关 键 词：

搬运 机械手 机构 控制 电路设计

资源描述：

搬运机械手机构与控制电路设计,搬运,机械手,机构,控制,电路设计

内容简介：

毕 业 设 计（论 文）题目：搬运机械手及其控制系统设计（英文）：The designing of transiting manipulator and its controlling system院 别： 机电学院 专 业： 机械电子程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 搬运机械手及其控制系统设计摘要本设计为四自由度机械手，主要负责数控车床的自动上下料，可以抓取毛培放入车床的三爪卡盘中加工，再将成品拿出放入成品区上。要求动作迅速，定位精确，可以通过对程序的修改实现在行程范围内的任意点定位。具有手动和自动功能。本设计主要系统地设计了搬运机械手的结构，驱动系统和控制系统，着重对控制系统进行设计。在驱动方面采用气压传动，有传动迅速，无污染等优点，控制方面，采用可编程控制器（PLC）控制，结合PID算法，提高了气动系统的定位精度，弥补了气动系统在这一方面的不足。关键词：四自由度；机械手；气动；PLC；PID Carrying manipulator and its control system design ABSTRACT This designing is the four degree of freedoms; the main usage is up and down materials automatic in the CNC lathe. It can carry the materials to the lathe, take it out after the materials accomplish machining and put to the finish product area. The system request fast transmission and high fix precision, could fix in any point confine to its route through alter its program. Had the function of automatic and manual.This design main system designed to carrying manipulator structure, driving system and control system, focuses on the control system design. It was drive by the pneumatic transmission, it had advantages of fast transmission and nothing pollute etc. It used the Programmable Logic Controller (PLC), combine with the PID arithmetic, increased the fix precision of the pneumatic transmission, made up its weakness. Key words：Four degree freedoms; manipulator; Pneumatic transmission; PLC; PID目录不要删除行尾的分节符，此行不会被打印-搬运机械手及其控制系统设计1绪论11.1 课题背景及研究现状11.2 机械手的研究意义及其本身优点21.2.1 机械手的研究意义21.2.2 机械手本身的优点21.3 论文的主要研究内容31.4 PID控制的介绍31.4.1 PID的原理和特点41.5 本课题主要的研究内容和方法52机械手的整体设计62.1 设计要求62.2 总体方案设计分析62.2.1 搬运机械手的组成62.2.2 机械手各部分的分析72.2.3 搬运机械手的运动及驱动方式82.3 本章小结103基本参数及驱动系统设计103.1 基本参数113.1.1 数控车床基本参数113.1.2 机械手基本参数设定113.2 伸缩臂的设计123.3 俯仰臂的设计133.4 手爪回转的设计143.5 手爪设计153.6 总体外观153.6.1 外观图简图163.6.2 气压原理设计图截图163.7 各气动元件的选型173.7.1 电气比例阀的选型173.7.2 气缸的选型183.8 本章小结194运机械手控制系统设计194.1 