直角坐標型如上圖 a )所示的是一

22、種機械手,在 x 、 y 、 z 三個垂直線的方向上進行移動,運動比較簡單明了,且對于運動的計算也比較方便。它的優(yōu)點就是是定位精準，結(jié)構(gòu)簡單，適用于機體位置呈水平豎直的場合。但它也有占地面積大，靈活性差的缺點，因此不能適用于一些需要復雜運動軌跡的場合。b)圓柱坐標型同樣如上圖b)所示，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，直觀性好，活動范圍大。但其在手臂端上所能夠達到的位置有一定限制,不宜使用在距離立柱或者是地面較接近的空間,而且水平式驅(qū)動機構(gòu)部分很難做到密封、防塵。c)極坐標型 如圖 c )所示機械手為極坐標式,其運動方

23、法分別為一個直線式運動與兩個旋轉(zhuǎn)式運動。特點是動作靈活，占地面積小，使用范圍大。但坐標系比較繁雜，不利于計算和運用，也存在一定的工作死區(qū)。d)多關(guān)節(jié)坐標型如圖 d )所示,手臂最好是類似于人的一只手臂,在多種方向上進行旋轉(zhuǎn)。它由一個大的前臂和一根柱子共同構(gòu)成,前臂和立柱之間的連接部分就是肘關(guān)節(jié),前臂和立柱之間的連接部分稱為肩關(guān)節(jié),每個臂的關(guān)節(jié)都由一個特殊的鉸鏈連接而形成,用來控制和完成轉(zhuǎn)動。其主要特點是運動靈活,工作區(qū)域廣，相對于其他機械手是最為先進和靈活的。但裝置的結(jié)構(gòu)復雜，制造安裝難度高，成本也較高。2.2設計依據(jù)2.2.1傳動方案的設計下圖所示的為四自由度的工業(yè)機械手

24、示意圖，其中1代表底座；2則代表底座旋轉(zhuǎn)副；3、4分別為大臂和小臂的擺動副，且3、4的擺動是靠下方的液壓缸驅(qū)動；5是小臂伸縮的移動副；6就是機械手的末端裝置，是一個可以任意更換的萬能手部。（可鉆孔，可運料以及加持的功能等等）6。2.2.2本參數(shù)的確定 （1）手部材料：鉆頭工件為高速鋼，可根據(jù)需求更換的萬能手部； （2）最大工作半徑：3000 mm；整體最大高度：4500 mm；(3)底座的運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍：O1800 ；回轉(zhuǎn)速度：小于900s(4)定位精度：-4mm +4mm (5)驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動(6)手部萬能鉆頭工作行程：50100 mm 2.3 機械手的運動學分析 關(guān)于機械手的運動學

25、問題,最主要的目標就是把一個機械手的固定參考體關(guān)系的運動理解成為關(guān)于運動時間的一個函數(shù)來進行研究,并不會充分地考慮到力和運動中的力矩對這些物體運動的影響。對于機器人運動學的問題可歸納如下：1）對于一定的機器手，已知桿件幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)角矢量求機器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標系的位置和姿態(tài)。2）就是已經(jīng)知道機械手桿件的幾何參數(shù)，給定機器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標系的期望位置和姿態(tài)，機械手的末端執(zhí)行器是否能達到預期的位置和姿態(tài)的問題。一般認為存在兩個問題，一個是運動學正問題，另一個是運動學逆問題。1955年Denavit和Hartenberg兩人共同研究提出了一種可以利用矩陣代數(shù)的計算方法，用來解決機

