基于PLC控制的教学型慧鱼机器人系统研究毕业论文.doc

《基于PLC控制的教学型慧鱼机器人系统研究毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC控制的教学型慧鱼机器人系统研究毕业论文.doc（57页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、专科学生毕业论文基于PLC控制的教学型慧鱼机器人系统研究系部名称： 职业技术学院 专业班级： 机电一体化技术 学生姓名： 指导教师： 黑 龙 江 工 程 学 院二一一年五月目 录摘 要3ABSTRACT4第一章 绪论51.1选题背景及意义51.2机器人及其相关技术概述61.2.1国内外机器人发展现状61.2.2机器人自动控制技术81.3课题的目标和主要研究内容91.3.1论文研究目标91.3.2论文主要研究内容9第二章 教学机器人的总体设计102.1机器人任务要求和技术参数102.2机器人运动形式的确定112.3机器人驱动方案的对比分析及选择122.4机器人传动方案的对比分析及选择132.4.

2、1腰部回转关节132.4.2手臂伸缩关节142.4.3手臂升降关节142.5控制系统总体方案142.6小结15第三章 教学机器人机械系统设计153.1机器人模块化设计方法153.2机器人手部设计163.2.1手部电机选择173.2.2手部传动方式选择173.3机器人手臂设计183.3.1手臂伸缩结构设计183.3.1.1伸缩电机选择183.3.1.2伸缩螺旋传动设计与校核193.3.2手臂升降结构设计203.3.2.1电动机选择及校核203.3.2.2升降螺旋传动设计与校核203.4机器人立柱设计203.4.1电动机选择213.4.2蜗杆蜗轮的选择213.5机器人实验组装223.5.1慧鱼创意

3、模型简介223.5.1.1机械构件223.5.1.2电气元件223.5.2机器人结构组装实验233.5.2.1手部组装233.5.2.2手臂组装233.5.2.3立柱组装233.5.3机器人总体结构图243.6小结24第四章 教学机器人PLC控制系统的硬件设计244.1机器人PLC控制系统的总体设计254.1.1 PLC控制系统的模式254.1.2 PLC控制系统的功能264.1.3 PLC控制系统的运行方式264.2机器人PLC机型的选择274.3机器人控制面板制作284.4 PLC控制系统硬件设计284.4.1 PLC输入输出端于确定284.4.1.1输入设备确定284.4.1.2输出设备

4、确定294.4.2 PLC的输入输出地址分配304.4.3 PLC输入输出配线314.5 PLC与上位机通信的硬件设计334.5.1 PLC与上位机通信的条件344.5.2 PLC与上位机通信的形式344.6小结35第五章 教学机器人PLC控制系统的软件设计355.1顺序控制的设计方法365.2PLC控制系统软件设计365.2.1控制系统的工艺流程365.2.2控制系统流程图375.2.3PLC梯形图设计375.3PLC与上位机通信程序设计405.3.1FX2N系列PLC的通信协议405.3.1.1数据格式415.3.1.2串行通信的参数设置415.3.1.3通信命令415.3.1.4控制代码

5、425.3.1.5数据传输格式425.3.2PLC通信程序流程435.3.3上位机监控程序设计435.3.3.1MSComm控件445.3.3.2上位机监控程序编制455.4PLC控制系统的调试485.4.1调试前的准备工作485.4.2程序调试495.4.3运行结果495.5小结49第六章 结论506.1全文工作总结506.2进一步研究设想51参考文献52致 谢55摘 要 随着机器人技术的发展和广泛应用，教学型机器人越来越受到科研单位以及高校的重视。本文以慧鱼创意组合模型为平台，设计并开发了一种教学型机器人三自由度机械手。首先对机器人的总体结构进行分析，确定驱动方案和传动方案，然后按照模块化

6、设计方法组装建立机械手结构，最后进行了机器人控制系统的研究。本文的重点是机器人的控制系统的设计。控制系统采用两级分布式构，包括下位机的现场控制和上位机的监测系统两部分。下位机采用可编程序控制器，上位机采用PC机，从硬件上进行了PLC选型、输入输出点的配置等，软件上采用顺序控制法编制了机器人的梯形图程序，并利用PLC的通信功能，采用Visual Basic开发了简单实用的监控软件，实现了远程控制机器人的目的。关键词：机械手，控制系统，可编程序控制器，监控软件 ABSTRACT With the rapid development and extensive application ofrobot

