气动指挥机械手臂设计

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1、*学士学位论文 学号:A*气动指挥机械手臂设计学生姓名：*指导教师：*所在院系：工程学院 所学专业：机械设计制造及其自动化研究方向：流体传动控制*中国*2009年6月Bachelor Degree Dissertation No：* Design on Mechanical Arm Controlled by Pneumatic Transmission Student: * Supervisor: * College: Engineering College Speciality: Mechanical design and manufacture and automatization Di

2、rection: Fluid transmission control * ChinaJune 2009气动指挥机械手臂设计摘 要本文主要围绕着气动指挥机械手臂的设计过程进行阐述和分析，文中主要讨论了以下几个方面的内容：气动指挥机械手臂的整体设计、机械手臂的运动模拟、气动系统回路设计、气动元件的选型以及指挥机械手臂控制部分设计。在设计过程中提出了一种新的设计思路，即对不确定的各个设计参数的拟人动作机械人进行动态仿真分析，从模拟试验中得到所需的各参数和标准。气动指挥机械手臂的整体设计主要针对机械手臂的自由度、工作空间、工作速度、控制方式和驱动方式进行讲述；机械手臂的模拟运动将利用ADAMS运动仿

3、真软件进行运动分析和数据采集；气动回路设计中将针对模拟结果的要求对系统的气动部分进行设计，并在后面的章节中对气动元件进行选型；最后的手臂控制部分设计中，采用了可编程控制器（PLC）控制的方法来实现各气缸的顺序和周期动作。关键词：气动指挥机械手臂；ADAMS仿真；气动系统回路设计；PLC控制；Design on Mechanical Arm Controlled by Pneumatic TransmissionThis paper, focusing on the design of pneumatic command mechanical arm process and analyze. T

4、his article mainly discusses the following several aspects of content: Such as The pneumatic command mechanical arm of the overall design; Mechanical arm movement simulation; Designing the system of pneumatic; Choosing the type of the pneumatic component; Design of mechanical arm command control sec

5、tion. In the design process presents a new design idea, namely the uncertainty of the various design parameters of personification action on dynamic simulation, robots from simulation experiment of the parameters and the standard required, it will aim at the mechanism arms freedom; Working space; Wo

6、rking speed; The mode of control; The mode of drive. The mechanical arm of the motions of ADAMS software to motion simulation analysis and data collection for sports. In the section of designing the pneumatics system, I will design the part of pneumatics in the whole system and choose type of the pn

7、eumatics components in the next one. The last section about designing of the pneumatic direct manipulators control, The arm using the programmable logic controller (PLC) control method to realize the cylinder sequence and cycle.Keywords: pneumatic command the mechanical arm; ADAMS simulation; pneuma

8、tic system design; PLC control;IV目录摘 要I英文摘要II目录III1 前言11.1 机械手的发展史11.2 现代研究趋势11.3 国内发展状况21.4 机械手研究领域21.5 本文主要研究内容22 气动指挥机械手臂的整体设计42.1 机械手臂的主要技术参数设计42.1.1 机械手臂的自由度42.2 机械手臂的工作空间设计42.3 机械手臂的工作速度52.4 机械手臂的工作载荷52.5 机械手臂的控制方式52.6 机械手臂的驱动方式52.7 机械手臂的精度、重复精度和分辨率63 机械手臂的模拟仿真运动73.1 ADAMS仿真软件功能简介73.2应用UG建立实体模

9、型并导入ADAMS73.3 运动过程仿真73.4 运动仿真参数分析114 气动回路设计184.1 通过对运动状态的模拟设计相应的气动回路184.2 对气压传动系统的分析194.2.1 气源的处理194.2.2 压缩空气驱动气缸活塞杆运动过程205 气动元件的选型215.1 对运动气缸的选型215.1.1 对A缸的选取215.1.2 对B缸的选取215.1.3 对C缸的选取225.1.4 对D缸的选取235.1.5 对E缸的选取235.2 对电磁换向阀进行选型235.3 对气压的要求245.4 对气动三联件的选择245.5 单向节流阀的选择255.6 减压阀的选择265.7 安全阀的选择266

10、指挥机械手臂控制部分设计286.1 PLC型号的选择286.2 初始位置程序的编写286.3 机械手臂的指挥动作循环程序296.3.1 机械手臂肩部的转动296.3.2 机械手臂大臂、肘部、腕部的转动306.4 外接电路驱动电磁换向阀346.5 恢复初始位置控制356.6机械手臂各部分的单独控制367 总结37参考文献38致谢391 前言1.1 机械手的发展史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械

