【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?？粕厴I(yè)論文 6 第一章 緒論 選題背景及意義 機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)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(dòng)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(lái)說，機(jī)器人是機(jī)器進(jìn)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(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。許多發(fā)達(dá)國(guó)家均把機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)和研究列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。教育機(jī)器人是一類應(yīng)用于教育領(lǐng)域的機(jī)器人，它一般具備以下特點(diǎn)：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(jià)格比，特定的教學(xué)用戶群決定了其價(jià)位不能過高；再次就是它的開放性和可擴(kuò) 展性，可以根據(jù)需要方便地增 、減功能模塊，進(jìn)行自主創(chuàng)新；此外，它還應(yīng)當(dāng)有友好的人機(jī)交互界面。因此，本教學(xué)機(jī)器人的研制成功，對(duì)機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)有著十分重要的意義。這種機(jī)械手可以通過讓其沿一系列點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)位置以數(shù)字形式存儲(chǔ)起來(lái)，動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，使伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)軸來(lái)再現(xiàn)這些位置，從而讓機(jī)械手完成一些簡(jiǎn)單的工作。這種機(jī)器人帶有傳感器，能感 知環(huán)境和對(duì)象的情況以控制自身動(dòng)作的變化。 智能機(jī)器人被人們稱為第三代機(jī)器人，是能利用感覺和識(shí)別功能做決策行動(dòng)的機(jī)器人。 據(jù) UNECE(聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì) )和 IFR(國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì) )統(tǒng)計(jì)，從 20 世紀(jì) 70年代起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好 勢(shì)頭。 1985 年后開始列入國(guó)家有關(guān)計(jì)劃，發(fā)展比較快。 瑚的裝配機(jī)器人；可潛入海底 6000m 的水下機(jī)器人，移動(dòng)遙控機(jī)器人，主從操作機(jī)器人等，有些已達(dá)實(shí)用化水平并用于實(shí)際工程。今后的任務(wù)是把機(jī)器人技術(shù)推廣到更多的工業(yè)自動(dòng)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(guó)區(qū)域交流合作，與國(guó)際接軌，早日躋身于世界先進(jìn)行列。在各種作業(yè)中， 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為末端操作器沿預(yù)定的路徑移動(dòng)并保持預(yù)定的姿勢(shì)，在運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)化水平的不斷提高，人們?cè)诟鞣N領(lǐng)域內(nèi)大量采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。本文所要研究的機(jī)械手動(dòng)作過程就是順序運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)完成夾取工件、手臂升降、手臂伸縮及腰部回轉(zhuǎn)幾個(gè)動(dòng)作，按照控制任務(wù)一步一步進(jìn)行，所以采用 PLC 作為控制器非常合適。該機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)拆裝，無(wú)限組合；控制系統(tǒng)確定為以 PLC 為核心，控制機(jī)械手完成一系列復(fù)雜動(dòng)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(dòng)作。 (3)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本課題是一個(gè)典型的“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)’’。 黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 10 軟件設(shè)計(jì)包括 PLC 梯形圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控軟件的開發(fā)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)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(dòng)作，將工件從儲(chǔ)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(jī)器人，其坐標(biāo)形式 也各不相同，最常見的機(jī)器人結(jié)構(gòu)類型主要有下列幾種。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作過程中負(fù)荷變動(dòng)少，容易控制，缺點(diǎn) 是動(dòng)作區(qū)域狹窄。其中一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰，這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。 (5)SCARA型：這種機(jī)器人由兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)組成。 針對(duì)本系統(tǒng)中機(jī)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(jì)上采用圓柱坐標(biāo)型。