引論：我們?yōu)槟砹?3篇機(jī)械手設(shè)計論文范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
11）掌握機(jī)械手動作流程。
2）掌握電氣控制元件的選擇與計算方法。
3）掌握PLC選擇與應(yīng)用。
三、設(shè)計要求
兩條傳送帶分別由電動機(jī)驅(qū)動，機(jī)械手有液壓缸驅(qū)動上下左右旋轉(zhuǎn)兩個方向運(yùn)動，液壓系統(tǒng)是1000W電機(jī)。設(shè)計要求
1）機(jī)械手由原位下降抓物上升右轉(zhuǎn)下降放物上升左旋原位結(jié)束。
2）用常用的電氣元件控制。
3）有工作狀態(tài)指示及照明。
4）有必要的電氣保護(hù)和聯(lián)鎖。
四、完成的任務(wù)
要求說明詳細(xì)，字跡工整，原理正確，元件選擇有理。圖紙規(guī)范，圖形清晰，符號標(biāo)準(zhǔn)，線條均勻。
（1）設(shè)計與繪制電氣控制原理圖，元件安裝布置圖、接線圖。
（2）畢業(yè)設(shè)計說明書（8000以上）
1）設(shè)計題目
2）控制原理說明設(shè)計方案論證
3）主要器件選擇依據(jù)與計算
4）元件明細(xì)表
5）設(shè)計總結(jié)及改進(jìn)意見
6）主要參考資料
五、 工廠電氣控制技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 主編 方承遠(yuǎn)
工廠電氣控制設(shè)備 機(jī)械工業(yè)出版社 主編 許廖
機(jī)床電氣控制技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 主編 王炳實(shí)
可編程序控制器的應(yīng)用技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 主編 王兆義
可編程序控制器的原理及程序設(shè)計 電子工業(yè)出版社 主編 崔亞軍
前言
由于可編程序控制器具有可靠性高、通用性強(qiáng)、程序設(shè)計簡單及便于安裝調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，它在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。社會對可編程序控制器技術(shù)人員的需長也越來越迫切。
可編程控制器的機(jī)型較多，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理相同，基本指令、控制功能和編程方法類似。本設(shè)計書以是用最廣泛的德國西門子可編程控制器為核心，主要介紹了可編程控制器的基礎(chǔ)知識、基本結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計、控制系統(tǒng)以及可編程序控制器在邏輯控制系統(tǒng)的模擬量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用等知識。本設(shè)計書結(jié)合了大量的圖形，使設(shè)計一目了然。并給出了程序調(diào)試，最后給出了主要的流程圖、梯形圖、詳細(xì)注釋及助記符語言等。
本設(shè)計書參考了眾多可編程序控制器教學(xué)用書，結(jié)合自己所掌握的知識，并由指導(dǎo)教師田林紅老師的指導(dǎo)下完成。在此真誠的衷心的感謝田老師的指導(dǎo)幫助。
由于本人水平有限，錯誤和不妥之處再所難免，敬請各位老師及各位讀者批評指正。
目 錄
前言...................................................（）
摘要...................................................（1）
一、電器控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r.............................（3）
二、PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理...........................（3）
1、PLC的基本結(jié)構(gòu)...................................（ ）
2、PLC的工作原理...................................（ ）
三、可編程控制器的特點(diǎn)及基本功能.......................（）
1、PLC的特點(diǎn).......................................
2、PLC的基本功能...................................
四、PLC的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢...........................（3）
五、PLC應(yīng)用中應(yīng)注意的若干問題.........................（4）
六、機(jī)械手移動工件的控制系統(tǒng)
1、機(jī)械手移動工件控制系統(tǒng)的基本機(jī)構(gòu)................（5）
2、機(jī)械手移動工件的控制要求與工作流程..............（6）
3、操作面板布置....................................（6）
4、控制系統(tǒng)構(gòu)成....................................（6）
七、梯形圖設(shè)計.........................................（6）
1、梯形圖的整體設(shè)計................................（6）
2、各部分梯形圖的設(shè)計..............................（8）
3、機(jī)械手的PLC控制梯形圖..........................（8）
4、程序語言............................... ........（8）
八、總結(jié)... ...........................................（26）
）
附錄...............................................
摘 要
在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣，增加了工人的勞動強(qiáng)度，甚至于危機(jī)生命。機(jī)械手就在這樣誕生了,機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸等機(jī)械器件組成；電氣方面有步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動模塊、傳感器、開關(guān)電源、電磁閥、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、氣動技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機(jī)電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機(jī)械手是由PLC輸出兩路脈沖，分別驅(qū)動橫軸、豎軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，控制機(jī)械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關(guān)將位置信傳給PLC主機(jī)；直流電機(jī)拖動手爪和底盤旋轉(zhuǎn)，位置信號由旋轉(zhuǎn)碼盤和接近開關(guān)反饋給PLC主機(jī)；電磁閥控制氣開閥的開關(guān)來控制機(jī)械手手爪的張合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精確運(yùn)動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運(yùn)機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運(yùn)動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。
關(guān)鍵字：
可編程控制器PLC；
機(jī)械手；
脈沖；
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器；
步進(jìn)電機(jī)；
直流電機(jī)；
傳感器；
限位開關(guān)；
電磁閥。
一、電氣控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r
在現(xiàn)代工業(yè)中,為了實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過程的要求,驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動的電器機(jī)械裝置稱為電力動。在電力拖動中，電動機(jī)是生產(chǎn)機(jī)械的原動力。必須根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，通過各種控制電器，自動實(shí)現(xiàn)其啟動、制動、反轉(zhuǎn)及調(diào)速等控制，從而產(chǎn)生了電氣自動控制技術(shù)。
20世紀(jì)20—30年代，人們采用繼電器及接觸器等元件控制電動機(jī)的運(yùn)行，這種制動系統(tǒng)稱為繼電器—接觸器控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護(hù)方便，因此被廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床和機(jī)械設(shè)備中。采用這種系統(tǒng)不但可以方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，而且還可以實(shí)現(xiàn)集中控制。目前，我國的大部分機(jī)床和其他機(jī)械設(shè)備仍舊采用繼電器—接觸器控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)是固定接線形式，故在改變生產(chǎn)工藝時需要重新布線，控制的靈活性較差。另外，該系統(tǒng)采用有觸點(diǎn)元件控制，動作頻率低，觸點(diǎn)易損壞，系統(tǒng)的可靠性差。
20世紀(jì)40年代，世界上出現(xiàn)了交磁放大機(jī)—電動機(jī)控制，這是一種閉環(huán)反饋系統(tǒng)，它利用輸出量與給定量的偏差進(jìn)行自動控制，其控制精度和快速性都有了提高。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了晶體管—晶閘管控制，到了70年展成為集成電路—晶閘管控制。由晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)不僅調(diào)速性能大為改善，而且減少了機(jī)電設(shè)備和占地面積，耗電少、效率高，已完全取代了交磁放大機(jī)—電動機(jī)系統(tǒng)。
在實(shí)際生產(chǎn)中，由于大量存在一些由開關(guān)量控制的簡單程序控制過程,而實(shí)際生產(chǎn)工藝和流程又是經(jīng)常變化的,因此需要一種能靈活改變程序的次新型控制器.于是,在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了一種能夠根據(jù)生產(chǎn)需要方便的改變控制程序,而又比電子計算機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的自動化裝置—順序控制.它是通過組合邏輯元件插接或編程來實(shí)現(xiàn)繼電器—接觸器控制線路功能的裝置,能滿足程序經(jīng)常改變的控制要求,使控制系統(tǒng)具有較大的靈活性和通用性,但它使用的依然是硬件手段,裝置體積大,功能也受到一定的限制.隨著大規(guī)模集成電路和微處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,上述控制技術(shù)也發(fā)生了根本變化,在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了以微處理器為核心的、用軟件手段來實(shí)現(xiàn)各種控制控制功能的新型工業(yè)控制器—可編程序控制器(PLC).它不僅充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)來滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時控制要求,而且還照顧到了現(xiàn)場電氣操作維護(hù)人員的技能和習(xí)慣,摒棄了微機(jī)常用的計算機(jī)程序語言的表達(dá)形式,獨(dú)具風(fēng)格地形成了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的形象編程語言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu),使用戶程序的編制清晰直觀,方便易學(xué),更容易調(diào)試和查錯.它已經(jīng)取代了繼電器—接觸器控制系統(tǒng),被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的生產(chǎn)過程控制中,具有通用性強(qiáng)、程序可變、編程容易、可靠性高、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),故目前世界各國已將它作為一種標(biāo)準(zhǔn)化通用設(shè)備普遍應(yīng)用于工業(yè)控制中.
電氣控制技術(shù)是隨著科學(xué)的不斷發(fā)展、生產(chǎn)工藝的不斷提高兒訊發(fā)展的。在控制方法上，它手動控制到自動控制；在控制功能上，它是從簡單到復(fù)雜；在操縱上，它笨重到輕巧;在控制原理上,它從由單一的有觸點(diǎn)接線的繼電器—接觸器控制系統(tǒng),到以微處理器為中心的軟件控制系統(tǒng).隨著新的控制理論和新型電器及電子元件的出現(xiàn),電氣控制技術(shù)還將不斷得到發(fā)展.
二、 PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理
1、 PLC的基本結(jié)構(gòu)
PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC的基本結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式結(jié)構(gòu)兩類。
1）.整體式結(jié)構(gòu)的PLC
整體式結(jié)構(gòu)的PLC由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等組裝在一起組成。
2）.模塊式結(jié)構(gòu)的PLC
模塊式結(jié)構(gòu)的PLC是將中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等分別做成相應(yīng)的模塊，應(yīng)用時將這些模塊根據(jù)控制要求插在機(jī)架上，各模塊間通過機(jī)架上的總線相互聯(lián)系。
3）.PLC各組成部分介紹
（1）、中央處理器（CPU）
中央處理器（CPU）是PLC的核心部分，相當(dāng)于PLC的“大腦”。它通過系統(tǒng)總線與用戶存儲器、輸入/輸出、通信端口等單元相連。通過制造廠家預(yù)制在系統(tǒng)存儲器內(nèi)部的系統(tǒng)程序完成各項任務(wù)。其主要功能是由編程器寫入控制程序和數(shù)據(jù)到存儲器、檢驗(yàn)用戶程序、從存儲器上讀取和執(zhí)行程序，還可以進(jìn)行PLC內(nèi)部故障的診斷等。
（2）、存儲器
根據(jù)存儲器存儲內(nèi)容的不同，我們把存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。
系統(tǒng)程序存儲器：用來存放系統(tǒng)軟件的存儲器。系統(tǒng)程序相當(dāng)于計算機(jī)操作系統(tǒng)。是PLC廠家根據(jù)選用的CPU的指令來編寫的，并固化到ROM里，用戶不能修改其內(nèi)容。
用戶程序存儲器：用來存放用戶根據(jù)控制要求編制的程序。不同類型的PLC，其存儲容量也不一樣。
數(shù)據(jù)存儲器：用以存放PLC運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)的存儲器。因?yàn)檫\(yùn)行中數(shù)據(jù)不斷變化，所以這種存儲器必須可讀寫。
（3）、輸入/輸出（I/O）單元
輸入/輸出（I/O）單元是PLC與此同時外部設(shè)備連接的紐帶。輸入單元接收現(xiàn)場設(shè)備向PLC提供的開頭量信號，經(jīng)過處理后，變成CPU能夠識別的信號。輸出單元將CPU的信號經(jīng)處理后來控制 外部設(shè)備的。
（4）、電源部分 （5）、通信端口
PLC的CPU模塊上至少有一個通信端口。通過這個通信端口PLC可以直接和編程器或上位機(jī)相連。
（6）編程器
幾乎每個PLC廠家都有自己的編程器。用戶通過編程器來編寫控制程序，并通過編程器接口將自己的控制程序輸入到PLC。它還可以在線檢測程序的運(yùn)行情況。在出現(xiàn)故障時，通過編程器可以很方便的找出錯誤。
（7）特殊功能單元