11、手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位

12、误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能

13、。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.2 现代研究趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机械手共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面:(1) 工业机械手的优化设计并探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载与自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。(2) 机械手控制技术:重点研究开放化，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机械手控制器的标准化和网络化，以及VC机网络控制器己成为研究热点。编程技术不仅进一步提高在线

14、编程的可操作性，离线编程的实用化也将成为研究重点。(3) 多传感器系统:为进一步提高机械手的智能和适应性，多种传感器的配合使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器信息融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器信息融合算法。(4) 机械手的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。(5) 机械手遥控及监控技术，半自主和自主技术，多个机械手和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机械手遥控系统，在有延时的情况下，建立预先显示从而进行遥控等。(6) 虚拟机械手技术，基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场传感技术，实现机械手的虚拟遥控操作和人机交互

15、。(7) 多智能体调控技术:这是目前机械手研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。(8) 软机械手技术:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机械手设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或其他硬性材料，软机械手技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机械手意外地与环境或人发生碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。(9) 仿人和仿生技术:这是机械手技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行了一些基础性研究。1.3 国内发展状况国内机械行业应用的机械手绝大部分为专用机械手，附属于某一设备，其工作程序是固定的

16、，通用机械手也有所发展。改革开放以来，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前基本掌握了机械手的设计制造技术、控制系统的硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划等技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出了喷漆、弧焊、装配、搬运等机械手。但是，我国的机械手技术及其应用程度和发达国家相比还有很大的差距，如:可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚，应用领域还比较窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上远不及发达国家。以上原因主要是没有实现机械手的高度产业化。当前我国机械手的生产几乎都是应用户要求，“一个客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本高，且质量、可靠性

17、不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，做好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。1.4 机械手研究领域机械手技术是集机械工程学、计算机科学、控制工程、电子技术、传感器技术、人机工程学等学科为一体的综合技术，它是多学科科技革命的必然结果。每一支动作灵敏的机械手，都是一个知识密集和技术密集的高科技机电一体化产品。1.5 本文主要研究内容本文提出了一种比较新颖的研究设计方法，即通过应用软件先对不确定的运动进行模拟，选择最佳方案进行设计计算，从而实现设计要求。本文将通过以下几个内容进行论述：(1) 气动指挥机械手臂的整体设计；(2) 机械手臂的运动模拟；(3) 气

18、动回路设计；(4) 气动元件的选择；(5)机械手臂PLC控制部分设计；2 气动指挥机械手臂的整体设计根据设计要求，对指挥机械手臂类型选择为非伺服多关节型。2.1 机械手臂的主要技术参数设计2.1.1 机械手臂的自由度要想达到模仿人类的音乐指挥动作，通过仿生原理我最终采用5自由度的机械手臂来完成这一动作，其机器人机构简图如图（21）。 图21 五自由度机器人简图如图所示机器人手臂在xo1y平面存在三个分别沿o2z和o3z及o5z轴的转动2和3及5，在肩部还有一个沿o1y轴的转动1，同时腕部还存在一个在o4x的转动4。机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构

19、就越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。自由度的选择与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，机器人的自由度数可少一些；但是如果要便于产品更换，增加柔性，机器人的自由度要多一些。2.2 机械手臂的工作空间设计对于拟人的指挥手臂而言，工作空间应尽量参考人的运动范围，根据人的指挥手臂的动作要求和人机工程学的相关原理，制定机械手臂的工作空间，这一过程我将应用ADAMS动态仿真软件完成，从而设计出合理的工作空间。2.3 机械手臂的工作速度机械手的工作速度对于模拟人的指挥是至关重要的，这一过程同样也需要事先用软件进行模拟，从而才能真正的对机械手臂的各个关节的运动速度

20、进行设定。2.4 机械手臂的工作载荷指挥手臂的工作载荷可以忽略不计，只要能够承受自身重量要求即可，所以这里就不再讨论了。2.5 机械手臂的控制方式由于是要求同时控制五个气缸的运动，而且对运动的周期还有较高要求，所以我选择用PLC进行控制。PLC有以下特点：(1) 可靠性高PLC采用了许多抗干扰措施，如对CPU模块进行电磁屏蔽、在电源和I/O模块中设置滤波电路等等，具有较强的抗干扰能力。 (2) 功能强PLC不但具有开关量控制、模拟量控制、算术运算、数据通信、中断控制等功能，还能很方便地进行功能及容量的扩展。(3) 编成简单，使用方便PLC提供了多种面向用户的编成语言，常用的有梯形图、指令语句等