机械手控制系统方案分析194.1.1 机械手的动作流程194.2 控制系统的硬件设计224.2.1 PLC的选型224.2.2 硬件I/O口的分配234.2.3 传感器的选择244.2.4 系统硬件连线254.3 控制系统的软件设计264.3.1 PID控制算法的实现264.3.2 控制系统的PID算法274.4 各参数的整定284.4.1 手臂伸缩气缸的PID参数整定294.4.2 手臂俯仰缸的PID参数整定304.4.3 手臂回转缸的PID参数整定324.4.4 手爪回转缸的PID参数整定334.5 本章小结345控制系统程序设计345.1 初始程序345.2 手动程序设计355.3 自动控制程序设计365.3.1 步进流程图385.4 本章小结406总结与展望406.1 总结406.2 展望40参考文献42致谢45附录461 绪论1.1 课题背景及研究现状机器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。机器人产品的实用化，既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题，又促进了工业自动化的进程。目前，由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术，系统结构复杂，开发和研制的成本普遍较高，在某种程度上限制了该项技术的广泛应用，因此，研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。机械手自六十年代以来问世以来，发展非常迅速。目前，第二代产品，微机控制、直流电动机驱动的小型工业机械手已成产品。美国是最早研制和应用机械手的国家，早在1967年就定型批量生产了UNIMATE4000型前身。1969年美国通用汽车公司自行研制了SAM工业机械手，并用21台机器手组成了点焊轿车车身的自动生产线。70年代，美国克莱斯勒汽车公司的32条冲绳自动线的448台冲床，全部采用了机械手传送工件。日本机械手工业虽比美国起步晚（六十年代后期），但是发展速度更快，根据统计，1982年日本拥有工业机械手共13000余台，生产厂家近200家。此外，瑞典、挪威、德国、意大利、俄国等国家也是发展迅速，例如挪威的TRLLFA公司生产的机械手，瑞典的ASEA公司、ELECTROLUX公司和KAVIELDT公司生产的机械手，德国的VOLKSVAGEN公司生产的机械手在欧洲市场，甚至在北美市场都占有很大的比重。工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高 劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁，单调的操作，如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的，有时候还要用行车员工件，生产速度大大延缓，这种情况采用机械手是很有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。更显其优越性，有着广阔的发展前途。 工业机械手的主要应用领域是机械加工过程中的上、下料及搬运、装配、焊接、冲压、树脂成型加工及其热处理、锻压等。表1.1机械手在各个行业所占比例（%）年份装配弧焊喷漆树脂成型锻铸热处理机械加工其他20009.87.34.97.320.422.816.120051.6511.04.94.522.214.222.2201021.710.55.13.322.313.116.51.2 机械手的研究意义及其本身优点1.2.1 机械手的研究意义机械人手技术是近30年来发展比较快的一种新技术，机械手是一门新兴的的综合性科学，他设计机械设计制造控制工程计算机传感技术仿真生学，人工智能等领域，工业机械手是实现工业生产自动化的重要设备，它本身是机电一体化的典型产品。 工业机械手能模仿人肢体的一些动作，可以代替人的一些动作，代替人们进行工作，一次机械手自问世以来就受到人们的宠爱而且性能不断完善，各种优良的机械手不断出现操作越来越灵活，在一些方面与人手相比，几乎达到了以假乱真的程度，加之各种技能的应用，使得机器人有了自己的头脑能不受控制而独立的处理一些问题，因此其应用越来越广泛。1.2.2 机械手本身的优点搬运机械手是机器人家族中的重要一员，其应用最广泛，在自动化流水线生产中劳动强度最大，工作条件差，热尘烟雾毒气等使得环境恶化，使得人的工作受到了种种限制，此时搬运机械手则能够迎难而上，独树一帜，而且其能不知疲倦的工作，搬运机械手具有许多人没法相比的优点：（1）工作时间持久，不会出现人的疲劳，可以重复不间断的劳动，能持流水线的持续工作。