PLC机械手毕业论文

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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。

6、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

7、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SQ5X173、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

8、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

9、计及运动学仿真分析65、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，X

10、1 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）

11、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88、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

12、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.11 1 PLCPLC 简

13、介简介.21.1 PLC 发展历史.21.3 PLC 的工作原理.82 2 机械手的机械手的 PLCPLC 控制控制.102.1 控制特点.10浙江理工大学本科毕业设计 (论文)112.2 系统控制示意图.102.3 输入和输出点分配表及原理接线图.112.4 操作系统.122.5 回原位程序.132.6 手动单步操作程序.142.7 自动操作程序.142.8 机械手传送系统梯形图.162.9 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

14、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

15、，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

16、 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

17、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

18、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14a. 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

19、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。（

20、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

21、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

22、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

23、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161.

24、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

25、 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

26、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 AC85V264

27、V 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

28、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

29、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

30、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

31、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)192 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

32、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

33、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

34、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222.6 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

35、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

36、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

37、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)252.9 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

38、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课题名称：气动机械手关节

39、结构设计及运课题名称：气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析动学仿真分析姓名：姓名：班级：班级：学号：学号：指导老师：指导老师：学院：机械与自动控制学院学院：机械与自动控制学院摘 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

40、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 录摘 要Abstract第 1 章 绪论11.1 研究气动机械手的意义11.2 气动机械手在国内外的发展现状及应用21.3 气动技术发展状况及优缺点41.4 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82.1 气动肌肉结构、特性及模型82.1.1 气动肌肉的基本结构82.1.2 气动肌肉的特性82.1.3 气动肌肉的模型92.2 气动机械手的基本结构112.3 气动机械手关节结构设计122.3.1 关节的基本方式122.3.2 肩关节结构设计122.3.3 肘关节结构设计142.3.4 腕关节结构设计16第 3 章 气动机械手关节

47、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284.3.1 第一肩关节的运动仿真及分析284.3.2 第二肩关节的运动仿真及分析284.3.3 肘关节X轴方向的运动仿真及分析294.

48、3.4 肘关节Y轴方向的运动仿真及分析304.3.5 腕关节X轴方向的运动仿真及分析314.3.6 腕关节Z轴方向的运动仿真及分析324.3.7 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324.3.8 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

49、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

50、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

51、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

52、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

53、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

54、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

55、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

56、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。从上述实例可见，气动机器人己经取得了实质性的进展。就它在三维空间内的任意定位、任意姿态抓取物体或握手而言，“阿基里斯”六脚勘测员、攀墙机器人都显示出它们具有足够的自由度来适应工作空间区域。气动技术发展至今，用直线气缸、旋转马达来解决气动机器人中一般的关节活动和空间自由度己经不成问题了，气缸低速运动平稳性这一点也不成问题了，很多场合使用低速气缸，其速度在5mm/s的情况下也能平稳运行。因此从根本上改变了传统上的观点“由压缩性的空气作为介质的气缸运动速度有冲击颤动或低速运行不平稳的缺陷”。气缸的运行从低速5mm/s到高速5

57、10m/s，表明了它有一个十分丰富、宽广的速度区域，以适应各种层次的速度等级需要5。气动技术经历了一个漫长的发展过程，随着气动伺服技术走出实验室，气动技术及气动机械手迎来了崭新的春天。目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析4多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动机械手有结构简单、易

58、实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点。由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作6。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点7,8-9。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工10 ，食品和药品的包装7,11-12、精密仪器和军事上13,14-15。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺是焊接的生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在

59、指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一2。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸16。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自

60、动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等8,11。此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床15，Robodoc机器人，daVinci外科手术机器人等17。1.3 气动技术发展状况及优缺点气动技术是一门正在蓬勃发展的新技术，气动元件是气动技术中最重要的组成部分，用气动元件组成的传动和控制系统己广泛应用于国民经济各部门的成套设备和自动化生产线上。气动技术是以压缩气体(例如压缩空气或惰性气体浙江理工大学本科毕业设计 (论文)5和热气体)为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过程自动化的一门技术，它包含

