五自由度机械手,基于PLC控制毕业设计说明书

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1、目 录目录摘要Abstract第一章 绪论1 1.1 机器人的开展史 1 1.2 机器人的定义 2第二章 设计原理及目的4 2.1 设计的目的和意义 4 2.2 设计工程开展情况 4 2.3 设计原理 5第三章 五自由度机械手运动分析与计算 63.1 数学根底理论6 刚体位姿的表示和齐次变换 6 机器人运动学的D-H表示法8 3.2 五自由度机械手的机械结构方案设计与计算10 方案功能设计与分析10 对机械手的计算12第四章 机械手及模拟搬运设计17 4.1 控制方案的总体设计17 4.2 机械手的工作流程17 4.3 机械手的简介17 4.4 机械手的硬件设计18 4.4.1 PLC的设计1

2、9 4.4.2 PLC控制电路相对于电器控制电路的优点19 4.4.3 步进电机的设计20第五章 电路元气件及设备的选择225.1步进电机简介22 5.1.1步进电机简介22 5.1.2步进电机的根本参数22 5.1.3步进电机的一些特点23 5.1.4静力矩的选择24 电流的选择25 5.1.6 力矩与功率换算25 5.1.7 应用中的注意点265.2步进电机的选择275.2.1各项参数275.2.2步进电机驱动模块285.2.3 技术特点285.3 PLC局部295.3.1. 设备连接32 5.4 其他设备32第六章 控制系统的程序设计33 6.1 应用背景与要求336.2 组成局部33

3、关节限位控制33 工件坐标系的测量与计算34 机械手的张合控制34 公式之间的转换34 计算结果的存储346.3 机械手系统的工艺流程346.4 机械手控制系统功能设计分析366.4.1 PLC的资源分配36 机械手系统的控制程序36致 谢39设计小结40参考文献41附录一、流程图42附录二、PLC外部接线图43附录三、例如程序44附录四、翻译局部54摘要随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争剧烈，人工本钱上涨，以往人工操作的搬运和固定输送带为主的传统搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产本钱，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动

4、化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、平安性、降低生产本钱，减少环境污染，提高产品的质量及经济效益是企业生产所必须面临的重大问题。它集成自动控制技术、计量技术于一体的机电一体化产品，它利于控制，操作方便等优点。本设计就PLC在机械手上的应用作了详细的阐述。关键词：PLC 机械人AbstractAlong with sciences and technologys changing with each new day, the automaticity request is getting higher, market competition intense, labor cost rise

5、, formerly the manual control the transporting and the stationary conveyor belt tradition thing mode of transport primarily, not only takes the space not to be easy to change the production line structure, in addition needs the manpower monitor operation, increases the production cost, the original

6、production feeds the installment not to be able to satisfy current highly automated by far the need. Reduces the labor intensity, the safeguard production reliability, the security, reduces the production cost, reduces the environmental pollution, to enhance the product the quality and the economic

7、efficiency is the major issue which the enterprise produces must face. It integrates the automatic control technology, the Measurement Technique in a bodys integration of machinery product. This design on PLC, in the manipulator controlled on to serve as the detailed elaboration.Key Word: PLC Robot第

8、一章 绪论本章重点：本章通过对机器人的由来与开展、定义、分类及机器人技术研究等内容的介绍，使读者首先对机器人技术有一个概括的认识与了解。1.1机器人的开展史机器人技术与系统作为20世纪人类最伟大的创造之一，自20世纪60年代初问世以来，经历40多年的开展已取得实质性的进步和成果。在制造领域，目前世界上约有150多万台工业机器人正在各种生产现场工作。在非制造领域，如效劳机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，并且正迅速地向实用化迈进。机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在1920年捷克作家雷尔卡佩克Karel Capek所写的一个剧本

