氣動技術(shù)的綜合應(yīng)用實驗-氣動機械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣動元件選擇應(yīng)用

1、摘 要氣動機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。本文主要進行了氣動機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣動元件的選擇與應(yīng)用。機械手的機械結(jié)構(gòu)由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預(yù)定軌跡運動，實現(xiàn)對工件的抓取、搬運和卸載。氣動部分的設(shè)計主要是選擇合適的控制閥和氣缸，設(shè)計合理的氣動控制回路，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。關(guān)鍵詞：氣動機械手

2、；控制閥；氣缸；氣動回路。目 錄1 緒論機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和

3、適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)

4、等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。1.1 機械手的分類目前對機械手還沒有統(tǒng)一的分類標準。按照不同的分類方式可以把機械手分成多種類型。1.按驅(qū)動方式分類按驅(qū)動裝置的動力源，機械手可分為以下的幾種。（1）液壓式機械手。這種機械手的驅(qū)動系統(tǒng)通常由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱等組成，這種機器人通常具有很大的抓舉能力并且結(jié)構(gòu)緊湊，動作平穩(wěn)，耐沖擊、耐振動，防爆性好，但對制造精度和密封性能要求很高，否則易發(fā)生漏油而污染環(huán)境。（2）氣壓式機械手。其驅(qū)動系統(tǒng)通常采用通常汽缸、

5、氣閥、氣罐和空壓機組成。特點是氣源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便，但難于進行速度控制，并因氣壓不能太高，固抓舉能力較小。（3）電動式機械手。電力驅(qū)動是目前機械手使用的最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機一般采用交流伺服電機、直流伺服電機和步進電機。由于電機速度高，通常還須采用減速機構(gòu)（如諧波減速機構(gòu)、論析減速機構(gòu)、滾珠絲杠和多桿機構(gòu)）。目前也有一些特制電機直接進行驅(qū)動，以簡化機構(gòu)，提高控制精度。其他還有采用混合驅(qū)動的機械手，如液-氣混合驅(qū)動機械手或電-氣混合驅(qū)動機械手。2.按用途分類機械手按用途可

6、分為下列幾種。（1） 搬運機械手;（2） 噴涂機械手;（3） 焊接機械手;（4） 裝配機械手;（5） 其他用途的機械手。如航天用機械手，探海用機械手，以及排險作業(yè)機械手等。3.按操作機的位置機構(gòu)類型和自由度數(shù)量分類操作機的位置機構(gòu)是機械手的重要外形特征，固常用作分類的依據(jù)。按這一分類要求，機械手可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關(guān)節(jié)型機械手。a） 直角坐標型 b）圓柱坐標型 c）球坐標型 d）多關(guān)節(jié)型 e）平面關(guān)節(jié)型圖1-1工業(yè)機械手的基本結(jié)構(gòu)形式操作機本身的自由度最能反應(yīng)機器人的作業(yè)能力，也是分類的重要依據(jù)。按這一分類要求，機械手可分為4自由度、5自由度、6自由度和7自由度機械手。4.

7、按其他方法還可以分為（1）家務(wù)型機械手：能幫助人們打理生活，做簡單的家務(wù)活。（2）操作型機械手：能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。（3）程控型機械手：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機械手的機械動作。（4）示教再現(xiàn)型機械手：通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機械手動作，輸入工作程序，機械手則自動重復(fù)進行作業(yè)。（5）數(shù)控型機械手：不必使機械手動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機械手根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。（6）感覺控制型機械手：利用傳感器獲取的信息控制機械手的動作。（7）適應(yīng)控制型機械手：能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。（8）學(xué)習(xí)控制型機械手：

8、能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。（9）智能機械手：以人工智能決定其行動的機械手。1.2 應(yīng)用機械手的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低

9、壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工

10、業(yè)的必然趨勢。2 此次設(shè)計的機械手的組成本次設(shè)計的機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關(guān)系如下圖：1、執(zhí)行機構(gòu)( 如下圖所示 )（1）夾持裝置夾持裝置安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動軸，可把動作傳給夾持裝置，以完成相應(yīng)動作。本課所指的機械手僅需開閉手指。機械手手部的機構(gòu)系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作需要。本課所做的機械手采用二指形狀。（2）手臂手臂有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分本課所做的機械手的手臂采用無關(guān)節(jié)臂手臂的作用是