（2）对环境的适应性强，特别能在多粉业，以燃烧以爆炸放射性等恶劣环境下工作。（3）运动灵活精确，能够延伸到人手所不能到达的空间区域内进行工作，而不受外界因素的干扰。（4）通用性好，本搬运机械手在设计过程中，考虑到其通用性，因此留有余地，因此除搬运外，还可以焊接喷漆等。（5）工作效率高，提高了劳动生产效率，同时也降低了成本。 诸多的优点为机械人的广泛应用开辟了广阔的前景，而我国在这些方面还处于初始阶段，因此需要更进一步发展，本次的设计是对大学四年所学知识的巩固与综合应用。1.3 论文的主要研究内容现阶段所用的搬运机械手主要都是采用限位开关确定各动作的停止和起动，但是由于气体本身的压缩性，会导致定位后还存在运动的情况，定位精度严重不足，且限位开关本身容易失灵，可能会导致设备的损坏。再者，使用限位开关定位的控制系统只能根据程序在少许的几个位置之中定位，减小了设备的通用性。本设计将对控制系统进行改良，使用PLC结合PID算法对机械手的动作进行控制，采用闭环控制系统，可以对机械搜的位置进行实时的反馈，可以对程序的参数稍作改动的前提下对控制位置的改变，增加了设备的通用性和可靠性。1、硬件的设计，包括PLC主控制器和扩展模块的选型。2、软件的设计，包括程序的编写和调试。3、程序的仿真和校验1.4 PID控制的介绍PID是工业生产中最常用的一种控制方式，PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一，PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。PID参数自整定控制仪可选择外给定（或阀位）控制功能。可 取代伺服放大器直接驱动执行机构（如阀门等）。PID外给定（或阀位）控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值）进行控制输出（模拟量控制输出或继电器正转、反转控制输出）。可实现自动/手动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法积算，以实现手动/自动的平稳切换。PID外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈 信号。PID光柱显示控制仪集数字仪表与模拟仪表于一体，可对测量 值及控制目标值进行数字量显示（双LED数码显示），并同时对测量值及控制目标值进行相对模拟量显示（ 双光柱显示），显示方式为双LED数码显示+双光柱模拟量显示，使测量值的显示更为清晰直观。PID参数自整定控制仪可随意改变仪表的输入信号类型。采用 最新无跳线技术，只需设定仪表内部参数，即可将仪表从一种输入信号改为另一种输入信号。PID参数自整定控制仪可选择带有一路模拟量控制输出（或开 关量控制输出、继电器和可控硅正转、反转控制）及一路模拟量变送输出，可适用于各种测量控制场合。PID参数自整定控制仪支持多机通讯，具有多种标准串行双向 通讯功能，可选择多种通讯方式，如RS.232、RS.485、RS.42等，通讯波特率3009600bps 仪表内部参数自由设定。可与各种带串行输入输出的设备（如电脑、可编程控制器、PLC 等）进行通讯，构成管理系统。1.4.1 PID的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 1、比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady.state error）。 2、积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3、微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 1.5 本课题主要的研究内容和方法本课题主要研究四自由度机械手的控制系统，在发挥气动机构有点的同时减小其弱点，主要利用PID算法对机械手在运动过程中的定位不稳定性减小到最低，通过PID算法对手臂在运动过程中气缸的运动速度的控制，通过控制气缸的气流量从而对机械手进行精确定位。研究内容主要包括以下几个方面：1、机械手机械结构的设计，包括伸缩臂，俯仰臂，手臂回转机构，手爪回转机构和手爪等机械机构的设计。2、机械手驱动系统的设计，其中主要是对系统的气压回路进行设计，包括气动回路设计和气动元件的选型，各个电磁阀的张合点等的设计。