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關節(jié) 工業(yè) 機械手 設計

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多關節(jié)工業(yè)機械手設計,關節(jié),工業(yè),機械手,設計

內容簡介：

1 鹽城紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 多關節(jié)工業(yè)機械手設計 李興明 班 級 電氣 911 專 業(yè) 電氣自動化 所 在 系 機電系 指導老師 靖文 完成時間 2011 年 12 月 19 日至 2012 年 5 月 20 日 2 摘 要 隨著社會和科學技術 的發(fā)展，工業(yè)生產的操作方式也發(fā)生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智能化的生產方式，人類也逐漸無法完成某些生產過程，所以為了適應生產的需要出現了特殊的生產工具 機械手。與此同時也出現了一些新的生產活動，在這些生產活動中，有些是屬于高危險的，對人體傷害較大，有些領域不適宜人類工作，機械手則正好適應這類工作。 在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術水平和應用程度在 一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現的方式。 機械手是模仿著人手部的部分動作，按照給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置 。本設計選擇西門子 列 計出完整的多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)。硬件部分介紹了利用 行控制系統(tǒng)設計的步驟；軟件部分闡述了程序設計思路，并給出部分梯形圖。 本系統(tǒng)應用于生產線上，利用機械手執(zhí)行傳遞軸承等動作。 關鍵詞 ： 多關節(jié)； 控制系統(tǒng)設計； 2 s of a of of to so in to to of of a in to to is is to of In s to as an of in a a at of of is to a of to of 7LC to a LC of of in as of 3 目錄 摘 要 . 1 目錄 . 3 1. 概述 . 4 多關節(jié)機械手簡介 . 4 多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)的功能要求 . 5 2. 系統(tǒng)總設計 . 8 多環(huán)節(jié)機械手的機械結構 . 8 多關節(jié)機械手的工作原理 . 9 3. 硬件系統(tǒng)配置 . 12 型 . 13 I/O 資源配置 . 13 其他資源配置 . 14 4. 軟件系統(tǒng)設計 . 16 總體流程設計 . 16 各個模塊梯形圖設計 . 18 5. 安裝調試方面的問題 . 30 6. 致謝 . 32 參考文獻 . 33 4 1. 概述 多關節(jié)機械手簡介 隨著我國工業(yè)自動化水平的不斷提高，在機械加工與制造領域，以及各種裝配與 包裝自動化生產線上，機械手的應用已相當普遍。機械手通常擔負著上料、下料，搬動或裝卸零件的重復動作等，以實現生產自動化。由于 序控制具有系統(tǒng)簡單、可靠、控制靈活方便等特點，而且 誕生之日起，最基本，最普遍的應用領域就是在工業(yè)環(huán)境下的順序控制，因此，基于 序控制的機械手在工業(yè)自動化領域中得到廣泛的應用。 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生產的機械化和自動化，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。 