11、引導(dǎo)手指準確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。本課題所做的機械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個方向的定位均采用行程開關(guān)控制，以保證定位的精度?？偫C械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此，它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達、伺服油馬達、直流伺服馬達和步進馬達等。軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機構(gòu)的支架。2、 驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸

12、、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖機構(gòu)。電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機

13、作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。本課題所做的機械手采用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)來實現(xiàn)手臂的上升、下降方面。采用手臂的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、手臂的夾緊、放松方面。3、 控制系統(tǒng)機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等?？刂葡?/p>

14、統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。此三自由度機械手有機械部分和控制部分可以應(yīng)用。機械部分可作為機械制圖測繪使用，也可以作為計算機三維造型的教具以及機電專業(yè)綜合實驗周（機械設(shè)計與控制）使用。控制部分主要分兩類，一是以單片機為核心的控制系統(tǒng)，另一個是以PLC為核心的控制系統(tǒng)。此三自由度機械手可以作為學(xué)生了解、學(xué)習(xí)以及使用單片機的一個學(xué)習(xí)平臺，可以使學(xué)生所學(xué)的單片機知識在實踐中得到檢驗，更加直觀地了解運用單片機知識。還可用于PLC教學(xué)，讓學(xué)生在實驗中學(xué)會運用PLC。3 機械手的機械部分3.1整體組成及連接圖物品數(shù)量單位備注步

15、進電機驅(qū)動器1塊接線端已接在電機上手持器1個控制機械手用電磁閥1套有接線端子及線路底板1塊上面固定有一電源盒機械手主體1臺立柱及氣缸USB線1條手柄與主控制板通訊串口線1條程序下載主電源線1條開關(guān)電源供電線主板電源線及接頭1套連接主板與開關(guān)電源步進電機控制線及接頭1套連接主板與步進電機驅(qū)動器M825螺絲、尼龍墊圈及球型螺母4套連接底板與手臂M335螺絲、螺母及尼龍支柱4套連接主板與底板M335螺絲、螺母及尼龍墊圈4套連接底板與電磁閥M516螺絲與螺母4套連接底板與步進電機驅(qū)動器線扎若干條扎線及氣管 機械手臂朝向外側(cè)（背離電源盒的方向）用M825的螺絲安裝在底盤上。電磁閥匯流板用M335螺絲固定

16、于手臂右側(cè)控制線朝向內(nèi)側(cè)。步進電機驅(qū)動器用M516螺絲固定于電源盒前方?？刂瓢逵媚猃堉е斡肕335螺絲固定在電磁閥后方（步進電機驅(qū)動器右側(cè)），串口及接口朝向內(nèi)側(cè)便于接線。如圖1所示。圖1 機械手整體圖 將氣管一端按照順序（氣管上標號）由近及遠接到氣缸上，如圖2所示。圖2 氣缸氣路連接圖 氣管另一端按照順序如圖3所示連接。 圖3 電磁閥氣路連接圖手持器的連接如圖4、5所示。線路的連接如圖6、7、8、9所示。3.2 機械手重要部件設(shè)計3.2.1氣缸的選擇及參數(shù) 氣缸是指氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的氣動執(zhí)行元件。其中機械手上用的氣缸都是雙作用氣缸，氣體從活塞兩側(cè)交替供氣，使活塞桿在

17、一個方向輸出力。下面是氣缸理論出力的計算公式： F：氣缸理論輸出力（kgf)F：效率為85%時的輸出力（kgf）（F=F85%）D：氣缸缸徑（mm)P：工作壓力（kgf/C）例：直徑340mm的氣缸，工作壓力為3kgf/cm2時，其理論輸出力為多少?芽輸出力是多少?將P、D連接，找出F、F上的點，得：F=2800kgf；F=2300kgf在工程設(shè)計時選擇氣缸缸徑，可根據(jù)其使用壓力和理論推力或拉力的大小，從經(jīng)驗表11中查出。例：有一氣缸其使用壓力為5kgf/cm2，在氣缸推出時其推力為132kgf，（氣缸效率為85%）問：該選擇多大的氣缸缸徑?由氣缸的推力132kgf和氣缸的效率85%，可計算出

