三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)

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1、. 三自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 本文簡(jiǎn)要介紹了機(jī)械手的概念，機(jī)械手的組成和分類(lèi)，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展前景。 本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際及理論確定了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程，坐標(biāo)型式和自由度數(shù)，并列出了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。 設(shè)計(jì)出了機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案、控制方案，在進(jìn)行控制方案的選取時(shí)進(jìn)行了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比，最后確定了具體的控制方案。在進(jìn)行機(jī)械手控制器件的選取時(shí)，對(duì)控制器件選擇進(jìn)行了詳細(xì)的分析，如對(duì)步進(jìn)電機(jī)參數(shù)的具體選取。最后介紹了利用可編程序控制器對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，同時(shí)敘述了可編程序控制器選取原則及工作過(guò)程，并繪制出了可編程序控制器外部接線(xiàn)圖。在用可編程序控制器控

2、制時(shí)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，并繪制了自動(dòng)工作方式的順序功能圖。 關(guān)鍵詞機(jī)械手的概念，機(jī)械手控制器件，可編程序控制器（PLC） ThREE DEGREESOF FREEDOM MANIPULATOR DESIGN ABSTRACT This paper introduces the concept of robot, robot the composition and classification of domestic and international developments and prospects. In this paper, an overall robot de

3、sign, combined with production practice and theory to determine the structure of the manipulator and the action process, coordinate types and degrees of freedom, and lists the technical parameters of the manipulator. Designed a manipulator-driven program, control program, control program during the

4、 selection of different options when comparing the advantages and disadvantages, and finally determine the specific control program. Manipulator control device during the selection, the control device on a detailed analysis of options, such as the specific selection step motor parameters. Finally, t

5、he use of programmable logic controller to control the manipulator, taking account of the principles of PLC and process of selection, and draws out the external wiring diagram of PLC. Programmable Logic Controller in use when the work is divided into two kinds of manual and automatic mode, and the m

6、apping of the automatic work order function map. KEYWORDSThe concept of robot, robot control devices, programmable logic controller 目錄 中文摘要................................................1 英文摘要................................................2 一、引言 1.1簡(jiǎn)要介紹機(jī)械手的概念...........................4 1.

7、2機(jī)械手的組成和分類(lèi).............................5 1.2.1機(jī)械手的組成...............................5 1.2.2機(jī)械手的分類(lèi)...............................5 1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r.................................6 二、三軸自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程....................7 2.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)....................................7 2.2機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程..........

8、....................8 2.3機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)..........................9 2.4機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)..........................9 2.5機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度......................10 2.6機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表..........................11 三、控制器件選型.......................................11 3.1步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器選擇........................

9、....11 3.2直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器選擇........................12 3.3旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇..............................14 四、機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì)...............................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(guò)程......................16 總結(jié)..................................................19 致謝..........

10、........................................20 參考文獻(xiàn)...............................................20 附錄..................................................21 一、 引言 隨著社會(huì)生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對(duì)生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計(jì)算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機(jī)械手技術(shù)快速發(fā)展，其中氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來(lái)源簡(jiǎn)便以及不污染環(huán)境、組件價(jià)格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點(diǎn)，已滲透到工業(yè)領(lǐng)

11、域的各個(gè)部門(mén)，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動(dòng)機(jī)械手有氣控機(jī)械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機(jī)械部分組成。主要作用是完成機(jī)械部件的搬運(yùn)工作，能放置在各種不同的生產(chǎn)線(xiàn)或物流流水線(xiàn)中，使零件搬運(yùn)、貨物運(yùn)輸更快捷、便利。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。機(jī)械手能模擬人的手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具。機(jī)械手可以代替很多重復(fù)性的體力勞動(dòng)，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。 1.1機(jī)械手概述 機(jī)械手也被稱(chēng)為自動(dòng)手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)

12、現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén)。隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展以及氣動(dòng)技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。 機(jī)械手實(shí)例 1.2機(jī)械手的組成和分類(lèi) 1.2.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)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)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立