26、器手臂的桿件與指定參考系坐標之間的空間幾何關(guān)系的問題9。2.3.1剛體的姿態(tài)介紹首先基于該剛體的基礎上先重新確立一個直角坐標系B，然后根據(jù)該坐標系的主矢量相對于參考坐標系A的方向余弦組成一個矩陣BAR來表示B相對于A的方位Error! Reference source not found.。如下圖三維坐標系所示； BAR = r11r12r13r21r22r23r31r32r33 2.3.2齊次坐標變換齊次坐標變換是指將一個坐標系的向量轉(zhuǎn)化為用另一個參考坐標系來表示它們向量的變換。簡而言之就是把坐標進行一定的平移和旋轉(zhuǎn)。因此齊次坐標變換可以理解為一個旋轉(zhuǎn)矩陣和一個平移矩陣的乘積15。可用T表示

27、。T=nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01=10010px0py00001pz01nxoxnyoyax0ay0nzoz00az001=Trans(px，py，pz)Rot(K,)公式中Trans(px，py，pz)表示平移變換矩陣，Rot(K,)表示旋轉(zhuǎn)變換矩陣。K表示旋轉(zhuǎn)軸線方向的單位矢量。2.3.3連桿變換矩陣機械力學手指運動是由一系列的運動關(guān)節(jié)剛體組成連接起來的一個運動鏈,這些剛體通常被我們重新統(tǒng)稱來作為基本連桿,其中每個運動關(guān)節(jié)的基本連桿都至少一個可以被我們分別重新采用四個基本的機械運動學基本參數(shù)重新進行基本描述,兩個的基本參數(shù)分別重新進行了連桿的基本描述,另外兩個

28、的基本參數(shù)分別重新進行了連桿之間的運動關(guān)系和四個運動鏈的參數(shù)之間關(guān)系上的描述。機械手的每一個運動連桿都應該有一個可能被我們用來幫助建立一個運動坐標系,通過我們使用一個齊次運動變換矩陣方法來準確地測量描述這些運動坐標之間的相互作用位置和連桿運動時的姿態(tài),來可以獲得一個末端沒有執(zhí)行運動裝置的連桿運動姿態(tài)相對于沒有參考這個坐標系的一個齊次運動變換矩陣,即我們可以由此推導出來得出一個基于機械手的連桿運動姿態(tài)方程式。(其中旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)線的選擇就是取一個轉(zhuǎn)動軸的關(guān)節(jié)中心線把它當作三個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線,關(guān)節(jié)連桿夾角偏距是一個關(guān)節(jié)變量,其余三個關(guān)節(jié)連桿的變量參數(shù)均可以保持固定不變;然而平移式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)就是選擇了

29、一個取關(guān)節(jié)平移式轉(zhuǎn)動方向的關(guān)節(jié)中心線把它當作三個關(guān)節(jié)的方向偏距和轉(zhuǎn)軸線,同理關(guān)節(jié)偏距為一個變量,其余三個關(guān)節(jié)接頭和連桿的變量參數(shù)也都保持固定不變)這方法就是著名的Denavit-Hartenberg法，簡稱為D-H參數(shù)法8。如下圖所描述：設i+1坐標系的x軸垂直于i坐標系的z 軸，且要相交。將基座坐標系看做參考坐標系固定不變。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)i向i-1的D-H坐標變換矩陣記為AiAi=Rot(xi, i-1)Trans(xi，i-1)Trans(zi，i-1)Rot(zi, i) = ci-sici sicicisiciici-cisi isi0 si0 0ci di0 1移動關(guān)節(jié)的坐標變換矩陣Ai=

30、Rot(xi, i-1)Trans(xi，i-1)Trans(zi，i-1)Rot(zi, i)= ci-sici sicicisisi0 -cisi 0 0 si0 0ci di0 1各參數(shù)的定義連桿長度ai表示沿xi軸，從zi移動到zi+1的距離；連桿扭轉(zhuǎn)角i表示繞xi軸，從zi旋轉(zhuǎn)到zi+1的角度；連桿偏置量 di表示沿zi軸，從xi-1移動到xi的距離；關(guān)節(jié)角i表示繞zi軸，從xi-1旋轉(zhuǎn)到xi的角度。機械手的末端裝置固定坐標系n不存在關(guān)節(jié)問題，所以令n與n-1平行。所以機械手末端的姿態(tài)為前面連桿關(guān)節(jié)的變換矩陣的乘積T=nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01 T4=A