61、气压传动和气动控制两方面的内容18,19。气动技术的发展历程，是从单个元件到控制系统，从单纯机械系统到机电一体化的复杂高科技产品的历程。人类对空气进行利用，以其为传递能量的介质可追溯到几千年以前。但真正对起性质和基本原理进行系统的研究也是从本世纪开始，形成以气压传动系统动力学和气动控制理论为主要内容的一门学科气动系统理论。目前，气动和液压是两种较为普遍应用的传动和控制方式，两者有许多相同点，也有许多不同点，气动技术真正成为全世界各个工业部门所接受并广泛应用，是由于日益迫切的生产自动化和操作程序合理化的需要，也由于气动技术具有以下许多优点:(1)气动技术以空气为工作介质，空气随处可取，且粘性小，

62、在管内流动阻力小，便于集中供气和远距离输送。因而，大多数工厂有方便的压缩空气气源。作为工作介质的压缩空气的物理性质，是气动技术在广泛的各种应用具有安全、方便和费用低的优点。压缩空气没有生产火花的危险。因此，它始于有易燃或爆炸潜在危险的工矿。(2)气动元件机构简单，价格低廉，用过的空气可向大气排放，处理方便，不必使用回收管道。(3)气动系统清洁，即使有泄漏，也不会像液压系统那样污染产品和环境，不受电磁干扰，电子系统则有之。(4)气动系统维护不复杂，也不需要特殊的培训和实验设备。(5)适应性强，现有的机器可方便的改为气动传动，气缸可以直接安装在要求出力的地方。(6)便于进行能量储存，可以进行应急或

63、系统需要用。(7)气压传动本身有过载保护性能。气动执行元件能长期在满负荷下工作，在过载时自动停止。(8)气动元件运动速度高，普通气缸的运动速度一般为0.050.7m/s，有的高达13m/s，高速气缸可达15m/s。调查资料表明，目前气动装置在工业自动化装备中占很重要的地位。气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析6当然，气动技术也有其缺点:(1)压缩空气需要进行除尘、除水处理。(2)空气的可压缩性使系统效率低，且使气动系统的稳定性差，给位置和速度的精确控制带来很大的影响。(3)系统运行时排放空气的噪声较大。(4)气动信号的传递速度远比电信号低，而且有较大的延迟和失真，因而气动控制技术不宜用于高速

64、传递和处理信息的复杂系统，而且气动信号的传送距离也受到限制。尽管气动技术上有一些缺点，但它的优点还是主要的，所以气动技术能在各个工业部门中得到日益广泛的应用。而气动元件更是一种经济实用的机械化、自动化的理想元件。现在，气动技术和电子电器、液压技术一样，都成为自动化生产过程的有效技术之一，在国民经济中起着越来越大的作用。气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到50年，却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广、发展最快，也最容易接收及重视的技术之一，气动技术己成为各个行业不可缺少的一部分。在国外，气动被称为“廉价的自动化技术”。气动技术由几个主要的历

65、史发展阶段。至50年代初，大多数元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。60年代，开始构成工业控制系统，应用成体系，不再与风动技术相提并论。在70年代，由于与电子技术的结合应用，在自动化领域得到广泛的推广。80年代则是集成化、微型化的时代。90年代末本世纪初，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，重复精度达0.01mm的模块化气动机械手，5mm/s低速平稳运行及510m/s高速运动的不同气缸相继问世。在与计算机、电气、传感、通讯等技术相结合的基础上产生了智能气动这一概念(气动比例与伺服、智能阀岛、模块化机械手)。气动伺服定位技术可使气缸在气动机械手位置伺服控制系统的研究高速运动3mm/

66、s情况下实现任意点自动定位。智能阀岛技术十分理想的解决了整个自动化生产线的分散与集中控制问题。现代气动的发展趋势是微型化、集成化、模块化、智能化20-22。1.4 气动机械手的发展方向1) 重复高精度浙江理工大学本科毕业设计 (论文)7精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关4。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定13。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等2。2) 模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气