氣動(dòng)機(jī)械手plc控制部分設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　氣動(dòng)機(jī)械手是能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要用于物料的運(yùn)輸。</p><p>　　機(jī)械手是一種能

2、自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，本設(shè)計(jì)介紹的是機(jī)械手模型基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是在控制系統(tǒng)的指令下，能將工件迅速、靈活、準(zhǔn)確、可靠地抓起并運(yùn)送到指定位置，因此本設(shè)計(jì)采用PLC可編程控制器作為工件抓取機(jī)械手的控制系統(tǒng)，首先根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作流程和輸入輸出要求選擇了PLC的型號(hào)，然后根據(jù)機(jī)械手功能和特性對(duì)各原件進(jìn)行了選型并對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算與校和，之后對(duì)機(jī)械手手爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算與校和，在此

3、基礎(chǔ)上對(duì)電氣回路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后對(duì)控制系統(tǒng)硬件及編輯原件進(jìn)行了選擇，同時(shí)確定I/O接口，進(jìn)行程序的編輯與調(diào)試，從而使機(jī)械手完成最后的裝夾任務(wù)。</p><p>　　關(guān)鍵字： 可編程控制器PLC；機(jī)械手；步進(jìn)電機(jī)；控制設(shè)計(jì)；I/O接口；電氣回路</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Pneumatic mani

4、pulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achiev

5、e the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic

6、energy sectors.</p><p>　　Manipulator is an automatic position control and programming the machine to change again, this design is a model of manipulator based on PLC control system design. Pneumatic manipula

7、tor control system of design requirements is in control system of instruction Xia, can will workpiece quickly, and flexible, and accurate, and reliable to grabbed and delivery to specified location, so this design used P

8、LC can programming controller as workpiece crawl manipulator of control system, first under manipu</p><p>　　Key words: PLC programmable controller ；Manipulator ；Stepping motor ；</p><p>　　Contro

9、l design ；I/O interface ；Electrical circuit </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要……………………………………………………………..……….……....Ⅰ</p><p>　　Abstract……………………………………………………………………...…Ⅱ</p

10、><p>　　第1章 緒論…………………………………………………………..….….1</p><p>　　1.1 課題背景…………………………………………………………...…..1</p><p>　　1.2 機(jī)械手的定義與分類……………………………………………...…..2</p><p>　　1.3 機(jī)械手應(yīng)用及組成結(jié)構(gòu)…………………………

11、………………...…..2</p><p>　　1.4 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………….…..…..3</p><p>　　1.5 總體設(shè)計(jì)要求………………………………………………….…..…..4</p><p>　　1.6 基本內(nèi)容和擬解決的問(wèn)題……………………………………….….…5</p><p>　　第2章 P

12、LC的介紹與選擇…………………………………….…..……6</p><p>　　2.1 PLC的特點(diǎn)………………………………………………….….…..…..6</p><p>　　2.2 PLC的選型……………………………………………………..…..…..7</p><p>　　2.3 三菱FX系列的結(jié)構(gòu)功能………………………………….……...…..8</p

13、><p>　　2.4 本章小結(jié)……………………………………………………….....……9</p><p>　　第3章 各功能實(shí)現(xiàn)形式與控制方式…………………………..…..…11</p><p>　　3.1 機(jī)械手模型的機(jī)能和特性……………………………………..…..…11</p><p>　　3.2 夾緊機(jī)構(gòu)……………………………………………

14、……………....…11</p><p>　　3.3 軀干……………………………………………………………..…......11</p><p>　　3.4 直流電機(jī)的選擇…………………………………………………....…12</p><p>　　3.5 步進(jìn)電機(jī)…………………………………………………………....…12</p><p>　　3.

15、6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器……………………………………………….......….14</p><p>　　3.7 傳感器……………………………………………………………......16</p><p>　　3.8 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元……………………………………………..…....18</p><p>　　3.9 旋轉(zhuǎn)編碼盤………………………………………………………..…18&l

16、t;/p><p>　　3.10本章小結(jié)………………………………………………………..…...20</p><p>　　第4章 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)……………………………………..…..….21</p><p>　　4.1 手爪的種類及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)……………………………………..…21</p><p>　　4.2 手指的抓取機(jī)能及手指尺寸計(jì)算…………

17、……………………..…22</p><p>　　4.3 夾緊氣缸的選用…………………………………………………..…25</p><p>　　4.4 手爪驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算…………………………………………………..26</p><p>　　4.5 氣壓傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求……………………………………………..….30</p><p>　　4.6 氣壓傳動(dòng)系

18、統(tǒng)組成………………………………………………..….30</p><p>　　4.7 氣路設(shè)計(jì)………………………………………………………….…..30</p><p>　　4.8 本章小結(jié)…………………………………………………………..….31</p><p>　　第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………...…32</p><p

19、>　　5.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)………………………………………………..…32</p><p>　　5.2 PLC梯形圖中的編輯元件…………………………………….….…32</p><p>　　5.3 PLC的I/O分配………………………………………………..….…33</p><p>　　5.4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的外部接線圖……………………………….….....