18、氣缸的理論推力為F=F/85%=155(kgf)由使用壓力5kgf/cm2和氣缸的理論推力，查出選擇缸徑為?63的氣缸便可滿足使用要求。X雙氣缸：X雙氣缸是雙軸雙聯(lián)氣缸如圖10所時，其采用雙軸雙聯(lián)氣缸大大提高了機械手在動作過程中的平穩(wěn)性，同時也防止了Y氣缸的轉(zhuǎn)動，是機械手能平穩(wěn)快速的完成控制動作； 控手氣缸：其采用SDA25x10型氣缸如下圖11所示，其具有免潤滑，采用含油軸承，使活塞桿無需加油潤滑。除帶固定緩沖外，氣缸終端還帶可調(diào)緩沖，使氣缸換向時平穩(wěn)圖10無沖擊，安裝形式多樣，多種安裝附件供客戶選擇，附磁環(huán)，氣缸活塞上裝有一個永久磁鐵，它可觸發(fā)安裝在氣缸上的磁性開關(guān)感測氣缸的運動位置，超薄

19、型設(shè)計，重量輕，設(shè)計輕巧安裝空間比傳統(tǒng)氣缸更小，故可安裝于空間極小之場合，保養(yǎng)簡易，分解容易等特點。3.2.2伸縮手臂的設(shè)計伸縮手臂為機械手執(zhí)行水平伸縮運動的機構(gòu)，它是連接機械手末端執(zhí)行器和豎直升降手臂的部件，它的基本作用是完成末端執(zhí)行器的伸出和縮回運動。由于伸縮手臂主要承受末端執(zhí)行器和夾持物件的重力，在完全伸出時將承受較大彎矩，對伸縮手臂的設(shè)計應(yīng)該保證手臂的正確方向及承受由于工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。伸縮手臂在進行運動時，為防止手臂沿伸縮方向軸線轉(zhuǎn)動、加大承載能力，以及提高運動精度，必須設(shè)有導(dǎo)向裝置。伸縮手臂的導(dǎo)向裝置需根據(jù)伸縮手臂的安裝形式、結(jié)構(gòu)及負荷等條件來確定。常用的有單導(dǎo)向桿

20、和雙導(dǎo)向桿。為使設(shè)計的標準化和簡便化，在本設(shè)計中，伸縮手臂采用新薄型帶導(dǎo)桿氣缸（如圖3-4）。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負載能力強，耐扭矩能力強，不回轉(zhuǎn)精度高，導(dǎo)向桿的軸承可選擇滑動軸承或球軸承，安裝方便，二面接管位置可供選擇。圖3-4 新薄型帶導(dǎo)桿氣缸根據(jù)本機械手的設(shè)計技術(shù)參數(shù)，伸縮手臂的行程為200mm，氣爪抓重約為2Kg，加上末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質(zhì)量約為3Kg，由此，伸縮手臂的最大橫向負載F=mg=39.8=29.4N。根據(jù)表3-2的數(shù)據(jù)，初步選定為缸徑為20mm型號為MGPL20200的氣缸作為機械手的伸縮手臂。表3-2伸縮手臂作水平直線運動時，主要克服的是摩擦阻力和慣

21、性力，因此，氣缸所需要的驅(qū)動力應(yīng)由摩擦阻力和慣性力來確定。 式中 摩擦阻力，應(yīng)包括手臂與伸縮導(dǎo)軌間的摩擦阻力，活塞與密封裝置處的摩擦阻力； 手臂在啟動過程的慣性力。其大小可按以下公式計算； 其中手臂移動部件的重量（牛頓）； g重力加速度（9.8米/秒2）； 啟動或制動前后的速度差（米/秒）； 啟動或制動所需的時間（秒）。摩擦力的計算：不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算。圖3-5是機械手的伸縮手臂受力示意圖，本設(shè)計是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮缸兩側(cè)。 圖3-5 伸縮手臂受力示意圖由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個導(dǎo)向桿計算。在垂直方向，可近

