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附錄
外文文獻原文：
Simple Manipulator And The Control Of It
Along with the social production progress and people life rhythm is accelerating, people on production efficiency also continuously put forward new requirements. Because of microelectronics technology and calculation software and hardware technology rapid development and modern control theory, the perfection of the fast development, the robot technology pneumatic manipulator system because its media sources do not pollute the environment, simple and cheap components, convenient maintenance and system safety and reliability characteristic, has penetrated into every sector of the industrial field, in the industrial development plays an important role. This article tells of the pneumatic control robots, furious manipulator XY axis screw group, the turntable institutions, rotating mechanical parts base. Main effect is complete mechanical components handling work, to be placed in different kinds of line or logistics pipeline, make parts handling, transport of goods more quick and convenient.
Matters of the manipulator axial linkage simple structure and action process
Manipulator structure, as shown in figure 1 below have accused of manipulator (1), XY axis screw group (2), the turntable institutions (3), rotating base (4), etc.
Figure 1 Manipulator Structure
Its motion control mode is: (1) can rotate by servomotor Angle for 360 ° breath control manipulator (photoelectric sensor sure start 0 point); (2) by stepping motor drive screw component make along the X, Y manipulators move (have X, Y axis limit switches); (3) can rotates 360 ° can drive the turntable institutions manipulators and bushings free rotation (its electric drag in part by the dc motivation, photoelectric encoder, close to switch etc); (4) rotating base main support above 3 parts; (5) gas control manipulator by pressure control (Zhang close when pressed on, put inflatable robot manipulators loosen) when gas.
Its working process for: when the goods arrived, manipulator system begins to move; Stepping motor control, while the other start downward motion along the horizontal axis of the step-motor controller began to move exercise; Servo motor driver arrived just grab goods manipulators rotating the orientation of the place, then inflatable, manipulator clamped goods.
Vertical axis stepper motor drive up, the other horizontal axis stepper motor driver started to move forward; rotary DC motor rotation so that the whole robot motion, go to the cargo receiving area; longitudinal axis stepper motor driven down again, arrived at the designated location, Bleed valve, mechanical hand release the goods; system back to the place ready for the next action.
II.Device control
To achieve precise control purposes, according to market conditions, selection of a variety of key
components as follows:
1. Stepper motor and drive
Mechanical hand vertical axis (Y axis) and horizontal (X axis) is chosen Motor Technology Co., Ltd. Beijing Stone 42BYG250C type of two-phase hybrid stepping motor, step angle of 0.9 ° / 1.8 °, current is 1.5A. M1 is the horizontal axis motor driven manipulator stretch, shrink; M2 is the vertical axis motor driven manipulator rise and fall. The choice of stepper motor drive is SH-20403 type, the drive uses 10 ~ 40V DC power supply, H-phase bridge bipolar constant current drive, the maximum output current of 3A of the 8 optional, maximum fine of 64 segments of 7 sub-mode optional optical isolation, standard single-pulse interface, with offline capabilities to maintain semi-sealed enclosure can be adapted to environmental conditions even worse, provide semi-current energy-saving mode automatically. Drive the internal switching power supply design to ensure that the drive can be adapted to a wide voltage range, the user can according to their circumstances to choose between the 10 ~ 40VDC. Generally the higher rated power supply voltage can improve high-speed torque motor, but the drive will increase the loss and temperature rise. The maximum output drive current is 3A / phase (peak), six drive-panel DIP switch on the first three can be combined 5,6,7 8 out of state, corresponding to the 8 kinds of output current from 0.9A to 3A to meet the different motors. The drive can provide full step, half step improvement, subdivision 4, 8 segments, 16 segments, 32 segments and 64 segments of 7 operating modes. The use of six of the drive panel DIP switches 1,2and3 can be combined from three different states.