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(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)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，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 鍵參數。自由 度越多，機械手的靈活 性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有 2 3 個自由度。 多關節(jié)機械手指的是利用關節(jié)連接兩個相鄰的剛體，關節(jié)提供連桿之間的相對運動，在這個機構中，關節(jié)多是其中的一個特點，正是由于關節(jié)多，所以它的抓握功能遠遠強于傳統(tǒng)的夾鉗式等機械手。它可以完成對不同形狀，不規(guī)則工件的抓握。多關節(jié)機械手有多種結構，其中最理想的也是應用最多的就是類似于人手的機構，這樣的機構能模擬人手抓握的情況。與傳統(tǒng)機械手相比，多關節(jié)機械手具有動作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機座的工件，并能繞過 5 集體和工件機械之間 的障礙物進行工作等優(yōu)點。 多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)的功能要求 在機械行業(yè)中，大部分產品的裝配生產線不是采用人工裝配的形式就是采用傳統(tǒng)的繼電器式的控制系統(tǒng)，公認的勞動強度大，產品質量不易保證，同時繼電器經過長期使用后，容易發(fā)生故障，維修工作量大，而且生產控制靈活性差、控制過程復雜、控制過程不易改變。在裝配線上采用 制多關節(jié)機械手可以完成精確定位的要求，提高產品質量，降低工人的工作量，由于 程簡單、組合靈活、可靠性高、控制靈活性高，可根據控制流程的不同，方便地改變控制順序來滿足工藝要求。 軸承 裝配是軸承生產過程中的最后且極為重要的環(huán)節(jié)，而軸承壓蓋機則是裝配線上較為復雜的部分。本課題講述的是利用多關節(jié)機械手在一個軸承裝配線上，通過 制機械手的動作，完成取軸承、加蓋及轉移工件，最后控制壓蓋機完成壓蓋的整個過程。如圖 1 所示為某一生產線上機械手的工作示意圖。 圖 1 機械手的工作示意圖 該機械手在生產線上的主要任務是，將軸承從傳送帶 1 轉移到傳送帶 2 上，然后將蓋放置于軸承之上，最后經過壓蓋機加工，完成呢個軸承裝配的一部分加工。整個工作過程機械手包括以下動作： 6 手臂上升 手臂下降 手爪抓緊 手爪放松 手臂左旋 手臂右旋。 多關節(jié)機械手完成以上動作主要是通過機械控制來實現的，即利用 制電動機的轉動和電磁閥的通斷，電動機的轉動來驅動機械手臂的左右旋轉，電磁閥驅動氣缸的升降控制手臂的上升和下降，多關節(jié)機械手的工作過程如圖 2 圖 2 多關節(jié)機械手簡單工作過程示意圖 （ 1）手臂上升：使機械手相對工作臺向上移動，提高它的高度，以滿足抓取工件的高度要求。 （ 2）手臂下降：使機械手相對于工作臺向下移動，降低它的高度，以滿足放置工件的高度要求。 （ 3）手爪抓緊：使多關節(jié)機械手抓緊工件，以便完成工件抓起的要求 。 （ 4）手臂放松：使多關節(jié)機械手放松工件，以便完成工件松開的要求。 （ 5）手臂左旋：使機械手在不改變高度的情況下，相對于工作臺向左旋轉，以便完成工件移動的要求。 （ 6）手臂右旋：使機械手在不改變高度的情況下，相對于工作臺向右旋轉，以便完成再次抓取工件的要求。 由于 抗干擾能力強，所以能在惡劣的工作環(huán)境中，可靠地完成控制人物，為了使設備便于安裝、調試，以，以及從經濟角度考慮，設計出如圖 3 所示的多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)的功能圖。 