三自由度機械手的結(jié)構(gòu)設計論文

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1、 三自由度機械手的結(jié)構(gòu)設計 摘 要 本文簡要介紹了機械手的概念，機械手的組成和分類，國內(nèi)外的發(fā)展狀況及發(fā)展前景。 本文對機械手進行總體方案設計，結(jié)合生產(chǎn)實際及理論確定了機械手的結(jié)構(gòu)及動作過程，坐標型式和自由度數(shù)，并列出了機械手的技術(shù)參數(shù)。 設計出了機械手的驅(qū)動方案、控制方案，在進行控制方案的選取時進行了不同方案的優(yōu)缺點的對比，最后確定了具體的控制方案。在進行機械手控制器件的選取時，對控制器件選擇進行了詳細的分析，如對步進電機參數(shù)的具體選取。最后介紹了利用可編程序控制器對機械手進行控制，同時敘述了可編程序控制器選取原則及工作過程，并繪制出了可編程序控制器外部接線圖。在用可編程序

2、控制器控制時分為手動和自動兩種工作方式，并繪制了自動工作方式的順序功能圖。 關(guān)鍵詞 機械手的概念，機械手控制器件，可編程序控制器（PLC） ThREE DEGREES OF FREEDOM MANIPULATOR DESIGN ABSTRACT 目 錄 中文摘要................................................1 英文摘要................................................2 一、引言 1.1簡要介紹機械手的概念.....

3、......................4 1.2機械手的組成和分類.............................5 1.2.1機械手的組成...............................5 1.2.2機械手的分類...............................5 1.3國內(nèi)外發(fā)展狀況.................................6 二、三軸自由度機械手的結(jié)構(gòu)及動作過程....................7 2.1機械手的結(jié)構(gòu)................

4、....................7 2.2機械手的動作過程.............................. 8 2.3機械手的驅(qū)動方案設計.......................... 9 2.4機械手的控制方案設計.......................... 9 2.5機械手的座標型式與自由度...................... 10 2.6機械手的技術(shù)參數(shù)列表.......................... 11 三、控制器件選型...........................

5、............ 11 3.1步進電機及其驅(qū)動器選擇............................ 11 3.2直流電機及其驅(qū)動器選擇........................ 12 3.3旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇.............................. 14 四、機械手的PLC控制設計...............................15 5.1可編程序控制器的選擇.......................... 15 5.2可編程序控制器的工作過程...................... 16 總結(jié)

6、.................................................. 19 致謝.................................................. 20 參考文獻...............................................20 附錄..................................................21 一、 引言 隨著社會生產(chǎn)不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和

7、現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機械手技術(shù)快速發(fā)展，其中氣動機械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動機械手有氣控機械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機械部分組成。主要作用是完成機械部件的搬運工作，能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中，使零件搬運、貨物運輸更快捷、便利。 隨著工業(yè)自動化程度的提高，機械手的應用領(lǐng)域越來越廣。機械手能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具。機械手可以代替很多重復性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度、提高生產(chǎn)

8、效率。 1.1機械手概述 機械手也被稱為自動手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術(shù)自身的一些優(yōu)點，氣動機械手已經(jīng)廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。 機械手實例 1.2機械手的組成和分類 1.2.1機械手的組成 機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)

9、構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。 1.2.2機械手的分類 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手一般分為三類：第一類是不

10、需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一

11、類通用機械手，國外稱為機器人 1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。 1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsat

12、ran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。前蘇聯(lián)自六十

13、年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。 目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 一般概況國內(nèi)機械行業(yè)應用的機械手絕大部分為專用機械手,附屬于某一設備,其工作程序是固定的。通用機械手也有發(fā)展,目前應用的都是開關(guān)式點

14、位控制型,伺服型已試制出數(shù)臺在調(diào)試中,連續(xù)軌跡控制型還沒有。 控制方式—有觸點固定程序控制占絕大多數(shù),專用機械手多采用這種控制 二、三軸聯(lián)動簡易機械手的結(jié)構(gòu)及動作過程 2.1機械手的結(jié)構(gòu) 機械手結(jié)構(gòu)如下圖1所示，有氣控機械手(1)、XY軸絲杠組(2)、轉(zhuǎn)盤機構(gòu)(3)、旋轉(zhuǎn)基座(4)等組成。 其運動控制方式為：三自由度機械手為圓柱坐標型。圖1為機械手結(jié)構(gòu)示意圖，(1)氣控機械手(有光電傳感器確定起始0點)；(2) 機械手手臂的左右運動（左右方向）由步進電機驅(qū)動絲杠組件完成，上下運動(垂直方向)由升降步進電機控制；(3) 逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)運動可由回旋360的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)能帶動機械手及

