多功能取料机携手一体化设计毕业论文.doc

毕业论文（设计）题 目： 多功能取料机械手一体化设计 系部名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 摘 要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的选择设计以及控制软件的运用，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和修改程序、程序的自动运行。关键词：机器人，示教编程，伺服，自动，制动Multifunctional material taking integrative design of manipulatorAbstractIn the modern large-scale 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 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 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 choose 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. Great 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 reference point and returning to reference point.Keywords: Robot Playback Servocontrol Automatic Brake目 录第1章 绪论 11.1 机器人概述 11.2 机器人的历史、现状 31.3 机器人的发展趋势 5第2章 机器人平台设计及机械手的设计 62.1自由度及关节 62.2 基座及连杆 92.2.1 基座 92.2.2 大臂 92.2.3 小臂 102.3 机械手的设计 102.4 驱动方式 122.5 传动方式 152.6 制动器 16第3章 机械手控制系统的设计 183.1 控制系统硬件的设计 183.2 控制系统软件的设计 21第4章 结论 264.1 所完成的工作 264.2 设计经验 264.3 误差分析 264.4 可以继续探索的方向 27致 谢 28参考文献 29第1章 绪论1.1 机器人概述 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，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（Manipulator）。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讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“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。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。图1-1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。 图1-2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。1.2 机器人的历史、现状 机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.3机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人。 b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合。 c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。第2章 实验平台设计及机械手的设计该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人，利用现有已经报废的焊接机器人，本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。在本次设计中，机械人的主要功能是：识别并抓取工件，然后将工件放到指定位置；主要动作包括：夹紧、提升、平行移动、下降、松开，回到原位置。其本体设计如图2-1 所示。2.1自由度及关节 图2-1该机器人具有四个自由度 ，即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，都为转动关节；还有一个用于夹持物料的机械手。根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有四种，下面分别论述其特点，然后确定运动形式。2.11.直角坐标型机器人 直角坐标型机器人的结构简图如图1-1所示，它在x,y,z轴上的运动是独立的，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是： (1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。 (2)计算比较方便。 (3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。 (4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。 (5)要求有较大的平面安装区域。 (6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。2.12圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人的结构简图如图1-2所示，R、和x为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特点是：(1)容易想象和计算。(2)能够伸入形腔式机器内部。(3)空间定位比较直观。(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。(5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。2.13.极坐标型机器人 极坐标型机器人又称为球坐标机器人，其结构图如图1-3所示，R，和为坐标系的坐标。其中是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是： (1)在中心支架附近的工作范围较大。 (2)两个转动驱动装置容易密封。 (3)覆盖工作空间较大。 (4)坐标系较复杂，较难想象和控制。 (5)直线驱动装置仍存在密封问题。 (6)存在工作死区。2.14.多关节机器人 多关节机器人结构简图如图1-4所示，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、和为坐标系的坐标，其中是绕底座铅垂轴的转角，是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是：(1)动作较灵活，工作空间大。(2关节驱动处容易密封防尘。(3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。(4) 适合于电动机驱动。(5)运动难以想象和控制，计算量较大。(6)不适于液压驱动。 