气动机械手设计
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附件1基于路径几何约束的高效机械手控制算法Kang G. Shin and Neil D. McKayDepartment of Electrical and Computer EngineeringThe University of MichiganAnn Arbor, Michigan 48109摘要:传统上,机械手控制运算法则被区分为两级,即路径规划和路径跟踪(或路径控制)。这种划分方法已经被主要地应用于减轻复杂连结的机械手动力学。不幸的是,这种简单的划分方法是以牺牲机械手的工作效率为代价的。为了改善这种低效率的情况,本文认为要使机械手在最短时间内沿着一条指定的几何路径移动受到输入扭矩/扭力的限制。我们首先采用几何学路径约束引入避免碰撞和操作需求的变量函数来描述机械手动力要求,然后将输入扭矩/扭力的限制参数转变成这些变量。最后最短时间的求解就可用相平面技术进行推导运算求解。1、前言在过去的几年人们主要关注于工业自动化技术,尤其是使用通用机器人技术。由于工业机器人的目的是为了提高生产力,如何使每1美元的机器人控制投入获得尽可能多的效益成为越来越突出的问题。通常固定成本在生产项目成本中占主导地位,所以人们总希望在给定的时间中生产尽可能多的产品。有多种算法可用于最短时间或接近最短时间机械手控制运算。这些算法通常划分为两个层次。第一个层次是所谓的路径规划,第二个层次是所谓的路径跟踪或路径控制。通常路径控制的定义是企图实现让机器人的实际位置和速度匹配理想的位置和速度。这种控制用控制器来实现。控制器接收上一次计算的理想位置值与速度值进行路径位置描述,然后通过路径跟踪系统跟踪机械手实际位置和速度得到运动偏差。这样分开控制方案是基于机械手控制程序,如果把控制作为一个整体考虑将会非常复杂,由于几乎最简单的机械手的动力学之后是高度地非线性甚至更复杂。把控制分为两部分来分别处理使得整个控制过程变得简单。路径追踪通常是一个线性的控制算法,机械手动力学的非线性在这一个水平时常不被考虑,如此的追踪控制通常能得到需要的轨道并使机械手运动与实际要求保持非常接近。使得精密加工得以实现,例如解析运动速度控制(参考文献1 ) ,突然的加速度控制(参考文献2 ), 及断续速度变化控制(参考文献3-5 )。不幸的是,单纯地划分为路径规划和路径追踪是以牺牲效率为代价的。效率低下的根源是路径规划,为了提高机械手的效率,路径规划时必须了解该机器人的动态特性,以及准确的动态模型。然而,规划运算法则的大部份的路径计算只与数据计算有关,有关机械手的动力学计算非常少。通常假定机械手的速度和加速度为恒定或按一定规律变化的(参考文献6,7),并具有一定的区域边界约束。事实上,这些约束因位置,负载大小,甚至随有效载荷面积而改变。因此为了使边界约束为有效的恒定值,速度面积法的边界取值必须是速度和加速度的整体最低值;换句话说,对于最坏情况的限制必须有效。由于机械手关节处的转动惯量加速度有限制,可能被三个或更多的条件所约束,这些多出的约束造成机械手的效率低下。为了提高效率,本文提出了一种依据几何路径和输入扭矩/扭力上的最短时间机械手路径控制解决方案,方案以路径运算法则的方式加入机械手动力学运算。路径规划输出真实的最短时间,作为其它可被测量的路径规划的测量标准。注意,本文提到的问题和解决办法与参考文献 8,9 中的接近最短时间控制理论不同。本文分为五个部分分别论述,第二部分描述了使机械手输入扭矩的动态约束方程更易于处理和控制的方法;第三部分考虑公式化时间控制的细节问题;第四部分用状态平面的技术求解最优解;第五部分是本文亮点,推导产生最佳的运动轨迹的运算法则;最后部分是该方法则使用意义讨论。2、机器人动力学与约束在进行最短时间控制问题研究前,先考虑对系统的行为进行控制,即机器人的手臂动力学模型。有多种方法获得的机器人臂的动力学方程,即方程中有关位置处的综合力和扭矩,速度扭矩和加速度。最常使用的两种方法是拉格朗日和牛顿、欧拉公式。牛顿、欧拉公式虽然计算效率高,但却很难用于控制问题的递推计算。拉格朗日虽然计算效率不高,但确实产生一组非常适用于机械手控制问题的微分方程式。在这里动力方程仅用于获得分析结果,我们使用拉格朗日的方法得出以下机械手动力学方程(参考文献12,13)。qi=vi (1a)ui=Jijqvj+Rijvj+Cijkqvjvk+Giq (1b)式中 qi=ith 广义坐标 vi=ith 广义速度 ui=ith 广义力 Jij= 惯性矩阵 Gi = 在 ith 加上重力的力 Cijk= 科氏阵列 Rij= 粘性摩擦矩阵爱因斯坦求和约束的使用使所有指数从1到n包含在n自由度机器人中。惯性矩阵Jij的比例常数是施加于ith的总的扭矩/扭力与Jij上的总加速度。科里奥利数列描述了结合 j 和 k 的速度进入Cijk的力。粘性摩擦矩阵R给出由于速度 j 产生的 i 而受到的摩擦力。注意这个矩阵为对角矩阵,所有输入数值无负值。机器人的手臂运动当然不会完全不受约束。事实上,在关节处机器人手臂必须限制在一个固定的空间运动,且运动轨迹为给定的参数化曲线。曲线被由参数 的n个函数集决定,所以我们有qi=fi , 0max (2)其中为理想轨迹的一个参数,当从 0 到max变化时坐标 qi 也连续地变化且路径不重复,即0=0 ,tf=max .应当指出,在实际空间的运动轨迹是建立在笛卡尔坐标上。一般很难把曲线从笛卡尔坐标完全转换到机械臂关节空间坐标中,相对地执行单个点的转换却很容易。在笛卡尔的路径上拾足够多的点进行坐标变换,利用插值法技术 (例如 三次样条函数)获得机械臂关节空间的一个相似的轨迹。(见10为一个例子)回到之前的问题,我们用时间来区分参数化的qi 得到 其中 = 运动方程沿着曲线(Le几何学的路径)变成注意,如果表示沿着路径的弧长,那么和分别表示沿着路径的速度和加速度。基于这种参数化有两个状态变量,即和,但有(n + 1)个方程。选择方程=和剩余方程序之一为状态方程,其他方程作为输入 的约束。将ith乘以dfi()d 就可以从给出的n个方程中得到一个状态方程这个公式有个明显的优点,在约束函数导出的向量中参数是二次的,当一阶导数存在时曲线可以进行参数化,且惯性矩正定,整个的方程能被正的、非零的参数分开,由和得到的一个解。现在得到二个状态方程,而最初的n个方程则由输入和 约束(关于这方面将在后面讨论)。 通过变换,状态方程变为现在考虑由|ui|umaxi和公式(4a)限制的约束,动态方程(4a)可以写成这样的形式:ui=gi()u+hi(,). 对于一个给定的状态,也就是给定的 h 和,u,这是一个参数p的一组线性参数方程,约束存在于输入变化区间及因输入变化形成的约束矩阵中。因此把矩阵约束在u上,通过方程参数使输入扭矩/扭力变化的所有位置、速度在路径上彼此限制,给出初始的(,)及u的大小,如果知道机械手关节处的输入扭矩、扭力这样就能用数的处理来代替n个矢量的处理进而得到一系列的约束(路径状态方程)。因为性能完全由u决定,我们用-umaxiui+umaxi于是有:简化:于是得到:注意:前面的方程都是的函数,为了简化计算,功能的依赖性在下面的计算不再指出。给出的控制不等式:另一种格式:LBiuUBi,这些参数由n决定,u满足:maxLBiuminUBi 或者GLB(,)uLUB(,) (7e)路径计划要呈现的运算法则与之前依照惯例得到方程的不同,可知参数 是笛卡尔的空间的弧长,是速度,是几何加速度。传统路径规划把加速度划分为几个常数间隔,于是:GLB(,)uminuumaxLUB(,)式中umin 和 umax是常数。传统方法把加速度进行了过多的约束,使速度也有过多的约束。3、最佳控制问题的公式化现在我们得到根据几何路径和输入系统规定参数的机械手动力方程,就可以分析实际控制问题了。机械手控制的目的是以最小的输入得到最大的动力输出,这可以用最佳控制语言来描述,常用的方法使庞特里亚金最大值原理11。最大值问题即点的连接问题,除了一些简单的点不能使用闭环控制,而且很难以数字的方式解决。我们使用最大值原理获得加工质量而不仅仅是获得方程的解,这个解将用于之后的最小时间求解。考虑实际情况,最低成本即最短加工时间,就是求机械手运动最大速度,可以表示为:C=0tf l dt (8)这里tf由电子激光器决定,价值函数C必须服从下面给出的3个约束:机械手的动力微分方程约束(即式(6a),(6b));输入量要求,关节驱动器输入扭矩允许范围要求(即|ui|umaxi);第三个参数是空间参数设置,机械手运动到达指定工位不能与如何物体相碰。