15、絲杠組自由旋轉(zhuǎn)(其電氣拖動部分由直流電動機、光電編碼器、接近開關(guān)等組成)；(4)旋轉(zhuǎn)基座主要支撐以上3部分；(5) 機械手的夾緊裝置采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，氣控機械手的張合由氣壓控制壓驅(qū)動，并由電磁閥控制(充氣時機械手抓緊，放氣時機械手松開)。 機械手可以根據(jù)設定程序的動作將工件從A處搬運到B處。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6為水平和垂直方向上的限位開關(guān)，SQ3，SQ4為原點位置和終點位置的光接近開關(guān)。如圖2.1所示。 2.2機械手的動作過程 其工作過程為：當貨物到達時，機械手系統(tǒng)開始動作步進電機驅(qū)動縱軸上升，另一個步進電機驅(qū)動橫軸開始向前走；轉(zhuǎn)盤直流電機轉(zhuǎn)動使機械手整體運動，轉(zhuǎn)到貨物接收處；步進

16、電機再次驅(qū)動縱軸下降，到達指定位置后氣 閥放氣，機械手松開貨物；系統(tǒng)回位準備下一次動作。 圖2.1 2.3機械手的驅(qū)動方案設計 驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。本文設計的三自由度機械手屬于混合式機械手，它綜合了電動式和氣動式機械手的優(yōu)點，既節(jié)省了行程開關(guān)和PLC的I／O端口，又達到了簡便操作和精確定位的目的。 2.4機械手的控制方案設計 目前，對機械手的控制

17、可采用以下幾種方式[1]： 1）用繼電器控制，這種控制系統(tǒng)故障率高、控制方式不靈活且功率消耗大，已逐漸被人們所淘汰； 2）用微機控制，雖然它在智能控制方面有較強大的功能，但它的抗干擾性差，系統(tǒng)設計較復雜，一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)，廣泛應用也不太容易； 3）ＰＬＣ控制，此控制系統(tǒng)具有運行可靠、使用維修方便、抗干擾性強、能經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗等優(yōu)越性，已經(jīng)成為在機械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。 三自由度機械手系統(tǒng)設置了手動工作方式和自動工作方式。自動方式又分為自動回原點、單步、單周期、連續(xù)四種工作方式。 2.5機械手的座標型式與自由度 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),

18、按坐標形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; ( 3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關(guān)節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標型。下圖是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。 在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務，為了滿足設計要求，本設計關(guān)于機械手具有3個自由度既：手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降3個主要運動。 機械手工作示意圖 2.6機械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途：搬運:用于車間搬運 二、設計技術(shù)參數(shù): 1、抓重:60Kg

19、(夾持式手部) 2、自由度數(shù):3個自由度 3、座標型式:圓柱座標 4、最大工作半徑:1600mm 5、手臂最大中心高:1248mm 6、手臂運動參數(shù) 伸縮行程：1200mm 伸縮速度：83mm/s 升降行程：300mm 升降速度：67mm/s 回轉(zhuǎn)范圍: 0~360 三、控制器件選型 3.1步進電機及其驅(qū)動器的選擇 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)執(zhí)行元件。在非超載情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)目。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性誤差而無累計誤差的特點，使其在速度、定位等控制領(lǐng)域應用得非

20、常廣泛。 機械手縱軸(Y軸)和橫軸(X軸)選用的是北京四通電機技術(shù)有限公司的42BYG250C型兩相混合式步進電機，步距角為0.9/1.8，電流1.5A。M1是橫軸電機，帶動機械手機構(gòu)伸、縮；M2是縱軸電機，帶動機械手機構(gòu)上升、下降。所選用的步進電機驅(qū)動器是SH-20403型，該驅(qū)動器采用10～40V直流供電，H橋雙極恒相電流驅(qū)動，最大3A的8種輸出電流可選，最大64細分的7種細分模式可選，輸入信號光電隔離，標準單脈沖接口，有脫機保持功能，半密閉式機殼可適應更惡劣的工況環(huán)境，提供節(jié)能的自動半電流方式。驅(qū)動器內(nèi)部的開關(guān)電源設計，保證了驅(qū)動器可適應較寬的電壓范圍，用戶可根據(jù)各自情況在10～40V

21、DC之間選擇。一般來說較高的額定電源電壓有利于提高電機的高速力矩，但卻會加大驅(qū)動器的損耗和溫升。本驅(qū)動器最大輸出電流值為3A/相(峰值)，通過驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第5、6、7三位可組合出8種狀態(tài)，對應8種輸出電流，從0.9A到3A以配合不同的電機使用。本驅(qū)動器可提供整步、改善半步、4細分、8細分、16細分、32細分和64細分7種運行模式，利用驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第1、2、3三位可組合出不同的狀態(tài)。 步進電機 3.2 直流電機及其驅(qū)動器的選擇 定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機，稱為直流電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)

