畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：氣動機械手升降臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，面板操縱式（有動力）點位示教部分控制軟件設(shè)計學(xué)院： 機電工程學(xué)院專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化（機電方向）學(xué)生姓名：—班級/學(xué)號指導(dǎo)老師/督導(dǎo)老師：起止時間:摘要本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，氣動技術(shù)的特點，PLC控制的特點，觸摸屏的特點及國內(nèi)外的發(fā)展狀況。本文對機械手進行總體方案設(shè)計，確定了機械手的技術(shù)參數(shù)。同時，設(shè)計計算了機械手的升降臂和回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機械手的手部結(jié)構(gòu)。本文系統(tǒng)地研究了機械手的氣動系統(tǒng)，對氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)進行了了解，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。利用可編程序控制器（PLC）對機械手進行控制，選取了合適的PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，對機械手的面板操縱式（有動力）點位示教部分控制軟件進行了設(shè)計。關(guān)鍵詞:工業(yè)機器人；機械手；氣動；可編程序控制器；觸摸屏；示教AbstractThisthesisgivesabriefintroductionoftheconceptionofindustrialrobotandandoverseasdevelopmentofindustrialobot,includingcomponentsandcategorieofmanipulator,thecharacteristicsofthesystemofairpressuredrivetechniqueandPLfeaturesoftouchscreencalibration.ThisthesismakesageneraldesignationanddecidesthetechniqueparameterofmanipuMeanwhile,itdesignstheelevatandaRmtaryarmstructureofmanipulatoraswellasthconstructionofhandpart.Thisthesisfocusontheanalyzingoftheairpressuredrivesystemofmanipulatorstudyoftheairpressuresystemworkingprinciplediagramdatum,whichhelpsalottimprovementincharting.WiththehelpofPLCweattainthecontrollingofmanipulator.Inthisthesis,IcpropertypeofPLC,workoutthemanipulationprogramofnPLClleraccordingtotheworkingprogressofmanipulator,anddesignthemanipulationsoftwareofthemanipulaControlpanel(Dynamic)PointDemonstrationpart.Keywords:industrialrobot;manipulator;airpressuredrive;PLC;touchscreen;DemonstrationTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要（中文） 1（英文） II第一章緒論\o"CurrentDocument"1.1工業(yè)機械手概述 1\o"CurrentDocument"1.2機械手的組成和分類 1\o"CurrentDocument"1.2.1機械手的組成 1\o"CurrentDocument"1.2.2機械手的分類 2\o"CurrentDocument"1.3PLC與觸摸屏概述 3\o"CurrentDocument"1.4國內(nèi)外發(fā)展狀況 3\o"CurrentDocument"1.5課題的提出及主要任務(wù) 4\o"CurrentDocument"1.5.1課題的提出 41.5.2課題的主要任務(wù) 5第二章機械手的設(shè)計方案\o"CurrentDocument"2.1機械手的類型和自由度的選擇 6\o"CurrentDocument"2.2機械手的驅(qū)動方案設(shè)計 6\o"CurrentDocument"2.3機械手的控制方案設(shè)計 6\o"CurrentDocument"2.4機械手的手部結(jié)構(gòu)方案確定 6\o"CurrentDocument"2.5機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 6\o"CurrentDocument"2.6機械手的主要參數(shù) 72.7機械手的技術(shù)參數(shù)列表 7第三章手部結(jié)構(gòu)的選擇，手臂伸縮的選擇，升降、回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計與校核3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 93.1.1手指的形狀和分類 93.1.2設(shè)計時注意的問題 93.2升降缸的尺寸設(shè)計與校核和伸縮缸的選擇 