21、，其中梯形图语言与继电器控制系统的电气原理图类似，很容易掌握。(4) 体积小，结构紧凑由于应用了现代集成电路，使其结构紧凑，体积小巧，很容易装在机械设备内部，因而成为机电一体化产品及工业自动控制的主要控制设备。2.6 机械手臂的驱动方式这里根据设计要求采用气压驱动方式。与气压驱动相近还有液压驱动，气压传动与液压传动相比，气压驱动有如下特点：(1) 压缩空气黏度小，比较容易达到高速（1m/s）；(2) 可用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备；(3) 空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；(4) 气动元件工作压力低，故制造成本也比液压元件低；(5) 不足之处是，压缩空气常

22、用压力为0.40.6MPa，若要获得较大的力，其外型结构就要相对增大；(6) 空气压缩性大，工作平稳性较差，速度控制困难，要达到准确的位置控制比较困难；(7) 压缩空气的水分问题是一个很重要的问题，处理不当会使刚类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。综合所述，可以选用气压驱动这种驱动方式。2.7 机械手臂的精度、重复精度和分辨率因为是模拟人的指挥动作，所以对精度要求并不高，但是需要重复的运动，因为重复的精度越高，指挥动作的可重复次数也就越多，所以要求还是要尽可能的提高重复精度。因为选择了气压这种驱动方式，所以机械手臂的分辨率不会高，但模拟指挥同样也不需要高的分辨率，所以这点也

23、不会造成影响。3 机械手臂的模拟仿真运动3.1 ADAMS仿真软件功能简介ADAMS是专门用于机械产品虚拟样机运动模拟的工具，通过虚拟实验和测试，在产品开发阶段就可以帮助设计者发现设计缺陷，并提出改进的方法。ADAMS研究复杂系统的运动学关系和动力学关系，它以计算多体系统动力学为理论基础，结合高速计算机对产品进行仿真计算，得到各种试验数据，帮助设计者发现问题和解决问题。3.2应用UG建立实体模型并导入ADAMS在建立模型阶段，先以一定的比例关系在UG中建立零件模型，然后装配成整体，通过parasolid格式导入ADAMS，并在其中添加约束和运动副，最后是在驱动部分添加驱动，从而完成整个实体模型

24、的建立。在模型的建立完成后，对各驱动的参数进行调试，并选择最佳方案。3.3 运动过程仿真由于对音乐指挥这一运动过程无法进行各个运动参数的设定，所以必须首先进行模拟运动，从中记录下各运动的相关信息。如图（31）所示，在用软件进行模拟的过程中，可以通过改变各气缸的运动方程来调节各部分的运动，用改变调节运动选项中STEP SIZE和END TIME的方法调整整体运动的速度和仿真运动的时间，从而配合每种不同速度的音乐。通过该软件还可以容易的绘制出指挥棒末端的轨迹，并对各转动副之间的相对位移、速度、加速度等相关物理量进行测量。图31 仿真模型首先通过前期设计要求做出模型，然后对各个部分的驱动参数进行修改

25、，从而让整体运动状态模拟人的指挥动作（其中黑色空间曲线为指挥棒末端所画出的轨迹）。机械手臂的运动过程如图（32）所示。同时可以通过数据分析采集计算出个气缸所需行程及速度和耗气量。 图32 仿真运动过程通过ADAMS软件的后处理功能，对手臂的运动仿真过程进行录制，生成一个循环动作视频，再经后期的视频剪辑处理，并添加背景音乐效果，最终生成一个指挥机械手臂。3.4 运动仿真参数分析在对某一数据采集后，进入PostProcess模块进行数据处理，如图（33）图（310）所示。图33 A缸角度随时间变化曲线根据图（33）曲线可以得出，A的角度幅值为22.9deg，其控制部分为肩部的转动。图34 A缸角速

