PLC机械手毕业论文.doc

摘要摘要 机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自 动抓取、搬运和操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、 易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作 中代替人作业，机械手虽然目前还不如然手那样灵活，但它具有不 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，因此获得日益广泛的应用。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。随着电子技术特别是电子 计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速 发展起来的一门新兴技术，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。在现代生产过程中， 机械手被广泛的运用于自动生产线中，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。 通过对机电一体化专业大学专科三年的所学知识进行整合，对 工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种机械 手通过 plc 系统来编写程序控制机械手运动轨迹。 关键词：机械手；plc；操作系统 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 2 一一plc 控制机械手设计控制机械手设计 机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动 控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋 钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统 自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该 工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。 1、机械手传送工件系统示意图，如图 1 所示。 图 1 机械手传送示意及操作面板图 它是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由左工作台（a 点）搬到右工作台 （b 点） 。 机械手的全部动作由气缸驱动，气缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由 plc 控制。其中， 上升/下降和/右移分别由双线圈两位电磁阀控制。例如，当下降电磁阀通电时，机械手下 降；当下降电磁阀断电时，机械手停止下降。只有当上升电磁阀通电时，机械手上升；当 上升电磁阀断电时，机械手停止上升。同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 3 制。机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。当该线圈通 电时，机械手夹紧；当该线圈断电时，机械手放松。 机械手的动作过程如图 1 所示。从原点开始，按下启动按钮，下降电磁 阀通电，机械手下降；下降到位时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，停止 下降。同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机 械手上升。上升到位时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，停止上升。同 时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀 断电，停止右移。同时下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位时，碰到下 限位开关，下降电磁阀断电，停止下降。同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。 放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到位时，碰到上限位开关，上 升电磁阀断电，停止上升。同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到位时， 碰到左限位开关，左移电磁阀断电，停止左移。至此，机械手经过 8 步完成了 一个周期的动作。 5. plc 的选型 根据系统的设计要求，选用三菱公司生产的fx2n-40mr，它能处理广泛的 机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的 通信功能保证了与个人计算机 机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为步进、单 周期和连续操作方式。 1） 手动操作方式 手动操作方式是用按钮实现对机械手的每一步运动单独进行控制。例如，当选择上/下运动 时，分别由上升/下降按钮控制。当选择左/右运动时，分别由左移/右移按钮控制。当选择 夹紧/放松运动时，分别由夹紧/放松按钮控制。 2） 自动操作方式 步进操作：每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。 单周期操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停 止。 连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周 期循环，在工作过程中，若按停止按钮，则机械手将继续完成此周期的动作，回到原地后 自动停止。 2、输入和输出点分配表及原理接线图 表 1 机械手传送系统输入和输出点分配表 名名 称称代号代号输入输入名名 称称代号代号输入输入名名 称称代号代号输出输出 启动sb1x0夹紧sb5x10电磁阀下降yv1y0 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 4 下限行程sq1x1放松sb6x11电磁阀夹紧yv2y1 上限行程sq2x2单步上升sb7x12电磁阀上升yv3y2 右限行程sq3x3单步下降sb8x13电磁阀右行yv4y3 左限行程sq4x4单步左移sb9x14电磁阀左行yv5y4 停止sb2x5单步右移sb10x15原点指示ely5 手动操作sb3x6回原点sb11x16 连续操作sb4x7工件检测sq5x17 3、操作系统 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图 3 所示。 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 5 其原理是： 把旋钮置于回原点，x16 接通，系统自动回原点，y5 驱动指示灯亮。再把 旋钮置于手动，则 x6 接通，其常闭触头打开，程序不跳转（cj 为一跳转指令， 如果 cj 驱动，则跳到指针 p 所指 p0 处） ，执行手动程序。