20、33</p><p>　　5.5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)…………………………………………….….....34</p><p>　　5.6 公用程序……………………………………………………….….....35</p><p>　　5.7自動(dòng)操作程序……………………………………………………...…36</p><p>　　5.8 手動(dòng)單步操作程序………

21、……………………………………...…...36</p><p>　　5.9 回原位程序……………………………………………………...…...36</p><p>　　5.10本章小結(jié)……………………………………………………….........47</p><p>　　結(jié)論……………………………………………………………………..……..48</p>&l

22、t;p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………..........49</p><p>　　致謝………………………………………………………………………..….51</p><p>　　附錄…….……………………………………………………………………..52</p><p><b>　　第1章 緒 論</b><

23、/p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越高，生產(chǎn)工況也有趨于惡劣的態(tài)勢(shì)，這對(duì)一線工人的操作技能也提出了更高的要求，同時(shí)操作工人的工作安全也受到了相應(yīng)的威脅。工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡(jiǎn)單化，對(duì)于一些往復(fù)的工作由機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對(duì)人體造成

24、傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。</p><p>　　在機(jī)械制造業(yè)中，機(jī)械手應(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)的上下料以及焊接、噴漆等作業(yè)，它可以按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界的變化。如果機(jī)械手發(fā)生某些偏離時(shí)，會(huì)引起零部件甚至機(jī)械本身的損壞，但若有了傳感反饋?zhàn)詣?dòng)，機(jī)械手就可以根據(jù)反饋?zhàn)孕姓{(diào)整。應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換

25、以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。</p><p>　　機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來(lái)越多的應(yīng)用，機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。</p><p>　　借助P

26、LC強(qiáng)大的工業(yè)處理能力，很容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化。基于此思路設(shè)計(jì)的機(jī)械手，在實(shí)現(xiàn)各種要求的工序前提下，大大提高了工業(yè)過(guò)程的質(zhì)量，而且大大解放了生產(chǎn)力，改善了工作環(huán)境，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)效率，具有十分重要的意義。</p><p>　　同時(shí)，借助組態(tài)軟件的輔助作用，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有

27、節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。</p><p>　　工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。</p><p>　　綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必

28、然趨勢(shì)。</p><p>　　1.2 機(jī)械手的定義與分類</p><p>　　機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。</p><p>　　機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的

29、傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此，它能大大地改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，并投入了大量的物力和財(cái)力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。</p><p>　　機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手，它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根

30、據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定工作。它的特點(diǎn)是除具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。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)線電信號(hào)操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球、火星等。第三類是專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱為“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，

31、工作程序一般是固定的，因此是專用的。本項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型可歸為第一類，即通用機(jī)械手。</p><p>　　1.3 機(jī)械手應(yīng)用及組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　目前工業(yè)機(jī)械手主要用于流水線傳送、焊接、裝配、機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面都能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要[。</p><p>　　在國(guó)內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機(jī)械手，逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，以減

32、輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，專用條件還要研制示教機(jī)械手、組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及用于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。</p><p&

33、gt;　　機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。</p><p>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉(zhuǎn)動(dòng)、開閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多?？筛鶕?jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。本設(shè)計(jì)采用二指的構(gòu)造。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需

34、要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確地定位?？傊瑱C(jī)械手的運(yùn)動(dòng)離不開直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服液壓馬達(dá)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)架。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以電氣、氣動(dòng)用得最多，占90％以上，液壓、機(jī)

35、械驅(qū)動(dòng)用得較少。液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)液壓缸、閥、油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用4～6個(gè)大氣壓，個(gè)別達(dá)到8～10個(gè)大氣壓。本設(shè)計(jì)的手爪部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)可以采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。通用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流或交流的伺服電動(dòng)機(jī)、變速箱等。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手爪和機(jī)械手的底盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械驅(qū)動(dòng)只適用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。</p>

36、<p>　　機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占90％以上。</p><p>　　控制系統(tǒng)可以根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加以儲(chǔ)存，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手工作。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)[。</p><p&

37、gt;　　本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實(shí)現(xiàn)，具有編程簡(jiǎn)單、修改容易、可靠性高等。</p><p>　　1.4 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中重要的機(jī)電設(shè)備。目前，機(jī)械手技術(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機(jī)械手、微型機(jī)械手和微操作系統(tǒng)（如細(xì)小工業(yè)管道機(jī)械手移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)、微型飛行器等）、機(jī)械手化機(jī)

38、器、智能機(jī)械手（不僅可以進(jìn)行事先設(shè)定的動(dòng)作，還可按照工作狀況相應(yīng)地進(jìn)行動(dòng)作，如回避障礙物的移動(dòng)，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)等）。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來(lái)越多地裝備部隊(duì)。</p><p>　　國(guó)外方面：近幾年國(guó)外工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)

39、展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制。</p><p>　　國(guó)內(nèi)方面：目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配機(jī)械手、特種機(jī)械手（水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)械手）基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線及其周邊配套設(shè)備的全套自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技

40、術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)械手焊接電源、焊縫自動(dòng)跟蹤裝置也有了突破。從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，本文國(guó)已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國(guó)機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ)[。</p><p>　　1.5 總體設(shè)計(jì)要求</p><p>　　1.機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　圖1-1機(jī)械手示意圖</p><p>　　1、手爪張開閉合 2、手腕旋轉(zhuǎn) 3 、水平移動(dòng)

