機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及PLC控制設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIII目 錄第1章 緒論 1研究背景及意義 11.1.1研究背景 11.1.2研究意義 1國(guó)內(nèi)外研究狀況 2國(guó)外研究狀況 3國(guó)內(nèi)研究狀況 5本文設(shè)計(jì)要求 6第2章 PLC的介紹與選擇 7PLC的起源和發(fā)展 7PLC的特點(diǎn) 7常用PLC介紹 82.2.2確定型號(hào)FX1N－60MT 92.2.3FX1N所具有優(yōu)越性能 9三菱FX系列的結(jié)構(gòu)功能 9PLC輸入輸出接口的安全保護(hù) 102.5本章小結(jié) 11第3章 機(jī)械臂總體設(shè)計(jì) 12機(jī)械臂任務(wù)要求 12機(jī)械臂的用途和結(jié)構(gòu)組成 12機(jī)械臂的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 133.4本章小結(jié) 14第4章 機(jī)械臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15手爪的設(shè)計(jì)要求 15手指的形狀設(shè)計(jì)和尺寸計(jì)算 15手爪氣缸的計(jì)算 184.4機(jī)械臂建模 194.5本章小結(jié) 20第5章 機(jī)械手元器件的選型與計(jì)算 21手臂升降、伸縮步進(jìn)電機(jī)選型 21步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 23PAGEPAGE44機(jī)身、手腕旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)的選擇 245.4傳感器 265.6本章小結(jié) 26第6章 機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 276.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27氣缸氣壓回路設(shè)計(jì) 27PLC的I/O點(diǎn)數(shù)分配表 28機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的外部接線圖 296.2PLC系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 306.2.1公用程序設(shè)計(jì) 316.2.2自動(dòng)操作程序設(shè)計(jì) 326.2.3手動(dòng)程序設(shè)計(jì) 366.2.4回原程序設(shè)計(jì) 376.3本章小結(jié) 38結(jié) 論 39參考文獻(xiàn) 40