之后，由于 x7 常闭 触点，当执行 cj 指令时，跳转到 p1 所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置， （既 x6 常闭闭合、x7 常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动 程序。 4、回原位程序 回原位程序如图 4 所示。用 s10s12 作回零操作元件。应注意，当用 s10s19 作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器 m8043 置 1。 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 6 5、手动单步操作程序 如图 5 所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。 6、自动操作程序 自动操作状态转移见图 6 所示。当机械手处于原位时，按启动 x0 接通，状 态转移到 s20，驱动下降 y0，当到达下限位使行程开关 x1 接通，状态转移到 s21，而 s20 自动复位。s21 驱动 y1 置位，延时 1 秒，以使电磁力达到最大夹 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 7 紧力。当 t0 接通，状态转移到 s22，驱动 y2 上升，当上升到达最高位，x2 接通，状态转移到 s23。s23 驱动 y3 右移。 移到最右位，x3 接通，状态转移到 s24 下降。下降到最低位，x1 接通，电磁 铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时 1 秒。延时时间到，t1 接通，状态转移 到 s26 上升。上升到最高位，x2 接通，状态转移到 s27 左移。左移到最左位， 使 x4 接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。 在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却 可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用 基本指令编程较为容易，可读性较强。 7、机械手传送系统梯形图 如图 7 所示。图中从第 0 行到第 27 行为回原位状态程序。从第 28 行到第 66 行，为手动单步操作程序。从第 67 行到第 129 行为自动操作程序。这三部 分程序（又称为模块）是图 3 的操作系统运行的。 回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行， 都以 ret 结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回 初始态 s1。而自动操作程序能自动返回初态 s2。 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 8 8、指令语句表 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 9 摘要摘要 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。近年来， 随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技 术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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 的力量比人手大等特点，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，例如： 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 10 (1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 (2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在 机械行业中它可以用来组装零部件。 (3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 (4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 (5)宇宙及海洋的开发。 (6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。 目 录 前前 言言1 1 1 plcplc 简介简介.2 1.1 plc 发展历史.2 1.3 plc 的工作原理.8 2 2 机械手的机械手的 plcplc 控制控制10 2.1 控制特点10 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 11 2.2 系统控制示意图10 2.3 输入和输出点分配表及原理接线图11 2.4 操作系统12 2.5 回原位程序13 2.6 手动单步操作程序.14 2.7 自动操作程序.14 2.8 机械手传送系统梯形图.16 2.9 指令语句表.17 实践心得体会实践心得体会 参考文献 前 言 可编程序控制器（programmable logic controller） ，简称 plc，是在继 电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 12 随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，plc 的功能也越来越强大，更多地具 有计算机的功能，所以又简称 pc（programmable controller） ，但是为了不和 personal computer 混淆，仍习惯称为 plc。目前 plc 已经在智能化、网络化方 面取得了很好的发展，并且现今已出现 softplc，更是 plc 领域无限的发展前 景。本文主要通过气动机械臂的 plc 控制来介绍 plc 的具体应用，让我们更熟 悉 plc，为今后学习打下基础。 1 plc 简介 可编程控制器（简称 plc）：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工 业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执 行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字 或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。1.1 plc 发展历史 20 世纪 60 年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不 断更新的需要，在 1968 年美国通用汽车公司（gm）首先公开招标，对控制系统 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 13 提出的具体要求基本为：a。 