41、 4、升降 5 、立柱旋轉(zhuǎn) 6、手爪 7 、手腕電動(dòng)機(jī) 8、橫軸 9、 豎軸 10、豎軸電動(dòng)機(jī) 11、橫軸電動(dòng)機(jī) 12、底盤 13、底盤電動(dòng)機(jī)</p><p>　　2. 機(jī)械手工作流程</p><p>　　機(jī)械手工作流程是：開始運(yùn)行后，如果機(jī)械手不在初始位置上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)(橫軸向手抓方向移動(dòng)，豎軸向上移動(dòng))。歸位后首先橫軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，橫軸前伸；前伸到位后

42、，手爪電動(dòng)機(jī)得電帶動(dòng)手爪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到限位磁頭時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止，PLC控制電磁閥動(dòng)作，手張開；延時(shí)一段時(shí)間，豎軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，豎軸下降；下降到位后，電磁閥復(fù)位，手爪夾緊；延時(shí)過(guò)后，豎軸上升，同時(shí)橫軸縮回、底盤電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)底盤旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、底盤都到位后，橫軸前伸；到位后手爪旋轉(zhuǎn)，然后豎軸下降，電磁閥動(dòng)作，手爪張開；延時(shí)后豎軸上升復(fù)位，然后開始下一周期動(dòng)。</p><p><b>　　3.控制要求

43、</b></p><p>　　(1)手臂上下直線運(yùn)動(dòng)。(2)手臂左右直線運(yùn)動(dòng)。(3)手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(4)手爪夾緊動(dòng)作。(5)機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　手臂采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由PLC發(fā)出控制脈沖控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)手臂的進(jìn)給和定位，手爪采用氣壓驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　1.6基本內(nèi)容和擬解決的問(wèn)題</p><p&g

44、t;<b>　　基本內(nèi)容：</b></p><p>　　1．選擇和確定總體設(shè)計(jì)方案；</p><p>　　2．設(shè)計(jì)電氣控制原理框圖；</p><p>　　3．進(jìn)行PLC的選型及I/O分配；</p><p>　　4．設(shè)計(jì)PLC硬件系統(tǒng)；</p><p>　　5．PLC控制程序的編寫及調(diào)試；</

45、p><p><b>　　擬解決的問(wèn)題：</b></p><p>　　1．首先必須對(duì)機(jī)械手進(jìn)行調(diào)查，搞清楚PLC機(jī)械手的工藝過(guò)程、工作特點(diǎn)、明確控制要求以及各階段的特點(diǎn)之間的工作原理；</p><p>　　2．確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設(shè)備，選擇合適的PLC類型，并分配I/O點(diǎn)；</p><p>　　3．機(jī)械手手爪的詳細(xì)設(shè)計(jì)

46、；</p><p>　　4．控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　5．繪制相關(guān)圖紙。</b></p><p>　　第2章 PLC的介紹與選擇</p><p>　　對(duì)于機(jī)械手的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如繼電器控制、單片機(jī)控制、PLC控制等。但由于PLC可編程控制器操作靈活性強(qiáng)和穩(wěn)定性較好，所以，本文們選擇P

47、LC控制。</p><p>　　2.1 PLC的特點(diǎn)</p><p>　　可編程控制器是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā)起來(lái)的，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。它以微處理器為核心，用編寫的程序進(jìn)行邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等，并通過(guò)數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來(lái)控制機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。</p><p>　　高可靠性 （1）所有的I/O接口電

48、路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離；（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10～20ms；（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾；（4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。（5）對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選；（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大；（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高

49、。</p><p>　　豐富的I/O接口模塊PLC 針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。</p><p>　　采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。P

50、LC的各個(gè)部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái)，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。</p><p>　　編程簡(jiǎn)單易學(xué) PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。</p><p>　　安裝簡(jiǎn)單，維修方便 PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)

51、境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。</p><p>　　總之，可編程控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)

52、編制。</p><p>　　2.2 PLC的選型</p><p>　　對(duì)于PLC的選擇，本文們必須考慮多方面的因素。例如輸入、輸出的最多點(diǎn)數(shù)，掃描速度，內(nèi)存容量，指令條數(shù)，功能模塊等。同時(shí)還要考慮其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性以及工作環(huán)境對(duì)其的影響。</p><p>　　1. 常用PLC介紹</p><p>　　PLC發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號(hào)的也很多，

53、各個(gè)廠家生產(chǎn)的也有一定區(qū)別，各個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向也不同，所以本文們必須根據(jù)自己設(shè)計(jì)需要，考慮如何選擇。</p><p>　　西門子的中國(guó)業(yè)務(wù)是其亞太地區(qū)業(yè)務(wù)的主要支柱，活躍在中國(guó)的信息與通訊、自動(dòng)化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個(gè)行業(yè)中，其核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工業(yè)解決方案。西門子S7-200系列PLC 突出的特點(diǎn)：可靠性高、操作簡(jiǎn)便；豐富的內(nèi)置集成功能；強(qiáng)勁通訊能力；豐富的擴(kuò)展模塊；簡(jiǎn)單、易用

54、的Micro/WIN編程軟件。</p><p>　　OMRON的可編程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小僅相當(dāng)于一個(gè)PC卡(對(duì)于10點(diǎn)的機(jī)型來(lái)說(shuō))，從而使安裝體積大幅度減小，同時(shí)也進(jìn)一步節(jié)省了控制柜的空間。它不僅具備了以往小型PLC所具備的功能，而且還可連接可編程序終端，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)造了新的環(huán)境。編程環(huán)境與CQM1及SYSMAC A等機(jī)種相同。由于原有SYSMAC支持軟件及編程器都可繼續(xù)使用，故而

