PLC機(jī)械手畢業(yè)論文

1、摘要摘要機(jī)械手是模仿人的手部動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和操作的自動(dòng)裝置。它特別是在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作中代替人作業(yè)，機(jī)械手雖然目前還不如然手那樣靈活，但它具有不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此獲得日益廣泛的應(yīng)用。機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛

2、的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。通過對機(jī)電一體化專業(yè)大學(xué)專科三年的所學(xué)知識進(jìn)行整合，對工業(yè)機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械手通過 plc 系統(tǒng)來編寫程序控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；plc；操作系統(tǒng)氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析2 一一plc 控制機(jī)械手設(shè)計(jì)控制機(jī)械手設(shè)計(jì)機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點(diǎn)之外，還要求有連續(xù)控制和手動(dòng)控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。當(dāng)旋鈕打向回原點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)地回到左上角位置待命。當(dāng)旋鈕打向自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)完成各工步操作，且循環(huán)

3、動(dòng)作。當(dāng)旋鈕打向手動(dòng)時(shí)，每一工步都要按下該工步按鈕才能實(shí)現(xiàn)。以下是設(shè)計(jì)該機(jī)械手控制程序的步驟和方法。1、機(jī)械手傳送工件系統(tǒng)示意圖，如圖 1 所示。 圖 1 機(jī)械手傳送示意及操作面板圖它是一個(gè)水平、垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用來將工件由左工作臺（a 點(diǎn)）搬到右工作臺（b 點(diǎn)） 。機(jī)械手的全部動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由相應(yīng)的電磁閥來控制，電磁閥由 plc 控制。其中，上升/下降和/右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制。例如，當(dāng)下降電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手下降；當(dāng)下降電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手停止下降。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手上升；當(dāng)上升電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手停止上升。同樣，左移/右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥控浙江理

4、工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)3制。機(jī)械手的放松/夾緊由一個(gè)單線圈兩位置電磁閥（稱為夾緊電磁閥）控制。當(dāng)該線圈通電時(shí)，機(jī)械手夾緊；當(dāng)該線圈斷電時(shí)，機(jī)械手放松。機(jī)械手的動(dòng)作過程如圖 1 所示。從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)按鈕，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降；下降到位時(shí)，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，停止下降。同時(shí)接通夾緊電磁閥，機(jī)械手夾緊。夾緊后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到位時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，停止上升。同時(shí)接通右移電磁閥，機(jī)械手右移。右移到位時(shí)，碰到右限位開關(guān)，右移電磁閥斷電，停止右移。同時(shí)下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位時(shí)，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，停止下降。同時(shí)夾緊電

5、磁閥斷電，機(jī)械手放松。放松后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到位時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，停止上升。同時(shí)接通左移電磁閥，機(jī)械手左移。左移到位時(shí)，碰到左限位開關(guān)，左移電磁閥斷電，停止左移。至此，機(jī)械手經(jīng)過 8 步完成了一個(gè)周期的動(dòng)作。5. plc 的選型根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用三菱公司生產(chǎn)的fx2n-40mr，它能處理廣泛的機(jī)械控制應(yīng)用問題，所以它是在設(shè)備內(nèi)用作內(nèi)裝控制單元的理想產(chǎn)品。完整的通信功能保證了與個(gè)人計(jì)算機(jī)機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作方式和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)操作方式又分為步進(jìn)、單周期和連續(xù)操作方式。1） 手動(dòng)操作方式手動(dòng)操作方式是用按鈕實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制。

6、例如，當(dāng)選擇上/下運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別由上升/下降按鈕控制。當(dāng)選擇左/右運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別由左移/右移按鈕控制。當(dāng)選擇夾緊/放松運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別由夾緊/放松按鈕控制。2） 自動(dòng)操作方式步進(jìn)操作：每按一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止。單周期操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后停止。連續(xù)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)地、連續(xù)不斷地周期循環(huán)，在工作過程中，若按停止按鈕，則機(jī)械手將繼續(xù)完成此周期的動(dòng)作，回到原地后自動(dòng)停止。2、輸入和輸出點(diǎn)分配表及原理接線圖表 1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表 名名 稱稱代號代號輸入輸入名名 稱稱代號代號輸入輸入

7、名名 稱稱代號代號輸出輸出啟動(dòng)sb1x0夾緊sb5x10電磁閥下降yv1y0氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析4下限行程sq1x1放松sb6x11電磁閥夾緊yv2y1上限行程sq2x2單步上升sb7x12電磁閥上升yv3y2右限行程sq3x3單步下降sb8x13電磁閥右行yv4y3左限行程sq4x4單步左移sb9x14電磁閥左行yv5y4停止sb2x5單步右移sb10x15原點(diǎn)指示ely5手動(dòng)操作sb3x6回原點(diǎn)sb11x16連續(xù)操作sb4x7工件檢測sq5x173、操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)包括回原點(diǎn)程序，手動(dòng)單步操作程序和自動(dòng)連續(xù)操作程序，如圖 3所示。浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)5其原

