機械電子學課程設計-物流自動化搬運機械手機電系統(tǒng)研究

1、<p><b>　　作 業(yè)</b></p><p>　　課程名稱： 機械電子學 </p><p>　　研究生姓名： 學號： </p><p>　　作業(yè)成績：

2、 </p><p>　　任課教師(簽名) </p><p>　　交作業(yè)日時間：2013年 1 月 16 日 </p><p>　　物流自動化搬運機械手</p><p><b>　　機電系統(tǒng)研究</b></p><

3、p>　　Analytical and Experimental on the Controlling Method at Manipulator</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文探討了工業(yè)機械手及其機電系統(tǒng)控制問題；對應用單片機控制圓柱坐標式機械手的具體方法作了深入細致的研究；所述“電磁鐵動作時序圖”更加簡明地反映了各電

4、磁鐵得失電的先后順序及相應的得電持續(xù)率。文中所述方法對工業(yè)機械手的控制具有普遍意義。</p><p>　　關鍵詞：機械手；單片機；機電系統(tǒng)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In this paper, first, how a manipulator works is explained and the

5、 fundamental principle of its electrohydraulic system is introduced. Next, the method is carefully studied that control it in single chip microcomputer. After that, the working circle of the manipulator is provided. Fina

6、lly, the results are given. The method introduced by us in this paper is of importance.</p><p>　　Keywords: Manipulator; Single chip microcomputer; Electrohydraulic</p><p><b>　　目 錄</b

7、></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　第2章 機械系統(tǒng)工作原理2</p><p>　　第3章 液壓系統(tǒng)工作原理4</p&g

8、t;<p>　　第4章 機電系統(tǒng)控制功能6</p><p>　　第5章 控制系統(tǒng)硬件7</p><p>　　第6章 控制系統(tǒng)軟件8</p><p><b>　　第7章 結束語8</b></p><p><b>　　參 考 文 獻9</b></p><p&g

9、t;<b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　工業(yè)機器人誕生以來，已有數(shù)千萬臺替代各領域中的生產工人出色地完成著極其繁重、復雜、精密、乃至充滿危險的工作；并扮演著靈巧自如、不知疲倦“操縱者”的角色。</p><p>　　從另一意義上講，在一條自動化程度很高的生產線上，真正用來加工產品的時間一般不大于整個生產時間的10%。由此可以看出，物流自動化的迫切性和重

10、要性。物流自動化搬運機械手作為一種高效、簡便的搬運設備，經歷數(shù)十年的發(fā)展，其機電一體化程度日益提高，工業(yè)應用技術日臻完善，并已成為現(xiàn)代制造業(yè)中的一個重要組成部分。</p><p>　　圖1 機械手的工業(yè)應用</p><p>　　圖1所示為某企業(yè)產品包裝流水線，當檢測到有次品時，即發(fā)出剔除信號，次品剔除機械手延時t1之后開始動作，并將次品準確無誤地剔除到次品傳輸帶上。產品的體積為282*90

11、*48，重量為10N，要求機械手在15s內完成一個工作循環(huán)，其工作循環(huán)如圖4所示。</p><p>　　第2章 機械系統(tǒng)工作原理</p><p>　　機械手的種類很多，但按手臂坐標類型來分主要有直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式幾種，如圖2所示。</p><p>　　其中圓柱坐標式機械手具有二個直線運動和一個旋轉運動自由度。其特征是垂直導柱上裝有滑動套筒，裝于

12、其上的手臂作上下直線運動；水平面內手臂作順時針和逆時針擺動；手指可抓取和松開。其結構簡單，直觀性好；運動節(jié)拍短，能滿足高速要求；動作范圍大，易于與生產線上的傳送帶配合使用；且非常適合于搬運作業(yè)。因此是應用最廣泛的一種機械手。</p><p>　　圖2 工業(yè)機械手的結構類型</p><p>　　圖3 次品剔除機械手機械結構圖</p><p>　　圖3所示為該企業(yè)產品包

13、裝流水線次品剔除機械手結構圖。其升降運動通過升降油缸、垂直導柱、滑動導柱、垂直導軌及升降位置微動開關相互配合完成。在整個升降行程中可實現(xiàn)低速啟動、高速運行、低速停止的合理工作過程，升降工作行程為0~1500mm。</p><p>　　其順時針和反時針擺動通過擺動油缸、軸向止推軸承、擺動臂及擺動位置微動開關協(xié)調完成。同樣在整個擺動行程中可實現(xiàn)低速啟動、高速旋轉、低速停止的合理工作過程，擺動工作行程為0°~

14、180°。軸向止推軸承主要是用來承擔彎矩，從而使擺動油缸輸出軸只承受扭矩作用，以延長其使用壽命。</p><p>　　為避免由于供電系統(tǒng)掉電或油路故障導致的被抓取物體自然墜落事故，必須采用常閉式抓取機構。即通過彈簧抓取，柱塞松開。夾持力靠調整彈簧的預壓縮量來調節(jié)，且大小必須適中。手指的最小開口度由軸向限位擋環(huán)的厚度確定。另外，為保證機械手在工作過程中不損傷被抓取物體，要求抓取時動作必須輕緩；但為保證較高