26、度曲线A的角速度是肩部的旋转速度。因为在实际的操作过程中无法输出正弦信号，所以这里只对气缸作近似计算，选其有效值作为参照标准，从图（34）中的曲线可以得出其有效速度是0.28rad/s。图35 B缸位移曲线根据图（35）中曲线可以得出，B的幅值41mm，其控制部分为大臂部位的旋转。图36 B缸速度曲线B的速度是大臂部的旋转速度。根据图（36）中的曲线可以得出其有效速度是57.3mm/s。图37 C缸位移曲线根据图（37）中曲线可以得出，C的幅值41mm，其控制部分为肘部的旋转。图38 C缸速度曲线C的速度是肘部的旋转速度。根据图（38）中的曲线可以得出其有效速度是42.3mm/s。图39 D缸

27、随时间的角度变化曲线根据图（39）中曲线可以得出，D的转动角度幅值57deg，其控制部分为手腕的转动。图310 D缸角速度曲线D的转动角速度是手腕的转动速度。根据图（310）中的曲线可以得出其有效角速度是0.53rad/s。图311 E缸位移曲线根据图（311）中的曲线可以得出，E缸的幅值为32mm，其控制部分为手掌的摆动。图312 E缸速度曲线E缸的速度为手掌的摆动速度。根据图（312）中的曲线可以得出，E缸的有效速度为31.4mm/s。然后通过软件对指挥棒末端的位移、速度、加速度随时间的变化曲线进行绘制，从而大体了解其运动规律。如图（313）图（315）所示。图313 指挥棒末端位移随时间

28、的曲线图314 指挥棒末端速度随时间的曲线图315 指挥棒末端加速度随时间的曲线通过以上各组数据可以计算出气缸所需行程。同时通过对运动的模拟，初步得到相关数据，这为接下来气缸的选择和PLC程序编制奠定了基础。4 气动回路设计4.1 通过对运动状态的模拟设计相应的气动回路因为在这个气动系统中控制部分由PLC来完成，所以该气动系统只由气压传动部分组成。在整个系统中PLC只是单纯的控制气缸运动的周期，无法对气缸的运动速度和行程进行控制，所以在气动部分，要使用调速阀和压力表，对气缸和马达运动加以控制调节。进气和出气口下分别接入了调速阀，以便调节气缸往复运动时的速度。同时在三位五通电磁换向阀下又接了一个

29、安全阀和减压阀，其中安全阀可以保证气压传动系统安全，而减压阀则可以调节输入压力，并使输入的气流更加平稳。各气缸所对应的运动部分是：A缸对应的是O1处的转动。B缸对应的是O2处的运动。C缸对应的是O3处的运动。D缸对应的是O4处的转动。E缸对应的是O5处的运动根据模拟结果绘制气动系统的逻辑原理图和气动回路图，如图（41）和图（42）。图41 逻辑原理图以B缸为例，在得到启动信号q以后，B的气缸活塞杆伸出，在经过0.8s后缩回，同样在经过0.8s后，气缸活塞杆再次伸出，如此循环运动。图42 气动回路图1-气压发生装置 2-气罐 3-过滤器 4-减压阀 5-油雾器 6-压力表4.2 对气压传动系统的

30、分析4.2.1 气源的处理首先由气压发生装置产生的气体进入储气罐，通过储气罐可以调节气流，减少输出气流的压力脉动，使输出气流具有流动连续和气压稳定的性能，同时它还可以作为应急气源使用。也能分离部分油污和水分。接下来压缩空气进入过滤器，在通过过滤器时压缩空气被进一步的被干燥和净化过滤。压缩空气经过滤器后进入减压阀，压缩空气在通过减压阀时可以被降低压力，同时可以进一步使输出的气流平稳，最后干净纯净的压缩空气进入油雾器，通过油雾器的压缩空气中均匀的混有一定量的润滑油，它可以使压缩空气具有一定的润滑效果，从而更好的保护气动元器件。4.2.2 压缩空气驱动气缸活塞杆运动过程压缩空气经过一系列的处理后进入

31、各分支系统，以B缸为例，当电磁换向阀FB不处于中位时，气缸的进气口和出气口同时闭合，气缸处于保压状态，当YB1得电，这时电磁换向阀处于左位，压缩空气由气缸左端进入推动活塞，从而使气缸活塞杆伸出。当YB0得电时，电磁换向阀处于右位，压缩空气由气缸右端进入并推动活塞，从而使气缸活塞杆缩回。气缸伸缩一个来回，就形成了运动的一个周期。通过五个驱动机构协调配合，便完成了模拟人手臂的指挥动作。5 气动元件的选型5.1 对运动气缸的选型5.1.1 对A缸的选取对气缸A的外形没有要求，它本身被安置在机器人身体内部，但在运动过程中需要承受整个手臂的自重，需要选择一个扭矩比较大的，且成本较低的。首先通过模拟试验得