8、理是：把旋鈕置于回原點(diǎn)，x16 接通，系統(tǒng)自動(dòng)回原點(diǎn)，y5 驅(qū)動(dòng)指示燈亮。再把旋鈕置于手動(dòng)，則 x6 接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（cj 為一跳轉(zhuǎn)指令，如果 cj 驅(qū)動(dòng)，則跳到指針 p 所指 p0 處） ，執(zhí)行手動(dòng)程序。之后，由于 x7 常閉觸點(diǎn)，當(dāng)執(zhí)行 cj 指令時(shí)，跳轉(zhuǎn)到 p1 所指的結(jié)束位置。如果旋鈕置于自動(dòng)位置，（既 x6 常閉閉合、x7 常閉打開）則程序執(zhí)行時(shí)跳過手動(dòng)程序，直接執(zhí)行自動(dòng)程序。4、回原位程序回原位程序如圖 4 所示。用 s10s12 作回零操作元件。應(yīng)注意，當(dāng)用s10s19 作回零操作時(shí)，在最后狀態(tài)中在自我復(fù)位前應(yīng)使特殊繼電器 m8043 置1。氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)

9、計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析65、手動(dòng)單步操作程序如圖 5 所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)。6、自動(dòng)操作程序 自動(dòng)操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖 6 所示。當(dāng)機(jī)械手處于原位時(shí)，按啟動(dòng) x0 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s20，驅(qū)動(dòng)下降 y0，當(dāng)?shù)竭_(dá)下限位使行程開關(guān) x1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s21，而 s20 自動(dòng)復(fù)位。s21 驅(qū)動(dòng) y1 置位，延時(shí) 1 秒，以使電磁力達(dá)到最大夾浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)7緊力。當(dāng) t0 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s22，驅(qū)動(dòng) y2 上升，當(dāng)上升到達(dá)最高位，x2接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s23。s23 驅(qū)動(dòng) y3 右移。移到最右位，x3 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s24 下降。下降到最低位，x

10、1 接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時(shí) 1 秒。延時(shí)時(shí)間到，t1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s26 上升。上升到最高位，x2 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s27 左移。左移到最左位，使 x4 接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動(dòng)作。在編寫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時(shí)注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅(qū)動(dòng)的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步進(jìn)順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強(qiáng)。7、機(jī)械手傳送系統(tǒng)梯形圖如圖 7 所示。圖中從第 0 行到第 27 行為回原位狀態(tài)程序。從第 28 行到第66 行，為手動(dòng)單步操作程序。從第 67 行到第 129 行為自動(dòng)操作程序。這三部分程序（又稱為模塊）

11、是圖 3 的操作系統(tǒng)運(yùn)行的?；卦怀绦蚝妥詣?dòng)操作程序。是用步進(jìn)順控方式編程。在各步進(jìn)順控末行，都以 ret 結(jié)束本步進(jìn)順控程序塊。但兩者又有不同。回原位程序不能自動(dòng)返回初始態(tài) s1。而自動(dòng)操作程序能自動(dòng)返回初態(tài) s2。氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析88、指令語句表浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)9摘要摘要機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它

12、具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析10(1)機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。(2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。(3)可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。(4)可在危險(xiǎn)場合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。(5)宇宙及海洋的開發(fā)。(6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。目 錄前前 言言.11 1 plcplc 簡

13、介簡介.21.1 plc 發(fā)展歷史.21.3 plc 的工作原理.82 2 機(jī)械手的機(jī)械手的 plcplc 控制控制.102.1 控制特點(diǎn).10浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)112.2 系統(tǒng)控制示意圖.102.3 輸入和輸出點(diǎn)分配表及原理接線圖.112.4 操作系統(tǒng).122.5 回原位程序.132.6 手動(dòng)單步操作程序.142.7 自動(dòng)操作程序.142.8 機(jī)械手傳送系統(tǒng)梯形圖.162.9 指令語句表.17實(shí)踐心得體會實(shí)踐心得體會參考文獻(xiàn)前 言可編程序控制器（programmable logic controller） ，簡稱 plc，是在繼電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用

14、的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析12隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，plc 的功能也越來越強(qiáng)大，更多地具有計(jì)算機(jī)的功能，所以又簡稱 pc（programmable controller） ，但是為了不和personal computer 混淆，仍習(xí)慣稱為 plc。目前 plc 已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面取得了很好的發(fā)展，并且現(xiàn)今已出現(xiàn) softplc，更是 plc 領(lǐng)域無限的發(fā)展前景。本文主要通過氣動(dòng)機(jī)械臂的 plc 控制來介紹 plc 的具體應(yīng)用，讓我們更熟悉 plc，為今后學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。1 plc 簡介可編程控制器（簡稱 plc）：是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)