9、中，这个剧本的名字为?Rossums Universal Robots?，中文意思是“罗萨姆的万能机器人。剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力、“奴隶。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。机器人一词虽然出现得较晚，然而这一概念在人类的想象中却早已出现。制造机器人是机器人技术研究者、爱好者的梦想，代表了人类重塑自身、了解自身的一种强烈愿望。自古以来，就有不少科学家和杰出工匠制造出了具有人类特点或模拟动物特征的机器人雏形。西周时期，中国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是中国最早记载的具备机器人概念的文字资料。春秋后期，中国

10、著名的木匠鲁班在机械方面也是一位创造家，据?墨经?记载，他曾经制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日而不下，表达了中国劳动人民的聪明才智。东汉时代，著名科学家张衡不仅创造了地动仪、计里鼓车，而且创造了指南车，这些创造都是具有机器人设想的装置。计里鼓车每行进1里，车上的木人击鼓一下，每行10里，击钟一下；具有复杂轮系装置的指南车，车上木人运动始终指向南方，那么该车无论左转右转、上坡下坡，指向始终不变，可谓精巧绝伦。中国宋代科学家沈括在?梦溪笔谈?一书中，也记载有一个“自动木人抓老鼠的故事，“该木人名钟馗，身高三尺，能左手扼鼠，右手持铁简毙之，动作灵巧。三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地制造了木牛流马，用

11、其运送粮草，并用其中的机关“牛舌头巧胜司马懿，被后人传为佳话。木牛流马虽已失传，但其明显具有机器人的结构和功能。1662年，日本的竹田近江利用钟表技术创造了自动机器玩偶，并在大坂的道顿崛演出。1738年，法国天才大师杰克戴瓦克逊创造了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能机械化以进行医学上的分析。公元17681774年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人合作制造出三个像真人一样大小的机器人写子偶人、绘画偶人和弹风琴偶人。它们好似靠弹簧驱动，由凸轮控制的自动机器人，至今还作为国宝保存在瑞士纳切尔市艺术和历史博物馆内。自1920年之后，机器人成为很多科幻电影、科

12、幻小说的主人公。20世纪30年代末纽约世界交易会上放映的德国电影?大都市?中的Eleitro步行机器人和机器狗Spardo，20世纪70年代拍摄的电影?星球大战?中C3P机器人，使人们对机器人寄予很高的期望，而这些在当时的科学技术条件下是无法实现的。即使是现在，要造出有类似人的智慧、感情的机器人仍然是科学家的梦想和追求。现代机器人的研究始于20世纪中期。第二次世界大战期间19381945年，由于核工业和军事工业的开展，研制了“遥控操纵器Teleoperator，主要用于放射性材料的生产和处理过程。1947年，对这种较简单的机械装置进行了改良，采用电动伺服方式，使其从动局部能跟随主动局部运动，称

13、为“主从机械手Master-Slave Manipulator。19491953年，随着先进飞机制造的需要，美国麻省理工学院辐射实验室MIT Radiation Laboratory开始研制数控铣床。1953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。1954年，美国人乔治德沃尔George C.Devol研制出第一台电子可编程序的工业机器人可编程关节传送装置，它第一次使用示教再现的控制方式，并且在20世纪的后几十年中，得到惊人的开展。随后应运而生的数控技术和机械手，将工业机器人推上历史的舞台，成为现代加工制造业的中坚力量。1960年美国“联合控制公司Consolidated Contr

14、ol根据Devol的专利技术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation公司，开始定型生产名为Unimate的工业机器人。两年后，美国“机床与铸造公司AMF也生产了另一种可编程工业机器人Versatran。20世纪70年代，机器人产业的到蓬勃开展，机器人技术开展成为专门学科，称为机器人学Robotics。机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统，各种 结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃开展使机器人的控制性能大大提高，本钱不断地下降。20世纪80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业兴旺国家真正进入了实用化的普及阶段。