55、系統(tǒng)的擴(kuò)展及維護(hù)都可簡(jiǎn)單進(jìn)行。</p><p>　　三菱FX系列可編程控制器是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在FX中，除基本的指令表編程方式外，還可以采用梯形圖編程及對(duì)應(yīng)機(jī)械動(dòng)作流程進(jìn)行順序設(shè)計(jì)的SFC順序功能圖編程，而且這些程序可互相轉(zhuǎn)換。在FX系列PLC中設(shè)置了高數(shù)計(jì)數(shù)器，對(duì)來(lái)自特定的輸入繼電器的高頻脈沖進(jìn)行中斷處理，擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。其FX2N PLC還可以采用作為擴(kuò)展設(shè)備的硬件計(jì)

56、數(shù)器，可獲取最高50kHz的高速脈沖。</p><p>　　2. 確定型號(hào)FX1N－60MR</p><p>　　綜上，對(duì)于被控對(duì)象，采用PLC系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，力求具有較好的性價(jià)比，使用和維修方便；選用的PLC主機(jī)和配置、控制功能等必須能滿足被控對(duì)象的各種控制要求；選用的PLC主機(jī)及配置必須是功能較強(qiáng)的新一代PLC機(jī)型，一般最好不要選用舊機(jī)型（若采用三菱公司的PLC，則

57、選FX系列，不選F1系列）。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮將來(lái)工藝的變化和擴(kuò)展，在滿足確定的要求外，留有一定的余量；確保整個(gè)控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對(duì)產(chǎn)品的熟悉程度，以及編程指令的易懂性。在此，本文選用三菱FX1N來(lái)做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年來(lái)推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC產(chǎn)品。其中FX2是近年推出的產(chǎn)品，F(xiàn)X0是在FX2之后推出的超小型PLC，近幾年來(lái)又連續(xù)推出了將眾多功能凝集在超小型機(jī)殼

58、內(nèi)的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有較高的性能價(jià)格比，應(yīng)用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)。</p><p>　　3 .FX1N所具有優(yōu)越性能</p><p>　　CPU處理速度達(dá)到了0.065us/基本指令。內(nèi)置了高達(dá)64K步的大容量RAM存儲(chǔ)器。大幅增加了內(nèi)部軟元件的數(shù)量。強(qiáng)化了指令的功能，提供了多達(dá)209條應(yīng)用指令，包括像與

59、三菱變頻器通訊的指令，CRC計(jì)算指令，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)指令等等。</p><p>　　晶體管輸出型的基本單元內(nèi)置了3軸獨(dú)立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令：帶DOG搜索的原點(diǎn)回歸（DSZR），中斷單速定位（DVIT）和表格設(shè)定定位（TBL），從而使得定位控制功能更加強(qiáng)大，使用更為方便。內(nèi)置6點(diǎn)同時(shí)100kHz的高速計(jì)數(shù)功能，雙相計(jì)數(shù)時(shí)可以進(jìn)行4倍頻計(jì)數(shù)。</p><p>　　增

60、強(qiáng)了通信的功能，其內(nèi)置的編程口可以達(dá)到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同時(shí)使用3個(gè)通信口（包括編程口在內(nèi)）。新增了高速輸入輸出適配器，模擬量輸入輸出適配器和溫度輸入適配器，這些適配器不占用系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)，使用方便，在FX3U的左側(cè)最多可以連接10臺(tái)特殊適配器其中通過(guò)使用高速輸入適配器可以實(shí)現(xiàn)最多8路、最高200kHz的高速計(jì)數(shù)。通過(guò)CC-Link網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)最多達(dá)384點(diǎn)（包括遠(yuǎn)程I/O在內(nèi)）的控制。可以選裝高性能的顯示模塊（

61、FX3U-7DM）可以顯示用戶自定義的英文、數(shù)字和日文漢字信息，最多能夠顯示：半角16個(gè)字符(全角8個(gè)字符)× 4行。在該模塊上可以進(jìn)行軟元件的監(jiān)控、測(cè)試，時(shí)鐘的設(shè)定，存儲(chǔ)器卡盒與內(nèi)置RAM間程序的傳送、比較等操作。另外，還可以將該顯示模塊安裝在控制柜的面板上。</p><p>　　2.3 三菱FX系列的結(jié)構(gòu)功能</p><p>　　可編程控制器是一種工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)，它的結(jié)構(gòu)

62、原理與微型計(jì)算機(jī)相似。硬件構(gòu)成有微處理器、存儲(chǔ)器和各種輸入、輸出接口。系統(tǒng)程序和接口器件又與微機(jī)不同，這使它的操作使用方法、編程語(yǔ)言、工作方式等與微型機(jī)有所不同。PLC是用微處理器實(shí)現(xiàn)繼電器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器以及A/D、D/A模擬轉(zhuǎn)換器件的組合體的功能，采用軟件編程進(jìn)行它們之間的聯(lián)系。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用FX系列PLC作為控制核心，所以現(xiàn)在就以它來(lái)講述PLC的應(yīng)用知識(shí)、操作技能。FX系列PLC硬件組成與