主要包括模擬量輸入/輸出單元、遠(yuǎn)程I/O模塊、通信模塊、高速計數(shù)模塊、中斷輸入模塊和PID調(diào)解模塊等。隨著PLC的進(jìn)一步發(fā)展，特殊功能單元的應(yīng)用也越來越多。
2、PLC的工作原理
PLC的工作原理與繼電器構(gòu)成的控制裝置一樣，但是工作方式不太一樣。繼電器控制是并行方式，即如果輸出或電，該線圈的觸點(diǎn)立即動作。而PLC則不同，它采用循環(huán)掃描技術(shù)，只是該線圈通電或斷電，并且必須當(dāng)程序掃描到該線圈時，該線圈觸點(diǎn)才會動作。也可以說，繼電器控制裝置是根據(jù)輸入和邏輯控制結(jié)構(gòu)就可以直接得到輸出，而PLC控制則需要輸入傳送、執(zhí)行程序、輸出3個階段才能完成控制過程。
PLC采用循環(huán)掃描技術(shù)可以分為3個階段：輸入階段（將外部輸入信號的狀態(tài)傳送到PLC）、執(zhí)行程序階段和輸出階段（將輸出信號傳送到外部設(shè)備）。
1)、輸入階段
在這個階段中，PLC讀取輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并把它們存入相應(yīng)的輸入存儲單元。
2)、執(zhí)行程序階段
在這個階段中，PLC按照由上到下的次序逐步執(zhí)行指令。從相應(yīng)的輸入存儲單元讀入輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，然后根據(jù)程序內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到運(yùn)算結(jié)果，并將這些結(jié)果存入相應(yīng)的輸出存儲單元。這一階段執(zhí)行完后，進(jìn)入輸出階段。在這個程序執(zhí)行中，輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)保持不變。
、輸出階段
在這個階段中，PLC將相應(yīng)的輸出存儲單元的運(yùn)算結(jié)果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊向外部設(shè)備傳送輸出信號，開始控制外部設(shè)備。
三、 PLC的特點(diǎn)及基本功能
1、PLC的特點(diǎn)
1）、編程簡單，易于掌握，PLC的設(shè)計者充分考慮到現(xiàn)場技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，經(jīng)常采用的是梯形圖方式的編程語言，它與繼電器控制原理圖相似，具有直觀，清晰、修改方便，易掌握等優(yōu)點(diǎn)，即便未掌握專門計算機(jī)的人也能很快熟悉，因而受到了廣大現(xiàn)場技術(shù)人員的歡迎。
2）、可靠性高，抗干擾能力 PLC是專為工業(yè)控制而設(shè)計的，由于采了一系列的措施，使之在惡劣的工業(yè)環(huán)境下仍能保證很高的可靠性，一般平均無故障時間可達(dá)到4-5萬小時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往電器控制系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)。
3）、通用性能好，PLC品種多，檔次高，同一以PLC可適用于不同的控制對象或同一對象的不同控制要求，同一檔次，不同機(jī)型的功能也能方便地相互轉(zhuǎn)換。
4）、功能強(qiáng)，PLC運(yùn)用了計算機(jī)、電子技術(shù)和集成工藝的最新技術(shù)，在
硬件和軟件兩方面不斷發(fā)展，使菘具備很強(qiáng)的信息處理能力，可進(jìn)行邏輯、定時，計數(shù)和步進(jìn)等控制，能完成A/D與D/A
5）、開發(fā)周期短 PLC在許多方面是以軟件編程來取代硬件接線實(shí)現(xiàn)控制功能，大大減輕了繁重的安裝接線工作，且編程簡單，程序設(shè)計和高度修改也很方便安全，因此，大大縮短了PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)周期。
6）、體積小，使用方便，由于PLC采用了半導(dǎo)體集成電路，其體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低，是機(jī)電技術(shù)的理想控制器，PLC編程簡單，自診斷能力強(qiáng)，能判斷和顯示自身故障，使操作人員檢查判斷故障方便迅速，而且接線少，維修時只需更換插入式模塊，維護(hù)方便，修改程序和監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)也容易。
2、PLC的基本功能
1）、邏輯控制 PLC具有邏輯運(yùn)算功能，它設(shè)置有“與”、“或”、“非”等邏輯指令，能工巧匠夠描述繼電器觸點(diǎn)的串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)等各種連接。因此它可以代替繼電器進(jìn)行組合邏輯與順序邏輯控制。
2）、定時控制 PLC具有定時控制功能。它為用戶提供了若干個定時器并設(shè)置了定時指令。定時值可由用戶在編程時設(shè)定，并能在運(yùn)行中被讀出與修改，使用靈活，操作方便。
3）、計數(shù)控制 PLC還具有計數(shù)功能。它為用戶提供了若干個計數(shù)器并設(shè)置了計數(shù)指令，計數(shù)值可由用戶在編程時設(shè)定，并可在運(yùn)行中被讀出與修改，使用與操作都很靈活方便。
4）、步進(jìn)控制 PLC能完成步進(jìn)控制功能。步進(jìn)控制是指在完成一道工序以后，再進(jìn)行下一步工序，也就是順序控制。PLC為用戶提供了若干個移位寄存器，或者直接有步進(jìn)指令，可用于步進(jìn)控制，編程與使用很方便。
5）、A/D、D/A轉(zhuǎn)換 有些PLC還具有“模數(shù)”轉(zhuǎn)換（A/D）和“數(shù)模”（D/A），功能，能完成對模擬量的控制與調(diào)節(jié)。
6）、數(shù)據(jù)處理 有的PLC還具有數(shù)據(jù)處理能力，并具有并行運(yùn)算指令，如兩個數(shù)據(jù)并行傳送、比較和邏輯運(yùn)算，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索、比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換等操作。
7）、通信與聯(lián)網(wǎng) 有些PLC采用了通信技術(shù)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O控制，多臺PLC之間可以進(jìn)行同位鏈接，計算機(jī)作為上機(jī)可對其命令并返回執(zhí)行結(jié)果，這種采用一臺計算機(jī)，多臺PLC組成的頒式控制網(wǎng)絡(luò)可完成圈套規(guī)模的復(fù)雜控制。
8）、監(jiān)控控制 PLC具有較強(qiáng)的監(jiān)控功能。在控制系統(tǒng)中，操作人員通過監(jiān)控命令可以監(jiān)視有關(guān)部分的運(yùn)行狀態(tài)，可以調(diào)整定時或計數(shù)設(shè)定值，因而高度、使用和維護(hù)都很方便。
四、PLC的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢
目前，PLC在國內(nèi)已得到了廣泛的應(yīng)用。利用PLC最基本的邏輯運(yùn)算、定時、記數(shù)等功能進(jìn)行邏輯控制，可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，廣泛用于機(jī)床、印刷機(jī)、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯的控制等。
較高檔次的PLC具有位置控制模塊，特別適用于機(jī)床控制。大、中型PLC具有多路模擬量輸入輸出和PID控制，可構(gòu)成模擬量輸入輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于過程控制。
隨著計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，國外近幾年興起自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，PLC與PLC之間，PLC與上位機(jī)之間連成網(wǎng)絡(luò)，通過光纜傳遞信息，構(gòu)成大型的多級分布式控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)）。PLC具有可靠性高、使用方便、編程簡單、體積小、重量輕等特點(diǎn)。目前，全世界PLC生產(chǎn)廠家約200多家，生產(chǎn)300多個品種。作為控制裝置，它在許多工業(yè)控制領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，PLC也得到了迅速的發(fā)展，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善。
& nbsp;PLC的主要發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
1、高速度、高I/O容量、功能強(qiáng)大
隨著CPU處理速度的提高，PLC程序執(zhí)行的速度也越來越快；在規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，相應(yīng)地使I/O的容量也得到增加；智能模塊的嗇，使PLC能夠?qū)崿F(xiàn)的功能越來越多。
2、強(qiáng)大的PLC聯(lián)網(wǎng)能力
隨著人們對工業(yè)自動化的要求越來越高，人們已經(jīng)不再滿足對幾個設(shè)備、幾條生產(chǎn)線的PLC控制，而是要求實(shí)現(xiàn)對全工廠的自動化 ，所以提高PLC控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能成為PLC的發(fā)展趨勢。以后人們不公能通過通信模塊進(jìn)行PLC與PLC、PLC與上位機(jī)之間的連接，還能通過撥號或者無線的方式使PLC聯(lián)網(wǎng)。
3、編程軟件多樣化
PLC的梯形力語言、助記符語言和功能模塊語言雖然使用方便，而且也能很好的實(shí)現(xiàn)控制要求，倡在處理一些高級功能（復(fù)雜運(yùn)算、報表生成和打印等功能）時存在明顯的不足，所以就要求高級語言（BASIC、C、FORTRAN等）、圖形語言、匯編語言兼容。這樣不公可以通過梯形圖語言、助記符語言和功能 模塊語言來編寫程序，也可以通過高級語言來編程。
五、 PLC應(yīng)用中應(yīng)注意的若干問題
本節(jié)主要介紹PLC在應(yīng)用過程中經(jīng)常遇到的一些對PLC的某些輸入信號的處理問題。
1、PLC輸入信號抖動的消除
在實(shí)際應(yīng)用中，有些開關(guān)輸入信號在接通過程中，由于外界干擾會出現(xiàn)時通時斷的“抖動”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在繼電器系統(tǒng)中由于繼電器的電磁慣性一般不會造成誤動作，沒什么影響。但在PLC應(yīng)用系統(tǒng)中，PLC是不斷掃描工作，掃描周期一般比繼電器動作時間短得多，抖動信號很可能被PLC檢測到，造成錯誤的結(jié)果。所以，必須對這些“抖動”進(jìn)行處理，已保證系統(tǒng)正常工作。
2、兩線式傳感器輸入的處理
如果PLC輸入設(shè)備采用兩線式傳感器（如接近開關(guān)、光電開關(guān)等）時它們的漏電電流較大，可能會出現(xiàn)錯誤的輸入信號。為了避免這種現(xiàn)象，可在輸入端并聯(lián)輸入電阻R，
旁路電阻R的阻值由下式確定：
I（Um∕InUn）∕（R+Un∕In）∕≤UL
式子中，I為傳感器的漏電流；Un、In分別是PLC的額定輸入電壓和額定電流；Um是PLC輸入電壓低電平的上限值。
3、 由晶體管提供輸入信號的處理
如果PLC輸入信號由晶體管提供，則要求晶體管的截止電阻應(yīng)大于10千歐姆，導(dǎo)通電阻應(yīng)小于800歐姆。
六、機(jī)械手移動工件的控制系統(tǒng)
1、機(jī)械手移動工件的基本機(jī)構(gòu)
機(jī)械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等，應(yīng)用非常廣泛。應(yīng)用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產(chǎn)效率。
如圖 [1] 所示，是一臺工件傳送機(jī)械手的動作示意圖。
其作用是將工件從A位置傳送到B位置。其上升、下降和左移、右移動作由雙線圈的兩位式電磁閥驅(qū)動氣缸來控制完成，一旦電磁閥線圈通電，就一直保持現(xiàn)有的機(jī)械動直到相對的線圈通電為止。另外夾緊、放松的動作由只有一個線圈的兩位式電磁閥驅(qū)動的氣缸控制完成，線圈通電，夾住工件，線圈斷電，放松工件（若擔(dān)心停電時的工件跌落，可選用通電時松開、斷電時夾緊的夾具）。
圖 [1]
2、機(jī)械手移動工件的控制要求與工作流程
機(jī)械手的全部動作由氣官缸驅(qū)動，而氣缸又有相應(yīng)的電磁閥控制。其中，上升/下降和左移/右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制。例如，當(dāng)下降電磁閥通電時，機(jī)械手下降；下降電磁閥斷電時，機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升電磁閥通電時，機(jī)械手才上升；當(dāng)上升電磁閥斷電時，機(jī)械手上升停止。同樣，左移/右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥控制。機(jī)械手的放松/夾緊由一個單線圈兩位置電磁閥（稱為夾緊電磁閥）控制。當(dāng)該線圈通電時，機(jī)械手夾緊；當(dāng)該線圈斷電時，機(jī)械手放松。
當(dāng)機(jī)械手右移到位并準(zhǔn)備下降時，為了確保安全，必須右工作臺無工件時才允許機(jī)械手下降。也就是說，若上一次搬運(yùn)到右工作臺上的工件尚未搬走時，機(jī)械手應(yīng)自動停止下降，用光電開關(guān)進(jìn)行無工件檢測。
機(jī)械手的動作過程如圖 [2] 所示。
圖 [2]
從原點(diǎn)開始，按下起動按鈕，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。下降到底時，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；同時接通加緊電磁閥，機(jī)械手夾緊。夾緊后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到頂時，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；同時接通右移電磁閥，機(jī)械手右移。右移到位時，碰到右限位開關(guān)，右移電磁閥斷電，右移停止。若此時右工作臺上無工件，則光電開關(guān)接通，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。下降到底時，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；同時夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手放松。放松后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到頂時，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止，同時接通左移電磁閥，機(jī)械手左移。左移到原點(diǎn)時，碰到左限位開關(guān)，左移電磁閥斷電，左移停止。至此，機(jī)械手由原位下降抓物上升右轉(zhuǎn)下降放物上升左旋原位結(jié)束。經(jīng)過八步動作完成了一個周期的動作。
3、操作面板布置
如圖 [3] 是可編程控制器控制盤面板布置圖
; 圖 [3]
機(jī)械手的操作方式分為手動操作方式和自動操作方式。
手動操作：就是用按鈕操作對機(jī)械手的每一步運(yùn)動單獨(dú)進(jìn)行控制。例如，當(dāng)選擇上/下運(yùn)動時，按下啟動按鈕，機(jī)械手下降；按下停止按鈕，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇左/右運(yùn)動時，按下啟動按鈕，機(jī)械手右移。當(dāng)選擇夾緊/放松運(yùn)動時，按下啟動按鈕，機(jī)械手夾緊；按下停止按鈕，機(jī)械手放松。
自動操作方式又分為步進(jìn)、單周期和連續(xù)操作方式。
步進(jìn)操作：每按一次啟動按鈕，機(jī)械手完成一步動作后自動停止。
單周期操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按一下啟動按鈕，機(jī)械手自動完成一個周期的動作后停止（如果在操作過程中按下停止按鈕，機(jī)械手停在該工序上，再按下啟動按鈕，則又從該工序繼續(xù)工作，最后停在原位）。
連續(xù)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按一下啟動按鈕，機(jī)械手的動作將自動地、連續(xù)地不斷地周期性循環(huán)。在工作中若按一下停止按鈕，則機(jī)械手將繼續(xù)完成一個周期的動作后，回到原點(diǎn)自動停止。
4、控制系統(tǒng)構(gòu)成
（1）控制系統(tǒng)圖
機(jī)械手移動工件控制系統(tǒng)圖如圖 [4] 所示
圖 [4]
（2）輸入/輸出端子地址分配