93.2.1氣缸的分類 93.2.2升降缸的尺寸設(shè)計與校核 113.2.3伸縮缸的選擇 163.3回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核 16\o"CurrentDocument"第四章氣動系統(tǒng)設(shè)計 20第五章機械手的PLC控制設(shè)計\o"CurrentDocument"5.1可編程序控制器的選擇 21\o"CurrentDocument"5.2機械手可編程序控制器控制方案 21\o"CurrentDocument"5.2.1系統(tǒng)簡介 21\o"CurrentDocument"5.2.2可編程序控制器的工作流程設(shè)計 21\o"CurrentDocument"5.2.3可編程序控制器的存儲區(qū)設(shè)計 22\o"CurrentDocument"5.3硬件、軟件的設(shè)計與調(diào)試 23\o"CurrentDocument"5.3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計與組態(tài) 23\o"CurrentDocument"5.3.2軟件設(shè)計 23\o"CurrentDocument"5.3.3硬件調(diào)試與系統(tǒng)調(diào)試 235.3.4梯形圖設(shè)計 235.3.5機械手控制程序 23\o"CurrentDocument"第六章觸摸屏上位機設(shè)計 25\o"CurrentDocument"第七章結(jié)論 28結(jié)束語 29\o"CurrentDocument"參考文獻 30第一章緒論1.1工業(yè)機械手的概述工業(yè)機器人是能模仿人體某些器官的功能（主要是動作功能）、有獨立的控制系統(tǒng)、可以改變工作程序和編程的多用途自動操作裝置。工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。“機器人”一詞出自捷克文，意為勞役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小說家、劇作家恰佩克在他寫的科學(xué)幻想戲劇《羅素姆萬能機器人》中第一次使用了機器人一詞。此后被歐洲各國語言所吸收而成為專門名詞。20世紀50年代末，美國在機械手和操作機的基礎(chǔ)上，采用伺服機構(gòu)和自動控制等技術(shù)，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人；60年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用；1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達國家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機器人。由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有3?6個運動自由度，其中腕部通常有1?3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；圓柱坐標型工業(yè)機器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。工業(yè)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是以穿孔卡、穿孔帶或磁帶等信息載體，輸入已編好的程序。示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器（示教操縱盒），將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動執(zhí)行機構(gòu)，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動完成更為復(fù)雜的工作。1.2機械手的組成及分類1.2.1機械手的分類機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。如下示意圖1-1.圖1-1機械手示意圖1.2.2機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。（一） 按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種：1、 專用機械手專用機械手是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手等。2、 通用機械手通用機械手是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。（二） 按驅(qū)動方式分1、 液壓傳動機械手液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、 氣壓傳動機械手氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、 機械傳動機械手機械傳動機械手即由機械傳動機構(gòu)（如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等）驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。（三）按控制方式分1、 點位控制點位控制的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、 連續(xù)軌跡控制連續(xù)軌跡控制的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。