15、特别是随着传感器技术和智能技术的开展，开始进入智能机器人研究阶段。机器人视觉、触觉、力觉、听觉、接近觉等工程的研究和应用，大大地提高了机器人的适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。目前，对全球机器人技术开展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面那么居世界首位。机器人技术的开展推动了机器人学的建立，许多国家成立了机器人协会，美国 、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。1.2机器人的定义虽然现在的机器人已被广泛应用，且越来越受到人们的重视，而机器人这一名词却还没有一个统一、严格、准确的定义。不同

16、国家、不同研究领域的学者给出的定义也不尽相同，虽然定义的根本原那么大体一致，但是仍有较大区别。原因之一是机器人还在开展，新的机型，新的功能不断地涌现，同时，由于机器人涉及了人的概念，成为一个难以答复的哲学问题，就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了梦想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。随着机器人技术的飞速开展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断地充实和创新。下面给出一些有代表性的定义。 国际标准化组织ISO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机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程序操

17、作拉处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。 美国国家标准局NBS的定义 机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某写操作和移动作业任务的机械装置。 美国机器人协会RIA的定义 机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用的装置，通过可编程序动作来执行种种认为的、并具有编程能力的多功能机械手。 日本工业机器人协会JIRA的定义 工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的、能够移动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的同用机器。综上所述，概括各种机器人的性能，可以按以下特征来描述机器人：机器人的动作机构具有类似于人或其他生物某些器官肢体、感官等的功能；机器人具有通用性，工作种类

18、多样，动作程序灵活易变，是柔性加工主要组成局部；机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；机器人具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依赖于人的干预。1943年，科学家兼作家Isaac Asimov在“Run around一书中首次提出了机器人三定律：第一， 机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观；第二， 机器人必须觉绝对服从人类，除非这与第一原那么矛盾，第三， 机器人必须保护自身不受伤害，除非这与第一或第二原那么想矛盾。第二章 设计原理及目的2.1 设计的目的和意义工业机械手是近代自动控制领域出现的一项新技术，并以成为现代制造生产系统中的一个重要组成局

19、部。机械手的迅速开展是由于它的积极作用正为人所认识，其一，它能局部地代替人工操作；其二，它能按照工艺生产的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改变工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的正视，并投入了大量人力物力加以研究和应用。尤其在高温，高压，粉尘，噪声以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国。近几年也有较快的开展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。机械手一般分三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。

20、它可以任务的需要编制程序，已完成各项规定操作。它的特点是出具备机械的物理性能外，还具备通用机械。记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作，称为操作的，称为操作即。它源于原子，军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来开展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范围。第三类是专用机械手，主要是属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称“Mechanical Hand它是为主机效劳的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本工程设计的机械手模拟装配可归为第一类，即通用机械手自动化的音乐。在现代生产企业中，自动化

21、程度较高，大量应用到机械手。2.2设计工程开展情况目前工业机械手主要用于工件传送，焊接，装配，铸段，热处里等方面，无论数量，品种和性能方面都能满足工业生产开展的需要。在国内主要是开展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应的开展通用机械手，有条件的还要研制示教机械手，组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩，摆动，升降，横移，俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便与根据不同作用的要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时提高速度，减少冲击，正确定位，

22、以更换地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型，记忆再现型，以及具有触觉，视觉等性能的机械手，并考虑与计算机相连，逐步成为机械制造系统中一个根本单元。在机械制造业中，工业机械手应用较多，开展较较快。目前主要应用于机床。模锻压力机的上下料以及点焊，喷漆等作业，它可按照事先编制好的程序完成规定的作业。有些还具备有传感反响能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械手本身的损坏，但有了传感反响能力，机械手可以根据反响自行调整。2.3 设计原理机械手主要有执行机构，驱动机构，和控制系统组成。执行机构包括手部，手臂和躯干。手部装在手臂前端，可转动，开闭手指。机械手的手部的构造

23、系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量可分为二指，三指，四指等。其中以二指应用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般指真空吸盘或磁性吸盘。本设计采用真空吸盘构造。手臂有无关节臂和有关节臂之分。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确定位。总之，机械手的运动离不开直线和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸，摆动液压缸，电液脉冲马达，伺服液压马达，交流伺服电机，直流伺服电机和步进电机等。躯干是安装手臂，动力源和各执行机构的支架。