22、似認為 FN=G總=29.4N。導(dǎo)桿所受到的水平方向的摩擦力 F摩=FN 其中 摩擦系數(shù)，氣缸導(dǎo)向桿的材料為鋼，取=0.2。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算F摩=FN =0.229.4=5.98N慣性力的計算：本設(shè)計要求手臂平動時V=200mm/s，在計算慣性力的時候，設(shè)置啟動時間=0.1s，啟動速度V=V=200mm/s。=6N氣缸所需的驅(qū)動力 F驅(qū)= F摩+ F慣=5.98+6=11.98N 氣缸的理論驅(qū)動力 F=1/4d2p其中 d氣缸活塞桿的直徑（米）； p氣缸的工作壓力（帕）。根據(jù)設(shè)計技術(shù)參數(shù) d=10mm，p=0.5MPa代入數(shù)據(jù)進行計算得 F=1/4d2p=1/43.14（0.01）20

23、.5106 =39.3N由計算的結(jié)果可知 FF驅(qū)即氣缸提供的理論驅(qū)動力大于氣缸實際所需的驅(qū)動力，因此，伸縮手臂的設(shè)計符合設(shè)計要求。3.2.3夾持手爪的設(shè)計 夾持手爪如下圖12的機械設(shè)計方式是通過齒輪齒條的運動來控制兩個手抓得張開和閉合。通過這種方式可以較快的加緊物體并能安全平穩(wěn)的使物體到達目的地。本設(shè)計要求機械手手爪的最大持重m=2Kg，根據(jù)具體的工作要求，選擇標準平行開閉型氣爪，其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。當A口進氣B口排氣時，氣缸活塞桿1伸出，通過杠桿2繞杠桿軸8回轉(zhuǎn)，帶動兩個手指4通過一組鋼球3在導(dǎo)軌5上作向外直線運動，兩手指便張開，松開工件。止動塊6限制手指張開行程，定位銷7保證直線導(dǎo)軌不錯

24、位。圖3-1平行開閉型氣爪結(jié)構(gòu)原理圖1-活塞桿 2-杠桿 3-鋼球 4-手指 5-導(dǎo)軌 6-止動塊 7-定位銷 8-杠桿軸對夾持工件進行受力分析如圖3-2所示， 2個手指的總夾持力產(chǎn)生的摩擦力2F必須大于夾持工件的重力mg，故應(yīng)滿足 2Fmg即 Fmg/2式中 摩擦系數(shù)，本設(shè)計的夾持輔助件材料為硬質(zhì)橡膠，一般令=0.65；由此 Fmg/2=29.8/(20.65)=15.1N 圖3-2 夾持工件受力示意圖根據(jù)計算出的夾持力的大小和表3-1，可選擇合適的末端執(zhí)行器（手爪）的型號：MHZ-10D。表3-13.2.4轉(zhuǎn)盤處旋轉(zhuǎn)電機的選擇和參數(shù) 電機采用了三相六線直流步進電機如下圖13所時，步距角為1

25、.8度。采用此電機可以精確的控制機械手到達指定的位置，提高了機械手的控制精度，其額定電流為1.3安培，額定電壓為3.9伏特。圖11圖12圖133.3 機械手初始狀態(tài)調(diào)整在安裝好機械手之后，將機械手置于無塵環(huán)境下的水平面上，防止手臂旋轉(zhuǎn)過程中造成重心偏移而損壞部件。檢驗各部件功能之前應(yīng)檢查氣管各接頭是否連接緊密。電源線是否連接牢固并且開關(guān)是否打在“關(guān)閉”狀態(tài)。各接線頭是否連接正確且連接牢固，防止連接錯誤造成短路或燒壞芯片。氣管是否都處于氣缸同側(cè)，以免當水平臂旋轉(zhuǎn)時因氣管纏繞造成無法旋轉(zhuǎn)進而燒壞電機，正確的初始狀態(tài)如圖所示。4 電氣部分1.3 4.1電路圖：4.1.1主控制板1.4圖154.2 控