31、1A2A3A4(四個自由度)2.4機械手正運動學如下圖所示，在各個連桿上分別確立一個坐標系，參考坐標系為O,連桿i的坐標系為i。連桿長度ai-1：z1到z2沿x1的距離，故第三個連桿的長度記為l3；扭轉(zhuǎn)角i-1：zi-1到zi沿xi-1旋轉(zhuǎn)的角度。連桿轉(zhuǎn)角i：zi-1到zi沿xi-1旋轉(zhuǎn)的角度，最后一個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，所以連桿轉(zhuǎn)角為0；偏置量 di：xi-1到xi沿zi所測距離。由于所有連桿都在同一平面內(nèi)，所以各個關(guān)節(jié)的坐標原點位于一個平面上，即各個偏置量 di=0。建立D-H參數(shù)表連桿變量dacossin11900000122000010339000l3014400001 0根據(jù)以上連桿D-

32、H參數(shù)表格，可求出四個連桿的齊次變換矩陣：A1=c10s100 0-c1 00 10 0 0 0 0 1 A2=c2-s2s2c2s200 00 00 0 1 0 0 1A3=c30s300l3c3-c3l3s30 10 0 0 0 0 1 A4=1 00 1 0 00 0 0 0 0 0 1 0 0 1由此可得出機械手的變換矩陣T為： T4=A1A2A3A4=nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01其中各項參數(shù)為： nx=c1c2c3-c1s2s3 ny=s1c2c3-s1s2s3 nz=s2c3+c2s3ox=c1s2 oy=0 oz=0ax=c1s2c3 ay=s1s2c

33、3 az= -c2c3px=l3c1c2c3l3c1s2s3 py=l3c2c3s1l3s1s2s3 pz=l3s2c3+l3s3c2上述表示的是手部末端的變換矩陣，是相對于參考坐標系的位置關(guān)系。2.5機械手逆運動學機械手正運動學的變換矩陣表示從參考坐標系算出到末端裝置的方位。逆運動學問題則是由已經(jīng)給出的末端執(zhí)行器相對于參考坐標系的方位，求出相應的各個關(guān)節(jié)的變位量。且求出的解一般不唯一。假設機械手末端姿態(tài)的矩陣已經(jīng)給出，求各個關(guān)節(jié)變量1，2，3的值。求解1用逆變換A1-1左乘方程兩邊，由 T4=A1A2A3A4，可得A1-1 T4=A1A2A3=c1c23-s2s3s1c23+s2-c1s23

34、+c2c12-s1s23-s23c3-l3c30 l3s3-s1c1 c1s20 0 0 - d1 0 1為了簡化計算，引入中間變量r，。通過三角變換px=cos, py=sin, =p2x+p2y , =arctan2(px,py)將上面幾個公式聯(lián)立可得cos1sinsin1cos=d2r利用積化和差公式可得 sin(- 1)= d2r因此 1= arctan2(px,py)- arctan2(d2，±p2x+p2y -d22 )求解3在求得的兩個1的值中選取一個解，使矩陣方程兩端相等，即可得： c1px+s1py=a3c23-d4s23+a2c2 -px=a3s23+d4c23+

35、a2s2聯(lián)立上述兩個方程求解可得： 3=arctan2(a3,d4)arctan2(k,±a23+d24 -k2)求解2在矩陣方程兩邊同時左乘逆變換T3-1可得：c1c23s1c23-c1s23-s1s23-s23-a2c3-c23a2s3-s1 c10 00 -d20 1nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01=3T4可推導出s23=-a3-a2c3pz+(c1px+s1py)(a2s3-d4)p2z+(c1px+s1py)2c23=-d4+a2s3pz-(c1px+s1py)(-a2c3-a3)p2z+(c1px+s1py)22= arctan2-(a3+a2c3

