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智能机械手
第一章绪论
1.1.1机械手的背景
机械手首先是从美国开始研制的。
1985年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
1)1954年USA工程师德尔沃最早提出机械人的概念;
2)1959年USA德尔沃与英格伯制造了世界上第一台机械人;
3)1962年USA正式将机械人的使用性提出来,且制造出类似人的手臂。
4)1967年JAN成立了人工手研究会,并召开了首届机械手学术会;
5)1970年在USA召开了第一届工业机械人学术会,并得到迅速普及;
6)1973年辛辛那提公司制造出第一台小型计算机控制的工业机械人,当时是液压驱动,能载重达45KG;
7)1980年在JAN得到普及,并定为“机械人元年”此后在日本机械人得到前所未有的发展与提升,再就是后来到台湾再到大陆。
1.1.2产品简介
MECHANICALHAND,也称机械手,AUTHOHAND.能模仿人手和臂的某些运动功能,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。
它可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害的环境下操作以保护人身安全,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、运动机构和控制系统三大部分构成。
手部是用来抓取工件(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。
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2—3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,如用于原子能部门操持危险品的主从式操作手也常称为机械手。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能了,改善热、累等劳动条件。
1.1.3国内外现状和发展趋势
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中,机械手被广泛的运用于自动生产线中,机械人的研制和生产已成为高技术邻域内,迅速发殿起来的一门新兴的技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此,机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得到了应用
自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工不可缺少的装置,主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组成。
机械手和驱动装置是两个关键部分,根据驱动装置的不同,自动换刀装置可分为凸轮式、液压式、齿轮式、连杆式及各种机构复合式,其中以凸轮式用得较多。
发达国家数控加工中心的立式自动换刀机械手主要采用凸轮式,我国加工中心技术起步较晚,对自动换刀机械手研究较少。
进入20世纪90年代后,北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一机床厂、青海机床厂以及陕西省的秦川机床厂都对立式自动换刀机械手进行了研究和开发。
迄今为止,我国制造的加工中心配置的自动换刀机械手大多数是进口的。
其主要原因:
一是国内生产的换刀机械手质量较差,成本也不低;二是进口换刀机械手价格虽然较高,但在整个加工中心中所占份额不大。
作为加工中心的配套技术,自动换刀机械手的研究和开发将直接影响到我国自动化生产水平的提高,从经济上、技术上考虑都是十分必要的。
立式换刀机械手和卧式换刀机械手已得到广泛应用20世纪90年代以来,数控加工技术得到迅速的普及和发展,数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。
带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用,它能缩短产品的制造周期,提高产品的加工精度,适合柔性加工。
加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备,由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用,其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置(Au2tomaticToolChanger)。
换刀装置作为加工中心的重要组成部分,其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间,提高生产率,降低生产成本,进而提升机床乃至整个生产线的生产力。
加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置,其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。
加工中心的换刀过程较为复杂,动作多,动作间的相互协调关系多,因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
第二章系统控制方案的确定.
第一节变频调速
2.1.1变频调速的工作原理
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类[1]:
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”,以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
(1)整流器:
最近大量使用的是二极管的变流器,它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行再生运转。
(2)平波回路:
在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动,采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。
装置容量小时,如果电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。
(3)逆变器:
同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路是给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,它有频率、电压的“运算电路”,主电路的“电压、电流检测电路”,电动机的“速度检测电路”,将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”,以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
(1)运算电路:
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。
(2)电压、电流检测电路:
与主回路电位隔离检测电压、电流等。
(3)驱动电路:
驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
(4)速度检测电路:
以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号,送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
(5)保护电路:
检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为了防止逆变器和异步电动机损坏,使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
2.1.2变频器主要功能的预置
机械手对系统的稳定性及准确性要求很高,必须正确设置变频器的各种性能。
1.频率功能的设置
⑴最高频率当转速超过额定转速时,导致电动机严重过载。
因此,变频器的工作频率是不允许超过额定频率的,其最高频率只能与额定频率相等,即Fmax=Fn=50Hz
⑵上限频率一般说来,上限频率以等于额定频率为宜。
但有时也可以预置的略低些,原因有二:
一是变频器内部有转差补偿功能,同在50Hz的情况下,电机在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速,从而增大了电动机的负载;二是变频调速系统在50Hz下运行时,还不如直接在工频下运行,可以减少变频器本身的损失。
因此,将上限频率预置为49Hz或49.5Hz是适宜的。
(3)启动频率电机在启动时,如果从0Hz开始启动,电机的带载能力很差,为减少调节时间应预置启动频率值为15-20Hz,即设置变频器PID输出值的下限为最大值的30%-40%。
2.升速、降速时间
由于电动机需要频繁的起、停。
征订变频器的升、降速时间主要考虑升、降速时间过短,变频器可能因过流或过压而跳闸;升、降速时间过长,则会使变频器调速系统反应迟缓,造成管路中欠压或超压时间过长,满足不了负载要求。
因此,升、降时间的确定,应根据现场的实际情况来确定。
第二节伺服控制系统
2.3.1伺服控制系统概述
servomechanism
用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
又称随动系统。
在很多情况下,伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统,其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。
伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
伺服控制系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中,后来逐渐推广到很多领域,特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。
采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的:
①以小功率指令信号去控制大功率负载。
火炮控制和船舵控制就是典型的例子。
②在没有机械连接的情况下,由输入轴控制位于远处的输出轴,实现远距同步传动。
③使输出机械位移精确地跟踪电信号,如记录和指示仪表等。
衡量伺服控制系统性能的主要指标有频带宽度和精度。
频带宽度简称带宽,由系统频率响应特性来规定,反映伺服系统的跟踪的快速性。
带宽越大,快速性越好。
伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。
惯性越大,带宽越窄。
一般伺服系统的带宽小于15赫,大型设备伺服系统的带宽则在1~2赫以下。
自20世纪70年代以来,由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机,使伺服系统实现了直接驱动,革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素,使带宽达到50赫,并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。
伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。
因此,在伺服系统中必须采用高精度的测量元件,如精密电位器、自整角机和旋转变压器等。
此外,也可采取附加措施来提高系统的精度,例如将测量元件(如自整角机)的测量轴通过减速器与转轴相连,使转轴的转角得到放大,来提高相对测量精度。
采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。
通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道,直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。
伺服控制系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。
2.3.2伺服控制系统的结构组成
机电一体化的伺服控制系统的结构,类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器,被控对象,执行环节,检测环节,比较环节等五部分
1.比较环节;
比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现.
2.控制器;
控制器通常是计算机或PID控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作.
3.执行环节;
执行环节的作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作.机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压,气动伺服机构等.
4.被控对象;机械参数量包括位移,速度,加速度,力,和力矩为被控对象。
5.检测环节;
检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置,一般包括传感器和转换电路.
2.3.3控制系统框图
控制电路说明
1)给定信号设位置给定量为Qi,它通过伺服电位器RPs转换成电压信号Ui,Ui=KQi.
2)位置负反馈环节此位置随动系统的输出量为角位移Qo,因此其反馈应为角位移负反馈。
检测到得输出量Qo,通过伺服电位器RPd转换成反馈信号电压Uf(Uf=KQo)。
因此为位置负反馈,其偏差电压
△U=Ui-Uf=K(Qi-Qo),△U为控制电路的输入信号。
3)调节器与电压放大器图中,A1为比例积分微分(PID)调节器,它是为改善随动系统的动、静态性能而设置的串联校正环节。
它的输入信号为△U,输出信号送往电压放大电路。
图中,A2为电压放大电路,它的输入电路即PID调节器的输出;它的输出信号即为正组触发电路的控制电压Uc1.而反组触发电路控制电压Uc2的极性应与Uc1相反,因此增设了一个反相器A3.