假定理想的几何方程已经把最小时间控制参数化,就像之前希望的(即等式(3),但最初的点为=0,结束点为=max且dfid存在,这样保证(6a),(6b)存在,同时当从0到max方程是单调的。把这些代入动力方程,我们得到如下的最短时间方程(简称MTPP)。MTPP:求出x0=0,0和ui0 通过将式(8)代入(6a),(6b), |ui|umaxi ,及边界条件0=0 , tf=f (9a)0=0 , tf=max (9b)3.1、最大原则的应用为了使0max需要增加一个第三个状态方程,第三状态v,并要求:v=2l-+max-2l-max (10)其中:lx=1 (x0) 0 (x0) v0要求边界约束v0=vtf=0这样v无限接近0,当在0max中间隔取值使v无限接近0。在对状态方程进行变化前,先定义函数:这样就可以简化公式,得到:区间M表示机械手功能的二次形式,如果把参数qi加入到动能方程,得到K=M2/2 ;Q表示科里奥利的组成和沿着路劲加上参数化的地心引力;区间R表示摩擦力,S给出沿着路劲的地心引力,U表示输入重力区间。 之前的MTPP可以这样变化将(8)代入(11a),(11b),(11c),(7d),(9a),(9b)求y0=0,0,v0和U0的极小值,通过MTPP变换哈米尔顿函数变为:或使用前面的替换得到哈米尔顿函数对求导,对求导,最后对v求导,应用最大值原理,我们需求出H在(12b)中的最小值,联合各式(11a),(11b),(11c),(9a)及(7b),且H必须满足边界条件。这里y是矢量(,v)的状态向量,我们得到一个简单的输入区间 在式(14)中知道H不明确依赖t,也可以看作 是由约束(9)和vtf=0得到。注:哈米尔顿函数(12b)在U上线性,且由于ui和dfid在0,max有界使得U有界,这就要求U的最优解必须满足继电气控制逻辑,在最优轨迹上任意点的式(12b)中U的解是U的最大或最小值,通过对ui求导得到U的极值,关于ui的等式约束为ui=gi()+ hi (,),得到由于U的继电器控制和给定的参数(,)U的大小线性地跟随,也必须满足继电气控制逻辑。因此等于GLB(,)或LUB(,)。再考虑三维空间,作用于不均等加工时输入等式约束线上一点,如果 ith 的联合输入在约束的一边慢慢趋近于最大值,将推使机械手向正方向推动。无论输入的系数是否为零以上的推论都成立,即p2在(13a)中不为0。如果p2只在孤立的点处为0,则得到各处的最佳控制。另一方面,如果p2在某些区间内为0,我们有下列的定理。定理1:如果p2在区间t1,t2 (t1S0Umin(0) 则p2(0)0 ;证明:已知0max则当t=tf有0,又tf=0,则当ttf时(t)max。但在tf处tf=M-1U-S0于是U-S0,矛盾,故有p2(tf)0;确定p2(0)的符号及(0)的大小,同理可得00 ,则U-S0,使用继电器控制于是有U=Umax否则 U=Umin且Umin-S0,但如果U=Umax则p20,于是p2(0)0.这些理论的一个重要原则是开关点个数为奇数,如果开关点个数为偶数,p2(tf)的符号将和p2(0)的符号相同,则sinp2tf=(-1)msin( p20)其中m为符号变化次数。4、相平面解释在相位平面中审查系统行为,相位平面轨迹的方程由方程(11 b )及(11 a)获得有趣的是整个时间T从开始到结束可以写为然后将得到给定的整体最小参数,这就希望越大越好。参数有两个影响因数:运动轨迹的斜率和值的大小。用除以得到dd= ;为了得到就必须考虑的范围,通过和的特征值,我们有LUB(,)0且20,则在区间1,2至少存在一个零点。证明:如果g( )的微分在区间1,2连续,那么一定存在一个零点。如果g( )不连续,假设不存在零点,则在g( )溢出区间存在一个或更多的点,符号变化发生于这一个或更多的这些点。如果不是这样,那么在g( )存在一个符号变化的点使g( )微分连续,而且因此会有一个零点。两个限制参数记为g1,g2;g1作用于d,由lim0lim有对于0我们有代入约束,由g( )=min gi( )得g1 d+ di的约束解,和假设矛盾。这样至少存在一个点使为零。这一个定理的图解意义在图 7 说明。从图中看出, g( )一定超出区域,且是分段连续的,曲线向上跳跃。证明完毕。为了要证明ACOTNF 结束,我们对函数fi() 进行一些假设 ,假设fi可分段求解且由有限个不含实际价值的数组成。非正式地,因为惯性矩阵,科里奥利数列,重力加速度等是全局解析函数,而且自从路径被限制之后是分段求解的,我们已经处理的所有函数也是分段求解的,函数也是分段求解的,于是将会因此在每个区域中产生一个零点或有限个零点。如果间隔地为0,轨迹将沿着边界停止在间隔结束的地方,相同的零间隔不会引起问题。只有间隔的最右面点可能是一个交换点,因此只有如此有限的间隔会引起ACOTNF 有限的反复。如此收敛被保证,因此有限数目的解域我们有下列的定理:定理3b:如果函数fi有有限个实际价值解,那么函数存在一定数量的间隔结束于区域外的零。证明:惯性矩阵,科里奥利阵列,重力加速度在 qi 中分段解,fi在处的解等等作为函数(就像公式(4a)和(4b))的分段解或有限的单解。公式(7b)中的M,Q,R,S也是单个的解。一个在有限区间内没有奇点的实际价值的解析函数,一定存在有限个零点或同一零点,工程量M必须在区间内为零。如果假设 我们可以得到所有的Mi零点。如果其中一个Mi不为零,就不存在边界曲线,就没有零点。只要有两个或更多不为零的点,就可得到边界曲线。坐标i,j代入式(17b)(用=代替)得到曲线,式(17b)中系数A,B,C,D排除在Mi中的零之外,由于Mi存在零点,考虑用Mi中的零点进行区间分割。在每个小区间内,只有一个(17b)方程有效。在区间内是的一个解,边界曲线g( )是特解,也是特解且在每个区间内存在一个或数个零点。由于在区间内存在一个或数个零点,因此区间个数是有限的,且结束于区域外的零。证明完毕。定理4:由ACOTNF产生的任何轨迹在最短时间控制上是最优的。证明:该定理的证明是直接证明。假设一个轨迹比由ACOTNF算法产生的轨迹有更小的运动时间。由等式(8)可知,必然存在使新轨迹上的点(,)高于ACOTNF轨迹上的点(,),即。否则,就不存在一个运动时间更短的轨迹。我们根据最大原则分析可知解不唯一,即存在数条最大加减速曲线,所以我们只能应用那些不确定的轨迹。现在有四种可能,(,)可能位于ACOTNF轨迹初始的加速段,也可能位于最后的减速段,也有可能位于其他的加速或减速轨迹上。在第一种情况下,新轨迹的初始值必须大于ACOTNF的初始值。否则,新的轨迹必须在某些点上具有比ACOTNF更大的加速度,而这是不可能的,因为ACOTNF轨迹拥有可允许的最大加速度。新轨迹因此就可能达到合适的临界条件。第二种情况与之类似。因为(,)点在ACOTNF轨迹上,新轨迹必须比拥有最大的减速度的ACOTNF轨迹减速更快才能达到相同的临界条件。这也是不可能的,因为ACOTNF使用最大的减速度。在第三种情况下,(,)在其他的加速轨迹上,在这种情况下,通向(,)点的轨迹必须移出可行域的边界。否则,这些轨迹必须通过ACOTNF轨迹的加速阶段,因为它们通过边界上的一个点。新轨迹在该相交点的加速度将大于ACOTNF的轨迹,同样,这也是不可能的。最后一种情况与前者类似。从(,)出发的加速或者减速轨迹必须要么与可行域的边界相交,要么比ACOTNF减速轨迹减速快,因此,无解。证明完毕。这种产生最优轨迹的方法可以在相位平面内任何有可行域的情况下工作,而不只是无摩擦的情况。基本思想是无限接近可行域的边缘而不超出它。因此轨迹仅仅是没有接触到非可行域。在实际中这当然会很危险,因为控制系统输入和测试系统参数的小错误都将很可能使机器人偏离预定的轨迹。然而从理论上说,这个轨迹是最节约时间的。我们现在考虑一般的情况,即摩擦力足以使相位平面产生孤岛。在这种情况下,该算法必须用一种超微不同的形式来展现。因为存在数条边界曲线而不是一个,不可能像ACOTNF中做的那样只研究零点的一个函数。因此我们不再在算法过程中寻找零点,而是一次性的全找出来。然后建立没有边界的轨迹,不管这些边界是可行域的边缘还是孤岛的边缘。合适的轨迹可以通过搜索结果曲线图找到一直选择尽可能高的轨迹,有必要的话回溯。更正式的,最优轨迹建立算法是:第一步:建立初始的加速轨迹。(与ACOTNF相同)第二步:建立最终的减速轨迹。(与ACOTNF相同)第三步:计算可行域边线和所有的孤岛边线的函数()。