24、驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以电气、气动用的最多占90%以上；液压、机械驱动用的最少。液压驱动主要是通过液压缸、阀、液压泵和油箱等实现传动。它利用液压缸、液压马达加齿轮、齿条实现直线运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、动作平缓、可无级变速、自锁方便、并能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，本钱较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用46个大气压392588kPa，个别到达810个大气压785981 kPa。它的优点是气源方便，维护简单，本钱低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间停止，只能用于点位

25、控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈，本设计手爪、手臂局部采用气压驱动。电气驱动时，直线驱动可采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手那么考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护、使用方便。驱动机构和控制系统可以采用同一型式的动力，出力比拟大。本设计采用步进电动机驱动手臂运动，直流电动机驱动手爪和机械手的旋转运动。机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，工作速度高，本钱底；缺点是不易于调整。机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制

26、两种，目前以点位控制为主，占90%以上。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。对动作复杂的机械手那么采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。第三章 五自由度机械手运动分析与计算3.1 数学根底理论要建立五自由度机械手的运动学模型，首先要对机械手的运动学进行分析。它涉及到五自由度机械手运动学正、逆解问题，机械手关节雅克比矩阵等问题，特别是要研究关节变量空间和机器人末端执行器位姿之间的关系，并通过对机械手末端执行器沿特定轨迹的运动建立起机械手的雅克比矩阵，得到机械手各关节的运动速度。然后考虑引起这些运动的力和力

27、矩，建立机械手的运动学模型，这也是建立五自由度机械手动力学模型的根底。这里主要有以下几个问题：通过的结构参数和关节变量建立机械手运动学方程，描述关节变量空间和机械手末端执行器位置和姿态关系，解决机械手的运动学正问题和逆问题；建立机械手的雅克比矩阵，并用求导法求解关节变量空间和机械手末端执行器速度之间的关系；列出机械手运动学的方程。基于以上几个问题，下面阐述了将要用到的数学可力学理论。 刚体位姿的表示和齐次变换为了描述机械手本身的各连杆之间、机械手和环境之间的运动关系，并且忽略了机械手连杆的弹性变形，把机械手连杆作为刚体来研究。空间点P可以用它的相对于参考坐标系得三个坐标来表示：其中，和是参考坐

28、标系中表示该点的坐标。这种表示方法也可以稍做变化：将P点用向量形式写出并且参加一个比例因子w，那么P点表示为，其中，变量w可以为任意数，如果w=1时，各分量的大小保持不变；如果w=0时，x，y和z都是无穷大，表示一个长度为无穷大的向量，方向为该向量所表示的方向。因此本文常取w=1，向量表示参考坐标系中一点的位置；取w=0，向量表示参考坐标系中某一方向。一个刚体在笛卡尔空间表示可以这样实现：通过在它上面固连一个坐标系，再将该固连的坐标系在空间表示出来。只要这个坐标系可以在空间表示出来，那么这个物体相对于固定的参考坐标系的位姿也就了，如图3.1所示： 图3.1 空间刚体的表示如果用表示刚体上的运动

29、坐标系当前坐标系原点在参考坐标系中的位置向量，表示运动坐标系n轴在参考坐标系中的方向，表示运动坐标系o轴在参考坐标系中的方向，表示运动坐标系a轴在参考坐标系中的方向。因此刚体在参考坐标系中的位姿可以表示为： 3.1且满足三个向量互相垂直；每个单位向量的长度必须为1。这种形式的矩阵称为齐次矩阵。并且这样齐次矩阵逆矩阵为： 3.2如果保持现有的姿态不变，只是在参考坐标中位置发生改变，那么相对与固定参考坐标系的新坐标系的位置可以用原来运动坐标系的原点位置向量加上表示位移的向量求得。用矩阵形式表述。新的运动坐标系的表示可以通过坐标系左乘变换矩阵得到。新的坐标系位置为： 3.3其中，是平移向量相对于参考