26、制系統(tǒng)的功能介紹及使用方法：4.1.2 手持盒電路圖：（圖16）4.2.1主控制板單片機電源口的紅色發(fā)光二極管為電源指示燈。左側(cè)“總電源開關(guān) S1”為5V電源總開關(guān)，右側(cè)“手柄電源開關(guān) S2”是手柄電源開關(guān)?！癙3 電源輸入”為電源接口，“P1 電磁閥接口”，為電磁閥接口，左側(cè)“P2 步進電機驅(qū)動器接口”為步進電機控制接口，右側(cè)串口用于單片機程序下載以及單片機與計算機通訊，右下側(cè)USB口用于手柄程序下載和單片機之間的通訊。 J2J6這5個跳線帽設(shè)置控制方式，每個跳線帽有兩種狀態(tài)：“PLC”和“C51”，當處于“PLC”狀態(tài)時，步進電機和電磁閥由PLC控制；當處于“C51”狀態(tài)時，步進電機和電磁

27、閥由C51單片機控制。JNET112這12組跳線帽用于設(shè)置通信模式，分別包括2個跳線帽，當需要把某一組短路帽短路時，必須把這一組的2個短路帽都短路，兩者必須處于統(tǒng)一的狀態(tài)。同時因為通信狀態(tài)比較多，每次只短路需要的短路帽，其他的必須斷開（JNET11和JNET12可以短著），否則會相互影響。圖16圖17 主控制板通信狀態(tài)設(shè)置表格。主控制板上也有同樣的表格。通信主體需要短路的短路帽備注主板與PCJNET3 JNET4 JNET11 也可以主板下載程序主板與手柄JNET1 JNET2 手柄與PCJNET5 JNET6 JNET11 也可以手柄下載程序手柄與PLCJNET7 JNET8 通信主體需要短

28、路的短路帽備注PLC與PCJNET9 JNET10 JNET12 也可以PLC下載程序4.2.2 手柄及其PLC控制(1)手柄組成手柄基本組成有操作界面、電源、數(shù)據(jù)傳輸線，內(nèi)置程序控制板等組成。(2)手柄控制程序上位機手柄的控制有多種方式，可以編寫匯編語言，通過匯編語言進行控制，也可通過PLC編程來實現(xiàn)手柄的控制，還可利用vb語言實現(xiàn)控制。本項目設(shè)計的內(nèi)容是一個設(shè)計一個利用PLC程序來控制三自由度機械手的 啟動、停止、水平伸出及收回，手抓開合、學(xué)習(xí)及回放、自動演示功能(3)PLC簡介PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域是開關(guān)量的控制，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的

29、控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。PLC控制步進電機的脈沖是根據(jù)PLC系統(tǒng)寫好程序來實現(xiàn)的，即PLC的步進指令，PLC通過程序來實現(xiàn)繼電控制，把控制線路全部在PLC里面用指令或梯形圖的形式來編寫。此機械手用PLC控制時電路轉(zhuǎn)換簡單、方便，便于單片機與PLC同步比較學(xué)習(xí)，適于教學(xué)使用。4.2.3手柄通信設(shè)置（1）PLC線路的連接電源接24V直流電壓，輸出端1L+接電源5V，1M接地，為PLC的輸出端子提供工作電壓。采用高速脈沖輸出功能在PLC的高速脈沖輸出端口產(chǎn)生高速脈沖，實現(xiàn)高速脈沖輸出和精確控制，驅(qū)動步進電機控制器轉(zhuǎn)速

30、，取另一輸出口作為步進電機的轉(zhuǎn)動方向的控制位，取三個輸出口作為電磁閥的控制位。對應(yīng)圖11中左下方的8路接線端子即為PLC驅(qū)動機械手用接線口。 當采用PLC控制時應(yīng)將圖11中的短路套放在左側(cè)PLC端。（2）觸摸屏與PLC的通信連接如圖1所示為PLC通過手柄界面按鈕控制機械手。它的基本組成有操作界面、電源、數(shù)據(jù)傳輸線，內(nèi)置程序控制板等組成。通過操作手柄界面實現(xiàn)機械手的各項功能或要求的動作。圖18 PLC通過手柄控制機械手用通信電纜將觸摸屏和PLC的通信串口連接，連接電源線。運行觸摸屏，點擊開始界面上的開始按鈕，進入操作模式選擇界面，模式選擇界面有自動演示、手動操作和參數(shù)設(shè)定三個選項；點擊自動演示按