它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线 简单成本低。b。它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。但编程要比 计算机简单易学、操作方便。c。系统通用性强。1969 年美国数字设备公司 （dec）根据上述要求，研制出世界上第一台 plc，并在 gm 公司汽车生产线上 首次试用成功，实现了生产的自动化。其后日本、德国等相继引入，可编程序 控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为 可编程逻辑控制器，简称 plc。其定义：可编程控制器是一种数字运算操作的 电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于 其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户 的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编 程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩 充其功能的原则设计。 1.2 基本结构 plc 可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并 将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是 plc 实施控制的 两个基本点，同时物理实现也是 plc 与普通微机相区别之处，其需要考虑实际 控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水 平，能为实际控制系统方便使用，所以 plc 采用了典型的计算机结构，主要是 由微处理器（cpu） 、存储器（ram/rom） 、输入输出接口（i/o）电路、通信接口 及电源组成。plc 的基本结构如下图所示： 1.2.1 中央处理单元(cpu) 中央处理单元 (cpu)是 plc 的控制核心。它按照 plc 系统程序赋予的功能： 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 14 a. 接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、i/o 以及警戒定时器 的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 plc 投入运行时，首先它以扫描 的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 i/o 映象寄存区，然后 从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻 辑或算数运算并将结果送入 i/o 映象寄存区或数据寄存器内。等所有的用户程 序执行完毕之后，最后将 i/o 映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据 传送到相应的输出装置，如此循环直到停止运行。 为了进一步提高 plc 的可靠 性，近年来对大型 plc 还采用双 cpu 构成冗余系统，或采用三 cpu 的表决式系 统。这样，即使某个 cpu 出现故障，整个系统仍能正常运行。 1.2.2 存储器 可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系 统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程 序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程 序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存 储器两部分。 plc 常用的存储器类型 ： （1）ram （random assess memory） 这是一种读/写存储器(随机存储器)， 其存取速度最快，由锂电池支持。 （2）eprom（erasable programmable read only memory）这是一种可擦 除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连 续照射下可擦除存储器内容)。 （3）eeprom(electrical erasable programmable read only memory)这 是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进 行修改。 plc 存储空间的分配 ： 虽然各种 plc 的 cpu 的最大寻址空间各不相同， 但是根据 plc 的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域： （1）系统程序存储区 （2）系统 ram 存储区（包括 i/o 映象寄存区和系统软设备等） 。 （3）用户程序存储区 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 15 系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系 统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子 程序等。由制造厂商将其固化在 eprom 中，用户不能直接存取。它和硬件一起 决定了该 plc 的性能。 系统 ram 存储区：系统 ram 存储区包括 i/o 映象寄存区以及各类软元件， 如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。 （1）i/o 映象寄存区：由于 plc 投入运行后，只是在输入采样阶段才依次 读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外 设。因此，它需要一定数量的存储单元(ram)以存放 i/o 的状态和数据，这些单 元称作 i/o 映象寄存区。一个开关量 i/o 占用存储单元中的一个位，一个模拟 量 i/o 占用存储单元中的一个字。因此整个 i/o 映象寄存区可看作两个部分组 成：开关量 i/o 映象寄存区；模拟量 i/o 映象寄存区。 （2）系统软元件存储区 ：除了 i/o 映象寄存区区以外，系统 ram 存储区 还包括 plc 内部各类软元件（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加 器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和失电不保持的存 储区域，前者在 plc 断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者当 plc 断电时，数据被清零。 （3）用户程序存储区 ： 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同 类型的 plc，其存储容量各不相同。 