【正文】 and piles the manual and automatic ladder program from soRware． Based on the PLC munication protocol and VB software a simple and practical monitoring soRware is piled and remote operating the manipulator is realized． KEY WORDS： Manipulator， Control system， PLC， Monitoring software 黑龍江工程學(xué)院專科生畢業(yè)論文 6 第一章 緒論 選題背景及意義 機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)，其本質(zhì)是感知、決策、行動和交互四大技術(shù) 的綜合， 是 當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。從某種意義上來說，機器人是機器進化過程的產(chǎn)物，是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。許多發(fā)達(dá)國家均把機器人技術(shù)的開發(fā)和研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計劃。教育機器人是一類應(yīng)用于教育領(lǐng)域的機器人，它一般具備以下特點：首先是教學(xué)適用性，符合教學(xué)使用的相關(guān)需求；其次是具有良好的性能價格比，特定的教學(xué)用戶群決定了其價位不能過高；再次就是它的開放性和可擴 展性，可以根據(jù)需要方便地增 、減功能模塊，進行自主創(chuàng)新；此外，它還應(yīng)當(dāng)有友好的人機交互界面。因此，本教學(xué)機器人的研制成功，對機電一體化專業(yè)教學(xué)有著十分重要的意義。這種機械手可以通過讓其沿一系列點運動，將運動位置以數(shù)字形式存儲起來，動作執(zhí)行時，使伺服系統(tǒng)驅(qū)動機械手各關(guān)節(jié)軸來再現(xiàn)這些位置，從而讓機械手完成一些簡單的工作。這種機器人帶有傳感器，能感 知環(huán)境和對象的情況以控制自身動作的變化。 智能機器人被人們稱為第三代機器人，是能利用感覺和識別功能做決策行動的機器人。 據(jù) UNECE(聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會 )和 IFR(國際機器人聯(lián)合會 )統(tǒng)計，從 20 世紀(jì) 70年代起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好 勢頭。 1985 年后開始列入國家有關(guān)計劃，發(fā)展比較快。 瑚的裝配機器人；可潛入海底 6000m 的水下機器人，移動遙控機器人，主從操作機器人等，有些已達(dá)實用化水平并用于實際工程。今后的任務(wù)是把機器人技術(shù)推廣到更多的工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域和其他更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，大力開展跨國區(qū)域交流合作，與國際接軌，早日躋身于世界先進行列。在各種作業(yè)中， 機器人的運動主要表現(xiàn)為末端操作器沿預(yù)定的路徑移動并保持預(yù)定的姿勢，在運動中或在預(yù)定的某些位置上完成作業(yè)規(guī)定的操作 。 隨著計算機科學(xué)和自動化水平的不斷提高，人們在各種領(lǐng)域內(nèi)大量采用計算機控制系統(tǒng)。本文所要研究的機械手動作過程就是順序運動，自動運行時完成夾取工件、手臂升降、手臂伸縮及腰部回轉(zhuǎn)幾個動作，按照控制任務(wù)一步一步進行，所以采用 PLC 作為控制器非常合適。該機械手的機械結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)反復(fù)拆裝，無限組合；控制系統(tǒng)確定為以 PLC 為核心，控制機械手完成一系列復(fù)雜動作：如手爪張合，腰部回轉(zhuǎn)，水平手臂伸縮和垂直手臂升降等動作。 (3)控制系統(tǒng)的設(shè)計 本課題是一個典型的“計算機控制系統(tǒng)’’。 黑龍江工程學(xué)院專科生畢業(yè)論文 10 軟件設(shè)計包括 PLC 梯形圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的設(shè)計和上位機監(jiān)控軟件的開發(fā)。 機電一體化系統(tǒng)由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。上料主要完成：工件夾取 —— 垂直手臂上升 —— 腰部旋轉(zhuǎn) —— 水平手臂伸出 —— 手臂下降 ——手爪張開這一系列動作，將工件從儲存處送到流水線的傳送帶上。由各關(guān)節(jié)按不同的配置方法可組合成結(jié)構(gòu)類型各異的機器人，其坐標(biāo)形式 也各不相同，最常見的機器人結(jié)構(gòu)類型主要有下列幾種。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是動作過程中負(fù)荷變動少，容易控制，缺點 是動作區(qū)域狹窄。其中一個肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰，這兩個肩關(guān)節(jié)軸線正交。 (5)SCARA型：這種機器人由兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)組成。 針對本系統(tǒng)中機器人的任務(wù)要求，為了使它具有一定的操作靈活性、較好的使用性和普及型，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用圓柱坐標(biāo)型。機器人結(jié)構(gòu)簡圖黑龍江工程學(xué)院專科生畢業(yè)論文 13 如圖 23所示。液壓驅(qū)動多用于要求輸出力較大，運動速 度較低的場合 。 電動機根據(jù)輸出形式分，可阻分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。因此，機械手的旋轉(zhuǎn)、升降和伸縮部分及控制手爪的開合都采用直流電動機。行星齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的優(yōu)點，是用于中等減速比傳動，但存在齒輪間隙，難以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)過程中精確位置要求，因此 限制了它的廣泛應(yīng)用。絲杠螺母機構(gòu)屬于滑動螺旋傳動，是連續(xù)的面接觸，傳動中不會產(chǎn)生沖擊，傳動平穩(wěn)、無噪聲、并且能夠自鎖，且絲杠的螺旋升角較小，所以用較小的驅(qū)動力矩就可以獲 得較大的牽引力?？紤]到安裝的位置要求，如圖 24 所示，電動機的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速先經(jīng)過一對直齒圓柱齒輪減速，然后再經(jīng)過蝸輪蝸桿傳動，蝸桿為主動件，正向運行時不會發(fā)生自鎖，只是效率相對來說有所降低。 控制系統(tǒng)總體方案 本課題是一個典型的“ 計算機控制系統(tǒng)”。 PLC 適用于開關(guān)量邏輯控制和順序控制，而且可以組成控制網(wǎng)絡(luò)，是工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的控制裝置。研究 PLC 通信協(xié)議，使用編程電纜將 PLC 與 PC機連接起來。同時為了在過程控制中隨時了解運動過程的狀態(tài)，以及在發(fā)生事故時進行人工干 預(yù)，要利用 PLC 的通信功能進行監(jiān)控軟件的開發(fā)，以便監(jiān)測輸入輸出信號的狀態(tài)并能遠(yuǎn)程控制機械手的動作。 黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 16 小結(jié) 本章根據(jù)機器人的任務(wù)要求，從機器人本體結(jié)構(gòu)和控制方法對比分析入手，初步確定機器人的運動形式、驅(qū)動方案、傳動方案和控制方案。 模塊設(shè)計的方法有很多，比較成熟的方法是基于功能結(jié)構(gòu)的模塊設(shè)計方法。 