第1章 緒論研究背景機(jī)械手可以模仿人類(lèi)的手和手臂做出某些動(dòng)作，需要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作可以變成指令通過(guò)特定的軟件寫(xiě)進(jìn)控制器中，在外形結(jié)構(gòu)上同時(shí)具有人手的外形和機(jī)械所具有的所有長(zhǎng)處。隨著工業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率的高要求，對(duì)自動(dòng)化的需求越來(lái)越高，人手顯然限制了生產(chǎn)效率的提升，機(jī)械手代替人手可以不知疲倦的一直重復(fù)一個(gè)工作，同時(shí)還可以做到精準(zhǔn)無(wú)誤，這樣工人們的工作強(qiáng)度也可以得到很大的減輕，極大提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)速度，而且機(jī)械手再?gòu)?fù)雜環(huán)境中也可以更準(zhǔn)確的完成工作。研究意義同時(shí)還可以和機(jī)械手臂完美配合來(lái)實(shí)現(xiàn)一下抓取、運(yùn)輸物體等一下高難度動(dòng)作。他所有的高難度動(dòng)作可以提前通過(guò)輸入的指令來(lái)完成，具有方便高效的特點(diǎn)，而且機(jī)械手在性能和結(jié)構(gòu)上是原本略顯笨重的機(jī)械擁有人手的靈敏度和具有的智能。所以機(jī)械手已經(jīng)成為現(xiàn)今工業(yè)領(lǐng)23[2]可以有多種類(lèi)型的機(jī)器人進(jìn)行選擇。為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展和其他高科技領(lǐng)域的進(jìn)步都有非凡的意義。現(xiàn)在世界上比較高端的自動(dòng)機(jī)械手都在向著操作精度高、執(zhí)行速度快、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜但又不會(huì)增加其外部重量的多軸3M/S2KG種機(jī)械手在總體重量上突破了100kg。最重要打破傳統(tǒng)機(jī)械制造系統(tǒng)過(guò)度依賴人工的局面，通過(guò)采用統(tǒng)一的信息控制，物料儲(chǔ)運(yùn)，加上一套數(shù)字控制系統(tǒng)，對(duì)加工對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)適應(yīng)的變過(guò)程越來(lái)越變得小型，輕量，在這種趨勢(shì)下，機(jī)械手的軟件應(yīng)用領(lǐng)域必將超過(guò)原本的表面上的機(jī)械應(yīng)用。將通過(guò)計(jì)算機(jī)在電子信息，生物研究科學(xué)和航天航空技術(shù)等高精尖領(lǐng)域中占有一席。在人類(lèi)歷史進(jìn)程中科學(xué)技術(shù)的不斷完善與創(chuàng)新，現(xiàn)在各種工業(yè)機(jī)器手在科學(xué)長(zhǎng)期的變革它通過(guò)簡(jiǎn)單機(jī)械手機(jī)構(gòu)和一個(gè)控制器就可以完成特定動(dòng)作，可以將預(yù)先設(shè)計(jì)好的動(dòng)作通過(guò)編1.1所示。圖1.1第一代示教機(jī)器人圖1.1第一代示教機(jī)器人圖1.2 圖1.2 第二感覺(jué)器人21的邏輯思維，可以更實(shí)時(shí)的完成人機(jī)交互擁有自己的一套處理問(wèn)題的程序根據(jù)不同的環(huán)境通過(guò)自己的算法來(lái)解決問(wèn)題。更加接近人的行為。由于各方面水平有限，現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域還十分1.3所示。圖1.3 第三智能人國(guó)外研究狀況19世紀(jì)60在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域同樣具有影響的日本也洞悉到了機(jī)器人對(duì)未來(lái)的制造業(yè)的重要地位，在五196020世紀(jì)初期短短幾十年一躍成為世界機(jī)器人行業(yè)的霸主，但是回過(guò)頭來(lái)看看他的歷史,19會(huì)帶來(lái)什么樣的巨大收益，相比于那些眼中只有眼前效益沒(méi)有長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展眼光的企業(yè)來(lái)說(shuō)。在于美國(guó)政府來(lái)說(shuō)，美國(guó)人民的失業(yè)率居高不下，政府擔(dān)心機(jī)器人在工業(yè)上的應(yīng)用會(huì)加劇事業(yè)率的增加。所以沒(méi)有增加更多的投入在機(jī)器人研發(fā)上。多的感官功能，美國(guó)的機(jī)器人發(fā)展史雖然曲折而坎坷，但是美國(guó)憑借其強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)彌KUKA所示。圖1.4 德國(guó)KUKA重載機(jī)器人1.5所示。圖1.5 日本川機(jī)人國(guó)內(nèi)研究狀況中國(guó)發(fā)明機(jī)器人的歷史可謂悠久，中國(guó)記載最早的機(jī)器人是在西周時(shí)期由一個(gè)叫偃師發(fā)明的伶人，之后在春秋時(shí)期魯班發(fā)明的一直木鳥(niǎo)，但是到了清末由于體制的影響，我國(guó)的工業(yè)水平落后西方國(guó)家太多，中間的發(fā)展停滯不前，直到上世紀(jì)八十年代，我國(guó)在第七個(gè)五年計(jì)劃時(shí)，掌握“科技是第一生產(chǎn)力”的核心觀點(diǎn)，開(kāi)研發(fā)第一代工業(yè)機(jī)器人，在之后的第八個(gè)五年計(jì)劃后，終于在噴漆、電焊、裝運(yùn)等基本行業(yè)擁有自己的機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡技術(shù)，制造加工技術(shù)和機(jī)器人的行為控制方面的設(shè)計(jì)都有一定程度上的自主創(chuàng)新技術(shù)。其中自動(dòng)噴漆機(jī)器人服務(wù)大部分的噴漆生產(chǎn)線，電焊，搬運(yùn)等機(jī)器也都在自己各自的崗位上扮演的重要角色。但我國(guó)機(jī)器人領(lǐng)域雖說(shuō)局部樂(lè)觀，但是在整體上，其綜合水平并不能和國(guó)外的相提并論，兩者之間還具有很大的差。像國(guó)內(nèi)機(jī)器人給企業(yè)的印象是可靠性低，頻繁出現(xiàn)故障。