3、机械手控制系统的设计，这是本论文研究的重点，研究内容主要有气动系统的运动方程模型的建立，再用Simulink对其进行仿真调出最优的PID参数。4、建立控制系统的硬件模型，进行PLC选型，包括PLC主机选型，A/D模块和D/A模块的选型，传感器的选型和连线等。5、对机械手的功能进行编程，主要利用PLC流程图编程，嵌入梯形图程序，对机械手每一个动作都进行预定控制目标的控制。本章介绍了四自由度气动搬运机械手的设计研究背景及其研究现状，列举了一些国家的研究成果，重点讲述了机械手的研究在现实中的应用领域，还介绍了机械手的优点及发展前景。分析了普通机械手的缺点和所要改进的地方，最后还分析了PID控制法的原理和特点，确定了论文的方向。2 机械手的整体设计2.1 设计要求设计一种四自由度搬运机械手，包括机械手的总体设计，坐标形式和动作形式设计，并绘制出机械手的三维图。本设计重点在于控制系统的设计，由于使用气压传动，在动作反应迅速的同时提高了定位难度，所以在控制系统方面要提高机械手的定位精度，使其能够满足数控车床上下料的要求，重复定位精度1mm左右。机械手的功能包括：各部件的升降，伸缩和手爪的张合，最主要的是在运动的过程有反馈功能，使用PID控制法，在保留气动系统的反应迅速的同时弥补了定位精度不足的问题。但是本设计只是在理论基础上进行的设计，没有真正应用于实际，所以没有考虑到在真正实际使用中所出现的问题并对其进行优化，仅仅是考虑到在理论基础上本设计是否合理和是否能在将来应用到实际生产，并提高生产效率。2.2 总体方案设计分析2.2.1 搬运机械手的组成控制系统驱动系统执行系统图2.1组成框架图在参考了很多前人的设计理念，本设计主要对控制系统的设计，采用可编程控制器PLC控制，结合PID算法控制机械手的运动。运动过程主要包括：大臂的伸缩，小臂的升降和回转，手爪的回转和张合。控制系统上采用闭环控制系统，通过各机构上的传感器进行位置反馈再调整机构的运动。驱动系统采用气压传动，具有响应快，无污染等特点。2.2.2 机械手各部分的分析1控制系统控制系统是机械手的核心，控制驱动机构工作从而实现按预定程序进行工作的机构，并通过位置检测的反馈来检测工作的精度，从而保证能正确实现机械手的运动，迅速准确的完成机械手的运动，包括程序控制部分和行程反馈部分。控制部分选用三菱FX系列PLC结合PID算法对机械手进行控制，反馈部分主要是各位置传感器，包括光电编码器和光栅等。2驱动系统用来为各个部件的运动提供动力，是实现一切运动的动力来源，有气动、液动电动和机械式四种形式，根据设计要求和各自的优点和缺点，本机械手采用气压驱动实现，四个自由度。气压系统由反应迅速，无污染，气源易取等特点，单气体有较高的压缩率，所以在控制上有较高的难度。3执行系统执行机构是完成各种动作的总称，具体包括以下几个部分（1）手部：又称末端操作器，直接与工件接触的部分，根据设计要求，本机械手的手部用夹钳式，用来抓取工件，包括圆棒料和管类零件。 腕部连接手部和臂部的工件用来调整被抓取物体的方位（3） 臂部：支撑被抓物体的手部和腕部的重要部件，带动手指去抓取物体，并按预定要求将其搬运到指定位置。（4） 腰部:机身是支撑机器手所有部件的部位及其零件，是整个机械手的基础。2.2.3 搬运机械手的运动及驱动方式1机械手的运动机械手的运动包括自由度数和运动范围本机械手采用双抓，这是因为它具有以下优点：(a) 运动灵活(b) 工作空间大(c) 关节驱动处容易密封，防尘(d) 作效力大大的提高了(e) 工作要求低2自由度数自由度是机械手设计中的重要参数，每个运动部件所具有的独立运动的数目称为自由度，自由度是衡量机械手设计水平的重要指标，自由度越多的机械手能完成的运动越复杂，技术难度越大，控制定位越困难，安装越复杂，成本高，因此在具体问题中尽量减少自由度，本机械手是考虑到选用腕部来回转，大臂伸缩，大臂回转，小臂俯仰等4个自由度完全满足工作要求。 3运动范围升降机构的运动范围和形状取决于小臂的长度，本机械手小臂长750mm，可上下俯仰60。，根据式2.1可算出垂直方向的运动范围为641.125至.641.125mm。具体范围见后图。图中矩形为包容区域 图2.2 机械手垂直面的运动范围（2.1）式中H为垂直方向定位距离；为手臂俯仰角度；L为俯仰臂长度，这里为750mm。机械手水平摆动左右90。，可根据材料的运输范围更改程序实现。图2.3 水平面转动范围4运动传动方式运动传动方式是将动力源的运动传递到实现自由度运动的过程，本设计中将直线气缸的直线运动转换成回转气缸的回转运动传递出去，针对结构的需要和驱动力的大小，各自由度的运动采用不同的传递方式，手臂回转，腕部回转都采用回转气缸，手臂俯仰、手臂伸缩都采用直线气缸。 