【正文】 求，作為在其中發(fā)揮舉足輕重作用的工業(yè)機械手，其裝配數(shù)量、使用密度、技術水平將會對我國汽車產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生舉足輕重的作用。有資料顯示，有超過 50%的工業(yè)機器人應用在汽車領域，工業(yè)機器人在汽車工業(yè) 內(nèi)主要完成弧焊、點焊、裝配、搬運、噴漆、檢測、碼垛研磨拋光等復雜作業(yè)。作 為現(xiàn)代化生產(chǎn)方式中不可替代的重要準備和實現(xiàn)手段，工業(yè)機器人的應用和普及自然成為較為理想的選擇。 monitoring system is made up of PC with King View monitor software installed. This paper focuses on the manipulator motion control and host monitoring system, as for the motion control part, frontend and backend circuit designs that are used to control the input of the control panel and sensor signal and the output of the PLC control signal are presented, establishment of software control flow and programming for the optional operation of manual and automatic are elaborate, besides, drive models and actuating part settings such as the calculation and selection of server motor type, reduction ratio and electronic gear ratio。 通過上述工作，機械手最終能夠按照控制程序的要求進行運動，并且實現(xiàn)了上位機監(jiān)控系統(tǒng)對本機械手的直觀形象觀測，達到了本論文的設計目的和要求。 本論文的主要工作側(cè)重于對機械手的運動控制設計以及上位機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計。中文摘要 I 摘 要 隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，工業(yè)機械手在生產(chǎn)現(xiàn)場的流水線中扮演著越來越重要的作用，已經(jīng)成為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要環(huán)節(jié) 。系統(tǒng)的控制器采用了三菱公司的 FX2N 系列 PLC；系統(tǒng)的驅(qū)動模塊由伺服電機驅(qū)動器和氣壓驅(qū)動兩部分 組成；執(zhí)行部件分別為伺服電機和氣缸；機械部件包括基座、滾珠絲杠和導向支撐部件等；監(jiān)控部分由安裝有組態(tài)王軟件的個人計算機構成。 PLC采集的現(xiàn)場信號及輸出信號的狀態(tài)變化通過 MCGS 內(nèi)構建的數(shù)據(jù)庫實時更新，將機械手的運動狀況實時地監(jiān)控畫面上進行顯示。 the ball screw and guide supporting portion constitute the mechanical part。從制造業(yè)的發(fā)展歷程看、生產(chǎn)手段必然要經(jīng)歷機械化、自動化、智能化、信息化的變革。 汽車行業(yè)和零部件加工行業(yè)是工業(yè)機械手應用的兩個領域。由于巨大的市場潛力，未來的中國汽車市場，將依然保持著良好的發(fā)展趨勢，并且由于我國的地區(qū)發(fā)展格局，東中西部的發(fā)展狀況有差，這也在一定程度上延長了汽車工業(yè)的發(fā)展期。在“柔性制造系統(tǒng)”、“自動化工廠”和“計算機集成制造系統(tǒng)”中，工業(yè)機器人已經(jīng)成為其重要的自動化工具。