15、的工作效率，松開時必須迅速。整個系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。</p><p>　　圖4 機械手運動流程圖</p><p>　　第3章 液壓系統(tǒng)工作原理</p><p>　　如圖5所示為該機械手的液壓系統(tǒng)圖，它擁有手指抓取、松開，立柱上升、下降和手臂順時針、反時針擺動三個執(zhí)行機構。</p><p>　　圖5 機械手液壓系統(tǒng)圖</p>

16、<p>　　其中泵P由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調定；1DT的得失電決定了動力源P的投入與摘除。</p><p>　　考慮到手指的輕緩抓取、迅速松開動作，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥V5、V6。當8DT得電時，工作液體經由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現(xiàn)手指的快速松開；當8DT失電時，柱塞缸中的工作液體在手指夾緊彈簧的作用下經由節(jié)流閥V6回到液體箱，實現(xiàn)輕緩抓取。</p&

17、gt;<p>　　機械手擺動速度的調節(jié)，由7DT控制閥和節(jié)流閥V4配合完成。當7DT得電時，工作液體經過V4，實現(xiàn)低速擺動。當7DT失電時，工作液體經過7DT，實現(xiàn)高速擺動。</p><p>　　機械手升降速度的調節(jié)方法與擺動速度調節(jié)方法類似，只是它由4DT和V3配合完成。另外，由于升降機構的下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有增速的趨勢，為保證系統(tǒng)的安全性，采用%-構成的平衡回路向升降油缸下腔

18、提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。</p><p>　　圖6所示為機械手一個自動工作循環(huán)的“電磁鐵動作時序圖”。與傳統(tǒng)的電磁鐵動作順序表相比，它不僅清楚明了地反映了各電磁鐵的得電順序，而且還進一步明示了各電磁鐵的得電時間長短和相互關系。它使設計者的意圖表現(xiàn)得更加淋漓盡致；使安裝調試者的工作更加簡便易行；使設備操作過程更加一目了然。通過它，我們還可以直接看出各電磁鐵動作的頻數(shù)。這也是本研究的一個創(chuàng)新點。</

19、p><p>　　圖6 機械手自動工作循環(huán)電磁鐵得電時序圖</p><p>　　第4章 機電系統(tǒng)控制功能</p><p>　　通過控制面板反應出來的機電系統(tǒng)控制功能在很大程度上決定了未來機電產品的面貌，并對機電系統(tǒng)的整體和經濟性能有著重大影響。因此，控制功能的綜合及優(yōu)選是機電產品設計中最具活力，且又十分復雜、困難的階段。</p><p>　　圖7

20、機械手控制面板圖</p><p>　　圖7所示為該機械手控制面板。手動操作功能除采用低速點動實現(xiàn)各機構動作外，還具有返回原點功能；自動操作功能是使調試完畢并處于原點位置的機械手在“啟動.停止”按鈕或“次品剔除信號”的控制下，按預定程序自動進行次品剔除工作。</p><p>　　第5章 控制系統(tǒng)硬件</p><p>　　控制系統(tǒng)硬件電路由CPU(AT89C51)、程

21、序存儲器（27C64）、數(shù)據(jù)存儲器（HM6264）、串行接口電路（MAX232）、并行接口電路（8255C）、光電隔離電路、掉電保護電路等組成。</p><p>　　如圖8所示，系統(tǒng)時鐘頻率為11.0592MHz；地址鎖存器選用74HC373；P1為備用端口，為防干撓，接10K的電阻排；AT89C51的P3.0、P3.1接MAX232芯片，作為與電腦COM口連接的串行口；P3.2、P3.3為外部中斷輸入，是系統(tǒng)的

22、緊急停止和停車信號輸入口；復位電路采用上電復位及手動復位；為防干撓，各芯片的VCC端接0.1μF退耦電容；8255(1)為開關量輸入端口芯片，8255(2)為開關量輸出端口芯片。系統(tǒng)采用全地址譯碼，譯碼器選用74HC138，各存儲器及I/O接口芯片的地址編碼如下表1所列。</p><p>　　圖8 系統(tǒng)硬件電路電氣原理圖</p><p>　　表1 存儲器及I/O接口芯片的地址編碼表<

23、;/p><p>　　為防干撓，輸入/輸出采用光電隔離電路，輸入選用光耦MOC8101，輸出采用直流型固態(tài)繼電器（內有光電隔離電路），數(shù)字地、模擬地通過開關電源隔離。為防止掉電時數(shù)據(jù)丟失，選用3.6V鋰電池作掉電時保護后備電源，當比較電路檢測到電壓低于3.6V時，電池對HM6264VCC供電。</p><p>　　第6章 控制系統(tǒng)軟件</p><p>　　軟件采用模塊化方

24、式設計，包括主程序模塊，子程序模塊和中斷模塊。子程序包括上升、下降、左轉、右轉、抓取、松開、延時等子程序，中斷模塊有外部急停和停車中斷模塊，內部接收、發(fā)送、中斷模塊等。</p><p><b>　　第7章 結束語</b></p><p>　　工業(yè)機械手的機電控制技術一直是廣大科研工作者和工程技術人員所關注的問題。本文所述控制方法具有一定的普遍意義和應用前景。</

25、p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 鐘約先. 機械系統(tǒng)計算機控制. 清華大學出版社,2001,4.</p><p>　　[2] 李華. MCS-51系列單片機實用接口技術. 北京航空航天大學出版社,1993,8. </p><p>　　[3] 陸祥生, 楊季蓮. 機械手理論及應用. 中