32、出手臂转动所需角度大概是22o，这里为合理选型，扩大它的角度到90o，因此选取QGB175系列摆动气缸，为单叶片式，基本尺寸如下表（51）图51 A缸装配图表51 汽缸A基本尺寸型号abcd1d2d3d4efn6-MQGB17520152.517301107013166M8深12由以上数据，计算A缸的耗气量为16.91cm3/min5.1.2 对B缸的选取其中B缸所需的行程最短为20mm，这里我们选用QGD系列气缸，通过计算其所需流量为45.53 cm3/s，故选其型号为QGD20，其行程为50mm，其结构与A缸完全相同，基本尺寸如下表（52）。图52 B缸装配图表52 气缸B基本尺寸型号BB

33、1B3DD1D2D3E1EFTLL1QGD3220105.59.5M5M55.7684024通过以上数据知，B缸耗压缩空气量Q=10*A*s*n=6.285cm/min5.1.3 对C缸的选取通过模拟试验，C处的气缸行程为41mm，气缸的外形尺寸如图（53）和表（53）所示。 图53 C缸装配图型号dd1d2d3LL1L2L3L4L5EBB1QGX16SM6M6M201.551056744121019827.724表53 气缸C基本尺寸通过以上数据知，C缸耗气量Q=10*A*s*n=18.548 cm/min5.1.4 对D缸的选取通过模拟试验，D缸只需要承受手腕部位的旋转，其摆动角度为57

34、o ，选取与A缸相同的QGB1系列，其装配图如图（51），其基本外型尺寸如表（54） 表54 气缸D基本尺寸型号a bcd1d2d3d4efn6MQGB1521010.52.51225754810135M6深10通过以上数据计算D缸耗气量为8.591cm3/min。5.1.5 对E缸的选取通过模拟试验，E缸是与指挥杆直接接触的汽缸，其运动的幅值较小为32mm，故选取与B缸同一系列的汽缸，其装配图如图（52），其基本外型尺寸如表（55）型号BB1B3DD1D2D3E1EFTLL1QGD223220105.59.5M5M55.7684024表（55） 汽缸E基本尺寸通过以上数据知，E缸耗压缩空气量

35、Q=10*A*s*n=10.053 cm/min5.2 对电磁换向阀进行选型由于机械手臂是在无载荷（只有自重）条件下工作，所以工作压力较低，根据这种情况选择QDC系列的三位五通电磁换向阀，其型号为Q25D2C-6，主要技术参数如下：公称通径为6mm 有效截面积大于5mm2 工作介质为经过滤的压缩空气、有无润滑均可 工作压力范围0.250.8MPa 温度范围是-1055oC（不结冰条件下） 换向时间小于0.04s 工作电压为AC：220/50Hz DC：24V 电压波动范围-15+10V 电功率为3W，其外形及安装尺寸如图（54）所示。图54 三位五通电磁换向阀5.3 对气压的要求因为处于无负载

36、状态，所以空气压缩压机可选择活塞式低压型，可提供0.21.0MPa的工作压力，需要0.130m3/min的吸入流量，通过对各个气缸的耗气量计算，可以得出系统需要的总耗气量为60.38710-3m3/min，已经满足该系统的工作要求。5.4 对气动三联件的选择在气动三联件的选择方面，重要的是选择在最高工作压力仍可安全工作的即可，这里配合气源要求选择QLPY系列三联件，型号为QLPY1，其公称通径为6mm。其主要技术性能参数如下表（56）所示，其装配图如图（55）。表56 气动三联件性能参数表型号最高工作压力/MPa保证耐压力/MPa使用温度范围/C过滤精度/pm调压范围/MPa起雾流量/L.mi

37、n-1贮油量/cm3排水容量/cm3公称直径/mm接口螺纹额定流量/L.min-1QLPY 111.556050.050.46520126G1/4600图55 气动三联件装配图5.5 单向节流阀的选择在单向节流阀的选择上要选择工作压力范围比较小的系列，因为要配合公称通径，所以选择QLAL6型，它的主要技术参数如下：公称通径是3mm ；工作介质是经或净化，并含有油雾的压缩空气 ；工作压力范围0.050.8MPa；温度范围-2080 oC（不冻结条件下）；有效截面积 控制流道（PA）8mm 自由流道（AP）10mm ；开启压力小于等于0.05 MPa ；节流特性 曲线平滑，线性好，无突变。其外形及