13、運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)為機(jī)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(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專(zhuān)用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。 1.2.2機(jī)械手的分類(lèi) 機(jī)械手的種類(lèi)，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手一般分為三類(lèi)：第一類(lèi)是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、

14、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工才做的，稱(chēng)為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)操作機(jī)來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類(lèi)是用專(zhuān)用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線(xiàn)上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱(chēng)為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。在國(guó)外，目前主要是搞第一類(lèi)通用機(jī)械手，國(guó)外稱(chēng)為機(jī)器人 1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂

15、，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)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(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司,專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國(guó)Un

16、imate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫M。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從1970年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)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(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn)口。 目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第

17、二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)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)。 一般簡(jiǎn)況國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)應(yīng)用的機(jī)械手絕大部分為專(zhuān)用機(jī)械手,附屬于某一設(shè)備,其工作程序是固定的。通用機(jī)械手也有發(fā)展,目前應(yīng)用的都是開(kāi)關(guān)式點(diǎn)位控制型,伺服型已試制出數(shù)臺(tái)在調(diào)試中,連續(xù)軌跡控制型還沒(méi)有。 控制方式—有觸點(diǎn)固定程序控制占絕大多數(shù),專(zhuān)用機(jī)械手多采用這種控制 二、三軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程

18、 2.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 機(jī)械手結(jié)構(gòu)如下圖1所示，有氣控機(jī)械手(1)、XY軸絲杠組(2)、轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)(3)、旋轉(zhuǎn)基座(4)等組成。 其運(yùn)動(dòng)控制方式為：三自由度機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)型。圖1為機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖，(1)氣控機(jī)械手(有光電傳感器確定起始0點(diǎn))；(2) 機(jī)械手手臂的左右運(yùn)動(dòng)（左右方向）由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠組件完成，上下運(yùn)動(dòng)(垂直方向)由升降步進(jìn)電機(jī)控制；(3) 逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可由回旋360°的轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)能帶動(dòng)機(jī)械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)(其電氣拖動(dòng)部分由直流電動(dòng)機(jī)、光電編碼器、接近開(kāi)關(guān)等組成)；(4)旋轉(zhuǎn)基座主要支撐以上3部分；(5) 機(jī)械手的夾緊裝置采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，氣控機(jī)械手的張合由氣壓控制壓

19、驅(qū)動(dòng)，并由電磁閥控制(充氣時(shí)機(jī)械手抓緊，放氣時(shí)機(jī)械手松開(kāi))。 機(jī)械手可以根據(jù)設(shè)定程序的動(dòng)作將工件從A處搬運(yùn)到B處。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6為水平和垂直方向上的限位開(kāi)關(guān)，SQ3，SQ4為原點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的光接近開(kāi)關(guān)。如圖2.1所示。 2.2機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程 其工作過(guò)程為：當(dāng)貨物到達(dá)時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱軸上升，另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫軸開(kāi)始向前走；轉(zhuǎn)盤(pán)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)械手整體運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到貨物接收處；步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動(dòng)縱軸下降，到達(dá)指定位置后氣 閥放氣，機(jī)械手松開(kāi)貨物；系統(tǒng)回位準(zhǔn)備下一次動(dòng)作。 圖2.1 2.3機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分,

20、工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類(lèi)。本文設(shè)計(jì)的三自由度機(jī)械手屬于混合式機(jī)械手，它綜合了電動(dòng)式和氣動(dòng)式機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)，既節(jié)省了行程開(kāi)關(guān)和PLC的I／O端口，又達(dá)到了簡(jiǎn)便操作和精確定位的目的。 2.4機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 目前，對(duì)機(jī)械手的控制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(jī)控制，雖然它在智能控制方面有較強(qiáng)大的功能，但它的抗干擾性差，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)，廣泛應(yīng)用也不太

