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摘,要本文简要简介了工业机器人的概念，机械手的构成和分类，气动技术的特点，PLC控制的特点,触摸屏的特点及国内外的发展状况。本文对机械手进行总体方案设计，拟定了机械手的技术参数。同步，设计计算了机械手的升降臂和回转臂构造，设计了机械手的手部构造。本文系统地研究了机械手的气动系统，对气压系统工作原理图的参数进行了理解，大大提高了绘图效率和图纸质量。运用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，选用了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，对机械手的面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件进行了设计。核心词:工业机器人；机械手；气动；可编程序控制器；触摸屏；示教AbstractThis,thesis,gives,a,brief,introduction,of,the,conception,of,industrial,robot,and,domestic,and,overseas,development,of,industrial,robot,including,components,and,categories,of,manipulator,the,characteristics,of,the,system,of,air,pressure,drive,technique,and,PLC,and,the,features,of,touch,screen,calibration.This,thesis,makes,a,general,designation,and,decides,the,technique,parameter,of,manipulator.,Meanwhile,it,designs,the,elevator,arm,and,Rotary,arm,structure,of,manipulator,as,well,as,the,construction,of,the,hand,part.This,thesis,focus,on,the,analyzing,of,the,air,pressure,drive,system,of,manipulator,and,the,study,of,the,air,pressure,system,working,principle,diagram,datum,which,helps,a,lot,to,make,a,improvement,in,charting.With,the,help,of,PLC,we,attain,the,controlling,of,manipulator.,In,this,thesis,I,choose,the,proper,type,of,PLC,work,out,the,manipulation,program,of,PLC,controller,according,to,the,working,progress,of,manipulator,and,design,the,manipulation,software,of,the,manipulation,of,Control,panel,(Dynamic),-,Point,Demonstration,part.Keywords:,industrial,robot;,manipulator;,air,pressure,drive;,PLC;,touch,screen;Demonstration目,录摘要(中文),-I(英文),-II第一章,绪,论1.1工业机械手概述,-,11.2机械手的构成和分类,-,11.2.1机械手的构成,-,11.2.2机械手的分类,-,21.3,PLC与触摸屏概述,-,31.4国内外发展状况,-,31.5课题的提出及重要任务,-,41.5.1课题的提出,-,41.5.2课题的重要任务,-,5第二章,机械手的设计方案2.1机械手的类型和自由度的选择,-,62.2机械手的驱动方案设计-,62.3机械手的控制方案设计-,62.4机械手的手部构造方案拟定-,62.5,机械手的手臂构造方案设计-,-,62.6机械手的重要参数,-,72.7机械手的技术参数列表,-,7第三章,手部构造的选择,手臂伸缩的选择，升降、回转气缸的设计与校核3.1,夹持式手部构造,-,9,3.1.1,手指的形状和分类,-,9,3.1.2,设计时注意的问题,-,93.2升降缸的尺寸设计与校核和伸缩缸的选择,-,9,3.2.1,气缸的分类,-,9,3.2.2,升降缸的尺寸设计与校核,-,11,3.2.3,伸缩缸的选择,-,163.3,回转气缸的尺寸设计与校核,-,16第四章,气动系统设计,-,20第五章,机械手的PLC控制设计5.1可编程序控制器的选择,-,215.2机械手可编程序控制器控制方案,-,21,5.2.1,系统简介,-,21,5.2.2可编程序控制器的工作流程设计,-,21,5.2.3,可编程序控制器的存储区设计,-,225.3硬件、软件的设计与调试,-,23,5.3.1,系统硬件设计与组态,-,23,5.3.2,软件设计,-,23,5.3.3,硬件调试与系统调试,-,235.3.4,梯形图设计,-,235.3.5,机械手控制程序,-,23第六章,触摸屏上位机设计,-,25第七章结论,-,28结束语,-,29参照文献,-,30第一章,绪,论1.1,工业机械手的概述工业机器人是能模仿人体某些器官的功能(重要是动作功能)、有独立的控制系统、可以变化工作程序和编程的多用途自动操作装置。工业机器人在工业生产中能替代人做某些单调、频繁和反复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力锻造、热解决、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简朴装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完毕对人体有害物料的搬运或工艺操作。,“机器人”一词出自捷克文，意为劳役或苦工。19，捷克斯洛伐克故事家、剧作家恰佩克在她写的科学幻想戏剧罗素姆万能机器人中第一次使用了机器人一词。此后被欧洲各国语言所吸取而成为专门名词。20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基本上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；,60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并不久地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人构成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很注重研制和应用工业机器人。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的构成部分。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分构成。主体即机座和执行机构，涉及臂部、腕部和手部，有的机器人尚有行走机构。大多数工业机器人有,36个运动自由度，其中腕部一般有13个运动自由度；驱动系统涉及动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；圆柱坐标型工业机器人示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多种转动关节。工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和持续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的精拟定位，合用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；持续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，合用于持续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式辨别有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是以穿孔卡、穿孔带或磁带等信息载体，输入已编好的程序。示教输入型的示教措施有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按规定的动作顺序和运动轨迹操练一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按规定的动作顺序和运动轨迹操练一遍。在示教过程的同步，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的多种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉、力觉或简朴的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有辨认功能或更进一步增长自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完毕更为复杂的工作。1.2,机械手的构成及分类1.2.1机械手的分类机械手重要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所构成。如下示意图1-1.图1-1,机械手示意图1.2.2,机械手的分类工业机械手的种类诸多，有关分类的问题，目前在国内尚无统一的分类原则，在此暂按使用范畴、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手专用机械手是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、构造简朴、使用可靠和造价低等特点，合用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手等。