7、， the education robot is recognized by scientific research department and universityThe paper using Fischer model as a platform designs and develops an education robot3一DOF manipulator.First the paper analyzes the gross stmcture of the manipulator and confirms driving and transmission program，and th

8、en it builds up the manipulator in accordance with modular design methodAt last the paper researches the control system of the manipulatorThe paper focuses on control systemControl system adopts a distribute control system and contains two parts of field control system and PC monitor systemField con

9、trol system adopts PLC and PC as industry computerIt allocates PLC IO points from hardware and compiles the manual and automatic ladder program from soRwareBased on the PLC communication protocol and VB software a simple and practical monitoring soRware is compiled and remote operating the manipulat

10、or is realizedKEY WORDS：Manipulator，Control system，PLC，Monitoring software第一章 绪论1.1选题背景及意义机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术，其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家 工业自动化水平的重要标志。 国际标准化组织(ISO)对机器人的定义“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，

11、以执行各种任务。 工业机器人是机器人的主要研究类型，它并不是简单意义上代替人工的劳动， 而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上来说，机器人是机器进化过程的产物，是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机器人由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动设备，适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定和提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产

12、品的快速更新换代起着重要的作用。 随着现代科学技术的迅速发展，尤其是进入80年代以来，机器人技术的不断进步，其在各个领域的应用日益广泛，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发和研究列入国家高新技术发展计划。世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设机器人技术的有关课程。为了培养机器人开发、设计、生产、维护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设了机器人学课程。因此，教学型机器人越来越受到科研单位以及高校的重视。教育机器人是一类应用于教育领域的机器人，它一般具备以下特点：首先是教学适用性，符合教学使用的相关需求；其次是具有良好的性能价格比，特定的教学用户群决定了

13、其价位不能过高；再次就是它的开放性和可扩展性，可以根据需要方便地增、减功能模块，进行自主创新；此外，它还应当有友好的人机交互界面。我国目前国内的教育机器人产品近20种，包括上海广茂达公司生产的能力风暴智能机器人、西觅亚科技生产的乐高机器人、慧鱼公司生产的慧鱼机器人等。本文以慧鱼公司的创意组合模型为平台开发设计的教学机器人，以示教再现控制为主，可以很好地说明工业机器人的工作原理和工作过程。将其作为机器人学、机器人技术及机电一体化系统设计课程及机械电子工程专业的综合教学实验设备，不仅可以让学生在轻松愉快的氛围中充分理解相关课程的专业知识，而且可以激发学生的专业学习兴趣，让他们树立系统工程概念，培养

14、其独立开展科学研究的能力。因此，本教学机器人的研制成功，对机电一体化专业教学有着十分重要的意义。1.2机器人及其相关技术概述1.2.1国内外机器人发展现状机器人从20世纪50年代诞生以来，在短短的50多年里得到了迅速的发展，经历了第一代工业机器人的研究、实用化和普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。现代工业机器人起源于数控机床和远程控制器。1954年，美国GeorgeDevol首先把远程控制器的杆结构与数控铣床的伺服轴结合起来，研制出了第一台通用机械手。这种机械手可以通过让其沿一系列点运动，将运动位置以数字形式存储起来，动作执行时，使伺服系统驱动机械手

15、各关节轴来再现这些位置，从而让机械手完成一些简单的工作。正是由于这个机械手具有了编程示教再现功能，因此许多人把它作为现代工业机器人产生的标志。在随后的生产应用中，为了适应各种不同用途需要，相继出现了直角坐标、关节坐标、极坐标等许多种不同结构的机器人。与第一代示教再现型机器人不同，第二代机器人是具有感觉功能的适应控制机器人。这种机器人带有传感器，能感知环境和对象的情况以控制自身动作的变化。在机器人视觉、触觉研究的同时，机器人其他感觉功能的开发也已经开始，对机器人的接近觉、听觉以及会话等功能都进行了研究，并取得了一定的成果。这种有感知功能的机器人已被广泛应用于工业生产中的汽车制造、电子、机械等行业