該機(jī)械手控制系統(tǒng)所采用的可編程控制器是由德國西門子公司生產(chǎn)的S7－200CPU214。如圖 [5] 是可編程控制器輸入輸出端子地址分配圖。
圖 [5]
該機(jī)械手控制系統(tǒng)共使用了14個輸入量，6個輸出量。
七、梯形圖設(shè)計
機(jī)械手的控制屬于順序控制，采用步進(jìn)指令，根據(jù)說明機(jī)器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的圖形，進(jìn)行程序設(shè)計。
1.梯形圖的整體設(shè)計
根據(jù)機(jī)械手的工作方式情況，在選擇“單步操作”時，應(yīng)執(zhí)行“單步操作”程序；在選擇“自動”方式時，應(yīng)執(zhí)行“自動程序”，故梯形圖的總體構(gòu)成應(yīng)如圖 [6] 所示。其中，自動程序要在啟動按鈕按下時才執(zhí)行。
圖 [6]
2.各部分梯形圖的設(shè)計
1）通用部分梯形圖設(shè)計
（1）狀態(tài)器的初始化：
初始狀態(tài)器S600在手動方式下被置位、復(fù)位。當(dāng)方式選擇開關(guān)處于“返回原位”（X501接通）時，按下返回原位按鈕（X505）時被置位；在“單步操作”（X500接通）時，S600復(fù)位。處于中間工步的狀態(tài)器用手動動作復(fù)位操作，即在方式選擇開關(guān)位于“單步操作”或“返回原位”時，中間狀態(tài)器同步復(fù)位，故初始化梯形圖如圖 [7] 所示（如果狀態(tài)器要在供電時從斷電前條件開始繼續(xù)工作，則不需要M71）。
圖 [7]
（2）狀態(tài)器轉(zhuǎn)換啟動：
若機(jī)械手工作在自動工作方式下，當(dāng)初始狀態(tài)器S600被置位后，按下起動按鈕，輔助繼電器M575工作，狀態(tài)器的狀態(tài)可以一步步向下傳遞，即可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在執(zhí)行“連續(xù)操作”程序時，轉(zhuǎn)換啟動繼電器M575一直保持到停機(jī)按鈕按下為止。另一方面，采用M100檢查機(jī)器是否處于原位。當(dāng)M575和M100都接通時，從初始狀態(tài)器開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其梯形圖如圖 [8] 所示。
圖 [8]
（3）狀態(tài)器轉(zhuǎn)換禁止梯形圖：
激活特殊輔助繼電器M574，并用步進(jìn)指令控制狀態(tài)器轉(zhuǎn)換時，狀態(tài)器的自動轉(zhuǎn)換就被禁止。
在“單周期”工作期間，按下停止按鈕時，M574應(yīng)被激勵并自保持，操作停止在現(xiàn)行工步。當(dāng)按下啟動按鈕時，從現(xiàn)行工序重新開始工作，M574應(yīng)復(fù)位，即重新允許轉(zhuǎn)換。
圖 [9]
在“步進(jìn)”工作方式時，M574應(yīng)始終工作，此時，禁止任何狀態(tài)轉(zhuǎn)換。但每按下一次啟動按鈕時，M574斷開一次，允許狀態(tài)器轉(zhuǎn)換一步。
在“手動”工作方式（單一操作，返回原位）情況下，禁止進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在手動方式解除之后，按下啟動按鈕，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換禁止解除，M574復(fù)位。
PLC在啟動時，用初始化脈沖M71使M 574自保持，以此禁止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換。直到按下啟動按鈕。狀態(tài)器轉(zhuǎn)換禁止體形圖如圖 [9] 所示。
通過對圖 [8]、圖 [9] 分析可得出：在執(zhí)行“單步操作”和“返回原位”程序時，M575一直不能被接通，而M574長期被接通（按下啟動按鈕時除外）；執(zhí)行“步進(jìn)”程序時，每按一次啟動按鈕，M574斷開一次，M575接通一次，狀態(tài)器轉(zhuǎn)換一次；在執(zhí)行“單周期操作”程序時，按下啟動按鈕，M574斷開，M575接通，狀態(tài)器的狀態(tài)可一步一步向下轉(zhuǎn)換，直至按下停止按鈕時，M574自鎖，狀態(tài)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換被禁止，操作停止現(xiàn)行工序（再次按下啟動按鈕時從現(xiàn)行工序開始工作）；在執(zhí)行“連續(xù)操作：程序時，M575一直接通到按下停止按鈕，此時M574一直不能接通。
2）單步操作梯形圖 ：
圖 [10]
3）返回原位梯形圖 ：
在“返回原位”狀態(tài)下，“夾緊”與“下降”動作應(yīng)被停止，上限位未動作時應(yīng)進(jìn)行“上升”；上限位動作時，“右行”動作應(yīng)停止，并左行至左限位位置。返回原位梯形圖如圖 [11] 所示。
圖 [11]
4）“自動”狀態(tài)流程圖 ：
如圖 [12] 所示
圖 [12]
圖 [12] 表示了機(jī)械手自動工作時執(zhí)行各工步的情況。表明了各工步的實(shí)現(xiàn)以及各工步的轉(zhuǎn)換條件。在第一次下降工步中，下降電磁閥Y430接通。自下限位置時，X401接通，轉(zhuǎn)化為“夾持”過程。在夾持工步中，夾持電磁閥Y731置位，同時驅(qū)動T450。T450接通后，轉(zhuǎn)化為第一次上升。此后執(zhí)行類似的操作，完成由初始條件到下一個初始條件的一系列操作。在夾持輸出Y431置位后，保持夾持，直到夾持輸出復(fù)位松開。如上所述一步一步按順序驅(qū)動各個負(fù)載動作，稱為順序控制或過程步進(jìn)型控制。這種控制過程用繼電器符號程序很難實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計。
用狀態(tài)器替代自動工作流程圖中的各個工步，可得到圖 [13] 所示的功能表圖。初始狀態(tài)在圖中用雙線框表示。
圖 [13]
根據(jù)圖 [13] 的功能表圖，可設(shè)計出自動操作時的梯形圖，
如圖 [14]所示。
圖 [14]
3.繪制機(jī)械手PLC控制梯形圖 &n bsp; 圖 [15-1]
該機(jī)械手在自動工作時，應(yīng)先將其工作方式選擇開關(guān)放在“返回原位”，并按下返回原位按鈕，對狀態(tài)器進(jìn)行置位，然后再將工作方式選擇開關(guān)放至自動工作方式下。若自動工作狀態(tài)解除，則應(yīng)將工作方式選擇開關(guān)放至“單步操作”位置 。
4、程序語言：
0 LD X501 30 AND X503
1 AND X505 31 OR X502
2 S S600 32 OR X500
3 LD X500 33 OR X501
4 R S600 34 OR M71
5 LD X500 35 OR M574
6 OR X501 36 ANI M101
7 OR &nbs 陳立定、吳玉香、蘇開才 編
7.《電器及PLC控制技術(shù)》 機(jī)械工業(yè)出版社 主編 黃凈
8.《機(jī)床電器與PLC 》 西安電子科技大學(xué)出版社 主編 李偉
9.《PLC應(yīng)用開發(fā)技術(shù)與工程實(shí)踐》 人民郵電出版社 求是科技
10.《PLC實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書》 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 主編 路劍
11.《可編程控制器的原理與應(yīng)用》 北京希望電子出版社 主編 史增芳
附錄：
表1 數(shù)字量輸入地址定義
地 址 符 號 定 義 備 注
I0.0 啟動按鈕
I0.1 下限位 下限位開關(guān)
I0.2 上限位 上限位開關(guān)
I0.3 右限位 右限位開關(guān)
I0.4 左限位 左限位開關(guān)
I0.5 無工件檢測 無工件檢測開關(guān)
I0.6 停止按鈕
I0.7 單操作 單步方式開關(guān)
I1.0 步進(jìn)操作 步進(jìn)方式開關(guān)
I1.1 單周期操作 單周期方式開關(guān) I1.3 左與右
I1.4 上與下
I1.5 夾與松
表2 數(shù)字量輸出地址定義
地址 符 號 定 義 備 注
Q0.0 下降電磁閥 下降電磁閥線圈
Q0.2 夾緊電磁閥 松開/夾緊線圈
Q0.1 上升電磁閥 上升電磁閥線圈
篇2
中國在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，把“服務(wù)機(jī)器人”研發(fā)作為重點(diǎn)項目。機(jī)械手是“服務(wù)機(jī)器人”的關(guān)鍵部位，在各種護(hù)理機(jī)器人、陪護(hù)機(jī)器人、中醫(yī)按摩機(jī)器人中，機(jī)械手是機(jī)器人完成“服務(wù)”任務(wù)必不可缺的一部分。設(shè)計并制造具有感知能力的擬人化機(jī)器手，并對擬人機(jī)械手的材質(zhì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制技術(shù)進(jìn)行了深入的調(diào)查研究。將微小型步進(jìn)電機(jī)和齒輪減速器引入擬人化靈巧機(jī)械手設(shè)計結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的大扭矩抓取和擬人化；機(jī)械手裝有位置、力、力矩等多種傳感器，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手認(rèn)知能力，且所有部件均集成在手指和手掌內(nèi)。開發(fā)具有認(rèn)知能力的擬人化靈巧機(jī)械手集機(jī)、電、計算機(jī)軟硬件、信號源處理于一體。有5個相同結(jié)構(gòu)的模塊化手指，具有擬人化手形外觀及認(rèn)知抓取能力。通過對擬人化靈巧機(jī)械手的研究，帶動更多前沿學(xué)科與機(jī)器人技術(shù)的交叉和融合，促進(jìn)我國“機(jī)器人”的進(jìn)一步發(fā)展，提高其技術(shù)水平和國際競爭力。
1 仿人機(jī)械手工作機(jī)理分析
仿人機(jī)械手主要由手掌、手指機(jī)構(gòu)、拇指機(jī)構(gòu)和所有的手指驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。手掌內(nèi)放的驅(qū)動直流小電機(jī)，節(jié)約了手的空間，縮小了體積；手指機(jī)構(gòu)包括小指、無名指、中指和食指，它們都由相同的構(gòu)件組成，包括兩個關(guān)節(jié)前指和后指，前指和后指使用螺釘連接，可以減小手指的大小。各指之間使用軸連接，用軸套保持之間的距離，防止發(fā)生碰撞。拇指機(jī)構(gòu)是單獨(dú)的零件體，單獨(dú)與四指機(jī)構(gòu)用連桿連接，減小了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，有利于優(yōu)化機(jī)構(gòu)。傳動機(jī)構(gòu)包括電機(jī)軸齒輪、減速齒輪、驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)的半齒和帶動拇指的連桿組成。仿人機(jī)械手運(yùn)動的過程是以手掌為基座，電機(jī)固定在手掌內(nèi)，帶動齒輪實(shí)現(xiàn)各級減速，半齒連接在四指上，當(dāng)半齒轉(zhuǎn)動時帶動四指張合，四指和拇指是由連桿連接，所以四指動的時候拇指也隨之而動，且與四指相反，從而最終實(shí)現(xiàn)物體抓握。
2仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖3-1仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
如圖3-1所示為基于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。其工作方式如下：
其中MCU為單片機(jī)處理器，信號采集模塊包括位置傳感器模塊和力矩傳感器模塊。這兩個傳感器模塊的主要功能是檢測對被抓物體的夾緊力地大小，同時生成模擬量的電信號，然后再通過單片機(jī)內(nèi)部自帶有的A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)將得到的數(shù)字信息存儲起來，等到要處理的時候進(jìn)行處理。
當(dāng)單片機(jī)根據(jù)采集到的夾緊力對應(yīng)的電壓信號來算得手指的運(yùn)動的位移，向外部驅(qū)動電路發(fā)送不同的位移信息。外部的電機(jī)驅(qū)動器將接收到的數(shù)字信息進(jìn)行處理，最后進(jìn)行對電機(jī)運(yùn)行的控制。
2.2控制器芯片的選擇
在設(shè)計控制系統(tǒng)的過程中，對控制芯片的選擇至關(guān)重要，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性，性能和價格等方面考慮選擇STC15F204EA單片機(jī)。
STC15F204EA系列單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的單時鐘機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速、高可靠、低功耗、抗干擾的新一代8051單片機(jī)，可設(shè)置5MHZ-35MHZ寬范圍頻率，可徹底省掉外部昂貴的晶振，自帶8路高速A/D轉(zhuǎn)換功能，無需在系統(tǒng)再搭建模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
2.3電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計
2.3.1驅(qū)動芯片的選擇
L293是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、小電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用16腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)36V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)2A，持續(xù)工作電流為1A。內(nèi)含兩個高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和繼電器線圈等感性負(fù)載；該芯片可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。引腳P1用于M1電機(jī)PWM輸入控制，引腳P2用于M2電機(jī)PWM輸入控制。
2.3.2單片機(jī)與驅(qū)動器之間的接線與參數(shù)設(shè)置
本文所采用的單片機(jī)STC15F204EA可以控制驅(qū)動器L293驅(qū)動兩臺微電機(jī)。分別是M1和M2。引腳P1、P2可用于接收單片機(jī)輸出的PWM脈寬調(diào)制信號以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)是通過D1和D2兩個端口控制的，輸入信號端D1接高電平，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，如果接低電平，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。控制另一臺電機(jī)是同樣的方式，驅(qū)動器L293輸入信號端D2接高電平，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)，PWM信號端P1控制電機(jī)M1速度，PWM信號端P2控制電機(jī)M2速度。下圖3-2為仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)接線原理圖，詳細(xì)地繪制了單片機(jī)控制驅(qū)動器并連接兩臺電動機(jī)的工作過程。
圖3-2 控制系統(tǒng)接線原理圖
3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
本控制系統(tǒng)所采用STC15F204EA單片機(jī)對應(yīng)晶振為12MHZ，利用定時器控制產(chǎn)生占空比可變的PWM脈沖信號。PWM輸出范圍為0% -100%，PWM的周期1ms，頻率1KHZ，且輸出低電平有效。
如下是控制機(jī)器人左右機(jī)械手運(yùn)動的兩臺直流電機(jī)PWM調(diào)速的部分程序
#include；
Sbit KEY_M1_SW =P1^0//M1：啟動或停止；
Sbit KEY_M1_DR =P1^1//M1：正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；
Sbit KEY_M1_ADD =P1^2；//M1：PWM加一；
Sbit KEY_M1_SUB =P1^3；//M1：PWM減一；
Sbit KEY_M2_SW =P1^4；//M2：啟動或停止；
Sbit KEY_M2_DR =P1^5；//M2：正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；
Sbit KEY_M2_ADD =P1^6；//M2： PWM加一；
Sbit KEY_M2_SUB =P1^7；//M2： PWM減一；
//輸出控制引腳；
Sbit PWM1_OUT=P3^0； //M1：PWM的輸出腳；
sbit MOTOR1_DR=P3^1；//M1：電機(jī)轉(zhuǎn)向控制；
sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的輸出腳；
sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：電機(jī)轉(zhuǎn)向控制；
sbit BEEP=P3^7；//蜂鳴器；
//電機(jī)的占空比；
Unsigned char PWM1_value=50；//賦初值 50%；
Unsigned char PWM2_value=50；//賦初值 50%；
主程序
Void main（void）
{
PWM_INIT（）：//PWM初始化
While（1）
{
KEY_SCAN（）：//按鍵掃描
}
}
4結(jié)論
本文設(shè)計了一種仿人機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了仿人機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，拆卸方便，各手指間都可安裝傳感器的優(yōu)點(diǎn)，能使控制更加靈活，安全性增強(qiáng)，滿足了仿人機(jī)械手對控制系統(tǒng)的要求。以STC15F204EA單片機(jī)為控制核心，通過與位移及力矩采集模塊之間的通信，實(shí)現(xiàn)了信息的良好通訊。通過驅(qū)動芯片L293驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手抓握物體的良好控制。
參考文獻(xiàn)
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篇3
結(jié)構(gòu)優(yōu)化
中圖分類號：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791(2012)02(a)-0001-01
1 水果收獲機(jī)器人的概念和研究意義
水果收獲機(jī)器人主要分為兩部分：機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)部分和控制部分。其中，本體結(jié)構(gòu)部分又可分為：機(jī)械手，末端執(zhí)行器，底部平臺，有的還有視覺系統(tǒng)。
在中國，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和不斷調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，水果栽培面積，例如蘋果、柑橘和葡萄，達(dá)到自199 3年以來的900萬公頃，占世界上水果種植面積總數(shù)的四分之一。然而，水果收割任務(wù)中50％到70％的勞動力還是靠體力勞動。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)人口正在減少，收獲自動化亟待普及。此外，由于果樹是高個子，收割工作需要使用梯子，使手工收獲危險高和效率低下。所以，農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械化亟待普及。因?yàn)樗旧硪讚p傷和生長環(huán)境的復(fù)雜等因素的制約，現(xiàn)階段的各種水果收獲機(jī)器人都有各種不足。本文就近幾年來的有關(guān)論文進(jìn)行研究學(xué)習(xí)及對本地柑橘的生長環(huán)境的調(diào)研，擬設(shè)計了一種適合本地柑橘機(jī)械采摘的簡易機(jī)械臂及末端執(zhí)行器。
2 本地柑橘的自然采摘環(huán)境
浙江大部分都是山地地貌，并且大都種植了柑橘、蘆柑、胡柚等柑橘屬的植物。雖然浙江的氣候、土壤等都適宜于柑橘的生長，但是浙江的山地地貌也給采摘和運(yùn)輸帶來了一定的難度。每年的采摘季節(jié)，需要大批的勞動力，而于此相反的是，本地的勞動力日漸下降，全都去城鎮(zhèn)務(wù)工了。因此，針對柑橘的采摘機(jī)器人呼之欲出。柑橘果實(shí)外有一層較厚的果皮，它能很好的減輕柑橘間的碰撞沖擊力。
3 本設(shè)計的末端執(zhí)行器及機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)
3.1 采摘機(jī)械手的設(shè)計
與工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手不何，果蔬果實(shí)收獲機(jī)器人的機(jī)械手，所處的外部環(huán)境是復(fù)雜的、多變的、非結(jié)構(gòu)的，并且與果實(shí)的栽培方式有很大關(guān)系。因此，設(shè)計機(jī)械手應(yīng)在考慮栽培方式的基礎(chǔ)上，使果實(shí)處于其作業(yè)空間內(nèi)，并且能夠避免障礙物(葉子、莖稈等)，準(zhǔn)確地抓取到果實(shí)。對于柑橘、蘋果等樹冠高大的果樹，機(jī)械手需要較大的作業(yè)空間。為此，本設(shè)計采用三個關(guān)節(jié)的折疊臂使達(dá)到所需的作業(yè)空間，并且可以折疊便于攜帶。
具體三維模型見圖1。
3.2 末端執(zhí)行器的設(shè)計
目前各地研究的收獲機(jī)械手的末端執(zhí)行器大多為：先由機(jī)械手爪抓住果實(shí)，然后通過機(jī)械手爪轉(zhuǎn)動來扭斷果柄；或者在手爪抓住果實(shí)后，用另一個剪刀去剪斷呆柄，然后機(jī)械臂把水果運(yùn)輸?shù)街付c(diǎn)，手爪放開。這樣的設(shè)計一定程度上降低了收獲機(jī)械人的收獲效率。
本設(shè)計的末端執(zhí)行器主要由支架，動力部分，傳動部分，果梗剪斷器，果實(shí)傳送部分五個部分組成，具體看圖2。此末端執(zhí)行器由電機(jī)通過齒輪驅(qū)動果梗剪斷器剪斷果梗，同時果實(shí)掉入果梗剪斷器下方的柔性導(dǎo)管中，果實(shí)通過柔性導(dǎo)管被馬上運(yùn)輸?shù)街付c(diǎn)。
本設(shè)計的末端執(zhí)行器和普通的執(zhí)行器相比，不但從減少電機(jī)的數(shù)量，并且提高收獲機(jī)械人的工作效率。其中圖2中的柔性軟管不僅代替了普通的末端執(zhí)行器的手爪功能，從而減去了一個被驅(qū)動元件，還能直接把采摘得果實(shí)直接運(yùn)送到指定點(diǎn)，進(jìn)而大大提高了收獲效率。但由于運(yùn)輸過程中有一定碰撞，所以此末端執(zhí)行器一般適用于柑橘等柑橘屬的水果。
此外，由于不同品種的柑橘的果梗粗細(xì)不同，果實(shí)的直徑大小不同，我們可以根據(jù)采摘對象的不同，更換不同的果梗剪斷器，不同直徑的柔性管道，甚至整個末端執(zhí)行器也可更換。
3.3 建立實(shí)物模型，檢驗(yàn)實(shí)際效果
根據(jù)三維建模的相關(guān)數(shù)據(jù)及考慮現(xiàn)實(shí)的取材便利，我們用輕質(zhì)不銹鋼做為主材料，直流電機(jī)為動力部分，齒輪為傳動部件，塑料管做為柔性管道制造出了四自由度的柑橘采摘機(jī)械手模型(圖3)。并且，在實(shí)驗(yàn)室里，模擬運(yùn)行了此機(jī)械手的采摘功能。在實(shí)驗(yàn)室里，該柑橘采摘機(jī)械手模型在人的控制下基本能實(shí)現(xiàn)在豎直空間上的上下自由運(yùn)動。并且順利剪斷果梗，使果實(shí)順利掉入由塑料管充當(dāng)?shù)娜嵝怨艿乐小Ｗ罱K，果實(shí)順著柔性管道順利到達(dá)指定位置。
4 結(jié)語
對于目前水果收獲機(jī)器人的機(jī)械手和末端執(zhí)行器存在的問題。本文提出了自己的見解：因機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與果蔬的生長狀態(tài)有關(guān)，可采用關(guān)節(jié)型的折疊機(jī)構(gòu)。對于水果收獲機(jī)器人只能針對一種對象進(jìn)行作業(yè)的現(xiàn)狀，本設(shè)計提出了一套適合柑橘屬果實(shí)采摘的末端執(zhí)行器的設(shè)計，即只需要更換末端執(zhí)行器，這樣收獲機(jī)器人的利用率將大大提高。另外，柔性的管道節(jié)省去了機(jī)械臂把水果放回地面的時間，從而大大提高了機(jī)器人的采摘效率。
當(dāng)然，本設(shè)計的也還存在一些不足。如缺少在自然環(huán)境中的測試，還不能很好的利用到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中。機(jī)械臂的設(shè)計有些過于簡單，有待進(jìn)一步優(yōu)化。
篇4
[Abstract]in the manufacturing industry， forging technology and equipment occupies a very important position， is widely used in automobile， aircraft， weapons and instruments. Forging industry， according to the size of the weight or the size of the equipment， the forging is divided into small and medium sized forgings and large forgings.Generally more than 10 mn forging hydraulic press forging is called large forgings， such as power plant rotor， retaining ring， roll， container tube section， head， etc.. The internal quality of heavy forgings is strict and the technical difficulty is large. As a result， the quality and productivity of large forgings are one of the important symbols to measure the level of industrial development in a country
[Key words]forging technology， fully automatic mechanical
1.引言
冷鍛工藝是一種精密塑性成形技術(shù)，具有切削加工無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如制品的機(jī)械性能好，生產(chǎn)率高和材料利用率高，特別適合于大批量生產(chǎn)，而且可以作為最終產(chǎn)品的制造方法。在交通運(yùn)輸工具、航空航天和機(jī)床工業(yè)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。同時相比熱鍛工藝，冷鍛工藝具有節(jié)能、高效等特點(diǎn)，與當(dāng)前的能源政策以及國家發(fā)展戰(zhàn)略是一脈相承的，因此，冷鍛技術(shù)在近年來具有良好的發(fā)展勢頭，同時受到了國家的大力支持。當(dāng)前汽車工業(yè)、摩托車工業(yè)和機(jī)床工業(yè)的飛速發(fā)展，為冷鍛這一傳統(tǒng)的技術(shù)的發(fā)展提供了原動力。冷鍛技術(shù)在我國的起步雖然不算太晚，但發(fā)展速度與發(fā)達(dá)國家有很大的差距。到目前為止，我國生產(chǎn)的轎車上的冷鍛件重量不足20kg， 相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家的一半，開發(fā)潛力很大，加強(qiáng)冷鍛技術(shù)開發(fā)與推廣應(yīng)用是我國目前的一項緊迫任務(wù)。
2.全自動機(jī)械式冷鍛生產(chǎn)線設(shè)計內(nèi)容
是一臺肘桿式大行程全自動機(jī)械式冷鍛壓力機(jī)以及輔助上料、涂油以及堆垛功能的機(jī)器人（以下簡稱機(jī)器人），并實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)全自動控制，設(shè)計時需要注意以下幾點(diǎn)：
（1）冷鍛機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)用有限元方法和模態(tài)分析方法，對機(jī)身的動態(tài)精度與動態(tài)剛度進(jìn)行研究，對機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)性優(yōu)化設(shè)計。采用獨(dú)特的箱形焊接框架結(jié)構(gòu)，增加了機(jī)械的高剛性，減少了了噪音和震動，有助于降低能耗，提高效率、生產(chǎn)精度和延長模具壽命，采用寬敞的側(cè)面開口有利于配合自動化周邊設(shè)備，達(dá)到鍛壓自動化的要求；
（2）機(jī)械手自動上料裝置、自動送料涂油裝置、定位舉升裝置、堆垛裝置等的研制。
（3）冷鍛機(jī)與機(jī)械手的聯(lián)機(jī)設(shè)計：機(jī)械手與冷鍛機(jī)同步運(yùn)行方面的研究；
（4）冷鍛控制系統(tǒng)設(shè)計，用于實(shí)現(xiàn)全自動冷鍛生產(chǎn)線的工作流程，從機(jī)電一體化的角度將各個子系統(tǒng)有機(jī)集成在一起，通過整機(jī)調(diào)試實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。
（5）運(yùn)行精度及整體性能穩(wěn)定性的研究：以確保生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的精度與穩(wěn)定性，提高模具使用壽命；
3.全自動機(jī)械式冷鍛生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)
由于冷鍛機(jī)工作繁重，經(jīng)常處于長時間連續(xù)工作狀態(tài)，加工精度及質(zhì)量要求高，對設(shè)備的制造精度以及機(jī)械手配置系統(tǒng)的可靠性要求很高，同時機(jī)械手配置系統(tǒng)還要適應(yīng)車間的惡劣環(huán)境。這些要求給整體生產(chǎn)線整體方案的擬定、機(jī)械手配置系統(tǒng)方案的選擇帶來很大的難度，其中關(guān)鍵問題有：
（1）冷鍛機(jī)機(jī)架的優(yōu)化設(shè)計：本體結(jié)構(gòu)是冷鍛機(jī)的重要組成部分，它不僅是冷鍛機(jī)主要零件的裝配基體，而且還要承受機(jī)器的全部工作載荷，本體結(jié)構(gòu)的承載能力和變形大小及其動態(tài)性能將直接影響產(chǎn)品的精度及模具的使用壽命。因此本體機(jī)架的設(shè)計與優(yōu)化將是冷鍛機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵。
（2）機(jī)械手裝置本體及與冷鍛機(jī)的聯(lián)機(jī)運(yùn)行設(shè)計方案：冷鍛機(jī)在工作過程中，機(jī)械手需配合完成自動上料、移載、輸出及翻轉(zhuǎn)，這對機(jī)械手工作精度以及與冷鍛機(jī)的同步性提出了較高要求，因此機(jī)械手配置系統(tǒng)的設(shè)計是冷鐓機(jī)自動生產(chǎn)的關(guān)鍵。
（3）滑塊運(yùn)行精度保證：滑塊的運(yùn)行精度決定了產(chǎn)品加工質(zhì)量的好壞，這也將是我們需要解決的問題關(guān)鍵。
4.技術(shù)特色和創(chuàng)新突破點(diǎn)
（1）采用低慣性、高扭力氣壓式分離器、剎車器，使啟動平穩(wěn)，降低被動運(yùn)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械損失，提高了生產(chǎn)效率及重載、高頻次運(yùn)行情況下的穩(wěn)定性。
（2）全自動化：本冷鍛機(jī)通過側(cè)面開口與機(jī)械手配合，實(shí)現(xiàn)前部位自動上料、自動涂油、自動移載，自動輸出、翻轉(zhuǎn)及堆垛功能，實(shí)現(xiàn)冷鍛機(jī)生產(chǎn)線的全自動化。本機(jī)利用智能電腦數(shù)控系統(tǒng)控制，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)單動、單機(jī)聯(lián)動、多機(jī)單動及連動自動化。
（3）大載荷：冷鍛機(jī)的公稱力為2000T，可加工大型冷鍛零件。冷鍛機(jī)本體結(jié)構(gòu)采用超聲波振動處理及整體噴砂處理去應(yīng)力焊接箱型結(jié)構(gòu)，具有較大的剛性及強(qiáng)度，確保了設(shè)備性能的穩(wěn)定性，可提高產(chǎn)品的精度以及延長模具的使用壽命。
5.結(jié)束語
由于冷鍛產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)少甚至無切削加工，可以直接用于裝配，極大的提高了材料利用率及生產(chǎn)效率。因此，其應(yīng)用面越來越廣泛。隨著我國大噸位冷鍛機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，將大大帶動汽車產(chǎn)業(yè)、模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也為我國的節(jié)能減排作出極大的貢獻(xiàn)。
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篇5