1.3PLC與觸摸屏概述PLC（ProgrammableLogicalController）通常稱為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，由于它擁有體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、維護方便等優(yōu)點，特別是它適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，使它的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱（即PLC、機器人和CAD/CAM）之一。人機界面是在操作人員和機器設(shè)備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時可能變化信息的多功能顯示屏幕。隨著機械設(shè)備的飛速發(fā)展，以往的操作界面需由熟練的操作員才能操作，而且操作困難，無法提高工作效率。但是使用人機界面能夠明確指示并告知操作員機器設(shè)備目前的狀況，使操作變的簡單生動，并且可以減少操作上的失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個機器設(shè)備。使用人機界面還可以使機器的配線標準化、簡單化，同時也能減少PLC控制器所需的I/O點數(shù)，降低生產(chǎn)的成本同時由于面板控制的小型化及高性能，相對的提高了整套設(shè)備的附加價值。觸摸屏作為一種新型的人機界面，從一出現(xiàn)就受到關(guān)注，它的簡單易用，強大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于工業(yè)環(huán)境，甚至可以用于日常生活之中，應(yīng)用非常廣泛，比如自動化停車設(shè)備、自動洗車機、天車升降控制、生產(chǎn)線監(jiān)控等，甚至可用于智能大廈管理、會議室聲光控制、溫度調(diào)整。隨著科技的飛速發(fā)展，越來越多的機器與現(xiàn)場操作都趨向于使用人機界面，PLC控制器強大的功能及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理也呼喚一種功能與之匹配而操作又簡便的人機的出現(xiàn)，觸摸屏的應(yīng)運而生無疑是21世紀自動化領(lǐng)域里的一個巨大的革新。1.4國內(nèi)外發(fā)展狀況國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：（1） 工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降。（2） 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。1.5課題研究內(nèi)容1.5.1課題的提出現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點：液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等)：液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動，氣動技術(shù)有以下優(yōu)點：介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。由“可編程序控制器-傳感器-氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方

面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動元件，使氣動技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC,而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應(yīng)手。1.5.2課題的主要任務(wù)1、 進行氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設(shè)計；2、 對氣動機械手氣路了解，進行關(guān)鍵部件的研究，完成氣動閥座零件圖。本課題采用的是南通大學(xué)電子氣動控制系統(tǒng)實驗臺，3、 設(shè)計氣動機械升降臂回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進行關(guān)鍵部件的設(shè)計計算；完成氣動機械手升降臂結(jié)構(gòu)裝配圖、氣動機械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)裝配圖。設(shè)計的氣動機械手伸縮行程10CM，升降行程5CM，旋轉(zhuǎn)180度；抓握零件直徑05~020，最大重量0.5KG。4、 完成面板操縱式（有動力）點位示教部分控制軟件設(shè)計與上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要求界面友好，本課題所用操作版面是eview軟件操作版面，其版面可簡約成如下示意圖機械手的操作版面如圖1-2所示；火/松A火/松A返M連續(xù)一單周期左/右--單少運動選擇操作方式選擇/Oo00啟動停止返叫京點RUN圖1-2操作版面5、機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計:本機械手擬采用可編程序控制器（PLC）對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號為西門子S7-200，根據(jù)機械手的工作流程編制出PLC示教程序，要求程序可讀性好。