机械手及控制系统设计

昆明工业职业技术学院毕业 专业技术 论文昆明工业职业技术学院毕业 专业技术 论文 题目 机械手及控制系统设计 姓 名 何浩源 1 学 号 1 1 学 院 运输工程学院 1 专 业 机电一体化系统设计 1 年 级 2016 级 1 指导老师 赵国宏 1 职称 机械助理 1 二 一七年十月二十日 摘要摘要 机械手是在自动化生产过程中发展起来的一种新型装置 广泛应用于工业生 产和其他领域 可编程控制器 PLC 已在工业生产过程中得到广泛的应用 论 文以西门子 PLC 为基础 介绍 PLC 在机械手搬运控制中的应用 设计了一套可行 的机械手控制系统 并给出了详细的 PLC 程序 此机械运用到了步进电机 直流 电机驱动和气压传动 能够使机械手满足控制要求 介绍了机械手的动作顺序及 其应用 PLC 进行控制的设计方法 建立了相应的原理图 确定了 PLC 的输入 输 出量 建立了 PLC 控制的硬件接线图及相应的控制流程图 通过 PLC 的软件程序 控制各电磁阀 驱动气缸动作 给出一定的脉冲驱动步进电机 从而控制机械手 的动作 本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体 动作灵活多样 可 代替人工在高温和危险的作业区进行作业 并可根据工件的变化及运动流程的要 求随时更改相关参数 关键字关键字 机械手 PLC 驱动 Abstract The manipulator is a new device developed in the automatic production process It is widely used in industrial producing and other fields Programmable Logic Controller PLC has been widely used in industrial producing as well This paper based on Siemens PLC is introduced and control of PLC in manipulator handling applications design a feasible robot control system and gives the detailed PLC program This machine use to step motor dc motor drive and pneumatic transmission can make robots meet the control requirements well Introduces the order and application of the manipulator action PLC control design method establishes the principle diagram confirmed the input output of PLC and established the PLC control hardware hookup and corresponding control flow The PLC program control each electromagnetic valve software drive and give certain cylinder drive stepping motor pulse of the manipulator to control movements This subject is the development of material handling manipulator to put in space objects flexible motion caught diversiform can replace artificial in high temperature and dangerous areas in the operations and can according to the changes and the movement process workpiece requirements of related parameters change at any time Keywords manipulator PLC drive 目录目录 1 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 机械手的定义及分类 2 1 3 机械手的应用及组成机构 3 1 4 机械手的发展趋势 4 2 可编程逻辑控制器 PLC 4 2 1 PLC 的特点 4 2 2 PLC 的选型 5 2 3 西门子 S7 200 系列 PLC 的结构功能 6 3 机械手的结构设计 8 3 1 机械手的结构概述 8 3 1 1 机械手的运动自由度 8 3 2 机械手的各部分结构 9 3 2 1 手部的设计 9 3 2 2 手腕 12 3 2 3 臂部 13 3 2 4 机身 14 3 3 本设计的总体要求 15 4 机械手的硬件设计及驱动 16 4 1 气压传动 16 4 1 1 气压传动简介 16 4 1 2 气压传动的设计 16 4 2 步进电机的驱动 17 4 2 1 步进电机驱动的原理 17 4 2 2 步进电机驱动的设计 19 4 3 直流电机的驱动 21 4 3 1 驱动芯片的介绍 21 4 3 2 驱动的设计 21 5 机械手的控制系统设计 22 5 1 机械手的功能介绍 22 5 2 机械手的控制 23 5 2 1 S7 200 PLC 的 CPU 选择 