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 13 如圖 23所示。液壓驅(qū)動(dòng)多用于要求輸出力較大，運(yùn)動(dòng)速 度較低的場(chǎng)合 。 電動(dòng)機(jī)根據(jù)輸出形式分，可阻分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。因此，機(jī)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(dòng)機(jī)。行星齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的優(yōu)點(diǎn)，是用于中等減速比傳動(dòng)，但存在齒輪間隙，難以實(shí)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(jī)構(gòu)屬于滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)，是連續(xù)的面接觸，傳動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)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(dòng)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(dòng)機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速先經(jīng)過一對(duì)直齒圓柱齒輪減速，然后再經(jīng)過蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸桿為主動(dòng)件，正向運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生自鎖，只是效率相對(duì)來(lái)說有所降低。 控制系統(tǒng)總體方案 本課題是一個(gè)典型的“ 計(jì)算機(jī)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(jī)連接起來(lái)。同時(shí)為了在過程控制中隨時(shí)了解運(yùn)動(dòng)過程的狀態(tài)，以及在發(fā)生事故時(shí)進(jìn)行人工干 預(yù)，要利用 PLC 的通信功能進(jìn)行監(jiān)控軟件的開發(fā)，以便監(jiān)測(cè)輸入輸出信號(hào)的狀態(tài)并能遠(yuǎn)程控制機(jī)械手的動(dòng)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(jī)器人的任務(wù)要求，從機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)和控制方法對(duì)比分析入手，初步確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、驅(qū)動(dòng)方案、傳動(dòng)方案和控制方案。 模塊設(shè)計(jì)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(jì)方法。 模塊式機(jī)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(jī)能的單元部件，以基座為基礎(chǔ)進(jìn)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(jī)械手。 圖 3l機(jī)械手各模塊組成 機(jī)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(jī)械手包括立柱、手臂和手部三個(gè)模塊，立柱用于機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，手臂模塊用于完成伸縮和升降運(yùn)動(dòng)，手部用于夾持工件。夾鉗式操作手是機(jī)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(jì)算公式Ⅳ≥ K1 在本系統(tǒng)中， K1=， K2=2。 S=10 =0． 35N． m 電機(jī)的選擇可按功率來(lái)選擇，根據(jù)力矩與功率的關(guān)系式 P= (3— 2) 式中： P—— 電機(jī)功率 ； M—— 轉(zhuǎn)矩； n—— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)桿 2 末端與連桿 4 由鉸銷 3 鉸接，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿 2坐直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過連桿推動(dòng)兩桿手指各繞 其支點(diǎn)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使手指松開和閉合 。 手臂伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 按照第 2 章總體設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)方案，手臂伸縮機(jī)構(gòu)采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速器減速，采用絲 杠螺母?jìng)鲃?dòng)。 a (34) 式中： M—— 手臂伸縮部件的總質(zhì)量 (Kg)； a—— 啟動(dòng)過程中的平均加速度 (M/s2)，是速度增量與升降速所用的時(shí)間的比值。 N=μ 所以手臂電機(jī)功率 P=2W。螺旋傳動(dòng)最常見的運(yùn)動(dòng)型式是絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)而螺母直線移動(dòng)。本課題中的機(jī)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(dòng)螺旋即可。 式中：軸向壓力 Q=F=。 手臂升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)選擇及校核 升降裝置中電動(dòng)機(jī)選擇也主要是按照功率選擇，因?yàn)樯仙璧墓β蚀笥谙陆? 時(shí)所需的功率，所以按照上升時(shí)功率選擇即可。 因此， F=Fg+W=+= 電機(jī)功率 式中 η 為傳動(dòng)效率取 70％，電機(jī)選擇慧魚創(chuàng)意組合模型中的大功率電機(jī)，額定功率 2． 4W，額定轉(zhuǎn)速 500 轉(zhuǎn)／分。 電動(dòng)機(jī)選擇 腰部回轉(zhuǎn)由電機(jī)通過圓柱齒輪減速器和一對(duì)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)。 