工業(yè)機器人的出現(xiàn)，加上其在自動化生產(chǎn)線中的重要作用，使得企業(yè)的競爭力大大增強，同時也給用戶帶來了顯著 效益，隨著企業(yè)自動化水平的不斷提高，機器人自動化生產(chǎn)線的市場肯定會越來越大，將逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要形式。 （ 3）可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度 將機械手裝配于工業(yè)生產(chǎn)線，實現(xiàn)了 材料和工件傳送的快速化和精確化，吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文 3 是工作系統(tǒng)的自動化程度得以提高。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，是機器人領域的一個重要分支。 在這樣的需求背景下，美國率先開始了機械手的研究。 1965 年約翰霍普金斯大學應用物理實驗室研制出了“ Beast”機器人，第一章 緒論 4 該機器人能根據(jù)環(huán)境的變化，通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置實現(xiàn)對自己位置的校正。 70年代受很多因素的影響，發(fā)展速度緩慢，水平很低；從 80 年 代開始，在國家政策的扶持下，特別是在“七 .五”科技攻關中將工業(yè)機器人列入了發(fā)展計劃，通過科研人員的大力科技攻關，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人，取得豐碩成果。經(jīng)過從業(yè)人員的努力，目前我國己經(jīng)能夠生產(chǎn)具有國際先進水平的平面關節(jié)型裝配機器人、直角坐標機器人、弧焊、點嬋機器人、搬運碼垛機器人等產(chǎn)品，其中一些品種實現(xiàn)了小批量生產(chǎn)。其中控制器是機械手系統(tǒng)的核心，它對整個系統(tǒng)的運行起控制決策作用，其主耍功能是按照程序要求控制各種驅(qū)動設備和執(zhí)行機構，驅(qū)動工業(yè)機械手按照預定的動作要求完成相應的動作；驅(qū)動模塊由動力源和輔助裝置組成，作為執(zhí)行機構的驅(qū)動源，為工業(yè)機械手的運動提供動力來源。若按照驅(qū) 動方式進行分類，機械手可以分為液壓傳動機械手、氣壓傳動機械手、電力傳動機械手、機械傳動機械手。 (2)氣壓傳動機械手。 (3)電力傳動機械手。機械傳動機械手是利用機械傳動機構驅(qū)動執(zhí)行機構的一類機械手。 曰本素有 “ 機器人王國 ” 之稱 ， 其機器人的數(shù)量和密度都是世界第一的 ，上世紀 80年代至 90年代 ， 日本的機器人進入全盛時期 ， 從 90 年代中后期 ，吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文 7 日本機器人的發(fā)展進入低潮期 ， 世界機器人的發(fā)展中心向北美和歐洲轉(zhuǎn)移 ；21 世紀以來 ， 伴隨著中國和亞洲一些國家對于機器人的巨大需求 ， 日本機器人的發(fā)展重新煥發(fā)生機 ， 將迎來一個新的發(fā)展階段 。 在研究內(nèi)容方面 ， 各個組成模塊都有新的發(fā)展方向 ， 對于工業(yè)機械手的控制器 ， 主耍研究控制技術和控制方式的開放化和網(wǎng)絡化 ； 對于機械手的機械結(jié)構 ， 研究 重 點是模塊化、微型化、標準化和具有可重構性 ； 對亍機械手的傳感器模塊 ， 重點是研制新型的 、 更精確的傳 感器 ， 并發(fā)展多傳感器的融合技術 ， 目前己有成熟應用的產(chǎn)品 ； 對 于 機械手的伺服模塊 ， 研究重點是伺服驅(qū)動技術的數(shù)字化、集成化和分散化。 另外 ， 虛擬現(xiàn)實技術也成為機器人發(fā)展的一個研究方向 ， 目前在過程控制方面取得不小的進展 ， 其原理是使操作者獲得置身于遠程機器人所在環(huán)境中的感覺 ， 根據(jù)此感覺信息遠程控制機器人完成相應任務 ， 其目的是實現(xiàn)操作者和機器人的人機交互 ， 而不是追求系統(tǒng)的全部自治 ， 通過建立監(jiān)視控制系統(tǒng)來完成作業(yè)功能 ， 這個方面最為典型的應用便是美國發(fā)射的火星機器人“ 索杰納 ” 號 ， 如圖 12所示 。 