15、，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。1.1 plc 發(fā)展歷史20 世紀(jì) 60 年代末期，美國汽車制造工業(yè)競爭激烈，為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，在 1968 年美國通用汽車公司（gm）首先公開招標(biāo)，對控制系統(tǒng)浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)13提出的具體要求基本為：a。 它的繼電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短，更改容易，接線簡單成本低。b。它能把計(jì)算機(jī)的功能和繼電器控制系統(tǒng)結(jié)合起來。但編程要比計(jì)算機(jī)簡單易學(xué)、操作方便。c。系統(tǒng)通用性強(qiáng)。1969

16、 年美國數(shù)字設(shè)備公司（dec）根據(jù)上述要求，研制出世界上第一臺 plc，并在 gm 公司汽車生產(chǎn)線上首次試用成功，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化。其后日本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來，但是主要應(yīng)用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱 plc。其定義：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)

17、計(jì)。1.2 基本結(jié)構(gòu) plc可編程序控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)就是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個(gè)變換與以物理實(shí)現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實(shí)現(xiàn)可以說是 plc 實(shí)施控制的兩個(gè)基本點(diǎn)，同時(shí)物理實(shí)現(xiàn)也是 plc 與普通微機(jī)相區(qū)別之處，其需要考慮實(shí)際控制的需要，應(yīng)能排除干擾信號適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實(shí)際控制系統(tǒng)方便使用，所以 plc 采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由微處理器（cpu） 、存儲器（ram/rom） 、輸入輸出接口（i/o）電路、通信接口及電源組成。plc 的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示： 1.2.1 中央處理單元(cpu) 中央處理單元 (cpu)是 plc 的控制核心。它

18、按照 plc 系統(tǒng)程序賦予的功能：氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析14a. 接收并存儲從用戶程序和數(shù)據(jù)；b.檢查電源、存儲器、i/o 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng) plc 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式采集現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 i/o 映象寄存區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算并將結(jié)果送入 i/o 映象寄存區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 i/o 映象寄存區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高 plc 的可靠性，近

19、年來對大型 plc 還采用雙 cpu 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 cpu 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè) cpu 出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 1.2.2 存儲器 可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。存放系統(tǒng)軟件（包括監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放用戶程序（用戶程序存和數(shù)據(jù)）的存儲器稱為用戶程序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分。 plc 常用的存儲器類型 ：（1）ram （random assess memory） 這是一種讀/寫存儲器(隨機(jī)存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。（

20、2）eprom（erasable programmable read only memory）這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內(nèi)容)。（3）eeprom(electrical erasable programmable read only memory)這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內(nèi)容進(jìn)行修改。 plc 存儲空間的分配 ： 雖然各種 plc 的 cpu 的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù) plc 的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域： （1）系統(tǒng)程序存儲區(qū)（2）系統(tǒng) ram 存儲區(qū)（包

21、括 i/o 映象寄存區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等） 。（3）用戶程序存儲區(qū) 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)15系統(tǒng)程序存儲區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在 eprom 中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該 plc 的性能。 系統(tǒng) ram 存儲區(qū)：系統(tǒng) ram 存儲區(qū)包括 i/o 映象寄存區(qū)以及各類軟元件，如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等存儲器。 （1）i/o 映象寄存區(qū)：由于 plc 投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新

22、階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲單元(ram)以存放 i/o 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作 i/o 映象寄存區(qū)。一個(gè)開關(guān)量 i/o 占用存儲單元中的一個(gè)位，一個(gè)模擬量 i/o 占用存儲單元中的一個(gè)字。因此整個(gè) i/o 映象寄存區(qū)可看作兩個(gè)部分組成：開關(guān)量 i/o 映象寄存區(qū)；模擬量 i/o 映象寄存區(qū)。 （2）系統(tǒng)軟元件存儲區(qū) ：除了 i/o 映象寄存區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng) ram 存儲區(qū)還包括 plc 內(nèi)部各類軟元件（邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和失電不保持的存儲區(qū)域，前者在 plc 斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰

23、電池供電，數(shù)據(jù)不會丟失；后者當(dāng)plc 斷電時(shí)，數(shù)據(jù)被清零。 （3）用戶程序存儲區(qū) ： 用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的 plc，其存儲容量各不相同。 1.2.3 輸入接口電路 輸入輸出信號有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實(shí)習(xí)室涉及到的信號當(dāng)中，開關(guān)量最普遍，也是實(shí)驗(yàn)條件所限，在次我們主要介紹開關(guān)量接口電路?？删幊绦蚩刂破鲀?yōu)點(diǎn)之一是抗干擾能力強(qiáng)。這也是其 i/o 設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之處，經(jīng)過了電氣隔離后，信號才送入 cpu 執(zhí)行的,防止現(xiàn)場的強(qiáng)電干擾進(jìn)入。如下圖就是采用光電耦合器(一般采用反光二極管和光電三極管組成)的開關(guān)量輸入接口電路：氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析161.