38、安装尺寸如图（54）及表（56）。图56 单向节流阀装配图表57 外型尺寸型号MLBHACDEFGXYQLA-L6M101582253-602611232631M161.528224.25.6 减压阀的选择同样通过工作压力和公称通径选择，选择减压阀的型号为QP1 0601 5P，它的主要技术参数如表（58）其外形及安装尺寸如图（57）和表（59）表58 减压阀主要技术参数型号最高工作压力/MPa保证耐压力/MPa使用温度范围/0C调压范围/MPa公称通径/mm接口螺纹额定流量/L.min-1QP111.55600.050.46G1/4800图57 减压阀装配图表59 减压阀基本尺寸型号a1a2

39、a3b1b2c1c2QP14240508921G3/4G3/4、G1/45.7 安全阀的选择安全阀选择PQL10型，它的主要技术参数如表（510），外形和安装尺寸如图（58）和表（511）。表510 主要技术参数型号公称直径/mm工作介质工作压力范围/MPa介质温度/0C环境温度/0C有效截面积/mm2关闭压/MPa泄漏量/cm3.min-1耐久性/万次PQ-L1010压缩空气0.040.1550550400.0125150图58 安全阀装配图型号dd1d2PQ-L1010M161.520表511 装配尺寸6 指挥机械手臂控制部分设计6.1 PLC型号的选择由于本控制系统需要用到13个点，所以

40、我选择型号为三菱的FX2N32MR，其I/O点数为32，16个输入和16个输出，属于基本单元继电器输出型。下面是我用Gx Developer编写的各缸运动的梯形图语言程序。6.2 初始位置程序的编写 图61 初始位置的PLC程序图在机械手进行循环动作之前，先要将其各个部分运动到指定位置，所以在运动伊始要进行初始位置调节，如图（61）所示为其梯形图，按照PLC接线图（62）所示，其顺序动作描述如下： 常按SB0不放X0闭合 M0、M1、M2、M3、M4、T200、T201、T202、T203、T204得电M0、M1、M2、M3、M4闭合Y1、Y3、Y5、Y7、Y10得电KM2、KM4、KM6、K

41、M8、KM9得电电磁继电器开关KM2、KM4、KM6、KM8、KM9闭合，YA1、YB1、YC1、YD1、YE0得电A、B、C、D缸活塞杆缩回，E缸活塞杆伸出延时一定时间后，T200、T201、T202、T203、T204常闭开关断开，各活塞杆停止运动。 图62 PLC接线图6.3 机械手臂的指挥动作循环程序6.3.1 机械手臂肩部的转动PLC程序运行过程如图（63）。具体动作顺序如下：按下SB1X1得电闭合M5、T205得电，M5形成自锁，T206得电延时0.1s后，T206闭合，Y0得电，KM1得电YA0得电，回转气缸A顺时针转动T205延时1.6s后，T205的常闭开关断开M5断电，T2

42、06断电，Y0断电，电磁阀FA回到中位同时随T205闭合，M6得电形成自锁，T207、T208得电延时0.1s后T208闭合，Y1得电，YA1得电，A缸逆时针转动T207延时1.6s后，T207常闭断开，M6断电，Y1断电，FA回到中位，气缸A停止运动，同时M7得电M5得电形成循环。 图63 A缸的PLC控制程序6.3.2 机械手臂大臂、肘部、腕部的转动这三个部位的循环动作和A缸相同，只不过他们的运动周期各不相同，因此只有延时数值有所变化，具体梯形图如图（64）、图（65）、图（66）、图（67）。 图64 B缸的PLC控制程序 图65 C缸的PLC程序图 图66 D缸的PLC程序图图6-7