2. Servo motors and drives
Manipulator with Panasonic servo motor rotational movement A series of small inertia MSMA5AZA1G, the rated 50W, 100/200V share, rotary incremental encoder specifications (number of pulses 2500p / r, resolution of 10000p / r, Lead 11 lines) ; a seal, no brakes, shaft with keyway connections. The motor uses Panasonic's unique algorithms, the rate increased by 2 times the frequency response, to 500Hz; positioning over the past adjust the scheduled time by Panasonic servo motor products for the V Series of 1 / 4. With the resonance suppression, control, closed loop control, can make up for lack of mechanical rigidity, in order to achieve high positioning accuracy can also be an external grating to form closed loop control to further improve accuracy. With a conventional automatic gain adjustment and real-time automatic gain
Interest adjustment in the automatic gain adjustment methods, which also has RS-485, RS-232C communication port, the host controller can control up to 16 axes. Servo motor drives are a series MSDA5A3A1A, applicable to small inertia motor.
3. DC machine
360 ° swing of the turntable can be a brushless DC motor driven organization, the system is chosen when the profit company in Beijing and the 57BL1010H1 brushless DC motor, its speed range, low-speed torque, smooth running, low noise, high efficiency. Brushless DC motor drive using the Beijing and when Lee's BL-0408 produced by the drive, which uses 24 ~ 48V DC power supply, a start-stop and steering control, over current, overvoltage and locked rotor protection, and there is failure alarm output external analog speed control, braking down so fast.
4. Rotary encoder
Can swing 360 ° in the body on the turntable, fitted with OMRON E6A2 produced incremental rotary encoder, the encoder signals to the PLC, to achieve precise positioning of rotary bodies.
5. PLC Selection
According to the system design requirements, the choice of OMRON CPM2A produced minicomputer. CPM2A in a compact unit integrated with a variety of properties, including the synchronization pulse control, interrupt input, pulse output, analog set and clock functions. CPM2A the CPU unit is a stand-alone unit, capable of handling a wide range of application of mechanical control, it is built in the device control unit for the ideal product. Ensure the integrity of communications and personal computers, other OMRON PC and OMRON Programmable Terminal communication. The communication capability allows the robot to Axis simple easy integration into industrial control systems.
III. Software programming
1. Software flow chart
PLC programming flow chart is based. Only the design flow, it may be smooth and easy to prepare and write a statement form the ladder, and ultimately complete the process design. So write a flow chart of program design is critical to the task first thing to do. Axis Manipulator based on simple control requirements, drawing flow chart shown in Figure 2.