還有我國(guó)發(fā)展較晚，有點(diǎn)跟不是時(shí)代的發(fā)展，還不夠一些高端領(lǐng)域方面的應(yīng)用要求。另外操作系統(tǒng)方面也不是很完善，存在諸多問(wèn)題。這些原因在我國(guó)主要是因?yàn)?，我?guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步晚，在行業(yè)中通常都是根據(jù)客戶的需求進(jìn)行生產(chǎn)，這樣就造成無(wú)法量產(chǎn)，面對(duì)新的客戶還要重新設(shè)計(jì)，無(wú)法形成規(guī)模，無(wú)法在產(chǎn)業(yè)內(nèi)形成一套完整的從那個(gè)生產(chǎn)零件到組裝，再到最后的售后維修，都具有一定的不便性。但是，國(guó)內(nèi)還是具有很多代表性的公司的。其名字來(lái)源是中國(guó)的機(jī)器人之父蔣新松。可見(jiàn)其是代表國(guó)內(nèi)一線的機(jī)器人制造水平。圖1.6 新松種機(jī)人本文設(shè)計(jì)要求本文的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括以下幾方面：、多自由度機(jī)械臂的總體方案設(shè)計(jì)（1多自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方案擬定（2多自由度機(jī)械臂的技術(shù)參數(shù)確定（3由度機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)。、多自由度機(jī)械臂的系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1機(jī)械臂的系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2作。3)、多自由度機(jī)械臂的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）PLC的選型及相關(guān)接口設(shè)計(jì);（2）控制過(guò)程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)與控制;（3）電氣部件及相關(guān)器件選型與應(yīng)用;（4）編寫(xiě)PLC控制系統(tǒng)程序。第2章 PLC的介紹與選擇采用可編程控制器（PLC）作為機(jī)械手的操作系統(tǒng)相較于其他繼電器和單片機(jī)控制系統(tǒng)而言，具有容易操作，系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇PLC來(lái)做控制設(shè)計(jì)。PLC60要求越來(lái)越高，繼續(xù)采用傳統(tǒng)的繼電器方式控制生產(chǎn)線再調(diào)整過(guò)程逐漸暴露出無(wú)法忍受的弊GM1969PLCPDP-142.1PLCPLC1977PLC也開(kāi)始大規(guī)模使用。圖2.1 PDP-14實(shí)物圖PLC發(fā)生了由量變成質(zhì)變，以超小的體積來(lái)完成更快的運(yùn)算，憑據(jù)極致的性價(jià)比，迅速占領(lǐng)工業(yè)領(lǐng)域的市場(chǎng)。PLC的特點(diǎn)PLC用通俗易懂的梯形圖形式。通過(guò)簡(jiǎn)單的語(yǔ)句間的不同組合可以完成很多動(dòng)作，由于指令語(yǔ)句數(shù)量少和梯形圖簡(jiǎn)單易懂，這樣對(duì)于專業(yè)知識(shí)要求甚少，所以具有很高普適性。組態(tài)靈活，根據(jù)控制不同而采用不同模塊的不同功能的任意組合。I/OPLC同的信號(hào)都有與之專業(yè)配套的模塊可以直接連接使用。全隔離措施，將它直接與執(zhí)行元件相連，即可完成自己的工作。運(yùn)算能力強(qiáng)，PLCPLC介紹可編程控制器經(jīng)過(guò)這么多年的更新迭代，早已形成了百花齊放，百家爭(zhēng)鳴的局面，但都有各自所擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，下面介紹目前最常用的集中PLC系列。1996S7PLCS7系2.1所示。表2.1 部分S7系列主要性能型號(hào)CPU型號(hào)程序和數(shù)據(jù)內(nèi)存計(jì)數(shù)器/定時(shí)器S7-200CPU2214k/1k256/256CPU2224k/1k256/256CPU2248k/2.5k256/256S7-300CPU31320+1264/128CPU31440+2464/128CPU31580+4864/128PLCPLC，在空間成F12.2所示。表2.2 三菱品最性能。型號(hào)基本模塊拓展模塊I/O點(diǎn)數(shù)F1系列F1-20MF1-20E12/8F1-40MF1-40E24/16F1-60MF1-60E36/24FX1N－60MTFX1N-60MTPLC，I/O1.2.MbpsFX1N所具有優(yōu)越性能三菱FX1N系列主要的性能參數(shù)如表2.3所示。表2.3 FX1N列主數(shù)項(xiàng)目名稱規(guī)格備注運(yùn)行控制通過(guò)設(shè)定好的指令，反復(fù)掃描，可以中斷。編程語(yǔ)言可以用梯形圖形式或者語(yǔ)句指令梯形圖可以轉(zhuǎn)換SFC程序I/O配置最大可以選擇輸入輸出點(diǎn)128輔助繼電器一般384點(diǎn)，特別的具有256點(diǎn)一般是M0-M383特別的是M8000-M8255狀態(tài)繼電器一般1000點(diǎn)，初始10點(diǎn)一般S0-S999初始S0-S9定時(shí)器100毫秒，范圍0至3276.7秒200dianT0-T199三菱FXPLC有一定的相似之處，他們都有核心作用的微處理器也具有的和外部進(jìn)行交換信息的輸入輸出FXPLC2.2示。PLC進(jìn)行特定的處理和計(jì)算，轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，經(jīng)過(guò)輸出端子，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。PLC圖2.2 PLC基組成圖PLCPLC1A2.30.1-0.47μF2.4圖2.3 直流路保圖圖2.4 交流電機(jī)圖本章對(duì)可編程控制器的發(fā)展和特點(diǎn)做出了簡(jiǎn)單介紹。簡(jiǎn)要描述了當(dāng)前世界上比較受歡迎的兩種可編程控制器的種類(lèi)和功能。對(duì)于本機(jī)械臂選定的三菱公司FX系列產(chǎn)品，進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。