16、，从事焊接、油漆、装配、包装、零件加工、搬运等专业性工作。目前，这类工业机器人占总数的70以上，全球正在工作的工业机器人共有74万，我国有3000台左右。智能机器人被人们称为第三代机器人，是能利用感觉和识别功能做决策行动的机器人。从七十年代后期开始，人们对智能机器人的规划生成系统(问题解决系统，路径搜索等)，环境的理解系统(感觉智能，包括视觉，触觉等)，知识获得与利用系统(知识工程和专家系统等)，人机接口系统，运动系统等问题展开了更加广泛深入地研究。智能机器人的研究是一个艰巨而又广泛的问题，随着研究的不断深入，相关科学的飞速发展，智能机器人在不久的将来一定会出现。国外专家预测，机器人产业是继汽

17、车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。据UNECE(联合国欧洲经济委员会)和IFR(国际机器人联合会)统计，从20世纪70年代起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入90年代，机器人产品发展速度加快，年销售量增长率平均在10左右；2004年增长率达到了创记录的20，其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，增长43。我国的机器人研究开发工作始于上世纪70年代初，到现在已经历了30多年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。特别是在“七五”、“八五”、九五”机器人技术国家攻关和“863高技术发展计划的重点支持下，我国的机

18、器人技术取得了重大发展。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。在机器人操作机研制方面：已开发出一些先进的操作机和特种机器人,如自动导引车AGV，壁面爬行机器人，重复定位精度为O.024m瑚的装配机器人；可潜入海底6000m的水下机器人，移动遥控机器人，主从操作机器人等，有些已达实用化水平并用于实际工程。在机器人的应用工程方面：目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线，装配机器人生产线，喷涂生

19、产线和焊装生产线。国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人工程设计和实施的能力，整体性能已达到国际同类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半，具有很好的性能价格比和市场竞争力。综上所述，我国机器人发展己跨过了起步阶段，走上了进步和发展的道路。今后的任务是把机器人技术推广到更多的工业自动化生产领域和其他更广泛的应用领域，大力开展跨国区域交流合作，与国际接轨，早日跻身于世界先进行列。1.2.2机器人自动控制技术 一个完善的机器人系统，必须由一个完善的机械系统和相应的控制器组成。一个完善的机械系统是机器人完成各种作业的必要条件：臂机构能把末端操作器伸到作业中任意的预定位置，

20、腕机构能保持任意的预定姿态，末端操作器能完成诸如夹持、释放等操作。机器人控制器的功能是控制机械系统的运动和操作，以满足作业要求。在各种作业中，机器人的运动主要表现为末端操作器沿预定的路径移动并保持预定的姿势，在运动中或在预定的某些位置上完成作业规定的操作。 为实现机器人的上述各种功能，每个机器人都配有相应的控制器。机器人控制器由一组硬件和软件组成，相当于机器人的“大脑”。作为机器人系统不可分割的一部分，机器人控制系统的工作原理、结构和机器人的功能、精度要求有密切关系。 随着计算机科学和自动化水平的不断提高，人们在各种领域内大量采用计算机控制系统。计算机控制系统的应用使得科学研究、工农业生产、工

21、艺实践的效率大大提高，同时也大幅度提高了产品和成果的质量。 可编程序控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)是应控制领域的要求而出现的。具有功能强、可靠性高、容易维护、应用灵活、体积小能耗低等优点，适用于开关量逻辑控制、运动控制、顺序控制和过程控制，可以进行数据处理，可以组成控制网络，是具有完整控制功能和数据处理功能的工业控制计算机。本文所要研究的机械手动作过程就是顺序运动，自动运行时完成夹取工件、手臂升降、手臂伸缩及腰部回转几个动作，按照控制任务一步一步进行，所以采用PLC作为控制器非常合适。通过研究比对，本文采用三菱公司的FX2N系列PLC进行机器人

22、控制系统的设计，完成控制功能。FX2N系列PLC是近年来三菱公司推出的高性能小型PLC，它有灵活多变的系统配置，还有许多特殊功能模块可以选用，功能强大，使用方便。1.3课题的目标和主要研究内容1.3.1论文研究目标 本文以慧鱼创意组合模型为平台，设计并开发了一种教学工业机器人三自由度机械手，并进行了机器人的系统研究。该机械手的机械结构可以实现反复拆装，无限组合；控制系统确定为以PLC为核心，控制机械手完成一系列复杂动作：如手爪张合，腰部回转，水平手臂伸缩和垂直手臂升降等动作。监控软件采用高级语言visual Basic开发，编制监控界面和通信程序，控制方便简单。1.3.2论文主要研究内容(1)