36、)px+c1px+s1pya2s3-d4，-d4+a2s3pz+(c1px+s1py)(a2c3+a3)-arctan2a3,d4+arctan2k,±a23+d24 k2第三章 液壓系統(tǒng)方案的設計3.1液壓系統(tǒng)的初步擬定 設計的工業(yè)機械手，需要傳遞很大的動力，液壓相對于氣壓的優(yōu)點就是不僅可以獲得較大的動力，還能進行低速大噸位的作業(yè)，傳動也比氣壓傳動平穩(wěn)的多。除此之外,液壓傳動器還可以直接實現(xiàn)無級自動調(diào)速,同就是在一個相等功率的條件下,液壓傳動器和控制單元的特點是重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊;液壓單元可以通過各個管路相互聯(lián)系，以便于靈活的安裝。液壓系統(tǒng)有過載保護的功能，安全可靠，使用的壽命相對來

37、說比較長。綜上所述，選用液壓傳動。液壓系統(tǒng)原理圖啟動后整個液壓泵就已經(jīng)開始正常工作,此時單向啟動電磁閥3已經(jīng)關(guān)閉開始自動通電,泵1進入停機等待正常運行工作的停機狀態(tài)。底座手臂回轉(zhuǎn)伸縮缸、兩個機械手臂手部擺動伸縮缸、兩個機械手臂擺動伸縮缸分別設計可以用來控制該一個手臂機械手的四個手臂自由度,手部末端是一個萬能機械手,暫時不進行設計,可根據(jù)需求去設計使用。底座式回轉(zhuǎn)氣缸是一種利用液壓泵提供的液壓動力能進行轉(zhuǎn)變成工具機械動力的一種氣缸,由操縱閥控制進入液壓馬達的液壓油流量,通過壓力和機器人的相互作用,受力不均勻而導致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)矩。帶動底座1800回轉(zhuǎn)；兩個手臂擺動缸以及手臂伸縮缸都是通過類似于液壓

38、千斤頂?shù)囊簤褐?，通過打開液壓閥產(chǎn)生的壓力推動手臂的擺動。只不過第一個手臂擺動缸的擺動速度是由單向節(jié)流閥13、14來調(diào)節(jié)，第二個擺動缸的擺動速度則是由15、16來調(diào)節(jié)。手臂伸縮缸的伸縮速度是由單向電磁閥23和單向節(jié)流閥14來調(diào)節(jié)。順序閥18為底座的回轉(zhuǎn)氣缸進行保壓。手部的末端定位是用液控單向閥20來調(diào)節(jié)。21是壓力繼電器，是對末端手部進行過載保護的嗎，當發(fā)生過載時就能發(fā)出電信號使液壓泵卸載4。3.2液壓系統(tǒng)的設計計算3.2.1底座回轉(zhuǎn)缸的計算(1)工作載荷力矩Tg由于底座重心與底座軸心線重合，所以其工作載荷力矩Tg=0。(2)軸頸摩擦力矩TfTf=Gr=0.2×(30+20)×

39、;9.8×352×10-3=1.75 公式中 G底座軸頸徑向力。G=G重 摩擦系數(shù)；高速時=0.05-0.08；啟動時=0.15-0.20；低速時=0.1-0.12； r軸的回轉(zhuǎn)半徑(m)Error! Reference source not found.(3)慣性力矩Ta Ta=(J+J1)=(J+J1)t式中 角加速度(rad/m2)； J底座的轉(zhuǎn)動慣量(Kg*m2)； J1手臂的轉(zhuǎn)動慣量(Kg*m2)； 角速度變化量(rad/s)；t啟動或制動時間(s)；假設采用底座式齒輪回轉(zhuǎn)驅(qū)動氣缸的最大轉(zhuǎn)動件結(jié)構(gòu)是一個等效的方形圓柱體,高1500 mm,直徑大約為1000mm,其