1.2.3 输入接口电路 输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信 号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电 路。 可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。这也是其 i/o 设计的优点之处， 经过了电气隔离后，信号才送入 cpu 执行的,防止现场的强电干扰进入。如下图 就是采用光电耦合器(一般采用反光二极管和光电三极管组成)的开关量输入接 口电路： 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 16 1.2.4 输出接口电路 可编程序控制器的输出有：继电器输出(m)、晶体管输出(t)、晶闸 管输出(ssr)三种输出形式。 (1) 输出接口电路的隔离方式 (2) 输出接口电路的主要技术参数 a.响应时间 响应时间是指 plc 从 on 状态转变成 off 状态或从 off 状态转变 成 on 状态所需要的时间。继电器输出型响应时间平均约为 10ms；晶闸管输出 型响应时间为 1ms 以下；晶体管输出型在 0.2ms 以下为最快。 b.输出电流 继电器输出型具有较大的输出电流，ac250v 以下的电路电 压可驱动纯电阻负载 2a/1 点、感性负载 80va 以下（ac100v 或 ac200v）及灯负 载 100w 以下（ac100v 或 200v）的负载；y0、y1 以外每输出 1 点的输出电流是 0.5a，但是由于温度上升的原因，每输出 4 合计为 0.8a 的电流，输出晶体管的 on 电压约为 1.5v，因此驱动半导体元件时，请注意元件的输入电压特性。 y0、y1 每输出 1 点的输出电流是 0.3a，但是对 y0、y1 使用定位指令时需要高 速响应，因此使用 10100ma 的输出电流；晶闸管输出电流也比较小，fx1s 无 晶闸管输出型。 c.开路漏电流 开路漏电流是指输出处于 off 状态时，输出回路中的电流。 继电器输出型输出接点 off 是无漏电流；晶体管输出型漏电流在 0.1ma 以下； 晶闸管较大漏电流，主要由内部 rc 电路引起，需在设计系统时注意。 输出公共端（com） 公共端与输出各组之间形成回路，从而驱动负载。 fx1s 有 1 点或 4 点一个公共端输出型，因此各公共端单元可以驱动不同电源电 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 17 压系统的负载。 1.2.5 电源 plc 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可 靠得电源系统是无法正常工作的，因此 plc 的制造商对电源的设计和制造也十 分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 plc 直接连接到交流电网上去。如 fx1s 额定电压 ac100v240v，而电压允许范 围在 ac85v264v 之间。允许瞬时停电在 10ms 以下，能继续工作。 一般小型 plc 的电源输出分为两部分：一部分供 plc 内部电路工作；一部 分向外提供给现场传感器等的工作电源。因此 plc 对电源的基本要求： 能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰； 电源发生故障不会导致其它部分产生故障； 允许较宽的电压范围； 电源本身的功耗低，发热量小； 内部电源与外部电源完全隔离； 有较强的自保护功能。 1.3 plc 的工作原理 由于 plc 以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却 与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方 式或 i/o 扫描方，若有键按下或有 i/o 变化，则转入相应的子程序，若无则继 续扫描等待。 plc 则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，cpu 从第一条指令开始执 行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指 令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复 始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下 几个因素：一是 cpu 执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程 序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为 3 个阶段。 1.3.1 输入刷新阶段 在输入刷新阶段，cpu 扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄 存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 18 执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这 些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。 1.3.2 程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并 将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后 一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。 1.3.3 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存 电路（输出映像寄存器） ，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工 作，这才形成 plc 的实际输出。 由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成 plc 一个工作周 期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输 出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为 i/o 刷新阶段。实际上， 除了执行程序和 i/o 刷新外，plc 还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与 编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务” ，一般在程序执行之后进行。 显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越 慢。由于每个扫描周期只进行一次 i/o 刷新，即每一个扫描周期 plc 只对输入、 输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上 降低了系统的响应速度。