63、其它類型PLC基本相同，主體由三部分組成，其PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1系統(tǒng)電源有些在CPU模塊內(nèi)，也有單獨(dú)作為一個(gè)單元的，編程器一般看作PLC的外設(shè)。PLC內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。</p><p>　　圖2-1 PLC 的組成框圖</p><p>　　外部開關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)以及各種傳感器檢測(cè)信號(hào)作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC的輸入端子進(jìn)入PLC的輸入存儲(chǔ)器，收集和暫存被

64、控對(duì)象實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)信號(hào)和數(shù)據(jù)；經(jīng)PLC內(nèi)部運(yùn)算與處理后，按被控對(duì)象實(shí)際動(dòng)作要求產(chǎn)生輸出結(jié)果；輸出結(jié)果送到輸出端子作為輸出變量，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PLC的各個(gè)部分協(xié)調(diào)一致地實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。</p><p>　　PLC輸入輸出接口的安全保護(hù)</p><p>　　當(dāng)輸出口連接電感類設(shè)備時(shí)，為了防止電路關(guān)斷時(shí)刻產(chǎn)生高壓對(duì)輸入、輸出口造成破壞，應(yīng)在感性元件兩端加保護(hù)元件。對(duì)于直流電源，應(yīng)并接續(xù)流

65、二極管，對(duì)于交流電路應(yīng)并接阻容電路。阻容電路中電阻可取51～120Ω，電容取0.1～0.47μF，電容的額定電壓應(yīng)大于電源的峰值電壓。續(xù)流二極管可選1A的管子，其額定電壓應(yīng)大于電源電壓的3倍。</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了PLC的種類、特點(diǎn)以及PLC具有的功能優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)本設(shè)計(jì)選擇了三菱公司的產(chǎn)品FX系列型號(hào)

66、為FX1N－60MR的PLC，對(duì)FX1N－60MR系統(tǒng)的功能及操作進(jìn)行了說(shuō)明還對(duì)其具有的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。</p><p>　　圖2-2 輸入輸出口的保護(hù)</p><p>　　圖2-3PLC控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　第3章 各功能實(shí)現(xiàn)形式與控制方式</p><p>　　3.1 本機(jī)械手模型的機(jī)能和特性</p><p

67、>　　物體在三維空間內(nèi)的禁止位置是由三個(gè)坐標(biāo)和圍繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定的，因此，抓握物體的位置和方向能從理論上求得。根據(jù)資料的介紹，如果采用機(jī)械手，其機(jī)能要接近于人的上肢，則需要具有27個(gè)自由度，而每一個(gè)自由度至少要有一根“人造肌肉”來(lái)控制。本文們不要那么多自由度，因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)際情況而言，控制的自由度越多，其各個(gè)部分也就越復(fù)雜，相應(yīng)的制造成本也就增加。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的機(jī)械手，它共有自由度5個(gè)。即

68、：手臂前后伸縮、手臂上下伸縮、手臂左右旋轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)、手指的抓握。</p><p><b>　　3.2 夾緊機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　機(jī)械手手爪是用來(lái)抓取工件的部件。手爪抓取工件時(shí)要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確可靠的要求。設(shè)計(jì)制造夾緊機(jī)構(gòu)——機(jī)械手，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式，運(yùn)行速度和加速度的情況來(lái)考慮。其夾緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力來(lái)計(jì)算。則同時(shí)考

69、慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，還需備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來(lái)更換手爪。為防止損壞被夾的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內(nèi)并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動(dòng)定心結(jié)構(gòu)。為防止突然斷電造成被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、動(dòng)作靈活、和工作可靠。</p><p>　　夾緊結(jié)構(gòu)形式多樣、有機(jī)械式、吸盤式和電磁式等。有的夾緊機(jī)構(gòu)還帶有傳感裝置和攜帶工具

70、進(jìn)行操作的裝置。本設(shè)計(jì)采用機(jī)械式夾緊裝置。</p><p>　　機(jī)械式夾緊是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運(yùn)動(dòng)的方式和模仿人手的動(dòng)作，可分為回轉(zhuǎn)型、直進(jìn)型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式、外撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動(dòng)力來(lái)源可分為彈簧式、氣動(dòng)式、液壓式等。本設(shè)計(jì)采用二指式手爪。由可編程控制器控制電磁閥動(dòng)作，從而控制手爪的開閉。手爪的回轉(zhuǎn)則用一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)完成，同時(shí)通過(guò)兩個(gè)限位開關(guān)

71、完成回轉(zhuǎn)角度的限位，一般可設(shè)置在180度。</p><p><b>　　3.3 軀干</b></p><p>　　軀干有底盤和手臂兩部分組成。</p><p>　　底盤是支撐機(jī)械手的全部重量并能帶動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。底盤采用一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，底盤旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼盤旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手每旋轉(zhuǎn)三度發(fā)出一個(gè)脈沖，由傳感器檢測(cè)并送入可編程控制器，從而計(jì)算

72、底盤旋轉(zhuǎn)的角度。同時(shí)，在底盤上裝有限位開關(guān)，最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)180度。</p><p>　　手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐手爪、工件使它們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)手臂由橫軸和豎軸組成、可完成伸縮、升降的運(yùn)動(dòng)。手臂采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮和升降運(yùn)動(dòng)。由可編程控制器發(fā)出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位。采用絲杠、螺母結(jié)構(gòu)傳動(dòng)的特點(diǎn)是易于自鎖、位置精度較高，傳動(dòng)效率較高。</p>