40、所受的最大轉(zhuǎn)動的重力約為G=30kg。第一段的圓形手臂及其大小通常是一個直徑1500mm,長1500mm,重10kg。啟動轉(zhuǎn)過的角度=180=0.314rad，啟動或制動時間t=0.2s。J=12mR2=0.5×30×0.52=3.75 J1=112Gg(l2+3R2)= 11210×9.89.8×1.52+3×0.752=3.28 Ta=(J+J1)t =(3.75+3.28)× 0.3140.2 =11.0371 (4)工況分析在考慮液壓馬達的機械效率m(一般為0.9-0.99)的情況下，計算其載荷轉(zhuǎn)矩T.啟動加速時 Tw=Tg+

41、Tf+Ta=0+1.75+11.0371=12.7871 T= Twm= 12.78710.9=14.21 穩(wěn)態(tài)運行時 Tw=Tg+Tf=1.75 T= Twm=1.750.9=1.94 制動減速時 Tw=Tg+Tf-Ta=1.75-11.0371=-9.2871 T= Twm= -9.28710.9 =-10.319 3.2.2手臂擺動缸的計算密封時產(chǎn)生摩擦力的電阻制動力矩Tf和通過手臂運動產(chǎn)生的驅(qū)動慣性力矩Ta與回轉(zhuǎn)驅(qū)動缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩Tw應該相平衡 (1)同理工作載荷力矩 Tg=0慣性力矩Ta Ta=J=Jt J=J0+Ggp2式中 p作為手臂定向回轉(zhuǎn)傳動機械零件傳動重心和手臂回轉(zhuǎn)傳動軸

42、之間的一定距離 J0回轉(zhuǎn)部件的重心的轉(zhuǎn)動慣量 J0= m(l2+3R2)12 回轉(zhuǎn)的手臂可以看做是一個長1500mm,直徑為1500mm的桿件，其重量為10kg。啟動時，轉(zhuǎn)過的角度=180=0.314rad，啟動或制動時間t=0.2s。代入上述公式可得：J0= m(l2+3R2)12 =3.28125 J=J0+Ggp2=3.28125+10×9.89.8×1.52+3×0.752=42.64 Ta=J=Jt=42.64×0.3140.2=66.9448(1)軸頸的摩擦阻力矩Tf軸頸密封處的摩擦阻力矩Tf0.03T。馬達載荷轉(zhuǎn)矩：T= Twm (取m=0

43、.9)(2)外部載荷的受力情況啟動加載時 Tw=Tf+Ta=0.03T+66.9448 T= Twm Tw=Tf+Ta=0.03T+66.9448可得 T=76.948穩(wěn)態(tài)運行時 Tw=Tf=0.03T=2.30844T= Twm= 2.308440.9 =2.5649制動減速時 Tw=Tf-Ta=2.30844-66.9448=-64.6363T= Twm= -64.63630.9 =-71.81823.2.3手臂伸縮缸的計算(1)導軌的摩擦載荷Ff上圖顯示的是一種用于機械手臂部位的示意圖,該手臂部分采用雙導向桿對稱地布置在伸縮端兩側(cè)面,所以兩桿受力平衡，可按照一個桿進行計算5。MA=0 G

44、總L=aFb可得 Fb=G總LaY=0G總+Fb=Fa故 Fa=G總(a+La)Ff=Fb+Fa=(Fb+Fa)Ff=G總(a+2La)式中 G總有效零部件所受的總重力 (N)L有效配件的重心到前端導向支撐的距離(m) a導向的支撐長度(m) 摩擦系數(shù) 當量摩擦系數(shù)設計支架導向桿時,選用的支架導向桿和支撐主體材料一般一定為不銹鋼,支撐端面所選用的材料是優(yōu)質(zhì)鑄鐵=0.15×2=0.3，G總=100N，L=1500mm=1.5m,導向支撐的長度設為200mm=0.2m。代入上述公式就可得Ff=G總(a+2La)=0.3×100(0.2+2×1.50.2)=480 (2