Figure 2 Software flow chart
2. Program part
Because space is limited, here only paper listed the first two program segment for readers see.
Figure 3 Program part
IV. Conclusion
Axis simple robot state by the various movements and PLC control, the robot can not only meet the manual, semi-automatic mode of operation required for such a large number of buttons, switches, position detection point requirements, but also through the interface components and Computer Organization PLC industrial LAN, network communication and network control. Axis simple robot can be easily embedded into industrial production pipeline.
中文譯文：
簡易機械手及控制
隨著社會生產(chǎn)不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快,人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善,使機械手技術(shù)快速發(fā)展,其中氣動機械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點,已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個部門,在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動機械手有氣控機械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機械部分組成。主要作用是完成機械部件的搬運工作,能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中,使零件搬運、貨物運輸更快捷、便利。
一.四軸聯(lián)動簡易機械手的結(jié)構(gòu)及動作過程
機械手結(jié)構(gòu)如下圖1所示,有氣控機械手(1)、XY軸絲杠組(2)、轉(zhuǎn)盤機構(gòu)(3)、旋轉(zhuǎn)基座(4)等組成。
圖1
其運動控制方式為：(1)由伺服電機驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)角度為360°的氣控機械手(有光電傳感器確定起始0點);(2)由步進電機驅(qū)動絲杠組件使機械手沿X、Y軸移動(有x、y軸限位開關(guān));(3)可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)能帶動機械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)(其電氣拖動部分由直流電動機、光電編碼器、接近開關(guān)等組成);(4)旋轉(zhuǎn)基座主要支撐以上3部分;(5)氣控機械手的張合由氣壓控制(充氣時機械手抓緊,放氣時機械手松開)。
其工作過程為：當(dāng)貨物到達時,機械手系統(tǒng)開始動作;步進電機控制開始向下運動,同時另一路步進電機控制橫軸開始向前運動;伺服電機驅(qū)動機械手旋轉(zhuǎn)到達正好抓取貨物的方位處,然后充氣,機械手夾住貨物。
步進電機驅(qū)動縱軸上升,另一個步進電機驅(qū)動橫軸開始向前走;轉(zhuǎn)盤直流電機轉(zhuǎn)動使機械手整體運動,轉(zhuǎn)到貨物接收處;步進電機再次驅(qū)動縱軸下降,到達指定位置后,氣閥放氣,機械手松開貨物;系統(tǒng)回位準(zhǔn)備下一次動作。
二.控制器件選型
為達到精確控制的目的,根據(jù)市場情況,對各種關(guān)鍵器件選型如下：
1.步進電機及其驅(qū)動器
機械手縱軸(Y軸)和橫軸(X軸)選用的是北京四通電機技術(shù)有限公司的42BYG250C型兩相混合式步進電機,步距角為0.9°/1.8°,電流1.5A。M1是橫軸電機,帶動機械手機構(gòu)伸、縮;M2是縱軸電機,帶動機械手機構(gòu)上升、下降。所選用的步進電機驅(qū)動器是SH-20403型,該驅(qū)動器采用10～40V直流供電,H橋雙極性恒相電流驅(qū)動,最大3A的8種輸出電流可選,最大64細分的7種細分模式可選,輸入信號光電隔離,標(biāo)準(zhǔn)單脈沖接口,有脫機保持功能,半密閉式機殼可適應(yīng)更惡劣的工況環(huán)境,提供節(jié)能的自動半電流方式。驅(qū)動器內(nèi)部的開關(guān)電源設(shè)計,保證了驅(qū)動器可適應(yīng)較寬的電壓范圍,用戶可根據(jù)各自情況在10～40VDC之間選擇。一般來說較高的額定電源電壓有利于提高電機的高速力矩,但卻會加大驅(qū)動器的損耗和溫升。本驅(qū)動器最大輸出電流值為3A/相(峰值),通過驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第5、6、7，三位可組合出8種狀態(tài),對應(yīng)8種輸出電流,從0.9A到3A以配合不同的電機使用。本驅(qū)動器可提供整步、改善半步、4細分、8細分、16細分、32細分和64細分7種運行模式,利用驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第1、2、3，三位可組合出不同的狀態(tài)。
2.伺服電機及其驅(qū)動器
機械手的旋轉(zhuǎn)動作采用松下伺服電機A系列小慣量MSMA5AZA1G,其額定輸出50W、100/200V共用,旋轉(zhuǎn)編碼器規(guī)格為增量式(脈沖數(shù)2500p/r、分辨率10000p/r、引出線11線);有油封,無制動器,軸采用鍵槽連接。該電機采用松下公司獨特算法,使速度頻率響應(yīng)提高2倍,達到500Hz;定位超調(diào)整定時間縮短為以往松下伺服電機產(chǎn)品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全閉環(huán)控制功能,可彌補機械的剛性不足,從而實現(xiàn)高速定位,也可通過外接高精度的光柵尺,構(gòu)成全閉環(huán)控制,進一步提高系統(tǒng)精度。具有常規(guī)自動增益調(diào)整和實時自動增
