氣念頭械手升落臂結(jié)構(gòu)設(shè)計,面板把持式(有動力)點位示教部分操縱軟件設(shè)計

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1、摘,要本文簡要簡介了工業(yè)機器人的概念，機械手的構(gòu)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?fàn)顩r。本文對機械手進(jìn)行總體方案設(shè)計，擬定了機械手的技術(shù)參數(shù)。同步，設(shè)計計算了機械手的升降臂和回轉(zhuǎn)臂構(gòu)造，設(shè)計了機械手的手部構(gòu)造。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(jìn)行了理解，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。運用可編程序控制器（PLC）對機械手進(jìn)行控制，選用了合適的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(jìn)行了設(shè)計。核心詞:工業(yè)機器人；機械手；氣動；可編程序控制器；觸摸屏；示教Abs

2、tractThis,thesis,gives,a,brief,introduction,of,the,conception,of,industrial,robot,and,domestic,and,overseas,development,of,industrial,robot,including,components,and,categories,of,manipulator,the,characteristics,of,the,system,of,air,pressure,drive,technique,and,PLC,and,the,features,of,touch,screen,ca

3、libration.This,thesis,makes,a,general,designation,and,decides,the,technique,parameter,of,manipulator.,Meanwhile,it,designs,the,elevator,arm,and,Rotary,arm,structure,of,manipulator,as,well,as,the,construction,of,the,hand,part.This,thesis,focus,on,the,analyzing,of,the,air,pressure,drive,system,of,mani

4、pulator,and,the,study,of,the,air,pressure,system,working,principle,diagram,datum,which,helps,a,lot,to,make,a,improvement,in,charting.With,the,help,of,PLC,we,attain,the,controlling,of,manipulator.,In,this,thesis,I,choose,the,proper,type,of,PLC,work,out,the,manipulation,program,of,PLC,controller,accor

5、ding,to,the,working,progress,of,manipulator,and,design,the,manipulation,software,of,the,manipulation,of,Control,panel,(Dynamic),-,Point,Demonstration,part.Keywords:,industrial,robot;,manipulator;,air,pressure,drive;,PLC;,touch,screen;Demonstration目,錄摘要(中文),-I(英文),-II第一章,緒,論1.1工業(yè)機械手概述,-,11.2機械手的構(gòu)成和分類

6、,-,11.2.1機械手的構(gòu)成,-,11.2.2機械手的分類,-,21.3,PLC與觸摸屏概述,-,31.4國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r,-,31.5課題的提出及重要任務(wù),-,41.5.1課題的提出,-,41.5.2課題的重要任務(wù),-,5第二章,機械手的設(shè)計方案2.1機械手的類型和自由度的選擇,-,62.2機械手的驅(qū)動方案設(shè)計-,62.3機械手的控制方案設(shè)計-,62.4機械手的手部構(gòu)造方案擬定-,62.5,機械手的手臂構(gòu)造方案設(shè)計-,-,62.6機械手的重要參數(shù),-,72.7機械手的技術(shù)參數(shù)列表,-,7第三章,手部構(gòu)造的選擇,手臂伸縮的選擇，升降、回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計與校核3.1,夾持式手部構(gòu)造,-,9,3.1.

7、1,手指的形狀和分類,-,9,3.1.2,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,-,9,3.2.1,氣缸的分類,-,9,3.2.2,升降缸的尺寸設(shè)計與校核,-,11,3.2.3,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5.1可編程序控制器的選擇,-,215.2機械手可編程序控制器控制方案,-,21,5.2.1,系統(tǒng)簡介,-,21,5.2.2可編程序控制器的工作流程設(shè)計,-,21,5.2.3,可編程序控制器的存儲區(qū)設(shè)計,-,225.3硬件、軟件的設(shè)計與調(diào)試,-,23,5.3.1,系統(tǒng)

8、硬件設(shè)計與組態(tài),-,23,5.3.2,軟件設(shè)計,-,23,5.3.3,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第六章,觸摸屏上位機設(shè)計,-,25第七章結(jié)論,-,28結(jié)束語,-,29參照文獻(xiàn),-,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(重要是動作功能)、有獨立的控制系統(tǒng)、可以變化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)中能替代人做某些單調(diào)、頻繁和反復(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、壓力鍛造、熱解決、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡樸裝配等工序上，以及在原子能

9、工業(yè)等部門中，完畢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。19，捷克斯洛伐克故事家、劇作家恰佩克在她寫的科學(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取而成為專門名詞。20世紀(jì)50年代末，美國在機械手和操作機的基本上，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，并不久地在工業(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)機器人構(gòu)成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都很注重研制和應(yīng)用工業(yè)機器人。由于工業(yè)機器人具有一定

10、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)的構(gòu)成部分。工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分構(gòu)成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，涉及臂部、腕部和手部，有的機器人尚有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有,36個運動自由度，其中腕部一般有13個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)涉及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(biāo)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(jìn)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(biāo)型的臂部可沿三個直角坐標(biāo)移動；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐

11、標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多種轉(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，又可分點位型和持續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的精擬定位，合用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；持續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，合用于持續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機器人按程序輸入方式辨別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。示教輸入型的示教措施有兩種：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)按規(guī)定的動作順序和運動軌跡操練一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動執(zhí)行機構(gòu)，按規(guī)定的動作順序和運動軌