31、鈕，進入自動演示界面，點擊演示按鈕就可進行設(shè)定好的機械手動作；點擊手動操作按鈕，進入手動操作界面，點擊開始操作按鈕進入等待操作命令狀態(tài)，然后點擊相應(yīng)的動作按鈕控制機械手完成相應(yīng)的動作；點擊參數(shù)設(shè)定按鈕進入步進電機的周期和脈沖的設(shè)定界面，在當前值欄，顯示當前狀態(tài)下步進電機接收的脈沖和周期值，在設(shè)定值欄，可設(shè)定步進電機的周期值和脈沖數(shù)。其上位機設(shè)計模擬界面如圖19所示。（3）可編程文本顯示器與PLC的通信連接 在可編程文本顯示器和PLC的電源和通信電纜連接完畢后檢查電路，確認無誤后上電。顯示器上電后顯示主界面，按下“ENT”鍵進入模式選擇界面，按“”進入自動演示界面，進入自動演示界面后按“ENT”

32、鍵演示機械手的設(shè)定動作，按“ESC”鍵即可退回模式選擇界面，按 “ENT”鍵進入等待操作命令狀態(tài)，按“”鍵進入手動演示界面，按相應(yīng)的功能鍵即可完成各氣缸的相應(yīng)動作，“CLR”鍵為步進電機轉(zhuǎn)到停止按鈕，參數(shù)設(shè)定界面顯示當前狀態(tài)下的脈沖數(shù)和周期，還可設(shè)定脈沖和周期。圖19 模擬觸摸屏界面設(shè)計軟件 圖20 PLC通過可編程文本器控制機械手（4）PLC機型選擇基本原則 在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便及性能價格比最優(yōu)的機型。通常是：在工藝過程比較固定，環(huán)境比較適合的場合，建議選用整體式PLC；其他情況則選用模塊式PLC；對于開關(guān)量控制及開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制工程項目中，一般

33、不考慮其控制速度；而在控制比較復(fù)雜，控制要求較高的項目中，可是控制規(guī)模來選中檔或高檔機，主要用于大規(guī)?？刂啤?.2.3步進電機驅(qū)動器（1）驅(qū)動器產(chǎn)品特點平均電流控制，兩相正弦電流驅(qū)動輸出供電電壓可達75VDC，輸出電流峰值可達5.04A(均值3.60)，靜止時電流自動減半，可驅(qū)動4,6,8線兩相、四相步進電機，高速光耦隔離信號輸入，脈沖響應(yīng)頻率最高可達300，抗高頻干擾能力強，輸出電流1.20A5.04，輸出電流設(shè)定方便，細分精度,16, 32, 64, 128, 256, 5, 10, 25, 50, 100, 125, 250 細分；有過壓、欠壓、過流、相間短路保護功能。圖21 步進電機驅(qū)

34、動器控制線路連接圖（2） 弱電接線信號接口描述名稱功能PUL+(+5V)脈沖信號：脈沖控制信號，此時脈沖下降沿有效；PUL-高電平時4-5V，低電平0-0.5V,為了可靠響應(yīng)，脈沖寬度大于1.5uS。如采用+12V或+24V時需串電阻限流PUL-DIR+(+5V)方向信號：對應(yīng)電機正反向，為保證電機可靠響應(yīng)。方向信號應(yīng)先于脈沖信號至少5uS建立，電機的初始化運行方向與電機的接線有關(guān)，互換任一相繞組（如A+、A-交換）可以改變電機初始運行的方向，DIR-高電平時4-5，低電平時0-0.5V。DIR-ENA+(+5V)使能信號：此輸入信號用于使能/禁止，高電平使能，低電平時驅(qū)動器不能工作。一般情況

35、下可以不接，使之懸空而自動使能ENA-（3）強電接口描述名稱功能+V直流電源正極，+18V- +75V間任何值均可，但推薦值+36V - +50VDC左右GND直流電源地A電機A相。A+、A-互調(diào)，可更換一次電機運轉(zhuǎn)方向B電機B相。B+、B-互調(diào)，可更換一次電機運轉(zhuǎn)方向（4）控制信號時序圖為了避免一些誤動作和偏差，PUL、DIR和ENA應(yīng)滿足一定要求，如下圖所示：注釋：（1） t1：ENA（使能信號）應(yīng)提前DIR至少5uS，確定為高。一般情況下建議ENA+和ENA-懸空（2） t2：DIR至少提前PUL下降沿5uS確定其狀態(tài)高或低（3） t3: 脈沖寬度至少不小于1.5uS（4） t4：低電平