第二章機械手的設(shè)計方案對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拌放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象（工件）的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制本次設(shè)計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種模擬大中型場合工作的機械搬運設(shè)備。可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，操作頻繁的生產(chǎn)場合。在發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關(guān)驅(qū)動器之間的運動的同時，還要完成編程、示教/再現(xiàn)以及其他環(huán)境狀況（傳感器信息）、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作，使各關(guān)節(jié)能按預(yù)定運動規(guī)律運動。2.1機械手主要類型和自由度的選擇手臂的機構(gòu)基本上決定了操作機的工作空間范圍，按機械手手臂運動的不同運動的坐標形式和形態(tài)來進行分類，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關(guān)節(jié)式。（1）直角坐標型具有三個移動關(guān)節(jié)（PPP），可使手部產(chǎn)生三個互相垂直的獨立位移。由于其運動方程可獨立處理，且為線性的，具有定位精度高，控制簡單等特點，但操作靈活性較差，運動速度低的特點。（2）圓柱坐標型具有兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（PPR），受部的坐標為（z，r，0）o這種操作機的優(yōu)點是所占的空間尺寸較小，相對工作范圍較大，結(jié)構(gòu)簡單，手部可獲得較高的速度。而缺點是手部外伸離中心軸愈遠，其切向線位移分辨精度愈低。通常用于搬運機器人。（3）球座標型具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)（RRP），優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間尺寸小，但目前應(yīng)用較少。（4）關(guān)節(jié)型是模擬人的上肢而構(gòu)成的。它具有三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（RRR），可繞鉛垂軸轉(zhuǎn)動和繞兩個平行于水平面的軸轉(zhuǎn)動。具有結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積少，相對工作空間大等特點，用于復(fù)雜設(shè)備當中。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，在操作機中主動關(guān)節(jié)的數(shù)目應(yīng)等于操作機的自由度，因此，采用圓柱座標型式，相應(yīng)的機械手具有三個自由。2.2機械手的驅(qū)動方案設(shè)計由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。本系統(tǒng)采用南通大學(xué)的WQK-III電子氣動控制系統(tǒng)實驗臺實現(xiàn)對機械手的控制。2.3機械手的控制方案設(shè)計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器（PLC）對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。本機械手采用了西門子S7-200的PLC（CPU224CN）進行編程控制。2.4機械手的手部結(jié)構(gòu)方案確定為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。本文設(shè)計的是抓握直徑為05~020的零件。2.5機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。手臂的伸縮、升降運動由伸縮氣缸來實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)由回轉(zhuǎn)氣缸實現(xiàn)。2.6機械手的主要參數(shù)此處刪減NNNNNNNNNNNNNNNN字需要整套設(shè)計請聯(lián)系q：99872184。適當放大，而省略掉M偏、M摩，這時M總=1.5XM，慣那么，M總=1.5XM慣=0.45（Nm）查《機械設(shè)計手冊》第4版資料，選擇齒輪齒條轉(zhuǎn)擺動氣缸（缸徑為50mm）型號：DRQ-PPVJ-A。在0.5Mpa時，轉(zhuǎn)矩為6Nm，大于M總（安全）。第四章氣動系統(tǒng)設(shè)計氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖1.基本氣動系統(tǒng)的組成部分（生產(chǎn)系統(tǒng)、消耗系統(tǒng)）及主要元器件的功能；1） 生產(chǎn)系統(tǒng)一一壓縮機、壓力開關(guān)、儲氣罐、單向閥、自動排水器、安全閥、壓力表等；2） 消耗系統(tǒng)一一空氣過濾組合、集束分流、匯流板、方向控制閥、速度控制元件、執(zhí)行氣缸等；圖4-1氣動系統(tǒng)圖臂伸?；瑒訂卧?臂升降滑動單元 體旋轉(zhuǎn)氣缸 氣手指CDF^2HL5-100-A73L CDFX2H10-50-A.73LI1SQE20R-A93L MH72-L0BJT-lf59EL氣動機械手的氣動原理見圖4-1,雙電控換向閥可以保證電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時，機械手動作不變。