引言

機(jī)械手是能夠模仿人手和手臂的功能，按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)裝置，它是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域當(dāng)中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要的組成的部分。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí):其一、它能部分代替人工操作;其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸;其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配?，F(xiàn)代化的注塑機(jī)都配有機(jī)械手，機(jī)械手是能夠模仿人體手臂的部分功能，可以對(duì)注塑產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)取出，使其按照預(yù)定要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行堆疊、排列及擺放。生產(chǎn)同類產(chǎn)品的時(shí)候，注塑機(jī)注射及成型的時(shí)間基本固定，因此注塑機(jī)的效率取決于產(chǎn)品的取出時(shí)間，每一次的開模完成到下一次合模完成的時(shí)間決定了注塑機(jī)的工作效率，機(jī)械手取出產(chǎn)品的時(shí)間越短，注塑機(jī)的效率越高。

本文主要就三伺服機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析討論，從現(xiàn)有的機(jī)械手出發(fā)，通過三維軟件Pro/Engineer設(shè)計(jì)并加工出三伺服機(jī)械手實(shí)體，通過多軸運(yùn)動(dòng)控制器配合觸摸屏進(jìn)行三伺服機(jī)械手控制器的研發(fā)。

(1)通過三維設(shè)計(jì)軟件Pro/Engineer，設(shè)計(jì)裝配出三伺服機(jī)械手的三維模型。應(yīng)用有限元數(shù)值分析軟件PAIRAN對(duì)所設(shè)計(jì)的三伺服注塑機(jī)械手進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

(2)通過計(jì)算的方式給出了伺服電機(jī)的容量選擇的方法。確定了三伺服機(jī)械手在位置控制方式下的硬件接線方式及伺服電機(jī)的參數(shù)調(diào)整的方法。

(3)利用步科伺服開發(fā)出三伺服機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，分析了機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行的流程,并介紹了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的部分主程序的功能。

1 三伺服機(jī)械手的有限元分析

注塑機(jī)機(jī)械手在機(jī)械設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面都要求做到穩(wěn)定可靠。利用三維軟件Pro/Engineer設(shè)計(jì)出三伺服機(jī)械手模型，并利用有限元的方法對(duì)三伺服機(jī)械手模型進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化了三伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)模型。

1.1 三伺服機(jī)械手機(jī)械模型介紹

根據(jù)現(xiàn)有的全氣動(dòng)、單伺服機(jī)械手通過Pro/Engineer建立了三維機(jī)械手的模型如圖所示

1.2 機(jī)械手振動(dòng)模態(tài)分析計(jì)算

對(duì)所設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，以確定的固有頻率和振型,避免機(jī)器在工作時(shí)發(fā)生共振，同時(shí)為分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和其他動(dòng)力特性提供理論依據(jù)。機(jī)械手一般工作在低階頻率下，因此在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，未求出全部固有頻率和振型，重點(diǎn)考慮機(jī)械手系統(tǒng)的低階頻率，給出了前四階振型圖

1.3 機(jī)械手振動(dòng)模態(tài)分析計(jì)算

利用PATRAN軟件對(duì)優(yōu)化后的機(jī)械手進(jìn)行模態(tài)分析，并列出前4階的節(jié)點(diǎn)振幅云圖。

2 機(jī)械手伺服電機(jī)的選擇與應(yīng)用

伺服電機(jī)的選型及調(diào)試直接影響著機(jī)械手的整體性能。伺服電機(jī)容量不足，機(jī)械手長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)出現(xiàn)過載;伺服電機(jī)容量過大，影響機(jī)械手性能的發(fā)揮;伺服調(diào)試的不好，機(jī)械手動(dòng)作不協(xié)調(diào)、不穩(wěn)定，達(dá)不到理想的控制效果。

2.1 容量選擇計(jì)算概述

伺服電機(jī)的選型是依靠選型軟件選擇的，但是每一品牌的伺服電機(jī)都對(duì)應(yīng)著一款伺服選型軟件，這樣就制約著伺服電機(jī)型號(hào)的合理選擇，用戶必須將伺服電機(jī)選型軟件完全弄懂，同時(shí)配合實(shí)際的伺服電機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)才能正確選擇，因此，給出通用的計(jì)算的方法來進(jìn)行伺服電機(jī)的容量選型，以增加伺服電機(jī)選擇的靈活性顯得很有意義。

伺服電機(jī)容量的計(jì)算

W、Wl:可動(dòng)部分重量;W2配重重量;戶:摩擦系數(shù);GL:減速比;BP絲桿;螺距(mm)

1、伺服的最大移動(dòng)速度V

機(jī)械手移動(dòng)最大速度受兩個(gè)因素影響，

(1)、同步帶輪的齒數(shù)及齒距。此數(shù)值越大機(jī)械手移動(dòng)的越快。

(2)、減速機(jī)減速比，減速比越小機(jī)械手速度越快。小慣量伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速一般為2500-300Or/min，中慣量以上額定轉(zhuǎn)速約為1500-2000r/min。

本次開發(fā)所選橫行部減速機(jī)及皮帶輪參數(shù)如下:

選用精銳廣用減速機(jī)，減速比1:10，同步輪齒數(shù)20，由于本次開發(fā)的機(jī)械手屬于中型機(jī)械手，主要安裝對(duì)象為中型注塑機(jī)，對(duì)速度要求不高，根據(jù)上述計(jì)算，選用1:10減速比的減速機(jī)完全符合要求。

2.2 伺服電機(jī)的應(yīng)用

通過對(duì)機(jī)械手電氣部分的安裝調(diào)試，發(fā)現(xiàn)伺服電機(jī)的穩(wěn)定性決定著伺服電機(jī)的總體性能，本次開發(fā)選用伺服電機(jī)的位置控制方式來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，具有定位準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1 位置方式下伺服的硬件連接

三伺服的機(jī)械手采用伺服的位置控制方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以步科I000w的伺服電機(jī)

ED430-0100-LA-K-000為例，驅(qū)動(dòng)器電源接線方式如下:

為了運(yùn)行電機(jī)，需要配備下列各項(xiàng)元件：

1.邏輯電壓24VDC(低壓，與230VAC安全隔離)提供給驅(qū)動(dòng)器控制電路的的邏輯電源。

2.動(dòng)力電源(24VDC～70VDC)單相或者三相220VAC提供給ED430系列伺服驅(qū)動(dòng)器

3.ED430驅(qū)動(dòng)器+接線端子頭

4.電機(jī)及相關(guān)電纜(電機(jī)電纜、編碼器電纜,RS232編程通訊電纜)

5.一個(gè)帶原點(diǎn)和限位開關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)（如導(dǎo)軌）

2.2.2給驅(qū)動(dòng)器提供邏輯電源（控制器的電源X4）

邏輯電源電壓有效范圍18V-30VDC，接X4的+24VGND。

ED伺服驅(qū)動(dòng)器外部接線圖請(qǐng)參考下圖

3 機(jī)械手人機(jī)界面的開發(fā)設(shè)計(jì)

3.1 觸摸屏的基本原理

觸摸屏的基本原理是，用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸控屏?xí)r，所觸摸的位置(以坐標(biāo)形式)由觸摸屏控制器檢測(cè)，并通過接口(如RS一2犯串行口)送到CPU，從而確定輸入的信息。觸摸屏系統(tǒng)一般包括觸摸屏控制器(卡)和觸摸檢測(cè)裝置兩個(gè)部分。

觸摸屏參數(shù)設(shè)置

觸摸屏的開發(fā)更具靈活多樣，可以滿足機(jī)械手系統(tǒng)的開發(fā)需求。適合工業(yè)開發(fā)使用，通過編寫宏程序，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的機(jī)械手人機(jī)交互界面形式，適合機(jī)械手用戶,選用步科MT4403T的觸摸屏。畫面如圖：

3.2 機(jī)械手人機(jī)界面需要顯示的功能

由于注塑機(jī)機(jī)械手都是根據(jù)注塑機(jī)所用的相關(guān)模具來確定具體的動(dòng)作流程的，因此機(jī)械手的動(dòng)作參數(shù)都必須通過人機(jī)界面來進(jìn)行的，通過示教及手動(dòng)的方式得到滿意的機(jī)械手動(dòng)作效果，因此機(jī)械手人機(jī)界面的開發(fā)就必須圍繞機(jī)械手先關(guān)動(dòng)作進(jìn)行開發(fā)，所編寫的人機(jī)界面也應(yīng)包含以下信息:

1．示教程序及示教程序動(dòng)作的顯示，主要涉及各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的動(dòng)作、各個(gè)電磁閥的動(dòng)作、延時(shí)、跳轉(zhuǎn)、判斷等動(dòng)作指令及其相關(guān)參數(shù)的修改

2．軟件行程安全保護(hù)界面

3．產(chǎn)品堆疊程序、附加設(shè)備(諸如輸送帶、噴油設(shè)備的控制)

4．FO信號(hào)顯示，通過此界面實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械手的動(dòng)作情況

5．機(jī)械手報(bào)警信息

4 三伺服機(jī)械手控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器是基于微處理技術(shù)的高性能數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器，能夠輕松實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式，如直線、圓弧、螺旋線插補(bǔ)、電子齒輪、電子凸輪，同步跟蹤控制、虛擬軸控制等;與驅(qū)動(dòng)器接口方式多樣:RS232、485、以太網(wǎng)、Medbus、DevieeNET、Profibus、Sercos和通用伺服接口(脈沖+方向)等。

運(yùn)動(dòng)控制器大都分為步進(jìn)軸控制和伺服軸控制方式，二者一般共用同一端口。步進(jìn)控制軸一般都是通過PWM(脈寬調(diào)制)的方式來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過參數(shù)的調(diào)整來產(chǎn)生不同的脈沖波;并通過細(xì)分的方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制;伺服控制軸主要用來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)或編碼器，大都采用模擬量即電壓控制方式，控制電壓可以進(jìn)行任意調(diào)節(jié)，通過調(diào)整電壓的大小及正負(fù)來改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速及方向。在機(jī)械手行業(yè)中，大都采用伺服電機(jī)的位置控制方式(即脈沖控制方式)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，通過AB相脈沖及脈沖的正負(fù)來控制伺服電機(jī)的正常運(yùn)動(dòng)。

4.1 三伺服機(jī)械手主要?jiǎng)幼髁鞒?/strong>