21、容易； 3）ＰＬＣ控制，此控制系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、使用維修方便、抗干擾性強(qiáng)、能經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗(yàn)等優(yōu)越性，已經(jīng)成為在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。三自由度機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)置了手動(dòng)工作方式和自動(dòng)工作方式。自動(dòng)方式又分為自動(dòng)回原點(diǎn)、單步、單周期、連續(xù)四種工作方式。 2.5機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手。(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手。 ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手。 (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。下圖是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。圖中機(jī)

22、械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B。 在圓柱坐在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手具有3個(gè)自由度既：手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降3個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械手工作示意圖 2.6機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途：搬運(yùn):用于車(chē)間搬運(yùn) 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 1、抓重:60Kg (夾持式手部) 2、自由度數(shù):3個(gè)自由度 3、座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo) 4、最大工作半徑:1600mm 5、手臂最大中心高:1248mm 6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮行程：1200mm 伸縮速度：83mm/s 升降行程：300mm 升降速度：67m

23、m/s 回轉(zhuǎn)范圍: 0~360° 三、控制器件選型 3.1步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的選擇 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)執(zhí)行元件。在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)目。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差而無(wú)累計(jì)誤差的特點(diǎn)，使其在速度、定位等控制領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛。 機(jī)械手縱軸(Y軸)和橫軸(X軸)選用的是北京四通電機(jī)技術(shù)有限公司的42BYG250C型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.9°/1.8°，電流1.5A。M1是橫軸電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)伸、縮；M2是縱軸電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)上升、下降。所選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是SH-204

24、03型，該驅(qū)動(dòng)器采用10～40V直流供電，H橋雙極恒相電流驅(qū)動(dòng)，最大3A的8種輸出電流可選，最大64細(xì)分的7種細(xì)分模式可選，輸入信號(hào)光電隔離，標(biāo)準(zhǔn)單脈沖接口，有脫機(jī)保持功能，半密閉式機(jī)殼可適應(yīng)更惡劣的工況環(huán)境，提供節(jié)能的自動(dòng)半電流方式。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，保證了驅(qū)動(dòng)器可適應(yīng)較寬的電壓范圍，用戶(hù)可根據(jù)各自情況在10～40VDC之間選擇。一般來(lái)說(shuō)較高的額定電源電壓有利于提高電機(jī)的高速力矩，但卻會(huì)加大驅(qū)動(dòng)器的損耗和溫升。本驅(qū)動(dòng)器最大輸出電流值為3A/相(峰值)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器面板上六位撥碼開(kāi)關(guān)的第5、6、7三位可組合出8種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)8種輸出電流，從0.9A到3A以配合不同的電機(jī)使用。本驅(qū)動(dòng)器可提供

25、整步、改善半步、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分、32細(xì)分和64細(xì)分7種運(yùn)行模式，利用驅(qū)動(dòng)器面板上六位撥碼開(kāi)關(guān)的第1、2、3三位可組合出不同的狀態(tài)。 步進(jìn)電機(jī) 3.2 直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的選擇 定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱(chēng)為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能 由直流電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作原理示意圖可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱(chēng)為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的

26、部分稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱(chēng)為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。 直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 按類(lèi)型主要分為直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)。 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式是指對(duì)勵(lì)磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)而建立主磁場(chǎng)的問(wèn)題。根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為下列幾種類(lèi)型。 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式 1． 他勵(lì)直流電機(jī) 2． 并勵(lì)直流電機(jī) 3． 復(fù)勵(lì)直流電機(jī) 4． 串勵(lì)直流電機(jī) 可回旋360串勵(lì)直流電機(jī)°的轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)有直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)，系統(tǒng)選用的是北京和時(shí)利公司生產(chǎn)的57BL1010H1無(wú)刷直流電機(jī)，其調(diào)速范圍寬、低速

27、力矩大、運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音、效率高。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用北京和時(shí)利公司生產(chǎn)的BL-0408驅(qū)動(dòng)器，其采用24～48V直流供電，有起停及轉(zhuǎn)向控制、過(guò)流、過(guò)壓及堵轉(zhuǎn)保護(hù)，且有故障報(bào)警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動(dòng)快速停機(jī)等特點(diǎn)。 3.3 旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇 旋轉(zhuǎn)編碼器是用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(gè)到幾千個(gè)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(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)