30、坐标系x，y和z轴的三个分量。同理，如果刚体保持现有的位置不变，只是在参考坐标中的姿态发生改变，那么新运动坐标系的表示也可以通过坐标系左乘变换矩阵得到。例如，其中表示运动坐标系绕参考坐标系的x轴旋转的变换矩阵。这里给出运动坐标系绕参考坐标系的x轴，y轴和z轴旋转的变换矩阵：， ， 3.4为简化书写，习惯用符号表示，表示以下表示方法相同。复合变换是由固定参考坐标系或当前运动坐标系的一系列沿轴平移和绕轴旋转变换所组成的，任何变换都可以分解为按一定顺序的一组平移和旋转变换。注意，刚体也可能做相对于运动坐标系或当前坐标系的轴的变换，但这时本文需要右乘变换矩阵，而不是左乘变换矩阵，才能得到相对于运动坐标

31、系变换后的刚体的新位姿。 机器人运动学的D-H表示法Denavit-HartenergD-H模型表示了对机器人连杆和关节进行建模的一种非常简单的方法，可用于任何机器人构型，而不管机器人的结构顺序和复杂程度如何。并且D-H方法有其附加的好处，使用它已经开发了许多技术，例如，雅克比矩阵的计算和力分析等。除此之外，也可以应用螺旋理论作为D-H法的替代。假设机器人由一系列关节和连杆组成。这些关节可能是滑动线性的或旋转转动的，它们可以按任意的顺序放置并处于任意的平面。连杆也可以是任意的长度包括零，它可能被扭曲或弯曲，也可能位于任意平面上。所以任何一组关节和连杆都可以构成一个想要建模和表示的机器人。为此，

32、需要给每个关节指定一个参考坐标系，然后，确定从一个关节到下一个关节一个坐标系到下一个坐标系来进行变换的步骤。如果将从基座到第一关节，再从第一关节到第二关节直至到最后一个关节的所有变换结合起来，就得到了机器人的总变换矩阵。图3.2通用关节连杆组合的D-H表示图3.2表示了三个关节，每个关节都是可以转动或平移的，第一个关节指定为关节n，第二关节为关节n+1，第三个关节为关节n+2。在这些关节的前后可能还有其他关节。连杆也是如此表示，连杆n位于关节n与n+1之间，连杆n+1位于关节n+1与n+2之间。关节坐标系建立，应遵循以下几个原那么：1) 所有关节，都用z轴表示。如果是旋转关节，z轴位于按右手规

33、那么旋转的方向。如果是滑动关节，z轴为眼沿直线运动的方向。表示关节数n+1的z轴是。2) 如果表示与之间的公垂线，那么的方向将沿，指向方向。3) 轴按照右手坐标系的原那么确定。在这里为简化的原因省略了各坐标系的y轴未画。关节变量的定义如下：绕z轴的旋转角。d在z轴上两条相邻的公垂线之间的距离。a每一条公垂线的长度。两个相邻的z轴之间的关节扭转角度。通过以下4个标准步骤将坐标系移动到坐标系：1) 绕轴旋转，它使得和互相平行。2) 沿轴平移距离，使得和共线。3) 沿轴平移的距离，使得和的原点重合。4) 将轴绕轴旋转，使得轴与轴对准。这时坐标n和n+1完全重合。通过依次右乘表示四个运动的四个矩阵就可

34、以得到变换矩阵A，右乘的原因是所有的变换都是相对于运动坐标系当前坐标系的。3.5由此机械手的基座与手之间的总变换那么为： 3.6其中n为关节数。3.2 五自由都机械手的机械结构方案设计与计算 方案功能设计与分析机械手的手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能到达工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构型如图3.3。图3.3 几种机器人手臂构型手腕的构型也是有多种形式。三自由度的手腕通常有以下四种形式：BBR型、BRR型、RBR型、RRR型。如图3.4所示：图3.4