對于機械手部分，在上文已作過比較詳細的介紹，在電氣柜中，主要將一些儀器、儀表 置之其中，既減少外界工業(yè)環(huán)境的影響，又方便檢測、維修。電氣控制柜結構如圖 4 所示，電氣柜中的部分線路與機械結構連接，通過繼電器、電磁閥等器件對電動機、氣缸等進行控制，還有一部分與控制臺的按鈕連接。 在電氣柜內部，需要安裝一些顯示儀表及一些驅動轉換電路板，這些儀器表用來顯示和調試機械手基本參數，例如，電流，電壓。電路板則用于轉換、放大 7 各類傳感器的信號，并用 控制信號驅動外部的機械結構，例如，氣缸等設備。 圖 3 多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)的功能原圖 圖 4 電氣柜的結構 8 2. 系統(tǒng)總設計 多關節(jié)機械手主要 包括兩個方面：一個是機械方面的設計；另一個就是電氣控制方面的設計。這兩個方面既相互獨立，又有很多聯(lián)系，在設計機械結構的時候不僅需要電器部分是否能夠實現，而且也需要考慮是否存在加工時的問題；在設計電氣部分時，也需要考慮是否有這樣的機械機構能夠滿足要求。 多環(huán)節(jié)機械手的機械結構 多指多關節(jié)的機械結構是最理想的機器人手爪 ,其每個手指的各個關節(jié)都各有一臺獨立的電機驅動 ,并配有傳感和控制系統(tǒng) ,使手爪能完全模擬人手動作。 下面介紹的是一種目前常用設計且設計比較成熟的機械手，簡略描述機械手幾個關 鍵部分的設計過程。 多關節(jié)機械手機座的設計 該機械手主要由機座和手臂兩部分組成。幾座的主要任務是支撐和完成手臂回轉，實現其在摸個空間的運動。電動機固定在基座上，機座和大臂由轉動靈活的交叉轉子軸承連接，大臂的上端關節(jié)用于支撐小臂。 機座的外形采用方形機構，電動機固定在機座上，通過諧波減速器把動力傳送到固定在大臂上的齒輪，帶動大臂在水平面內回轉。 多關節(jié)機械手臂關節(jié)的設計 此機械手臂的動力靠同步帶傳遞，他的運動通過臂關節(jié)的擺轉來進行，為保證同步帶傳輸的連接性和關節(jié)的正常擺轉。 當手 臂運動到所需要的位置時，通過控制器使電磁鐵帶電，離合齒受到吸引力向右轉動而脫離，并于牙嵌盤嚙合；同時制動器張之洞，使整個手臂在制動器的作用下達到平衡，關節(jié)停止擺轉，手臂停止在所需要的位置上。 多關節(jié)機械手的平衡系統(tǒng)設計 除了機械手的結構以外，機械手的平衡設計也很重要。由于在機械手的操作 9 過程呢個中會有回轉等動作，此時就需要利用力矩平衡的原理來進行結構設計。機器人系統(tǒng)最簡單的平衡方式就是配置平衡，這是一種作為工業(yè)機器人的平衡方式為氣動平衡。在這個機械手中，采用同步帶將動力傳遞給各關節(jié)，為了保證手臂 的精確定位和平穩(wěn)性，在各關節(jié)處都設有一個電磁制動平衡系統(tǒng)。 電磁制動平衡系統(tǒng)裝在關節(jié)內部，其離合齒的離與合隨著控制信號的變化而變動。當電磁鐵得到電時離合齒脫離，同時使制動器制動而平衡手臂，手臂就停止運動。當電磁鐵失電時離合齒在彈簧力的作用下嚙合，同時制動器打開，手臂恢復運動。當手臂運動到所需要的位置時，通過控制器使電磁鐵帶電吸引離合器右移，將離合器脫離，使得制動器開始制動，停止關節(jié)的擺轉，令手臂停在設定的位置上。 多關節(jié)機械手的工作原理 在此機械手中，電動機被置于機座上，電動機啟動后，通 過諧波減速器將動力傳遞給固定在大臂上的齒輪，帶動大臂在內部有圓錐齒輪和帶輪，動力通過齒輪傳到圓錐齒輪和同步帶上，再由同步帶將動力傳給各關節(jié)，從而帶動機械手爪的運動，完成對工件的操作。 現在研究和應用較多的是五指十五關節(jié)手爪結構，其結構如圖 5 10 圖 5 五指十五關節(jié)手爪結構原理 這個類型的多關節(jié)機械手，采用的是機器人手爪，每個手指的各關節(jié)都有一臺相互獨立的直流電動機驅動，并且每個手指都配有傳感器和控制系統(tǒng)，這樣每個手指的動作都是互不影響的，使手爪能夠模擬人手的動作可以抓取各種形狀的工件。