45、)慣性載荷Fa該機械手的手臂平動要求為v200mm/s,設置的啟動持續(xù)時間t=0.2s，啟動持續(xù)速度v=0.2m/s,將以上數(shù)據(jù)代入公式可得： Fa=G總g×vt=1009.8×0.20.2=10.2 (3)液壓缸摩擦阻力Fm,由于密封的程度不同，所以形成的密封阻力很難進行準確計算，可大致估算：Fm=(1-m)F=0.1F可推導出伸縮液壓缸所受負載： F= Fwm(4)工況分析 制動加速時 F= Fwm Fw=Ff+Fa+Fm=480+10.2+0.1F 可得 F=612.75 穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時 F= Fwm Fw=Ff+Fm=480+0.1F可得 F=600 制動減速時 F=

46、Fwm Fw=Ff-Fa+Fm=480-10.2+0.1F同樣可得 F=587.253.3液壓系統(tǒng)主要的參數(shù)確定3.3.1液壓系統(tǒng)工作壓力的選擇機械手的各種液壓傳遞系統(tǒng)一般均屬于較低的液壓傳遞系統(tǒng),當載荷量達到極限時為保持機械手縮回狀態(tài),此時伸縮氣缸的功能主要是用來給機械手提供驅(qū)動,其他部分載荷幾乎不高。根據(jù)械設計手冊表4表23.4-2,所以我們在選定時所需要的液壓缸工作壓力為P1=2MPa。3.3.2液壓缸的尺寸設計(1)確定可以伸縮式液壓缸的活塞桿內(nèi)徑D和伸縮式活塞桿直徑d受力分析圖如下F=p14D2-p24(D2-d2)取F=1992N,根據(jù)械設計手冊表4表23.4-2,選取一個液壓缸的

47、工作電動機壓力p1=2.0MPa；然后根據(jù)表23.4-4，選取液壓缸背壓力p2=0.2-0.5 MPa；同理查表23.4-5，可選取活塞桿直徑d=0.5D。將以上數(shù)據(jù)代入公式可得D=4Fp1-p2(1-0.52) =4×1992×2×106-×0.3×106(1-0.52)=38mm查找械設計手冊表4表23.6-33,選取的液壓缸直徑D=40mm。所以活塞桿內(nèi)徑d=40×0.5=20mm。(2)設計液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸下圖是液壓缸內(nèi)徑D以及活塞桿內(nèi)徑d的計算若油進入液壓缸無桿腔：F=P1A1-P2A2?；芈分蠵2可以忽略不記。F=P1A1

48、=P14D2當油進入有桿腔時：F=P1A2=P14(D2-d2)所以有桿腔時 D=4Fp11-2無桿腔時 D=4Fp1取F=2189.25N將以上數(shù)據(jù)代入公式可得D=4Fp11-2 =4×2189.252×1061-0.52 =43.1mm根據(jù)手冊選取D=50mm活塞桿的內(nèi)徑d=50×0.5=25mm?；钊麠U的尺寸大小應符合液壓氣缸的運動性能及其強度。而且桿長L要大于桿內(nèi)徑d的15倍以上，按拉、壓的強度來計算：=4Fd2選取一個活塞桿的主要材料為低質(zhì)量的碳鋼，因此=100-120 MPa，活塞的直徑d=25 mm,L=1000 mm,把數(shù)據(jù)代入公式可得= 4Fd2

