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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯
機(jī)械手的機(jī)械和控制系統(tǒng)
1. 引言
2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機(jī)器人”特別研究，是為了開發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動的機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這些機(jī)器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強(qiáng)的靈活性只能通過一個適應(yīng)性極強(qiáng)的機(jī)械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機(jī)械手或機(jī)器人手。
上文提到的研究項(xiàng)目，就是要制造一個人形機(jī)器人，此機(jī)器人將裝備這種機(jī)器人手系統(tǒng)。這個新手將由兩個機(jī)構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR（過程控制和機(jī)器人技術(shù)研究院）和c（計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但是稍有不同的觀點(diǎn)。
IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個四指相互獨(dú)立的手爪，我們將在此文中詳細(xì)介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的假肢。
圖1.IPR的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ 圖2. IAI開發(fā)的流體手
2. 機(jī)器人手的一般結(jié)構(gòu)
一個機(jī)器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
機(jī)械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進(jìn)一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。
我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。
3. 機(jī)械系統(tǒng)
機(jī)械系統(tǒng)將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動器（如電動機(jī)）、傳感器（如位置編碼器）的位置。
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將對機(jī)械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進(jìn)行何種操作。設(shè)計(jì)一個機(jī)器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。
為了能夠在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個自由度（3個平移和3個旋轉(zhuǎn)自由度），每個手指必須具備3個獨(dú)立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。
要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機(jī)器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費(fèi)用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，因?yàn)槊總€手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因?yàn)橹恍杓庸ず蜆?gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費(fèi)用，同時也可是控制系統(tǒng)簡化。
3.2 驅(qū)動系統(tǒng)
指關(guān)節(jié)的驅(qū)動器對手的靈活度也有很大的影響，因?yàn)樗鼪Q定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運(yùn)動的速度。機(jī)械運(yùn)動的兩個方面需加以考慮：運(yùn)動來源和運(yùn)動方向。在這方面，文獻(xiàn)里描述了有幾種不同的方法，如文獻(xiàn)[3]中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運(yùn)動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機(jī)。在多數(shù)情況下，運(yùn)動驅(qū)動器（如電機(jī)）太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個運(yùn)動必須由驅(qū)動器（一般位于機(jī)器臂最后的連接點(diǎn)處）轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅(qū)動指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強(qiáng)度和精度，同時也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因?yàn)槊扛种傅牟煌P(guān)節(jié)常常是機(jī)械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨(dú)立控制。由于具有這些缺點(diǎn)，因此小型化的運(yùn)動驅(qū)動器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當(dāng)必要。
3.3 傳感系統(tǒng)
機(jī)器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機(jī)器手中使用了3種類型的傳感器：
1. 手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會打破它。
2. 抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點(diǎn)，同時也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。
3. 物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測是否滑落。
根據(jù)不同的驅(qū)動系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運(yùn)動驅(qū)動器或直接在關(guān)節(jié)處出測量。例如，如在電動機(jī)和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機(jī)軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。
3.4卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機(jī)械系統(tǒng)
為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個相互獨(dú)立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計(jì)該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉(zhuǎn)90°（圖4所示）。
鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計(jì)中得到的經(jīng)驗(yàn)，比如因傳動帶而導(dǎo)致的機(jī)械問題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設(shè)計(jì)決策。每根手指的關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的直流電機(jī)被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運(yùn)動傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機(jī)軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個精度很高的位置狀態(tài)傳感器。
圖3.工業(yè)機(jī)器人上的KDHⅡ
為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因?yàn)橛?個這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點(diǎn)之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測和避免物體的滑落。
圖5. KDHⅡ的側(cè)視圖 圖6. 帶應(yīng)變計(jì)量傳感器的六自由度扭轉(zhuǎn)傳感器
4. 控制系統(tǒng)
機(jī)器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實(shí)際利用，這些技能都是由機(jī)械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計(jì)算機(jī)即硬件和控制算法即軟件。
控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個的條件：
1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個自由度的低級手，其驅(qū)動器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號幾倍。
2. 需具備對外部事件快速實(shí)時反應(yīng)的能力。例如，當(dāng)檢測到物體滑落時，能立即采取相應(yīng)的措施。
3. 需具備較高的計(jì)算能力以應(yīng)對一些不同的任務(wù)。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。
4. 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當(dāng)中。
5. 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。
4.1 控制硬件
為了應(yīng)對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達(dá)和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計(jì)算能力，且需要一個靈活實(shí)時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機(jī)輕易地解決。
因此，控制硬件常由一個非均勻的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強(qiáng)大的處理器。不同的計(jì)算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。
4.2 控制軟件
機(jī)器人手的控制軟件是相當(dāng)復(fù)雜的。必須對要對手指進(jìn)行實(shí)時及平行控制，同時還要計(jì)劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復(fù)雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。
另一方面涉及軟件的開發(fā)。機(jī)器人手其實(shí)是一個研究項(xiàng)目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強(qiáng)大和靈活。這些只能使用一個標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機(jī)械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機(jī)械手的特殊控制要求。
4.3卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制系統(tǒng)
如在4.1節(jié)中所說，對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖7所示）。一個微控制器分別控制一個手指的驅(qū)動器和傳感器，另外一個微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖7左側(cè)和右側(cè)的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅(qū)動器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計(jì)算機(jī)連在一起的。這個主控計(jì)算機(jī)（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺工業(yè)計(jì)算機(jī)組成的一個并行計(jì)算機(jī)。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個相鄰模塊）使用雙端口RAM進(jìn)行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計(jì)算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)。控制軟件的結(jié)構(gòu)反映了控制硬件的架構(gòu)。如圖9所示。
圖7. KDH II的控制硬件構(gòu)架 圖8.控制KDH II的平行主計(jì)算機(jī)
一個關(guān)于此手控制系統(tǒng)的三個最高層次的網(wǎng)上計(jì)劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機(jī)器人控制系統(tǒng)得到，并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標(biāo)路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點(diǎn)）。現(xiàn)在知道了物體的運(yùn)動計(jì)劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個手指的運(yùn)動軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實(shí)時能力部分。如果一個物體被抓取了，那么其手指的運(yùn)動路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個控制器控制物體的姿態(tài)，它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個手指沒有跟物體接觸，那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個手控制器將相關(guān)的預(yù)期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運(yùn)動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅(qū)動手指驅(qū)動器。
圖9. KDHⅡ的手部控制系統(tǒng)
5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個要求操作問題。一個問題是在網(wǎng)上對處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn)，這只能通過重抓才能實(shí)現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)?fù)雜任務(wù)的操作能力。