5机械手的驱动方式采用气压驱动的优点是： (1)空气可以从大气中取之不竭，无介质费用和供应上的因难，将用过的气体排入大气，处理方便。泄漏不会严重影响工作,不会污染环境。 (2)空气的粘性很小，在管路中的阻力损失远远小于液压传动系统，宜于远程传输及控制。 (3)工作压力低，元件的材料和制造精度低。 (4)维护简单，使用安全，无油的气动控制系统特别适用于无线电元器件的生产过程，也适用于食品及医药的生产过程。 (5)气动元件可以根据不同场合，采用相应材料，使元件能够在恶劣的环境（强振动、强冲击、强腐蚀和强辐射等）下进行正常工作。 气压传动与电气、液压传动相比有以下缺点： (1)气压传动装置的信号传递速度限制在声速（约340m/s）范围内，所以它的工作频率和响应速度远不如电子装置，并且信号要产生较大的失真和延滞，也不便于构成较复杂的回路，但这个缺点对工业生产过程不会造成困难。 (2)空气的压缩性远大于液压油的压缩性，因此在动作的响应能力、工作速度的平稳性方面不如液压传动。 (3)气压传动系统出力较小，且传动效率低。2.3 本章小结本章对总体方案的设计进行了确定，规划了搬运机械手的三大组成部分，进而对三大组成部分进行了设计分析，确定了搬运机械手的运动方式及其驱动源，设计了运动范围及回转角度，对气压驱动方式的优缺点进行了比较。3 基本参数及驱动系统设计3.1 基本参数3.1.1 数控车床基本参数1000mm1500mm图3.1 数控车床简图图3.1示数控车床基本长度为1500mm，高度1000mm，固机械手设计总高度约1000mm，总长度约1600mm，抓取工件直径范围为1045的管料，长度不超过350mm，所以机械手伸缩行程为350mm。3.1.2 机械手基本参数设定1.名称：上下料搬运机械手2.主要用途： 数控车床自动上下料3.自由度数：4 （手爪回转，手臂回转，手臂伸缩，手臂俯仰）4. 抓重：最大 20Kg 5工作范围与速度表3.1 工作范围与速度运动自由度动作范围平均速度手爪回转09045/s手臂伸缩0350mm0.05m/s手臂回转-90900.05m/s手臂俯仰-606045/s6. 控制方式：PLC结合PID算法控制7. 重复定位精度：+1mm8. 驱动方式：气压驱动9. 驱动源 ：压缩空气 3.2 伸缩臂的设计机械手是负责为数控车床自动上下料，参考图3.1,确定机械手的有效伸缩行程350mm，采用滑块导轨机构，具有导程平稳的特点，导轨长度为400mm，导程350mm。具体外观结构如图3.2所示。图3.2 导轨外形结构图导轨支撑采用方形钢，支撑整个机械手悬梁结构，如图3.3所示。图3.3 导轨支撑结构伸缩臂整体外观如图3.4所示。主要由滑块，导轨，导轨支撑，伸缩气缸等组成。图3.5 伸缩臂结构外观3.3 俯仰臂的设计俯仰臂的长度设计为600mm，整体支撑的重量为60kg，根据扭矩计算公式：（3.1）其中：F：整体的支撑力；L：俯仰臂的长度。（3.2）由式3.1和3.2可得整体扭矩为180Nm，选用回转气缸的话得不到这样大的扭矩，所以采用滑块摇杆机构，把滑块的滑动转化为俯仰臂的俯仰动作，其中俯仰臂作为摇杆。用直线气缸带动滑块的滑动。俯仰气缸最大加速度a=1m/s2。所以所需扭矩：（3.3）由式3.3可算出（3.4）其中：为气缸的行程，取40mm。由式3.4可得：450Nm整体外观如图3.6所示，结构包括气缸，弹簧，滑块，摇杆，俯仰支撑臂，联轴器等。图3.6 俯仰臂结构图3.4 手爪回转的设计手爪回转机构采用回转气缸带动，机械手抓取的工件最大为20kg，最大回转加速度a取45/s2。根据：扭矩（3.5）其中：m为抓起工件重量；R为回转半径，取50mm；算得：10Nm所以回转气缸可以提供足够的扭矩。转动机构采用轴和嵌入式的套筒，间隙配合。如图3.7所示。结构包括回转气缸，轴，套筒等。图3.7 手爪回转机构3.5 手爪设计手爪又称末端操作器，是机械手的执行机构。由于本设计中的机械手主要是抓起数控车床加工的圆棒料和管类零件，所以选择V型快的末端，可以实现自动定心功能。设计中抓取的圆棒料或管类零件重量最大为20kg，最大直径40mm，最小10mm，所以手爪的设计采用类似于剪刀的设计。外观图如图3.8所示。结构包括手指，气缸，联轴器等。图3.8 手爪外观图3.6 总体外观机械手整体结构包括伸缩臂，俯仰臂，手臂回转机构，手爪回转构，末端操作器等。外观简图如图3.9所示。3.6.1 外观图简图图3.9机械手结构简图1.手臂摆动缸 2.机械手支撑架 3.伸缩臂 4.伸缩气缸 5.俯仰臂 6.手爪摆动缸 7.手爪张合缸 8.