23 5 2 2 PLC 的 I O 分配 23 5 2 3 物块的位置控制及程序流程图 25 5 3 PLC 的程序设计 27 5 4 PLC 程序设计的总结 31 结论 32 参考文献 33 附录 A 34 致谢 47 1 绪论 1 1 绪论 1 1 课题背景 随着现代工业技术的发展 工业自动化技术越来越高 生产工况也有趋于 恶劣的态势 这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求 同时操作工人的 工作安全也受到了相应的威胁 工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化 对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要 这样可以避 免一些人不能接触的物质对人体造成伤害 如冶金 化工 医药 航空航天等 机械手能模仿人手和臂的某些动作功能 用以按固定程序抓取 搬运物件 或操作工具的自动操作装置 它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自 动化 能在有害环境下操作以保护人身安全 因而广泛应用于机械制造 冶金 电子 轻工和原子能等部门 机械手发展较快 应用较多 目前主要应用于机床 模锻压力机的上下料 以及焊接 喷漆等作业 它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作 有 些还具备有传感反馈能力 能应付外界的变化 如果机械手发生某些偏离时 会引起零部件甚至机械本身的损坏 但若有了传感反馈自动 机械手就可以根 据反馈自行调整 应用机械手 有利于提高材料的传送 工件的装卸 刀具的 更换以及机器的装配等的自动化程度 从而可以提高劳动生产率 降低生产成 本 加快实现工业生产机械化和自动化的步伐 机械手技术涉及到力学 机械学 电气液压技术 自动控制技术 传感器 技术和计算机技术等科学领域 是一门跨学科综合技术 近些年 随着计算机 技术 电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用 机械手已经成为 工业生产中提高劳动生产率的重要因素 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术 采用严格的生产工艺制造 内部 电路采取了先进的抗干扰技术 具有很高的可靠性 此外 PLC 带有硬件故障 自我检测功能 出现故障时可及时发出警报信息 PLC 采用光电隔离和滤波技 术技术有效抑制外部干扰源对 PLC 的影响 此外 PLC 还可在较为复杂的环境 下工作 具有编程简单 易于掌握 设计安装容易 维护工作量少 功能强 通用性好 开发周期短 功耗小等优点 本课题对现代工业的的发展具有很重 要的意义 可编程序控制器 PLC 控制的物料搬运机械手控制系统动作简便 线 路设计合理 具有较强的抗干扰能力 保证了系统运行的可靠性 降低了维修 率 提高了工作效率 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备 工业机械 1 绪论 2 手是工业机器人的一个重要分支 它的特点是可通过编程来完成各种预期的作 业任务 在构造和性能上兼有人和机器各自的优点 尤其体现了人的智能和适 应性 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力 在国民经济各领域 有着广阔的发展前景 综上所述 有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势 1 2 机械手的定义及分类 工业机械手是五十年代末才发展起来的一种高科技自动化生产设备 工业 机械手的是工业机器人的一个重要分支 它的特点是可通过编程来完成各种预 期的作业任务 在构造和性能上兼有人和机器各自的优点 尤其体现了人的智 能和适应性 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力 在国民经济 各领域有着广阔的发展前景 随着工业自动化的发展 出现了数控加工中心 它在减轻工人的劳动强度的同时 大大提高了劳动生产率 但数控加工中常见 的上下料工序 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置 前者 费时费工 效率低 后者因设计复杂 需较多继电器 接线繁杂 易受车体振 动干扰 而存在可靠性差 故障多 维修困难等问题 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器 它 有多个自由度 可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识 其一 它能 部分代替人工操作 其二 它能按照生产工艺要求 遵循一定的程序 时间和 位置来完成工件的传送和装卸 其三 它能操作必要的机具进行焊接和装配 因此 它能大大地改善工人的劳动条件 显著地提高劳动生产率 加快实现工 业生产机械化和自动化的步伐 因而 受到各先进工业国家的重视 并投入了 大量的物力和财力加以研究和应用 尤其在高温 高压 粉尘 噪音以及带有 放射性和污染的场合 应用得更为广泛 机械手一般分为三类 第一类是不需要人工操作的通用机械手 它是一种 独立的不附属于某一主机的装置 它可以根据任务的需要编制程序 以完成各 项规定工作 它的特点是除具备普通机械的物理性能外 还具备通用机械 记 忆智能的三元机械 第二类是需要人工操作的 称为操作机 它起源于原子 军事工业 先是通过操作机来完成特定的作业 