水果采摘季節(jié)性強(qiáng)、費(fèi)用高且勞動量大[1]。加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)施“精確”農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人，提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。研究采摘機(jī)械人，對于降低人工勞動強(qiáng)度和采摘成本、保證水果適時采收，具有重大的意義[2]。我國從上世紀(jì)70年代開始研究水果蔬菜類的采摘機(jī)械，并且也逐漸起步，如上海交通大學(xué)已經(jīng)開始了對黃瓜采摘機(jī)器人的研制[3]，浙江大學(xué)對番茄采摘機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計的優(yōu)化[4]，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)對采摘機(jī)器人的視覺識別裝置進(jìn)行了研究[5]。目前，我國研究的采摘機(jī)器人還有西紅柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘機(jī)器人等[6-8]。文章對蘋果采摘機(jī)械手臂進(jìn)行選型，進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
1 機(jī)械人機(jī)構(gòu)選型及自由度的確定
由于采摘機(jī)械人的作業(yè)對象是蘋果，質(zhì)量輕，體積小，故而可選擇較為簡單、靈活、緊湊的結(jié)構(gòu)形式。
根據(jù)機(jī)械人手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可將機(jī)械人手臂部分分為以下四類[9]：直角坐標(biāo)型機(jī)械手；圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手；多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)型式選取主要取決于機(jī)械人的活動范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制難易等要求。以上四種型式，它們的活動范圍和靈活度逐漸增大。經(jīng)過對蘋果采摘空間的研究，結(jié)果表明，蘋果樹樹冠和底部的蘋果分布極少，大多分布在樹冠中部，大約有80%以上的蘋果分布在距地面垂直高度1-2m、距樹干左右方向1-2m的空間范圍內(nèi)，且陰陽兩面的蘋果分布率并無明顯的差異。這就要求采摘機(jī)械手應(yīng)當(dāng)具有較大的工作空間，因此選用多關(guān)節(jié)型機(jī)械手較為合適，且其占地面積較小，更加適合蘋果采摘作業(yè)。
實(shí)際中，蘋果生長位置隨機(jī)分布，這就要求機(jī)械臂的末端執(zhí)行器能夠以準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)移動到指定點(diǎn)，因此，采摘機(jī)械人還應(yīng)具有一定數(shù)量的自由度。機(jī)械臂的自由度是設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)目應(yīng)該與所要完成的任務(wù)相匹配。一般來說，自由度數(shù)量越多，機(jī)械臂的靈活性、避障能力越好，通用性也越廣，但增加一個自由度就相當(dāng)于增加了一級驅(qū)動，會使得機(jī)器人的成本上升，而對于農(nóng)業(yè)機(jī)器人而言，成本高將會大大的減緩其機(jī)械商品化實(shí)用化進(jìn)程，同時增加自由度會相應(yīng)增加機(jī)器人的控制難度，降低機(jī)器人的可靠性。綜合考慮，將自由度數(shù)目定為六個，這樣不僅能夠使得末端執(zhí)行器具有較為完善的功能，而且到達(dá)采摘空間中的任意位置，而且不會出現(xiàn)冗余問題。
2 采摘機(jī)械臂工作原理
圖1 機(jī)械人結(jié)構(gòu)簡圖
圖1是本次設(shè)計的球類水果采摘機(jī)械人的結(jié)構(gòu)簡圖。該結(jié)構(gòu)為六自由度機(jī)構(gòu)，可劃分為底座、大臂、小臂、腕部和手五個部分。機(jī)械臂的底座通過舵機(jī)帶動傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個部分之間的相對轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)。其中的各個轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)均是通過電機(jī)驅(qū)動螺旋絲桿來實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計機(jī)械臂的傳動如下：（1）底座旋轉(zhuǎn)。確定與底座平面互相垂直的目標(biāo)采摘物所在的平面。（2）大臂轉(zhuǎn)動。移動至目標(biāo)采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂轉(zhuǎn)動。將采摘機(jī)械手送至目標(biāo)采摘物的附近。（4）手腕轉(zhuǎn)動及旋轉(zhuǎn)。調(diào)整機(jī)械手末端采摘機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，使其處于一個合適的位置，保證采摘任務(wù)能夠合理完成。（5）手夾緊放松，完成對目標(biāo)采摘物的采摘任務(wù)。此外，將末端執(zhí)行器設(shè)計為關(guān)節(jié)型的兩只手指，通過舵機(jī)6（舵機(jī)分配情況見圖2）、齒輪的嚙合及連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)采摘物的夾緊與放松。
由以上分析得出：機(jī)械手的空間位姿由各個關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)來決定，即當(dāng)機(jī)械手的各個舵機(jī)的坐標(biāo)確定的時候，就可以確定機(jī)械手的空間位姿。而決定舵機(jī)坐標(biāo)的因素就是臂長及臂的轉(zhuǎn)動角度，而在這兩個參數(shù)中，設(shè)計結(jié)束后臂長是確定的常量，角度為變量。在模型當(dāng)中，舵機(jī)1、2的相對位置固定不變，控制末端執(zhí)行器的舵機(jī)6用來調(diào)整手的姿態(tài)，因此可以先忽略舵機(jī)1、6，將舵機(jī)2軸線中心的位置設(shè)為坐標(biāo)系原點(diǎn)。
圖2 舵機(jī)分配方框圖
3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計
首先用Pro/E軟件中的零件模塊對機(jī)械人各個零件進(jìn)行繪制，然后再對零件進(jìn)行自下而上的裝配，以及進(jìn)行零件圖及裝配圖的繪制。大臂、小臂和腕部、機(jī)械手零件圖以及裝配圖分別見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7（單位均為mm）。
4 試驗(yàn)臺搭建與抓取效果實(shí)驗(yàn)
根據(jù)零件圖及裝配圖進(jìn)行試驗(yàn)臺搭建。由于設(shè)計尺寸較大，故將整體尺寸縮小4倍來進(jìn)行搭建。實(shí)物如圖8所示。通過操作上位機(jī)控制軟件指令信號，可給伺服舵機(jī)控制器發(fā)送控制指令信號，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械人在空間中精確作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)械人能夠較為平穩(wěn)、準(zhǔn)確地對目標(biāo)物進(jìn)行夾取、移動、放置等任務(wù)。證明設(shè)計合理，試驗(yàn)臺搭建正確。
5 結(jié)束語
通過對水果采摘作業(yè)的分析，設(shè)計了一套六自由度關(guān)節(jié)型采摘機(jī)械人。其運(yùn)動范圍覆蓋了水果果實(shí)的分布范圍，末端執(zhí)行器能夠執(zhí)行對水果的采摘任務(wù)。在采摘過程中，只需對舵機(jī)進(jìn)行控制，在一定程度上降低了控制的難度和復(fù)雜性。當(dāng)然，設(shè)計中也存在不足，例如缺少對果實(shí)的切割裝置，而且對葡萄等較小、較軟的果實(shí)采摘技術(shù)不成熟，有待進(jìn)一步的改善。
參考文獻(xiàn)
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篇6
四自由度采摘機(jī)械臂可以看成是由一系列通過活動聯(lián)接連接起來的桿件組成的。
1 三維空間中的附體坐標(biāo)系和總體坐標(biāo)系
為了便于處理機(jī)械臂復(fù)雜的幾何參數(shù),機(jī)械臂各桿件的運(yùn)動可在總體坐標(biāo)系中描述,在每個桿件處建立一個附體坐標(biāo)系。運(yùn)動學(xué)問題便歸結(jié)為尋求聯(lián)系附體坐標(biāo)系和總體坐標(biāo)系的變換矩陣。如圖1所示,參考坐標(biāo)系Oxyz是三維空間中的固定坐標(biāo)系,在機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)中將其作為總體坐標(biāo)系,把Ouvω看成是附體坐標(biāo)系。
圖1 總體坐標(biāo)系和附體坐標(biāo)系
2 建立附體坐標(biāo)系和總體坐標(biāo)系的規(guī)則
Denavit和Hatenberg(1955)提出了一種為關(guān)節(jié)鏈中的每一桿件建立附體坐標(biāo)系的D-H矩陣方法。對于每個桿件來說,在關(guān)節(jié)軸處可建立一個正規(guī)的笛卡兒坐標(biāo)系(xi,yi,zi),i=1,2,3,4,再加上機(jī)座坐標(biāo)系。建立在關(guān)節(jié)i+1處的坐標(biāo)(xi,yi,zi)是固聯(lián)在桿件i上的。當(dāng)關(guān)節(jié)驅(qū)動器推動關(guān)節(jié)i時,桿件i將相對于桿件i-1運(yùn)動。機(jī)座坐標(biāo)定義為第0號坐標(biāo)(x0,y0,z0),它也是機(jī)械臂的慣性坐標(biāo)系。確定和建立每個坐標(biāo)系應(yīng)根據(jù)下面3條規(guī)則:
(1)zi-1軸沿著第i關(guān)節(jié)的運(yùn)動軸;
(2)xi軸垂直于zi-1軸和zi軸并指向離開zi-1軸的方向;
(3)yi軸按右手坐標(biāo)系的要求建立。
按照這些規(guī)則,第0號坐標(biāo)系在機(jī)座上的位置和方向可任選,只要z0軸沿著第1關(guān)節(jié)的運(yùn)動軸運(yùn)動。
3 四自由度采摘機(jī)械臂坐標(biāo)系的關(guān)系參數(shù)
根據(jù)上述坐標(biāo)系的定義,描述四自由度采摘機(jī)械臂相鄰坐標(biāo)系之間的關(guān)系可歸結(jié)為如下4個參數(shù):
θi 繞zi-1軸(右手規(guī)則)由xi-1軸向xi軸的關(guān)節(jié)角;
di 從第i-1坐標(biāo)系的原點(diǎn)到zi-1軸和xi軸的交點(diǎn)沿zi-1軸的距離;
ai 從zi-1軸和xi的交點(diǎn)到第i坐標(biāo)系原點(diǎn)沿xi軸的偏置距離;
αi 繞xi軸(右手規(guī)則)由zi-1軸轉(zhuǎn)向zi軸的偏角。
對于四自由度采摘機(jī)械臂來說,di,ai,αi是關(guān)節(jié)參數(shù),θi是關(guān)節(jié)變量。根據(jù)上述三條規(guī)則以及各參數(shù)的解釋,可以求得四自由度采摘機(jī)械臂的四個參數(shù),結(jié)果見表1。
4 循環(huán)法建立坐標(biāo)系
除了上述D-H矩陣方法以外,也可以通過以下6個步驟為四自由度采摘機(jī)械臂建立一組相容的標(biāo)準(zhǔn)正交坐標(biāo)系。
(1)建立機(jī)座坐標(biāo)系。在機(jī)座上建立右手正交坐標(biāo)系(x0,y0,z0),使z0軸沿關(guān)節(jié)1的運(yùn)動軸,x0和y0軸與z0垂直,但方向可任選;
(2)初始化和循環(huán)。對每一個i,i=1,2,3,完成步驟(3)至(6);
(3)建立關(guān)節(jié)軸。把zi軸與關(guān)節(jié)i+1的轉(zhuǎn)動軸對準(zhǔn);
(4)建立第i個坐標(biāo)系的原點(diǎn)。將第i個坐標(biāo)系的原點(diǎn)放在zi和zi-1軸的交點(diǎn)處,或放在它們的公垂線與zi軸的交點(diǎn)處;
(5)建立xi軸。使xi=±(zi-1×zi)/||xi=±(zi-1×zi)/||,如果zi-1與zi平行,就使xi沿它們的公垂線;
(6)建立yi軸。令yi=±(zi×xi)/||zi×xi||,使(xi,yi,zi)成為右手坐標(biāo)系。建立好的坐標(biāo)系如圖2所示。
圖2 四自由度采摘機(jī)械臂連桿坐標(biāo)系
參考文獻(xiàn)
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篇7
【Key words】Seven Function Manipulator， Hydrodynamic， Kinematics， FORTRAN
近些年來隨著海洋資源的開發(fā)和海洋科學(xué)研究的日益深入，水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)是水下作業(yè)的一個重要組成部分，除了用于水下的觀測勘察作業(yè)外，水下機(jī)器人-機(jī)械手還被用于完成采集樣本；水下設(shè)施的建造和維護(hù)；鋪設(shè)水下管道和維修等相對繁瑣的一些工作。然而由于水下環(huán)境復(fù)雜多變，ROV在航行和作業(yè)中必然會遇到各種各樣的情況，特別是在作業(yè)時要保證作業(yè)的準(zhǔn)確性和作業(yè)時ROV不受損壞，它的動力學(xué)問題的研究將會使水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)的作業(yè)能力提高，為人類開發(fā)海洋資源提供更多的支持，因此這個領(lǐng)域的研究是非常重要的。
目前對水下機(jī)械手水動力學(xué)模型的研究采用的是理論和實(shí)驗(yàn)的相結(jié)合的方法。McLain[1，2]等運(yùn)用力矩傳感器測量、原理計算分析以及流動顯示這些方法綜合應(yīng)用，對只有一個關(guān)節(jié)水下機(jī)器人機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行了水動力學(xué)的研究。Leabourne[3]以MacLain等人的成果為基礎(chǔ)，討論了有兩個自由度的機(jī)械手的水動力學(xué)建模問題。Tarn[4]等建立了配備有機(jī)械手的潛水器的動力學(xué)模型，并應(yīng)用 Kane 法求解。該模型將外力其中包括水動力施加到了模型中。Shen[5]等使用了浸入邊界法數(shù)值求解納維-斯托克斯方程，計算在水中物體移動時所受的水動力。在國內(nèi)主要有華中科技大學(xué)的肖治琥，徐國華[6]在流干擾下的水下機(jī)械手動力學(xué)模型分析，運(yùn)用Lagrange方程和Morison公式對水下機(jī)械手的動力學(xué)的理論分析。王華[7]等應(yīng)用切片理論的方法，研究了水下機(jī)械手的手指動力學(xué)特性，并應(yīng)用Matlab軟件的Simulink模塊建立了仿真模型，研究了無水流影響的水下環(huán)境中的機(jī)械手手指的動力學(xué)特性。
1 動力學(xué)模型建立
1.1機(jī)械手參數(shù)
本文以美國Schilling公司的Orion7型七功能機(jī)械手為研究對象，該機(jī)械手結(jié)構(gòu)由多關(guān)節(jié)串聯(lián)組成為6自由度串聯(lián)，機(jī)械手相關(guān)參數(shù)如表1所示[8]。
。
本文的連桿所在的坐標(biāo)系位置都是在各個坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸上。當(dāng)連桿在坐標(biāo)系的X軸正方向時，，此時的，，。同理當(dāng)連桿在坐標(biāo)系的Y軸正方向時，，此時的，，。當(dāng)連桿在坐標(biāo)系的Z軸正方向時，，此時的，，。
3.2Morison方程拖拽力系數(shù)計算
Morison方程中Cd、Cm均為實(shí)驗(yàn)值，此系數(shù)依賴于雷諾數(shù)，物體表面粗糙度，KC數(shù)等。不過在設(shè)計中一般考慮危險性最大或者受力最大的情況。因此選擇受力最大時候的Cd數(shù)值作為本文的計算系數(shù)本文采用Fluent流體力學(xué)分析軟件計算該值[14]。
由于深水水溫較低，所以深水水的粘度值比常溫下的粘度值要大，因此選擇Pa?s=0.0015，流速選擇0.2m/s，如圖4示是主要的區(qū)域尺寸，長方形最左側(cè)豎直邊為水流的入口出，中間的截面是ROV七功能機(jī)械手大臂的截面形狀。在研究Cd數(shù)時本文選擇了橫截面的最大物體的幾何限度處作為來流的垂直受力面。這樣可以得到最大的Cd值，計算得知左右。
圖4 區(qū)域尺寸示意圖
Fig. 4 Schematic diagram of regional dimension
4七功能機(jī)械手動力學(xué)解算
4.1動力學(xué)模型校核
為了驗(yàn)證動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，在不考慮水流的影響下，本文通過利用Matlab機(jī)器人工具箱與自編的Fortran程序結(jié)算的力矩曲線圖進(jìn)行對比，本文選擇角度從初始位置移動到一下角度，，，，，。如圖5所示。
圖5 各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化曲線對比
Fig. 5 Comparisons of ankle drive torque curves