73、;<p>　　3.4直流電機(jī)的選擇</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用微型直流電機(jī)DS-45RP775如圖3.16，表3.17所示</p><p>　　圖3.16 直流電機(jī)</p><p>　　表3.17 直流電機(jī)主要參數(shù)</p><p>　　3.5步進(jìn)電機(jī)的選用</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種可以直接將

74、數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件，具有控制簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、工作可靠、無(wú)累積誤差等優(yōu)點(diǎn)。它能夠直接接受數(shù)字信號(hào)，無(wú)需中間轉(zhuǎn)換，直接輸出的位移量與輸入數(shù)字脈沖量相對(duì)應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)直接的數(shù)字控制。步進(jìn)電機(jī)以開環(huán)方式工作，可省去伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中位置檢測(cè)與反饋部分以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，使控制成本大大降低。在步進(jìn)電機(jī)的選型上考慮到步進(jìn)電機(jī)品種規(guī)格較多，仔細(xì)分析它們的特點(diǎn)，來(lái)恰到好處的選擇。</p><

75、;p>　　步進(jìn)電機(jī)按結(jié)構(gòu)和工作原理可分為反應(yīng)式、永磁式以及混合式等幾種[22]。</p><p>　?。?）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：又稱可變磁阻型（VR—Variable Resistance），多為單極性勵(lì)磁，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度容易保證，步距角小，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，但勵(lì)磁電流較大，電機(jī)內(nèi)部阻尼小，低頻時(shí)容易產(chǎn)生振蕩，斷電后無(wú)定位轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　（2）永磁式步進(jìn)電機(jī)：步距角大，啟動(dòng)

76、頻率較低，但控制功率較小，造價(jià)便宜，內(nèi)部阻尼大，不易振蕩，斷電后有定位轉(zhuǎn)矩。但轉(zhuǎn)子慣性也較大。</p><p>　?。?） 混合型步進(jìn)電機(jī)：是永磁式和反應(yīng)式相結(jié)合的一種形式。兼有磁阻式步距角小、響應(yīng)頻率高和永磁式勵(lì)磁功率小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要正反脈沖供電，成本較高。</p><p>　　根據(jù)幾種常用電機(jī)的性能、特點(diǎn)分析，對(duì)該機(jī)械手的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于其要求具有較高的控制性能，又具有

77、定位轉(zhuǎn)矩，所以選擇混合型步進(jìn)電機(jī)。選用步驟如下：</p><p><b>　?。ㄒ唬┎骄嘟堑倪x擇</b></p><p>　　電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電

78、機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求即選擇，故選擇二相步進(jìn)電機(jī)。</p><p><b>　?。ǘ╈o力矩的選擇</b></p><p>　　靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行只要考慮摩擦負(fù)載。一般

79、情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）。</p><p>　　所以 （4-14）</p><p>　　式中 —電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，；</p><p>　　—加速起動(dòng)時(shí)的慣性力矩，；</p><p>　　

80、——恒速運(yùn)行時(shí)的摩擦力矩，；</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　式中 —負(fù)載慣量，；</p><p><b>　　—時(shí)間常數(shù)，；</b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　式中 —脈

81、沖當(dāng)量，；</p><p><b>　　—步距角，；</b></p><p><b>　　—時(shí)間常數(shù)，；</b></p><p>　　—轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量，kg；</p><p>　　則有 </p><p>　　所以

82、 </p><p>　　即 </p><p>　　由此可知步進(jìn)電機(jī)的最大力矩發(fā)生在快速起動(dòng)的情況下，。為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行，正常起動(dòng)并能滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，起動(dòng)力矩選取為：</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　所以

83、 </p><p>　　本設(shè)計(jì)選用深圳市精博機(jī)電有限公司的型號(hào)為：J57HB51-03(如圖3-1)二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制機(jī)械手的動(dòng)作，相比直流電機(jī)有更好的制動(dòng)效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣接線圖如圖3-2所示：</p><p>　　3.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器&l

84、t;/p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如下表3-1、表3-2、表3-3、表3-4所示。PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接及工作原理，如圖3-2所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分等，利用驅(qū)動(dòng)器可以很方便的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)器電源由面板上電源模塊提供，驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻（見圖3-3中1.5K電

85、阻）。驅(qū)動(dòng)器輸入端為低電平有效。PLC通過(guò)控制其輸出點(diǎn)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器光耦的開合，當(dāng)PLC輸出線圈得電</p><p>　　圖3-1 J57HB51-03步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　圖3-2 步進(jìn)電機(jī)電氣接線圖</p><p><b>　　表3-1 電氣規(guī)格</b></p><p><b>　　表3-2 電流設(shè)定

86、</b></p><p><b>　　表3-3細(xì)分設(shè)定</b></p><p>　　表3-4 接線信號(hào)描述</p><p>　　時(shí)，晶體管導(dǎo)通，相應(yīng)的觸電輸出低電平，使驅(qū)動(dòng)器光耦導(dǎo)通，當(dāng)PLC輸出線圈失電時(shí)，晶體管關(guān)斷，使驅(qū)動(dòng)器光耦截止。另外若不采用驅(qū)動(dòng)器，而采用PLC輸出觸點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，會(huì)占用很多的輸出觸點(diǎn)，同時(shí)給編程帶來(lái)不

