【正文】 可裝 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。而且它有專(zhuān)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。它有 24 點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入和 24 點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出，滿足 I／ 0點(diǎn)數(shù)要求。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 。 總計(jì)：開(kāi)關(guān)量輸入 22 個(gè)，開(kāi)關(guān)量輸出 8 個(gè)。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。 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。 黑龍江工程學(xué)院專(zhuān)科生畢業(yè)論文 28 (1)手動(dòng)運(yùn)行方式下，通過(guò)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。 (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) 。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)。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。 (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(guò)信號(hào)傳遞加以溝通聯(lián)系，或由上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信。 (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。 (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。 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。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?？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(chēng)為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱 ?；埕~(yú)模型提供有專(zhuān)用接口板，它是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制機(jī)器人的，通過(guò)慧魚(yú)編程軟件將編制好的程序下載到接口板上。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。采用慧魚(yú)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)。 立柱組裝 黑龍江工程學(xué)院專(zhuān)科生畢業(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(guò)電機(jī) —— 減速箱 —— 蝸桿傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 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)。 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(yú)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。如圖 36所示。 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(zhuān)科生畢業(yè)論文 24 齒輪 )、齒軸、齒條、蝸輪、蝸桿、凸輪、彈簧、曲軸、萬(wàn)向節(jié)、減速器等。 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?；緳C(jī)械零件有連桿、鏈條、履帶、齒輪、齒條、蝸輪、蝸桿、彈簧等；基本電氣元件包括直流電機(jī)、傳感器、繼電器、可調(diào)直流變壓器等?？梢杂没埕~(yú)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。 慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型 (Fischenechnlk)是一種拼裝類(lèi)型的創(chuàng)新教學(xué)系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，六面都可拼接，可實(shí)現(xiàn)無(wú)限多的組合變化，因此具有“積木式工程技術(shù)模型”之稱(chēng)，又稱(chēng)為“工程積木”，簡(jiǎn)稱(chēng)“慧魚(yú)”。 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(yú)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(kāi)了慧魚(yú)歷史發(fā)展嶄新的第一頁(yè)。 黑龍江工程學(xué)院專(zhuān)科生畢業(yè)論文 23 蝸桿蝸輪的選擇 蝸桿傳動(dòng)既降低了轉(zhuǎn)速，又改變了旋轉(zhuǎn)軸的方向。 m 本系統(tǒng)中腰部回轉(zhuǎn)電機(jī)選擇慧魚(yú)元件中的大功率電機(jī)，額定功率 P額 =， n=500 轉(zhuǎn)／分。 腰部回轉(zhuǎn)角速度由 ω =0 加速到 ω =1000／ s所需時(shí)間為 。 電動(dòng)機(jī)選擇 腰部回轉(zhuǎn)由電機(jī)通過(guò)圓柱齒輪減速器和一對(duì)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)。 機(jī)器人立柱設(shè)計(jì) 立柱除了對(duì)機(jī)械手起到固定和支撐作用外，還要確保機(jī)械手的腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 。 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(yú)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。 W=(手臂質(zhì)量 +工件質(zhì)量 +手臂電機(jī)質(zhì)量 )x g=(2++) = 啟動(dòng)時(shí)的慣性力 t=(2++) =。 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。P。 式中：軸向壓力 Q=F=。所以，通常要對(duì)螺旋的工作面進(jìn)行校核。本課題中的機(jī)器人用于教學(xué)，采用慧魚(yú)模型中的元件，精度要求不 高，所以采用滑動(dòng)螺旋即可。 按照螺旋傳動(dòng)的摩擦狀態(tài)分，可以分為滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋。螺旋傳動(dòng)最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)型式是絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)而螺母直線移動(dòng)。 伸縮螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核 螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由絲杠與螺母組成，它可以實(shí)現(xiàn)絲杠與螺母之間的旋轉(zhuǎn) 和直線運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換，多用于變旋轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞動(dòng)力。 所以手臂電機(jī)功率 P=2W。 g= = 式中 μ 為 摩擦系數(shù)，取 根據(jù)公式 (3— 3)驅(qū)動(dòng)力， F=Fm+Fg=+= 根據(jù)文獻(xiàn) [24]折算到電機(jī)的功率為 P=F N=μ 根據(jù)公式(34)計(jì)算： Fg=M a (34) 式中： M—— 手臂伸縮部件的總質(zhì)量 (Kg)； a—— 啟動(dòng)過(guò)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。本系統(tǒng)中的導(dǎo)向裝置采用雙導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)。 