5.1 物體姿態(tài)控制
這個物體姿態(tài)控制器的目的是為了確定好被抓物體的位置和方向以適合給定的軌跡。此任務(wù)必須在實(shí)時條件通過在線獲得，盡管有內(nèi)部變化及外部干擾的存在。內(nèi)部變化比如在物體移動過程中，球形指尖在被抓物體上的滾動。這種狀況如圖10、圖11所示。這將導(dǎo)致物體的不必要的額外移動和傾斜。這些錯誤的物體姿勢很難預(yù)先估計(jì)。因此，物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯誤。對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ來說，其上的三個激光三角傳感器就是用來糾正此種錯誤的。圖12定量地說明了圖9中物體在沒有姿態(tài)控制情況下的傾斜情況。下圖顯示了在X方向上隨時間推移的預(yù)期軌跡，而上圖顯示了物體實(shí)際的旋轉(zhuǎn)（傾斜）結(jié)果情況。因?yàn)閱⒂昧宋矬w狀態(tài)控制，圖13中的物體傾斜得到了很大的減少。上圖物體的旋轉(zhuǎn)保持基本恒定，這和期望的一樣。
圖10.因滾動產(chǎn)生的額外位移 圖12.沒有狀態(tài)控制的物體傾斜
圖11.因球形指尖在物體上的滾動而產(chǎn)生 圖13.物體狀態(tài)控制下減少的物體
額外的不期望傾斜情況 傾斜情況
物體狀態(tài)控制器對補(bǔ)償外界干擾也是十分必要的。比如，機(jī)器人（手臂、手或手指）或被抓物體與外界的碰撞可能導(dǎo)致物體的滑落。這更有可能導(dǎo)致被抓物體的損耗，這是不能出現(xiàn)的情況。為了能夠避免物體在這種情況下的損失，就必須檢測出物體的滑落并迅速采取行動以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。
為了驗(yàn)證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ控制系統(tǒng)對這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實(shí)驗(yàn)：物件被抓后，將手指的接觸力恒定減少直至物體開始滑落。在激光三角傳感器檢測滑落后，物體狀態(tài)控制器采取措施將物體重新調(diào)控到所期望的位置。圖14和圖15展示了此種實(shí)驗(yàn)的一個例子。尤其是圖14，它顯示出物體滑落啟動的相當(dāng)突然且相當(dāng)快。但是物體狀態(tài)控制器也能夠足夠快地檢測和補(bǔ)償滑落，這樣物體的位置（這里：特別是X方向，就是滑落的方向）和物體的方向能夠與最開始的期望值很快地相符。
圖14.滑落實(shí)驗(yàn)：X方向的實(shí)際物體 圖15.滑落實(shí)驗(yàn)：關(guān)于Z軸的實(shí)際
位置 物體方向
5.2 重抓
雖然卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ非常的靈活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一個理想的對象操縱。這源于這樣一個事實(shí)：手指相對于正常的工業(yè)機(jī)器人來說是十分小的，因此所具備的工作范圍也是很有限的。如果物體被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空間內(nèi)被操縱?？尚胁僮鞯臈l件是所有的接觸點(diǎn)必須長期地處在相聯(lián)手指的工作范圍內(nèi)。這很大地限制了操作的可行性。為了能夠克服此種限制，一個叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當(dāng)一個接觸點(diǎn)到達(dá)了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時，這個手指就必須從物體上脫離，并移到一個新的接觸位置。這必須是多于3個手指的手才能使操作可靠。周期性的移動這些手指，就能使任意的操作變得可行。關(guān)于此種操作有一個例子，就是在大角度旋轉(zhuǎn)被抓物體時，此時重抓動作很有必要。圖16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ在旋轉(zhuǎn)一個螺帽狀物體時的一系列圖片。這個物體是繞它的垂直軸旋轉(zhuǎn)的。在a到c圖中所有的手指都跟物體接觸，并且四個手指相互協(xié)調(diào)運(yùn)動才使物體旋轉(zhuǎn)。圖d到圖f顯示了一個手指的的重抓動作。在d圖中這個手指已經(jīng)運(yùn)動到其工作范圍的極限位置，這時所有手指的協(xié)調(diào)運(yùn)動也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨(dú)移動到另一個接觸點(diǎn)。在圖f中這個手指重新跟物體接觸，另一個手指此時可以重新定位（沒有顯示）。所有的手指重新定位之后，協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行。視具體情況而定，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ也可以同時進(jìn)行幾個手指的重抓動作。這可以加速重抓過程，但是只能是被抓物體與外界接觸的條件下才有可能。比如說螺絲釘上的螺帽或孔里的一掛鉤。圖17顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)⒁粋€木柱從一個平方的基座孔內(nèi)拉出來的一系列圖片。圖a到圖b顯示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一時刻脫離物體并重新定位（圖c到圖e）。那之后，前面與后面的手指也重新定位（圖f）。那之后，整個木柱被拉出，從而可進(jìn)行進(jìn)一步的操作（沒有顯示）。
圖16.利用重抓旋轉(zhuǎn)螺帽狀物體 圖17.利用重抓從孔中拉出木柱
6.結(jié)論
為了使機(jī)械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標(biāo)準(zhǔn)是必需加以考慮的，正如文中所說?？査刽敹蜢`巧手Ⅱ表現(xiàn)的非常成功。這種機(jī)械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態(tài)也能可靠地加以控制，即使在外部干擾的情況下。此外，由于此系統(tǒng)，復(fù)雜的精細(xì)操作（如重抓）也能實(shí)現(xiàn)。在人行機(jī)器人的特殊研究領(lǐng)域，基于一個不同的概念叫做流體化（圖2所示）的基礎(chǔ)上，小型機(jī)械手也具有擬人化和機(jī)械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI所提出的。但是，這個控制軟件的主要結(jié)構(gòu)可經(jīng)過相應(yīng)修改而為此種小型機(jī)械手所用。
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯
題目 平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
班 級 學(xué) 號 078105107
學(xué) 生 姓 名 季壯壯
指 導(dǎo) 教 師 許瑛
填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日
分 類 號
密 級
XX學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
機(jī)械手的PLC控制
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
誠 信 承 諾
我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《機(jī)械手的PLC控制》均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。
承諾人（簽名）：
年 月
1
目 錄
目 錄 3
摘 要 5
Abstract 6
第一章 前言 7