如圖5所示，用Matlab機(jī)器人工具箱與自編的Fortran程序結(jié)算的力矩曲線圖進(jìn)行了對比，在數(shù)值和曲線趨勢上基本一致，從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，圖中關(guān)節(jié)1的驅(qū)動力矩較小這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)1的布置和其他關(guān)節(jié)不同，只有它一個關(guān)節(jié)為左右擺動關(guān)節(jié)，所以它在沒有水流影響下不克服重力，所以數(shù)值較小；關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)5需要克服機(jī)械手的自身重力所以力矩值較大；關(guān)節(jié)4和關(guān)節(jié)6主要作用是改變機(jī)械手姿勢用的是液壓馬達(dá)，所以力矩值較小，特別是關(guān)節(jié)6基本趨近于0。
4.2 水流影響下動力學(xué)研究
假定環(huán)境水流為定常流流速為0.1m/s，方向沿慣性坐標(biāo)系X軸正方向。所得驅(qū)動力矩曲線如圖6所示。
圖6 各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化曲線（考慮海流）
Fig. 6 Comparisons of ankle drive torque curves （incorporates current）
從圖6中可以看出關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)6的驅(qū)動力矩與無海流的驅(qū)動力矩相比較變化不大，這是因?yàn)樗鞯膩砹鞣较蜓刂鳻軸的正方向，產(chǎn)生的力矩主要是在Y軸的方向，所以關(guān)節(jié)1的驅(qū)動力矩影響較小，力矩基本不變；關(guān)節(jié)6的驅(qū)動力矩因?yàn)槭茄刂鴻C(jī)械手末端手抓的軸向，所以只有手抓自身的旋轉(zhuǎn)會對其產(chǎn)生影響，水流的產(chǎn)生的附加力矩只會對坐標(biāo)系6的X軸和Y軸產(chǎn)生力矩；關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)5的驅(qū)動力矩變化較大，這是因?yàn)榭紤]了水流和自身運(yùn)動的影響；關(guān)節(jié)4的驅(qū)動力矩變化也很大，這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)4的轉(zhuǎn)動改變了手抓的空間位置，使其和之前的各個關(guān)節(jié)不出在一個平面內(nèi)這樣關(guān)節(jié)4收到的力矩變大是因?yàn)槭肿ナ艿剿鞯臎_擊在關(guān)節(jié)4的轉(zhuǎn)動方向上產(chǎn)生了附加力矩。
4結(jié)語
本文采用了理論分析和計算機(jī)仿真的方法，針對美國Schilling 公司的Orion7型號機(jī)械手，建立了深水ROV作業(yè)機(jī)械手的理論模型，計算結(jié)果表明機(jī)械手在深水中水流的影響下關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)5的驅(qū)動力矩變化較大，在設(shè)計和施工作業(yè)中人們應(yīng)當(dāng)給予特殊考慮。
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作者簡介：
尹漢軍（1973―），男，漢族，山東青島人，碩士研究生，高級工程師，1997年本科畢業(yè)于大連理工大學(xué)，2005年研究生畢業(yè)于天津大學(xué)，現(xiàn)就職于海洋石油工程股份有限公司，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與項目管理。
宋磊（1981― ），男，漢族，山東濟(jì)南人，博士研究生，講師，2013年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，現(xiàn)于哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，主要研究方向：船舶與海洋工程仿真。
篇8
1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
1.1 開發(fā)環(huán)境
本設(shè)計的開發(fā)環(huán)境是arduino。Arduino是一款完全開源的電子原型平臺，包含了arduino板和arduino IDE。由歐洲開發(fā)團(tuán)隊開發(fā)，使用類似C語言的processing開發(fā)環(huán)境。Arduino可以自行設(shè)計或者購買已經(jīng)焊接好的板子，程序代碼寫在arduino IDE上，實(shí)現(xiàn)對arduino板子的控制。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
作為近幾十年來發(fā)展起來的一種自動設(shè)備，機(jī)械臂可以通過編寫軟件程序來完成目標(biāo)任務(wù)，它不僅大部分機(jī)械臂共同的機(jī)械有點(diǎn)，而且特別具有人的視覺以及判斷能力。在作業(yè)過程中，機(jī)械臂控制的準(zhǔn)確性和對環(huán)境的適應(yīng)性，已經(jīng)使其在各個領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。高級類型的機(jī)械臂，可以執(zhí)行更復(fù)雜的操作。將機(jī)器臂運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，除了可以提高生產(chǎn)率之外，還能夠減弱工人的勞動強(qiáng)度，使生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動控制。因此機(jī)械臂在近幾年得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。
在國外，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，涵蓋于各個行業(yè)，已經(jīng)得到了非常廣泛的運(yùn)用，而相比國內(nèi)，我國基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)跟不上，機(jī)械設(shè)計的工藝也達(dá)不到一個極高的水平，而且部分設(shè)計不夠系統(tǒng)科學(xué)，大多處于一個模仿的階段。以上原因?qū)е挛覈I(yè)機(jī)器人在國際上并不能達(dá)到一個較高的水準(zhǔn)。如今國內(nèi)企業(yè)需要革新自己的技術(shù)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)才能在國際市場上占有一席之地。
1.3 總體思路
1.3.1 機(jī)械臂軟件設(shè)計核心思路
攝像頭采集視頻圖像->利用OpenCV獲得圖像的一幀->對此幀圖像進(jìn)行濾波處理->將圖像序列幀由RGB模型轉(zhuǎn)為HSV模型->對得到的二值圖像進(jìn)行輪廓檢測->創(chuàng)建回調(diào)函數(shù)并對得到的三幅圖像進(jìn)行合并->創(chuàng)建滑動條窗口->將得到的圖像分為H，S，V三幅單通道圖像->在目標(biāo)體上繪制輪廓。
本文提到的OpenCV函數(shù)庫是一個開源的跨平臺的視覺圖像處理庫，利用此庫中提供的開源算法并加以邏輯上的改進(jìn)來提取攝像頭中幀圖像，再使用顏色閾值調(diào)節(jié)功能進(jìn)行顏色識別，再對結(jié)果進(jìn)行一系列的處理達(dá)到預(yù)期要求。
1.3.2 OpenCV簡介
OpenCV是一個基于開源發(fā)型的跨平臺計算機(jī)視覺庫，可以運(yùn)行在眾多操作系統(tǒng)上，由一系列C函數(shù)和C++類構(gòu)成，輕量且高效，其提供的視覺處理算法非常豐富，被大量使用于眾多科學(xué)領(lǐng)域，衛(wèi)星地圖的圖像整合拼湊；醫(yī)學(xué)界病人器官圖像的去噪處理；安全系統(tǒng)中的物體動態(tài)監(jiān)測而預(yù)警；軍事行動中代替人眼而進(jìn)行眾多無人操作與活動，不光如此，在圖像處理能力外，還能對聲譜圖進(jìn)行識別操作從而進(jìn)行對聲音的識別。
1.4 單一模塊
1.4.1 顏色識別
顏色識別的首當(dāng)之事應(yīng)是正確選取顏色空間，常用的顏色空間有RGB、CMY、HSV、HIS等。本文采用RGB和HSV。
RGB（紅、綠、藍(lán)）可以看成一個三維的坐標(biāo)系，一個坐標(biāo)點(diǎn)表示一種顏色。HSV是顏色空間模型。表示顏色的是Hue，與坐標(biāo)點(diǎn)不同，他使用有角度的圓形來表示相應(yīng)顏色，比坐標(biāo)點(diǎn)更加靈活。表示飽和度的是Saturation，飽和度越低，則顏色填充就越少，例如圓心處取值為0，那么顏色會非常的淡，從底部往上，圓的半徑r越來越大，那么顏色就會越來越深。表示顏色的亮度的是Value，同理，也是從圓錐底端到頂端的數(shù)值漸變，底部表示為黑色，而頂端表示為白色。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，RGB顏色經(jīng)測驗(yàn)非常容易受到強(qiáng)光、弱光、陰影等其他因素的干擾。相比之下，HSV空間能更加穩(wěn)定的處理這些光照的變化從而能更好地反應(yīng)顏色本質(zhì)、傳達(dá)正確信息。
1.4.2 圖像獲取與處理
1.4.2.1 圖像獲取與預(yù)處理
利用體感周邊外設(shè)中強(qiáng)大的Kinectz像頭（VideoCapture（…））獲取周圍環(huán)境圖像，讀取一張圖片或視頻中的一幀圖像，進(jìn)行兩次濾波后利用cvtColor（imgOriginal， imgHSV， COLOR_BGR2HSV）函數(shù)進(jìn)行RGB與HSV的轉(zhuǎn)換，再在HSV空間下對彩色圖像做直方圖均衡化。
高斯濾波函數(shù)：cvSmooth（…CV―GAUSSIAN…）。真實(shí)圖像的鄰近點(diǎn)像素如果變化，不會十分明顯，因?yàn)檎鎸?shí)圖像的像素點(diǎn)是緩慢遷移變化的，但是如果兩個像素點(diǎn)倏忽變化的話，便會有很大的像素差，就是我們說的噪點(diǎn)，這時候便要用到廣泛用于圖像處理的減噪的高斯濾波，他對整幅圖進(jìn)行加權(quán)平均，從而能夠減少噪聲卻又不失真（保留信號）。
中值濾波函數(shù)：cvSmooth（…CV―MEDIAN…）。有時候圖像中會有孤立的噪聲點(diǎn)從而會形成較大差異，這樣會影響平均值也會產(chǎn)生較大噪音，所以便使用非線性平滑的中值濾波，他把圖像中的孤立的噪聲點(diǎn)用其領(lǐng)域中各個點(diǎn)值的中值代替從而有效的去噪并且能夠保護(hù)信號邊緣使之不模糊，其算法也十分簡單。
1.4.2.2 圖像細(xì)處理與生成
創(chuàng)建滑動條：返回所讀取的顏色參數(shù)闕值。本文設(shè)定了6個參數(shù)：
[LowHue（色度下限值）HighHue（色度上限值）LowSaturation（飽和度下限值）HighSaturation（飽和度上限值）HighBrightness（亮度上限值）LowBrightness（亮度下限值）]
之后得到返回的參數(shù)闕值，便用于檢查圖像像素灰度是否在設(shè)置的范圍內(nèi)并且可以得到目標(biāo)顏色的色度、飽和度和亮度單通道圖像。
將得到的三個單通道圖像進(jìn)行按位與運(yùn)算，這樣便能檢測其二值圖像，由于此時會出現(xiàn)噪聲，所以采用膨脹腐蝕的方法進(jìn)行圖像形態(tài)學(xué)處理，使得到的目標(biāo)體進(jìn)行最大的連通。
圖像生成：查找輪廓和繪制輪廓，輪廓正確勾勒，圖像便能正確顯示。利用OpenCV中對灰度圖像處理的Canny邊緣檢測法（cvCanny（…）），將試圖獨(dú)立的候選像素拼裝成輪廓，輪廓的形成是對這些像素運(yùn)用滯后性闕值，Canny邊緣檢測算法是高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，是對信噪比與定位精度之乘積的最優(yōu)化逼近算子。
Canny函凳淙朧涑齙畝嘉灰度圖，在邊緣檢測完成后，利用“cvFindContours（…）”函數(shù)得到輸出的圖像的輪廓函數(shù)（在二值圖像中），檢測輪廓個數(shù)，然后再用“cvDrawContours（…）”函數(shù)繪制檢測的輪廓。
2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 自由度及關(guān)節(jié)
本機(jī)械手臂采用4個電機(jī)實(shí)現(xiàn)4自由度，進(jìn)行手臂的升降，轉(zhuǎn)動，抓取，移動等功能。
2.2 基座及連桿
2.2.1 基座
基座是機(jī)械手臂的支撐，起到穩(wěn)固的作用，為了使機(jī)械手臂更加的穩(wěn)定，增大其與表面的接觸面積，降低重心，提升其穩(wěn)定性能。同時，基座的剩余部分，可用于防止控制的單片機(jī)及其擴(kuò)展版，使空間充分利用。
2.3 機(jī)械手臂設(shè)計
機(jī)械手是機(jī)械行業(yè)中必不可少的一個部分，主要起到操作，轉(zhuǎn)移等功能。根據(jù)工件的不同，機(jī)械手的精度，重量，形狀，光滑程度等都會不一樣，以至于達(dá)到節(jié)省成本或準(zhǔn)確夾取工件等實(shí)際要求。一般機(jī)械手包括：1）靈巧手；2）吸附手；3）夾取手；4）專用操作器。本設(shè)計因?qū)崿F(xiàn)的主要功能是夾取物體并轉(zhuǎn)移，工件物體不確定，因此采用夾取手作為機(jī)械手臂的機(jī)械手進(jìn)行操作。
2.4 驅(qū)動方式
調(diào)用Servo實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的控制，定義多個舵機(jī)，控制多個舵機(jī)，具體內(nèi)容根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試。采用for語句，當(dāng)紅外或者視覺采集到數(shù)據(jù)，給予反饋，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的停止或執(zhí)行下一步。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動的角度通過脈沖寬度占空比實(shí)現(xiàn)。由于舵機(jī)牌子不同，舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度也會不同。
本機(jī)械手臂通過電機(jī)的扭矩進(jìn)行傳動。手臂的升降，轉(zhuǎn)動，抓取都是由能夠承受很大力的電機(jī)進(jìn)行完成。在機(jī)械手臂抓取物體時，盡量的平穩(wěn)，并且力不能夠過大或者過輕，移動時活動空間大。
機(jī)械行業(yè)一般常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動，電機(jī)驅(qū)動和氣壓驅(qū)動三種方式，每種驅(qū)動方式各有優(yōu)劣。本設(shè)計機(jī)械手臂中，要求驅(qū)動時滿足一下條件：1）輸出功率適中，效率高；2）精準(zhǔn)度盡可能的高；3）便于維護(hù)，調(diào)試；4）安全性高；5）成本低。
綜上所述，本設(shè)計采用電機(jī)驅(qū)動的方式對機(jī)械手臂進(jìn)行驅(qū)動。電機(jī)參數(shù)如表所示：
本機(jī)械手臂采用控制角度的方式控制手臂。在初始位確定的情況下，通過控制角度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，其優(yōu)點(diǎn)是，能夠精確控制位置，但是因?yàn)樾枰M(jìn)行初始位置，導(dǎo)致運(yùn)行時間過長。本文設(shè)計方案傳動方式為舵機(jī)直接傳動，故不多作介紹。
3 結(jié)論
機(jī)械臂控制系統(tǒng)是當(dāng)今社會的一項非常重要的研究課題，盡管其發(fā)展已經(jīng)有了一段很長的歷史，但是其發(fā)展并不完全成熟。無論是學(xué)術(shù)界、工業(yè)還是在教育教學(xué)方面都一直在進(jìn)行著這方面的研究，距離成熟階段還要有一段時間。
本設(shè)計是基于OpenCV六自由度機(jī)械臂驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，以六自由度機(jī)械臂為控制對象，以arduino為開發(fā)環(huán)境，輔以有著豐富視覺處理算法的OpenCV軟件，并在此基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的控制理論，以正確的控制方法為指導(dǎo)，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計。
在整個系統(tǒng)的設(shè)計中，硬件的設(shè)計是本論文研究的重點(diǎn)，芯片的選型是系統(tǒng)硬件設(shè)計的保證，并且輔以可靠性分析為指導(dǎo)，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看出，我們設(shè)計制作的基于OpenCV的四自由度機(jī)械臂能夠和一些中小型機(jī)器人控制器的性能要求類似，在操作靈活度、控制精度、易操作性等方面都表現(xiàn)出優(yōu)秀的性能。然而，仍有一些不足之處需要進(jìn)一步的改進(jìn)。
1）機(jī)械臂的傳感器提升。作為機(jī)械臂的控制對象，其結(jié)構(gòu)、性能的優(yōu)劣成為了機(jī)械臂的重中之重、中流砥柱，為了實(shí)際運(yùn)行效果的完美，我們機(jī)械臂的手爪部分應(yīng)加入壓力等傳感器，為控制的精準(zhǔn)提供、保證更為完整的信息。
