裝配機械手的隨動控制與精確定位及其運動仿真

1、裝配機械手的隨動控制與精確定位及其運動仿真A Summary of Documents of Agriculture the design of a servo-control assembly manipulator with accurate positioning and motion simulation學(xué)生學(xué)號： 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 起止日期： 吉 林 化 工 學(xué) 院Jilin Institute of Chemical Technology裝配機械手的隨動控制與精確定位及其運動仿真摘要：本文介紹一種可以進(jìn)行隨動控制并且精確定位的裝配機械手，并通過UG運動仿

2、真進(jìn)行了機械手手指的夾取測試。采用步進(jìn)電機和氣壓控制機械手的裝配。實現(xiàn)連桿加工過程中在自動線上自動抓取襯套，運送到壓力機軸上，進(jìn)行壓入裝配的過程。關(guān)鍵詞：機械手；隨動控制；裝配0 引 言裝配機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作,按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求,實現(xiàn)抓取、搬運、裝配工件的自動化裝置,可以提高勞動生產(chǎn)率、降低勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量；尤其在高溫高壓、低溫低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中,能夠?qū)崿F(xiàn)安全生產(chǎn)。機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。本文根據(jù)實際裝配情況，合理的設(shè)計了結(jié)構(gòu)，通過UG進(jìn)行了簡單的建模，并對其進(jìn)行了運動學(xué)簡單的運動仿真，從而來完善結(jié)構(gòu)設(shè)計；

3、采用了步進(jìn)電機和氣缸來驅(qū)動，氣缸的精確定位應(yīng)用了CEU2型位置控制器，可實現(xiàn)反饋控制參數(shù)計算和優(yōu)化；機械手控制程序就是PLC控制程序，其中PLC程序采用西門子公司S7-200系列PLC編程軟件V4.0 STEP 7 Micro WIN SP3編程。1 結(jié)構(gòu)部分對于結(jié)構(gòu)部分，關(guān)鍵在于怎樣才能精確完成整個裝配過程，利用什么樣的結(jié)構(gòu)既合理又可以精確定位，怎么樣設(shè)計它們的結(jié)構(gòu)才算合理。對于現(xiàn)在的通用機械手來說，精度很低，所以必須在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，裝配機械手的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確，抓取精度高，重復(fù)定位精度和運動穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能力，并進(jìn)行機械手手指夾持精度的分析計算。機械手能否準(zhǔn)確夾持工件

4、，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手手指夾持誤差大小有關(guān)。為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進(jìn)行計算機械手的夾持誤差。手臂部件是機械手的主要部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應(yīng)該包括3個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。臂部的運動是把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受

5、腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。機械手手指的結(jié)構(gòu)和誤差分析如圖1和圖2所示。圖1 機械手手指結(jié)構(gòu)示意圖圖2手指夾持誤差分析示意圖2 驅(qū)動部分驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計往往要受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時還要考慮價格因素的影響以及所能達(dá)到的技術(shù)水平。目前機器人的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種形式。液壓驅(qū)動系統(tǒng)能夠提供較大的驅(qū)動壓力和功率，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等特點，液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可達(dá)到較高的定位精度和剛度，但油路系統(tǒng)復(fù)雜，工作性能受環(huán)境影響較大，移動性能差，且易造成泄漏現(xiàn)象，常用于要求提供較大驅(qū)動力

6、矩、對移動性能要求差的特大功率機器人系統(tǒng)中。氣動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、動作迅速，可在惡劣的環(huán)境中工作，但氣動裝置也存在噪聲問題，只適用于精度要求不高的點位系統(tǒng)中。電氣驅(qū)動系統(tǒng)具有精度高、控制準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速等優(yōu)點。機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。綜合考慮各種驅(qū)動式的優(yōu)缺點，選用電氣驅(qū)動方式來實現(xiàn)工件的水平運動、垂直運動、旋轉(zhuǎn)運動。對于驅(qū)動部分，采用步進(jìn)電機和氣壓來驅(qū)動，步進(jìn)電機控制Z軸方向上的運動；Y軸方向上的夾持動作和X軸方向上的伸縮運動都是由直線型氣缸來控制并由CEU2位置控制器完成精確定位；繞Z軸方向的旋轉(zhuǎn)由旋轉(zhuǎn)氣缸來實現(xiàn)。其具體設(shè)計數(shù)據(jù)和選擇型號詳見設(shè)計說明書。3 控制原理1）

7、主電路與部分控制電路原理圖如圖3所示圖3 主電路和部分控制原理圖2）機械手的運動循環(huán)示意圖如圖4機械手下降手指夾緊機械手上升原始位置順時針旋轉(zhuǎn)伸臂機械手下降手指松開機械手上升縮臂臂逆時針旋轉(zhuǎn)C0A0C1D1C1A1C0B1D0B0圖4 機械手的運動循環(huán)示意圖通過上圖可將機械手的運動簡化成為：C0 A0 C1 D1 B1 C0 A1 C1 B0 D0有上升與下降是由步進(jìn)電動機來控制的，并且此處是氣動控制系統(tǒng)圖，略去C0和C1。順序動作簡化式為：A0 D1 B1 A1 B0 D0。氣動控制原理圖如圖5所示圖5 氣動控制原理圖4 運動仿真部分機械運動仿真技術(shù)是一種建立在機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)理論和計

8、算機實用技術(shù)基礎(chǔ)上的新技術(shù)，涉及建模、運動控制、機構(gòu)學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)等方面的內(nèi)容，主要是利用計算機來模擬機械系統(tǒng)在真實環(huán)境下的運動和動力特性，并根據(jù)機械設(shè)計要求和仿真結(jié)果，修改設(shè)計參數(shù)直至滿足機械性能指標(biāo)要求或?qū)φ麄€機械系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的過程。本文機械手的關(guān)鍵動作是夾持動作，所以夾持動作單獨的運動仿真，并對結(jié)果進(jìn)行簡單的分析。機械手手指的運動軌跡和移動速度不同會導(dǎo)致各個關(guān)節(jié)的力矩、角速度、角加速度的變化。在手指運動軌跡不變的前提下，做了其動力學(xué)分析，根據(jù)分析得出以下結(jié)果：1)手指移動速度越快，各關(guān)節(jié)所需驅(qū)動力矩越大；2)由于忽略各運動副摩擦力的存在，位移隨時間成線性變化，而實際曲線應(yīng)在開始較短一

9、段時間內(nèi)變化趨勢較陡；3)手指移動速度的變化對機構(gòu)的平穩(wěn)性影響不大；5 結(jié)論上述裝配機械手的隨動控制與精確定位及其運動仿真，設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，控制精確，基本上達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)上的要求。但本次畢業(yè)設(shè)計只是對裝配機械手的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動做了簡單的計算設(shè)計，并且設(shè)計中涉及到機械手的精確控制問題，對這方面還有待于改進(jìn)，更需要在以后的工作學(xué)習(xí)中進(jìn)一步了解和掌握。參考文獻(xiàn)1谷雨明、劉杰.物料搬運機械手的系統(tǒng)分析與仿真，東北大學(xué)機械電子工程研究所，2006.2，（4-5）3452000.5A Summary of Documents of Agriculture the design of a servo-con

10、trol assembly manipulator with accurate positioning and motion simulationAbstract: This paper presents a dynamic control can be as precise positioning and robot assembly, and a motion simulation UG manipulator fingers take the test folder. The use of stepper motor and air pressure control assembly manipulator. Link processing to achieve automatic onli