24、2.4 輸出接口電路可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出(m)、晶體管輸出(t)、晶閘管輸出(ssr)三種輸出形式。(1) 輸出接口電路的隔離方式 (2) 輸出接口電路的主要技術(shù)參數(shù)a.響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間是指 plc 從 on 狀態(tài)轉(zhuǎn)變成 off 狀態(tài)或從 off 狀態(tài)轉(zhuǎn)變成 on 狀態(tài)所需要的時(shí)間。繼電器輸出型響應(yīng)時(shí)間平均約為 10ms；晶閘管輸出型響應(yīng)時(shí)間為 1ms 以下；晶體管輸出型在 0.2ms 以下為最快。b.輸出電流 繼電器輸出型具有較大的輸出電流，ac250v 以下的電路電壓可驅(qū)動(dòng)純電阻負(fù)載 2a/1 點(diǎn)、感性負(fù)載 80va 以下（ac100v 或 ac200v）及燈負(fù)載 100w

25、 以下（ac100v 或 200v）的負(fù)載；y0、y1 以外每輸出 1 點(diǎn)的輸出電流是0.5a，但是由于溫度上升的原因，每輸出 4 合計(jì)為 0.8a 的電流，輸出晶體管的on 電壓約為 1.5v，因此驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體元件時(shí)，請注意元件的輸入電壓特性。y0、y1 每輸出 1 點(diǎn)的輸出電流是 0.3a，但是對 y0、y1 使用定位指令時(shí)需要高速響應(yīng)，因此使用 10100ma 的輸出電流；晶閘管輸出電流也比較小，fx1s 無晶閘管輸出型。c.開路漏電流 開路漏電流是指輸出處于 off 狀態(tài)時(shí)，輸出回路中的電流。繼電器輸出型輸出接點(diǎn) off 是無漏電流；晶體管輸出型漏電流在 0.1ma 以下；晶閘管較大漏電

26、流，主要由內(nèi)部 rc 電路引起，需在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)注意。輸出公共端（com） 公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。fx1s 有 1 點(diǎn)或 4 點(diǎn)一個(gè)公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅(qū)動(dòng)不同電源電浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)17壓系統(tǒng)的負(fù)載。1.2.5 電源 plc 的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此 plc 的制造商對電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將plc 直接連接到交流電網(wǎng)上去。如 fx1s 額定電壓 ac100v240v，而電壓允許范圍在 ac85v264

27、v 之間。允許瞬時(shí)停電在 10ms 以下，能繼續(xù)工作。一般小型 plc 的電源輸出分為兩部分：一部分供 plc 內(nèi)部電路工作；一部分向外提供給現(xiàn)場傳感器等的工作電源。因此 plc 對電源的基本要求：能有效地控制、消除電網(wǎng)電源帶來的各種干擾；電源發(fā)生故障不會導(dǎo)致其它部分產(chǎn)生故障；允許較寬的電壓范圍；電源本身的功耗低，發(fā)熱量小；內(nèi)部電源與外部電源完全隔離；有較強(qiáng)的自保護(hù)功能。 1.3 plc 的工作原理由于 plc 以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或 i/o 掃描方，若有鍵按下或有 i/o 變化，則轉(zhuǎn)入相

28、應(yīng)的子程序，若無則繼續(xù)掃描等待。plc 則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個(gè)程序，cpu 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個(gè)因素：一是 cpu 執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時(shí)間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個(gè)掃描周期主要可分為 3 個(gè)階段。1.3.1 輸入刷新階段在輸入刷新階段，cpu 掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序

29、氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析18執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。1.3.2 程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。1.3.3 輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器） ，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成 plc 的實(shí)際輸出。由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階

30、段構(gòu)成 plc 一個(gè)工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個(gè)階段統(tǒng)稱為 i/o 刷新階段。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和 i/o 刷新外，plc 還要進(jìn)行各種錯(cuò)誤檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務(wù)” ，一般在程序執(zhí)行之后進(jìn)行。顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次 i/o 刷新，即每一個(gè)掃描周期 plc 只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是由于其對 i/o 的變化每個(gè)周期只輸出刷新一