在每一个零点,建立一个以零点为转换点的轨迹,就像ACOTNF的第五步和第六步。转换方向(加速到减速或者反过来)应该以不使轨迹离开可行域为准来选择。延长每条轨迹,使它或者离开可行域或者通过max.第四步:找到轨迹的所有交点。这是潜在的转换点。第五步:从=0,=C穿过网格,这些网格是由从起始点到终点的最高的轨迹形成的。这在下面的网格穿越算法中有介绍。穿越有上面的第三步和第四步产生的轨迹形成的网格是对曲线图的一个搜索,目的是要找到最终的减速轨迹。如果设想一个人沿着这些轨迹搜索这些网格,那么如果这可能的话他就会一直左转。如果一个转向引向了死角,那么就有必要回溯,然后就向右转了。整个过程是递归的,就像浏览树状图的过程一样。算法包含两个过程,一个是搜索加速曲线,另一个搜索减速曲线。算法是:加速搜索:在当前的(加速)轨迹上,找到最后一个转换点。在这一点,当前的轨迹到达一个减速轨迹。如果那条曲线是最终的减速轨迹,那么现在考虑的转换点就是最终的最优轨迹的一个转换点。否则,从当前的转换点开始进行减速搜索。如果减速搜索成功,那么当前的点就是最优轨迹的一个转换点。否则,沿当前的加速曲线回到前一个转换点,重复这个过程。减速搜索:在当前的(减速)轨迹,找到第一个转换点。从该点开始应用加速搜索。如果成功,那么当前的点就是一个最优轨迹的转换点,则前移至下一个转换点并重复这个过程。这两个算法一直是首先寻找速度最高的曲线,因为加速搜索总是从加速曲线的末端开始,而减速搜索总是从减速曲线的开端开始。因此算法找到(如果有可能)速度最快的轨迹,因此搜索时间最短。这个算法的最优性和一致性的证明实质上与ACOTNF是一样的,这里不再重复。注意在ACOTNF的一致性证明中,在零摩擦情况下只存在一条边界曲线的事实没有用到;因此同样的证明也适用于高摩擦条件下。6.讨论和总结在这篇文章里,我们展示了一种获得在提供理想的几何轨迹和输入扭转约束力的条件下机械手运动最小时间控制轨迹的方法。就像前面提出的,最优轨迹可能接触到可行域的边界,产生相当危险的情况。但是,如果在计算中使用略微保守的扭转约束值,那么实际的可行域就会略微大于计算可行域,留出失误的空间。在高摩擦和低摩擦情况下的算法都已经展示了。在这两种情况下,算法产生“仅仅丢失”非可行域的轨迹,不管丢失的非可行域部分是一个孤岛还是有较高的速度限制形成的域。假设机器人的输入转矩被约束,我们得到一个测试机器人沿给定的空间路径运动的最小时间开环控制的算法。但是,对不同的输入参数也应该可能获得解。因为该算法产生真正的最小时间解,而不是一个近似值,所以该算法的结果能够为其他的路径设计算法提供一个绝对的测量参考。参考文献1 D. E. Whitney, Resolved motion rate control for manipulators and human prostheses, IEEE Trans on Man-Manchine Systems, vol. MMS-10, pp. 47-53, June 1969.2 J. Y. S Luh, M. W. Walker, and R. P. C. Paul, Resolved acceleration control of mechanical manipulators, IEEE Trans on Automatic Control, vol. AC-25, no. 3, pp. 468-474, June 1980.3 S. Dubowsky and D. T. DesForges, The application of model-referenced adaptive control to robot manipulators,ASME J DSUC, vol. 101, pp. 193-200, September 1979.4 A.J. Koivo, and T. -H. Guo, Adaptive linear controller for robotic manipulators, IEEE Trans. on Automatic Control.vol. AC-28, no. 2, pp. 162-1 70, February 1983.5 B.K. Kim, and K. G. Shin, An adaptive podel following control of robotic manipulators, to appear in IEEE Trans Aerospace and Electronic Systems.6 J.Y. S. Luh and M. W. Walker, Minimum-time aiong the path for a mechanical manipulator, Proc . of the IEEE CDC, Dec. 7-9, 1977, New Orleans, pp. 755-759.7 J.Y. S. Luh, and C. S. 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Ter Haar, Elements of Hamiltonian mechanics , Secondedition, Pergamon Press, 1971, pp. 35-49. 附图:附件2外文资料第一章 概述1、引言 随着气动技术获得了快速发展,利用成本性能比低,同时具有许多优点的气动机械手设备来满足社会生产实践需要越来越多的受到重视。气动机械手与其他控制方式的机械手相比,具有价格低廉、结构简单,功率体积比高、无污染及抗干扰性能强等特点。1、2机械手的应用与发展 机械手臂在产业自动化的应用已经相当广泛,因为各个国家产业分布的不同,以及各产业对于机械手臂的需求量也有差异。主要是使用于人工无法进行或者会耗费较多时间来做的工作,机械手臂在精度与耐用性上可以减少许人为的不可预知问题。自从第一台产业用机器人发明以来,机械手臂的应用也从原本的汽车工业、模具制造、电子制程等相关产业,更拓展到农业、医疗、服务业等等。 多轴机械手臂研发方面,多轴式机械手臂广泛应用于汽车制造商、汽车零组件与电子相关产业。机械手臂可以提升产品技术与品质,而这些初期工作大多可以借由机械手臂来完成。机械手臂的精准、零误差,对于产品的品质掌握自然拥有其优势,减少品管所花费的时间与人力。 工业应用上,以装配、加工、熔接、切削、加压、货物搬运、检测等,全球目前产业使用量是以汽车、汽车零组件、化工、橡胶和塑料等最大。现在,ROBOT的应用已越来越多元化,依据国际机器人协会(IFR)的统计,至2007年底机械手臂除了工业以外,最多应用于救援、保全与野地(田野、牧场等),近年来,各先进国家为了提升台机器人的技术水平,都会推广机器人产业与创立相关联盟,并且特别针对工业以外的领域进行推广,例如:医疗、服务、生活方面等。以医疗为例,有许多大型医学中心使用以手动操控方式之机械手臂,结合显微影像显示系统所结合的手术型机器人。 机械手臂的研发也朝向节省人力、减少人类暴露在危险的工作环境、甚至进行更加精密的工作或是辅助操作。机械手臂的技术发展都是为了让人类在工作与生活中更加便利。 1、3气动机械手概述 气动机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强,仅为某台机床的上下料装置,是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1、4机械手的组成和分类1、4、1机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。控制系统驱动系统被抓取工件执行机构位置检测装置 图1.1机械手的组成方框图(一)执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构。1、手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪) 和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件,常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单,制造容易构件,故应用较广泛平移型应用较少,其原因是结构比较复杂,但平移型手指夹持圆形零件时,工件直径变化不影响其轴心的位置,因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母多,式弹簧式和重力式等。