1.1 研究的目的及意義 7
1.2 機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 8
1.3 主要研究的內(nèi)容 8
1.4 解決的關(guān)鍵問題 9
第二章 可編程控制PLC 9
2.1 PLC 簡介 9
2.2 PLC的基本組成及各部分作用 11
2.2.1中央處理單元(CPU) 11
2.2.2存儲器 12
2.2.3 I/0單元 12
2.2.4電源部分 13
2.2.5擴(kuò)展接口 13
2.2.6通信接口 13
2.2.7編程器 13
第三章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 20
3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 20
3.2 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì) 21
3.3 元件選取及工作原理 22
3.3.1 氣源裝置 22
3.3.2 執(zhí)行元件 23
3.3.3 控制元件 24
3.3.4 輔助元件 25
3.3.5 真空發(fā)生器 26
3.3.6 吸盤 26
3.4 回路的工作原理 26
第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì) 30
4.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 30
4.2 控制系統(tǒng)的性能要求 30
4.3 傳感器的選擇 31
4.3.1 位置檢測裝置 31
4.3.2 滑覺傳感器 31
4.3.3 視覺傳感器 32
4.4 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理 33
4.4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 33
4.4.2 PLC種類及型號選擇 38
4.4.3 I/O點(diǎn)數(shù)分配 38
4.4.4 PLC外部接線圖 39
4.4.5 機(jī)械手控制原理 40
4.5 PLC程序設(shè)計(jì) 42
4.5.1 總體程序框圖 42
4.5.2 初始化及報警程序 44
4.5.3 手動控制程序 45
4.5.4 自動控制程序 47
第五章 總結(jié)與展望 50
參考文獻(xiàn) 51
致 謝 52
附 錄 53
附錄1 程序流程圖 53
附錄2 順序功能圖 56
附錄3 梯形圖 57
附錄4 指令表 59
摘 要
機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機(jī)械器件組成；電氣方面有交流電機(jī)、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機(jī)電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機(jī)械手是由PLC輸出三路脈沖，分別驅(qū)動橫軸、豎軸變頻器，控制機(jī)械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關(guān)將位置信號傳給PLC主機(jī)；位置信號由接近開關(guān)反饋給PLC主機(jī)，通過交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制機(jī)械手手爪的張合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精確運(yùn)動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運(yùn)機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運(yùn)動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。
本文在縱觀了近年來機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械手方面的設(shè)計(jì)，對機(jī)械手技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，提出了用驅(qū)動和PLC控制的設(shè)計(jì)方案。采用整體化的設(shè)計(jì)思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化。對機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。在其驅(qū)動系統(tǒng)中采用驅(qū)動，控制系統(tǒng)中選擇PLC的控制單元來完成系統(tǒng)功能的初始化、機(jī)械手的移動、故障報警等功能。最后提出了一種簡單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。
通過以上部分的工作，得出了經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用型、高可靠型機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，對其他經(jīng)濟(jì)型PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒價值。
關(guān)鍵詞: 機(jī)械手，交流電機(jī),可編程控制器（PLC），自動化控制，。
Abstract
Manipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor, and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines. This paper presents a manipulator by three PLC output pulse, driving horizontal, the vertical axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision, micro-switches position signal transmission will host PLC; location close to the switching signal from the feedback from the mainframe to the PLC, through the exchange of Motor reversion to control the manipulator gripper Zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects, movements flexible, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, According to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters.
In this paper, by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by the pneumatic and the system was controlled by PLC. Integrative idea was adopted in this design to fully consider the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. We used pneumatic-driven in the driving system, PLC control unit in the control system to complete initialization of the system, manipulator's moving, failure alarm and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance.
Through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design.