對(duì)其功能和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。第3章 機(jī)械臂總體設(shè)計(jì)8kg360°準(zhǔn)放置。這樣可以讓工人們得到更好的工作條件和工作環(huán)境。是工人們的的勞動(dòng)成本很大程度的降低，從而工作效率也有很大提升。國(guó)內(nèi)機(jī)械臂行業(yè)向著通用型發(fā)展，制造出規(guī)格化的，產(chǎn)業(yè)化的通用性機(jī)械臂，目前工業(yè)機(jī)械臂再國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域的自動(dòng)化生產(chǎn)線上基本已經(jīng)代替人工，為企業(yè)帶來(lái)了巨大收益，將機(jī)械手的各種機(jī)械構(gòu)件，變得標(biāo)準(zhǔn)化，這樣在面對(duì)專業(yè)領(lǐng)域，需要特殊的專業(yè)機(jī)械手時(shí)，可以省去大量的人力、物力和財(cái)力，同時(shí)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，還可以做到短時(shí)間內(nèi)大量生產(chǎn)，這樣機(jī)械手的實(shí)際意義才能得到很好體現(xiàn)。電磁吸盤(pán)磁力吸盤(pán)永磁吸盤(pán)電磁吸盤(pán)磁力吸盤(pán)永磁吸盤(pán)機(jī)械手爪手爪電磁加緊真空式吸盤(pán)盤(pán)盤(pán)圖3.1 手爪持方類(lèi)圖本設(shè)計(jì)采用的機(jī)械手爪的氣動(dòng)夾緊方式。目前驅(qū)動(dòng)方式的主要分為四類(lèi)，分別是液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的升降、伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在手部的驅(qū)動(dòng)采用氣壓缸的形式驅(qū)動(dòng)。其主要工作流程如下：按下起動(dòng)按鈕系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。機(jī)械手水平方向的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始動(dòng)作機(jī)械手臂開(kāi)始前伸。90夾手張開(kāi)。經(jīng)過(guò)延時(shí)后。機(jī)械臂水平和豎直電機(jī)開(kāi)始復(fù)位。準(zhǔn)備進(jìn)行下一次的循環(huán)動(dòng)作。本論文設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要擁有四個(gè)自由度，采用電力驅(qū)動(dòng)用特殊結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)或者是步進(jìn)電機(jī)對(duì)機(jī)械手的對(duì)機(jī)身的升降、手臂伸縮、手腕、機(jī)身的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，手指的夾取采用氣壓缸作為驅(qū)動(dòng)裝置。這種驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需要中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，相比于液壓傳動(dòng)排除液壓油易泄漏，對(duì)工作場(chǎng)地有限制和降低液壓元件工藝水平高而帶來(lái)的成本問(wèn)題。具有運(yùn)行速度快，維護(hù)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械臂整體示意如圖3.2所示。圖3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)要描述機(jī)械臂的工作任務(wù)要求。對(duì)機(jī)械臂的用途和組成進(jìn)行簡(jiǎn)單分類(lèi)。確定本機(jī)械臂在手爪夾緊部分采用的氣壓驅(qū)動(dòng)的夾緊方式。對(duì)手臂的工作運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行概括。確定手臂在升降，伸縮過(guò)程中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。敘述這種電氣混合的驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)。第4章 機(jī)械臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)械手的手爪相當(dāng)于我們?nèi)祟?lèi)的手，擔(dān)任著我們機(jī)械手百分之八十以上的工作，對(duì)于不同的工作需求，我們需要更換不同的手爪，所以說(shuō)，手爪是機(jī)械手的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，手爪主要由自己獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置和可以傳動(dòng)的手指組成，根據(jù)不用物體，手爪需要不同的加工方式才能適應(yīng)不同的物體。手爪形狀設(shè)計(jì)4.1計(jì)對(duì)于本設(shè)計(jì)中的圓形棒料具有很好的夾持效果，手爪的制造材料選擇也認(rèn)真考慮，既要具有一定的硬度和強(qiáng)度，不易彎曲和折斷，但是重量上也不能太重，所以本設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度高，但質(zhì)量輕的硬鋁合金。圖4.1 二指輪夾爪手爪尺寸設(shè)計(jì)手爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4.2所示。圖4.2 手抓構(gòu)簡(jiǎn)圖圖中：??-是單個(gè)手指從轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)A點(diǎn)到凹糟中心點(diǎn)B的距離。2??—凹型槽的夾角；??—偏轉(zhuǎn)角；2??—是倆個(gè)手指轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)的中心距離，物塊軸心和手指支點(diǎn)間的距離可以用X表示。根據(jù)幾何關(guān)系，可得2??=√??2+(??)2????????