31、次，并且只對有變化的進(jìn)行刷新，這對一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸与A段僅在輸入刷新階段進(jìn)行，plc 在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖、短時(shí)間的，誤動(dòng)作將大大減小。但是在快速響應(yīng)系統(tǒng)中就會造成響應(yīng)滯后現(xiàn)象，這個(gè)一般 plc 都會采取高速模塊?？傊?，plc 采用掃描的工作方式，是區(qū)別于其他設(shè)備的最大特點(diǎn)之一，我們在學(xué)習(xí)和使用 plc 當(dāng)中都應(yīng)加強(qiáng)注意。浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)192 機(jī)械手的 plc 控制2.1 控制特點(diǎn)機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點(diǎn)之外，還要求有連續(xù)控制和手動(dòng)控制等操作

32、方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。當(dāng)旋鈕打向回原點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)地回到左上角位置待命。當(dāng)旋鈕打向自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)完成各工步操作，且循環(huán)動(dòng)作。當(dāng)旋鈕打向手動(dòng)時(shí)，每一工步都要按下該工步按鈕才能實(shí)現(xiàn)。以下是設(shè)計(jì)該機(jī)械手控制程序的步驟和方法。2.2 系統(tǒng)控制示意圖機(jī)械手傳送工件系統(tǒng)示意圖，如圖 1 所示。 圖 1 機(jī)械手傳送示意及操作面板圖2.3 輸入和輸出點(diǎn)分配表及原理接線圖氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析20名 稱代號輸入名 稱代號輸入名 稱代號輸出啟動(dòng)sb1x0夾緊sb5x10電磁閥下降yv1y0下限行程sq1x1放松sb6x11電磁閥夾緊yv2y1上限行程sq2x2單步

33、上升sb7x12電磁閥上升yv3y2右限行程sq3x3單步下降sb8x13電磁閥右行yv4y3左限行程sq4x4單步左移sb9x14電磁閥左行yv5y4停止sb2x5單步右移sb10x15原點(diǎn)指示ely5手動(dòng)操作sb3x6回原點(diǎn)sb11x16連續(xù)操作sb4x7工件檢測sq5x17表 1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表2.4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)包括回原點(diǎn)程序，手動(dòng)單步操作程序和自動(dòng)連續(xù)操作程序，如圖 3浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)21所示。其原理是：把旋鈕置于回原點(diǎn)，x16 接通，系統(tǒng)自動(dòng)回原點(diǎn)，y5 驅(qū)動(dòng)指示燈亮。再把旋鈕置于手動(dòng)，則 x6 接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（cj 為一

34、跳轉(zhuǎn)指令，如果 cj 驅(qū)動(dòng)，則跳到指針 p 所指 p0 處） ，執(zhí)行手動(dòng)程序。之后，由于 x7 常閉觸點(diǎn)，當(dāng)執(zhí)行 cj 指令時(shí)，跳轉(zhuǎn)到 p1 所指的結(jié)束位置。如果旋鈕置于自動(dòng)位置，（既 x6 常閉閉合、x7 常閉打開）則程序執(zhí)行時(shí)跳過手動(dòng)程序，直接執(zhí)行自動(dòng)程序。2.5 回原位程序回原位程序如圖 4 所示。用 s10s12 作回零操作元件。應(yīng)注意，當(dāng)用s10s19 作回零操作時(shí)，在最后狀態(tài)中在自我復(fù)位前應(yīng)使特殊繼電器 m8043 置1。氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析222.6 手動(dòng)單步操作程序如圖 5 所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)。2.7 自動(dòng)操作程序自動(dòng)操作狀態(tài)轉(zhuǎn)

35、移見圖 6 所示。當(dāng)機(jī)械手處于原位時(shí)，按啟動(dòng) x0 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s20，驅(qū)動(dòng)下降 y0，當(dāng)?shù)竭_(dá)下限位使行程開關(guān) x1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s21，而 s20 自動(dòng)復(fù)位。s21 驅(qū)動(dòng) y1 置位，延時(shí) 1 秒，以使電磁力達(dá)到最大夾浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)23緊力。當(dāng) t0 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s22，驅(qū)動(dòng) y2 上升，當(dāng)上升到達(dá)最高位，x2 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s23。s23 驅(qū)動(dòng) y3 右移。移到最右位，x3 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s24 下降。下降到最低位，x1 接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時(shí) 1 秒。延時(shí)時(shí)間到，t1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s26 上升。上升到最高位，x2 接

36、通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s27 左移。左移到最左位，使 x4 接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動(dòng)作。在編寫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時(shí)注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅(qū)動(dòng)的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步進(jìn)順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強(qiáng)。2.8 機(jī)械手傳送系統(tǒng)梯形圖如圖 7 所示。圖中從第 0 行到第 27 行為回原位狀態(tài)程序。從第 28 行到第66 行，為手動(dòng)單步操作程序。從第 67 行到第 129 行為自動(dòng)操作程序。這三部氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析24分程序（又稱為模塊）是圖 3 的操作系統(tǒng)運(yùn)行的?；卦怀绦蚝妥詣?dòng)操作程序。是用步進(jìn)順控方式編程。在各步進(jìn)

