【正文】 負(fù)載的重量之和，取100；為回轉(zhuǎn)軸上傳動(dòng)大齒輪分度圓半徑，R=240。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 =；同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動(dòng)比定為1/120；且， 帶入數(shù)據(jù)得： =。將其帶入上（324）～（330）式，得： 啟動(dòng)時(shí)間 ； 制動(dòng)時(shí)間 ；折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。 電機(jī)型號(hào)的選擇 根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國(guó)產(chǎn)北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司（原北京四通電機(jī)公司）的步進(jìn)電機(jī)，具體型號(hào)為： 110BYG550BSAKRMA0301 或 110BYG550BSAKRMT0301 或 110BYG550BBAKRMT0301,該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩，低振動(dòng)，綜合性能很好。下圖為110BYG550BSAKRMA0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。驅(qū)動(dòng)方式：升頻升壓； 步距角：176。；176。，同時(shí)因?yàn)檠魁X輪傳動(dòng)比為1：120，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實(shí)際的步距角將為電機(jī)實(shí)際步距角的1/120（理論上），雖然實(shí)際上存在著間隙和齒輪傳動(dòng)非線性誤差，實(shí)際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相當(dāng)高的，完全能滿足機(jī)械手上下料的定位精度要求。圖32 所選電機(jī)相關(guān)參數(shù)圖33 110BYG550BSAKRMA0301步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 機(jī)械手工藝過(guò)程與控制要求機(jī)械手的動(dòng)作有水平手臂的伸縮，垂直手臂的升降，執(zhí)行手爪的加緊與松開以及腰部的旋轉(zhuǎn)。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。而液壓缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如，當(dāng)下降電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手下降；當(dāng)下降電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手才上升；而當(dāng)上升電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅(qū)動(dòng)器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制[27]。 而執(zhí)行手爪的加緊與放松，通過(guò)柱塞缸與齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。柱塞缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來(lái)控制，當(dāng)線圈不通電時(shí)，柱塞缸不工作，當(dāng)線圈通電時(shí)，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方時(shí)并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時(shí)，為了確保安全，必須在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時(shí)，才允許機(jī)械手下降進(jìn)行作業(yè)。同時(shí)，從工件料架上抓取工件時(shí)，也要先判斷料架上有無(wú)工件可取。 機(jī)械手的作業(yè)流程機(jī)械手的作業(yè)動(dòng)作流程如圖41所示：圖41 上下料機(jī)械手工作流程圖從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進(jìn)行伺服定位，前伸到位后，停止前伸；——→ 下降電磁閥通電，同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降，同時(shí)張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，同時(shí)手爪夾緊，抓住工件；——→ 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC開始輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)；——→ 接著下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，機(jī)械手到達(dá)卡盤中心高度；——→ 機(jī)械手開始水平定位后縮，將工件裝入機(jī)床卡盤；——→ 當(dāng)工件裝入到位后，卡盤收緊；——→ 機(jī)械手松開手爪，準(zhǔn)備離開；——→ 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC啟動(dòng)高速脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手回到原點(diǎn)待命；——→ 機(jī)床進(jìn)行加工。當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工完一個(gè)工件時(shí)，發(fā)送下料命令給機(jī)械手，機(jī)械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)；——→ 下降電磁閥通電，同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件；——→機(jī)床卡盤松開；——→ 機(jī)械手開始前伸，將工件從機(jī)床上取出，準(zhǔn)備運(yùn)走；——→ 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)；——→ 下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；——→ 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準(zhǔn)備離開；——→ 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同時(shí)手爪也閉合復(fù)原；——→ 接著機(jī)械手水平手臂開始后縮，準(zhǔn)備回原點(diǎn)，當(dāng)后縮到位時(shí)，后縮停止，機(jī)械手回到原點(diǎn)，一個(gè)上下料過(guò)程結(jié)束；——→ 機(jī)械手在原點(diǎn)等待命令，準(zhǔn)備下一個(gè)工作循環(huán)。