28、量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。 編碼器如以信號(hào)原理來(lái)分可分為增量脈沖編碼器(SPC)和絕對(duì)脈沖編碼器（AP）。兩者一般都應(yīng)用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測(cè)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(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“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(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”。在可回旋360°的轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)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(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì) 5.1可編程序控制器的選擇 隨著PLC

29、在工業(yè)控制中的推廣普及，PLC產(chǎn)品的種類(lèi)越來(lái)越多，其結(jié)構(gòu)型號(hào)、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法等各不相同，適用場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選擇 PLC，對(duì)于提高PLC在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有著重要作用。 PLC機(jī)型選擇的基本原則是：在功能滿(mǎn)足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格比最優(yōu)的機(jī)型。通常做法是，在工藝過(guò)程比較固定、環(huán)境條件較好的場(chǎng)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(duì)于開(kāi)關(guān)量控制以及以開(kāi)關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的工程工程中，一般其控制速度無(wú)須考慮，因此，選用帶 A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī)就能滿(mǎn)足要求；而在控

30、制比較復(fù)雜，控制功能要求比較高的工程工程中（如要實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等），可視控制規(guī)模及復(fù)雜程度來(lái)選用中檔或高檔機(jī)（其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過(guò)程控制、全PLC的分布式控制系統(tǒng)以及整個(gè)工廠(chǎng)的自動(dòng)化等）。 應(yīng)該注意的是，同一企業(yè)應(yīng)盡量做到機(jī)型統(tǒng)一。這樣，同一機(jī)型的PLC模塊可互為備用，便于備品備件的采購(gòu)和管理；同時(shí)，其統(tǒng)一的功能及編程方法也有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)、技術(shù)水平的提高和功能的開(kāi)發(fā)；此外，由于其外部設(shè)備通用，資源可以共享，因此，配以上位計(jì)算機(jī)后即可把控制各獨(dú)立系統(tǒng)的多臺(tái)PLC聯(lián)成一個(gè)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P

31、LC，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用SH-20403型模塊。機(jī)械手的外部接線(xiàn)圖如圖2所示。 5.1可編程序控制器的工作過(guò)程 　　機(jī)械手在最上面、最右邊，底盤(pán)轉(zhuǎn)至光接近開(kāi)關(guān)X3處且?jiàn)A緊裝置松開(kāi)時(shí)稱(chēng)系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)。X10為手動(dòng)控制按鈕，按下該按鈕后，可以進(jìn)行按鍵開(kāi)關(guān)X20～X27對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作。X11～X15分別為自動(dòng)方式中的回原點(diǎn)、單步、單周期和連續(xù)工作方式按鈕，按下其中的某一個(gè)按鈕，再按起動(dòng)按鈕X0，該工作方式的動(dòng)作就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行。步進(jìn)電機(jī)只有在有脈沖信號(hào)(Y0)和方向信號(hào)(Y2或Y3)輸入時(shí)才會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，Y6，Y7選擇將脈沖信號(hào)Y0送至哪個(gè)步進(jìn)電機(jī)。Y5控制送氣電磁閥，實(shí)現(xiàn)夾緊裝置的夾緊與松開(kāi)。Y10，

32、Y11控制底盤(pán)直流電機(jī)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(yīng)當(dāng)處于原點(diǎn)狀態(tài)。如果不滿(mǎn)足這一條件，可以選擇回原點(diǎn)工作方式，該工作方式依次執(zhí)行以下操作：向上運(yùn)動(dòng)至上限位x1→向右運(yùn)動(dòng)至右限位X2→順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至光接近開(kāi)關(guān)X3→夾緊裝置松開(kāi)。 機(jī)械手自動(dòng)工作方式的順序功能圖如圖3所示。機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)速度由輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率控制，機(jī)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(chǎng)的實(shí)際情況在程序中設(shè)定，具有可重復(fù)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 總 結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，在這一階段的緊張學(xué)習(xí)中，使我的