87、便。</p><p><b>　　3.7傳感器</b></p><p>　　本裝置中使用的傳感器有接近開關(guān)和行程開關(guān)。基座和氣夾的正反轉(zhuǎn)限位采用接近開關(guān)（金屬傳感器）如圖3-5，通過(guò)調(diào)整基座和氣夾上的金屬物的位置，可以在一定范圍內(nèi)改變基座和氣夾的旋轉(zhuǎn)角度。機(jī)械手的伸縮、升降均采用行程開關(guān)來(lái)限位，并通過(guò)改變行程開關(guān)的位置來(lái)調(diào)節(jié)橫軸和豎軸的運(yùn)動(dòng)范圍。</p>

88、<p>　　圖3-3 PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接圖</p><p>　　圖3-4傳感器工作原理圖</p><p>　　1、接近開關(guān)：接近開關(guān)有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號(hào)，當(dāng)與檔塊接近時(shí)輸出電頻為低電頻，否則為高電頻。與PLC之間的接線圖如下，當(dāng)傳感器動(dòng)作時(shí)，輸出端對(duì)地接通。PLC內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路，PLC信號(hào)輸入有

89、效，工作原理如圖3-4所示。</p><p>　　2、行程開關(guān)：當(dāng)檔塊碰到開關(guān)時(shí)，常開點(diǎn)閉合。</p><p>　　圖3-5 金屬傳感器</p><p>　　3.8直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元</p><p>　　本裝置中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是由兩個(gè)繼電器的吸合與斷開來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的，從而實(shí)現(xiàn)基座和氣夾的正反轉(zhuǎn)。本模型所用輸入、輸出均為低電頻有效。其中

90、IN端接PLC的輸出端口，OUT端接模型的信號(hào)輸入端。COM端接PLC的傳感器電源負(fù)端。電平轉(zhuǎn)換板原理圖如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 電頻轉(zhuǎn)換板原理圖</p><p><b>　　3.9 旋轉(zhuǎn)編碼盤</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)編碼盤：型號(hào)RHI90N-0NAK1R61N-01024 </p><p&g

91、t;　　最大脈沖數(shù)：2500 工作電壓：10~30V 空載電流：最大70mA</p><p>　　電壓降：<2.5V 工作電流：最大每通道40mA短路保護(hù),反極性保護(hù)</p><p>　　輸出頻率：最大120KHz 緊湊型設(shè)計(jì)，外殼Ø90mm</p><p>　　機(jī)械手底盤和軀干每旋轉(zhuǎn)3度發(fā)出一個(gè)脈沖，并把信號(hào)送回可編程控制器來(lái)得到轉(zhuǎn)過(guò)的準(zhǔn)確的角度。

92、編碼盤的機(jī)構(gòu)如圖3-7。</p><p>　　圖3-7 旋轉(zhuǎn)編碼盤</p><p>　　可以通過(guò)改變程序中計(jì)數(shù)器C0的初值來(lái)確定所要轉(zhuǎn)過(guò)的角度，這里可以通過(guò)用計(jì)算機(jī)讀出指令表，然后修改得到不同的控制角度。</p><p>　　綜上所述，根據(jù)機(jī)械手的各部分要求條件可確定本設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)所選部分器材列表如表3-5。</p><p>　　表3-

93、5所選器材列表</p><p><b>　　3.10本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)設(shè)計(jì)中夾緊機(jī)構(gòu)做了介紹說(shuō)明，并對(duì)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、編碼盤、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元以及傳感器進(jìn)行了選型，其中還對(duì)步進(jìn)電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算與校和，最后繪制了器材列表。。</p><p>　　第4章 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)</p>

94、<p>　　機(jī)械手的手爪是用來(lái)直接抓取物件的機(jī)構(gòu)，是機(jī)械手的重要組成部件之一。由手指、傳力(或增力)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置組成。根據(jù)被抓取物件的材質(zhì)、形狀、尺寸、重量以及其它一些特性(如易碎性、導(dǎo)磁性、表面光潔度等)的不同，手部的種類也不一樣。</p><p>　　4.1 手爪的種類及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)</p><p><b>　　一、 手爪的種類</b></p&g

95、t;<p><b>　　1、機(jī)械式</b></p><p>　　機(jī)械式手爪是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運(yùn)動(dòng)的方式和模仿人手的動(dòng)作，可分為回轉(zhuǎn)型、直進(jìn)型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式、外撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動(dòng)力來(lái)源可分為彈簧式、氣動(dòng)式、液壓式等。</p><p>　　機(jī)械式手爪由驅(qū)動(dòng)元件、手爪夾持部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

96、、手指及各種墊片、附件等組成。</p><p>　　夾持式是較常見的一種手部形式，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式和外夾式兩種;按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型

97、手指開閉角較小，具有動(dòng)作靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)采用回轉(zhuǎn)型齒輪齒條傳動(dòng)的內(nèi)卡式手爪。</p><p><b>　　2、吸盤式 </b></p><p>　　吸盤式手爪是利用特制的橡膠皮碗形成真空而將工件吸住。它與機(jī)械手爪相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、表面吸附力分布均勻，以及能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)等特性，適用于板材、玻璃件、弧形殼體零件，特別適用

98、于沖壓零件。但要求被吸物體表面光滑、無(wú)孔無(wú)槽。根據(jù)工件的大小和輕重，可將幾個(gè)吸盤同時(shí)裝在一個(gè)手腕上。</p><p>　　二、 手爪的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　1、手指間應(yīng)具有一定的開閉角</p><p>　　兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)能保證被抓物件順利進(jìn)入或脫開，其大小直接與工件和手指的形狀、尺寸及手部接近被抓物件