2）完善機(jī)械臂自動控制算法。算法的優(yōu)良決定了機(jī)械臂是否能自動協(xié)調(diào)運(yùn)行，特別在輸入?yún)?shù)和機(jī)械臂抓取后的運(yùn)輸，需要更加優(yōu)化、靈活的算法，從而將計算出的控制參數(shù)變得更加精確和一體。
3）視覺的廣泛性運(yùn)用。視覺不單單只作用與顏色的閾值識別，還包括如骨骼識別，輪廓識別等等，再后續(xù)的研究中，添入以上功能，可以使機(jī)械臂的作用范圍變得更加的廣泛。
鑒于上述情況，在以后的工作中，我們應(yīng)該不斷改進(jìn)、完善，以提高該機(jī)械臂系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性。
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篇9
近年來，各國為達(dá)到提高系統(tǒng)的定位精度以適應(yīng)工業(yè)需要，嘗試了各種控制方式和控制策略，并對氣動伺服系統(tǒng)做了大量工作。當(dāng)臨時需要對各個單元進(jìn)行新的分配任務(wù)或產(chǎn)品變化時，可以很方便的改動或重新設(shè)計其新部件，當(dāng)位置改變時，只要重新編程，就能很快地投產(chǎn)，從而降低了安裝和轉(zhuǎn)換工作的費(fèi)用。模塊化生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)（MPS，ModularProductiontrainingSystem）是一種模擬自動化生產(chǎn)加工單元，它由德國FESTO公司結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的特點(diǎn)開發(fā)研制而成。它可以大量代替單調(diào)往復(fù)或高精度的工作，用以滿足前沿產(chǎn)品和自動化設(shè)備更新的需要。本文所研究的內(nèi)容，國際上以德國、日本、韓國等最具代表性，技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟，但其產(chǎn)品價格昂貴，且在技術(shù)上對用戶封鎖，致使用戶無法結(jié)合自己的需要進(jìn)行二次開發(fā)。
目前，國內(nèi)已有幾家教學(xué)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)開始仿造國外的MPS部分產(chǎn)品，主要有上海英集斯自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的“MPS/FMS模塊化生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)”；浙江亞龍教儀有限公司生產(chǎn)的“亞龍YL－MPS模塊化生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)”。本文將采用上海英集斯自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MPS教學(xué)設(shè)備，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室（國家示范性中央財政支持重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室）的實(shí)際需求，給出了基于PLC的MPS上料檢測單元PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的完整解決方案。
2上料檢測單元的結(jié)構(gòu)、功能與氣動控制回路
上料檢測單元可作為MPS系統(tǒng)中的起始單元，向系統(tǒng)中的其它單元提供原料。
2.1上料檢測單元的結(jié)構(gòu)、功能
上料檢測單元主要由I/O接線端口、料盤模塊、氣源處理組件、工件檢測組件、提升模塊等部件組成。它的具體功能是：將放置在料盤中的待加工工件按照需要自動地取出，并檢測出工件的黑白顏色，最后將其提升到輸出工位，等待下一個工作單元來取。
2.2上料檢測單元的氣動控制回路
上料檢測單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動控制系統(tǒng)，其方向控制閥的控制方式為手動控制或電磁控制。在上料檢測單元的氣動控制原理圖中，1A為雙作用提升氣缸；1Y1為雙作用氣缸電磁閥的控制信號；1B1和1B2為磁感應(yīng)式接近開關(guān)。氣動控制回路如圖1所示。
圖1上料檢測單元?dú)鈩涌刂苹芈?/p>
3基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統(tǒng)的設(shè)計方案
基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統(tǒng)的控制任務(wù)設(shè)計：接通設(shè)備電源與氣源、運(yùn)行PLC后，首先執(zhí)行復(fù)位動作，即提升氣缸驅(qū)動的工件平臺下降到位。料盤旋轉(zhuǎn)輸出工件，當(dāng)料盤檢測到工件平臺中有工件后停止旋轉(zhuǎn)，提升氣缸動作，將工件平臺提升至輸出工位，檢測工件的顏色并保存下來。按下“特殊”按鈕，表示工件被取走。隨后工件平臺下降到位，料盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)輸出工件，重復(fù)以上流程。
下面介紹該方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
3.1分配上料檢測單元PLC輸入輸出地址
PLC的輸入輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。
表1上料檢測單元PLC輸入輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系
3.2編寫程序并調(diào)試
上料檢測單元的手動控制程序框圖如圖2所示。
圖2上料檢測單元的手動控制程序框圖
上料檢測單元的PLC梯形圖程序如圖3所示。
圖3上料檢測單元的PLC梯形圖程序
經(jīng)調(diào)試，該程序能順利完成本單元的控制任務(wù)。
4結(jié)束語
本文對上料檢測單元的結(jié)構(gòu)與功能、氣動控制回路分別進(jìn)行了詳細(xì)分析，然后對上料檢測單元的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行二次設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，首先編寫了PLC輸入、輸出分配表，進(jìn)而編寫出其程序流程圖及梯形圖，最后上機(jī)調(diào)試，驗(yàn)證了基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統(tǒng)的二次設(shè)計與實(shí)現(xiàn)的可行性。并總結(jié)出兩點(diǎn)結(jié)論：（1）在設(shè)計各單元的控制任務(wù)時，要根據(jù)各單元的基本功能，編寫符合實(shí)際的控制任務(wù)，最大限度的合理開發(fā)其使用功能，但一定要符合其機(jī)械設(shè)計，否則會讓設(shè)備之間發(fā)生沖突，造成元器件的損壞；（2）在設(shè)計梯形圖程序時，移位指令和數(shù)據(jù)傳送指令的合理配合使用，以及RS觸發(fā)器指令的巧妙使用，會大大縮短梯形圖程序設(shè)計時間，又會達(dá)到良好的控制效果。從而快速對上料檢測單元的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行二次設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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篇10
從機(jī)械手臂投入商用起，已經(jīng)有了幾十年的應(yīng)用和發(fā)展歷史。將模塊化的設(shè)計思路與理念引入機(jī)械手臂的設(shè)計中，能夠充分發(fā)揮其靈活、可拆分、可組合的特點(diǎn)，并將其應(yīng)用于更多的場合，包括服務(wù)機(jī)器人，工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域等等。本文結(jié)合機(jī)械臂設(shè)計的模塊化理念，著重對其進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計，包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、傳動系統(tǒng)、減速系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具有比較好的理論價值與實(shí)踐意義。
2.機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)機(jī)械設(shè)計
2.1手臂關(guān)節(jié)模塊
手臂關(guān)節(jié)模塊包含了許多零部件，主要有旋轉(zhuǎn)電機(jī)、減速器和反饋單元等。在手臂關(guān)節(jié)的內(nèi)部固定了控制單元和傳動系統(tǒng)，以二級減速傳動作為傳動模式，即齒輪減速傳動與諧波減速傳動，這種傳動模式可以支持手臂關(guān)節(jié)自由度之內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。下面具體闡述其設(shè)計方案：
(l)模塊外殼方案
手臂關(guān)節(jié)的外殼能夠?yàn)殡姍C(jī)、制動器、滾動軸承提供必要的機(jī)械支撐，并起到必要的保護(hù)作用。在手臂關(guān)節(jié)運(yùn)動的過程中，模塊的外殼也承受了期間多產(chǎn)生的種種應(yīng)力，因此模塊的外殼必須滿足一定的剛度。模塊外殼的主要構(gòu)成部分包括：底蓋、電機(jī)、齒輪蓋、主殼體、軸承、制動器等。其中，底蓋位于結(jié)構(gòu)的底端，其作用是為整個旋轉(zhuǎn)模塊的各個部件提供支撐與連接；主殼體構(gòu)成此部件單元的外殼，對單元當(dāng)中的電機(jī)、制動器等子單元起到連接和支撐作用；齒輪蓋覆蓋于模塊的齒輪傳動單元之上，起到保護(hù)和連接作用，而且能夠支持諧波齒輪減速器的安裝。為保證機(jī)械臂有足夠的強(qiáng)度，模塊外殼選取的制作材料為鋁合金，并將壁體設(shè)計為圓桶狀的抗壓結(jié)構(gòu)，為防止氧化與腐蝕，表面結(jié)果特殊處理。
(2)減速齒輪方案
減速齒輪方案的主要構(gòu)成部分包括：電機(jī)連接齒輪、中心齒輪、中心軸以及制動連接齒輪等。其實(shí)現(xiàn)方式簡述如下：通過小齒輪來連接直流電機(jī)的輸出端，然后通過與小齒輪相咬合的中心齒輪互相連接；同理，通過另一個小齒輪來連接斷電制動器的輸出端，然后通過與小齒輪相咬合的中心齒輪互相連接。在這種嚙合模式下，當(dāng)減速齒輪單元加電后，便由系統(tǒng)的電機(jī)來作為動力源輸出，而當(dāng)減速齒輪單元端電后，便由系統(tǒng)的制動器來作為阻力源輸出。考慮到機(jī)械臂的關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動時，會使減速齒輪持續(xù)維持高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)，因此必須有足量的劑。又因?yàn)樵摐p速齒輪不是封閉結(jié)構(gòu)，因此本文以滑脂來起到齒輪的作用。
(3)中軸傳動方案
中軸的傳動方案是整個機(jī)械臂設(shè)計中非常關(guān)鍵的一個組成部分。中軸傳動的作用是，首先支持來自中心齒輪的動力，其次還要為波發(fā)射器高效傳遞動力。考慮到中軸會承接一定比例的來自軸向的受力和很大比例的徑向應(yīng)力，因此為支持中軸，引入了角接觸軸承。中軸傳動單元主要由旋轉(zhuǎn)模塊、斷電制動器、卡簧、角接觸軸承、中心齒輪、主軸、連接法蘭以及波發(fā)射器組成。
因?yàn)橹休S傳動單元在設(shè)計上要求同軸度與圓柱度都在較高的水準(zhǔn)，因此尤其應(yīng)注重其材料選擇和參數(shù)控制。本研究所設(shè)計的中軸用以45號鋼才作為原料，并在成型后淬火，從而保證單元在表面具備一定的硬度。
在中軸傳動方案中，最關(guān)鍵的是旋轉(zhuǎn)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計。旋轉(zhuǎn)模塊的設(shè)計思路是：將其轉(zhuǎn)軸與中心軸線重合，并以電機(jī)驅(qū)動。在模塊上部署有電磁編碼器，用于周期性地檢測角位移和角速度。將之與直流伺服電機(jī)相聯(lián)。結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境與需求，直流伺服電機(jī)也可以加裝起到減速增力作用的行星減速箱，共同起到動力輸出的作用。而后通過小齒輪與中心齒輪的咬合，以正齒輪傳動方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的減速增力功能。
斷電制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計也是中軸傳動方案中的關(guān)鍵，斷電制動器有兩方面的作用，首先在旋轉(zhuǎn)模塊進(jìn)行位置搜索時能夠起到保持作用，其次，在旋轉(zhuǎn)模塊因故失去電源之后也能發(fā)揮保護(hù)的功能。在中軸中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)單元加電，并處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)的時候，斷電制動單元便會隨著系統(tǒng)的小齒輪單元傳遞過來的中心齒輪作用而轉(zhuǎn)動，而在斷電制動器運(yùn)動的時候，其輸出軸的動力也來自小齒輪單元。在本文所涉及的機(jī)械臂中，電機(jī)與制動器全部布置于電機(jī)底座，并且將電機(jī)底也作為旋轉(zhuǎn)單元外殼的一部分，其好處在于保護(hù)內(nèi)部零部件。
2.2連接件模塊
連接件的主要功能是在機(jī)械臂中連接旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不同的單元，因此是機(jī)械臂的重要組合部分，對機(jī)械臂的組合與功能的發(fā)揮均有著不容忽視的作用。由于機(jī)械臂的各個模塊單元是相對獨(dú)立的關(guān)系，因此只要將不同的模塊單元互相組合，起可以發(fā)揮機(jī)器人的機(jī)械臂基本功能。因此本文結(jié)合具體的需求，設(shè)計開發(fā)了數(shù)種類型不同的連接結(jié)構(gòu)。
機(jī)器人的機(jī)械臂在實(shí)際操作中，連接件實(shí)現(xiàn)了不同部件單元之間的力矩傳遞，而其質(zhì)量的大小也關(guān)系到機(jī)械臂整體重量和輕便程度，因此在實(shí)際設(shè)計中，一方面應(yīng)保證改模塊單元具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，另一方面也應(yīng)考慮到減輕其質(zhì)量。本文在設(shè)計中，考慮到鋁合金屬于高強(qiáng)度低密度的材料，同時具有比較好的可塑性，因此以鋁合金作為連接件的制作材料。
2.3模塊手抓單元
考慮到機(jī)械臂必須部署在一個可以移動的平臺上，來在現(xiàn)場抓取物體，因此模塊手抓單元的末端執(zhí)行器是其中最重要的組件。為了滿足這個系統(tǒng)的模塊化的設(shè)計，末端執(zhí)行器必須具備一定的應(yīng)用和擴(kuò)展功能。假若模塊手抓單元附加多指靈巧手，其實(shí)能夠抓取更多類型的對象，本課題的研究只需模塊手抓單元能夠抓取簡單對象，因此使用了圖中的簡單的夾鉗手抓，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、容易控制。
3.結(jié)束語
機(jī)器人的機(jī)械臂設(shè)計與開發(fā)屬于機(jī)電一體化領(lǐng)域的高精尖課題。考慮到機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)具有比較高的復(fù)雜性，本文闡述的設(shè)計方案充分顧及了模塊設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品的通用性，從而能夠良好的滿足模塊之間的替代性特征需求，因而也能夠保障機(jī)器人的機(jī)械臂在實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足用戶的要求。
參考文獻(xiàn)
[1]郭立新，趙明揚(yáng)，張國忠.空間冗余度機(jī)器人最小關(guān)節(jié)力矩的軌跡規(guī)劃.東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 ).2010:512-515
篇11
Proceedings of 10th International Conference(CLAWAR 2007)
2007，763pp
Hardback
ISBN9789812708151
M.謝等編