35、 四种三自由度手腕构型B表示弯曲结构，说明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度有变化。R表示转动结构，说明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度不变。BBR结构由于采用了两个弯头结构尺寸增加了，而RBR与前者相比结构紧凑。由于机械手的运动轨迹都要求机械手端面平行于某一固定工件平面，而且本系的末端执行器为两指式机械抓爪，即最后一旋转关节任意旋转对其姿态都没有影响，这样用两个旋转关节据可以使机械手的姿态满足要求，且机械结构更加简单，减轻了重量。综合考虑后确定该机器人具有五个自由度，其中手臂三个自由度确定机械手的位置，后两个自由度确定手的姿态，最其结构形式如图3.5所示

36、，实物图如图3.6所示：图3.5机械手的构型图3.6 机械手的实物图综上所述，该五自由度机械手由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有五个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰。该机械手的运动参数为：根本结构参数：腰部回转半径：610mm大臂，小臂长：220mm,220mm各个关节转动范围：关节1：关节2：关节3：关节4： 对机械手的计算SCORBOT-ER 4u机器人机械结构参数，采用D-H方法建立机器人坐标系，如图5.7所示。图3.7 SCORBOT-ER 4u机器人连杆模型根据机器人坐标系，列出其位姿矩阵，。 3.7 计算得到各位姿矩阵结果如

37、下： 3.8 采用解析法计算相应的运动学正逆解。其中，,运动学正解：根据，求解：。 3.9 (3.10)运动学逆解：，运用解析法根据，逆求解，。求解： 即： (3.11)化简后有： 3.12求解： 3.13化简后得到： (3.14) (3.15)求解： 3.16化简后令得到： 3.17求解： 3.18对上式化简后有：得到 3.19求解： 3.20对上式化简后有：得到 (3.21)上面求解的，在其角度允许范围，与实际角度可能存在着 的偏差，在程序中视实际情况取舍；而在范围内存在着两个可行解，其取舍需要根据实际的工作空间环境来定。第四章 机械手及模拟搬运的设计4.1 控制方案的总体设计本设计方案自

38、动装置采用关节式结构各动作由步进电机驱动控制，动作的先后顺序按照运行中的限位开关、定时器和中间继电器等控制，机械手主要的作用是完成工件在加工过程中的移动任务。本装置中的主要结构局部由机械手手臂、步近电机、抓爪、工作台等几局部组成。机械手手臂为曲线式的运动，由步进电机驱动。机械手抓爪的张、合等动作也均由步进电机驱动。4.2 机械手的工作的流程开始运行后，机械手回初始位置，机械手下盘开始转动，到达工件的新x，y坐标后停止；接着机械手的手臂开始下移，在下移的过程中，抓爪旋转至水平位置即到达y，z坐标；最后到达工件坐标x，y，z夹紧工件。由定时器延时一段时间后，机械手的手臂往后收缩一段距离后提起，下盘

39、开始转动；当到达加工坐标系的上方后停止，手臂下行，到达加工工作台后不动，松开工件撤出。机械手回初始位置，然后开始下个周期动作。4.3机械手的简介机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身平安，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件或工具的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动摆动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变

40、被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部

41、门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。（一） 机械手的机能和特性 根据古典力学的观点，物体在三维空间内的静止位置由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定。因此，抓握物体的位置和方向能从理论上求得。据资料介绍，如果采用的机械手，其机能要接近于人的上肢，那么需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要一根“人造肌肉。这样就需要安装27根重量轻、小型和高输出力的“人造肌肉。就目前的技术状况而言，上述功能还很难办到。而且把机械手的运动搞的那么复杂，动作彼此严重重叠也是完全不必要的。退一步，如果机械手要求具有完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共就要24个自由