機(jī)械手的每次循環(huán)都從原點(diǎn)位置開始動(dòng)作。 機(jī)械手操作面板布置操作面板布置如圖42所示。 機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種工作方式可以選擇[28]。(1) 手動(dòng)操作：就是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)的控制。例如，當(dāng)選擇上/下按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇逆轉(zhuǎn)/順轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手爪夾緊，而按下停止按鈕時(shí)，手爪松開。圖42 機(jī)械手操作面板示意圖(2) 自動(dòng)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期動(dòng)作后，回到原點(diǎn)位置。機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)開發(fā)的工業(yè)控制器PLC，選擇在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7200型PLC[29]。具體型號(hào)為SIMATIC S7200 CPU224。圖43 SIEMENS SIMATIC S700 PLC該機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。1 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 控制系統(tǒng)原理分析因?yàn)闄C(jī)械手作業(yè)時(shí)，取工件、放工件，安裝工件、卸下工件都有定位精度的要求，所以在機(jī)械手控制中，除了要對(duì)垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進(jìn)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開環(huán)控制外，還要水平手臂進(jìn)行閉環(huán)伺服控制[30]。為了減少PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點(diǎn)。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較后形成的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動(dòng)電液伺服閥對(duì)液壓缸進(jìn)行伺服定位。PLC將上位機(jī)輸入的給定信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點(diǎn)，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖44所示。這種方案使得PLC控制量少（尤其是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，而且編程簡(jiǎn)單，不必過(guò)多考慮控制算法等優(yōu)點(diǎn)，也是完全能滿足工作要求的。圖44 水平手臂伺服定位控制原理圖 PLC外部接線設(shè)計(jì)為適應(yīng)水平手臂液壓缸的伺服定位的控制要求，利用西門子SIMATIC S7200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，故增加一個(gè)模擬量輸出模塊EM232，鑒于伺服放大器和位移傳感器的輸入要求，PLC的模擬量采用10V~ +10V輸入輸出，各輸入輸出點(diǎn)及其接線如圖45所示[31]。PLC的具體硬件接線圖如下圖所示（詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖紙）圖45 PLC硬件接線圖 I/O地址分配表41 PLC輸入元件地址分配明細(xì)表控 制 元 件符 號(hào)編程地址備注總停開關(guān)SB0按下停止工作啟動(dòng)開關(guān)SB1按下開始工作垂直缸上限行程開關(guān)SM1垂直缸下限行程開關(guān)SM2機(jī)床上下料命令開關(guān)SB2檢測(cè)料架有無(wú)工件光電開關(guān)SP0常閉開關(guān)，閉合表示有工件控制面板上/下選擇開關(guān)SQ1用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板夾緊/松開選擇開關(guān)SQ2用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板順/逆選擇開關(guān)SQ3用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板手動(dòng)工作選擇開關(guān)SQ4用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板自動(dòng)工作選擇開關(guān)SQ5表42 PLC輸出元件地址分配明細(xì)表控 制 元 件符 號(hào)編程地址備注步進(jìn)電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)脈沖輸出/步進(jìn)電機(jī)方向控制/，反之為逆時(shí)針；垂直缸上升動(dòng)作電磁閥2DT垂直缸下降動(dòng)作電磁閥3DT手爪張開動(dòng)作電磁閥5DT機(jī)械手原點(diǎn)狀態(tài)指示燈L1顯示原點(diǎn)位置中斷強(qiáng)制關(guān)機(jī)開關(guān)KM用于中斷控制 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制主程序流程圖機(jī)械手控制主程序流程圖如圖46所示：圖46 機(jī)械手控制主程序流程圖 機(jī)械手控制程序設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用西門子S7200 PLC的編程軟件STEP7Micro/WIN32進(jìn)行，通過(guò)編程給出具體控制程序梯形圖并進(jìn)行編譯和調(diào)試[32]。得出了具體的程序梯形圖，詳細(xì)梯形圖（LAD）程序。圖47 STEP 7MICRO/WIN 32編程窗口結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、滿足特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我初步掌握機(jī)械設(shè)計(jì)、PLC控制設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法及基本步驟。掌握技術(shù)文件編寫的格式。