但是由于其对 i/o 的变化每个周期只输出刷新一次， 并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的， 不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷 新阶段进行，plc 在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场 的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就 会造成响应滞后现象，这个一般 plc 都会采取高速模块。 总之，plc 采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我 们在学习和使用 plc 当中都应加强注意。 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 19 2 机械手的 plc 控制 2.1 控制特点 机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动 控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋 钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统 自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该 工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。 2.2 系统控制示意图 机械手传送工件系统示意图，如图 1 所示。 图 1 机械手传送示意及操作面板图 2.3 输入和输出点分配表及原理接线图 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 20 名 称代号输入名 称代号输入名 称代号 输 出 启动sb1x0夹紧sb5x10 电磁阀下 降 yv1y0 下限行程sq1x1放松sb6x11 电磁阀夹 紧 yv2y1 上限行程sq2x2单步上升sb7x12 电磁阀上 升 yv3y2 右限行程sq3x3单步下降sb8x13 电磁阀右 行 yv4y3 左限行程sq4x4单步左移sb9x14 电磁阀左 行 yv5y4 停止sb2x5单步右移sb10x15原点指示ely5 手动操作sb3x6回原点sb11x16 连续操作sb4x7工件检测sq5x17 表 1 机械手传送系统输入和输出点分配表 2.4 操作系统 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图 3 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 21 所示。 其原理是： 把旋钮置于回原点，x16 接通，系统自动回原点，y5 驱动指示灯亮。再把 旋钮置于手动，则 x6 接通，其常闭触头打开，程序不跳转（cj 为一跳转指令， 如果 cj 驱动，则跳到指针 p 所指 p0 处） ，执行手动程序。之后，由于 x7 常闭 触点，当执行 cj 指令时，跳转到 p1 所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置， （既 x6 常闭闭合、x7 常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动 程序。 2.5 回原位程序 回原位程序如图 4 所示。用 s10s12 作回零操作元件。应注意，当用 s10s19 作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器 m8043 置 1。 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 22 2.6 手动单步操作程序 如图 5 所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。 2.7 自动操作程序 自动操作状态转移见图 6 所示。当机械手处于原位时，按启动 x0 接通，状 态转移到 s20，驱动下降 y0，当到达下限位使行程开关 x1 接通，状态转移到 s21，而 s20 自动复位。s21 驱动 y1 置位，延时 1 秒，以使电磁力达到最大夹 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 23 紧力。当 t0 接通，状态转移到 s22，驱动 y2 上升，当上升到达最高位，x2 接 通，状态转移到 s23。s23 驱动 y3 右移。 移到最右位，x3 接通，状态转移到 s24 下降。下降到最低位，x1 接通，电 磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时 1 秒。延时时间到，t1 接通，状态转 移到 s26 上升。上升到最高位，x2 接通，状态转移到 s27 左移。左移到最左位， 使 x4 接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。 在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却 可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用 基本指令编程较为容易，可读性较强。 2.8 机械手传送系统梯形图 如图 7 所示。图中从第 0 行到第 27 行为回原位状态程序。从第 28 行到第 66 行，为手动单步操作程序。从第 67 行到第 129 行为自动操作程序。这三部 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 24 分程序（又称为模块）是图 3 的操作系统运行的。 回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行， 都以 ret 结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回 初始态 s1。而自动操作程序能自动返回初态 s2。 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 25 2.9 指令语句表 实践心得实践心得 机械手的 plc 控制课程设计通过了 1 周的课程设计使我对机械设计过程有 进一步了解，对机电产品的有关的控制知识有了深刻的认识。 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 26 因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，如：遗忘以前学过的 专业基础知识。通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的 实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质 的复合型人才。运用学习成果，把理论运用于实际，使理论得以提升，形成创 新思想。通过此次设计过程，巩固了专业基础知识，培养了我综合应用机械设 计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力， 在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，为今后的学习和工作过程打下基 础。 