23、教学机器人总体设计 确定机器人的任务要求，根据任务初步拟定机器人的技术参数、运动形式、驱动方案、传动方案、控制系统方案等。 (2)机器人机械结构设计 按照模块化的设计方法，将机器人分为手部结构、手臂和立柱三部分，分别对各个结构的关键部件进行设计并校核，通过实验使用慧鱼零件搭建机械手的结构。 (3)控制系统的设计 本课题是一个典型的“计算机控制系统。从系统总体的角度而言，它应包括硬件和软件两大部分。从硬件角度考虑，机械手控制系统以开关量为主，因此采用PLC作为控制核心，主控计算机作为上位机。通过研究PLC的工作原理，选用合适的传感器作为输入信号，电动机作为输出信号，配置PLC输入输出端子，对PL

24、C的输入输出电路进行了详细说明，最后安装调试；上位机的主要任务是对现场采集来的信号进行显示、处理和动态监视，对机械手的每个动作进行开关操作。 软件设计包括PLC梯形图、状态转移图的设计和上位机监控软件的开发。通过编写PLC手动运行和自动运行的梯形图程序，完成机械手的动作；上位机监控软件的开发是通过对PLC网络拓扑结构和三菱PLC通信控制方法及通信协议等内容的研究，使用编制监控界面和通信程序，远程操作机械手的运动，实现把个人计算机建设成PLC控制系统终端的目的。第二章 教学机器人的总体设计 本课题所研究的教学型机器人即机械手系统是一个典型的机电一体化系统。所谓的机电一体化系统是指在系统的主功能、

25、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及软件等有机结合而构成的系统，即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行组合而形成的一种新型机械系统。机电一体化系统由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成。这三大部分可分为驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统，如图2-l所示。该机械手的设计就是依据机电一体化系统的组成原则进行的。图2-1机器人的系统组成2.1机器人任务要求和技术参数机械手以双工作台流水线上的工件为作业对象，完成上料和下料动作。上料主要完成：工件夹取垂直手臂

26、上升腰部旋转水平手臂伸出手臂下降手爪张开这一系列动作，将工件从储存处送到流水线的传送带上。下料完成：手臂下降手爪夹取腰部旋转手爪张开一系列动作，将加工好的工件从流水线的传送带上夹取到指定位置。该机器人的特点是动作灵活、通用性强、结构较紧凑，能灵活抓取工件。根据其用途和特点其技术参数如表2-1所示：表2-l机器人技术参数自由度数目3定位精度1mm负载能力（含末端执行器）0.3kg几何尺寸200mm*270mm*350mm运动范围腰部转动180手臂伸缩120mm手臂升降160mm最大展开半径220mm本体重量8kg驱动系统直流电机2.2机器人运动形式的确定 机器人手臂部分的主要功能是使机械手达到空

27、间的指定位置，一般需要有三个自由度。由各关节按不同的配置方法可组合成结构类型各异的机器人，其坐标形式也各不相同，最常见的机器人结构类型主要有下列几种。 (1)直角坐标型：通过沿xyz三个互相垂直的直角坐标的移动来实现末端执行器空间位置的改变。特点是定位精度高，结构简单，三个关节运动相互独立，其间没有耦合，但是这种形式机器人占地面积大，操作灵活型差。 (2)圆柱坐标型：由一个升降直线运动关节，一个圆周旋转运动关节和一个水平直线运动关节组合而成。这种结构优点是动作过程中负荷变动少，容易控制，缺点是动作区域狭窄。 (3)球坐标型：由二个回转运动关节和一个直线移动关节分别作为方向旋转关节、俯仰旋转关节

28、和径向直线运动关节组合而成。特点是占地面积小，工作空间较大，但是移动关节不易防护。 (4)多关节型：这类机器人由两个肩关节和一个肘关节进行定位，由两个或三个腕关节定向。其中一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰，这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。这种结构动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小。但是结构比较复杂。 (5)SCARA型：这种机器人由两个回转关节和一个移动关节组成。回转关节控制前后、左右运动；移动关节实现上下运动。特点是结构轻便、响应快。最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。针对本系统中机器人的任务要求，为了使它具有一定的操