手爪（末端操作器）3.6.2 气压原理设计图截图图3.10 气压控制工作原理图下表列出电磁铁的动作循环，电磁铁从左到右依次1YA，2YA,3YA，4YA，5YA，6YA，7YA，8YA，9YA。表3.2电磁铁动作表上表是机械手各电磁铁动作与手动作的显示，在下章将会介绍机械手的动作流程和电磁铁的动作情况。本设计在整体的升降上采用了手臂的俯仰来确定垂直方向的定位，是因为考虑到在安装机械手的方便性，没有采用了整体的底座的升降而是采用了手臂的俯仰，其中手爪会始终保持竖直向下。3.7 各气动元件的选型本设计中各气动元件都采用SMC公司的气动元件。3.7.1 电气比例阀的选型工作原理：通过对输入信号（电压或电流）的感应来控制阀的开口大小，从而实现控制输出气体的压力或流量。本设计中使用的工作气为0.6MPa的大气，所以选用型号为ITV00503N电气比例阀。表3.3 ITV00503N参数压力界限最大流量输入信号供给电压0.001Mpa.0.9Mpa6L/minDC 0.10VDC 12V3.7.2 气缸的选型伸缩缸的选型机械手总的运动质量M为80kg，伸缩行程为350mm，最大加速度a取10m/s2。根据牛顿第二定律：F=Ma（3.1）代入数据得F=800N所以选择气缸型号为CA2L-50-400标准双作用气缸，参数如表3.2所示。表3.2 手臂伸缩缸参数压力界限缸径行程最大输出力0.001Mpa.0.9Mpa50mm400mm1100N1、俯仰缸的选型负载总重量M为60kg，最大加速度取10m/s2，根据式3.1，得最大负载为600N，所以选择型号为CM2BZ40-50A双作用气缸，参数如表3.3所示。表3.3 手臂俯仰缸参数压力界限缸径行程最大输出力0.001Mpa.0.9Mpa40mm50mm750N手臂回转缸的选型机械手最大回转半径为2m，回转负载为80kg，最大角加速度取45/s2，根据：扭矩T=MaR/2 (3.2)将数据代入式3.2得T约为120Nm,所以选择型号为CRA1F100.180齿条式回族缸，参数如表3.4所示。表3.4 手臂回转缸参数压力界限缸径行程最大输出力矩0.001Mpa.0.9Mpa100mm180120Nm1、手爪回转缸的选型机械手抓取工件的最大重量为20kg，负载M为25kg，最大回转半径0.5m，最大加速度取45/s2，代入式3.2得：最大扭矩T约为10 Nm，所以选择型号为CRBU2W40-100D双叶片式回转气缸，参数如表3.5所示。表3.4 手爪回转缸参数压力界限缸径行程最大输出力矩0.001Mpa.0.9Mpa40mm10012Nm2、手爪夹紧气缸的选择机械手手爪夹紧工件的最大质量为20kg，根据式3.1，a为重力加速度g，手爪采用90的V型结构，根据：F=mg/sin45（3.3）得最大负载力为Fmax=278.117N。所以选择缸径最小的CK1A40-100型号夹紧气缸，参数如表3.5所示。表3.5 夹紧转缸参数压力界限缸径行程最大夹紧力0.05Mpa.1Mpa40mm100mm750N3.8 本章小结本章对机械手的基本参数进行了确定，并且绘制出了总体外观图及气压原理图，同时对气压原理图的工作原理进行了电磁铁的动作表绘制，对工作周期做了具体介绍。4 运机械手控制系统设计4.1 机械手控制系统方案分析4.1.1 机械手的动作流程机械手的动作流程如图4.1所示，本机械手有五个自由度，分别为手臂伸缩，手臂回转，手爪回转，和整体升降功能，加上手爪的张合。主要由三个直线伸缩气缸和两个回转气缸控制，加上电磁阀和气动比例阀，通过比例阀控制流经电磁阀的流量，可以实现机械手在动作过程中有一个稳定的加速和减速过程，以至于定位更加精确，也不会因为停止时由于很大的冲击力而造成设备的损坏。下俯手腕右转松开上仰手腕左转手臂左转缩短伸长手臂右转缩短抓取松开伸长手臂右转手腕右转抓取手腕左转下俯上仰手臂左转原点图4.1 机械手的动作流程结合表3.2，可将机械手的动作流程转化为电磁铁的动作流程，如图4.2所示。图4.2 电磁铁动作顺序表其中9YA表示得电保持，9YA.表示掉电，O表示原点。作为在数控车床上的自动上下料机械手，作用就是把材料毛坯放进三爪卡盘中，待加工完成后再把成品取出放回成品区，从抓取毛坯到放回成品区行成一个完整的动作流程。本设计把工作原点设在中间，即机床主轴的平面上，左右两边分别是毛坯放置区和成品区。考虑到毛坯放置时角度的不同，所以在手爪部增加了回转功能，可以在抓取毛坯正确的是毛坯放入三爪卡盘当中。4.1.2控制方案分析为了实现机械手全部动作的平稳，必须在单一动作的开始和结束的过程中平稳的加速和减速，而实现这一动作过程，单靠以前使用的行程开关或行程阀是远远不够的，必须采用对机械手位置的实时监控再调节进入汽缸的流量从而实现汽缸的加减速和位置的控制。