12、跡操練一遍。在示教過程的同步，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)示教的多種動作。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、力覺或簡樸的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有辨認(rèn)功能或更進(jìn)一步增長自適應(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，并自動完畢更為復(fù)雜的工作。1.2,機械手的構(gòu)成及分類1.2.1機械手的分類機械手重要由執(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構(gòu)成。如下示意圖1-1.圖1-1,機械手示意圖1.2

13、.2,機械手的分類工業(yè)機械手的種類諸多，有關(guān)分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類原則，在此暫按使用范疇、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)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、構(gòu)造簡樸、使用可靠和造價低等特點，合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。格性能范疇內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)節(jié)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

14、的工作范疇大、定位精度高、通用性強，合用于不斷變換生產(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)持續(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。其重要特點是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、構(gòu)造緊湊、動作敏捷。但對密封裝置規(guī)定嚴(yán)格，否則油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不適宜在高溫、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)持續(xù)軌跡控制，使機械手

15、的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾規(guī)定嚴(yán)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。其重要特點是:介質(zhì)李源極為以便，輸出力小，氣動動作迅速，構(gòu)造簡樸，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，并且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤如下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的構(gòu)造大，因此合用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)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。它的重要特點是運動精

16、確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但構(gòu)造較大，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構(gòu)造的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進(jìn)電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，由于不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械構(gòu)造簡樸。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護(hù)和使用以便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前程。(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種點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增長電氣控制系統(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、持續(xù)軌跡控制持續(xù)軌跡控制的運動軌跡為空間的任意持續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點

17、為無限的，整個移動過程處在控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和精確的運動，并且使用范疇廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。此類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進(jìn)行控制。1.3,PLC與觸摸屏概述PLC(Programmable,Logical,Controller),一般稱為可編程邏輯控制器，是一種以微解決器為基本，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)計簡樸、維護(hù)以便等長處，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

18、作雙向溝通的橋梁，顧客可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來解決或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時也許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純熟的操作員才干操作，并且操作困難，無法提高工作效率。但是使用人機界面可以明確批示并告知操作員機器設(shè)備目前的狀況，使操作變的簡樸生動，并且可以減少操作上的失誤，雖然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原則化、簡樸化，同步也能減少PLC控制器所需的I/O點數(shù)，減少生產(chǎn)的成本同步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，從一浮現(xiàn)就受到關(guān)注，它的簡樸易用，強大的

19、功能及優(yōu)秀的穩(wěn)定性使它非常合用于工業(yè)環(huán)境，甚至可以用于平常生活之中，應(yīng)用非常廣泛，例如: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)節(jié)。,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)解決也呼喚一種功能與之匹配而操作又簡便的人機的浮現(xiàn)，觸摸屏的應(yīng)運而生無疑是21世紀(jì)自動化領(lǐng)域里的一種巨大的革新。1.4,國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾種趨勢:(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)機械構(gòu)造向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)

20、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;國外已有模塊化妝配機器人產(chǎn)品問市。(3)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，便于原則化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化構(gòu)造:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用老式的位置、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(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配備技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作

21、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(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。(6)現(xiàn)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(jìn)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)用的最出名實例。1.5課題研究內(nèi)容1.5.1課題的提出目前的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在如下幾種缺陷:(1)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)用范疇，也許引起失火事故，并且影響執(zhí)行部分的運

22、動平穩(wěn)性及對的性。(2)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。(3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。(4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平規(guī)定較高，故價格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機械手?jǐn)M采用氣壓傳動，氣動技術(shù)有如下長處:(1)介質(zhì)提取和解決以便。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，解決以便，一般不需設(shè)立回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題.(2)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(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液

23、壓傳動那樣，導(dǎo)致壓力明顯減少和嚴(yán)重污染。(3)動作迅速，反映敏捷。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(hù)，便于自動控制。(4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生忽然斷電等狀況時，機器及其工藝流程不致忽然中斷。(5)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，并且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。(6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此減少了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度規(guī)定，制造容易，成本較低。老式觀點覺得:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中

24、要實現(xiàn)高精度定位比較困難(特別在高速狀況下，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，并且對于不太復(fù)雜的機械手，用氣動元件構(gòu)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)獲得的一系列重要進(jìn)展過去簡介得不夠，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”構(gòu)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(jìn)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,并且拆裝簡樸,

25、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也許。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課題的重要任務(wù)1、進(jìn)行氣動機械手的總體研究，并進(jìn)行整體運動方式設(shè)計；2、對氣動機械手氣路理解，進(jìn)行核心部件的研究，完畢氣動閥座零件圖。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)臂部分構(gòu)造，進(jìn)行核心部件的設(shè)計計算；完畢氣動機械手升降臂構(gòu)造裝配圖、氣動機械手回轉(zhuǎn)臂構(gòu)造裝配圖。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5,20，最大重量0.5KG,。4、完畢面板操縱式（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)計規(guī)定界面和諧,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；示教圖1-2,操作版面5、機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計:本機械手?jǐn)M采用可編程序控制器(PLC)對機械手進(jìn)行控制，本課題將要選用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，規(guī)定程序可讀性好。