雖然我國對于工業(yè)機器人的數(shù)量有剛性的需求 ， 但是國內(nèi)生產(chǎn)的工業(yè)機器人無論是在產(chǎn)品的性能、技術水平以及規(guī)模產(chǎn)業(yè)等方面與國外還存在著較大的差距。 2020 年 ， ABB 在中國本土研發(fā)的首款機器人核心產(chǎn)品 “ IRB120” 中國龍正式發(fā)布。 IRB460 的操作節(jié)拍最高可達 2190 循環(huán) /小時 ，運行速度比同類常規(guī)機器人提升了 15%， 作業(yè)覆蓋范圍為 米。依照本系統(tǒng)的控制要求 ， 計劃采用如下方式進行系統(tǒng)設計 ： (1)根據(jù)系統(tǒng)的控制要求 ， 分析計算 PLC的輸入和輸出口的數(shù)量 ， 確定 PLC的選型 ； 再根據(jù)控制要求確定系統(tǒng)的控制流程。 PLC控制程序是實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能的核心 ， 輸入量經(jīng) PLC 程序運算 ， 輸出端口的輸出量控制硬件設備以實現(xiàn)執(zhí)行部件動作。 研究的主要內(nèi)容 本課題主要的研究內(nèi)容大致如下 ： 吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文 11 (1)本機械手系統(tǒng)的設計方案的提出 。 (3)驅(qū)動和執(zhí)行部件設計。 (5)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的構建。 機械手的工藝流程和實現(xiàn)功能 機械手工藝流程 本設計耍求在流水線、拋光機和裝箱機之間設置一個機械手 ， 用以完成工件在三個工位之間的空間位置轉(zhuǎn)換。 對于自動控制方式 ， 按照時間推移具體動作順序如下 ： (1)等待接收工件到位信號 ； (2)橫軸移動至 XI， 縱軸移動至 Yl， 豎軸 下降至 Z2， 啟動吸附 ； (3)機械手從流水線將工件取下 ； (4)豎軸上升至 Zl， 橫軸移動至 X2， 縱軸移動至 Y2， 豎軸下降至 Z2； (5)松開工件 ， 機械手將工件放置到拋光機上 ； 吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文 13 (6)豎軸上升 ， 啟動拋光 ， 機械手進行拋光等待 ； (7)拋光完成信號置位 ； (8)豎軸下降 ， 吸附工件 ； (9)豎軸上升至 Zl， 橫軸移動 X3， 縱軸移動 Y3， 豎軸下降至 Z2， 松開工件 ； (10)豎軸上升 ， X 回原點 ， Y回原點。 機械手各個工位的俯視圖如圖 21所示 ， 未包含有 Z軸的工位標示。系統(tǒng)大致由以下幾個部分組成 ： 上位機監(jiān)控系統(tǒng)、運動控制模塊、驅(qū)動模塊、執(zhí)行部件模塊、傳感器模塊等?？刂泼姘逖b有自動手動控制方式轉(zhuǎn)換開關、手動控制按鈕、停止等按鈕。它所涉及的學科范圍很寬 ， 呈多學科交叉狀態(tài) ， 通過系統(tǒng)科學的紐帶作用將現(xiàn)代制造科學技術、傳感器技術和以計算機為基礎的自動控制技術結(jié)合起來 ， 實現(xiàn)有關科學和技術有機集成 ， 從而形成一個有機結(jié)合的、多學科交叉的、相互聯(lián)系、相互作用的有機系統(tǒng)。在本控制系統(tǒng)中 ， 考慮了各個組成模塊的功能特性 ， 發(fā)揮出了各個模塊的特點 ， 在各個模塊的協(xié)調(diào)一致工作下 ， 達到了系統(tǒng)的控制要求。 (3)自動控制技術。 (4)傳感檢測技術。本控制系統(tǒng)涉及到的傳感器有開關式傳感器和編碼器 ， 編碼器將機械部件所行走的距離反饋到伺服驅(qū)動器 ， 伺服驅(qū)動器根據(jù) PLC控制程序的要求計算行走長度 ， 形成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。主要應用計算機科學的技術來設計和開發(fā)信息系統(tǒng) ， 信息技術則主要用于處理網(wǎng)絡和通訊技術的 知識， 應用軟件的開發(fā)等 ， 涉及到硬件和軟件兩個方面 ， 是屬于綜合性的應用技術。 