42、度。这在实际上也是不必要的，这样会使机械手结构复杂，费用增多。因此，不应盲目模仿人手的动作，增加过多的自由度，而应该根据实际需要的动作。所以一般专用的机械手不包括握紧动作通常具有二到三个自由度。而通用机械手那么一般取四到五个自由度。本设计中设计的多关节式的机械手，它共有五个自由度。即：手臂伸缩、手臂上下摆动、手腕回转、手指抓握。(二)躯干和传统系统机械手的传动分液压、气压、电气和机械四种，本设计采用电气传动方式。1. 夹紧机构机械手手爪是用来抓取工件的部件。受爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。设计制造夹紧机构-手爪，首先要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力

43、的大小那么根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围，还需备多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损害被夹的物体，加紧力要限制在一定的范围内，并镶有软质垫片、弹簧衬垫或自动定心机构。为防止突然停电造成的被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身那么应结构简单、体积小、质量轻、动作灵活和工作可靠。2躯干 躯干由底盘和手臂两大局部组成。底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。手臂是由步进电机驱动，主要任务是完成工件搬运，它实现了工件的抓取等动作。本设计是应用机械手进行工件的抓取，实现了自动化的应用，是典型的机

44、电控制的结合和应用，从而在自动化的工业生产中得到越来越广泛的应用。4.4 机械手的硬件设计根据以上工作流程和控制要求分析我们可以知道本次设计可以利用单片机、电器和PLC等控制方式来进行控制，根据控制要求分析可知采用PLC控制比拟方便、经济、合理。因为可编程控制器具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用。4.4.1 PLC的设计根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。进行PLC选型时，根本原那么是满足控制系统的功能要求，同时要兼顾维修、备的通用性。对开关控制量的系统，当控制速度要求不高时，一般

45、的小型PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有局部模拟量控制的应用系统，如工业生产中经常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选择具有所需功能的PLC主机，还要根据需要选择相应的模块、配接相应的传感器、变送器和驱动装置等。 输入/输出点的点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩展,在实际统计I/O的点数根底上,一般加上10%-20%的备用点数。多数小型PLC为整体式,具有体积小、价格廉价等优点,适用于工艺

46、过程比拟稳定,控制要求比拟简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法,比整体式方便灵活,维修更换模块、判断与处理故障快速方便,适用于工艺变化多、控制要求复杂的系统。此外,还考虑用户存储器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。4.4.2 PLC控制电路相对于电器控制电路的优点1、控制方式上看：电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。2、工作方式上看：电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约。3、控制速度上看：电器控制速度慢，触点易抖动；而PL

47、C通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。4、定时、记数看：电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。5、可靠、维护看：电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。本设计控制的是电磁阀控制,同时利用脉冲控制步进电机的运转, 故利用SIMATIC S7-200系列PLC控制,它具有如下的特点:1.可靠性高，抗干扰能力强。2.配套齐全，功能完善，适应性强。3.易学易用，深受工程技术人员的欢送。4.系统的设

48、计、建造工作量小、维护方便、容易改造。5.体积小、重量轻、能耗低。关于的一些其他介绍我们将会在以后的章节中重点介绍。4.4.3 步进电机的设计本设计电机驱动局部采用的是二相八拍混合式步近电机，它驱动丝杆,支架实现移动,主要特点是：体积小，具有较高的启动和运行频率，有定位转矩等优点。型号56BYG250D。采用56BYG250D步进电机驱动器，主要由电源输入局部、信号输入局部。输出局部等。这局部的内容将在下面章节进行详细的介绍。第五章 电路元气件及设备的选择5.1步进电机简介步进电机简介步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机

49、按设定的方向转动一个固定的角度及步进角。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而到达调速的目的。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机那么转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进

50、电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机分三种：永磁式PM ，反响式VR和混合式HB。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反响式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反响式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反响式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次方案所选用的步进电机。5.1.2步进电机的根本参数电机固有步距角:它表示控制系统每发

51、一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8，这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数：它是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，那么相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩：它是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比方，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。DETENTTORQUE：它是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反响式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有D