37、順控末行，都以 ret 結(jié)束本步進(jìn)順控程序塊。但兩者又有不同。回原位程序不能自動(dòng)返回初始態(tài) s1。而自動(dòng)操作程序能自動(dòng)返回初態(tài) s2。浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)252.9 指令語句表實(shí)踐心得實(shí)踐心得機(jī)械手的 plc 控制課程設(shè)計(jì)通過了 1 周的課程設(shè)計(jì)使我對機(jī)械設(shè)計(jì)過程有進(jìn)一步了解，對機(jī)電產(chǎn)品的有關(guān)的控制知識有了深刻的認(rèn)識。氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析26因?yàn)槔碚撝R學(xué)的不牢固，在設(shè)計(jì)遇到了不少問題，如：遺忘以前學(xué)過的專業(yè)基礎(chǔ)知識。通過理論與實(shí)際的結(jié)合，進(jìn)一步提高觀察、分析和解決問題的實(shí)際工作能力，以便培養(yǎng)成為能夠主動(dòng)適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的高素質(zhì)的復(fù)合型人才。運(yùn)用學(xué)習(xí)成

38、果，把理論運(yùn)用于實(shí)際，使理論得以提升，形成創(chuàng)新思想。通過此次設(shè)計(jì)過程，鞏固了專業(yè)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)了我綜合應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)課程及其他課程的理論知識和應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)際知識解決工程實(shí)際問題的能力，在設(shè)計(jì)的過程中還培養(yǎng)出了我們的團(tuán)隊(duì)精神，為今后的學(xué)習(xí)和工作過程打下基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：【1】郁漢琪.可變程序控制器原理及應(yīng)用.北京：中國電力出版社，2005【2】范永勝.電氣控制與 plc 應(yīng)用.第 2 版.北京：中國電力出版社，2004【3】易泓可.基于數(shù)字 pid 設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004【4】濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)8 版.高等教育出版社. 2006浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)27課題名稱：氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)

39、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)課題名稱：氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析動(dòng)學(xué)仿真分析姓名：姓名：班級：班級：學(xué)號：學(xué)號：指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師：學(xué)院：機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院學(xué)院：機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院摘 要隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和機(jī)械制造工藝水平的飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域逐步從汽車拓展到其它領(lǐng)域。在各種類型的機(jī)器人中，模擬人體手臂而構(gòu)成的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間小、運(yùn)動(dòng)空間大等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的機(jī)器人之一。尤其由柔性關(guān)節(jié)組成的柔性仿生機(jī)器人在服務(wù)機(jī)器人及康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用和需求越來越突出。本課題重點(diǎn)在于氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)和其可行性分析。由于氣動(dòng)肌肉柔性關(guān)節(jié)的研究歷史短、資

40、料少，肌肉本身的動(dòng)特性還在研究中，因此本課題具有一定的難度，在研究過程中注重靜態(tài)指標(biāo)的滿足。本文重點(diǎn)解決的問題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真。本課題中主要內(nèi)容是：（1）設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)；（2）關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)；（3）用仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過程模擬分析以此來改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直到得出滿意的結(jié)果為止。目標(biāo)：滿足氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：氣動(dòng)肌肉；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真abstractwith the rapid development of microelectronic technology, sensor technology, control technology and the

41、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 accou

42、nted, 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

43、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, thi

44、s 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 d

45、esign 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;

46、 kinematics emulation目 錄摘 要abstract第 1 章 緒論11.1 研究氣動(dòng)機(jī)械手的意義11.2 氣動(dòng)機(jī)械手在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用21.3 氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及優(yōu)缺點(diǎn)41.4 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展方向6第 2 章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)82.1 氣動(dòng)肌肉結(jié)構(gòu)、特性及模型82.1.1 氣動(dòng)肌肉的基本結(jié)構(gòu)82.1.2 氣動(dòng)肌肉的特性82.1.3 氣動(dòng)肌肉的模型92.2 氣動(dòng)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)112.3 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)122.3.1 關(guān)節(jié)的基本方式122.3.2 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)122.3.3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)142.3.4 腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)16第 3 章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)

47、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)18 3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)18 3.2 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)18 3.2.1 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)18 3.2.2 第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)20 3.2.3 第三肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)22 3.3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)23 3.3.1 x軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)23 3.3.2 y軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)24 3.4 腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)26第 4 章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的模擬仿真27 4.1 仿真內(nèi)容27 4.2 仿真方法27 4.3 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析284.3.1 第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真及分析284.3.2 第二肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真及分析284.3.3 肘關(guān)節(jié)x軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析294.

