機(jī)械電子學(xué)課程設(shè)計(jì)-物流自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)電系統(tǒng)研究

1、<p><b>　　作 業(yè)</b></p><p>　　課程名稱： 機(jī)械電子學(xué) </p><p>　　研究生姓名： 學(xué)號(hào)： </p><p>　　作業(yè)成績(jī)：

2、 </p><p>　　任課教師(簽名) </p><p>　　交作業(yè)日時(shí)間：2013年 1 月 16 日 </p><p>　　物流自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手</p><p><b>　　機(jī)電系統(tǒng)研究</b></p><

3、p>　　Analytical and Experimental on the Controlling Method at Manipulator</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文探討了工業(yè)機(jī)械手及其機(jī)電系統(tǒng)控制問題；對(duì)應(yīng)用單片機(jī)控制圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的具體方法作了深入細(xì)致的研究；所述“電磁鐵動(dòng)作時(shí)序圖”更加簡(jiǎn)明地反映了各電

4、磁鐵得失電的先后順序及相應(yīng)的得電持續(xù)率。文中所述方法對(duì)工業(yè)機(jī)械手的控制具有普遍意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機(jī)械手；單片機(jī)；機(jī)電系統(tǒng)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In this paper, first, how a manipulator works is explained and the

5、 fundamental principle of its electrohydraulic system is introduced. Next, the method is carefully studied that control it in single chip microcomputer. After that, the working circle of the manipulator is provided. Fina

6、lly, the results are given. The method introduced by us in this paper is of importance.</p><p>　　Keywords: Manipulator; Single chip microcomputer; Electrohydraulic</p><p><b>　　目 錄</b

7、></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　第2章 機(jī)械系統(tǒng)工作原理2</p><p>　　第3章 液壓系統(tǒng)工作原理4</p&g

8、t;<p>　　第4章 機(jī)電系統(tǒng)控制功能6</p><p>　　第5章 控制系統(tǒng)硬件7</p><p>　　第6章 控制系統(tǒng)軟件8</p><p><b>　　第7章 結(jié)束語(yǔ)8</b></p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)9</b></p><p&g

9、t;<b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　工業(yè)機(jī)器人誕生以來，已有數(shù)千萬(wàn)臺(tái)替代各領(lǐng)域中的生產(chǎn)工人出色地完成著極其繁重、復(fù)雜、精密、乃至充滿危險(xiǎn)的工作；并扮演著靈巧自如、不知疲倦“操縱者”的角色。</p><p>　　從另一意義上講，在一條自動(dòng)化程度很高的生產(chǎn)線上，真正用來加工產(chǎn)品的時(shí)間一般不大于整個(gè)生產(chǎn)時(shí)間的10%。由此可以看出，物流自動(dòng)化的迫切性和重

10、要性。物流自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手作為一種高效、簡(jiǎn)便的搬運(yùn)設(shè)備，經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展，其機(jī)電一體化程度日益提高，工業(yè)應(yīng)用技術(shù)日臻完善，并已成為現(xiàn)代制造業(yè)中的一個(gè)重要組成部分。</p><p>　　圖1 機(jī)械手的工業(yè)應(yīng)用</p><p>　　圖1所示為某企業(yè)產(chǎn)品包裝流水線，當(dāng)檢測(cè)到有次品時(shí)，即發(fā)出剔除信號(hào)，次品剔除機(jī)械手延時(shí)t1之后開始動(dòng)作，并將次品準(zhǔn)確無誤地剔除到次品傳輸帶上。產(chǎn)品的體積為282*90

11、*48，重量為10N，要求機(jī)械手在15s內(nèi)完成一個(gè)工作循環(huán)，其工作循環(huán)如圖4所示。</p><p>　　第2章 機(jī)械系統(tǒng)工作原理</p><p>　　機(jī)械手的種類很多，但按手臂坐標(biāo)類型來分主要有直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式幾種，如圖2所示。</p><p>　　其中圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手具有二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度。其特征是垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒，裝于