后来发展到用无线电信号操作 机械手来进行探测月球 火星等 第三类是专用机械手 主要附属于自动机床 或自动线上 用于解决机床上下料和工件传送 这种机械手在国外称为 Mechanical Hand 它是为主机服务的 由主机驱动 除少数外 工作程序一 般是固定的 因此是专用的 本项目要求设计的机械手模型可归为第一类 即 1 绪论 3 通用机械手 1 3 机械手的应用及组成机构 目前工业机械手主要用于流水线传送 焊接 装配 机床加工 铸造 热 处理等方面 无论数量 品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要 在国内主要是发展各方面的机械手 逐步扩大应用范围 以减轻劳动强度 改善作业条件 在应用专用机械手的同时 相应地发展通用机械手 专用条件 还要研制示教机械手 组合机械手等 将机械手各运动构件 如伸缩 摆动 升降 横移 俯仰等机构 以及用于不同类型的夹紧机构 设计成典型的通用 机构 以便根据不同的作业要求 选用不同的典型部件 即可组成不同用途的 机械手 即便于设计制造 又便于改换工作 扩大了应用的范围 同时要提高 速度 减少冲击 正确定位 以更好地发挥机械手的作用 机械手主要由执行机构 驱动机构和控制系统构成 执行机构包括手部 手臂和躯干 手部装在手臂前端 可以转动 开闭手 指 机械手手部的构造系统模仿人的手指 分为无关节 固定关节和自由关节 三种 手指的数量又可以分为二指 三指 四指等 其中以二指用得最多 可 根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头 以适应操作的需要 本设计采用二指的构造 手臂的作用是引导手指准确地抓住工件 并运送到所 需要的位置上 为了使机械手能够正确地工作 手臂的三个自由度都需要精确 地定位 总之 机械手的运动离不开直线移动和转动二种 因此它采用的执行 机构主要是直线液压缸 摆动液压缸 电液脉冲马达 伺服液压马达 交流伺 服电动机 直流伺服电动机和步进电动机等 躯干是安装手臂 动力源和各种 执行机构的机架 驱动机构主要有四种 液压驱动 气压驱动 电气驱动和机械驱动 其中 以电气 气动用得最多 占 90 以上 液压 机械驱动用得较少 液压驱动主 要是通过液压缸 阀 油箱等实现传动 气压驱动所采用的元件为气压缸 气 马达 气阀等 一般采用 4 6 个大气压 个别达到 8 10 个大气压 本设计的 手爪部分采用气压驱动 电气驱动时 直线运动可以采用电动机带动丝杠 螺 母机构 通用机械手则考虑采用步进电动机 直流或交流的伺服电动机 变速 箱等 本设计采用步进电动机驱动手臂运动 直流电动机驱动手腕和机械手的 底盘旋转运动 机械驱动只适用于动作固定的场合 机械手控制的要素包括工作顺序 到达位置 动作时间 运动速度和加减 速度等 机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种 目前以点位控制为 主 占 90 以上 1 绪论 4 控制系统可以根据动作的要求 设计采用数字顺序控制 它首先要编制程 序加以储存 然后再根据规定的程序 控制机械手工作 对动作复杂的机械手 则采用数字控制系统 小型计算机或微处理机控制的系统 本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现 具有编程简单 修改容易 可靠性高等 1 4 机械手的发展趋势 机械手自二十世纪六十年代初问世以来 经过 40 多年的发展 现在已经成 为制造业生产自动化中重要的机电设备 目前 机械手技术有了新的发展 出 现了仿人型机械手 微型机械手和微操作系统 如细小工业管道机械手移动探 测系统 微型飞行器等 机械手化机器 智能机械手 不仅可以进行事先设定 的动作 还可按照工作状况相应地进行动作 如回避障碍物的移动 作业顺序 的规划 有效的动态学习等 机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向 扩展 并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队 国外方面 近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势 机械手性能 不断提高 而单机价格不断下降 机械结构向模块化 可重构化发展 控制系 统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展 传感器作用日益重要 虚拟现实技 术在机械手中的作用已从仿真 预演发展到用于过程控制 国内方面 目前在一些机种方面 如喷涂机械手 弧焊机械手 点焊机械 手 搬运机械手 装配机械手 特种机械手 水下 爬壁 管道 遥控等机械 手 基本掌握了机械手操作机的设计制造技术 解决了控制驱动系统的设计和 配置 软件的设计和编制等关键技术 还掌握了自动化喷漆线 弧焊自动线及 其周边配套设备的全套自动通信 协调控制技术 在基础元件方面 谐波减速 器 机械手焊接电源 焊缝自动跟踪装置也有了突破 从技术方面来说 我国 已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础 2 可编程逻辑控制器 PLC 可编程控制器是一种数字运算操作电子系统 专为在工业环境下应用而设 计 它采用了可编程的存储器 用来在其内部存储和执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作命令 并通过数字式和模拟式的输入和输出 控 制各种类型的机械或生产过程 可编程控制器及其外围设备 都易于与工业系 