附式手部主要由吸盘等构成,它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件,相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等,通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件,以及有网孔状的板料等,通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料,其吸盘的形状、数量、吸附力大小,根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外,根据特殊需要,手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。2、手腕是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合,以实现手臂的各种运动。 手臂可能实现的运动如下:手臂运动基本运动复合运动直线运动与回转运动的组合(即螺旋运动)两直线运动的组合(即平面运动)回转运动:如水平回转、左右摆动运动直线运动:如伸缩、升降、横移运动两回转运动的组合(即空间曲面运动)。手臂在进行伸缩或升降运动时,为了防止绕其轴线的转动,都需要有导向装置,以保证手指按正确方向运动。此外,导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩,使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式,常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。4、立柱立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械丰的立往通常为固定不动的,但机械手的立柱是支承手臂的部件,因工作需要,有时也可作横向移动,即称为可移式立柱。5、行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作,或扩大使用范围时,可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构,以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上,故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置。通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。控制系统有电气控制和射流控制两种,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间),同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(三)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置,并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.1.4.2机械手的分类工业机械手的种类很多,关于分类的问题,目前在国内尚无统一的分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。1、 按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:(1) 专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产,如自动机床、自动线的上、下料机械手。(2) 通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内,其动作程序是可变的,通过调整可在不同场合使用,驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。2、 按驱动方式分(1) 液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高。(2) 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低。但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。(3) 机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手,其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠,动作频率大,但结构较大,动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。(4) 电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长,维护和使用方便。此类机械手目前还不多,但有发展前途。3、 按控制方式分(1) 点位控制它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。(2) 连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。第二章 气动机械手的设计对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件,这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求,拟定最合理的作业工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性,并能实现柔性转换和编程控制。2.1机械手的坐标型式与自由度 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况,其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动,因此,采用圆柱坐标型式。相应的机械手具有四个自由度,为了弥补升降运动行程较小的缺点,增加手臂摆动机构,从而增加一个手臂上下摆动的自由度。2.2机械手的手部结构方案设计 为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构,当工件是棒料时,使用夹持式手部;当工件是板料时,使用气流负压式吸盘。2.3机械手的手腕结构方案设计 考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.4机械手的手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的,立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。2.5机械手的驱动方案设计 由于气压传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失和泄漏较小,成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。2.6机械手的控制方案设计 考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。2.7机械手的主要参数 1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数,目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为10公斤,高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部时可吸附5公斤的重物。 2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求,设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。 该机械手最大移动速度设计为1. 