29、作灵活性、较好的使用性和普及型，在结构设计上采用圆柱坐标型。机器人工作空间如图2-2所示。 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，其中不包括手爪(末端操作器)的开合自由度，手指的开合所具有的自由度不包含在内，因为这个自由度仅用于抓取工具，而对于工具的定位和定向不起作用。该教学机器人系统设计为三个自由度，分别为立柱回转(周向)，手臂升降运动(轴向)和手臂伸缩运动(径向)。机器人结构简图如图2-3所示。 图2-2机器人工作空间 图2-3机器人结构简图2.3机器人驱动方案的对比分析及选择 通常，机器人的驱动方式有以下几类： (1)气压驱动使用压力通常在O 40 6Mpa，最高可达1Mpa。气

30、压驱动主要优点是气源方便(一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气)，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低：缺点是功率质量比小，装置体积大，气源装置存在噪声问题，定位精度也不高。 (2)液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速；缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用于要求输出力较大，运动速度较低的场合。 (3)电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，以获得要求的机器人运动。由于具有易于控制、运动精度高、使用方便、成本低廉、驱动效率高、不污染环境等诸多优点，电气驱动是最普遍，应用最多的驱动

31、方式。 综合考虑各种驱动方式的优缺点，最后采用电气驱动。 电动机根据输出形式分，可阻分为旋转型和直线型。电动机在机器人中应用时，应主要关注电动机的如下基本性能： 能实现启动、停止、连续的正反转运行，且具有良好的响应特性； 正转与反转时的特性相同，且运行特性稳定； 维护容易，而且不用保养； 具有良好的抗干扰能力，且相对于输出来说，体积小，重量轻。 在机器人中，采用比较多的是直流电动机。因为它可以达到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反两个方向连续旋转运动平滑。因此，机械手的旋转、升降和伸缩部分及控制手爪的开合都采用直流电动机。2.4机器人传动方案的对比分析及选择 传动装置的作用是将驱动

32、元件的动力传递给机器人的执行部件，以实现各种预定的运动。目前常用的传动方式有：皮带轮传动、蜗轮蜗杆传动、行星齿轮传动、谐波减速传动以及螺旋传动等。谐波齿轮传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的缺点。行星齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点，是用于中等减速比传动，但存在齿轮间隙，难以实现正反转过程中精确位置要求，因此限制了它的广泛应用。蜗轮蜗杆机构常用于要求有大的传动比且传动过程中要求机构自锁的场合，这种方式安全性能高，但同样存在齿侧间隙，而且效率较低。皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑动，和链传动一样使用一段时间后易松弛，传动运转过

33、程中还产生动载荷，因此常用于传动精度要求不高的场合。螺旋传动也是将回转运动变换为直线运动的重要传动方式，有滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。丝杠螺母机构属于滑动螺旋传动，是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳、无噪声、并且能够自锁，且丝杠的螺旋升角较小，所以用较小的驱动力矩就可以获得较大的牵引力。滚珠丝杠副属于滚动螺旋传动，传动具有传动效率高、摩擦阻力小、运转平稳且能够有效消除传动间隙的优点，但是价格较高，因此滚珠丝杠螺母被广泛应用于要求较高的数控传动系统中。经过考虑，初步对各个关节进行设计。2.4.1腰部回转关节 机械手腰部回转运动，选用蜗杆传动，由于其结构紧凑，可以实现大的传动比等优点。考

34、虑到安装的位置要求，如图2-4所示，电动机的输出扭矩和转速先经过一对直齿圆柱齿轮减速，然后再经过蜗轮蜗杆传动，蜗杆为主动件，正向运行时不会发生自锁，只是效率相对来说有所降低。2.4.2手臂伸缩关节 机械手精度要求不是很高，在满足性能要求的基础上应考虑到经济性要求。因此，机械手水平手臂伸缩移动机构选用螺旋传动，由一对丝杠螺母副将电动机的旋转运动转换为水平手臂的直线移动，如图2-5所示。 图2-4周向回转关节传动方案 图2-5径向移动关节传动方案2.4.3手臂升降关节 机械手垂直手臂的升降关节，如2.4.2水平手臂伸缩关节传动方法一样，使用丝杠螺母副将电动机的旋转运动转换为手臂的升降移动。2.5控