模塊式機械手是將一些通用部件，根據(jù)作業(yè)的要求，選擇必要的能完成預(yù)定機能的單元部件，以基座為基礎(chǔ)進行組合，配上與其相適應(yīng)的控制部分，即成為能完成特殊要求的機械手。 圖 3l機械手各模塊組成 機械手按其功能分析可分為基座、 立柱、手臂、手腕、手部模塊。 黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 18 本系統(tǒng)中機械手包括立柱、手臂和手部三個模塊，立柱用于機械手腰部的回轉(zhuǎn)運動，手臂模塊用于完成伸縮和升降運動，手部用于夾持工件。夾鉗式操作手是機器人廣泛采用的一種手部形 式，如圖 32 所示。 根據(jù)夾持力計算公式Ⅳ≥ K1 在本系統(tǒng)中， K1=， K2=2。 S=10 =0． 35N． m 電機的選擇可按功率來選擇，根據(jù)力矩與功率的關(guān)系式 P= (3— 2) 式中： P—— 電機功率 ； M—— 轉(zhuǎn)矩； n—— 電動機轉(zhuǎn)速。驅(qū)動桿 2 末端與連桿 4 由鉸銷 3 鉸接，當(dāng)驅(qū)動桿 2坐直線往復(fù)運動時，通過連桿推動兩桿手指各繞 其支點作回轉(zhuǎn)運動，從而使手指松開和閉合 。 手臂伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照第 2 章總體設(shè)計的驅(qū)動和傳動方案，手臂伸縮機構(gòu)采用直流電動機驅(qū)動，經(jīng)減速器減速，采用絲 杠螺母傳動。 a (34) 式中： M—— 手臂伸縮部件的總質(zhì)量 (Kg)； a—— 啟動過程中的平均加速度 (M/s2)，是速度增量與升降速所用的時間的比值。 N=μ 所以手臂電機功率 P=2W。螺旋傳動最常見的運動型式是絲杠轉(zhuǎn)動而螺母直線移動。本課題中的機器人用于教學(xué)，采用慧魚模型中的元件，精度要求不 高，所以采用滑動螺旋即可。 式中：軸向壓力 Q=F=。 手臂升降結(jié)構(gòu)設(shè)計 電動機選擇及校核 升降裝置中電動機選擇也主要是按照功率選擇，因為上升所需的功率大于下降 時所需的功率，所以按照上升時功率選擇即可。 因此， F=Fg+W=+= 電機功率 式中 η 為傳動效率取 70％，電機選擇慧魚創(chuàng)意組合模型中的大功率電機，額定功率 2． 4W，額定轉(zhuǎn)速 500 轉(zhuǎn)／分。 電動機選擇 腰部回轉(zhuǎn)由電機通過圓柱齒輪減速器和一對蝸輪蝸桿驅(qū)動。 m 本系統(tǒng)中腰部回轉(zhuǎn)電機選擇慧魚元件中的大功率電機，額定功率 P額 =， n=500 轉(zhuǎn)／分。 蝸桿參數(shù)： 模數(shù) m=2mm 分度圓直徑 d1=18nun 齒頂圓直徑以 da1=22mm 齒根圓直徑 df1= 蝸輪參數(shù)：模數(shù) m=2mm 齒數(shù) z=42 分度圓直徑 d2=84mm 齒頂圓直徑 da2=90mm 齒根圓直徑 df2=80mm 機器人實驗組裝 慧魚創(chuàng)意模型簡介 1958年創(chuàng)始人阿圖菲舍爾 (Anhur Flscher)博士打破傳統(tǒng)，發(fā)明了世界上第一枚高級尼龍錨栓，翻開了慧魚歷史發(fā)展嶄新的第一頁?？梢杂没埕~模型來模擬任何東西的工作，從簡單加工機械到機器人 直至復(fù)雜的裝配流水線。 機械構(gòu)件 機械構(gòu)件構(gòu)成了模型的框架，是模型里最基本、最多的構(gòu)件。如圖 36所示。 手臂組裝 (1)手臂伸縮機構(gòu)：如圖 38所示，該部分采用滑動螺旋傳動，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺母的上 下移動。采用慧魚創(chuàng)新模型進行了各部分結(jié)構(gòu)的組裝，完成了機器人機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計?；埕~模型提供有專用接口板，它是專門用來控制機器人的，通過慧魚編程軟件將編制好的程序下載到接口板上。因此采用 PLC 進行控制系統(tǒng)設(shè)計時，可以一邊做硬件電路，一邊編制控制程序，做好后再與設(shè)備聯(lián)機調(diào)試，可以縮短工期，可靠性高。 (1)單機控制系統(tǒng) 單機控制系統(tǒng)采用一臺 PLC 控制一臺控制設(shè)備的形式。 (3)分散控制系統(tǒng) 在分散控制系統(tǒng)中，每一臺 PLC 控制一個對象，各控制器之間可以通過信號傳遞加以溝通聯(lián)系，或由上位機通過數(shù)據(jù)總線進行通信。另外，為了用戶使用方便，本文還設(shè)計了上位機監(jiān)控系統(tǒng)，能夠遠(yuǎn)程操縱機械手的各個動作并實時反應(yīng) PLC 輸入輸出點的狀態(tài)。 黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 28 (1)手動運行方式下，通過按鈕對垂直手臂的升降、水平手臂的伸縮、腰部的回轉(zhuǎn)、手爪的張合等各動作流程進行點動 控制。用戶程序存儲器容量的估算與許多因素有關(guān)，例如 I／ O點數(shù)、運算處理量、控制要求、程序結(jié)構(gòu)等。同時本控制系統(tǒng)為小型控制系統(tǒng)，采用整體型 PLC 即可 。而且它有專用的編程軟件 SWOPC— FXGP/WINC，該軟件內(nèi)部提供了有輸入／輸出繼電器 (X／ Y)、輔助繼電器 (M)、狀態(tài)繼電器 (S)、定時器 (T)、計數(shù)器 (C)、指針 (P／ I)、數(shù)據(jù)寄存器 (D)豐富的軟元件，能很好滿足 實驗系統(tǒng)控制系統(tǒng)的需要。可裝 RAM、 EPROM 和 E2PROM 存。該型號 PLC的幾個主要性能指標(biāo)： (1)輸入／輸出點數(shù)： FX2N48MR 有 24 點 輸入、 24點輸出．輸出接口為繼電器型。它有 24 點開關(guān)量輸入和 24 點開關(guān)量輸出，滿足 I／ 0點數(shù)要求。 總計：開關(guān)量輸入 22 個，開關(guān)量輸出 8 個。 機器人 PLC 機型的選擇 PLC 容量的選擇包括兩個方面：一是 I／ O點數(shù)；二是用戶程序存儲器容量。 (2)主要工藝參數(shù)的實時采集和顯示：包括傳感器的狀態(tài)和電動機的狀態(tài) 。只要適當(dāng)?shù)剡x用高性能的 PLC，就完全可以實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。 (2)集中控制系統(tǒng) 集中控制系統(tǒng)采用一臺 PLC 控制多臺被控設(shè)備的形式。 圖 4l PLC 系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖 系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計階段是應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵階段，應(yīng)詳細(xì)了解被控對象的全部功能，例如機械部件的動作順序、動作條件、必要的保護與連鎖，系統(tǒng)要求哪些工作方式，設(shè)備內(nèi)部機械、液壓、氣動、儀表、電氣幾大系統(tǒng)之間的關(guān)系， PLC與其他智能設(shè)備 (如其他 PLC、計算機、變頻器等 )之間的關(guān)系， PLC是否需 要聯(lián)網(wǎng)，以及是否需要設(shè)置 PLC之外的手動或電動的聯(lián)鎖裝置來防止危險的操作等。可編程控制器就是以嵌入式 CPU 為核心，配以輸入、輸出等模塊，可以方便地用于工業(yè)控制領(lǐng)域的裝置，與機器人技術(shù)、 CAD／ CAM并列稱為工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱 。機電一體化系統(tǒng)的主要特征是自動化操作，因而其控制系統(tǒng)是至關(guān)重要的。 立柱組裝 黑龍江工程學(xué)院專科生畢業(yè)論文 25 立柱 (腰部 )回轉(zhuǎn)機構(gòu)組裝：如圖 310所示．腰部回轉(zhuǎn)通過電機 —— 減速箱 —— 蝸桿傳動來實現(xiàn)的。 圖 35 機械元件 圖 36電氣元件 機器人結(jié)構(gòu)組裝實驗 利用慈魚模型中的零件，按照前面各部分所設(shè)計的傳動方式和結(jié)構(gòu)進行機器人各部分的組裝。 主要包括：齒輪、聯(lián)桿、鏈條、齒輪 (普通齒輪、錐齒輪、斜齒輪、內(nèi)嚙合齒輪、外嚙合黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 2