参考文献： 【1】郁汉琪.可变程序控制器原理及应用.北京：中国电力出版社，2005 【2】范永胜.电气控制与 plc 应用.第 2 版.北京：中国电力出版社，2004 【3】易泓可.基于数字 pid 设计.北京：机械工业出版社，2004 【4】濮良贵.机械设计8 版.高等教育出版社. 2006 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 27 课题课题名称：气名称：气动动机械手关机械手关节结节结构构设计设计及运及运动动 学仿真分析学仿真分析 姓名：姓名： 班班级级： ： 学号：学号： 指指导导老老师师： ： 学院：机械与自学院：机械与自动动控制学院控制学院 摘 要 随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展， 机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。在各种类型的机器人中，模拟 人体手臂而构成的关节型机器人，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等 优点，是应用最为广泛的机器人之一。尤其由柔性关节组成的柔性仿生机器人 在服务机器人及康复机器人领域中的应用和需求越来越突出。 本课题重点在于气动机械手关节结构参数化设计和其可行性分析。由于气 动肌肉柔性关节的研究历史短、资料少，肌肉本身的动特性还在研究中，因此 本课题具有一定的难度，在研究过程中注重静态指标的满足。 本文重点解决的问题结构设计及仿真。 本课题中主要内容是： （1）设计气动机械手关节结构； （2）关节结构的参数设计； （3）用仿真软件进行运动过程模拟分析以此来改善结构设计，直到得出满意的 结果为止。 目标：满足气动机械手关节结构的设计要求。 关键词：气动肌肉；结构设计；气动机械手关节；运动学仿真 abstract with the rapid development of microelectronic technology, sensor technology, control technology and the rapid development of mechanical manufacturing technics, the application of robots is expanded from cars to other fields progressively. in all types of robots, the joint-type robot which is composed of the simulation of human arms, has great advantages such as compact construction, little space accounted, and wide motion space, is one of the most widely used robots.in particular, flexible bio- robot which is composed of flexible joints is applicated and needed more and more prominent in the field of service and rehabilitation. the focus of this subject is the machanism design and its feasibility analysis of the pneumatic muscle arm joints, and then finish the mechanical design of the machanism parts of anthropomorphic robot joint. because research history of pneumatic muscles flexible joints is short, information is little, the dynamic characteristics of the muscle is still under study, this subject has certain difficulty, and pay attention to the satisfaction of the static index in the course of studying. the problem this passage mainly resolves-mechanical design and simulation. the main content of this subject: (1) design the joint structure of pneumatic manipulator; (2) parametric design of the joint structure; (3)using simulation software to simulate structure in order to improve the mechanical design until obtain the satisfactory result. goal: achieve the optimized designing of pneumatic manipulator. key words: pneumatic muscles; structural design; pneumatic manipulator joint; kinematics emulation 目 录 摘 要 abstract 第 1 章 绪 论1 1.1 研究气动机械手的意义1 1.2 气动机械手在国内外的发展现状及应用2 1.3 气动技术发展状况及优缺点4 1.4 气动机械手的发展方向6 第 2 章 气动机械手关节结构形式设计8 2.1 气动肌肉结构、特性及模 型8 2.1.1 气动肌肉的基本结构8 2.1.2 气动肌肉的特性8 2.1.3 气动肌肉的模型9 2.2 气动机械手的基本结构11 2.3 气动机械手关节结构设计12 2.3.1 关节的基本方式12 2.3.2 肩关节结构设计12 2.3.3 肘关节结构设计14 2.3.4 腕关节结构设计16 第 3 章 气动机械手关节结构参数设计18 3.1 参数设计优点18 3.2 肩关节结构参数设计18 3.2.1 第一肩关节结构参数设计18 3.2.2 第二肩关节结构参数设计20 3.2.3 第三肩关节结构参数设计22 3.3 肘关节结构参数设计23 3.3.1 x轴方向上的结构参数设计23 3.3.2 y轴方向上的结构参数设计24 3.4 腕关节结构参数设计26 第 4 章 气动机械手关节的模拟仿 真27 4.1 仿真内容27 4.2 仿真方法27 4.3 气动机械手关节的运动学分析28 4.3.1 第一肩关节的运动仿真及分析28 4.3.2 第二肩关节的运动仿真及分析28 4.3.3 肘关节x轴方向的运动仿真及分析29 4.3.4 肘关节y轴方向的运动仿真及分析30 4.3.5 腕关节x轴方向的运动仿真及分析31 4.3.6 腕关节z轴方向的运动仿真及分析32 4.3.7 第一二肩关节，肘关节x轴方向，腕关节x轴方向的运动仿真及分析32 4.3.8 第一二肩关节，肘关节y轴方向，腕关节z轴方向的运动仿真及分析33 第 5 章 结论33 参考文献34 致谢36 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 研究气动机械手的意义 近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上 得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程 度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅 速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气 比例伺服技术的发展。