如果抓取的工件形 狀不規(guī)則，工件的中心與手爪的中心不相同，這時就可以利用五個手指相互獨立的特點。它們的彎曲程度可以不同，因此對工件的形狀具有適應性。先接觸到工件的手指關節(jié)由于先收到較大的壓力而無法繼續(xù)壓緊之后，其他未接觸的手指仍然可以繼續(xù)彎曲，直到所有的手指都接觸到物體，因此可以完全抓緊工件，同時由于有傳感器的檢測，所以不會因為抓取工件的抓力太大造成對工件的損害。 多指多關節(jié)機械手爪抓規(guī)則形狀物體和不規(guī)則形狀物體的工作示意圖如圖 6 11 所示 圖 6 抓握原理示意圖 直流電動機啟動后，通過諧波減速器減速后，帶懂動絲杠 旋轉使螺母在導向桿中上下移動，同時落幕的移動帶動連接五個手指的第一指節(jié)運動。五個手指安裝在彈性支座上，同時在彈性支座上還有五根拔桿連接第二指節(jié)上的凹槽，這樣的機械結構可以使第一指節(jié)在運動的時候，使第二指節(jié)圍繞第一、二指節(jié)間的關節(jié)運動，實現了一個電動機控制多指的要求。同樣在第一指節(jié)的下端裝有固定拔桿與第三指節(jié)的凹槽連接，實現了第三指節(jié)同時隨第一、二指節(jié)的轉動而繞第二、三指節(jié)間的關節(jié)軸運動，從而形成了指節(jié)聯(lián)動的控制結構。 12 3. 硬件系統(tǒng)配置 前兩節(jié)敘述了多關節(jié)機械手的機械結構，本節(jié)主要根據上節(jié)所述的功 能要求配置所需要的控制系統(tǒng)，按照終止系統(tǒng)的控制要求，設計出如圖 7 所示的控制系統(tǒng)的硬件框圖。在此系統(tǒng)中僅靠 機是無法完成呢個控制要求的，因此擴展了一個 I/O 和兩個模擬量輸入輸出模塊，以及兩個光電開關和一個可控電動機。 圖 3控制系統(tǒng)的硬件框圖 控制按鈕 傳感器 傳送帶 B 電磁閥 右旋限位開關 左旋限位開關 下降限位開關 右旋限位開關 光電開關 抓緊電磁閥 上升電磁閥 下降電磁閥 左旋限位開關 松開電磁閥 上升限位開關 13 型 根據系統(tǒng)的控制要求并從經濟性和可靠性等方面來考慮，選擇西門子 為此多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)的控制主機。在西門子 列 之分。本設計所用多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)共有 18/個數字量輸入， 9 個數字量輸出，共 27 點 I/及程序容量，選擇了 為其主機。 I/O 資源配置 根據控制系統(tǒng)的功能要求，對 行 I/O 及其他資源的分配，具體分配如下。 數字量輸入部分 在這個控制系統(tǒng)中，要求數字輸入的有急停按鈕、手動 /自動按鈕，以及上、下、左、右限位開關、光電開關等共 18 個輸入點，具體分配如表 1 所示。 表 1 數字輸入地址分配 輸入地址 輸入設備 輸入地址 輸入設備 速脈沖輸入 動啟動 停按鈕 升限位開關 動 /自動 降限位開關 臂上升 旋限位開關 臂下降 旋限位開關 臂左旋 送帶 1 光電開關 臂右旋 送帶 2 光電開關 爪抓緊 送帶 2 啟動 爪松開 蓋機啟動 14 模擬量輸入部分 在這個系統(tǒng)中需要采集手指上傳感器的信號，所以擴展了兩個模擬量輸入模塊，一共有 5 個模擬量的輸入，具體分配如表 2 所示。 表 2 模擬量輸入地址分配 輸入地址 輸入設備 輸入地址 輸入設備 感器 1 感器 4 感器 2 感器 5 感器 3 數字量輸出部分 這個控制系統(tǒng)的外部設備主要由上升 /下降電磁閥、左旋 /右旋繼電器、抓緊 /松開電磁閥，以及控制傳送帶 2 啟停的繼電器，共 9 個數字量輸出 ，具體分配如表 3 所示。 表 3 數字輸出地址分配 輸出地址 輸出設備 輸出地址 輸出設備 速脈沖輸出 緊電磁閥 升電磁閥 開電磁閥 降電磁閥 送帶 2 繼電器 旋繼電器 蓋機繼電器 旋繼電器 其他資源配置 要完成系統(tǒng)的功能除了 其擴展模塊以外，還需要各種限位開關、光電開關、傳感器及編碼盤等儀器設備。 