35、制系统总体方案 本课题是一个典型的“计算机控制系统”。从系统总体的角度而言，它应包括硬件和软件两大部分。 硬件设计过程中经过分析，机械手控制系统以开关量为主，因此采用PLC作为控制核心比较合理。个人计算机作为上位机，组成PLC-PC两级控制系统。PLC适用于开关量逻辑控制和顺序控制，而且可以组成控制网络，是工业领域广泛使用的控制装置。上位机的任务是对现场采集来的信号进行显示、处理和动态监视。PLC根据输入端口传感器发送来的机械手的运行情况，按照预先根据控制规律设计的控制程序，自动地进行信息处理、分析和计算，做出相应的控制决策，并通过输出端口向机械手发出控制命令。PLC控制系统硬件设计需要配置输

36、入输出点，设计接线图并实际安装调试。研究PLC通信协议，使用编程电缆将PLC与PC机连接起来。 软件设计包括PLC梯形图的设计和上位机监控软件的开发。在计算机控制系统中，每个控制对象或控制任务都要有相应的控制程序，用这些控制程序来完成对象的不同要求。本课题采用三菱公司的FX系列PLC，所以系统软件采用三菱公司提供的SWOPC-FXGPWIN-C软件，编制控制梯形图程序。同时为了在过程控制中随时了解运动过程的状态，以及在发生事故时进行人工干预，要利用PLC的通信功能进行监控软件的开发，以便监测输入输出信号的状态并能远程控制机械手的动作。一般工业控制软件开发方式有两种：一种是使用通用软件，如：VB

37、、VC+进行开发；另一种是使用工业界流行的组态软件进行开发。使用VB进行开发成本比较低，设计的软件灵活，使用方便。综合考虑，本文采用VB进行监控软件的开发。2.6小结 本章根据机器人的任务要求，从机器人本体结构和控制方法对比分析入手，初步确定机器人的运动形式、驱动方案、传动方案和控制方案。第三章 教学机器人机械系统设计3.1机器人模块化设计方法 近几十年来，产品更新速度越来越快，加之市场竞争日益激烈，许多企业被迫走上了多品种、中小批量的生产方式。因此，传统的设计思想和制造方式已无法适应现代化社会多样化、快节奏的新要求。为适应这一转变，各种新思想、新方法，例如成组技术、计算机辅助技术等应运而生，

38、模块化思想也是其中之一。 模块设计的方法有很多，比较成熟的方法是基于功能结构的模块设计方法。这种方法首先是对产品进行功能分析，功能是系统必须完成的任务，也可以说是系统的用途，它是系统的输入与输出之间的总关系。各种系统都有一定的功能，功能基本上分为两类：一种是必要功能，它包括用户要求的基本功能，这在设计时是不能改变的；另一种是非必要功能，它不是根据用户的要求而是设计者主观加上去的功能。功能分析就是根据一定的逻辑关系把对象系统各组成部分的功能相互联系起来，从局部功能与整体功能的相互关系上研究对象系统的功能的一种方法。 模块式机械手是将一些通用部件，根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件

39、，以基座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。通过模块选择与组合以构成一定范围内的不同功能或同功能不同性能、不同规格的系列产品。并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便地改动或重新设计其新部件，能快速投产、降低安装和转换工作的费用。各模块如图3-l所示划分。图3-l机械手各模块组成机械手按其功能分析可分为基座、 立柱、手臂、手腕、手部模块。其中手臂模块和手部模块是该机械手的基本模块， 并可以细分为不同功能的局部模块。立柱模块和手腕模块为可选模块，如机械手手腕不需要旋转则可省略手腕模块。各部分连接件和关节具备一定的互换性和继承性，夹持式和

40、吸附式手部模块可以根据需要互换，根据各种实际情况需要还可以增加或减少功能模块。本系统中机械手包括立柱、手臂和手部三个模块，立柱用于机械手腰部的回转运动，手臂模块用于完成伸缩和升降运动，手部用于夹持工件。3.2机器人手部设计 机器人的手爪又称为末端执行器，是直接用于抓取和握紧专用工具(如喷枪、扳手、焊具等)并进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，安装在机器人手臂的前端。工业机器人的末端操作器是多种多样的，大致可分为夹钳式、吸附式、专用操作器和仿生多指灵巧手。夹钳式操作手是机器人广泛采用的一种手部形式，如图3-2所示。考虑到机器人主要抓取圆柱形物体，因此采用夹钳式平行连杆手爪。 1-手指；2-