益調(diào)整兩種自動增益調(diào)整方式,還配有RS-485、RS-232C通信口,使上位控制器可同時控制多達16個軸。伺服電機驅(qū)動器為A系列MSDA5A3A1A,適用于小慣量電動機。
3.直流電機
可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)有直流無刷電機帶動,系統(tǒng)選用的是北京和時利公司生產(chǎn)的57BL1010H1無刷直流電機,其調(diào)速范圍寬、低速力矩大、運行平穩(wěn)、低噪音、效率高。無刷直流電機驅(qū)動器使用北京和時利公司生產(chǎn)的BL-0408驅(qū)動器,其采用24～48V直流供電,有起停及轉(zhuǎn)向控制、過流、過壓及堵轉(zhuǎn)保護,且有故障報警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動快速停機等特點。
4.旋轉(zhuǎn)編碼器
在可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)上,安裝有OMRON公司生產(chǎn)的E6A2增量型旋轉(zhuǎn)編碼器,編碼器將信號傳給PLC,實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的精確定位。
5. PLC的選型
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求,選用OMRON公司生產(chǎn)的CPM2A小型機。CPM2A在一個小巧的單元內(nèi)綜合有各種性能,包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、模擬量設(shè)定和時鐘功能等。CPM2A的CPU單元又是一個獨立單元,能處理廣泛的機械控制應(yīng)用問題,所以它是在設(shè)備內(nèi)用作內(nèi)裝控制單元的理想產(chǎn)品。完整的通信功能保證了與個人計算機、其它OMRON PC和OMRON可編程終端的通信。這些通信能力使四軸聯(lián)動簡易機械手能方便的融合到工業(yè)控制系統(tǒng)中。
三.軟件編程
1.軟件流程圖
流程圖是PLC程序設(shè)計的基礎(chǔ)。只有設(shè)計出流程圖,才可能順利而便捷地編寫出梯形圖并寫出語句表,最終完成程序的設(shè)計。所以寫出流程圖非常關(guān)鍵也是程序設(shè)計首先要做的任務(wù)。依據(jù)四軸聯(lián)動簡易機械手的控制要求,繪制流程圖如圖2所示。
圖2.軟件流程圖
2.程序部分
由于論文篇幅有限,這里只列出了開始兩段程序,供讀者參閱,見圖3。
圖3 程序列表
四.結(jié)束語
四軸聯(lián)動簡易機械手的各個動作和狀態(tài)都由PLC控制,不僅能滿足機械手的手動、半自動、自動等操作方式所需的大量按扭、開關(guān)、位置檢測點的要求,更可通過接口元器件與計算機組成PLC工業(yè)局域網(wǎng),實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)控制。使四軸聯(lián)動簡易機械手能方便地嵌入到工業(yè)生產(chǎn)流水線中。
畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書
學(xué)院 ：機電工程學(xué)院 專業(yè)：機械設(shè)計制造及自動化 班級：機0405
學(xué)生情況
指導(dǎo)教師情況
題目類型
姓 名
學(xué) 號
姓 名
職 稱
單 位
理論研究 □
科研開發(fā) □
袁航
20
李啟光
副教授
機電工程學(xué)院
工程設(shè)計 □√
論文 □
題目
氣動機械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，人工移動式（無動力）點位示教部分控制軟件設(shè)計
主要
內(nèi)容
以及
目標(biāo)
(畢業(yè)設(shè)計應(yīng)完成的主要內(nèi)容，設(shè)計任務(wù)達到的目標(biāo))
1、進行氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設(shè)計；
2、設(shè)計氣動機械手氣路設(shè)計，進行關(guān)鍵部件的設(shè)計計算；
3、設(shè)計氣動機械伸縮、回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進行關(guān)鍵部件的設(shè)計計算；
4、人工移動式（無動力）點位示教部分控制軟件設(shè)計與上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
5、完成中英文摘要，開題報告、調(diào)研報告以及設(shè)計說明書。
成果
形式
（畢業(yè)設(shè)計完成具體工作量；成果形式；驗收方式）
1、氣動機械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)裝配圖（1張A0圖紙）
2、氣動機械手伸縮臂結(jié)構(gòu)裝配圖 （1張A1圖紙）
3、人工移動式（無動力）點位示教部分控制軟件及框圖，上位監(jiān)控界面
4、英文翻譯：5000字；
5、開題報告：2000字、調(diào)研報告：2000字；
6、論文：1.5~2萬字；1篇論文（其中包括中文摘要400字，英文摘要250~300單詞）
基本
要求
（對完成設(shè)計任務(wù)方面的具體要求：設(shè)計技術(shù)參數(shù)、數(shù)據(jù)及來源、調(diào)試所用儀器設(shè)備）
1、設(shè)計的氣動機械手伸縮行程10CM，升降行程5CM，旋轉(zhuǎn)180度；
2、抓握零件直徑?5~ ?20，最大重量0.5KG
3、 界面友好，操作方便
實習(xí)
調(diào)研
要求
（對部分有實習(xí)環(huán)節(jié)的專業(yè)，提出實習(xí)或調(diào)研的具體要求，包括調(diào)研提綱、實習(xí)時間、地點和具體內(nèi)容要求）
1、利用各種途徑查找文獻資料，包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、圖書館、情報中心等，通過資料認真了解軟硬件技術(shù)及設(shè)備特征，了解國內(nèi)外目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；
2、在機電試驗室現(xiàn)場了解等。