m 本系統(tǒng)中腰部回轉(zhuǎn)電機(jī)選擇慧魚元件中的大功率電機(jī)，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(jī)器人實(shí)驗(yàn)組裝 慧魚創(chuàng)意模型簡(jiǎn)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(jí)尼龍錨栓，翻開了慧魚歷史發(fā)展嶄新的第一頁(yè)。可以用慧魚模型來(lái)模擬任何東西的工作，從簡(jiǎn)單加工機(jī)械到機(jī)器人 直至復(fù)雜的裝配流水線。 機(jī)械構(gòu)件 機(jī)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(jī)構(gòu)：如圖 38所示，該部分采用滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的上 下移動(dòng)。采用慧魚創(chuàng)新模型進(jìn)行了各部分結(jié)構(gòu)的組裝，完成了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)?；埕~模型提供有專用接口板，它是專門用來(lái)控制機(jī)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(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)調(diào)試，可以縮短工期，可靠性高。 (1)單機(jī)控制系統(tǒng) 單機(jī)控制系統(tǒng)采用一臺(tái) PLC 控制一臺(tái)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(tái) PLC 控制一個(gè)對(duì)象，各控制器之間可以通過信號(hào)傳遞加以溝通聯(lián)系，或由上位機(jī)通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信。另外，為了用戶使用方便，本文還設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠遠(yuǎn)程操縱機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作并實(shí)時(shí)反應(yīng) PLC 輸入輸出點(diǎn)的狀態(tài)。 黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 28 (1)手動(dòng)運(yùn)行方式下，通過按鈕對(duì)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(dòng)作流程進(jìn)行點(diǎn)動(dòng) 控制。用戶程序存儲(chǔ)器容量的估算與許多因素有關(guān)，例如 I／ O點(diǎn)數(shù)、運(yùn)算處理量、控制要求、程序結(jié)構(gòu)等。同時(shí)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(shí)器 (T)、計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制系統(tǒng)的需要?？裳b RAM、 EPROM 和 E2PROM 存。該型號(hào) PLC的幾個(gè)主要性能指標(biāo)： (1)輸入／輸出點(diǎn)數(shù)： FX2N48MR 有 24 點(diǎn) 輸入、 24點(diǎn)輸出．輸出接口為繼電器型。它有 24 點(diǎn)開關(guān)量輸入和 24 點(diǎn)開關(guān)量輸出，滿足 I／ 0點(diǎn)數(shù)要求。 總計(jì)：開關(guān)量輸入 22 個(gè)，開關(guān)量輸出 8 個(gè)。 機(jī)器人 PLC 機(jī)型的選擇 PLC 容量的選擇包括兩個(gè)方面：一是 I／ O點(diǎn)數(shù)；二是用戶程序存儲(chǔ)器容量。 (2)主要工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和顯示：包括傳感器的狀態(tài)和電動(dòng)機(jī)的狀態(tài) 。只要適當(dāng)?shù)剡x用高性能的 PLC，就完全可以實(shí)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(tái) PLC 控制多臺(tái)被控設(shè)備的形式。 圖 4l PLC 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖 系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段是應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵階段，應(yīng)詳細(xì)了解被控對(duì)象的全部功能，例如機(jī)械部件的動(dòng)作順序、動(dòng)作條件、必要的保護(hù)與連鎖，系統(tǒng)要求哪些工作方式，設(shè)備內(nèi)部機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、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(jì)算機(jī)、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(dòng)或電動(dòng)的聯(lián)鎖裝置來(lái)防止危險(xiǎn)的操作等?？删幊炭刂破骶褪且郧度胧?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(jī)器人技術(shù)、 CAD／ CAM并列稱為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱 。機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要特征是自動(dòng)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?？粕厴I(yè)論文 25 立柱 (腰部 )回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組裝：如圖 310所示．腰部回轉(zhuǎn)通過電機(jī) —— 減速箱 —— 蝸桿傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 圖 35 機(jī)械元件 圖 36電氣元件 機(jī)器人結(jié)構(gòu)組裝實(shí)驗(yàn) 利用慈魚模型中的零件，按照前面各部分所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)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)院專科生畢業(yè)論文 2