此套控制方法作为机械手的伺服系统，设计中把位置传感器（线位移和角位移传感器）和汽缸融为一体，通过传感器传回来的模拟信息输入到PLC的A/D转换模块中，通过PLC的处理，利用D/A转换把信号传递给气动比例阀对气体的流量控制。其中PLC为控制的核心部分，起着向气动比例阀和各个电磁阀发出信号的作用，实现电气的联动；气动比例阀和电磁阀为电气转换元件实现了对通过气缸气体的开闭和调节；位置和角位移传感器作为系统的反馈环节，能将被控对象的变化实时的反馈到PLC中实现对位置和速度的精确控制，提高系统的精度。控制方案的总体设计如图4.2所示。图中执行元件为气缸。输出D/A流量执行元件输入比例控制阀放大器传感器控制器A/D图4.3 控制系统的整体方案组成伺服系统可以通过传感器反馈回来的信息（包括直线位移和角位移），由控制器计算出最佳的运行速度和位置，用户使用时可以根据实际条件的不同通过PLC配套的软件实现对程序的管理，修改机械手的位置，和动作流程，增加了设备的通用性。控制器中由PLC主控芯片与A/D模块组成控制核心，系统控制框图如图4.4所示。图4.4 模拟PID控制系统框图其控制规律为： （4.1）写成传递函数：（4.2）其中：比例系数； ：积分时间常数； ：微分时间常数。简单地说，PID控制器各环节的作用如下：(1)比例环节(P) ：即即时成比例地反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。它对控制作用和扰动作用的响应都很快，主要缺点是系统有静差存在。(2)积分环节（I）：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数越大，积分作用越弱，反之则越强.(3)微分环节(D)：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调：声时间。4.2 控制系统的硬件设计控制系统主要有PLC，A/D模块，D/A模块和传感器等组成。4.2.1 PLC的选型1、硬件I/O口的确定表4.1 硬件I/O点数输出输入手动指示灯自动指示灯1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA9YA手动自动连续自动单周期急停上升下降伸出缩回手爪左转手爪右转左摆右摆抓取/松开共计：输入点数为12，输出点数为12PLC的选型根据文献2，本设计中所控制的设备为小型设备，I/O点数较少，FX2N.4AD和FX2N.2DA各占8各I/O口，总共需要40个I/O口，留10%-15%的点数盈余，所以选取三菱FX2N.64MR.001PLC控制器，输入输出点各为32点。由于控制系统是实现数字量对模拟量的控制，所以还要增加A/D和D/A转换模块，只有一个比例控制阀，有四个气缸需要反馈的，分别为手腕回转缸，手臂回转缸，手臂伸缩缸和俯仰缸，所以选择A/D扩展模块为FX2N.4AD，有4个A/D通道，D/A模块为FX2N.2DA，其中 有2个D/A通道。FX2N.4AD与FX2N.2DA的数模转换特性曲线如图4.5所示。400010V20000模拟值10V数字值a）FX2N-4ADb）FX2N-2DA0模拟值数字值图4.5 扩展模块的数模转换特性曲线4.2.2 硬件I/O口的分配控制系统I/O口分配如表4.2所示4.2 硬件I/O口分配图输入输出X0 手动开关QS1Y0手动，电.气比例阀X1 自动原点开关QS2回原点档X2 停止开关X4 自动单周期X5 自动连续运行SB3QS4QS5停止X3 手动回原点开关SB1手动回原点X11伸长SB2Y111YAX12缩短SB3Y122YAX13上仰SB4 Y133YAX14下俯SB5Y144YAX15手臂左转SB6Y155YAX16手臂右转SB10Y166YAX17手爪左转SB11 Y1177YAX20手爪右转SB12Y208YAX21手爪合X22手爪张SB13SB14SetYRstY219YA9YA4.2.3 传感器的选择本控制系统有直线位移传感器与角位移传感器，其中直线位移传感器为KTC直线位移传感器（拉杆式电子尺），角位移传感器同样为电阻式角位移传感器。设计中应用到三个角位移传感器和一个直线位移传感器。1.直线位移传感器：表4.3 直线位移传感器参数有效行程电阻值线性精度最大工作速度400mm5k0.08%10m/s直线位移传感器应用于手臂伸缩的测量反馈2.