機(jī)器人學(xué)是工程及自然科學(xué)中令人神往的領(lǐng)域。機(jī)器人學(xué)已經(jīng)對許多工業(yè)做出重要貢獻(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人在諸如組裝、焊接、油漆及材料處理之類的任務(wù)中廣泛應(yīng)用。與些同時，我們又目睹了特殊機(jī)器人的出現(xiàn)，它們在非工業(yè)環(huán)境中執(zhí)行有價值的任務(wù)，這些任務(wù)包括搜索與救援、掃雷、監(jiān)測、探險及安全保衛(wèi)。此外，對在民用及專業(yè)服務(wù)部門中機(jī)器人的技術(shù)研究及發(fā)展工作正在進(jìn)行。類似攀登與行走機(jī)器人這類用于在非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的移動機(jī)器人的興起，進(jìn)一步加劇了機(jī)器人學(xué)研究必須面對的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)不僅包括了涉及標(biāo)準(zhǔn)化在內(nèi)的技術(shù)與工程方面，而且也包括了社會、經(jīng)濟(jì)與倫理方面。CLAWAR2007于2007年7月16－18日在新加坡舉行，該系列國際會議自1998年起每年舉行，這次是第10屆。總共有來自五大洲22個國家的作者在CLAWAR2007上做介紹，這本會議錄報道了攀登及行走機(jī)器人的最新研發(fā)振奮人心的應(yīng)用及挑戰(zhàn)。
本書匯集的論文共分成了5個部分。1.全體會議介紹，5篇論文；2.攀登機(jī)器人進(jìn)展，26篇論文；3.行走機(jī)器人進(jìn)展，24篇論文；4.似人足球機(jī)器人進(jìn)展，5篇論文；5.支持技術(shù)，27篇論文。部分論文標(biāo)題為：1.救援機(jī)器人滑動插座移動模塊；2.有攀登腿的帶輪子爬墻機(jī)器人；3.用于快速四腳移動的進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；4.繩索攀登機(jī)器人的設(shè)計與構(gòu)造；5.用于長焊接線檢驗(yàn)的攀登機(jī)器人開發(fā)；6.關(guān)于利用陀螺效應(yīng)二足移動的提議；7.新型腿－輪行走機(jī)器人的設(shè)計與問題；8.利用滯后算法的似人機(jī)器人RH1的腳規(guī)劃運(yùn)動；9.局部模塊化行走機(jī)器人的運(yùn)動模擬；10.行走雙腳機(jī)器人基于觀測器的控制：穩(wěn)定性分析；11.三維雙腳機(jī)器人無驅(qū)動動態(tài)行走研究；12.ROTOPOD：一種新穎的有效帶腿移動；13.似人足球機(jī)器人的分布式嵌入控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；14.快速行走擬人足球機(jī)器人的最佳性能：實(shí)證研究；15.雙臂系統(tǒng)并行規(guī)劃算法；16.利用平均移位算法的全局定域化問題方法；17.MCA2機(jī)器人控制應(yīng)用的可擴(kuò)展模塊化框架；18.靈活連接機(jī)械手的基于隱藏馬爾可失模型的模糊控制器。
本書可供從事機(jī)器人研究與開發(fā)的研究人員、工程師閱讀借鑒。
胡光華，
高級軟件工程師
篇12
畢業(yè)設(shè)計是高等學(xué)校應(yīng)屆畢業(yè)生在畢業(yè)前接受課題任務(wù)，在教師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)研究或工程實(shí)踐，獲得基本訓(xùn)練并取得成果的過程，它是評估學(xué)業(yè)成績的一個重要方式，也是提高學(xué)生綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力的關(guān)鍵一環(huán)[1]。作者結(jié)合廣東工業(yè)大學(xué)的實(shí)際,從科學(xué)選題、落實(shí)開題環(huán)節(jié)、保證畢業(yè)設(shè)計論文質(zhì)量等關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出了改進(jìn)畢業(yè)設(shè)計工作的措施。
2科學(xué)選題
選題是畢業(yè)設(shè)計工作的龍頭，選題質(zhì)量是影響畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量的重要因素，精心挑選畢業(yè)設(shè)計題目，是搞好畢業(yè)設(shè)計的第一步。但是選題目前存在著一些問題：有的選題缺乏綜合性、新穎性,深廣度不夠；有的選題對學(xué)生顯得難度較高,工作量過大；有的選題雖然有較高的研究價值，但學(xué)生由于怕難或者因就業(yè)等原因而不愿選；另外，系與系之間和各系內(nèi)部之間的設(shè)計題目在難度和分量上也存在一定差異。
針對以上問題,可以從三個方面綜合考慮選題。
(1)畢業(yè)設(shè)計選題要盡可能聯(lián)系工程應(yīng)用、生產(chǎn)實(shí)際和科學(xué)研究。這樣有利于調(diào)動學(xué)生的積極性,由于是真做實(shí)干,他們就會主動去了解、熟悉有關(guān)科研情況,分析解決問題的方法和途徑,使能力得到提高。因此,我們在為2003級機(jī)械制造及自動化專業(yè)的學(xué)生選題時,選擇了“旋轉(zhuǎn)超聲主軸振動系統(tǒng)研制”，“三座標(biāo)工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計”，“防偽礦泉水瓶蓋的設(shè)計”,“自動門PLC控制系統(tǒng)設(shè)計”，“適合于電感的微點(diǎn)焊系統(tǒng)研制”等新穎又結(jié)合科研實(shí)際的課題,盡量反映當(dāng)代科技發(fā)展水平,讓學(xué)生能了解、把握國內(nèi)外在該研究領(lǐng)域的最新成果和發(fā)展動態(tài),結(jié)果學(xué)生更加樂于參與到科研課題的研究中。
(2)要考慮完成課題的客觀條件。學(xué)校畢業(yè)設(shè)計經(jīng)費(fèi)、教學(xué)試驗(yàn)條件都有限,不是任何來自科研實(shí)際的課題都可用做畢業(yè)設(shè)計,必須根據(jù)客觀條件來選擇設(shè)計題目,這些條件主要包括:可查資料庫源,試驗(yàn)設(shè)施和足夠的經(jīng)費(fèi)等,因此我們在選題時,一般選用能為學(xué)生提供可用的儀器設(shè)備,試驗(yàn)場地等條件的科研課題,例如“微細(xì)特種加工中心”試驗(yàn)樣機(jī)在我們教研室已經(jīng)搭建好，“線切割機(jī)床、電火花機(jī)床、超聲拋光裝置”等設(shè)備可以為學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計時提供可以直接操作，鍛煉自己的動手能力的機(jī)會。
(3)要有適當(dāng)?shù)碾y度和深度。舉例說我們選擇“旋轉(zhuǎn)超聲主軸振動系統(tǒng)研制”課題時,考慮到該課題涉及了聲學(xué),機(jī)械振動學(xué),電力電子學(xué),數(shù)電，模電等多個領(lǐng)域,涉及的知識面較廣,設(shè)計工作量較大,有一定的深度,學(xué)生可以通過綜合應(yīng)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識,在規(guī)定的時間內(nèi)得到充分的鍛煉,但是考慮到本課題有一定的難度,為了保證學(xué)生在有限的畢業(yè)設(shè)計工作時間內(nèi),經(jīng)過努力能完成任務(wù)或做出階段性結(jié)果,我們安排了兩個同學(xué)參加,在掌握總體設(shè)計思路的基礎(chǔ)上,分別進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動電路等不同部分的,有側(cè)重點(diǎn)地進(jìn)行研究,經(jīng)過分工合作,完成了整個課題的設(shè)計任務(wù),效果良好。
3落實(shí)開題環(huán)節(jié)
為提高畢業(yè)論文設(shè)計教學(xué)質(zhì)量和探索出適用于畢業(yè)論文設(shè)計全環(huán)節(jié)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控的方法,可借鑒研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法,在本科畢業(yè)論文設(shè)計教學(xué)中新增開題環(huán)節(jié),以強(qiáng)化學(xué)生包括查閱文獻(xiàn)資料廣泛獲取信息,提出問題、擬定實(shí)驗(yàn)研究方案和設(shè)計方案,科學(xué)實(shí)驗(yàn)與測試,數(shù)據(jù)整理與分析,撰寫實(shí)驗(yàn)論文,書面表達(dá)和口頭表述等能力在內(nèi)的基本創(chuàng)新能力。
（1）開題環(huán)節(jié)的必要性。開題的意義在于完善論文設(shè)計方案,使論文設(shè)計方案更加系統(tǒng)化，收集信息，聽取各方意見，明確思路以堅定論文設(shè)計者的信心。一般說來，將思考的東西正式地講出來和寫出來，會比原來所思考的更有升華的意味，因?yàn)閺摹八肌钡健罢f”和“寫”,其間加入了邏輯的創(chuàng)造過程。通過撰寫開題報告,要求學(xué)生講清題目的來龍去脈,從而使學(xué)生明確畢業(yè)設(shè)計課題的目的和要求，對題目有更深刻理解與認(rèn)識，會使原來的論文設(shè)計思路更加完善和系統(tǒng)，對自己的工作做到“胸有成竹”，減少盲目性,避免出現(xiàn)不知從何處入手的尷尬局面。
（2）開題環(huán)節(jié)的組織在開題會之前,每個學(xué)生按規(guī)范書寫了開題報告。學(xué)生持經(jīng)指導(dǎo)老師簽字同意的選題報告書、任務(wù)書及其它相關(guān)資料上臺匯報選題的目標(biāo)和意義、擬采取的技術(shù)路線和方法、工作基礎(chǔ)、預(yù)期成果和工作計劃等內(nèi)容10分鐘。評審小組根據(jù)學(xué)生自述和選題報告書及其它文本內(nèi)容,對學(xué)生論文設(shè)計是否達(dá)到專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求和完成論文設(shè)計的可行性進(jìn)行考核,并對論文設(shè)計廣度、深度、貼切度、重點(diǎn)和難點(diǎn)等提出具體的修改意見。
4保證畢業(yè)設(shè)計答辯的質(zhì)量
答辯是畢業(yè)設(shè)計(論文)工作的最后一個環(huán)節(jié),是全面檢查和評估畢業(yè)設(shè)計(論文)質(zhì)量的重要手段。嚴(yán)格的答辯將有利于學(xué)生樹立良好的學(xué)風(fēng),促進(jìn)學(xué)生認(rèn)真做好畢業(yè)設(shè)計(論文)。學(xué)院可根據(jù)本院及所屬各系的具體情況成立若干答辯分委會,分委會下轄若干個答辯小組。分委會主任和答辯小組組長均由副高職稱以上教師擔(dān)任。答辯前應(yīng)認(rèn)真審查學(xué)生的答辯資格,畢業(yè)設(shè)計(論文)應(yīng)由除指導(dǎo)教師外的答辯小組1名以上教師認(rèn)真評閱,寫出評閱意見與評分,評分不及格者不得參加答辯。凡畢業(yè)設(shè)計(論文)擬評“優(yōu)秀”的學(xué)生,都必須參加各系答辯分委會組織的集中答辯。對畢業(yè)設(shè)計平時不認(rèn)真、小組答辯成績較差的學(xué)生,由相關(guān)分委會組織復(fù)答辯后視情況決定是否給予通過。答辯時間應(yīng)控制在學(xué)生匯報15-20分鐘,教師提問20分鐘為宜。畢業(yè)設(shè)計成績評定必須堅持標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)格要求。“優(yōu)秀”的比例應(yīng)嚴(yán)格控制在本專業(yè)參加答辯總?cè)藬?shù)的20%以內(nèi),優(yōu)良比例應(yīng)嚴(yán)格控制在60%以內(nèi)。對畢業(yè)設(shè)計(論文)的質(zhì)量,除了本身的學(xué)術(shù)水平、應(yīng)用價值外,還應(yīng)考察學(xué)生解決實(shí)際問題的能力、對知識的綜合應(yīng)用能力、在工作中查閱處理信息和應(yīng)用各種工具的能力、撰定科研報告和表達(dá)交流的能力以及在工作中的團(tuán)隊協(xié)作能力等。答辯委員會要辦事公正,治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),嚴(yán)把質(zhì)量關(guān),對畢業(yè)設(shè)計(論文)達(dá)不到教學(xué)要求的,決不姑息。
5結(jié)論
篇13
課堂上，我事先作了“翻轉(zhuǎn)”設(shè)計，課前拋出問題讓學(xué)生百度各種解決方案，包括淘寶上的成品自動雨水感應(yīng)晾衣架，然后在課堂上集思廣益，比一比誰的方案能在眾多方案里勝出？還是需要優(yōu)勢組合？最終學(xué)生們形成的設(shè)計預(yù)案如下。
設(shè)計一個雨水感應(yīng)自動收衣裝置，當(dāng)雨水感應(yīng)器上滴到雨滴或者天色明顯變暗時，啟動機(jī)械臂把衣服收進(jìn)陽臺。如果雨水感應(yīng)器上的水滴被曬干（雨轉(zhuǎn)多云），光線又足夠亮?xí)r，衣服再次曬出。主人可以設(shè)置預(yù)約收衣時間。并且對是否雨后重新曬出作出預(yù)設(shè)。S4A控制畫面同步運(yùn)行。
以上要求進(jìn)一步分解后具體要達(dá)到以下控制：（1）有雨或者光線明顯變暗時，收衣服。（2）當(dāng)天空放晴、光線變亮，且傳感器上雨水被曬干時，衣服重新曬出。（3）主人可以預(yù)設(shè)收衣時間。此時無論天氣如何，衣服強(qiáng)制收回。（4）主人可以手動收衣或者定r收衣，此兩種模式收好衣服后不再晾出。
此環(huán)節(jié)的產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計思維訓(xùn)練得到了充分的體現(xiàn)，學(xué)生要針對在自己周圍每天都要發(fā)生的問題模擬產(chǎn)品設(shè)計工程師進(jìn)行設(shè)計及分解。
曲折之二：機(jī)械傳動如何設(shè)計
學(xué)生在設(shè)計方案時碰到的第一個攔路虎，不是來自電子線路，而是機(jī)械傳動部分。圖1所示開窗器按供電模式分有24V直流、220V交流兩種，其中按開窗器機(jī)械臂行程長短又有100mm到1500mm等不同種類。本例所有24V直流電，當(dāng)正接時機(jī)械臂伸出，反之縮回。
圖2看似簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，是社團(tuán)學(xué)生溝通、爭論了很久才有的結(jié)果。首先，淘寶上對開窗器的介紹寥寥數(shù)字，很多具體問題需要直接跟淘寶店主溝通。比如，產(chǎn)品大都與配套的升降（或開合）控制盒一起銷售，能否拆分購買等具體問題；沒有控制盒，Arduino 又如何擔(dān)當(dāng)起智能控制的重任？
曲折之三：S4A控制的畫面如何同步變化
下載3DMAX陽臺模型（可直接使用軟件包中模型）、衣架模型后，利用標(biāo)準(zhǔn)基本體構(gòu)建衣架及開窗器機(jī)械臂模型。由于MAX模型中的元素較多，建議按圖3所示對衣架進(jìn)行“成組”操作。
按F10對衣架運(yùn)動中的幾個關(guān)鍵幀分別渲染，注意本例下載的模型須安裝V-RAY插件，并在公用―指定渲染器中選擇V-RAY渲染器。
曲折之四：如何實(shí)現(xiàn)開窗器機(jī)械手的伸縮
當(dāng)了解到24V直流電機(jī)正負(fù)極倒置后伸縮方向即相反后，有學(xué)生搜索關(guān)鍵詞“直流電機(jī)正反轉(zhuǎn) 繼電器”繪制出圖4所示控制線路。經(jīng)反復(fù)推演各種可能，均不會造成短路事故。
曲折之五：開窗機(jī)的電機(jī)本身沒有到位后自動停止功能，如果開窗或者貫穿機(jī)械臂到位后繼續(xù)加電，將對電機(jī)造成傷害，此問題如何破解
有學(xué)生稱可以設(shè)置時間，但是馬上又有學(xué)生質(zhì)疑，當(dāng)掛的衣服重量不同時，造成的阻力不同，時間不是一個定量。后來有學(xué)生詢問淘寶商家后找到了解決辦法，如圖5在數(shù)字口2、3分別安裝兩個磁感應(yīng)開關(guān)，相關(guān)的動臂上安裝永磁鐵。當(dāng)檢測到機(jī)械臂運(yùn)作到位后，立即停止供電。
曲折之六：腳本如何設(shè)計
曬衣部分腳本：當(dāng)綠旗被點(diǎn)擊時，當(dāng)系統(tǒng)檢測到接在模擬口0的光線傳感器數(shù)值大于800，光線充足，并且接在模擬口5的雨水傳感器上無水滴，數(shù)值小于50，則廣播曬衣服。
收衣部分腳本：分三個條件語句，第一是檢測光線數(shù)值小于150則收衣。第二是檢測雨水傳感器數(shù)值大于100則收衣。第三是按鈕傳感器大于1000即接通狀態(tài)則自動收衣。
預(yù)約收衣部分腳本：當(dāng)綠旗被點(diǎn)擊時，先詢問預(yù)約多少小時后收衣，然后將輸入值賦予變量t，計時器歸零。計時器單位為秒，因此變量t須乘3600。當(dāng)計時器數(shù)值大于預(yù)設(shè)時間，廣播收衣服。
曲折之七：學(xué)生開始編制腳本時發(fā)現(xiàn)繼電器反復(fù)被觸發(fā)，“噠噠”聲不斷，這對繼電器及控制終端都不是好事，如何解決
為了防止繼電器反復(fù)被觸發(fā)，損傷電機(jī)及其他器件，分別設(shè)置變量k、m，當(dāng)條件已符合時分別設(shè)定為1。然后將相關(guān)變量不等于1，即等于1不成立，作為條件語句的必備條件之一。
當(dāng)曬衣觸發(fā)時，變量K為1，當(dāng)收衣觸發(fā)時變量M為1。如果系統(tǒng)對兩個事件依次觸發(fā)一遍。如果不對相關(guān)變量清零，則造成太陽出來后或者下雨了系統(tǒng)不再有響應(yīng)。所以要對K賦值1的同時，要對M清零。反之也一樣。
由于手動收衣及定時收衣要求之后即使符合曬衣條件時也不再觸發(fā)，所以不再對M清零操作。為保險起見，建議在對K賦值1的同時，添加給變量M賦值1的語句。