现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环 比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗 污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究1。 从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。20世纪70 年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，而30多年后的今天，在工业技术发达 的欧美、日本国家，该比例已达到6:4，甚至接近5:5。我国的气动行业起步较晚， 但发展较快。从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20以上， 高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、plc技术、计算机技 术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与 控制的关键技术之一2。 传统的机器人关节多由电机或液(气)压缸等来驱动。以这种方式来驱动关 节，位置精度可以达到很高，但其刚度往往很大，实现关节的柔顺运动较困难。 而柔顺性差的机器人在和人接触的场合使用时，容易造成人身和环境的伤害。 因此，在许多服务机器人或康复机器人研究中，确保机器人的关节具有一定的 柔顺性提高到了一个很重要的地位。 人类关节具有目前机器人所不具备的优良特性，既可以实现较准确的位置 控制又具有很好的柔顺性。这种特性主要是由关节所采用的对抗性肌肉驱动方 式所决定的。目前模仿生物关节的驱动方式在仿生机器人中得到越来越多的应 用。在这种应用中为得到类似生物关节的良好特性，一般都采用具有类似生物 肌肉特性的人工肌肉。 气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析 2 气动肌肉是人工肌肉中出现较早、应用较广泛的一种驱动器，具有重量轻、 结构简单及控制容易等优点，在类人机器人、爬行机器人及康复辅助器械中得 到了应用。其基本应用形式大都采用一对气动肌肉组成关节的方式。气动肌肉 最简单和最常见的使用方式是利用一对气动肌肉以生物体中拮抗肌的形式驱动 关节，这种方式克服了气动肌肉变化长度较小的缺点，能够实现大的转动位移。 而且由于其类似生物体驱动关节的方式，因此具有刚度和位置能独立控制等仿 生关节具有的优点3。 气动机械手是集机械、电气、气动和控制于一体的典型机电一体化产品。 近年来，机械手在自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃、易爆等恶劣环 境内，与电动和液压驱动的机械手相比，显示出独特的优越性，得到了越来越 广泛的应用4。 1.2 气动机械手在国内外的发展现状及应用 由于机器人或机械手都需要能快速、准确的抓取工件，因而对机器人或机 械手提出了更高的要求，即他们必须具有高定位精度、能快速反应、有一定的 承载能力、足够的空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位。 传统观点认为，由于气体具有压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高 精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外，气源工作压力 较低，抓举力较小。气动技术作为机器人中的驱动功能已经被工业界广泛接受， 对于气动机器人伺服控制体系的研究起步较晚，但已取得了重要成果，它在工 业自动化领域应用正在受到越来越多的广泛关注。 90年代初，有布鲁塞尔皇家军事学院y.bando教授领导的综合技术部开发研 制的电子气动机器人“阿基里斯”六脚勘测员，也被称为festo的“六足 动物”。y.bando教授采用了世界上著名的德国festo生产的气动元件、可编 程控制器和传感器等，创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄 阿基里斯。它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦 察。六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物，能安全的绕 过它，并在行走过程中记录和收集数据。六脚电子气动机器人行走的所有程序 由fpc101-b可编程控制器控制，fpc101-b能在六个不同方向控制机器人的运动， 最大行走速度0.1m/s。通常如果有三个脚与地面接触，机器人便能以一种平稳 浙江理工大学本科毕业设计(论文) 3 的姿态行走，六脚中的每一个脚都有三个自由度，一个直线气缸把脚提起、放 下，一个摆动马达控制脚伸展、退回，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心作 旋转运动。每个气缸都装备了调节速度用的单向节流阀，使机械驱动部件在运 动时保持平稳，即在无级调速状态下工作。控制气缸的阀内置在机器人体内， 由fpc101-b可编程控制器控制。当接通电源时，气动阀被切换到工作状态位置， 当关闭电源时，他们便回到初始位置。此外，操作者能在任何一点上停止机器 人的运动，如果机器人的传感器在它的有效范围内检测到障碍物，机器人也会 自动停止。 由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它能在两个相互垂 直的表面上行走(包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上)。该机器人轴心的 圆周边上装备着等距离(根据步距设置)的吸盘和气缸，一组吸盘吸力与另一组 吸盘吸力的交替交换，类似脚踏似的运动方式，使机器人产生旋转步进运动。 这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作，如在核能发电站、高层 建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工 作。机器人用遥控方式进行半自动操作，操作者只需输入运行的目标距离，然 后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控。