统联成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 2 可编程逻辑控制器 PLC 5 2 1 PLC 的特点 可编程控制器是在计算机技术 通信技术和继电器控制技术的发展基础上 开发起来的 现已广泛应用于工业控制的各个领域 它以微处理器为核心 用 编写的程序进行逻辑控制 定时 计数和算术运算等 并通过数字量和模拟量 的输入 输出来控制机械设备或生产过程 高可靠性高可靠性 1 所有的 I O 接口电路均采用光电隔离 使工业现场的外电路 与 PLC 内部电路之间电气上隔离 2 各输入端均采用 R C 滤波器 其滤波 时间常数一般为 10 20ms 3 各模块均采用屏蔽措施 以防止辐射干扰 4 采用性能优良的开关电源 5 对采用的器件进行严格的筛选 6 良 好的自诊断功能 一旦电源或其他软 硬件发生异常情况 CPU 立即采用有效 措施 以防止故障扩大 7 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或 有三 CPU 构成表决系统 使可靠性更进一步提高 丰富的丰富的 I O 接口模块接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号 如 交流或直流 开关量或模拟量 电压或电流 脉冲或电位 强电或弱电等 有相应的 I O 模 块与工业现场的器件或设备 如 按钮 行程开关 接近开关 传感器及变送 器 电磁线圈 控制阀等直接连接 编程简单易学编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式 对使用者来说 不需要具备计算机的专门知识 因此很容易被一般工程技术人 员所理解和掌握 安装简单 维修方便安装简单 维修方便 PLC 不需要专门的机房 可以在各种工业环境下直 接运行 使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I O 端相连接 即可投入 运行 各种模块上均有运行和故障指示装置 便于用户了解运行情况和查找故 障 2 2 PLC 的选型 对于 PLC 的选择 我们必须考虑多方面的因素 例如输入 输出的最多点 数 扫描速度 内存容量 指令条数 功能模块等 同时还要考虑其经济实用 性以及工作环境对其的影响 1 常用 PLC 介绍 PLC 发展这么多年 技术成熟 各种型号的也很多 各个厂家生产的也有 一定区别 各个重点发展方向也不同 所以我们必须根据自己设计需要 考虑 如何选择 西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱 活跃在中国的信息与通 2 可编程逻辑控制器 PLC 6 讯 自动化与控制 电力 交通 医疗 照明以及家用电器等各个行业中 其 核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案 欧姆龙 S7 200 系列 PLC 突出的特点 可靠性高 操作简便 丰富的内置 集成功能 强劲通讯能力 丰富的扩展模块 简单 易用的 Micro WIN 编程软 件 OMRON 的可编程序控制器更加小型化 SYSMAC CPM1A 的大小仅相当 于一个 PC 卡 对于 10 点的机型来说 从而使安装体积大幅度减小 同时也进 一步节省了控制柜的空间 它不仅具备了以往小型 PLC 所具备的功能 而且还 可连接可编程序终端 为生产现场创造了新的环境 编程环境与 CQM1 及 SYSMAC A 等机种相同 由于原有 SYSMAC 支持软件及编程器都可继续使用 故而系统的扩展及维护都可简单进行 三菱 FX 系列可编程控制器是当今国内外最新 最具特色 最具代表性的 微型 PLC 在 FX 中 除基本的指令表编程方式外 还可以采用梯形土编程及 对应机械动作流程进行顺序设计的 SFC 顺序功能图编程 而且这些程序可互相 转换 在 FX 系列 PLC 中设置了高数计数器 对来自特定的输入继电器的高频 脉冲进行中断处理 扩大了 PLC 的应用领域 其 FX2N PLC 还可以采用作为扩 展设备的硬件计数器 可获取最高 50kHz 的高速脉冲 2 确定型号 综上 对于被控对象 采用 PLC 系统与采用其它形式的控制系统相比较 力求具有较好的性价比 使用和维修方便 选用的 PLC 主机和配置 控制功能 等必须能满足被控对象的各种控制要求 选用的 PLC 主机及配置必须是功能较 强的新一代 PLC 机型 一般最好不要选用旧机型 若采用三菱公司的 PLC 则 选 FX 系列 不选 F1 系列 同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展 在满足 确定的要求外 留有一定的余量 确保整个控制系统可靠 还要考虑大家对产 品的熟悉程度 以及编程指令的易懂性 根据设计要求 最终选择西门子的 S7 200 系列的 PLC 其型号为 S7 CPU226 2 3 西门子 S7 200 系列 PLC 的结构功能 可编程控制器是一种工业控制微型计算机 它的结构原理与微型计算机相 似 硬件构成有微处理器 存储器和各种输入 输出接口 系统程序和接口器 件又与微机不同 这使它的操作使用方法 编程语言 工作方式等与微型机有 所不同 PLC 是用微处理器实现继电器 定时器和计数器以及 A D D A 模拟 转换器件的组合体的功能 采用软件编程进行它们之间的联系 2 可编程逻辑控制器 PLC 7 因为本设计采用的是 S7 200 系列的 PLC 虽然 PLC 的种类很多 但其结 构和功能都很相似 那就用此 PLC 来说明 PLC 的结构功能 PLC 主要由 CPU 存储器 基本 I O 接口电路 外设接口 