角位移传感器表4.4 角线位移传感器参数有效行程电阻值线性精度最大工作速度0.3455k0.1%10000rpm4.2.4 系统硬件连线硬件接线如图4.7所示，控制核心为PLC芯片，接收输入端的输入信号和A/D模块反馈回来的信号，经过处理之后通过D/A模块输出，经比例放大器调节电.气比例控制阀控制驱动系统的流量从而实现气压缸的精确定位。PLC模块上的程序可连接计算机实现对其程序的修改以改变其控制模式。计算机输入信号PLCD/AA/D电磁阀电-气比例控制阀放大器传感器气缸图4.6 系统硬件连线示意图系统I/O接线图如图4.7所示：图4.7 系统I/O接线图4.3 控制系统的软件设计4.3.1 PID控制算法的实现PLC的PID控制算法设计是以连续的PID控制规律为基础，而计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量，因此将其数字化，写成离散形式的PID方程，再根据离散方程进行控制程序的设计。在连续系统中，典型的P1D闭环控制系统参照图4.8。图4中声(r)是给定值，九(f)为反馈量，c(f)为系统的输出量，PID控制器的输入输出关系如下：e(t)p(t)被控对象执行机构敏感元件c(t)M(t)PID控制Pv(t)4.8闭环控制算法框图（4.3）其中： M（t）：控制器输出； M0：输出的初始值； e(t)=p(t).Pv(t),为误差信号； Kc:比例系数； Ti：积分时间常数； Td：微分时间常数。假设采样周期为T，系统开始运行的时刻为t=0，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将式(4.3)离散化，第n次采样时控制器的输出为：（4.4）其中：en为第n次采样时的误差值；Ki为积分系数；Kd为微分系数。 将式4.4写成递推式为：（4.5）化简得：（4.6）其中： （4.7）（4.8）（4.9）4.3.2 控制系统的PID算法本系统电气位置控制程序工作过程如下：当程序设定参考位置后，PLC通过DA发送控制比例阀的比例放大器的模拟信号，并通过AD接收位移传感器的反馈信号。接收的位移传感器信号与预先设定的参考值作比较，如果偏差超过了2 mm/2，启动PTD控制算法，直到偏差在2 mm/2以内。在偏差控制的范围内，系统启动积分调节，直到偏差为零。在本系统的PID调节算法中，P、I调节是分开的。PLC系统首先检查实际位置和设定参考位置的偏差，当偏差较大时，PI调节器均起作用，但主要是P(比例)调节起作用，从而缩短了系统的响应时间。此时PID调节器给出较大的开度，提供给比例放大器的电流加大，比例阀的开度也相应地加大，气缸运动速度加快；当偏差比较小的时候，P调节停止，只有I(积分)起调节作用，PID调节器给出较小的开度，提供给比例放大器的电流减小，比例阀开度也相应减小使缸速降低，最终气缸以很小的速度到达参考设定位置，从而实现了气压系统的精确位置调节。PID控制算法的流程图及电液位置比例控制流程图分别见图4.9、图4.10。图4.9 PID算法流程图 图4.10 电.气比例位置PID控制图4.4 各参数的整定根据文献1,点位控制系统的运动方程为：（4.10）比例控制阀输出的电压U与气缸受力f的关系为：（4.11）比例控制阀的输出电压u对气缸位移x的传递函数为（4.12）其中：m:负载的质量或转动惯量，kg或kgm2；c:负载及活塞的摩擦系数，取1；k:气体的压缩系数，取1d:气缸的缸径，mm。4.4.1 手臂伸缩气缸的PID参数整定根据式4.9及手臂伸缩缸的选型，且负载质量为80kg，代入数据得到传递函数为：（4.13）利用Matlab 的Simulink进行PID参数仿真，仿真模型如图4.11所示，整定的PID参数如表4.7所示，图4.11 伸缩缸仿真模型表4.7 伸缩缸PID参数整定比例系数Kp取样周期T积分系数Ki微分系数Kd203s84.5得出的结果如图4.12所示。图4.12 伸缩缸PID调节曲线得出的结果如表4.8所示：表4.8PID参数调节结果超调量上升时间调节时间调节误差11%1.7s7.5s0.3%（1mm）4.4.2 手臂俯仰缸的PID参数整定根据式4.9及手臂俯仰缸的选型，且负载质量为60kg，代入数据得到传递函数为：（4.14）利用Matlab 的Simulink进行PID参数仿真，仿真模型如图4.13所示，整定的PID参数如表4.9所示，图4.13 手臂俯仰缸仿真模型得出的结果如图4.14所示。表4.9 手臂俯仰缸PID参数整定比例系数Kp取样周期T积分系数Ki微分系数Kd353.5s129.1875图4.14 手臂俯仰缸PID调节曲线表4.10PID参数调节结果超调量上