48、3.4 肘關(guān)節(jié)y軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析304.3.5 腕關(guān)節(jié)x軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析314.3.6 腕關(guān)節(jié)z軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析324.3.7 第一二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)x軸方向，腕關(guān)節(jié)x軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析324.3.8 第一二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)y軸方向，腕關(guān)節(jié)z軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析33第 5 章 結(jié)論33參考文獻(xiàn)34致謝36浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)1第第 1 章章 緒論緒論1.1 研究氣動(dòng)機(jī)械手的意義近20年來，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔

49、性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動(dòng)技術(shù)從開關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動(dòng)脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn)，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究1。從各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看，近30多年來，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。20世紀(jì)70年代，液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為9:1，而30多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本國家，該比例已達(dá)到6:4，甚至接近5:5。我國的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從20世紀(jì)80年代中期開始,氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá)20以上，高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增

50、率。隨著微電子技術(shù)、plc技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一2。傳統(tǒng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)多由電機(jī)或液(氣)壓缸等來驅(qū)動(dòng)。以這種方式來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，位置精度可以達(dá)到很高，但其剛度往往很大，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的柔順運(yùn)動(dòng)較困難。而柔順性差的機(jī)器人在和人接觸的場合使用時(shí)，容易造成人身和環(huán)境的傷害。因此，在許多服務(wù)機(jī)器人或康復(fù)機(jī)器人研究中，確保機(jī)器人的關(guān)節(jié)具有一定的柔順性提高到了一個(gè)很重要的地位。人類關(guān)節(jié)具有目前機(jī)器人所不具備的優(yōu)良特性，既可以實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的位置控制又具有很好的柔順性。這種特性主要是由關(guān)節(jié)所采用的對抗性肌肉驅(qū)動(dòng)方式所決定的。目前模仿生物關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)

51、方式在仿生機(jī)器人中得到越來越多的應(yīng)用。在這種應(yīng)用中為得到類似生物關(guān)節(jié)的良好特性，一般都采用具有類似生物肌肉特性的人工肌肉。氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析2氣動(dòng)肌肉是人工肌肉中出現(xiàn)較早、應(yīng)用較廣泛的一種驅(qū)動(dòng)器，具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單及控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在類人機(jī)器人、爬行機(jī)器人及康復(fù)輔助器械中得到了應(yīng)用。其基本應(yīng)用形式大都采用一對氣動(dòng)肌肉組成關(guān)節(jié)的方式。氣動(dòng)肌肉最簡單和最常見的使用方式是利用一對氣動(dòng)肌肉以生物體中拮抗肌的形式驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，這種方式克服了氣動(dòng)肌肉變化長度較小的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。而且由于其類似生物體驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的方式，因此具有剛度和位置能獨(dú)立控制等仿生關(guān)節(jié)具有的優(yōu)點(diǎn)3。氣動(dòng)機(jī)械手

52、是集機(jī)械、電氣、氣動(dòng)和控制于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。近年來，機(jī)械手在自動(dòng)化領(lǐng)域中，特別是在有毒、放射、易燃、易爆等惡劣環(huán)境內(nèi)，與電動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手相比，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，得到了越來越廣泛的應(yīng)用4。1.2 氣動(dòng)機(jī)械手在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用由于機(jī)器人或機(jī)械手都需要能快速、準(zhǔn)確的抓取工件，因而對機(jī)器人或機(jī)械手提出了更高的要求，即他們必須具有高定位精度、能快速反應(yīng)、有一定的承載能力、足夠的空間和靈活的自由度以及在任意位置都能自動(dòng)定位。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，由于氣體具有壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外，氣源工作壓力較低，抓舉力較小。氣動(dòng)技術(shù)

53、作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已經(jīng)被工業(yè)界廣泛接受，對于氣動(dòng)機(jī)器人伺服控制體系的研究起步較晚，但已取得了重要成果，它在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用正在受到越來越多的廣泛關(guān)注。90年代初，有布魯塞爾皇家軍事學(xué)院y.bando教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電子氣動(dòng)機(jī)器人“阿基里斯”六腳勘測員，也被稱為festo的“六足動(dòng)物”。y.bando教授采用了世界上著名的德國festo生產(chǎn)的氣動(dòng)元件、可編程控制器和傳感器等，創(chuàng)造了一個(gè)在荷馬史詩中最健壯最勇敢的希臘英雄阿基里斯。它能在人不易進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域、污染或放射性的環(huán)境中進(jìn)行地形偵察。六腳電子氣動(dòng)機(jī)器人的上方安裝了一個(gè)照相機(jī)來探視障礙物，能安全的繞過它，并在行走過程中記錄