43、E缸的PLC程序图6.4 外接电路驱动电磁换向阀电磁换向阀需要AC220/50Hz或DC24V电源才能工作，由PLC输出的继电器信号需要与之相连的继电器接触开关和电磁换向阀构成一个外接的电路才能驱动阀的运动。如图（68）所示，图68 外接电路驱动电磁换向阀6.5 恢复初始位置控制当想要停止运行循环动作时，只需按下SB2便可停止机械手臂的运动，但此时手臂处在运动过程中的任意位置，为方便下次的重新启动，我们需对系统进行复位，此时按下SB13不放，所有气缸同时缩回，当所有气缸恢复到初始位置时，安全阀自动卸荷，此时松开SB13即可。6.6机械手臂各部分的单独控制如果想要单独控制手臂的某一部分时，只要不

44、在循环动作期间按下相应得按钮便可，对应标示如下：SB3A缸的伸出即手臂向上转动 SB4A缸的缩回即手臂向下转动SB5B缸的伸出即大臂向侧向抬起 SB6B缸的缩回即大臂向侧落下SB7C缸的伸出即肘部伸直过程 SB8C缸的缩回即肘部弯曲过程SB9D缸的伸出即手腕部向内旋转过程 SB10D缸的缩回即手腕部向外旋转过程SB11E缸的伸出即手腕向下落下 SB12E缸的缩回即手腕向上抬起7 总结通过对气动指挥机械手臂的设计，最终实现了仿真手臂的指挥动作，主要的设计过程如下：(1) 气动指挥机械手臂的整体设计，确定机械手臂的类型、自由度、各部分运动关系等，作出运动简图，并在此基础上建模，为下一步的运动仿真做

45、准备。(2) 进行系统模拟仿真，通过仿真过程优化系统设计，并从中获得重要数据，如：气缸运动位移、速度、加速度等主要参数，为气缸的选型和PLC电路设计做准备。(3) 气动系统设计，通过所需的运动要求，对气压驱动部分进行设计。(4) 气动元件选型，在之前研究的基础上，对各气动元件进行选型，应注意尽量降低制造正本，尽量减轻系统重量。(5) PLC控制，在明确所有运动关系的基础上，通过编写PLC程序对控制系统进行设计，从而实现自动化控制，使运动更加灵活，精确。参考文献1 迟媛，气动系统设计，2005-7，东北农业大学，哈尔滨，1552 吴振顺，气压传动与控制，2003-7第四版，哈尔滨工业大学出版社，

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47、2007，中文核心期刊要目总览，139 王巍 汪玉凤，基于PLC的气动机械手研究，2005，中文核心期刊要目总览，1510 于复生 范文丽 李彦凤，基于气动机械手综合试验的开发与应用，2006，中文核心期刊要目总览，1511 李军英 刘艳香 焦冬梅，三菱PLC在气动机械手中的应用，2007，CJFD收录刊，1612 鲍燕伟 吴玉兰，一种通用气动机械手的控制设计，2006，CJFD收录刊，1813 丁学恭，电器控制与PLC，2004-8，浙江大学出版社，浙江，6513514 齐占庆，机床电气控制技术，2004-6第三版，机械工业出版社，北京，13217115 周万珍 高鸿斌，PLC分析与设计应用

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50、ect of a pneumatically driven haptic interface on the perceptional capabilities of human operators,Presence 1998.7,(3):29030720 Macaronis 17,Ahn Kyoung Kwan, Intelligent switching control of a pnermatic muscle robot arm using learining vector quantization neural network,2007,255262致谢本毕业设计是在*老师的悉心指导下

51、完成的，在此本人表示由衷的感谢。在毕业设计的进行过程中，*老师为我提供了很多的资料，从毕业课题的研究方向选择、研究方案的确定与指导，最后论文的评审、批阅与修改等诸多具体的细节问题无一不包含着迟老师的心血和汗水。*老师治学严谨、平易近人，无论在思想上还是在学术上，都对我有很大的影响。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，又深深地感染和激励着我，给了我无尽的启迪，让我受益匪浅。同时，当我每次遇到疑难的问题时，她都会给我耐心的解答，指导我完成下一步的工作，使我初步掌握气动机械手臂的相关知识，并对气动系统设计有了更深入的认识和理解。不仅拓宽了我的知识面，还使我分析问题、解决问题的能力也得到很大提高。在此对导师的悉心培养谨致以最衷心的感谢!同时，在本次的毕业设计中，得到了*，*等同学的帮助，在此深表感谢。四年的大学学习生活使我受益良多，我扎实的专业知识以及良好的学习方法无不归功于各位教导过我的老师，这些我将铭记在心，终生不能忘却。借此论文成稿之时向辛勤培育我的各位老师致以衷心的感谢。-39-