33、綜合能力得到了很大的提高。仿人機(jī)器人這一課題，涉及到了很多學(xué)課的知識(shí)，是一個(gè)典型的綜合性課題。在這一段的設(shè)計(jì)中，我?guī)缀跤蒙狭舜髮W(xué)四年所學(xué)的所有專(zhuān)業(yè)知識(shí)，同時(shí)，在閱讀了大量的有關(guān)機(jī)器人方面的書(shū)籍之后，對(duì)該課題有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)?；仡櫵龅墓ぷ?，發(fā)現(xiàn)自己的付出是值得的。在該設(shè)計(jì)中，融入了我的很多新的構(gòu)想，也就是在原有的基礎(chǔ)上有了創(chuàng)新，這是值得欣慰的。當(dāng)然，由于缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該設(shè)計(jì)還有許多的不足之處，例如步態(tài)分析、驅(qū)動(dòng)程序等，這些工作都有待進(jìn)一步的完善。從課題本身來(lái)講，仿人機(jī)器人與輪式、履帶式機(jī)器人相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)和它們無(wú)法比擬的優(yōu)越性．但是由于受到機(jī)構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、微電子

34、學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約，至今基本上仍處于實(shí)驗(yàn)室研制的階段．尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應(yīng)能力仍不是十分理想．只有在走穩(wěn)走好之后再加上臂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)，才談得上真正的仿人．當(dāng)然，仿人不能僅僅局限于這些，還應(yīng)該模仿人類(lèi)的視覺(jué)、觸覺(jué)、語(yǔ)言，甚至情感等功能．由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，我深信在不久的將來(lái)這些都能夠?qū)崿F(xiàn)。 踏踏實(shí)實(shí)做人，認(rèn)認(rèn)真真做事，在該原則的指導(dǎo)下，使得我的設(shè)計(jì)能夠得以順利地進(jìn)行，在以后的工作與學(xué)習(xí)中，我會(huì)堅(jiān)持這項(xiàng)原則，我深信：只有腳踏實(shí)地，才能步步成功！ 致 在本文即將結(jié)束之際，請(qǐng)?jiān)试S我對(duì)在這四年的大學(xué)生活學(xué)習(xí)中給予我

35、支持和鼓勵(lì)的各位老師和同學(xué)致以深深的感謝。 首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師張超，感謝她在我的研究和學(xué)習(xí)過(guò)程中給予我的指導(dǎo)和幫助。張老師深厚的理論素養(yǎng)，淵博的學(xué)識(shí)和誨人不倦的精神使我受益非淺，更重要的是，張老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范和對(duì)學(xué)術(shù)問(wèn)題的概括與抽象能力在潛移默化中影響著我，教育著我。在大學(xué)生活中，張老師對(duì)我的言傳身教以及給予我許多無(wú)私的關(guān)心和幫助，所有這些不僅是我得以順利地完成本文，而且更是使我終身受益。我還要感謝系里的各位老師，他們?yōu)槲业漠厴I(yè)設(shè)計(jì)提出諸多良好的建議以及努力方向，使我得以較快地完成設(shè)計(jì)。 其次，我還要特別感謝我的母校，為我提供了一個(gè)先進(jìn)的學(xué)習(xí)、工作環(huán)境，能讓我順利完成自學(xué)考試的各

36、個(gè)課程。 最后，請(qǐng)讓我將這篇學(xué)士學(xué)位論文獻(xiàn)給我的父母親，感謝他們的養(yǎng)育之恩，感謝他們使我成為一個(gè)對(duì)社會(huì)有用的人，他們的關(guān)懷、支持和鼓勵(lì)是我所有信念的力量源泉。 參考文獻(xiàn) [1] 張玉芝. PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用. 山東紡織經(jīng)濟(jì),2005 年2 期,39~39 [2] 汪志鋒主編.可編程控制器原理與應(yīng)用. ：西安電子科技大學(xué)出版社，2004,11~11 The Design of Control System for Pneumatic Manipulator Yang Guangju China Agricultural University, Beijing,Chin

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