54、和收集數(shù)據(jù)。六腳電子氣動(dòng)機(jī)器人行走的所有程序由fpc101-b可編程控制器控制，fpc101-b能在六個(gè)不同方向控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三個(gè)腳與地面接觸，機(jī)器人便能以一種平穩(wěn)浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)3的姿態(tài)行走，六腳中的每一個(gè)腳都有三個(gè)自由度，一個(gè)直線氣缸把腳提起、放下，一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制腳伸展、退回，另一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)氣缸都裝備了調(diào)節(jié)速度用的單向節(jié)流閥，使機(jī)械驅(qū)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)保持平穩(wěn)，即在無級調(diào)速狀態(tài)下工作。控制氣缸的閥內(nèi)置在機(jī)器人體內(nèi)，由fpc101-b可編程控制器控制。當(dāng)接通電源時(shí)，氣動(dòng)閥被切換到工作狀態(tài)位置，當(dāng)關(guān)閉電源

55、時(shí)，他們便回到初始位置。此外，操作者能在任何一點(diǎn)上停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，如果機(jī)器人的傳感器在它的有效范圍內(nèi)檢測到障礙物，機(jī)器人也會自動(dòng)停止。由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的氣動(dòng)攀墻機(jī)器人，它能在兩個(gè)相互垂直的表面上行走(包括從地面到墻面或者從墻面到天花板上)。該機(jī)器人軸心的圓周邊上裝備著等距離(根據(jù)步距設(shè)置)的吸盤和氣缸，一組吸盤吸力與另一組吸盤吸力的交替交換，類似腳踏似的運(yùn)動(dòng)方式，使機(jī)器人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。這種攀墻式機(jī)器人可被用于工具搬運(yùn)或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動(dòng)機(jī)械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進(jìn)行清掃、檢驗(yàn)和安裝工作。機(jī)器人用遙控方式進(jìn)行半自動(dòng)操作，操作者只需輸入運(yùn)行的

56、目標(biāo)距離，然后計(jì)算機(jī)便能自動(dòng)計(jì)算出必要的單步運(yùn)行。操作者可對機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控。從上述實(shí)例可見，氣動(dòng)機(jī)器人己經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。就它在三維空間內(nèi)的任意定位、任意姿態(tài)抓取物體或握手而言，“阿基里斯”六腳勘測員、攀墻機(jī)器人都顯示出它們具有足夠的自由度來適應(yīng)工作空間區(qū)域。氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展至今，用直線氣缸、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)來解決氣動(dòng)機(jī)器人中一般的關(guān)節(jié)活動(dòng)和空間自由度己經(jīng)不成問題了，氣缸低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性這一點(diǎn)也不成問題了，很多場合使用低速氣缸，其速度在5mm/s的情況下也能平穩(wěn)運(yùn)行。因此從根本上改變了傳統(tǒng)上的觀點(diǎn)“由壓縮性的空氣作為介質(zhì)的氣缸運(yùn)動(dòng)速度有沖擊顫動(dòng)或低速運(yùn)行不平穩(wěn)的缺陷”。氣缸的運(yùn)行從低速5mm/s到高速5

57、10m/s，表明了它有一個(gè)十分豐富、寬廣的速度區(qū)域，以適應(yīng)各種層次的速度等級需要5。氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程，隨著氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。我國對氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析4多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易

58、實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動(dòng)、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作6。而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)7,8-9。所以，氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工10 ，食品和藥品的包裝7,11-12、精密儀器和軍事上13,14-15?，F(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝是焊接的生產(chǎn)線，大多采用了氣動(dòng)機(jī)械手。車身在每個(gè)工序的移動(dòng)；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在

59、指定工位的夾緊和定位；點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的氣動(dòng)機(jī)械手。高頻率的點(diǎn)焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個(gè)工序過程的高度自動(dòng)化，堪稱是最有代表性的氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用之一2。在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運(yùn)送到指定目標(biāo)位置。對加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運(yùn)系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的sin氣缸16。氣動(dòng)機(jī)械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動(dòng)計(jì)量包裝；用于煙草工業(yè)的自動(dòng)卷煙和自

60、動(dòng)包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動(dòng)機(jī)械手；自動(dòng)加蓋、安裝和擰緊氣動(dòng)機(jī)械手，牛奶盒裝箱氣動(dòng)機(jī)械手等8,11。此外，氣動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)病床15，robodoc機(jī)器人，davinci外科手術(shù)機(jī)器人等17。1.3 氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及優(yōu)缺點(diǎn)氣動(dòng)技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的新技術(shù)，氣動(dòng)元件是氣動(dòng)技術(shù)中最重要的組成部分，用氣動(dòng)元件組成的傳動(dòng)和控制系統(tǒng)己廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門的成套設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線上。氣動(dòng)技術(shù)是以壓縮氣體(例如壓縮空氣或惰性氣體浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)5和熱氣體)為工作介質(zhì)進(jìn)行能量和信號的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的一門技術(shù)，它包含