2m/s,最大回转速度设计为120o/s。平均移动速度为lm/s,平均回转速度为900/s。 机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在,用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面,因为平均速度与行程有关,故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。 除了运动速度以外,手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径,必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较,该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1500mm,手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于1800,否则需安装多只手臂),又由于该机械手设计成手臂安装范围可调,从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0. 51 mm,旋转角度为180。2.8机械手的技术参数列表 一、用途: 用于100吨以上冲床上下料。二、设计技术参数: 1、抓重10公斤(夹持式手部)5公斤(气流负压式吸盘)2、自由度数4个自由度3、座标型式圆柱座标4、最大工作半径1500mm5、手臂最大中心高1380mm6、手臂运动参数伸缩行程600mm伸缩速度500mn/s升降行程200mm升降速度300mm/s回转范围00 -2400回转速度900/s7、手腕运动参数回转范围 00-1800回转速度1800/s8、手指夹持范围棒料:80150mm片料:面积不大于0. 59、定位精度士0. 5mm10、缓冲方式液压缓冲器11、传动方式气压传动12、控制方式点位程序控制(采用PLC)2.9机械手装配2.9.1手部结构设计 设计针对的是工件是棒料时,使用夹持式手部。夹持式手部结构由手指 (或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多,如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等,本设计选择齿轮齿条式。设计时考虑的几个问题:(一) 具有足够的握力 (即夹紧力) 在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。(二) 手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三) 保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指,以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,当应尽量使结构简单紧凑,自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五) 考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型,由于工件多为圆柱形,故手指形状设计成V型,其结构如图所示。本课题气动机械手的手部结构如图2.1所示,其工件平均重量G=2公斤,V形手指的角度2=120,b=50mm, R=10mm,摩擦系数为f=0. 10。其中:N = 0.5G*10*tg(5) 0.5*20*tg60=17.3N夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为P = N = 173 N。 图2.1齿轮齿条式手部2.9.2手腕结构设计 手腕是连接手部和手臂的部件,它的作用是调整或改变工件的方位,因而具有独立的自由度,以使机械手适应复杂的动作要求。由于本机械手抓取的工件是水平放置,同时考虑到通用性,因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求。 目前实现手腕回转运动的机构,应用最多的为回转油(气)缸,因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑,但回转角度小于360,并且要求严格的密封。手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动,驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩,手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩,动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩。图2.2所示为手腕受力的示意图。 1.工件 2.手部 3.手腕图2.2 手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: M驱 =M惯+ M偏+ M摩+ M封 式中:M驱 驱动手腕转动的驱动力矩(Kg *cm); M惯 惯性力矩(Kg *cm); M偏 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(Kg *cm); M摩 手腕转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩(Kg *cm); M封 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(Kg *cm)。2.9.3回转气缸的驱动力矩计算 在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸,它的工作原理如图2.3所示,定片1与缸体2固连,动片3与回转轴5固连。动片3及密封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时,推动输出轴作逆时针方向回转,则低压腔的气从b孔排出。反之,输出轴作顺时针方向回转。单叶片回转气缸的压力p和驱动力矩M的关系为: P =图2.3回转气缸简图式中:M - 回转气缸的驱动力矩(N*cm); P - 回转气缸的工作压力(N*cm); R - 缸体内壁半径 (cm); R - 输出轴半径 (cm); b - 动片宽度 (cm).上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压,则上式中的P应代以工作压力P1与背压P2之差。2.9.4手臂结构设计 按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和升降 (或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的,立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。(1) 结构设计 手臂的伸缩是直线运动,实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻,因而在机械手的手臂结构中应用比较多。同时,气压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时,为了防止手臂绕轴线发生转动,以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式,具体的结构和抓取重量等因素加以确定,同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。在本机械手中采用的是单导向杆作为导向装置,它可以增加手臂的刚性和导向性。(2) 导向装置气压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时,为了防止手臂绕轴线发生转动,以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式,具体的结构和抓取重量等因素加以确定,同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等,在本机械手中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。