编程装置和电 源等组成 基本结构如图所示 图 2 1 PLC 的基本机构 1 CPU CPU 是 PLC 的控制中枢 CPU 一般由控制电路 运算器和寄存器组成 CPU 在系统的监控程序的控制下工作 通过扫描方式 将外部输入信号的状态 写入输入映象寄存区域 PLC 进入运行状态后 从存储器逐条读取用户指令 按指令规定的任务进行数据的传送 逻辑运算 算术运算等 然后将结果送到 输出映象寄存区域 2 存储器 存储器 PLC 的存储器由只读存储器 ROM 随机存储器 RAM 和可电擦写的存储器 EEPROM 三大部分构成 主要用于存放系统程序 用户程序及工作数据 3 基本 基本 I O 接口单元接口单元 PLC 内部输入电路的作用是将 PLC 外部电路 如行程开关 按钮 传感器 等 提供的符合 PLC 输入电路要求的电压信号 通过光电耦合电路送至 PLC 内部电路 PLC 外部输出电路的作用是将输出映像寄存器的结果通过输出接口 电路驱动外部的负载 如接触器线圈 电磁阀 指示灯等 4 外设接口 外设接口 外设接口电路用于连接编程器或其他图形编程器 文本显示器 触摸屏 变频器等 并能通过外设接口组成 PLC 的控制网络 5 电源 电源 2 可编程逻辑控制器 PLC 8 电源单元的作用是把外部电源 220V 的交流电源 转换成内部工作电源 外部连接的电源 通过 PLC 内部配有的一个开关式稳压电源 将交流 直流供 电电源转化为 PLC 内部电路需要的工作电源 并为外部输入元件提供 24V 直流 电源 而驱动 PLC 负载的电源由用户提供 3 机械手的结构设计 3 1 机械手的结构概述 机械手能模仿人手和臂的某些动作功能 用以按固定程序抓取 搬运物件 或操作工具的自动操作装置 由于应用场合的不同 机械手结构形式有多种多 样 在组成部分的驱动方式 传动原理和机械结构也有各种不同的类型 通常 根据机械手各部分的功能 其机械部分主要由下列各部分构成 1 手部 机械手为了进行作业 在手腕上配置了操作机构 有时也称为手抓或末端 操作器 是来握持工件或工具的部件 本设计用的是齿轮齿条式夹持器 2 手腕 手腕是联接手部和手臂的部分 其作用是改变手部的空间方向和将作业载 荷传递到手臂 手腕往往有三种运动方式 手腕旋转 手腕弯曲和手腕侧摆 考虑本设计的要求 设计用的是一个步进电机控制可 180 度旋转的手腕 3 臂部 臂部是联接机身和手腕的部分 其作用是改变手部的空间位置 满足机械 手的作业空间 并将各种载荷传递到机座 机械手的臂部主要包括臂杆以及与 其伸缩 屈伸或自转等运动有关的部件 如传到机构 驱动机构 导向定位装 置 支承联接和位置检测元件等 臂部可分为 伸缩型臂部结构 转动伸缩型 臂部结构 屈伸型臂部结构 其他专用的机械传动臂部结构 本设计共用了三 个臂 有伸缩型臂部结构和转动型臂部结构 可进行上下移动和前后伸缩移动 以及水平旋转运动 4 机身 机身是机械手的基础部分 起支撑作用 固定式机械手直接联接在地面基 础上 移动式机械手则安装在移动机构上 常用的机身结构有 升降回转型机 身结构 俯仰型机身结构 直移型机身结构 类人机器人机身结构 本设计采 用的是升降回转型机身结构的机械手 3 机械手的结构设计 9 3 1 1 机械手的运动自由度 物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关 物体能够能够对坐标系进行 独立运动的数目称为自由度 DOF degree of freedom 自由度是指描述物体 运动所需的独立坐标数 为了抓取空间中任意位置和方位的物体 三维空间需 要 6 个自由度 物体所能进行的运动有沿着坐标轴的三个平移自由度和绕坐标 轴的三个旋转自由度 自由度是机 械手设计的关键参数 自由度越多 机械手 的灵活性越大 通用性越广 其结构也越复杂 一般固定程序的机械手 动作比较简单 自由度数较少 工业机器人自由 度数较多 动作灵活性和通用性较大 一般说来 机器人靠近机座的 3 个自由 度是用来实现手臂末端的空间位置的 再用几个自由度来定出末端执行器的方 位 7 个以上的自由度是冗余自由度 是用来躲避障碍物的 自由度的选择也与生产要求有关 若批量大 操作可靠性要求高 运行速 度快 周围设备构成比较复杂 工件质量轻时 机械手的自由度数可少 如果 要便于产品更换 增加柔性 则机械手的自由度要多一些 计算机械手的自由度时 末端执行器的夹持器动作是不计入的 因为这个 动作不改变工件的位置和姿态 在满足机械手工作要求前提下 为简化机械手 的结构和控制 应使自由度数最少 本设计的通用机械手的结构相对比较简单 在圆柱坐在圆柱坐标式机械手 的基本方案选定后 根据设计任务 为了满足设计要求 在本设计中关于机械 手的自由度的选择为 5 个 分别为立柱回转 小臂升降 手臂伸缩 手腕旋转 手爪夹紧放松 分别由步进电机 2 升降气缸 直流电机 步进电机 1 和手爪 加紧放松气缸控制 3 2 机械手的各部分结构 机械手的机械结构与传感系统 控制系统 驱动系统和环境交互系统一样 是组成机械手这一整体的重要组成部分 下面将分别对此设计的机械手的结构 和其设计进行详述 3 2 1 手部的设计 机械手的手部是重要的执行机构 机械手的首部分为两大类 夹持类手部 和吸附类手部 各类又分为很多种 如夹持类又可分为夹钳式手部 钩托式手 部和弹簧式手部 我们可根据设计的要求 选择外夹夹钳式 v 型指手部结构 其传力机构根据题目要求 可选择齿轮齿条式手部结构 故本设计的气动机械 手的手部结构形式如图 4 所示 其手指夹紧工件是由夹紧气缸 1 中的齿条活塞 3 机械手的结构设计 10 杆 8 在压缩空气作用下右移 经齿条推动齿轮 7 并带动扇形齿轴 5 回转 因手 指 6 与扇形齿轮 5 