兩位五通閥可以使手臂回轉(zhuǎn)實現(xiàn)多點定位。各氣缸的到位信號由磁性開關(guān)產(chǎn)生，控制器檢測到信號后控制電磁閥做出下一部動作。只要更改控制程序，機械手就可勝任不同任務(wù)。單向節(jié)流閥直接安裝在氣缸上。現(xiàn)有的氣動元件基本上是無油潤滑，可以不用油霧器。第五章機械手的PLC控制設(shè)計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器（PLC）對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。5.1可編程序控制器的選擇目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATICN5系列PC、日本OMRON（立石）公司的C型、P型PC等。本次設(shè)計中選擇了SIMATIC公司的S7-200的可編程序控制器。S7-200不同的CPU模塊的性能有較大的差別,在選擇CPU模塊時，應(yīng)考慮到開關(guān)量、模擬量模塊的擴展能力，程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器的容量，通信接口的個數(shù)，本機I/O點的點數(shù)等，當然還要考慮性能價格比，在滿足要求的前提下盡量降低硬件成本。本機選用S7-200CPU224CN的型號。5.2機械手可編程序控制器控制方案5.2.1系統(tǒng)簡介本系統(tǒng)控制對象為圓柱座標氣動機械手。它的手臂具有三個自由度，即水平方向的伸、縮豎直方向的上、下;繞豎直軸的順時針方向旋轉(zhuǎn)及逆時針方向旋轉(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置一機械手，還可完成抓、放功能。以上各動作均采用氣動方式驅(qū)動，即用五個二位五通電磁閥每個閥有兩個線圈，對應(yīng)兩個相反動作）分別控制五個氣缸，使機械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機械手抓放動作。其中旋轉(zhuǎn)運動用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。這樣，可用PLC的8個輸出端與電磁閥的8個線圈相連，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵，從而使機械手按預(yù)先安排的動作序列工作.如果欲改變機械手的動作，不需改變接線，只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即可。5.2.2可編程序控制器的工作流程設(shè)計可編程序控制器是根據(jù)用戶需要來完成各種不同控制任務(wù)的。進入界面以后,先進行初始化，使機械手的各個位置處于未工作狀態(tài)，CPU首先使I/O狀態(tài)表清零。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。當進入手動程序后，用戶可根據(jù)自己的需要選擇機械手的工作方式。當進入自動以后，按下開始示教后，PLC內(nèi)部就記錄下用戶所操作的內(nèi)容，當結(jié)束示教的時候，PLC停止記錄數(shù)據(jù)。在機械手回原來的位置時（初始化狀態(tài)），按下預(yù)備示教后，機械手處在再現(xiàn)準備狀態(tài)，當按下再現(xiàn)示教后，機械手就按先前用戶所操作的順序進行操作。當然也可根據(jù)需要進行儲存所操作的程序，在有必要的時候進行調(diào)用。所以我們還需要開辟一個存儲先前程序的區(qū)域。其工作流程圖如下圖5-1所示。圖5-1工作流程圖4KICTIull■mWvULO：：!V11D03vNimvbDOHvhK?9!iH1H業(yè)而iu)l~7L+fn?-H^Uj1VJ1K54vhUKB伯岫vhlD&OI14KICTIull■mWvULO：：!V11D03vNimvbDOHvhK?9!iH1H業(yè)而iu)l~7L+fn?-H^Uj1VJ1K54vhUKB伯岫vhlD&OI14vklMlvh順lEnml仙nw仙I】。mH時I瞄IfMIEMI■UJkid如wWE30BI 1 111~ 1 1 1 ■?KJiHul■1麗iHvrlLGmoi5叫I用iinzl酬頒E^U|__圖5-2存儲區(qū)分布圖5.2.3可編程序控制器的存儲區(qū)設(shè)計本系統(tǒng)將存儲區(qū)分成若干個存儲區(qū)，vb1000---vb1099作為各種暫存區(qū)，vb1100---vb1299作為公共再現(xiàn)區(qū)，其他每隔兩百的區(qū)域作為文件存儲區(qū)。具體存儲方式與區(qū)域設(shè)計如下圖5-2所示。5.3硬件、軟件的設(shè)計與調(diào)試5.3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計與組態(tài)1） 首先給各輸入、輸出變量分配地址。因為梯形圖中變量的地址與PLC的外部接線端子號是一致的,這一步為繪制硬件接線圖做好了準備,也為梯形圖的設(shè)計做好了準備。2） 了解PLC的外部硬件接線圖，以及其他電氣原理圖和接線圖。5.3.2軟件設(shè)計軟件設(shè)計包括設(shè)計系統(tǒng)的初始化程序、主程序、子程序等。首先根據(jù)總體要求和控制系統(tǒng)的具體情況，確定用戶程序的基本結(jié)構(gòu)，畫出程序流程圖。用PLC的硬件來調(diào)試程序時，用接在輸入端的小開關(guān)或按鈕來模擬PLC實際的輸入信號，例如用它們發(fā)出操作指令，或在適當?shù)臅r候用它們來模擬實際的反饋信號，例如用限位開關(guān)觸點的接通和斷開。通過輸出模塊上各輸出點對應(yīng)的發(fā)光二極管，觀察輸出信號是否滿足設(shè)計的要求。