12、其上的手臂作上下直線運(yùn)動(dòng)；水平面內(nèi)手臂作順時(shí)針和逆時(shí)針擺動(dòng)；手指可抓取和松開。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直觀性好；運(yùn)動(dòng)節(jié)拍短，能滿足高速要求；動(dòng)作范圍大，易于與生產(chǎn)線上的傳送帶配合使用；且非常適合于搬運(yùn)作業(yè)。因此是應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械手。</p><p>　　圖2 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)類型</p><p>　　圖3 次品剔除機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3所示為該企業(yè)產(chǎn)品包

13、裝流水線次品剔除機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖。其升降運(yùn)動(dòng)通過升降油缸、垂直導(dǎo)柱、滑動(dòng)導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)軌及升降位置微動(dòng)開關(guān)相互配合完成。在整個(gè)升降行程中可實(shí)現(xiàn)低速啟動(dòng)、高速運(yùn)行、低速停止的合理工作過程，升降工作行程為0~1500mm。</p><p>　　其順時(shí)針和反時(shí)針擺動(dòng)通過擺動(dòng)油缸、軸向止推軸承、擺動(dòng)臂及擺動(dòng)位置微動(dòng)開關(guān)協(xié)調(diào)完成。同樣在整個(gè)擺動(dòng)行程中可實(shí)現(xiàn)低速啟動(dòng)、高速旋轉(zhuǎn)、低速停止的合理工作過程，擺動(dòng)工作行程為0°~

14、180°。軸向止推軸承主要是用來承擔(dān)彎矩，從而使擺動(dòng)油缸輸出軸只承受扭矩作用，以延長(zhǎng)其使用壽命。</p><p>　　為避免由于供電系統(tǒng)掉電或油路故障導(dǎo)致的被抓取物體自然墜落事故，必須采用常閉式抓取機(jī)構(gòu)。即通過彈簧抓取，柱塞松開。夾持力靠調(diào)整彈簧的預(yù)壓縮量來調(diào)節(jié)，且大小必須適中。手指的最小開口度由軸向限位擋環(huán)的厚度確定。另外，為保證機(jī)械手在工作過程中不損傷被抓取物體，要求抓取時(shí)動(dòng)作必須輕緩；但為保證較高

15、的工作效率，松開時(shí)必須迅速。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。</p><p>　　圖4 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)流程圖</p><p>　　第3章 液壓系統(tǒng)工作原理</p><p>　　如圖5所示為該機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖，它擁有手指抓取、松開，立柱上升、下降和手臂順時(shí)針、反時(shí)針擺動(dòng)三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。</p><p>　　圖5 機(jī)械手液壓系統(tǒng)圖</p>

16、<p>　　其中泵P由三相交流異步電動(dòng)機(jī)M拖動(dòng)；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)定；1DT的得失電決定了動(dòng)力源P的投入與摘除。</p><p>　　考慮到手指的輕緩抓取、迅速松開動(dòng)作，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個(gè)單向節(jié)流閥V5、V6。當(dāng)8DT得電時(shí)，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進(jìn)入柱塞缸，實(shí)現(xiàn)手指的快速松開；當(dāng)8DT失電時(shí)，柱塞缸中的工作液體在手指夾緊彈簧的作用下經(jīng)由節(jié)流閥V6回到液體箱，實(shí)現(xiàn)輕緩抓取。</p&

17、gt;<p>　　機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)速度的調(diào)節(jié)，由7DT控制閥和節(jié)流閥V4配合完成。當(dāng)7DT得電時(shí)，工作液體經(jīng)過V4，實(shí)現(xiàn)低速擺動(dòng)。當(dāng)7DT失電時(shí)，工作液體經(jīng)過7DT，實(shí)現(xiàn)高速擺動(dòng)。</p><p>　　機(jī)械手升降速度的調(diào)節(jié)方法與擺動(dòng)速度調(diào)節(jié)方法類似，只是它由4DT和V3配合完成。另外，由于升降機(jī)構(gòu)的下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下降時(shí)有增速的趨勢(shì)，為保證系統(tǒng)的安全性，采用%-構(gòu)成的平衡回路向升降油缸下腔