固结为一体 所以两个手指同时回转而夹紧工件 用由于采 用双向电磁阀 可实现其手部的夹紧和松开 手部结构中的齿轮齿条属于传力 机构 图 3 1 齿轮齿条式手部结构 3 2 1 1 手部夹力及驱动力的计算 手指在件上的夹力 是设计手部的主要依据 在此次设计中 我们可有如下参数 要求抓取工件的重量为 30N V 型指的角 度 2 120 b 60mm R 40mm 摩擦系数 f 0 1 当工件重量 手指指形 工件的形状和夹持的方位确定后 可有图 1 的形 状和方位确定 可得 1 夹力的计算公式 130N Gsin N 2f sin6030 2 0 1 2 根据手部机构的传动示意图图 5 所示 其驱动力为 2BN2 60 130 P 390N R40 理 3 机械手的结构设计 11 图3 2 齿轮齿条式手部结构示意图 3 实际驱动力 12 K K P P 理实际 P 驱动力 N 手部的机械效率 一般取 0 85 0 95 安全系数 通常为 1 2 2 0 1 K 工作状况系数 主要考虑惯性力的影响 K2 可按下式估计 2 K 2 a K 1 g 被抓取工件运动时的最大加速度 a max v a t 响 运载时工件最大上升速度v响 3 机械手的结构设计 12 系统达到最高速度的时间 一般选取 0 03 0 5st响 g 重力加速度 g 9 8m 2 s G 被抓取工件所受重力 N 在此中 因为传动机构为齿轮齿条机构 故取 0 9 取 1 5 机械手达 1 K 到最高响应时间 0 5s max 2 ta0 1 0 5 K 1 111 02 gg9 8 v 响 121 5 1 02 390663 0 9 K K 实际理P P 3 2 2 手腕 此设计的手腕上端连着丝杆 从而使整个手部可以顺利水平移动 下端连 着手部 将载荷从手部传递到杆上 手腕是由上升下降气缸 旋转步进电机和 一些机械装置构成 结构紧密 气缸选的是 CDM2B10 30 型号 其电磁阀选型是二位五通双电控电磁阀 选用的是 AIRTAC 公司型号为 4V110 M5 的产品 供电电压是 DC24V 两位五 通电磁阀具有 1 个进气孔 接进气气源 1 个正动作出气孔和 1 个反动作出气孔 分别提供给目标设备的一正一反动作的气源 1 个正动作排气孔和 1 个反动作 排气孔 常常安装消声器 其工作原理为 给正动作线圈通电 则正动作气路 接通 正动作出气孔有气 即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接通的 将会一直维持到给反动作线圈通电为止 给反动作线圈通电 则反动作气路接 通 反动作出气孔有气 即使给反动作线圈断电后反动作气路仍然是接通的 将会一直维持到给正动作线圈通电为止 当要下降手部时 PLC 给正动作线圈 通电 机械手手部下降 当要手部提升时 只需给反动作线圈通电即可 每次 通电都要维持一段时间 大约 2 秒钟 步进电机可以使气缸和下面承载的夹持器一体转动 从而可以控制手的顺 利转动 180 这样大大提高了机械手的活动空间 设计中是有 4 块物体 放 在一块玻璃板上 夹持器一块块夹取 所以要求机械手转动手部 使夹持器保 持合适的角度来夹取物块 步进电机的角度和转动的方向是由 PLC 控制的 手腕的示意图如下 3 机械手的结构设计 13 图 3 3 手腕示意图 3 2 3 臂部 设计中手臂是使机械手手部前伸和后缩的重要组成部分 手臂是用滚珠丝 杆作用的 丝杆的后端连着直流电机 丝杆螺母连着手腕整体 直流电机通过 丝杆将机械手的手部进行水平移动 直流电机选用的型号为 5D90 24 驱动电压为 24V 功率为 90W 负载转 速为 2800 转 力矩为 3 2Kg cm 驱动芯片 L298N 通过控制直流电机的启停从而控制丝杆螺母的移动 这样 可方便精确地控制机械手的手部的移动 滚珠丝杆由螺杆 螺母和滚珠组成 它的功能是将旋转运动转化成直线运 动 由于具有很小的摩擦阻力 滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪 器中 是将回转运动转化为直线运动的理想的产品 其实物图如下 图 3 4 滚珠实物图 3 机械手的结构设计 14 滚珠丝杆具有很多优点 1 与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1 3 2 高精度的保证 3 运动平稳 4 同步性好 丝杆的参数为 导程 mm 轴向平均负载 m s 轴向平均转速 r m 丝杆的长度 mm 202002000920 其型号为 KURODA GG1520AS BALR 系列的 3 2 4 机身 机身包括立柱和底座 立柱是支承手臂的部件 立柱也可以是手臂的一部 分 手臂的回转运动和升降 或俯仰 运动均与立柱有密切的联系 机座是机 械手的基础部分 机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上 故起 支承和联接的作用 立柱的下端连着底座 上端连着机械手的手臂 对手臂其 支撑和将载荷传到底座的作用 底座下面有一步进电机 控制立柱的旋转 也 即控制整个机械手上方的旋转运动 其示意图为 图 3 5 机身示意图 3 机械手的结构设计 15 3 3 本设计的总体要求 前已讲到 有很多种机械手 其实现的功能各种各样 而此设计的机械手 是搬运机械手 实现的是按照固定顺序将待加工的工件搬到传输带上 1 其结构图如下 其结构图如下 图 3 6 机械手的结构 2 机械手的工作流程机械手的工作流程 机械手的工作方式有三种 单步运行 单周期运行 连续运行 单步运行 从初始步开始 按一下启功按钮 系统转换到下一步 完成 该步的任务后 自动停止工作并停留在该步 