(4)转速负反馈环节有时为了改善系统的动态性能,减小位置超调量,还设置转速负反馈环节。
图中TG为测速发电机,Ufn为转速负反馈电压,它主要是限制速度过快,亦即限制位置对时间的变化率。
2.3.4控制系统工作原理
在稳态时,Qo=Qi,△U=0,Us=0,电动机停转。
当位置给定信号电压经PID调节器A1和放大器A2后产生的Uc1=KQi
,偏差电压△U=(Ui-Uf)>0,电动机正转,Qo
。
这个调节的过程一直要继续到Qo=Qi,到达新的稳态,此时Uf=Ui,△U=0,Uc1=0,电动机停转为止,如图所示。
直到Qo=Qi、△U=0,电动机停转为止
(a)Qo 直到Qo=Qi、△U=0,电动机停转为止 (b)Qo>Qi时的自动调节过程。 2.3.5伺服控制系统的分类 伺服系统的分类方法很多,常见的分类方法有以下三种. (1)按被控量参数特性分类. (2)按驱动元件的类型分类. (3)按控制原理分类. 2.3.6伺服控制系统的技术要求 1.系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成. 2.稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后,系统能够恢复到原来稳定状态的能力;或者当给系统一个新的输入指令后,系统达到新的稳定运行状态的能力. 3.响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度,决定了系统的工作效率.响应速度与许多因素有关,如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等. 4.工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围.当工作频率信号输入时,系统能够按技术要求正常工作;而其它频率信号输入时,系统不能正常工作 2.3.7光电编码盘 如下图所示,输入轴上装有玻璃制的编码圆盘。 圆盘上印刷有能够遮住光的黑色条纹。 圆盘两侧有一对光源与受光元件。 次完外中间还有一个叫做分度尺的东西。 圆盘转动时,遇到玻璃透明的地方光就会通过,遇到黑色条纹就会被遮住。 受光元件将光的有无转变为电信号后就成为脉冲(反馈脉冲)“圆盘上条纹的密度=伺服电机的分辨率”亦即“每转的脉冲数”。 根据条纹可以掌握圆盘的转动量。 同时,表示 转动量的条纹中还有表示转动方向的条纹。 此外还有表示每转基准(叫做“零点”)的条纹。 此脉冲每转输出1次,叫做“零点信号”。 根据这三种条纹,即可掌握圆盘亦即伺服电动机的位置、转动量和转动方向。 第三章系统硬件设计 第一节可编程控制器(PLC)的选型 3.1.1PLC概述 PLC是可编程序控制器(ProgrammableController)的简称。 PLC是一种数字运算的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。 自从PLC在汽车装配生产线上的首次成功利用以来,PLC在多品种、小批量、高质量的生产设备中得到了广泛的应用,PLC控制已经成为工业控制的重要手段之一。 FX2N系列可编程序控制器适用于普通的工业环境,具有很强的抗干扰能力和很高的可靠性,对工作电源没有特殊要求。 FX2N系列PLC是超小型机,I/O点数最大可扩展到256点。 它有内置8kB的RAM,使用存储卡盒后,最大容量可扩大到16kB。 编程指令达327条。 PLC运行时,对一条基本指令的处理时间只要0.08μs。 它不仅能完成逻辑控制、顺序控制、模拟量控制、位置控制、高速计数等功能,还能做数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根以及浮点数运算、PID运算等更为复杂的数据处理。 所以FX2N系列PLC具有容量大、运行速度快、指令功能完善等特点。 3.1.2PLC的选型 在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下一步就是PLC工程设计选型。 工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。 因此,工程设计选型和估算时,应详细分析工艺流程的特点、控制要求,明确控制任务和范围确定所需的操作和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等,最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 1.输入输出(I/O)点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量,通常根据统计的输入输出点数,再增加10%-20%的可扩展。 余量后,作为输入输出点数估损数据。 实际订货时,还需根据制造厂商PLC的产品特点,对输出输入点数进行圆整。 根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入17点,输出6点。 2.存储器容量的估算 存储器容量是可编程控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量小于存储器容量。 设计阶段,由于用户应用程序还未编制,因此,程序容量在设计阶段是未知的,须在程序调试之后才知道。 为了设计选型时能对程序容量有一定的估算,通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式,许多文献资料中给出了不同公式,大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍,加上模拟I/O点数的100倍,以此数为内存的总字数(16位为一个字),另外再按次数的25%考虑余量。 这样才能在以后的改造中有足够的空间。 3.控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 根据本课题所设计的变频调速恒压控制的需要,主要介绍以下几种功能的选择。 ⑴控制功能 PLC主要用于顺序逻辑控制,因此,大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制,有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能,提高PLC的处理速度和节省存储器容量。 ⑵编程功能 离线编程方式: PLC和编程器公用一个CPU,编程器在编程模式时,CPU只为编程器提供服务,不对现场设备进行控制。 完成编程后,编程器切换到运行模式,CPU对现场设备进行控制,不能进行编程。 离线编程方式可降低系统成本,但使用和调试不方便。 在线编程方式: PLC和编程器有各自的CPU,主机CPU负责现场控制,并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换,编程器把在线编制的程序或数据发送到主机,下一扫描周期,主机就根据新收到的程序运行。 这种方式成本较高,但系统调试和操作方便,在大中型PLC中常采用。 4.机型的选择 目前,国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的PLC产品,使用户眼花缭乱、无所适从。 通过对输入输出点数的选择、对存储容量的选择、对I/O影响时间的选择以及输出负载的特点选型的允许,我决定使用三菱公司生产的FX2N系列的FX2N-48MR型号的可编程控制器作为机械手伺服电机的控制器,但是由于和变频器之间的信号不同,我们将添加一个有A/D、D/A转换功能的模拟输入输出模块,将信号进行转换输入变频器 第四章 系统软件设计 第一节系统工作过程分析 机械手分为手动和自动两个过程。 手动状态: 将手动开关按下,根据按钮盒上个操作按钮的标识任意按下个按钮,机械手会做出相应动作。 直到达到各个方向限位为止。 自动状态: 将自动开关按下,打开PLC,打开变频器。 按下启动按钮,机械手右转。 右转过程中,若光带传感器闭合,机械手降臂抓取。 若光电传感器没有动作,右转到达右限位后左转,左转时同右转过程。 抓取过程中,压力传感器动作,机械手完成抬臂、左转、降臂、放松、抬臂一系列动作后进入下一次循环。 若压力传感器没有动作,机械手抬臂、放松旋转重新检测动作。 第二节PLC程序设计 4.2.1I/O分配表 输入输出分配表如图4-1 I/O分配表 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X20 自动 手动 启动 抬臂 降臂 右转 左转 抓取 松开 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 Y0 右限位 左限位 上限位 下限位 压力传感器 松限位 光电传感器 抓紧限位 抬臂 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 降臂 右转 左转 抓取 松开 图4-1 4.2.2顺序功能图 控制系统的顺序功能图如图4-2 4.2.3PLC梯形图的概述 梯形图是使用的最多的图形编程语言,被称为PLC的第一编程语言。 梯形图与电路控制系统的电路图很相似,具有直观易懂的优点,很容易被工人电气人员掌握,特别适用于开关量逻辑控制。 梯形图常被称为电路或程序,梯形图的设计常被称为编程。 PLC梯形图中的某些变成元件沿用了继电器这一名称,如输入继电器。 输出继电器、内部辅助继电器等,但是它们不是真实的物理继电器,而是一些存储单元(软继电器),每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的以个存储单元相对应。 该储存单元如果为“1”状态,则表示梯形图中对应软继电器或线圈“通电”,其常开触点接通,常闭触点断开,称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。 如果该储存单元为“0”状态,对应继电器的线圈和触点的状态与上述的相反,称该软继电器为“0”或“OFF”状态。 使用中也常将这些“软继电器”称为变成元件。 梯形图两侧的垂直公共线成为母线,在分析梯形图的逻辑关系时,为了借用继电器电路图的分析方法,可以想象左右两侧母线(左母线和右母线)之间有一个左正右负的直流电源电压,母线之间有“能流”从左向右流动。 右母线可以不画出。 根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系,求出与图中各线圈对应的编程元件的状态,称为梯形图的逻辑解算。 梯形图中逻辑解算是按从左向右、从上到下的顺序进行的。 解算的结果,马上可以被后面的逻辑解算所利用。 逻辑解算是根据输入映像寄存器的值,而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。 梯形图如图4-3 4.2.4外部接线图 由PLC作为核心与变频器相结合对伺服电机进行闭环控制。 系统外部接线图如4-4 第五章结论 5.1.1参考文献: [1]张桂香,等.机电类专业毕业设计指南[M].北京: 机械工业出版社,2005. [2]胡学林.可编程控制器应用技术(第2版)[M].北京: 高等教育出版社,2005. [3]黄伟.基于可编程序控制器磁选除铁机控制系统的设计[J].电气自动化,2007,29(6): 32-33. [4]吴启红.变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书[M].北京: 机械工业出版社,2007. [5]陈立定,等.电气控制与可编程序控制器的原理及应用[M].北京: 机械工业出版社,2004. [6]赵秉衡.工厂电气控制设备[M].北京: 冶金工业出版社,2001. 5.1.2后记 本系统主要以PLC为核心,利用PLC的强大的控制功能,实现了利用可编程控制器控制变频调速恒压供水的功能,具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。 当系统的功能增加时,
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