Key words: manipulator ；AC motor ； programmable logic controller (PLC)； automatic control；sorting material
第一章 前言
1.1 研究的目的及意義
工業(yè)機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。
機(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要，可以大量代替單調(diào)往復(fù)或高精度需求的工作，在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動?？梢詫?shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。
可編程控制器(PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)和自動控制等先進(jìn)技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用PLC的自動控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優(yōu)點(diǎn)。
適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)PLC對機(jī)械手的控制，并借助必要的精密傳感器，使其能夠?qū)Σ煌伾奈锪习搭A(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行分揀，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線。采用PLC控制，是一種預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時需要對機(jī)械手進(jìn)行新的分配任務(wù)時，可以允許方便的改動或重新設(shè)計(jì)其新部件，而對于位置改變時，只要重新編程，并能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費(fèi)用。本設(shè)計(jì)主要完成機(jī)械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計(jì)。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1.2 機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運(yùn)小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。
目前，國際上的機(jī)械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奧地利的工GM公司。
我國機(jī)械手起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過30多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應(yīng)用化期。在我國，機(jī)械手市場份額大部分被國外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強(qiáng)手面前，國內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強(qiáng)國”邁進(jìn)，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會加大對機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。
1.3 主要研究的內(nèi)容
隨著機(jī)械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強(qiáng)、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。本論文主要研究機(jī)械手以下幾個方面的內(nèi)容：
要求獨(dú)立完成工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試。
(1) 如圖所示，有兩部機(jī)械對工作物進(jìn)行加工，加工位置分別是A點(diǎn)、B點(diǎn)，要求由機(jī)械手臂將加工物從A點(diǎn)送至B點(diǎn)。
(2) 手動操作，每個動作均能單獨(dú)操作，用于將機(jī)械手復(fù)歸至原點(diǎn)位置；
(3) 連續(xù)運(yùn)行，在原點(diǎn)位置按起動按鈕時，機(jī)械手按圖連續(xù)工作一個周期，一個周期的工作過程如下：
原點(diǎn)→下降→夾緊（T）→上升→右移→下降→放松（T）→上升→左移到原點(diǎn)。
任務(wù)要求：
(1) PLC外部接線圖，以及其它相關(guān)設(shè)備的電氣圖；PLC編程元件明細(xì)表，應(yīng)包含定時器、計(jì)數(shù)器等元件的設(shè)定值；
(2) 完整的程序資料，應(yīng)包括PLC工序圖、梯形圖、指令表等3種格式的程序及注解；
1.4 解決的關(guān)鍵問題
1 機(jī)械手的控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的電路和控制程序，并解決工件和控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。
2 元件的匹配規(guī)則和知識的獲取及其表達(dá)形式。
3 傳感器的類型選擇。
第二章 可編程控制PLC
2.1 PLC 簡介
PLC（Programmable Logic Controller），是可編程邏輯控制器。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，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。
早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的 工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC,plc自1969年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程 序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強(qiáng)大。
世界上公認(rèn)的第一臺PLC時1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。限于當(dāng)時的元件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計(jì)數(shù)等功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。因而人們稱可編程控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，在世界第一臺可編程控制器的誕生地美國，1982年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，大量應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的82%，可編程控制器的應(yīng)用數(shù)量已位于眾多的工業(yè)自控設(shè)備之首。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。這個階段的另一個特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。
20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機(jī)及超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元，通訊單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都的到了長足的發(fā)展。.
2.2 PLC的基本組成及各部分作用
PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。
整體式PLC是將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的1/0擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中，CPU是PLC的核心，1/0單元是連接CPU與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。
組合式PLC將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能1/0單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴(kuò)展底板。CPU底板與擴(kuò)展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10m.無論哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可以根據(jù)需要進(jìn)行配置與組合。
2.2.1中央處理單元(CPU)
CPU在PLC中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是PLC的運(yùn)算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，完成以下任務(wù):
(1) 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；
(2) 診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤;
(3) 用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數(shù)據(jù)寄存器保存起來;
(4) PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進(jìn)行解 釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作;
(5) 將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。
2.2.2存儲器
根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下3種:系統(tǒng)程序存儲器:和各種計(jì)算機(jī)一樣，PLC也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了PLC的功能，稱為系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器ROM或EPROM.用戶程序存儲器:用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動、調(diào)試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的RAM。由于RAM掉電會丟失數(shù)據(jù)，因此使用RAM作用戶程序存儲器的PLC，都有后備電池(鏗電池)保護(hù)RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當(dāng)用戶程序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序?qū)懭隕PROM.目前較先進(jìn)的PLC(如歐姆龍公司的CPMIA型PLC)采用快閃存儲器作用戶程序存儲器，快閃存儲器可隨時讀寫，掉電時數(shù)據(jù)不會丟失，不需用后備電池保護(hù)。工作數(shù)據(jù)存儲器:工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲在RAM中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。元件映象寄存器用來存儲PLC的開關(guān)量輸入/輸出和定時器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的ON/OFF狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標(biāo)準(zhǔn)格式是每一個數(shù)據(jù)占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)執(zhí)行時的某些可變參數(shù)值，如定時器和計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值和設(shè)定值。它還用來存放A/0轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果等。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在停電時用后備電池維持其當(dāng)前值，在停電時可保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。
2.2.3 I/0單元
I/0單元也稱為I/0模塊。PLC通過I/0單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。輸入單元接收用戶設(shè)備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能
能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點(diǎn)對應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設(shè)備的執(zhí)行元件.