图1-1 直角坐标型 图1-2 圆柱坐标型 图1-3 极坐标型 图1-4 多关节型 选择方案的准则：1.满足设设计要求：机械手能够旋转一定角度。2.结构简单，便于计算分析。分析比较以上四种运动形式，确定选用多关节坐标型机器人。2.2基座及连杆2.2.1 基座基座是整个机器人本体的支撑。为保证机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。2.2.2 大臂大臂长度230mm，具体尺寸如图2-2所示： 图2-2 大臂外形2.2.3 小臂小臂长度240mm，具体尺寸如图2-3所示：图2.-3小臂外形2.3机械手的设计工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：（1） 夹钳式取料手（2） 吸附式取料手（3） 专用操作器及转换器（4） 仿生多指灵巧手本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图2-4所示图2-4 机械手手指形状 传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图2-5为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另外一半关于中心线对称）。 图2-5 机械手机构简图 在图2.4中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联，使电机最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运动。 图2.4中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。 为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。 另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并且提供足够加紧物体的力。 图2-6为采用虚拟样机软件ADAMS来分析所设计的机械手机构的工作状况。图2-6 虚拟样机场景下面更进一步计算出所需要的电机力矩。图2-7 力矩变化情况从图2-7中看到，起始阶段须克服的弹簧力最大，电机转矩必须大于550Nmm，这为电机的挑选提供了一定的依据。2.4驱动方式 该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2.1：表2.1三种驱动方式的特点对照内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率 很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa，最大可达Pa 较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度 很高较高 很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4）安全可靠；5）操作和维护方便；6）对环境无污染，噪声要小；7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。表2.2为选定的各个关节电机型号及其相关参数。表2.2机器人驱动电机参数电机参数腰关节肩关节肘关节腕关节手爪型号MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO额定电压18v18v18v6v6v额定转矩18.2 Nm18.2 Nm18.2 Nm10.3 Nm10.3 Nm最大转矩67.4Nm67.4Nm67.4Nm额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm腰关节手抓为备选电机，控制系统中没用，用于改进设计。2.5传动方式由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；（4）寿命长、价格低。 本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。 齿形带传动原理如图2-8所示。齿轮带的传动比计算公式为 齿轮带的平均速度为 图2-8 齿形带传动2.6制动器制动器及其作用：制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下： 特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施 停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。机械制动器： 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。 在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。因此这种制动器被称为无励磁动型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。电气制动器 电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。 本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和轴关节的电气制动。 采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。第3章 机械手控制系统的设计3.1控制系统的硬件设计3.11 PLC概况及在机械手中的应用1. 可编程序控制器的应用和发展概况可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC（programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通 信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。2.PLC的应用概况PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。1）. 用于逻辑控制这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。2）. 用于模拟量控制PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。3）. 用于机械加工中的数字控制现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。4）. 用于工业机器人控制5）. 用于多层分布式控制系统高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。3. PLC的特点1）. 可靠性高、抗干扰能力强PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h，这是一般微机所不能比拟的。2）. 控制系统构成简单、通用性强由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。3）. 编程简单、使用、维护方便4）. 组合方便、功能强、应用范围广PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此，PLC应用范围很广。5）. 