3、掌握軟件設(shè)計的基本方法和界面組態(tài)軟件的使用。
主要
參考
文獻
（指導(dǎo)教師提供有關(guān)參考資料、工具書、期刊論文等）
1、PLC編程及應(yīng)用
2、S7-200用戶手冊
3、BUILT 500用戶手冊；
4、氣動與液壓傳動
5、siemens 網(wǎng)站
6．E-VIEW網(wǎng)站
主要
儀器
設(shè)備
（根據(jù)畢業(yè)設(shè)計題目情況需要填寫）
1、計算機一臺
2、E-VIEW 屏
3、S7-200 一套
4、氣動機械手一套
畢業(yè)設(shè)計（論文）開始日期
2008-2-24
畢業(yè)設(shè)計（論文）完成日期
2008-6-20
畢業(yè)設(shè)計（論文）進度計劃（起止時間、工作內(nèi)容）
（指導(dǎo)教師對畢業(yè)設(shè)計（論文）的進度計劃提出要求,至少詳細到前期、中期和答辯階段）
1～3周，按照調(diào)研提綱完成調(diào)研，寫出調(diào)研報告；
4周，擬出設(shè)計方案，完成開題報告；
5～７周，擬訂軟件方案、界面與程序通訊框架，完成控制功能初步設(shè)計；
８～10周，完成控制功能和界面詳細工程設(shè)計，準(zhǔn)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；
11～12周，完成氣路和結(jié)構(gòu)圖紙的草圖設(shè)計；
13～14周，完成裝配圖的設(shè)計；
15～16周，撰寫設(shè)計說明書，準(zhǔn)備答辯。
指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日
督導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日
院畢業(yè)設(shè)計（論文）領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見：
組長（簽字）： 年 月 日
4
北京信息科技大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(論文)
題 目: 氣動機械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，
人工移動式（無動力）點位示教部分控制軟件設(shè)計
學(xué) 院: 機 電 工 程 學(xué) 院
專 業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化(機電方向)
學(xué)生姓名: 袁航 班 級/學(xué) 號 機0405-20
指導(dǎo)老師/督導(dǎo)老師: 李 啟 光
起止時間: 2008年2月24 至 2008年6月9日
氣動機械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，人工移動式（無動力）點位示教部分控制軟件設(shè)計
開題報告
班級（學(xué)號）機0405-20 姓名 袁航
指導(dǎo)老師 李啟光
一、 綜述
1、工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
2、機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。
①執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。
手部：即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。
手腕：是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)
手臂：手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。
立柱：立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
行走機構(gòu)：當(dāng)工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。
機座：機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。
②驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，
并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
③控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
④位置檢測裝置
控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置.
3、機械手的分類
工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。
①按用途分：機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:
專用機械手：它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和‘叻口工中心”
通用機械手：它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。
②按驅(qū)動方式分
液壓傳動機械手：是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。
氣壓傳動機械手：是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。
機械傳動機械手：即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。
電力傳動機械手：即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。
③按控制方式分
點位控制：它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。
連續(xù)軌跡控制：它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。
4、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:
①工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。
②機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