2、通用机械手通用机械手是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范畴内，其动作程序是可变的，通过调节可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范畴大、定位精度高、通用性强，合用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现持续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其重要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、构造紧凑、动作敏捷。但对密封装置规定严格，否则油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不适宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现持续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤规定严格，成本高。2、气压传动机械手气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其重要特点是:介质李源极为以便，输出力小，气动动作迅速，构造简朴，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，并且气源压力较低，抓重一般在30公斤如下，在同样抓重条件下它比液压机械手的构造大，因此合用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的重要特点是运动精确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但构造较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手电力传动机械手即有特殊构造的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，由于不需要中间的转换机构，故机械构造简朴。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用以便。此类机械手目前还不多，但有发展前程。(三)按控制方式分1、点位控制点位控制的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几种点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增长电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、持续轨迹控制持续轨迹控制的运动轨迹为空间的任意持续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处在控制之下，可以实现平稳和精确的运动，并且使用范畴广，但电气控制系统复杂。此类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.3,PLC与触摸屏概述PLC(Programmable,Logical,Controller),一般称为可编程逻辑控制器，是一种以微解决器为基本，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，由于它拥有体积小、功能强、程序设计简朴、维护以便等长处，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱(即PLC、机器人和CAD/CAM)之一。人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，顾客可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来解决或监控管理及应付随时也许变化信息的多功能显示屏幕。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由纯熟的操作员才干操作，并且操作困难，无法提高工作效率。但是使用人机界面可以明确批示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简朴生动，并且可以减少操作上的失误，虽然是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线原则化、简朴化，同步也能减少PLC控制器所需的I/O点数，减少生产的成本同步由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。,触摸屏作为一种新型的人机界面，从一浮现就受到关注，它的简朴易用，强大的功能及优秀的稳定性使它非常合用于工业环境，甚至可以用于平常生活之中，应用非常广泛，例如:自动化停车设备、自动洗车机、天车升降控制、生产线监控等，甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调节。,随着科技的飞速发展，越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面，,PLC控制器强大的功能及复杂的数据解决也呼唤一种功能与之匹配而操作又简便的人机的浮现，触摸屏的应运而生无疑是21世纪自动化领域里的一种巨大的革新。1.4,国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几种趋势:(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。(2)机械构造向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化妆配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于原则化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化构造:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用老式的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配备技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)现代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最出名实例。1.5课题研究内容1.5.1课题的提出目前的机械手大多采用液压传动，液压传动存在如下几种缺陷:(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范畴，也许引起失火事故，并且影响执行部分的运动平稳性及对的性。(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。(3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平规定较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有如下长处:(1)介质提取和解决以便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，解决以便，一般不需设立回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，导致压力明显减少和严重污染。(3)动作迅速，反映敏捷。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生忽然断电等状况时，机器及其工艺流程不致忽然中断。(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，并且不会因温度变化影响传动及控制性能。(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此减少了气动元、辅件的材质和加工精度规定，制造容易，成本较低。老式观点觉得:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(特别在高速状况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，并且对于不太复杂的机械手，用气动元件构成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经获得的一系列重要进展过去简介得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。由“可编程序控制器-,传感器-,气动元件”构成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件,使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”;,省配线的复合集成系统,不仅减少配线、配管和元件,并且拆装简朴,大大提高了系统的可靠性。而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大,由PLC直接控制线圈变得越来越也许。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC,而阀岛技术的发展,又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。1.5.2课题的重要任务1、进行气动机械手的总体研究，并进行整体运动方式设计；2、对气动机械手气路理解，进行核心部件的研究，完毕气动阀座零件图。本课题采用的是南通大学电子气动控制系统实验台，3、设计气动机械升降臂回转臂部分构造，进行核心部件的设计计算；完毕气动机械手升降臂构造装配图、气动机械手回转臂构造装配图。设计的气动机械手伸缩行程10CM，升降行程5CM，旋转180度；抓握零件直径5,20，最大重量0.5KG,。4、完毕面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件设计与上位监控系统设计规定界面和谐,本课题所用操作版面是eview软件操作版面，其版面可简约成如下示意图机械手的操作版面如图1-2所示；示教图1-2,操作版面5、机械手的控制系统的设计:本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选用PLC型号为西门子S7-200，根据机械手的工作流程编制出PLC示教程序，规定程序可读性好。
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