体积小、重量轻、功耗低PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。5.PLC在机械手中的应用机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强;编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围广; 体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动。图3.1 PLC硬件接线图本次设计中选用了西门子 S7-200 系列机 CPU226 型，其输入、输出接口将能满足控制要求。其硬件接线图如图 5 所示。为了保护PLC输出继电器,在电磁铁的两端各并联一阻容吸收电路,防止在感性负载断开时产生很高的感应电动势或浪涌电流对PLC输出点及内部电源的冲击。采用 PLC 控制电动机带动机械手做点对点运动，选用光电脉冲编码器作为传感器来反馈信号。在机械手的手腕仰俯电机中，由于是电动机与齿形带连接减速之后直接带动，光电编码器直接安装于机械手控制上。光电编码器的输出直接通过 PLC 的高速记数单元与 PLC 进行连接，PLC 再通过高速记数单元将控制信号发送给电机。3.2.控制系统的软件设计机器人有手动和自动两种工作方式。在手动操作方式下,各种动作都是用按钮控制来实现,其控制程序可单独设计,与自动工作方式控制程序相对独立。因此总程序设计成两段独立的部分：自动操作程序和手动操作程序。手动操作主要用于检修调整,通过按钮对机器人的每一步动作进行单独控制。例如,当选择小臂伸/缩运动时,按下启动按钮,小臂伸出；按下停止按钮,小臂缩回。其它动作以此类推。这样,其控制较简单,可按照一般继电器控制系统的逻辑设计法来设计。在正常运行时，机器人处于自动操作方式。光耦合器检测到工件，机械手臂开始由原点下降，碰到下限位开关后，停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件，为保证工件可靠加紧在该位置等待5s。夹紧后，手臂上升电磁阀通电开始上升，上升到顶碰到上限位开关，停止上升，改向顺时针回转 90，碰到顺转限位开关停止回转，改为手臂前伸，前伸碰到前限位开关，停止前伸，改为下降至下限位开关，下降电磁阀断电，停止下降，同时夹紧电磁阀断电，机械手将工件松开，放在目标位上，为确保可靠松开，在该位置停留5s，然后手臂缩回碰到后限位开关，后电磁阀断电后改为上升，上升至原点碰到限位开关停止，上升电磁阀断电。机械手回转到原位，回转电磁阀断电，停止回转。至此，机械手搬运一个工件的全过程结束。机器人又重复上述动作。这是一个典型的按顺序动作的步进控制系统,可用PLC的步进指令编程。图 6 机器人自动操作程序图图 3.23为机器人的自动操作程序的PLC梯形图。机器人采用 PLC 控制技术，其电气控制系统线路简单，系统的可靠性高,功能强,整个系统运行稳定、精确,同时还可根据需要对其进行功能扩展。第4章 结论4.1 所完成的工作（1） 对实验平台的改造 本文利用的是报废的焊接机器人，要改造成送料机器人，不但要对末端执行机构进行重新设计，还要重新布线。（2） 设计机械手具体步骤及驱动电路 机械部分是机械手的骨架和主体是设计的基础，驱动控制部分是是其大脑神经中枢，（3） 控制软件程序的设计 软件是机器人的“大脑思维”，软件的设计就是将人的意志赋予机器人的“大脑”。4.2 设计经验（1） 底座设计成长方体不合理当腰关节在不同的位置时，肩关节运动的下限不同，不便于编程；最好将底座设计成圆柱体，并且下面带有法兰支撑。 （2） 最好安装机械制动装置 仅依靠程序来实现制动并不可靠，例如突然掉电，将无法制动。 （3） 电机上应安装放电回路 电机相当于一个线圈，在电机启动或者停止瞬间，会产生很高的感应电动势，很可能会对电路中的元器件造成破坏，所以要加上稳压或者续流元件。4.3 误差分析 本文中每个关节的角度误差在2左右，由于是开环机构，所以综合叠加起来，末端误差可能会较大，并且重复精度不够。 下面简要分析一下误差的来源：（1） 工作台、基座的上下表面平行度误差，腰关节转轴的垂直度误差，以及其它关节之间的平行度误差。（2） 齿轮、轴承的间隙，齿形带的变形不均匀。（3） 装配误差。（4） 各关节轴的回转误差，各连杆的受力变形误差。（5） 运行时，机械部分的振动。（6） 用程序实现制动不如机械制动装置反应快。4.4 可以继续探索的方向（1） 本文三维图画的是四自由度，控制程序是三自由度，可以改进控制程序达到四自由度运行工作，可以胜任更加复杂的工序动作。（2） 可以尝试用单片机之类的控制器来进行控制。或者基于更加复杂VME总线（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工业开放标准总线）的系统和基于PC总线的系统的控制。致 谢 本次毕业设计，是于吴军老师考虑到学生日后的研究方向而特意为我安排的。通过这次训练，提高了自己的动手能力、设计能力和编程水平，为学生日后顺利进入机器人这一深邃的科研领域作下了铺垫。本次毕业设计，学生收获颇多，这与吴老师的悉心指导是分不开的。吴老师不在学校居住，且公务繁忙，但是还是经常抽时间来视察学生毕业设计进度，就毕业设计过程中遇到的问题给予耐心指导，敦敦教诲，身体力行，实在令学生钦佩感动不已！特此，学生郑重向吴老师表示感谢！ 论文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人智慧的产品，没有导师的指引和赠予，没有父母和朋友的帮助和支持，我在大学的学术成长肯定会大打折扣。当我打完毕业论文的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。我首先要感谢我的导师吴军，对我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点，使我在完成论文的同时也深受启发和教育。 再次由衷感谢答辩组的各位老师对学生的指导和教诲，我也在努力的积蓄着力量，尽自己的微薄之力回报母校的培育之情，争取使自己的人生对社会产生些许积极的价值！参考文献1 Craig, John J. Introduction to robotics. 北京 机械工业出版社，2006 2 Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design Proceedings of the 2005 IEEEInternational Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain, April 20053 濮良贵，纪名刚机械设计（第七版），北京：高等教育出版社，20014 孙恒机械原理（第七版），北京：高等教育出版社，20065 成大先机械设计手册（第五版），北京：化学工业出版社，20086 大连理工大学工程图学教研室机械制图（第六版），北京：高等教育出版社，20087 吴宗泽机械设计禁忌800例（第2版），北京：机械工业出版社，20068 张建民机电一体化系统设计，北京：北京理工大学出版社，20089 尹志强机电一体化系统设计课程设计指导书，北京：机械工业出版社，200710 西门子公司S7-200可编程控制器系统手，Internet:./S7-20011 王永华现代电气控制及PLC应用技术，北京：北京航空航天大学出版社，200812 常斗南PLC运动控制实例及解析（西门子），北京：机械工业出版社，201013 李允文工业机械手设计，北京：机械工业出版社，199614 邓爱民，张喜军物流设备与运用，北京：人民交通出版社，2003袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