組態(tài)軟件是為工控開發(fā)的工具軟件 ， 它為用戶提供了多種通用工具模塊 ，用戶不需要掌握太多的編程技術 ， 便能夠完成一個復雜工程所要求的功能。另外 ， 從管理角度來看 ， 組態(tài)軟件開發(fā)的系統(tǒng)具有形象直觀的圖形化操作界面 ， 使得生產(chǎn)組織和管理變得非常方便 。 PLC 具有很高的可靠性 ， 這歸功與其采用的電路設計技術和生產(chǎn)制造工藝 ； PLC 還能夠自我檢測系統(tǒng)的硬件故障 ； 在軟件設計中 ， 可以編寫相關的程序進行故障診斷 ， 在硬件和軟件兩個方面保證了 PLC 的高可靠性。 PLC 運動控制系統(tǒng)采用 PLC 作為控制器 ， 通常驅(qū)動器為變頻器、伺服電機驅(qū)動器、步進電機環(huán)形驅(qū)動器等。 執(zhí)行模塊 執(zhí)行模塊的主要功能是驅(qū)動被控對象 ， 本系統(tǒng)的執(zhí)行模塊包括伺服電機和氣缸。另外 ， 在同樣的體積下 ， 交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高 10%70%。 傳感器模塊 在運動控制系統(tǒng)中 ， 傳感器獲取系統(tǒng)中的幾何量和物理量的信息 ， 再將這些信息提供給運動控制器 ， 為實現(xiàn)控制策略提供依據(jù)。 吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文 19 第 三 章 控制器設計及參數(shù)整定 本章主要研究系統(tǒng)的硬件構成 ， 包括前后端控制電路的設計、伺服電機控制系統(tǒng)設計、氣動控制系統(tǒng)設計、機械部件的選型等。機械手的三個自由度為 X、 Y、 Z 二個方向的直線運動 ， 其最終的執(zhí)行機構由 氣動吸盤來完成。 Z 軸方向通過豎直安裝在 Z 軸架子 9 上的氣缸 10 驅(qū)動 ， 吸盤 11 安裝在上下臂上。 PLC 的輸入輸出接口主要類型包括開關量輸入、開關量輸出和模擬量輸入、模擬量輸出等。對于輸入部分 ， 要求的輸入 電 壓是 DC24V， 輸入電流為 5mA； 對于輸出部分 ， 耍求的外部電源為 DC530V， 最大輸出負載是 ， 但是每四點不能超過 。對于光電接近開關 ， 考慮到內(nèi)置電源的容量 ， 決定使用外接電源模塊。外接的 24V 直流電源驅(qū)動光 電 傳感器 ， 地線接在 PLC 的 COM 端 ， 各個按鈕開關采用 PLC內(nèi)部的驅(qū)動電源。 對于控制面板 ， 用于接手動控制的各個按鈕 ，“ 手動左移 ”、“ 手動右移 ”、“ 手動前進 ”、“ 手動后退 ”、“ 手動上升 ”、“ 手動下降 ”、“ 手動吸附 ”、“ 手動松開 ” 以及 “ 停止 ” 按鈕等。 伺服系統(tǒng)耍求系統(tǒng)精確地跟蹤控制指令 ， 以實現(xiàn)理想運動控制 ， 在理想的情況下 ， 伺服系統(tǒng)的被控量和給定值應該相等 ， 不存在誤差也不受干擾的影響 。按執(zhí)行元件分類 ， 可將伺服系統(tǒng)分為步進伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)常用的 伺服電機有小慣量直流伺服電機和永磁直流電機 ， 小慣量直流電機最大限度地減少了電樞的轉(zhuǎn)動慣量 ， 能獲得較好的快速性 ， 早期的數(shù)控機床上應用較多 ， 該電機一般都具有較高的額定轉(zhuǎn)速和較低的慣量 ， 應用時要經(jīng)過如減速器之類的中間機械傳動方能與絲杠連接 ； 永磁之類電機的確定是有電刷 ， 對于轉(zhuǎn)速的提高限制了很多 ， 而且結(jié)構復雜 ， 價格較貴。 按照控制方式分類 ， 可將伺服系統(tǒng)分為開環(huán)伺服系統(tǒng) ， 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 該類系統(tǒng)沒有檢測裝置 ， 因此系統(tǒng)沒有反饋信號 ， 控制器獲取不到執(zhí)行部件的實際運行情況 ， 系統(tǒng)信息流是單向的 。該種系統(tǒng)不能補償位置閉環(huán)系統(tǒng)外的傳動裝置的誤差 ， 但是可以獲得穩(wěn)定