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?2??????????取 ????=??????(????1,????2)?????? （4-6）2s小。??—手指長(zhǎng)度；??—偏轉(zhuǎn)角，要求手指的夾持誤差????≤1mm。這里假設(shè)機(jī)械手抓取物體的直徑最大為40mm，故取??0=40mm。取凹型槽的夾角2??=60°，根據(jù)下式求得最佳偏角為：??=???????1??0=???????1 40 =???????180（4-7）??????????

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????????

??????即????√??2?2344.68√??2?2488.64??????（4-9）我們將手指的在夾持時(shí)具有的誤差控制在1mm以內(nèi)，分析式（4-9）我們計(jì)算出約束范圍：??2?2344.68≥0{??≥0

（4-10）√??2?2344.68?√??2?2488.64≤1計(jì)算得：??≥64.08????使整個(gè)手爪機(jī)構(gòu)變大，我們?nèi)??=70????。此時(shí)，根據(jù)式（4-7）和（4-9）有????=√702?2344.68√702?2488.64????????=???????180≈70°70這樣誤差????=0.02??=0.015×40=0.6≤1????。分析計(jì)算結(jié)果并驗(yàn)證，我們得到的誤差符合要求的誤差，所以手指的長(zhǎng)度尺寸選擇上是可以的。在制作材料上選擇硬鋁合金。本設(shè)計(jì)在手爪的夾松動(dòng)作中通過(guò)采用能夠雙向運(yùn)動(dòng)的單桿活塞氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種氣缸通過(guò)活塞兩側(cè)不同的受力面積來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，也是現(xiàn)在大多數(shù)夾持類(lèi)手爪應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)元件。其示意簡(jiǎn)圖如圖4.4所示。圖4.4 雙作單桿缸手爪對(duì)物塊所施加的夾緊力根據(jù)公式：=（4-11）式： 1—安全系數(shù)（11.1～1.5）??2?工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力等的影響（??2=1.1～2.5）??3為方位系數(shù)，根據(jù)手指的不同位置選擇??——手爪的機(jī)械效率（??=0.85～0.89）該處??1=1.3,??2=2.0,??3=0.5,??=0.85,則有：根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得：??

=1.3×2.0×0.5×80=104?? （4-12）=2×100×cos302×104=312??計(jì)算 50

312根據(jù)平衡條件得：

??實(shí)際=0.85=367??P需???????=0 （4-13）式中：P需—?dú)飧姿璧妮敵隽?，N；S—?dú)飧椎挠行Чぷ髅娣e，該處??=????2cm2；4P—?dú)飧坠ぷ鲏毫?，MPa；??—為氣缸的總阻力損失效率，取0.7-0.8。該處取工作壓力 ??=0.2??????，??=0.7；4??需所以有 ??=

??????