各種限位開關 15 在 此系統(tǒng)中，共用了 4 個限位開關：上升限位開關、下降限位開關、左旋限位開關和右旋限位開關。限位開關主要是用來控制機械手在運動過程中的停止時刻和位置。 光電開關 在傳送帶 1 和傳送帶 2 上各有一個光電開關，此開關的作用主要用來指示工件是否到位。傳送帶 1 上的光電開關并用于檢測工件是否到機械手可操作的工位，若到位則傳送帶 1 停止，等待工件被取走；傳送帶 2 上的光電開關則置于壓蓋機處，當工件到達壓蓋及時，傳送帶 2 停止，對工件進行壓蓋操作，操作結束后等待下一個工件。 傳感器 此系統(tǒng)應用的是多關節(jié)機械手 ，由于要適應各種形狀的工件，所以要在手指受力的部分安裝壓力傳感器，將壓力值轉換為電壓值傳入 后進行判斷，防止抓緊時壓力過大對工件造成損壞。 各種電磁閥 此系統(tǒng)中機械手手臂的上升和下降是用氣缸來實現的，使用一個氣缸、一個電磁閥就能實現手臂的上升和下降，相對利用電動機的正反轉來實現升降，氣缸控制簡單方便。多關節(jié)機械手手爪的抓緊和松開共用了四個電磁閥。 （ 1）上升電磁閥：控制氣缸驅動機械手手臂上升到設定位置。 （ 2）下降電磁閥：控制氣缸驅動機械手手臂下降到設定位置。 （ 3）抓緊電磁閥：控制電 動機使機械手手爪做抓緊動作。 （ 4）松開電磁閥：控制電動機使機械手手爪做松開動作。 各種繼電器 此系統(tǒng)中，傳送帶 2 并不需要時刻連續(xù)的運轉傳送，并且也不可能一直連續(xù)地傳送物品，而是根據機械手的控制系統(tǒng)來控制傳送帶 2 的工作與否，該在什么時候啟動傳送，該在什么時候停止傳送。因此，就必須要在傳送帶 2 的電動機部分裝一個可以控制電動機運轉和停止的繼電器，再連接到 控制接觸器，最后達到控制目的。 壓蓋機同樣也不需要時時刻刻工作，因此在壓蓋機附近放置的光電開關，可 16 以將工作到位的信號傳至 而控制傳 送帶 2 的停止，并且控制壓蓋機在工件到位的情況下工作。 編碼盤 在此系統(tǒng)中，需要對機械手進行精確定位，所以在手臂左右轉動的時候，要將電動機反饋的信號同 出的信號相比較，以檢測是否手臂準確到位。 各種按鈕 急停按鈕采用帶鎖的，常閉觸點，按下后旋轉復位；手動 /自動按鈕采用旋鈕，一邊常閉，一邊常通；其余按鈕采用觸點觸發(fā)方式，按下即接通，松開即復位。 16 4. 軟件系統(tǒng)設計 總體流程設計 根據系統(tǒng)的控制要求，此機械手工作時的動作有以下幾個步驟。 （ 1）旋鈕置于自動方式，按下啟動按鈕，工作臺開始工作。 （ 2）機械手在氣缸的驅動下上升至設定位置，同時傳送帶 1 開始運行。 （ 3）機械手在到達設定的高度后，手臂開始左旋至設定位置，同時傳送帶 1上的光電開關檢測工件是否到位。 （ 4）若傳送帶 1 上的工件到位，則機械手在氣缸上的驅動下下降至設定位置；如果工件未到位，則機械手在上限位置等待工件到位。 （ 5）工件到位 后，機械手下降至設定位置后，機械手爪開始抓緊工件。 （ 6）手爪抓緊工件后，機械手上升至設定位置。 （ 7）上升到位后，機械手開始右旋設定位置。 （ 8）手臂右旋到位后，開始下降至設定位置。 （ 9）下降到位后，手爪松開，放下工件，同時開始計時，時間為 5 秒。 （ 10）放下工件后機械手再次上升至設定位置。 （ 11）上升到位后，手爪抓緊端蓋。 （ 12）下降至設定位置，手爪松開將端蓋置于工件之上。 （ 13）定時時間到，傳送帶 2 啟動，將工件送到端蓋處。 （ 14）工件到位，傳送帶 2 停止，壓蓋機工作。 若沒有收到停止信號，則機 械手上升，繼續(xù)重復步驟（ 2）到（ 14）；若受到停止信號，則停止所有 備，使多關節(jié)機械手的所有動作停止。 17 根據機械手動作和要實現的功能，設計出如圖所示的多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)流程圖。 