再按一下启功按钮 又往前走一 步 单步方式常用于系统的调试 每按一次启动按钮 机械手前进一个工步 或工序 即自动停止 单周期运行 每按一次启动按钮后 机械手从原点起始步开始 按照工 序顺序自动完成一个周期的动作后停止 返回有效期停在初始步 若在中途按 下停止按钮 机械手停止运行 再按下启动按钮 从断点处开始继续运行 回 到原点自动停止 连续运行 在初始状态下 按下启动按钮后 机械手从初始步开始 工 作一个周期后 又开始进行下一个周期 自动 连续不断地周期性循环 具体流程为 机械手在载物板上方 手腕靠近立柱为初始态 当在连续工作 方式下按下启动按钮 机械手由气压驱动向下伸开小臂 根据判断取的是哪个 物件 从而决定是否要进行旋转手腕 以及旋转多少角度 之后夹持器抓住物 4 机械手的硬件设计及驱动 16 块 待两秒钟后反旋转 再由气压驱动向上缩回去 步进电机 2 也是根据当前 抓取的是哪个物件而决定旋转多少角度 之后直流电机启动通过滚珠丝杆向前 方伸开大臂 待到一定长度时 下降小臂 释放物块 再之后回去再取物块 当四件物块都取走放在传送带上 机械手就完成了一个周期 完成一个周期又 回到初始态 若按下停止键 则机械手待完成一个工作周期后停止 4 机械手的硬件设计及驱动 4 1 气压传动 本设计的夹持器和小臂都是用气压驱动的 4 1 1 气压传动简介 气压传动与控制技术简称气动技术 是指以压缩空气为工作介质来进行能 量与信号的传递 实现生产过程机械化 自动化的一门技术 它是流体传动与 控制学科的一个重要组成部分 从广义上看 气动技术范畴 除空气压缩机 空气净化器 气动马达 各类控制阀及辅助装置以外 还包括真空发生装置 真空执行元件以及各种气动工具等 由于气动技术相对于机械传动 电传动及液压传动而言有许多突出的优点 因而近年来发展十分迅速 现在气动技术结合了液压 机械 电气和电子技术 的众多优点 并与它们相互补充 成为现实生产过程自动化的一个重要手段 在机械 冶金 纺织 食品 化工 交通运输 航空航天 国防建设等各个部 门已得到广泛的应用 4 1 2 气压传动的设计 机械手的气动控制回路如图 4 1 所示 气动系统由气源 气动 三联件 OZ 电磁阀 节流阀和各种气缸组成 气源工作压力 最小 6bar 最大 8bar 压缩空气经气源三联件再次过滤 净化 调压 雾化后经手动换向阀后分别进 入三只电磁换向阀 升降气缸的换向阀采用二位五通双电控电磁阀 夹紧气缸的换向阀采用二 位五通单电控电磁阀 电磁阀均选用 AIRTAC 公司型号为 4V110 M5 的产品 气缸选用 SMC 公司的产品 升降气缸选 CDM2B10 30 型号 夹紧气缸选 MHZ2 10D1E 型号 为了使各执行元件运动平稳 各气缸 2 个气口装有单向 节流阀 型号选择为 SMC 公司的 ARJ1020F M5 升降气缸位置检测开关选用 SMC 公司的 D C73 产品 夹钳上不用位置检测开关 电磁阀的线圈用电均 4 机械手的硬件设计及驱动 17 P 2 为直流 24V P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 A B B A B A S P R S P R S P R P 气缸 1A气缸 2A气缸 3A 图 4 1 气压驱动原理图 4 2 步进电机的驱动 机械手的小臂转动和机身的旋转都是用步进电机驱动的 4 2 1 步进电机驱动的原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件 在非超 载情况下 电机的转速及停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受 负载变化的影响 即给电机加一个脉冲信号 电机就转过一个步距角 它的旋 转是以固定的角度一步一步运行的 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同样可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度 气缸 1A 上升气缸 气缸 2A 下降气缸 气缸 3A 夹持气缸 4 机械手的硬件设计及驱动 18 和方向 从而达到调速的目的 步进电机具有很多的优点 1 步进电机必须加驱动才可以运转 驱动信号必须为脉冲信号 没有脉 冲的时候 步进电机静止 如果加入适当的脉冲信号 就会以一定的角度 称为步角 转动 转动的速度和脉冲的频率成正比 2 如果步进电机的步进角度为 7 5 度 一圈 360 度 需要 48 个脉 冲完成 由此步进电机转向的角度或位移可以精确由频率控制 3 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性 4 改变脉冲的顺序 可以方便 地改变转动的方向 步进电机不同于其他交流电机 还在于 仅仅接上电源 电机并不转动 还必须 接上相应的脉冲分配驱动器 驱动器的输出为步进电机各相提供按通电顺序的励 磁电流 所以步进电机的工作性能 在很大程度上取决于所使用驱动电路的具体 类型和性能指标 步进电机分为 PM 型 永磁式 VR 型 磁阻式或反应式 和 HB 型 混合式 3 种类型 相数有两相 三相 四相 五相 六相等多种形式 目前常用的是两相或四相混合式步进电机 步进电机功率驱动电路可分为电压驱动和电流驱动式 电压驱动又有单电 压驱动 见图 4 2 a 和双电压驱动 见图 4 2 b 单电压驱动在步进电机相绕 组中串接一定阻值和功率的电阻 用以增加绕组回路的电阻 减小时间常数 为了 维持电机相电流的额定值 必然要提高驱动绕组的电压 串联电阻驱动的效率低 但因其驱动方式简单 成本低 在实际驱动电路中用得较多 