(3) 手臂伸缩驱动力的计算手臂作水平伸缩时所需的驱动力: 图2.4手臂伸出时的受力状态图2.4所示为活塞气缸驱动手臂前伸时的示意图。在单杆活塞气缸中,由于气缸的两腔有效工作面积不相等,所以左右两边的驱动力和压力之间的关系式不一样。当压力油(或压缩空气)输入工作腔时,驱使手臂前伸(或缩回),其驱动力应克服手臂在前伸(或缩回)起动时所产生的惯性力,手臂运动件表面之间的密封装置处的摩擦阻力,以及回油腔压力(即背压)所造成的阻力,因此,驱动力计算公式为: P驱 = P惯+ P摩+ P封+ P背 式中: P惯 - 手伶在起动过程中的惯性力(N); P摩 - 摩擦阻力(包括导向装置和活塞与缸壁之间的摩擦阻力)(N); P封 - 密封装置处的摩擦阻力(N),用不同形状的密封圈密封,其摩擦阻力不同。 P背 - 气缸非工作腔压力(即背压)所造成的阻力(N),若非工作腔与油箱或大气相连时,则P背=0 。2.9.5手臂升降和回转部分 手臂升降装置由转柱、升降缸活塞轴、升降缸体,碰铁、可调定位块、定位拉杆、缓冲撞铁、定位块联接盘和导向杆等组成。 实现机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样的,常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。手臂回转气缸采用矩形密封圈来密封,密封性能较好,对气缸孔的机械加工精度也易于保证。手臂回转运动采用多点定位缓冲装置,其工作原理见回转用液压缓冲器部分。2.9.6手臂伸缩气缸的设计 1、驱动力计算根据手臂伸缩运动的驱动力公式: (N)其中,由于手臂运动从静止开始,所以v=v。摩攘系数:设计气缸材料为ZL3,活塞材料为45钢,查有关手册可知f=0.17。质量计算:手臂伸缩部分主要由手臂伸缩气缸、手臂回转气缸、夹紧气缸、手臂伸缩用液压缓冲器、手爪及相关的固定元件组成。气缸为标准气缸,根据中国烟台气动元件厂的产品样本可估其质量,同时测量设计的有关尺寸,得知伸缩部分夹紧物体时其质量为70kg,放松物件后其质量为55kg.接触面积:S=0. 5则上料时:Ff =7010 0. 5=350 (N)=350+70 600 10-3/0.05=1540(N)下料时:Ff =55 100. 5=275 (N) =275+55 600 10-3/0.05 =935 (N)考虑安全因素,应乘以安全系数K=1.2则上料时:F=1540 1. 2=1850 (N)下料时:F=935 1. 2=1120 (N)2、气缸的直径根据双作用气缸的计算公式:其中:F1活塞杆伸出时的推力,N F2活塞杆缩入时的拉力, Nd活塞直径,P气缸工作压力,Pa代入有关数据,得:当推力做功时 =4 1850/(51050.4) =108.5 (mm)当拉力做功时D= (1.01-1.09)(4F2/p) =(1.011.09) (4 1122/(51050.4) =92.12 (mm)圆整后,取D=100mm3、活塞杆直径的计算根据设计要求,此活塞杆为空心活塞杆,目的是杆内将装有3根伸缩管。因此,活塞杆内径要尽可能大,假设取d=70mm, d0=56mm.校核如下:(按纵向弯曲极限力计算)气缸承受纵向推力达到极限力Fk以后,活塞杆会产生轴向弯曲,出现不稳定现象。因此,必须使推力负载(气缸工作负载F,与工作总阻力F:之和)小于极限力Fk。该极限力与气缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。有关公式为:式中:L活塞杆计算长度,mK活塞杆横截面回转半径,空心杆 md0空心活塞杆内孔直径,mA1活塞杆横截面积, 空心杆,f材料强度实验值,对钢取f=2.1 107 Paa系数,对钢a=1/5000代入有关数据,得: =573 (KN)推力负载为:代入有关数据,得: Ft+ Fz=/40.4106(10010-3)2=3142 (N)Ft+ Fz=Fk所以,安全。设计符合要求。4缸筒壁厚计算根据公式: 式中PP为实验压力,取Pp=1.5P=0.6106 Pa材料为ZL3,则 =3MPa则 =10 mm 取=12 mm.3. 气动系统设计 图3.1所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机 (压力约为38Kgf/cm2)通过快换接头进入储气罐,经分水过滤器、调压阀、油雾器,进入各并联气路上的电磁阀,以控制气缸和手部动作。 图3.1 机械手气压传动系统工作原理图序 号型 号 规 格名 称数 量1QCF-48手动截止阀12QAF-49储气缸23QSL-26-S1分水滤气器14QTY-20-S1减压阀15QIU-20-S1油雾器16YJ-1压力继电器17Q24DH-10-S1二位五通电磁滑阀18Q24D2ZH-10-S1二位五通电磁滑阀39Q24D2ZH-15-S1二位五通电磁滑阀110QF-44单向节流阀211LI-25单向节流阀212QBF-14快速排气阀213QAF-87气液转换器1表3.1 气路元件表第三章 PLC的介绍3.1 PLC简介 PLC(编程逻辑控制器)是20世纪60年代末期逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。近几年来,PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到极其广泛的应用,成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术。 在PLC出现以前,继电器控制曾得到广泛应用,在机电设备和工业过程控制领域中占有主导地位。但是继电器控制系统有明显的缺点:体积大,可靠性低,故障查找困难,特别是因为它是由硬接线逻辑构成的系统,造成了接线复杂,容易出故障,对生产工艺变化的适应性较差。 20世纪60年代未,美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为了适应汽车型号不断更新的需要,试图寻找一种新的生产线控制方法,使之尽可能地减少重新设计继电器控制系统的工作量以及尽量地减少控制系统硬连接线的数量,以降低生产成本,缩短制造周期,减少生产线的故障率,从而有效地提高生产效率。当时,电子计算机的硬件己经基本完备,其主要功能是通过软件来实现的,因此具有灵活性、通用性等优点,但价格相对来说比较昂贵,于是他们想到了把继电器控制系统简单易懂、操作方便、价格便宜的长处与计算机灵活、通用的优点结合起来,用来制造一种新型的工业控制装置,并进而采用招标的方式,首先山美国数字设备公司(DEC)研制出符合上述想法的工业控制装置,命名为可编程逻辑控制器, 即PLC(Programmable Logic Controller)。1969年,第一台PLC在GM公司汽车生产线上首次运行,成功地取代了沿用多年的继电器控制系统,尽管当时的PLC功能仅具有逻辑控制、定时、计数等功能,但却标志着一种新型装置问世。 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展,20世纪70年代中期又出现了微处理器和微型计算机,这些新技术很快也被用到PLC之中,使得PLC不仅其有逻辑控制功能,而且还增加了运算、数据处理和传送等功能,从而成为具有计算机功能的新型工业控制装置。1980年美国电器制造商协会(NEMA)正式将其命名为可编程控制器(Programmable Controller)简称PC。 国际电工委员会(IEC)于1982年11月和1985年1月颁布了可编程控制器的第一稿和第二稿,对可编程控制器作了如下的定义:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它可采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充功能的原则而设计。”之所以把可编程控制器简称为PC,因为它已经不再是仅具有逻辑控制功能的装置了。只是由于20世纪80年代崛起的个人计算机(Personal Computer)也简称为PC。为了加以区别,人们又把可编程控制器简称为PLC。3.2 PLC的组成 PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入/输出部件(I/O)、电源和编程器几大部分组成。