36、寬度不小于1.5uS（5） 電流、細分撥碼開關(guān)設(shè)定1）電流設(shè)定SW1-SW3三位撥碼開關(guān)用于設(shè)定電機運轉(zhuǎn)時電流（動態(tài)電流），而SW4撥碼開關(guān)用于設(shè)定靜止時電流（靜態(tài)電流）。工作(動態(tài))電流設(shè)定用三位撥碼開關(guān)一共可設(shè)定8個電流級別，參見下表。峰值平均值SW1SW2SW31.20A0.85AONONON1.75A1.25AOFFONON峰值平均值SW1SW2SW32.29A1.63AONOFFON2.84A2.03AONONOFF3.41A2.44AOFFOFFON3.97A2.83AOFFONOFF4.51A3.23AONOFFOFF5.04A3.60AOFFOFFOFF停止（靜態(tài)）電流設(shè)定靜態(tài)

37、電流可用第4位開關(guān)設(shè)定，OFF表示靜態(tài)電流設(shè)為動態(tài)電流的一半左右（60%），ON表示靜態(tài)電流與動態(tài)電流相同。一般用途中應(yīng)將SW4設(shè)成OFF，使得馬達和驅(qū)動器的發(fā)熱減少，可靠性提高。脈沖串停止后續(xù)0.2秒左右電流自動減至設(shè)定值的60%，發(fā)熱量理論上減至36%（發(fā)熱與電流平方成正比）。2）細分設(shè)定細分精度有SW5-SW8四位撥碼開關(guān)設(shè)定。步數(shù)/圈（1.8/整步）SW5SW6SW7SW8400OFFONONON800ONOFFONON1600OFFOFFONON3200ONONOFFON6400OFFONOFFON12800ONOFFOFFON25600OFFOFFOFFON1000ONONONOF

38、F2000OFFONONOFF4000ONOFFONOFF5000OFFOFFONOFF8000ONONOFFOFF10000OFFONOFFOFF20000ONOFFOFFOFF25000OFFOFFOFFOFF4.2.4電磁閥使用簡介三個二位五通電磁閥由一個匯流板連在一起，由三個三極管控制其打開的方向，進而控制通氣方向。 二位五通電磁閥是用來控制流體的自動化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；并不限于液壓，氣動。電磁閥用于控制液體流動方向，工廠的機械裝置一般都由液壓缸控制，所以就會用到電磁閥，這里所用電磁閥用來控制氣體流動。 電磁閥的工作原理，電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的

39、油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置運動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。 兩位五通電磁閥具有1個進氣孔(接進氣氣源)、1個正動作出氣孔和1個反動作出氣孔(分別提供給目標設(shè)備的一正一反動作的氣源)、1個正動作排氣孔和1個反動作排氣孔(安裝消聲器)。對于小型自動控制設(shè)備，氣管一般選用812mm的工業(yè)膠氣管。電磁閥一般選用日本SMC(高檔一點，不過是小日本的產(chǎn)品)、臺灣亞德客(實惠，質(zhì)量也不錯)或其它國產(chǎn)品牌等等。在電氣上來說，兩位三通電磁閥一般為單電控(即單線圈)，兩位五通電磁閥一般為雙電控(即雙線圈)。線圈電壓等級一般采用DC24V、AC220V等。兩位三通電磁閥分為常閉型和常開型兩種，常閉型指線圈沒通電時氣路是斷的，常開型指線圈沒通電時氣路是通的。常閉型兩位三通電磁閥動作原理：給線圈通電，氣路接通，線圈一旦斷電，氣路就會斷開，這相當于“點動”。常開型兩位三通單電控電磁閥動作原理：給線圈通電，氣路斷開，線圈一旦斷電，氣路就會接通，這也是“點動”。兩位五通雙電控電磁閥動作