双电压驱动每相绕组 导通时 首先施加高电压 VH 使步进电机相电流快速上升 当电流上升到规定幅度 时 高电压 VH 被切断 切换到低电源电压 VL 维持电流 因去除了耗能很大的串联 电阻 电路驱动效率大大提高 这种驱动方式采用高低两种驱动电源 但电源切换 的控制电路相对复杂 因而较少采用 恒电流源驱动是比较理想的驱动方式 应用 专用集成电路 PWM 恒流斩波驱动 能获得高性能指标 图 4 2 步进电机两种驱动方式 4 机械手的硬件设计及驱动 19 4 2 2 步进电机驱动的设计 本设计用的是 PMM8713 三相或四相步进电机的脉冲分配器 SI27300A 两相 或四相功率驱动器 用他们组成的四相步进电机功率驱动电路 SI27300 是高性能步进电机集成功率放大器 为单极性四相驱动 采用 SIP18 封装 其结构框图见图 3 步进电机使用较高电压电源 可使绕组电流几乎阶跃 地上升到预定值 流过检测电阻的电流去控制斩波控制电路关断 绕组电路在续 流回路中续流并下降 当电流下降规定时间后 达到某一电流值 由脉冲电路产生 脉冲至斩波控制电路使斩波开关管接通 如此反复控制 由其反复开关绕组电流 进行斩波控制 使电流平均值趋向于维持恒定 图 4 3 SI27300 内部原理框图 SI27300 的典型技术指标为 表 4 1 SI27300 的典型技术指标 输出电流 I0 与检测电阻 Rs 的关系可由下式近似求出 Ioh max 0 233 Vcc2 0 026 PRs Ioh min 0 214 Vcc2 0 021 PRs PMM8713 是步进电机脉冲分配器 采用 DIP16 封装 适用于控制三相或四相 步进电机 脉冲输入方法有两种图 4 4 a 为双脉冲输入法 CU CD 分别控制步进电机 正反转脉冲 图 4 4 b 为单脉冲输入法 CK 脉冲输入 步进电机正反转方向由 CPD 的电位高低决定 本设计考虑为了用 PLC 方便控制及节省 PLC 的内部资源 4 机械手的硬件设计及驱动 20 采用的时第二种脉冲输入方法 即用 PLC 的晶体管输出方式分别给出脉冲和转 动方向 图 4 4 PMM8713 的两种脉冲输入方法 PMM8713 可以择 3 种励磁方式 每相最小灌入与拉出电流为 20mA 满足后 级功率放大器的输出要求 激励方式控制决定选择何种励磁方式 1 相励磁 2 相 励磁 1 2 相励磁 3 种励磁方式之一 设计的结构原理图如下 励磁方式选择的是 1 2 励磁方式 Cu 1 Cd 2 Ck 3 C D 4 5 6 7 4 10 3 11 2 12 1 13 8 16 U1 PMM8713 1 3 4 5 67 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 U2 SI27300 入入入入 入入入入 510R1 510R2 510R3 510R4 R5R6 A A B B AA BB D1 VCC1 C2 50uF M B0 Motor C122uF VCC2 图 4 5 步进电机驱动电路图 步进电机选用的是 42BYG009 型混合式步进电机 驱动电压为直流 24V 其参数 为 表 4 2 42BYG009 型混合式步进电机部分参数 相数电压 V 电流 A 电阻 电感 mH 最大静转 矩 kg cm 定位转矩 g cm 转动惯量 g c 4240 67 06 01 3 18020 手腕的转动和机身的转动用的驱动和步进电机都是一样的 4 机械手的硬件设计及驱动 21 4 3 直流电机的驱动 机械手的水平方向上的伸缩是用直流电机驱动的 设计中采用 H 桥驱动 驱动芯片为 L298n 4 3 1 驱动芯片的介绍 L298N 为 SGS THOMSON Microelectronics 所出产的的双全桥电机驱动芯 片内部包含 4 信道逻辑驱动电路 可以用来驱动二相和四相步进电机 也可以 用来驱动直流电机 它内含两个 H Bridge 的高电压 大电流双全桥式驱动器 接收标准 TTL 逻辑准位信号 可以驱动 46V 电压 2A 以下的电机 且可以直 接通过电源来调节输出电压 其内部电路图为 图 4 6 L298N 内部原理简图 4 3 2 驱动的设计 因设计中只用一个直流电机 所以 L298N 芯片只用一个全桥 其连接电路 为图为 图 4 7 直流电机驱动电路 5 机械手的控制系统设计 22 其中 Port0 端口作为电机的正向转动控制端口 为高电平 1 时 直流电机正 向转动 机械手的手部通过丝杆向前方移动 触到行程开关时则关闭 Port1 端 口作为电机的反向转动控制端口 为高电平 1 时 直流电机反向转动 机械手 的手部通过丝杆向后方移动 触到相应的行程开关时则关闭 VCC 是用来作为 器件内部控制电路的电源 VDD 是用来作为电机的驱动电源 其使能端直接接 高电平 不作为控制端口 直流电机旁的四个二极管作续流保护电路用的 型 号为 1N4148 直流电机的型号为 5D90 24 5 机械手的控制系统设计 5 1 机械手的功能介绍 本设计的机械手是搬运机械手 用于自动化线上 目的是提高生产率 降 低劳动成本 是生产有序 可控 机械手具有 5 个自由度 可方便灵活地移动 满足工业生产的要求 有四件物件需要投放到流水线上 每投放四件 由另一机械手将待加工的 四件物件放到固定的位置 当四件物体放到固定的位置上 按下启动按钮 此 机械手就会去抓取物件 待一个放到流水线 又会回来抓取另一个 四个都放 到流水线了为完成一个周期 此机械手可以进行单周期 单步和连续工作三种方式 单周期和单步主要 用于维修和调试所用 连续工作方式为机械手正常运作方式 这三种工作方式 通过一个多档开关来选择 当多档开关拨在单周期工作方式上 按下启动按钮 此时机械