3.3 PLC程序的表达方式 与计算机的工作原理一样,PLC 的操作是按其程序要求进行的,而程序是用程序语言表达的。表达方式有多种多样,不同的PLC生产厂家,不同的机种,采用的表达方式也不相同。但基本上可归纳为字符表达方式(即用文字符号表达程序,如语句表程序表达方式)和图形符号表达方式(即用图形符号表达程序,如梯形图程序表达方式)这两大类。也有将这两种方式结合起来表示PLC程序。1、梯形图 PLC的梯形图编程语言与传统的“继电、接触”控制原理图十分相似,它形象、直观、实用,为广大电气技术人员所熟知。这种编程语言继承了传统的继电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式,使得程序直观易读。当今世界上各国的PLC制造厂家所生产的PLC大都采用梯形图语言编程。 2、语句表 用语句表所描述的编程方式是一种与计算机汇编语言类似的助记符编程方式。由于不同型号的PLC的标识符和参数表示方法不一,所以无千篇一律的格式。 3、逻辑符号图 采用逻辑符号图表示控制逻辑时,首先定义某些逻辑符号的功能和变量函数,它类似于“与”、“或”、“非”逻辑电路结构的编程方式。一般说来,用这三种逻辑能够表达所有的控制逻辑。这是国际电工委员会(IEC)颁布的PLC编程语言之一。 4、高级编程语言 随着软件技术的发展,近年来推出的PLC,尤其是大型PLC,已开始用高级语言进行编程。许多PLC采用类似PASCAL语言的专用语言,系统软件具有这种专用语言编程的自动编译程序。采用高级语言编程后,用户可以像使用普通微形计算机一样操作PLC。除了完成逻辑控制功能外,还可以进行PID 调节、数据采集和处理以及计算机通信等。上述几种编程语言(方式),最常用的是梯形图和语句表,其次是逻辑符号图,近几年来也使用高级语言。3.4 PLC的工作方式 1、PLC中等效元件的功用及其编号 PLC中的等效输入继电器X和等效输出继电器Y。计时器T、计数器C、辅助继电器M 等均可理解为一个线圈和多个动合(常开)、动断(常闭)触点,并都可以在PLC内部控制电路中使用,且均具有各自的相应编号,下面分别简介其功用与编号。(1) 输入继电器(X) PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口,PLC 内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器,它们的编号与接线端子编号一致(按八进制输入),线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用,且使用次数不限。输入电路的时间常数一般小于10ms。各基本单元都是八进制输入的地址,输入为X000 X007,X010 X017, 。它们一般位于机器的上端。(2) 输出继电器(Y) PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制,输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用,其余常开/常闭触点供内部程序使用。输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。输出电路的时间常数是固定的 。各基本单元都是八进制输出,输出为Y000 Y007,Y010Y017,。它们一般位于机器的下端。(3) 辅助继电器(M) PLC内有很多的辅助继电器,其线圈与输出继电器一样,由PLC内各软元件的触点驱动。辅助继电器也称中间继电器,它没有向外的任何联系,只供内部编程使用。它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。但是,这些触点不能直接驱动外部负载,外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。如下图中的M300,它只起到一个自锁的功能。在FX2N中普遍途采用M0M499,共500点辅助继电器,其地址号按十进制编号。辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器,如掉电继电器、保持继电器等,在这里就不一一介绍了。(4) 定时器(T) 在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式,当所计时间达到设定值时,其输出触点动作,时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值,也可以用数据寄存器(D)的内容作为设定值。在后一种情况下,一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此,若备用电池电压降低时,定时器或计数器往往会发生误动作。 定时器通道范围如下: 100 ms定时器T0T199, 共200点,设定值:0.1 3276.7秒; 10 ms定时器T200TT245,共46点,设定值:0.01327.67秒; 1 ms积算定时器 T245T249,共4点,设定值:0.00132.767秒; 100 ms积算定时器T250T255,共6点,设定值:0.13276.7秒; 当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时,T200的当前值计数器对10 ms的时钟脉冲进行累积计数,当前值与设定值K123相等时,定时器的输出接点动作,即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒(10 * 123ms = 1.23s)时才动作,当T200触点吸合后,Y000就有输出。当驱动输入X000断开或发生停电时,定时器就复位,输出触点也复位。 每个定时器只有一个输入,它与常规定时器一样,线圈通电时,开始计时;断电时,自动复位,不保存中间数值。定时器有两个数据寄存器,一个为设定值寄存器,另一个是现时值寄存器,编程时,由用户设定累积值。 定时器线圈T250的驱动输入X001接通时,T250的当前值计数器对100 ms的时钟脉冲进行累积计数,当该值与设定值K345相等时,定时器的输出触点动作。在计数过程中,即使输入X001在接通或复电时,计数继续进行,其累积时间为34.5s(100 ms*345=34.5s)时触点动作。当复位输入X002接通 ,定时器就复位,输出触点也复位。(5) 计数器(C) FX2N中的16位增计数器,是16位二进制加法计数器,它是在计数信号的上升沿进行计数,它有两个输入,一个用于复位,一个用于计数。每一个计数脉冲上升沿使原来的数值减1,当现时值减到零时停止计数,同时触点闭合。直到复位控制信号的上升沿输入时,触点才断开,设定值又写入,再又进入计数状态。 其设定值在K1K32767范围内有效。设定值K0与K1含义相同,即在第一次计数时,其输出触点就动作。通用计数器的通道号:C0 C99,共100点。保持用计数器的通道号:C100C199,共100点。通用与掉电保持用的计数器点数分配,可由参数设置而随意更改。 由计数输入X011每次驱动C0线圈时,计数器的当前值加1。当第10次执行线圈指令时,计数器C0的输出触点即动作。之后即使计数器输入X011再动作,计数器的当前值保持不变。l当复位输入X010接通(ON)时,执行RST指令,计数器的当前值为0,输出接点也复位。l应注意的是,计数器C100C199,即使发生停电,当前值与输出触点的动作状态或复位状态也能保持。f 数据寄存器(D) 数据寄存器是计算机必不可少的元件,用于存放各种数据。FX2N中每一个数据寄存器都是16bit(最高位为正、负符号位),也可用两个数据寄存器合并起来存储32bit数据(最高位为正、负符号位)。 2、PLC的扫描工作方式 这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段,整个过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。在内部处理阶段,PLC检查CPU模块内部硬件是否正常,复位监视计时器, 以及完成其它一些内部处理。在通信处理阶段,PLC与带微处理器的智能装置通信,响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容。