首先根據(jù)數(shù)控機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)，確定合適的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間，然后根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間要求確定機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)、手臂結(jié)構(gòu)、夾持方法等，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理圖。畫出總裝備圖，然后根據(jù)裝備圖設(shè)計(jì)零件圖。在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，將機(jī)械手系統(tǒng)中相對(duì)獨(dú)立的環(huán)節(jié)采用高性價(jià)比且相對(duì)簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，大量采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，從而使成本大為降低，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。本機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)控機(jī)床相配合，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中上下料的自動(dòng)化、無(wú)人化。而且，只要把手爪的結(jié)構(gòu)稍作改變,就可實(shí)現(xiàn)多種工件的自動(dòng)上料。它在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣必將提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并且節(jié)約能源，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械手采用可編程序控制器控制,可以實(shí)行手動(dòng)調(diào)整、手動(dòng)及自動(dòng)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，設(shè)計(jì)周期短且造價(jià)較低。PLC有較高的靈活性，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時(shí)，只要對(duì)I/O點(diǎn)的接線稍作修改，或?qū)/O重新分配，在控制程序中作簡(jiǎn)單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。經(jīng)過(guò)重新編制相應(yīng)的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。綜上，通過(guò)近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計(jì)算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫等各個(gè)環(huán)節(jié)，我對(duì)大學(xué)四本科階段的知識(shí)有了一個(gè)整體的深層次的理解，同時(shí)對(duì)工程的理解更加深刻和準(zhǔn)確。因此，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。 致 謝歷時(shí)近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成，在這這段時(shí)間里，我運(yùn)用大學(xué)四年的專業(yè)知識(shí)比較成功的完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中通過(guò)方案論證，理論設(shè)計(jì)計(jì)算，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，工程圖的繪制，設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，已經(jīng)使個(gè)人理論水平和實(shí)際動(dòng)手能力有了一次飛躍，鍛煉了個(gè)人在設(shè)計(jì)、分析，動(dòng)手實(shí)踐等方面的能力，同時(shí)使所學(xué)專業(yè)知識(shí)得到一次全面的鞏固和加強(qiáng)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成，我得到了很多老師、同學(xué)的關(guān)心、幫助和支持，在此本人首先向他們表示感謝。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我的指導(dǎo)老師XX老師給予很多專業(yè)方面的幫助。在設(shè)計(jì)前期的準(zhǔn)備時(shí)，X老師就非常關(guān)注我的選題，指明選題方向，幫助分析題目的可行性和實(shí)際中可能出現(xiàn)的問(wèn)題以及需要注意的事項(xiàng)；在進(jìn)行方案選擇時(shí)，為我指出所需要重點(diǎn)掌握的知識(shí)范圍，并幫助我分析相應(yīng)知識(shí)難點(diǎn)的原理，使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能順利進(jìn)行。同時(shí)，我也要感謝大學(xué)四年所有教過(guò)和沒(méi)有教過(guò)但給我很多幫助的老師，是他們的教導(dǎo)讓我能在這里學(xué)到很多的專業(yè)知識(shí)，給我以后工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是他們的諄諄教誨使我明白了更多為人處事的道理，給我今后的人生足跡烙下更深的印跡，在此我衷心地感謝所有幫助過(guò)我的老師。此外，非常感謝許多其他同學(xué)，他們很多想法和建議對(duì)我啟發(fā)很大。在此一并致謝！還有在中華工業(yè)控制網(wǎng)和中國(guó)機(jī)器人聯(lián)盟網(wǎng)上以及在其他場(chǎng)合給提供我?guī)椭闹烂趾筒恢烂值呐笥?，在此也一并致謝，謝謝你們！由于時(shí)間和個(gè)人知識(shí)及能力水平有限，論文中難免會(huì)有一些紕漏或錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。不勝感謝！ 參 考 文 獻(xiàn)[1] 付永領(lǐng), 王巖, 裴忠才. 基于CAN總線液壓噴漆機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[R]. 機(jī)床與液壓. 2003, (6): 90～92[2] 丁又青, 朱新才. 一種新型型鋼翻面機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[A]. 機(jī)床與液. 2003,(5): 128～129[3] 劉劍雄, 韓建華. 物流自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)電系統(tǒng)研究[C]. 機(jī)床與液壓. 2003, (1): 126～128[4] 徐軼, 楊征瑞,