18 各個模塊梯形圖設計 當軟件總體流程圖設計完成之后，就需要對各個控制系統(tǒng)進行分解細化，這樣在程序編寫時就會簡介明了，最后聯(lián)合起來調試時也便于發(fā)現問題。當控制過程特別復雜的時候采用模塊化設計，就顯得尤為重要。采用模塊化的設計，調試時先調試摸個模塊的功能，可以及早發(fā)現問題，到最后聯(lián)調時若出現問題 就可以很快找出原因及時解決。程序中用到的元件及設置如表 4 所示 表 4 元件設置 編號 意義 內容 備注 停標志 效 動標志 效 動標志 效 械手上升標志 效 臂左旋標志 效 械手下降標志 效 爪抓緊工件狀態(tài) 效 械手上升標志 效 臂右旋標志 效 械手 下降標志 效 抓松開工件標志 效 械手上升標志 效 爪抓緊端蓋標志 效 械手下將標志 效 爪松開端蓋標志 效 送帶 2 啟動狀態(tài) 效 19 蓋機啟動狀態(tài) 效 個循環(huán)結束后等待時間 效 # 傳感器值存儲單元 效 # 傳感器值存儲單元 效 # 傳感器值存儲單元 10 1s # 傳感器值存 儲單元 # 傳感器值存儲單元 取工件的標志壓力值存儲單元 取端蓋的標準壓力值單位 由于機械手的控制過程是按順序執(zhí)行的，所以在程序編寫的時候采用順序控制指令。多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖如圖 8 所示 20 21 圖 8（ a）多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖 22 23 圖 8（ b）多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖 圖 8（ c）多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖 24 圖 8（ d）多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖 25 圖 8（ e）多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖 26 27 圖 8（ f）多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖 圖 8（ g）多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖 28 如圖 7 所示的是控制系統(tǒng)的主程序，圖 7（ a）所示中主要是對高速計時器和高速脈沖輸出指令進行初始化。對于高速計時器，選用高速計時器 作方式為模式 0，輸入口為 置 功能為：復位和啟動輸入信號都是高電位有效、 4 倍計數頻率、技術方向為增計數、預設脈沖數為 10000 個、允許更新雙子和執(zhí)行 令。 對于高速脈沖輸出控制，設置為脈沖輸出方式，輸出口為 沖的輸出設置為多段管線輸出，本例中采用三段輸出，寫控制字到特定存儲器中，完成設置的功能為：時間 基準為 、不允許更新周期和脈沖數。由于是多段輸出，所以還需要建立包絡表，對 3 段的脈沖周期，數量進行設置，多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖如圖 8 所示。手臂的左右旋轉采用步進電動機進行控制是為了提高定位的精度，所以需要用到高速計數器和高速脈沖輸出，對發(fā)出的脈沖數和接收到的脈沖數進行比較，如果相等，則定位準確，如果兩者有偏差，則補發(fā)脈沖，最后到達設定的位置上。 29 30 圖 9 多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖 31 圖 10 (a) 多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖 值 1 處理子程序梯形圖 圖 10（ b) 多關節(jié)機 械手控制系統(tǒng)梯形圖 值 2 處理子程序梯形圖 如圖 8 表示的是對步進電動機的脈沖輸出控制，本例采用 3 段脈沖輸出，由于步進電動機本身的特性啟動頻率不宜太高，所以在啟動階段輸出的脈沖周期為500周期逐步減少，緩慢提高其輸出脈沖頻率；在第二階段，輸出脈沖周期為 50這個階段手臂的移動式最快的，當快到達設定位置的時候，同樣不可以突然使頻率降低到 0，需要逐漸降低脈沖的頻率值，所以第三階段的脈沖周期為 200動機逐步減速，到達設定位置后能可靠停止。 