=53.27????（液壓氣動(dòng)分卷63mm。因?yàn)闅飧资菓?yīng)用在手爪的夾持方面，所以不需要太長(zhǎng)的導(dǎo)程。查閱國(guó)內(nèi)多家的氣缸生產(chǎn)手冊(cè)。最終選擇SDA63*10型號(hào)的氣缸組件。由于所選氣缸組件為標(biāo)準(zhǔn)件，所以其它尺寸不需要計(jì)算。氣缸的鋼筒部分與端蓋之間是需要密封的。我們采用的O型的橡膠圈來(lái)進(jìn)行密封。機(jī)械臂主要由手爪、底座、手臂和機(jī)身部分組成。主要零部件建模如表4.1所示。表4.1 主要件表主要零件名稱模型圖主要零件名稱模型圖手爪垂直支架伸縮支架渦輪配合軸水平絲杠底座固定連接件SDA系列氣缸完成機(jī)械臂各個(gè)部件的建模，并對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行總體裝配，進(jìn)行干涉檢驗(yàn)。機(jī)械臂總體模型如圖4.5所示。圖4.5 機(jī)械模型圖本章根據(jù)被抓工件的要求設(shè)計(jì)手爪的形狀為二指凹槽型手爪。畫(huà)出手爪的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。對(duì)手爪的尺寸進(jìn)行計(jì)算。確定手爪的制作材料為強(qiáng)度高但質(zhì)量輕的硬鋁合金。并對(duì)手爪的夾緊SDA3D建模并完成裝配。第5章 機(jī)械手元器件的選型與計(jì)算PLC的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械執(zhí)行元件的執(zhí)行動(dòng)作的執(zhí)行器。它可以完成直接的數(shù)字控制，省去中間一系列復(fù)雜的轉(zhuǎn)換。在開(kāi)環(huán)的工作模式中，對(duì)比伺服電機(jī)需要的檢測(cè)裝置和反饋，都可以省去，這樣大大簡(jiǎn)化了整體機(jī)械結(jié)構(gòu)。目前，步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展已經(jīng)趨于完善，在型號(hào)和性能真對(duì)比每一款步進(jìn)電機(jī)，選擇出合適的型號(hào)。功能功率小，效率高點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。本設(shè)計(jì)選用混合式步進(jìn)電機(jī)。（一）步距角的選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角選擇可以根據(jù)自己的定位精度來(lái)選擇，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)。電機(jī)就向一個(gè)方向轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。根據(jù)設(shè)計(jì)要求即選擇????=1.8°，故選擇二相步進(jìn)電機(jī)。（二）靜力矩選擇靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)在工作靜止?fàn)顟B(tài)下的工作負(fù)載。應(yīng)該考慮慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種情況[13]。在加速狀態(tài)下的慣性負(fù)載是大于摩擦負(fù)載的。在勻速運(yùn)動(dòng)中的摩擦負(fù)載是主要考慮的因素，一般靜力矩要選擇摩擦負(fù)載的2-3倍。??=??慣+??摩 （5-1）式中??—電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，?????；??慣—加速起動(dòng)時(shí)的慣性力矩，?????；??摩——恒速運(yùn)行時(shí)的摩擦力矩，??摩=0.3??慣；式中??—負(fù)載慣量，?????????3；

??

=??9.6??

（5-2）??—時(shí)間常數(shù)，??=25????；??=(180??)??（5-3）????式中??—脈沖當(dāng)量，??=0.01????；??—步距角，??=1.8°/??；??—時(shí)間常數(shù)，??=25????；??—轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量，30kg；則有所以

??=(????

)??=??