調(diào)試程序的主要任務(wù)是檢查程序是否符合規(guī)定，可以用程序狀態(tài)功能或狀態(tài)表來監(jiān)視程序的運行。5.3.3硬件調(diào)試與系統(tǒng)調(diào)試在對程序進行模擬調(diào)試的同時，可以設(shè)計、制作控制屏，PLC之外其他硬件的安裝、接線工作也可以同時進行，完成硬件的安裝和接線后，應(yīng)對硬件的功能進行檢查，觀察各輸入點的狀態(tài)變化是否送給PLC。在STOP模式用編程軟件將PLC的輸出點強制為ON或OFF，觀察對應(yīng)的PLC的負載（例如外部的電磁閥和接觸器）的動作是否正常。對于有模擬量輸入的系統(tǒng)，可以給模擬量輸入模塊提供標準的輸入信號，通過調(diào)節(jié)模塊上的電位器或程序中的系數(shù)，使模擬量輸入信號和轉(zhuǎn)換后的數(shù)字之間的關(guān)系滿足要求。完成上述的調(diào)試后，將PLC置于RUN狀態(tài)，運行用戶程序，檢查控制系統(tǒng)是否滿足要求。在調(diào)試過程中將暴露出的系統(tǒng)中可能存在的硬件問題，以及程序設(shè)計中的問題，發(fā)現(xiàn)問題后在現(xiàn)場加以解決，直到完全符合要求。5.3.4梯形圖設(shè)計（見附錄所示）5.3.5機械手控制程序機械手存儲數(shù)據(jù)過程：當按下開始示教按鈕M1.3時，PLC內(nèi)部首先將VB1100的地址送入VD1046,VB1104的地址送到VD1004內(nèi)，建立指針，其中VD1100中存儲的是總共操作的步數(shù)，VB1104以后存儲的是內(nèi)容和間歇時間。當操作者按下開始示教M1.3時，PLC開始記錄數(shù)據(jù)，過程為：首先將第一個信號QB0送到暫存區(qū)VB1000當中，當操作者進行第二步操作時，定時器將兩步操作的時間間隔送到VW1001（有信號輸入時先將定時器T38的值放到暫存區(qū)VW1030，然后在第二個信號來時，將T38的時間與VW1030的時進行相減，然后將差值送到VW1001），當一個信號和一個時間差都存到相應(yīng)的位置時，然后將這三個數(shù)據(jù)打包利用BMBVB1000,*VD1004,3指令將這三個數(shù)據(jù)放到相應(yīng)需要存儲的位置（從VB1104開始儲存）。然后進行指針偏移三個位置，進行下一個信號的存儲。機械手的再現(xiàn)過程：當按下再現(xiàn)開始按鈕M1.6時，先將VB1104的地址送到VD1054，重新建立指針，并且將步數(shù)VD1100的數(shù)值送到VD4中。然后進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，將存儲去的數(shù)據(jù)三個VB區(qū)的數(shù)據(jù)（一個操作指令和一個間歇時間的數(shù)據(jù)）用BMB指令進行打包，VB1050、VB1051、VB1052三個暫存區(qū)當中，然后將VB1050中的數(shù)值直接送給QB0，機械手就按信息進行操作，然后將VW1051的值送給VW1060，當VW1060有值時，定時器T39就開始記時，當?shù)竭_VW1060這個數(shù)時，PLC進行發(fā)送第二個信號（此時地址已經(jīng)偏移到下一個需要輸出信息地址的位置）操作其中的信息。一直到操作結(jié)束，再現(xiàn)開始按鈕M1.6自動復(fù)位，可進行下一次操作。第六章觸摸屏上位設(shè)計MT500系列觸摸屏是專門面向PLC應(yīng)用的，它不同于一些簡單的儀表式或其它的一些簡單的控制PLC的設(shè)備，其功能非常強大，使用非常方便，非常適合現(xiàn)代工業(yè)越來越龐大的工作量及功能的需求。日益成為現(xiàn)代工業(yè)必不可少的設(shè)備之一。本次課題采用EasyBuilder500組態(tài)軟件來設(shè)計觸摸屏。SIEMENSS7--200系列PLC與eViewMT500觸摸屏的連接說明。1.EasyBuilder500軟件設(shè)置：（見表6-1）參數(shù)項推薦設(shè)置典曜注意」頃FLC莢型SIEMENSS7.-'2OO通信口類型.RS185ES232.-RS185數(shù)據(jù)位87orS此協(xié)議數(shù)據(jù)位固'定為8位停止位11or2必須與FLC通?？谠O(shè)定相同波特率96009*600/19200,3B4C0/57600/11^200必貌與PLC通信口設(shè)定相同校騷偶檢驗偶檢驗■/奇檢弗，?.無必須與PLC通信口蛭相同人機站號00阿11?此協(xié)議不需要設(shè)定202~.~：必劣J聚用推薦的設(shè)定多臺.人機互連關(guān)閉關(guān)閉/主幗副機僅用于務(wù)臺人機與連人嘰互連藏信速度115200儀川于蘇臺人機4連PLC超時常數(shù)3一0'r''-Sr0清采用默認設(shè)定FTC數(shù)據(jù)包u0--..0建議rro-io范圍內(nèi)設(shè)齒表6-1EasyBuilder500軟件設(shè)置PLC軟件設(shè)置。需要設(shè)置PLC地址為2?？刹僮鞯牡刂贩秶海ㄒ姳?-2）PLC地址類型可操作范圍格式說明I0-4095o7DDD0外部輸入節(jié)點Q0-4095口7DDDO外部輸出15點0—4095。1DDD0內(nèi)部輔助節(jié)點VW0-5120DDDD數(shù)據(jù)寄存器表6-2觸摸屏可操作的地址范圍說明：D表示十進制，0表示八進制，范圍為0---7，注意VW地址起始必須為偶數(shù)。如果需要操作雙

字節(jié)變量，只需在相應(yīng)的元件地址屬性對話框內(nèi)選擇字數(shù)為2即可。上表可操作范圍為MT500觸摸屏可操作范圍，實際PLC的范圍可能小于或大于此范圍。詳細接線圖：（見圖6-1）說明SIEMENSS7--200系列PLC包含，CPU212/CPU214/CPU215/CPU/216/CPU221/CPU222/CPU224/CPU226等型號，都可以通過CPU單元上的