如圖 9 所示多關節(jié)機械手控制系統(tǒng) 傳感器值 1 處理子程序梯形多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)傳感器值 2 處理子程序梯形圖，都是針對傳感器采集到的值傳到 于機械手爪在每次加工過程中，都需要移動兩個工件，對于不 32 同的工件，手爪的力度是不同的，為了防止抓緊力過大，對工件造成損壞，設置兩個不同的壓力對比值。 30 5. 安裝調試方面的問題 雖然 抗干擾能力較強，但是為了保證控制過程的可靠性，仍然需要采取一定的抗干擾措施，主要有以下幾項措施。 （ 1）電路回路的雜波可以通過電源導線進入控制裝置這種雜波對系統(tǒng)中各種電氣設備危害很大，容易造成 動作 。可采取屏蔽變壓器和電源濾波等方式預防。 （ 2）通過接地也可以有效地防止電磁干擾。 （ 3） 布線要盡量遠離高壓、高頻等設備。 32 6. 致謝 在論文完成之際，我首先向關心幫助和指導我的指導老師靖文表示衷心的感謝并致以崇高的敬意！ 在論文工作中，遇到了關于畢業(yè)設計論文的選題審題以及論文的編寫問題，一直得到靖文老師的親切關懷和悉心指導，使我找到了論文編寫的前進方向，為我的論文的編寫鋪下了堅實的道路。靖文老師以其淵博的學識、嚴謹的治學態(tài)度、求實的工作作風和他敏捷的思維給我留下了深刻的印象，我將終生難忘。再一次向 他表示衷心的感謝，感謝他為學生營造的濃郁學術氛圍，以及學習、生活上的無私幫助 ! 值此論文完成之際，謹向靖文老師致以最崇高的謝意 ! 在學校的學習生活即將結束，回顧兩年多來的學習經歷，面對現在的收獲，我感到無限欣慰。為此，我向熱心幫助過我的所有老師和同學表示由衷的感謝 ! 在我即將完成學業(yè)之際，我深深地感謝我的家人給予我的全力支持！ 最后，衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授 ! 33 參考文獻 1 王建，張宏，徐洪亮， 作實訓（松下） M，北京：機械工業(yè)出版社， 2 張偉林，電氣控制與 用 M，北京：人民郵電出版社， 3 齊寧寧，丁國富，基于 J，機械， 2006， 33（ 3）： 44 4 付家才， 驗與實踐 M，北京：高等教育出版社， 5 孫平，電氣控制與 ，北京：高教出版社， 6 常斗南，可編程序控制器原理、應用、實驗（第二版） M，北京：機械工業(yè)出版社， 7 王紅、王艷玲，可編程序控制器使用教程 M， 北京：電子工業(yè)出版社， 8 吳建強，可編程控制器原理及其應用 M，北京：高等教育出版社， 9 李俊秀、趙黎明，可編程控制器應用技術實訓指導 M，北京：化學工業(yè)出版社， 10 吳亦鋒，可編程序控制器原理與應用速成 M，福州：福建科學技術出版社， 11 汪曉光、孫曉瑛，可編程控制器原理及應用（第二版） M，北京：機械工業(yè)出版社， 鹽城紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 多關節(jié)工業(yè)機械手設計 李興明 班 級 電氣 911 專 業(yè) 電氣自動化 所 在 系 機電系 指導老師 靖文 完成時間 2011 年 12 月 19 日至 2012 年 5 月 20 日 鹽城紡織職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計（論文）任務書 年 月 日 學 生 姓 名 李興明 專業(yè) 電氣自動化 班級 電氣 911 聯(lián)系方式 15261979252 指 導 教 師 靖文 職稱 副教授 工作 單位 鹽城紡院 聯(lián)系方式： 電話及 5961948046 設計（論文）題目： 多關節(jié)工業(yè)機械手設計 任務、目的與要求： 設計要求 1、控制要求 （ 1）手臂上下直線運動。 （ 2）手臂左右直線運動。 （ 3）手腕旋轉運動。 （ 4）手爪夾緊動作。 （ 5）機械手整體旋轉運動 。 手臂采用電氣驅動，由 出控制脈沖控制步進電動機運轉，實現手臂的進給和定位，手爪采用氣壓驅動。 （ 6）要有回原位、步進、自動循環(huán)、單周期循環(huán)。 2、設計內容 （ 1）設計電氣控制原理圖 （ 2）進行 型及 I/O 分配。 （ 3） 制程序的編寫。 （ 4） 制 西門子 的程序 參考資料： 【 1】廖常初 礎及應用 . 北京：機械工業(yè)出版社， 2003 【 2】王永華等 用技術 京航空航天大學出版社， 2003 【 3】 司 7編程控制器系統(tǒng)手冊 4】 司 7編程控制器系統(tǒng)手冊 5】郭宗仁等 北京：人民郵電出版社， 2002 【 6】鐘肇新等 廣州：華南理工大學出版社， 2003 【 7】廖常初 重慶：重慶大學出版社 2001 【 8】張進秋 北京：機械工業(yè)出版社， 2004 【 9】欽和 北京：人民郵 電出版社， 2004 【 10】戴仙金等 7列 用與開發(fā) 國水利水電出版社， 2007 進度安排： 自 2011 年 12月 19 日起至 2012 年 5 月 20 日止，共計 21 周。具體安排如下： 1、調研、搜集資料，論文提綱或設計方案確定 12 月 19 日 12 月 24 日 2、完成論文初稿或初步設計，通過第二次檢查 12 月 25 日 12 月 31 日 3、修改并完善畢業(yè)設計（論文），通過第三次檢查，定稿、裝訂 12 月 27 日 4、通過畢業(yè)設計（論文）審核，準備答辯 12 月 28 日 5、其他 教研室審核 系審核 鹽城紡織職業(yè)技術學院 畢業(yè)論文開題報告書 2011 2012 學年 機電系 電氣自動化 專業(yè) 學 號 09314115 姓 名 李興明 專 業(yè) 電氣自動化 企業(yè)導師 學校導師 靖文 開題日期 2011 填表日期 2011 年 12 月 30 日 畢業(yè)論文題目 多關節(jié)工業(yè)機械手 設計 畢業(yè)設計（論文）的內容和要求 隨著社會和科學技術的發(fā)展，工業(yè)生產的操作方式也發(fā)生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智能化的生產方式，人類也逐漸無法完成某些生產過程，所以為了適應生產的需要出現了特殊的生產工具 機械手。與此同時也出現了一些新的生產活動，在這些生產活動中，有些是屬于高危險的，對人體傷害較大，有些領域不適宜人類工作，機械手則正好適應這類工作。 機械手是模仿著人手部的部分動作，按照給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作 的自動機械裝置 。 200 德國西門子公司生產的小型可編程控制器，具有良好的可擴展性、價格低廉、指令功能強大、十分適合機械手控制系統(tǒng)中的應用。但一般工業(yè)機器人執(zhí)行機械手機構多為形狀簡單的夾鉗式、托持式、吸附式等結構，其結構和抓握目標物的原理決定了有限的抓握功能，隨著機器人應用范圍的日益擴大和向智能化，擬人化方向的發(fā)展，其手部也有多指多關節(jié)的擬人化要求，另外在工傷、事故中斷手的殘疾人也需要功能價格比高的多關節(jié)機械手，為此我們設計出一套新的基于200 機械手控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)動作簡便、線路設計合理、具有較強的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運行的可靠性、降低了威脅率，提高了工作效率。 課題的研究思路和方法、工作方案 第一， 應深入現場，了解設備