18、提供一定的排油背壓，以平衡重力負(fù)載。</p><p>　　圖6所示為機(jī)械手一個(gè)自動(dòng)工作循環(huán)的“電磁鐵動(dòng)作時(shí)序圖”。與傳統(tǒng)的電磁鐵動(dòng)作順序表相比，它不僅清楚明了地反映了各電磁鐵的得電順序，而且還進(jìn)一步明示了各電磁鐵的得電時(shí)間長(zhǎng)短和相互關(guān)系。它使設(shè)計(jì)者的意圖表現(xiàn)得更加淋漓盡致；使安裝調(diào)試者的工作更加簡(jiǎn)便易行；使設(shè)備操作過程更加一目了然。通過它，我們還可以直接看出各電磁鐵動(dòng)作的頻數(shù)。這也是本研究的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。</

19、p><p>　　圖6 機(jī)械手自動(dòng)工作循環(huán)電磁鐵得電時(shí)序圖</p><p>　　第4章 機(jī)電系統(tǒng)控制功能</p><p>　　通過控制面板反應(yīng)出來的機(jī)電系統(tǒng)控制功能在很大程度上決定了未來機(jī)電產(chǎn)品的面貌，并對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的整體和經(jīng)濟(jì)性能有著重大影響。因此，控制功能的綜合及優(yōu)選是機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最具活力，且又十分復(fù)雜、困難的階段。</p><p>　　圖7

20、機(jī)械手控制面板圖</p><p>　　圖7所示為該機(jī)械手控制面板。手動(dòng)操作功能除采用低速點(diǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作外，還具有返回原點(diǎn)功能；自動(dòng)操作功能是使調(diào)試完畢并處于原點(diǎn)位置的機(jī)械手在“啟動(dòng).停止”按鈕或“次品剔除信號(hào)”的控制下，按預(yù)定程序自動(dòng)進(jìn)行次品剔除工作。</p><p>　　第5章 控制系統(tǒng)硬件</p><p>　　控制系統(tǒng)硬件電路由CPU(AT89C51)、程

21、序存儲(chǔ)器（27C64）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（HM6264）、串行接口電路（MAX232）、并行接口電路（8255C）、光電隔離電路、掉電保護(hù)電路等組成。</p><p>　　如圖8所示，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為11.0592MHz；地址鎖存器選用74HC373；P1為備用端口，為防干撓，接10K的電阻排；AT89C51的P3.0、P3.1接MAX232芯片，作為與電腦COM口連接的串行口；P3.2、P3.3為外部中斷輸入，是系統(tǒng)的

22、緊急停止和停車信號(hào)輸入口；復(fù)位電路采用上電復(fù)位及手動(dòng)復(fù)位；為防干撓，各芯片的VCC端接0.1μF退耦電容；8255(1)為開關(guān)量輸入端口芯片，8255(2)為開關(guān)量輸出端口芯片。系統(tǒng)采用全地址譯碼，譯碼器選用74HC138，各存儲(chǔ)器及I/O接口芯片的地址編碼如下表1所列。</p><p>　　圖8 系統(tǒng)硬件電路電氣原理圖</p><p>　　表1 存儲(chǔ)器及I/O接口芯片的地址編碼表<

23、;/p><p>　　為防干撓，輸入/輸出采用光電隔離電路，輸入選用光耦MOC8101，輸出采用直流型固態(tài)繼電器（內(nèi)有光電隔離電路），數(shù)字地、模擬地通過開關(guān)電源隔離。為防止掉電時(shí)數(shù)據(jù)丟失，選用3.6V鋰電池作掉電時(shí)保護(hù)后備電源，當(dāng)比較電路檢測(cè)到電壓低于3.6V時(shí)，電池對(duì)HM6264VCC供電。</p><p>　　第6章 控制系統(tǒng)軟件</p><p>　　軟件采用模塊化方

24、式設(shè)計(jì)，包括主程序模塊，子程序模塊和中斷模塊。子程序包括上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抓取、松開、延時(shí)等子程序，中斷模塊有外部急停和停車中斷模塊，內(nèi)部接收、發(fā)送、中斷模塊等。</p><p><b>　　第7章 結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　工業(yè)機(jī)械手的機(jī)電控制技術(shù)一直是廣大科研工作者和工程技術(shù)人員所關(guān)注的問題。本文所述控制方法具有一定的普遍意義和應(yīng)用前景。</

25、p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 鐘約先. 機(jī)械系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制. 清華大學(xué)出版社,2001,4.</p><p>　　[2] 李華. MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社,1993,8. </p><p>　　[3] 陸祥生, 楊季蓮. 機(jī)械手理論及應(yīng)用. 中