22、換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能 由直流電動機和發(fā)電機工作原理示意圖可以看到，直流電機的結(jié)構(gòu)應由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。 直流無刷電機結(jié)構(gòu)圖 按類型主要分為直流有刷電機和直流無刷電機。 直流電機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁

23、通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機可分為下列幾種類型。 直流電機的勵磁方式 1． 他勵直流電機 2． 并勵直流電機 3． 復勵直流電機 4． 串勵直流電機 可回旋360串勵直流電機的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)有直流無刷電機帶動，系統(tǒng)選用的是北京和時利公司生產(chǎn)的57BL1010H1無刷直流電機，其調(diào)速范圍寬、低速力矩大、運行平穩(wěn)、低噪音、效率高。無刷直流電機驅(qū)動器使用北京和時利公司生產(chǎn)的BL-0408驅(qū)動器，其采用24～48V直流供電，有起停及轉(zhuǎn)向控制、過流、過壓及堵轉(zhuǎn)保護，且有故障報警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動快速停機等特點。 3.3 旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇 旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速

24、的裝置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應的電脈沖以數(shù)字量輸出（REP）。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個到幾千個都有）和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。 編碼器如以信號原理來分可分為增量脈沖編碼器(SPC)和絕對脈沖編碼器（AP）。兩者一般都應用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測元件。 按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是

25、“１”還是“０”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”。在可回旋360的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)上，可安裝OMRON公司生產(chǎn)的E6A2增量型旋轉(zhuǎn)編碼器。 歐姆龍omron增量型旋轉(zhuǎn)式編碼器 三、機械手的PLC控制設計 5.1可編程序控制器的選擇 隨著PLC在工業(yè)控制中的推廣普及，PLC產(chǎn)品的種類越來越多，其結(jié)構(gòu)型號、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法等各不相同，適用場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇 PLC，對于提高PLC在控制系統(tǒng)中的應用有著重要作用。 PLC機型選擇

26、的基本原則是：在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格比最優(yōu)的機型。通常做法是，在工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好的場合，建議選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC；其他情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC；對于開關(guān)量控制以及以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項目中，一般其控制速度無須考慮，因此，選用帶 A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、加減運算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機就能滿足要求；而在控制比較復雜，控制功能要求比較高的工程項目中（如要實現(xiàn)PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等），可視控制規(guī)模及復雜程度來選用中檔或高檔機（其中高檔機主要用于大規(guī)模過程控制、全PLC的分布式控制系統(tǒng)以及整個工廠的自動化等）

27、。 應該注意的是，同一企業(yè)應盡量做到機型統(tǒng)一。這樣，同一機型的PLC模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；同時，其統(tǒng)一的功能及編程方法也有利于技術(shù)力量的培訓、技術(shù)水平的提高和功能的開發(fā)；此外，由于其外部設備通用，資源可以共享，因此，配以上位計算機后即可把控制各獨立系統(tǒng)的多臺PLC聯(lián)成一個DCS系統(tǒng)，這樣便于相互通信，集中管理。 　　主控制系統(tǒng)可選用三菱FX2N系列晶體管輸出型PLC，步進電機驅(qū)動器選用SH-20403型模塊。機械手的外部接線圖如圖2所示。 5.1可編程序控制器的工作過程 　　機械手在最上面、最右邊，底盤轉(zhuǎn)至光接近開關(guān)

28、X3處且夾緊裝置松開時稱系統(tǒng)處于原點狀態(tài)。X10為手動控制按鈕，按下該按鈕后，可以進行按鍵開關(guān)X20～X27對應的手動操作。X11～X15分別為自動方式中的回原點、單步、單周期和連續(xù)工作方式按鈕，按下其中的某一個按鈕，再按起動按鈕X0，該工作方式的動作就會自動執(zhí)行。步進電機只有在有脈沖信號(Y0)和方向信號(Y2或Y3)輸入時才會轉(zhuǎn)動，Y6，Y7選擇將脈沖信號Y0送至哪個步進電機。Y5控制送氣電磁閥，實現(xiàn)夾緊裝置的夾緊與松開。Y10，Y11控制底盤直流電機的正反轉(zhuǎn)。 　　在選擇單步、單周期和連續(xù)工作方式前，系統(tǒng)應當處于原點狀態(tài)。如果不滿足這一條件，可以選擇回原點工作方式，該工作方式依次執(zhí)行以下操作：向上運動至上限位x1→向右運動至右限位X2→順時針轉(zhuǎn)動至光接近開關(guān)X3→夾緊裝置松開。 機械手自動工作方式的順序功能圖如圖3所示。機械手手臂的運動速度由輸入步進電機的脈沖頻率控制，機械手下降及左行的距離由脈沖數(shù)控制，脈沖頻率和脈沖數(shù)可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際情況在程序中設定，具有可重復操作性。 本系統(tǒng)采用的是PLC梯形圖順序編程的方法。其中以PLSY脈沖輸出指令輸出 17