49、 =4×2189.250.0252 = 4.46 MPa<100 MPa可知活塞桿的強度滿足使用條件(3)設計夾緊缸的直徑DF=P4D2查表取得F=717.04所以 D=4FP =4×717.04×2×106 =21.8 mm查找機械設計手冊4表23.6-33,可得到一個液壓氣缸的內(nèi)徑D=25mm活塞桿內(nèi)徑d=25×0.5=12.5 mm通過手冊表23.6-34取d=12mm3.3.3液壓馬達的排量計算(1)手臂擺動液壓馬達的排量q q=2TP其中 T液壓馬達的載荷轉(zhuǎn)矩(N.m)；P=P1-P2液壓馬達在進出口時的壓力差(Pa)。查找機械

50、設計手冊4表23.4-4，取得T=70.82 N.mq=2TP = 2×70.82(2.0-0.3)×106 =0.00026 m3/r=260 ml/r查找機械設計手冊4表23.6-29可知在選用YMD300擺動液壓馬達是最優(yōu)的。該馬達的額度理論轉(zhuǎn)矩排量300 ml/r,額定工作電壓15 MPa，額定理論轉(zhuǎn)矩660N.m2。(2)底座回轉(zhuǎn)液壓馬達的排量為；q=2TP查表選取選取T=11.79 N.m,并把以上數(shù)據(jù)代入公式得q=2TP=2×11.79(2.0-0.3)×106 =0.000043m3/r=43 ml/r根據(jù)手冊查表23.6-29選擇YMD

51、60擺動液壓馬達為最佳。理論排量范圍為60mLr，額定電動機的工作壓力15MPa，額定理論旋轉(zhuǎn)扭矩140 N.m。 第四章 PLC控制系統(tǒng)的設計4.1可編程控制器的概述4.1.1可編程控制器(PLC)的簡介1969年,可編程的控制器在美國就已經(jīng)開始流行和出現(xiàn)了,主要的目的就是為了替換繼電器,實現(xiàn)執(zhí)行時的邏輯判斷、控制功能等?？删幊炭刂破骰驹O計思路就是通過計算機靈活、通用、便捷的優(yōu)勢以及繼電器控制系統(tǒng)的方便快捷、通俗易懂、成本低等優(yōu)點進行綜合考慮,就把所有需要控制的動作和內(nèi)容都編成了一個軟件輸入控制器的用戶程序存儲器,將控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)聯(lián)系起來。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，半導體技術(shù)的發(fā)展也在不

52、斷地更新，到了1975年后，PLC已經(jīng)成為一種中央微處理器。I/O模塊和外部電路均采用了一種較為大規(guī)模的集成電路，現(xiàn)在PLC已經(jīng)不在是只具有單一的邏輯診斷功能，同時它們還具備數(shù)據(jù)處理和數(shù)字通信的功能。當前的可編程控制器已經(jīng)逐漸被各個企業(yè)采用，得到了人們廣泛的推廣和使用。4.1.2可編程控制器的組成中央處理器(CPU)、儲存器、通訊網(wǎng)絡接口、電源、I/O模塊(具有輸入和控制輸出兩個接口)。中央處理器：簡稱cpu。一般是整個控制電路的核心。cpu包含邏輯運算、寄存器和控制器。用一個集成的芯片把整個電路焊接起來。cpu的主要功能就是處理計算機中的發(fā)出的指令并進行翻譯。 存儲器（ram、rom）：存儲器就是一種用半導體的磁性介質(zhì)制成的電子設備。主要的功能就是儲存數(shù)據(jù)和信息。并且在計算機的運行過程中，有了存儲器的存在，計算機就能夠擁有記憶功能，用來存放目前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，保證數(shù)據(jù)在重啟之后不會輕易丟失。輸入輸出接口（I/O單元）：I/O單元本質(zhì)就是CPU與外界的信息交換。I/O單元具有良好的過濾波長和電隔離的作用。其中接到可編程控制器的輸入接口大多數(shù)都是各種開關(guān)、按鈕、等輸入部件；另外接到可編程控制器的輸出接口一般都是電磁閥、繼電器等輸出部件Error! Reference source not