41、传动机构；3-驱动装置；4-支架；5-工件图3-2夹钳式手部的组成3.2.1手部电机选择 手爪主要完成开合动作，采用普通直流电动机即可满足设计要求。 由设计要求知工件的重量m=O.3 kg，夹持点距离转轴的力臂约为35mm。 根据夹持力计算公式K1K2G (31) 式中：K1安全系数，通常选择122； K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可按照K2=1125选择； G工件重力。 在本系统中，K1=1.5，K2=2。 NK1K2G=1520398=8.82N 所以N=10N 所需夹持力矩M=NS=100.035=035Nm 电机的选择可按功率来选择，根据力矩与功率的关系式P= (32) 式中

42、：P电机功率； M转矩； n电动机转速。 本系统中，初选慧鱼元件中的小功率电机，进行校核。该电机额定转速n=5000转分，额定功率P=11W所以选择该电机满足要求。3.2.2手部传动方式选择手爪的传动方式有回转型和平移型，本课题所研制的机器人手部确定为夹钳式，采用回转型传动，如图3-3所示。驱动杆2末端与连杆4由铰销3铰接，当驱动杆2坐直线往复运动时，通过连杆推动两杆手指各绕其支点作回转运动，从而使手指松开和闭合。1-壳体2-驱动件3-铰销4-连杆5、7-圆柱6-手指8-V形手指9-工件图3-3手部传动方案图3.3机器人手臂设计手臂是机器人执行机构中重要的部件，它的作用是将被抓取的工件运送到指

43、定的位置。一般手臂有2个自由度，即手臂的伸缩和升降运动。根据总体方案中驱动和传动方式的设计方案，手臂伸缩运动和升降运动属于直线运动，选用螺旋传动。3.3.1手臂伸缩结构设计按照第2章总体设计的驱动和传动方案，手臂伸缩机构采用直流电动机驱动，经减速器减速，采用丝杠螺母传动。为了增加手臂刚度，防止在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，该机构需设置导向装置。本系统中的导向装置采用双导向杆结构。3.3.1.1伸缩电机选择 手臂作水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力和启动过程中的惯性力，所以驱动力F可参照文献23 公式F=Fm+Fg (3-3)式中：FM各支承处的摩擦阻力(N)； Fg启动过程中的惯性力(N)

44、，其大小可按公式(34)估算： Fg=Ma (3-4) 式中：M手臂伸缩部件的总质量(Kg)； a启动过程中的平均加速度(M/s2)，是速度增量与升降速所用的时间的比值。 根据手臂伸缩的速度v=004ms，速度从静止加速到工作速度的增量为0.04M/s，所用时间t=0.1s，所以a=v/t=0.04/0.1=0.4M/s2 已知机械手的承载能力为0.3kg，手臂质量2kg，总质量就为2.3kg。根据公式(3-4)计算： Fg=Ma=2.30.4=0.92N Fm=N=Mg=0.12.39.8=2.254N式中为摩擦系数，取0.1根据公式(33)驱动力，F=Fm+Fg=0.92+2.254=3.

45、174N根据文献24折算到电机的功率为P=FV，式中，为传动效率取70。所以手臂电机功率P=2W。根据计算出的功率，选取慧鱼组件中的小功率直流电机，额定功率11W，额定转速5000转分。3.3.1.2伸缩螺旋传动设计与校核螺旋传动机构由丝杠与螺母组成，它可以实现丝杠与螺母之间的旋转和直线运动的相互转换，多用于变旋转为直线运动，同时传递动力。螺旋传动结构简单，工作平稳可靠，有良好的减速和增力性能。螺旋传动最常见的运动型式是丝杠转动而螺母直线移动。螺旋传动按照用途可以分为三种： (1)传力螺旋，主要用来传递动力；(2)传导螺旋，以传递运动为主； (3)调整螺旋，用于调整和固定零件的相对位置。按照螺旋传动的摩擦