在PLC 处于停止运行(STOP)状态时,只完成内部处理和通信服务工作。在PLC处于运行(RUN)状态时,除完成上述操作外,还要完成输入处理、程序执行、输出处理工作。从输入第1步运算第2步运算, ,最后一步运算输出顺序执行。 3、PLC的工作原理计算机特性PLC按扫描方式或串行方式工作,其实质就是因为PLC是一台微型机,它按照微型计算机的工作方式一条条从内存中读取指令,执行指令只是为了便于工厂中技术人员和工人的使用,才把PLC的程序用梯形图来表示。特别是中、高档PLC的指令集中已出现了类似于微型机的指令,比如从操作方式上讲有数据或数据块在内存数据区内移动指令,有两个数据的加、减、乘、除、开方等运算指令,有中断、比较、移位等指令;从寻址方式上讲有直接寻址、间接寻址和变址寻址等指令。在编写梯形图程序时完全像用汇编语言那样使用它们,对数据进行各种操作,使程序分支,或局部循环,执行子程序或中断服务程序等。在程序连续进行嵌套判别时,因为PLC像微型机一样,只有一个进位位,前边的判别必须用内存中的某个字的某个位,或者说是用PLC的辅助继电器记住其状态,才能进行下面的判别操作,否则会丢失前面判别的结果,使程序运行紊乱。这些状态和工作过程都和微型机的状态和工作过程十分相似。3.5 PLC机械手的原理3.5.1 PLC机械手的原理及流程图1机械手在原始位置时(右旋到位)动作,按下启动按钮,机械手臂开始上升,机械手放松,机械手开始前进。2机械手上升到上限位置,状态开关动作,上升动作结束,机械手开始左旋。3机械手左旋到左限位置,状态开关动作,左旋动作结束,机械手开始抓紧。4机械手抓紧到抓紧位置,状态开关动作,抓紧动作结束,机械手开始右旋。5机械手开始右旋,状态开关动作,抓紧动作结束,机械手开始下降。6机械手下升到下降位置,状态开关动作,下降动作结束,机械手开始后退。7机械手右旋到右限位置,状态开关动作,右旋动作结束,机械手开始下降。8机械手后退到后退位置,机械手开始放松,一个工作循环过程完毕。9机械手的工作方式为:单步。 机械手的动作顺序如下:机械手初始位置是后退、下降、逆时针旋转均到底部,机械手成放松状态。当按下启动按钮后,机械手开始前进,前进到底碰到限位开关,前进动作停止,机械手开始上升,上升到顶端,碰到限位开关,上升动作停止,机械手开始执行顺时针旋转动作,顺时针旋转到底,碰到限位开关,旋转动作停止,机械手开始执行夹紧动作,碰到限位开关,夹紧动作停止,机械手开始执行逆时针旋转,逆时针旋转到底,碰到限位开关,逆时针旋转动作停止,机械手开始下降,下降到底部时,碰到限位开关,下降动作停止,机械手执行后退动作,碰到限位开关,后退停止,机械手放松,此时回到初始位置, 一个周期动作完成。根据机械手的动作顺序,可以画出如图3.1所示的流程图:上升原位前进下降后退顺时针旋转放松夹紧逆时针旋转X5X10X6X3X1X0X4X2X7图3.1 机械手控制系统流程图3.6电路中主要元器件的介绍3.6.1电磁继电器的原理及应用 继电器的工作原理和特性:继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器的工作原理和特性:电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。3.6.2电磁阀的工作原理及应用电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件,属于执行器;并不限于液压,气动。电磁阀里有密闭的腔,在的不同位置开有通孔,每个孔都通向不同的油管,腔中间是阀,两面是两块电磁铁,哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边,通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔,而进油孔是常开的,液压油就会进入不同的排油管,然后通过油的压力来推动油刚的活塞,活塞又带动活塞杆,活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。电磁阀是用电磁控制的工业设备,用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种,不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用,最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀是用电磁的效应进行控制,主要的控制方式由继电器控制。这样,电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制,而控制的精度和灵活性都能够保证。所谓气动系统,就是以气体为介质的控制系统。气动系统中,这种能源的介质通常就是空气。在真正使用的时候,通常把大气中的空气的体积加以压缩,从而提高它的压力。压缩空气主要通过作用于活塞或叶片来作功。 气动系统中,电磁阀的作用就是在控制系统中按照控制的要求来调整压缩空气的各种状态,气动系统还需要其他元件的配合,其中包括动力元件、执行元件、开关、显示设备及其它辅助设备。动力元件包括各种压缩机,执行元件包括各种气缸。这些都是气动系统中不可缺少的部分。而阀体是控制算法得以实现的重要设备。3.6.3接近开关工作原理及应用 接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关,当物体接近开关的感应面到动作距离时,不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作,从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器(即无无触点开关),它即有行程开关、微动开关的特性,同时具有传感性能,且动作可靠,性能稳定,频率响应快,应用寿命长,抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。接近开关又称无触点接近开关,是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域,开关就能无接触,无压力、无火花、迅速发出电气指令,准确反应出运动机构的位置和行程,即使用于一般的行程控制,其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力,是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近开关具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。因此到目前为止,接近开关的应用范围日益广泛,其自身的发展和创新的速度也是极其迅速。 接近开关的主要作用是检测距离:检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置;检测车辆的位置,防止两物体相撞检测;检测工作机械的设定位置,移动机器或部件的极限位置;检测回转体的停止位置,阀门的开或关位置;检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。第四章 应用PLC设计机械手的步骤4.1输入输出点分配表 为了将机械手的控制关系用PLC控制器实现,PLC需要10个输入点(启动按钮、停止按钮和八个控制开关),4个输出点。为了使用方便,所以选择了FX2N-64MT型的PLC。输入输出器件代号地址表功能说明器件代号地址表功能说明开关10启动按钮SQ11手臂前进移动气缸开关YV4Y4手臂左移SQ22手臂后退移动气缸开关手臂右移SQ33手臂向下移动气缸开关YV5Y5手臂上升SQ44手臂向上移动气缸开关手臂下降SQ55手臂顺时针旋转气缸开关YV6Y6逆时针旋转SQ66手臂逆时针旋转气缸开关顺时针旋转SQ77机械手放松气缸开关YV7Y7夹紧SQ810机械手夹紧气缸开关放松开关211停止按钮表4.1 输入输出点分配表4.2 PLC机械手的程序设计4.2.1 PLC机械手的梯形图语言根据PLC机械手的控制关系画出如图4.1所示的PLC机械手的梯形图。图4.1PLC机械手的梯形图4.2.2 PLC机械手指令表语言0LD X001 ;后退限位1AND X0
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