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1、装配机械手的随动控制与精确定位及其运动仿真A Summary of Documents of Agriculture the design of a servo-control assembly manipulator with accurate positioning and motion simulation学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期： 吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology5装配机械手的随动控制与精确定位及其运动仿真摘要：本文介绍一种可以进行随动控制并且精确定位的装配机械手，并通过UG运动
2、仿真进行了机械手手指的夹取测试。采用步进电机和气压控制机械手的装配。实现连杆加工过程中在自动线上自动抓取衬套，运送到压力机轴上，进行压入装配的过程。关键词：机械手；随动控制；装配0 引 言装配机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作,按预定的程序、轨迹及其它要求,实现抓取、搬运、装配工件的自动化装置,可以提高劳动生产率、降低劳动强度、保证产品质量；尤其在高温高压、低温低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,能够实现安全生产。机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。本文根据实际装配情况，合理的设计了结构，通过UG进行了简单的建模，并对其进行了运动学简单的运动仿真，从而来完善结构设计
3、；采用了步进电机和气缸来驱动，气缸的精确定位应用了CEU2型位置控制器，可实现反馈控制参数计算和优化；机械手控制程序就是PLC控制程序，其中PLC程序采用西门子公司S7-200系列PLC编程软件V4.0 STEP 7 Micro WIN SP3编程。1 结构部分对于结构部分，关键在于怎样才能精确完成整个装配过程，利用什么样的结构既合理又可以精确定位，怎么样设计它们的结构才算合理。对于现在的通用机械手来说，精度很低，所以必须在其基础上进行改进，装配机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力，并进行机械手手指夹持精度的分析计算。机械手能否准确夹持工
4、件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手手指夹持误差大小有关。为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行计算机械手的夹持误差。手臂部件是机械手的主要部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。臂部的运动是把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承
5、受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。机械手手指的结构和误差分析如图1和图2所示。图1 机械手手指结构示意图图2手指夹持误差分析示意图2 驱动部分驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平。目前机器人的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电气驱动三种形式。液压驱动系统能够提供较大的驱动压力和功率，具有结构简单、性能稳定等特点，液压伺服驱动系统响应速度快，可达到较高的定位精度和刚度，但油路系统复杂，工作性能受环境影响较大，移动性能差，且易造成泄漏现象，常用于要求提供较大驱动
6、力矩、对移动性能要求差的特大功率机器人系统中。气动系统具有结构简单、动作迅速，可在恶劣的环境中工作，但气动装置也存在噪声问题，只适用于精度要求不高的点位系统中。电气驱动系统具有精度高、控制准确、响应迅速等优点。机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。综合考虑各种驱动式的优缺点，选用电气驱动方式来实现工件的水平运动、垂直运动、旋转运动。对于驱动部分，采用步进电机和气压来驱动，步进电机控制Z轴方向上的运动；Y轴方向上的夹持动作和X轴方向上的伸缩运动都是由直线型气缸来控制并由CEU2位置控制器完成精确定位；绕Z轴方向的旋转由旋转气缸来实现。其具体设计数据和选择型号详见设计说明书。3 控制原理1
7、）主电路与部分控制电路原理图如图3所示图3 主电路和部分控制原理图2）机械手的运动循环示意图如图4机械手下降手指夹紧机械手上升原始位置顺时针旋转伸臂机械手下降手指松开机械手上升缩臂臂逆时针旋转C0A0C1D1C1A1C0B1D0B0图4 机械手的运动循环示意图通过上图可将机械手的运动简化成为：C0 A0 C1 D1 B1 C0 A1 C1 B0 D0有上升与下降是由步进电动机来控制的，并且此处是气动控制系统图，略去C0和C1。顺序动作简化式为：A0 D1 B1 A1 B0 D0。气动控制原理图如图5所示图5 气动控制原理图4 运动仿真部分机械运动仿真技术是一种建立在机械系统运动学、动力学理论和
8、计算机实用技术基础上的新技术，涉及建模、运动控制、机构学、运动学和动力学等方面的内容，主要是利用计算机来模拟机械系统在真实环境下的运动和动力特性，并根据机械设计要求和仿真结果，修改设计参数直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化的过程。本文机械手的关键动作是夹持动作，所以夹持动作单独的运动仿真，并对结果进行简单的分析。机械手手指的运动轨迹和移动速度不同会导致各个关节的力矩、角速度、角加速度的变化。在手指运动轨迹不变的前提下，做了其动力学分析，根据分析得出以下结果：1)手指移动速度越快，各关节所需驱动力矩越大；2)由于忽略各运动副摩擦力的存在，位移随时间成线性变化，而实际曲线应在开始较短
9、一段时间内变化趋势较陡；3)手指移动速度的变化对机构的平稳性影响不大；5 结论上述装配机械手的随动控制与精确定位及其运动仿真，设计合理，结构简单，控制精确，基本上达到了工业生产上的要求。但本次毕业设计只是对装配机械手的结构和驱动做了简单的计算设计，并且设计中涉及到机械手的精确控制问题，对这方面还有待于改进，更需要在以后的工作学习中进一步了解和掌握。参考文献1谷雨明、刘杰.物料搬运机械手的系统分析与仿真，东北大学机械电子工程研究所，2006.2，（4-5）2杨汝清等.上海科技城设计师摇篮区自动装配流水线投标书z.上海交通大学.2000.5.（10-11）3李明.单臂回转机械手设计.制造技术与机床
10、，2004.60-634张军.封志辉.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.4：21-305陆鑫盛，周洪.气动自动化系统的优化设计.上海：上海科学技术文献出版社，2000.5A Summary of Documents of Agriculture the design of a servo-control assembly manipulator with accurate positioning and motion simulationAbstract: This paper presents a dynamic control can be as precise position
11、ing 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 online automatically crawl in the bush, delivered to the press axis, the pressure to the assembly process.Key words: manipulator; with the dynamic control; assembly