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)。一般手臂有 2 個(gè)自由度，即手臂的伸縮和升降運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)桿 2 末端與連桿 4 由鉸銷(xiāo) 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(guò)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(kāi)和閉合 。該電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 n=5000轉(zhuǎn)／分，額定功率 P=1． 1W 所以選擇該電機(jī)滿足要求。 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。 K2 在本系統(tǒng)中， K1=， K2=2。 G (3— 1) 式中： K1—— 安全系數(shù)，通常選擇 1． 2～ 2； K2—— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 根據(jù)夾持力計(jì)算公式Ⅳ≥ K1 1手指； 2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)； 3驅(qū)動(dòng)裝置； 4支架； 5工件 圖 32夾鉗式手部的組成 手部電機(jī)選擇 手爪主要 完成 開(kāi)合動(dòng) 作， 采用 普通 直流 電動(dòng) 機(jī)即 可滿 足設(shè)計(jì) 要求 。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。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，安裝在機(jī)器人手臂的前端。 黑龍江工程學(xué)院專(zhuān)科生畢業(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。立柱模塊和手腕模塊為可選模塊，如機(jī)械手手腕不需要旋轉(zhuǎn)則可省略手腕模塊。 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。并且在產(chǎn)品變化或臨時(shí)需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行新的分配任務(wù)時(shí)，可以允許方便地改動(dòng)或重新設(shè)計(jì)其新部件，能快速投產(chǎn)、降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費(fèi)用。 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。各種系統(tǒng)都有一定的功能，功能基本上分為兩類(lèi)：一種是必要功能，它包括用戶要求的基本功能，這在設(shè)計(jì)時(shí)是不能改變的；另一種是非必要功能，它不是根據(jù)用戶的要求而是設(shè)計(jì)者主觀加上去的功能。 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。因此，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和制造方式已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化社會(huì)多樣化、快節(jié)奏的新要求。 黑龍江工程學(xué)院專(zhuān)科生畢業(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。使用 VB進(jìn)行開(kāi)發(fā)成本比較低，設(shè)計(jì)的軟件靈活，使用方便。同時(shí)為了在過(guò)程控制中隨時(shí)了解運(yùn)動(dòng)過(guò)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(kāi)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。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，每個(gè)控制對(duì)象或控制任務(wù)都要有相應(yīng)的控制程序，用這些控制程序來(lái)完成對(duì)象的不同要求。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)。 PLC 根據(jù)輸入端口傳感器發(fā)送來(lái)的機(jī)械手的運(yùn)行情況，按照預(yù)先根據(jù)控制規(guī)律設(shè)計(jì)的控制程序，自動(dòng)地進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，做出相應(yīng)的控制決策，并通過(guò)輸 出端口向機(jī)械手發(fā)出控制命令。 PLC 適用于開(kāi)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。 硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)過(guò)分析，機(jī)械手控制系統(tǒng)以開(kāi)關(guān)量為主，因此采用 PLC 作為控制核心比較合理。 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)”。因此，機(jī)械手水平手臂伸縮移動(dòng)機(jī)構(gòu)選用螺旋傳動(dòng)，由一對(duì)絲杠螺母副將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平手臂的直線移動(dòng)，如圖 25 所示?？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(guò)一對(duì)直齒圓柱齒輪減速，然后再經(jīng)過(guò)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(shuō)有所降低。經(jīng)過(guò)考慮，初步對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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。皮帶輪傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，可是存在彈性滑動(dòng)，和鏈傳動(dòng)一樣使用一段時(shí)間后易松弛，傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中還產(chǎn)生動(dòng)載荷，因此常用于傳動(dòng)精度要求不高的場(chǎng)合。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(guò)程中精確位置要求，因此 限制了它的廣泛應(yīng)用。目前常用的傳動(dòng)方式有：皮帶輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)、諧波減速傳動(dòng)以及螺旋傳動(dòng)等。因此，機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)、升降和伸縮部分及控制手爪的開(kāi)合都采用直流電動(dòng)機(jī)。 在機(jī)器人中，采用比較多的是直流電動(dòng)機(jī)。 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。由于具有易于控制、運(yùn)動(dòng)精度高、使用方便、成本低廉、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)是最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。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 。氣壓驅(qū)動(dòng)主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便 (一般工廠都由壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣 )，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低：缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比小， 裝置體積大，氣源裝置存在噪聲問(wèn)題，定位精度也不高。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖黑龍江工程學(xué)院專(zhuān)科生畢業(yè)論文 13 如圖 23所示。 自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，其中不包括手爪