③工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
④機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
⑤虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
⑥當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。
⑦機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。
二、 研究內(nèi)容
1、進行氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設(shè)計。設(shè)計的氣動機械手伸縮行程10CM，升降行程5CM，旋轉(zhuǎn)180度；抓握零件直徑?5~ ?20，最大重量0.5KG 。圖2-1為氣路簡易示意圖：
臂伸縮滑動單元
V1a
V1b
V1
圖2-1氣路簡易示意圖
2、設(shè)計氣動機械手氣路設(shè)計，進行關(guān)鍵部件的設(shè)計計算；
3、對現(xiàn)有資料和儀器進行研究，設(shè)計氣動機械回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進行關(guān)鍵部件的設(shè)計計算。
4、人工移動式（無動力）點位示教部分控制軟件設(shè)計與上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。人工對機械手進行移動，PLC進行儲存，并在結(jié)束后進行自動重復(fù)演示。
三、 實現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo)
通過前期調(diào)研得知，我所研究的工作主要在WQK-3電子氣動實驗臺進行。WQK-III電子氣動控制實驗臺采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，精選國外工程用優(yōu)良元器件，集控制、檢測、執(zhí)行等技術(shù)于一體的綜合性實驗裝置。該實驗臺由PLC模塊和機器人模塊構(gòu)成；PLC模塊由西門子S7-200（CPU224 CN）、人機界面MT508TCN及輸出輸入接口板組成；機器人模塊由3自由度的電子氣動操作機、FRL單元及相應(yīng)的輸入輸出接口板組成。
本畢業(yè)設(shè)計，初步需要解決的是氣動機械手的總體研究，即整體運動方式、整體氣路的的設(shè)計研究、回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計，機械手的回轉(zhuǎn)部分設(shè)計可采用旋轉(zhuǎn)氣缸,安裝在上下方向?qū)U氣缸上,做旋轉(zhuǎn)運動。選用氣壓轉(zhuǎn)角缸,旋轉(zhuǎn)角度最大為180°,缸徑為60 mm ,雙齒條機構(gòu),角度可任意調(diào)整,可附加感性開關(guān)。圖3-1為三自由度機械手簡易示意圖
圖3-1三自由度機械手簡易示意圖
通過對機械手氣動回路觀察得出：此氣動機械手共有8條控制氣路，分別為1、2、3、4、5、6、7、8，沒兩個構(gòu)成一組，每組控制一自由度的動作。
其中，1、2號氣路控制機械手的伸縮
3、4號氣路控制機械手的升降
5、6號氣路控制機械手的回轉(zhuǎn)
7、8號氣路控制機械手手部的加緊與松開
由于該試驗裝置的氣路選用的是雙向四通閥，它所控制的機械手在非極限位置無法進行停留，故設(shè)計方案需選用點位控制。圖3-2為機械手的氣動原理圖、3-3為機械手運動對應(yīng)的氣路圖：
圖3-2機械手的氣動原理圖
V1a V1b
V2a V2b
V3a V3b
V1
V2
V3
V4
3-3機械手運動對應(yīng)的氣路圖
通過這些初步的工作，更直觀、具體的了解氣動機械手的結(jié)構(gòu)以及工作方式。在此基礎(chǔ)上重點研究的問題是人工移動式（無動力）點位示教部分控制軟件設(shè)計與上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。
這項工作的意義在于通過人工移動機械手，使電腦能夠自動記錄下機械手運動的整個過程并進行重復(fù)。這樣可以方便的讓不了解相關(guān)編程知識的人可以更加方便、快捷的對機械手的運動進行操作，以達到工作需要。
此過程需要通過機械手各個移動部件上的行程開關(guān)來實現(xiàn)。
通過行程開關(guān)的“0”、“1”狀態(tài)的改變來體現(xiàn)機械手的運動過程。控制端只要記錄下這些改變就可以完全實現(xiàn)機械手在人工移動時的運動過程。
該重點研究問題需要使用PLC（SIEMENS S7-200）進行整體運動的控制，而控制的關(guān)鍵是如何將人工移動機械手的相關(guān)數(shù)據(jù)進行儲存以及將儲存數(shù)據(jù)進行整合后再次重復(fù)，在儲存和數(shù)據(jù)整合問題上需做更深一步研究。另外，還將使用到E-VIEW（EB500開發(fā)軟件）人機界面軟件，該軟件在操作人員和機器設(shè)備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時可能變化信息，通過它使操作以及演示更加直觀、便捷。圖3-4為E-VIEW操作界面以及EB500主界面。
圖3-4 E-VIEW操作界面以及EB500主界面
四、 對進度的具體安排
第1至第3周： 按照調(diào)研提綱完成調(diào)研，寫出調(diào)研報告；
第4周： 擬出設(shè)計方案，完成開題報告；
第5至第７周： 擬訂軟件方案、界面與程序通訊框架，完成控制功能初步設(shè)計；
第８至第10周： 完成控制功能和界面詳細工程設(shè)計，準(zhǔn)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；
第11至第12周: 完成氣路和結(jié)構(gòu)圖紙的草圖設(shè)計；
第13至第14周: 完成裝配圖的設(shè)計；
第15至第16周: 撰寫設(shè)計說明書，準(zhǔn)備答辯。
五、 參考文獻
1、PLC編程及應(yīng)用
2、S7-200用戶手冊
3、BUILT 500用戶手冊；
4、氣動與液壓傳動
5、siemens 網(wǎng)站
6．E-VIEW網(wǎng)站
指導(dǎo)教師： 年 月 日
督導(dǎo)教師： 年 月 日
領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見
審查人簽字： 年 月 日