180×1.8×251.2

)×30=1.2?????????3??慣=9.6??=9.6×25×10?3=50???????=??慣+??摩=1.3??慣=1.3×36.67=50?????因此電機(jī)快速啟動(dòng)時(shí)的最大力矩是????????。為保證后續(xù)電機(jī)的正常工作，啟動(dòng)時(shí)的力矩：??起動(dòng)

≥??0.5

（5-4）所以??起動(dòng)=100?????本設(shè)計(jì)選用的型號(hào)是35型兩相混合步進(jìn)電機(jī)具體信息如圖5.1，圖5.2，表5.1所示。圖5.1 35型相混步進(jìn)電機(jī)圖5.2 步進(jìn)機(jī)尺圖表5.1 步進(jìn)機(jī)技數(shù)表步進(jìn)電機(jī)型號(hào)步距角電壓V電流I保持轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引線數(shù)35HS34-10A5-211.8°2.41.0140144MAD432R5.3類(lèi)伺服控制，具有矢量控制和自適應(yīng)濾波、步距角細(xì)分功能，對(duì)于一些中低速的電機(jī)具有很好的穩(wěn)定性，大大降低了噪聲，對(duì)電流有很好的控制，減少電機(jī)的發(fā)熱。圖5.3 MAD432R型步電機(jī)驅(qū)器圖5.4 步進(jìn)機(jī)接圖圖5.5 步進(jìn)機(jī)驅(qū)接線圖機(jī)械手再回轉(zhuǎn)過(guò)程中底部的直流電機(jī)需要帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手的部件和工件一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)分析整個(gè)機(jī)械手的整體質(zhì)量和回轉(zhuǎn)中心位置，得出機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：??=????22??=????

其中???整體部件的總質(zhì)量。???回轉(zhuǎn)中心的距離。???為機(jī)械手在1s內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。???這樣計(jì)算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩為??=0.785??.??。取摩擦系數(shù)為k=0.3??總=kT+T （5-7）所以總轉(zhuǎn)矩??總=1.205??.??。電機(jī)通過(guò)減速器需要輸出的功率：??=T總×n9550n30r/minP3.8W。

（5-8）支撐軸與減速器之間用聯(lián)軸器相連，聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率可以達(dá)到??1=0.99。減速器采用行星齒輪減速器傳動(dòng)效率取??2=0.75。所以電機(jī)的輸出功率為：rP= Prη1η2