99、的路線等因素有關(guān)，同時(shí)還要注意路線周圍的環(huán)境。若夾持不同直徑的物件，采用較大的開閉范圍會(huì)增大驅(qū)動(dòng)裝置的行程和結(jié)構(gòu)尺寸，而且會(huì)增加手指開閉時(shí)間，所以手指開閉范圍不宜設(shè)計(jì)的過(guò)大;但對(duì)回轉(zhuǎn)型手指來(lái)說(shuō)，手指要有足夠的張開與閉合角度。圖4-1即為其結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。圖中表示松開物件時(shí)</p><p>　　圖4-1手指張開最小距離與被抓取表面最大距離尺寸之間的距離關(guān)系</p><p>　　在圖4-1中，

100、有A－D﹥C</p><p>　　式中：A—手指松開物件后的最大尺寸；</p><p>　　D—被抓取物件表面的最大尺寸；</p><p>　　C—手指張開或閉合后與物件之間保持的最小間隙。</p><p>　　（二） 手指夾緊力的大小要適宜</p><p>　　握力過(guò)大，可能損壞物件，還需要較大的動(dòng)力源和較大結(jié)構(gòu)，不

101、經(jīng)濟(jì)；握力過(guò)小，由于物件的自重以及傳送過(guò)程中的慣性力和震動(dòng)等因素的影響而抓不住物件。在通常情況下，所需要的握力是物件重量的2～3倍。</p><p>　?。ㄈ?各構(gòu)件要有足夠的剛度和強(qiáng)度，而自重要輕。</p><p>　　（四） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。</p><p>　?。ㄎ澹?動(dòng)作準(zhǔn)確、迅速、靈活。</p><p>　　4.2 手指的抓取

102、機(jī)能及手指尺寸計(jì)算</p><p>　　一、 手指的抓取機(jī)能</p><p>　　手指的抓取機(jī)能是由被抓取物件和手指共同決定的。被抓取物件大小、形狀、重量、材質(zhì)和受外力的約束程度及運(yùn)動(dòng)情況，決定了手指能抓取的極限尺寸、手指對(duì)物件的約束和握緊程度、抓取精度等。</p><p>　　本機(jī)械手的手爪采用的是【】型槽的回轉(zhuǎn)型手指，如圖4-2所示。</p>&l

103、t;p>　　它是一種常用的夾持機(jī)構(gòu)，適用于夾持圓柱型類物品。</p><p>　　手指材料的恰當(dāng)選用，對(duì)機(jī)械手的使用效果影響也很大，為了符合手部的結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)保證手指有足夠的強(qiáng)度，本機(jī)械手的手指采用硬鋁合金（2A12）。</p><p>　　圖4-2 齒輪齒條式手爪</p><p>　　二、 手指的尺寸計(jì)算</p><p>　　本機(jī)械

104、手采用的是齒輪齒條式手爪，所以屬于雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指，其工作簡(jiǎn)圖如圖4-3所示，</p><p>　　圖4-3 雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指簡(jiǎn)圖</p><p>　　圖中：—手指長(zhǎng)度，即手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)A到【】型槽中心點(diǎn)B的距離；</p><p><b>　　—【】型槽的夾角；</b></p><p><b>　　—偏轉(zhuǎn)角；&

105、lt;/b></p><p>　　—兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)距離；物件軸心位置到手指兩支點(diǎn)連線的垂直距離用表示。</p><p><b>　　根據(jù)幾何關(guān)系，可得</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　整理得， （4-2）<

106、/p><p>　　該方程為雙曲線方程，經(jīng)過(guò)分析得出以下結(jié)論：</p><p>　　當(dāng)時(shí)，有最小的值，即</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　的變化以為分界，左右兩部分是對(duì)稱的。</p><p>　　當(dāng)﹤﹤時(shí)，夾持誤差為和中較大者，即</p><p&g

107、t;<b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　取 （4-6）</p><p>　　此處的s雖與其它參數(shù)之間沒(méi)有直接函數(shù)關(guān)系，但它既影響夾持誤差大小，又影響允許的最小夾持尺寸，故一般不能取很大。&l

108、t;/p><p>　　根據(jù)以上所討論的雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的夾持誤差分析，來(lái)確定手指的主要參數(shù)：</p><p><b>　　—手指長(zhǎng)度；</b></p><p>　　—偏轉(zhuǎn)角，要求手指的夾持誤差≤1mm。</p><p>　　按照設(shè)計(jì)任務(wù)要求，這里設(shè)置機(jī)械手抓取物體的直徑最大為40mm，故取=40mm。</p>

109、<p>　　取【】型槽的夾角，根據(jù)下式求得最佳偏角為：</p><p><b>　　（4-7）</b></p><p>　　即有 （4-8）</p><p>　　在雙曲線上，由于和關(guān)于對(duì)稱，所以，即</p><p&g

110、t;　　即 （4-9）</p><p>　　對(duì)手指的夾持誤差要求不要超過(guò)1mm，根據(jù)式（4-9）可寫出約束條件為：</p><p><b>　　（4-10）</b></p><p><b>　　計(jì)算得：</b></p><p>　　為了減小