=5.12W （5-9）根據(jù)電機(jī)的輸出功率最終選擇直流行星減速電機(jī)如圖5.6所示進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為????=????=0.016??.??。符合設(shè)計(jì)需求。??圖5.6 直流速電機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分我們采用繼電器的來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的輸入，5.7INPLC輸出信號(hào)端,COM端為控制傳感器的電源負(fù)極。OUT接入驅(qū)動(dòng)部分的輸入端端口。圖5.7 電平換圖傳感器15.8所示。圖5.8 傳感工作圖2.行程開(kāi)關(guān)：常開(kāi)觸點(diǎn)，當(dāng)有物體觸碰時(shí)，觸電閉合。如圖5.9所示。圖5.9 行程關(guān)圖5.6 本章主要對(duì)機(jī)械臂升降伸縮的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型與計(jì)算。并對(duì)步進(jìn)電機(jī)需要的步進(jìn)限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行選型。第6章 機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的控制功能主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用電機(jī)控制機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)、手臂的伸縮、升降。用氣缸來(lái)控制手爪的張合。程序分別設(shè)置兩種自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式。在自動(dòng)模式下，讓機(jī)械臂可以獨(dú)立完成從原點(diǎn)夾取物并實(shí)現(xiàn)移動(dòng)等操作。在選擇手動(dòng)模式下后可以對(duì)機(jī)械臂抓取物塊的每一步操作進(jìn)行單獨(dú)操作。氣缸氣壓回路設(shè)計(jì)PLC6.1所示。具體流程如下：現(xiàn)手爪的夾緊功能?，F(xiàn)手爪的松開(kāi)功能。圖6.1 氣壓路圖PLCI/O點(diǎn)數(shù)分配表FX1N-60MT2412PLCI/O6.1所示。表6.1 PLC的I/O分表控制動(dòng)作輸入信號(hào)輸入接口控制動(dòng)作輸出信號(hào)輸出接口手動(dòng)SAX0YA0升降信號(hào)Y0回原點(diǎn)SAX1上升/下降步進(jìn)電機(jī)YA2方向信號(hào)Y2連續(xù)SAX2YA3使能信號(hào)Y3回原位SB1X3YA1伸縮信號(hào)Y1啟動(dòng)SB2X4前進(jìn)/后退步進(jìn)電機(jī)YA4方向信號(hào)Y4停止SB3X5YA5使能信號(hào)Y5下降SB4X6夾緊YA6Y6上升SB5X7手順轉(zhuǎn)YA7Y7夾緊SB6X10手逆轉(zhuǎn)YA10Y10松開(kāi)SB7X11底座順轉(zhuǎn)YA11Y11手順轉(zhuǎn)SB8X12底座逆轉(zhuǎn)YA12Y12手逆轉(zhuǎn)SB9X13松開(kāi)YA13Y13底座順轉(zhuǎn)SB10X14底座逆轉(zhuǎn)SB11X15下限位SQ1X16上限位SQ2X17前限位SQ3X20后限位SQ4X21底座順限位SQ5X22底座逆限位SQ6X23手順限位SQ7X24手逆限位SQ8X25前行SB12X30后退SB13X31PLC控制系統(tǒng)的外部接線圖PLC控制系統(tǒng)的各元件的接線如圖6.2所示。圖6.2 PLC外控制線圖PLC本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的控制程序設(shè)計(jì)。在整體設(shè)計(jì)上共有四個(gè)部分，他們分別掌控著機(jī)械手自動(dòng)控制模式、手動(dòng)控制模式和回原位模式。對(duì)于這三個(gè)程序部分有一個(gè)總體的整合控制6.3CJPLC轉(zhuǎn)指令。P0、P1、P2CJX0X1X1X2P1、P2圖6.3 程序的結(jié)圖公用程序設(shè)計(jì)6.4X021onM0M8002M10ONM10OFFZRST模式之間的轉(zhuǎn)換同時(shí)減少程序的出錯(cuò)率。圖6.4 公用序梯圖自動(dòng)操作程序設(shè)計(jì)自動(dòng)控制模式順序功能圖如圖6.5所示。圖6.5 順序能圖6.6X4M1、M10Y1。圖6.6 機(jī)械前伸圖X20X24X166.7所示。圖6.7 機(jī)械手順降程序圖在經(jīng)過(guò)夾緊延時(shí)T0之后，機(jī)械手開(kāi)始上升，上升接通上限位開(kāi)關(guān)后。如圖6.8所示。圖6.8 機(jī)械夾緊程序圖機(jī)械手開(kāi)始后退，后退到后限位開(kāi)關(guān)X21后底座開(kāi)始逆轉(zhuǎn)。如圖6.9所示。圖6.9 機(jī)械底逆程序圖X23X20后，機(jī)械手開(kāi)始上升，到上限位時(shí)開(kāi)始逆轉(zhuǎn)，之后是后退，底座順轉(zhuǎn)，在底座順轉(zhuǎn)之后又會(huì)6.10所示。圖6.10 機(jī)械底部轉(zhuǎn)程序圖所示。圖6.11 上升進(jìn)電梯形圖自動(dòng)控制程序中控制伸縮步進(jìn)電機(jī)的程序控制梯形圖如圖6.12所示。圖6.12 前伸進(jìn)電程序梯圖手動(dòng)程序設(shè)計(jì)P0式下，機(jī)械手的能夠單獨(dú)完成各部分的獨(dú)立動(dòng)作，通過(guò)不同的動(dòng)作信號(hào)。讓機(jī)械手單獨(dú)完成所示。圖6.13 手動(dòng)序梯圖因?yàn)槭謩?dòng)模式下各部需要單獨(dú)操作，各程序之間需要進(jìn)行必要的自鎖。如圖6.14所示。圖6.14 部件鎖程圖回原程序設(shè)計(jì)3M316.15所示。圖6.15 回原程序動(dòng)圖X17行。同時(shí)伸縮電機(jī)也開(kāi)始運(yùn)行，到后限位開(kāi)關(guān)時(shí)停止工作。手爪一直保持松開(kāi)狀態(tài)。手部逆6.16所示。圖6.16 底座原點(diǎn)序圖PLCI/O臂進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式的控制設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)的控制程序結(jié)構(gòu)總圖，完成控制梯形圖的設(shè)計(jì)。結(jié) 論通過(guò)對(duì)可編程控制器的發(fā)展和特點(diǎn)的資料研究。對(duì)當(dāng)前世界上比較受歡迎的兩種可編程控制器的種類(lèi)和功能有了比較深刻的認(rèn)識(shí)。對(duì)于本機(jī)械臂選定的三菱公司FX系列產(chǎn)品，進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。對(duì)其功能和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。選定三菱公司的FX1N-60MT型控制器。簡(jiǎn)要描述機(jī)械臂的工