2.2.4電源部分
PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V, +12V, +24V的直流電源，使PLC能正常工作。
電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的CPU，通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部;對于模塊式PLC，有的采用單獨(dú)電源模塊，有的將電源與CPU封裝到一個模塊中。
2.2.5擴(kuò)展接口
擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。
2.2.6通信接口
為了實(shí)現(xiàn)“人一機(jī)”或“機(jī)一機(jī)”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其他的PLC或計(jì)算機(jī)相連。當(dāng)PLC與打印機(jī)相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印;當(dāng)與監(jiān)視器相連時.可將過程圖像顯示出來;當(dāng)與其他PLC相連時，可以組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的控制;當(dāng)與計(jì)算機(jī)相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。
2.2.7編程器
編程器的作用是提供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有LCD或CRL圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用PC作為編程器，PLC生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送?，F(xiàn)在很多PLC已不再提供編程器，而是提供微機(jī)編程軟件了，并且配有相應(yīng)的通信連接電纜。
2.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域
PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時日常維護(hù)也變得容易起來，更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類:
(1)開關(guān)量邏輯控制
取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于控制單臺設(shè)備，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。
(2)工業(yè)過程控制
在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量(即模擬量)，PLC采用相應(yīng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。
(3)運(yùn)動控制
PLC可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。一般使用專用的運(yùn)動控制模塊，如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。
(4)數(shù)據(jù)處理
PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算(含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。
(5)通信及聯(lián)網(wǎng)
PLC通信包括PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
但是，可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。
2.4 PLC 的工作原理
可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP） 狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制 功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號，用戶 程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機(jī)或 切換到 STOP 工作狀態(tài)。
除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可如上圖編程序控制器還要完 成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為 5 個階段?？删幊绦蚩刂破鞯?這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極 高，從外部輸入-輸出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時完成的。
在內(nèi)部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查 CPU 模塊內(nèi)部的硬件是否正常， 將監(jiān)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。
在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng) 編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)可編程序控制器處于停止（STOP） 狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破鹛幱冢≧UN）狀態(tài)時，還要完成另 外 3 個階段的操作。在可編程序控制器的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信 號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈?形圖中別的編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸 入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài) 讀入輸入寄存器。
外接的輸入觸點(diǎn)電路接通時，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖 中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外接的輸入觸點(diǎn)電路斷開， 對應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)斷 開，常閉觸點(diǎn)接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸 入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃 描周期的輸入處理階段被讀入。
可編程序控制器的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步序號順 序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時，CPU 從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的 0/1 狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，CPU 將輸出映像寄存器的 0/1 狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體 型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。 信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的 線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(yīng)的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸 出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點(diǎn) 斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài) 時，稱該編程元件為 ON，映像寄存器為“0”狀態(tài)時，稱該編程元件為 OFF。
（1）輸入采樣階段
在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入 I/O 映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新 階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化 I/O 映象區(qū)的相應(yīng)單元的 數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描 周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
（2）用戶程序執(zhí)行階段
在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 的 CPU 總是由上而下，從左到右的順序依次的掃
描梯形圖。并對控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系 統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)。或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能 指令。例如：算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達(dá)等。
（3）輸出刷新階段
在輸出刷新階段，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù) 鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應(yīng)的外設(shè)。這時才是 PLC 真正的輸出。
(4)輸入/輸出滯后時間 輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號,發(fā)生變化的時刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間 三部分組成。輸入模塊的 CPU 濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸 入觸點(diǎn)動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波 時間的長短，其典型值為 10ms 左右。
輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時間一般 在 10ms 左右；雙向可空硅型輸出電路在負(fù)載接通時的滯后時間約為 1ms，負(fù)載 由導(dǎo)通到斷開時的最大滯后時間為 10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達(dá)到兩個多掃描周期?？删幊绦蚩?制器總的響應(yīng)延遲時間一般只有幾十 ms，對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求 輸入—輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序 控制器或采取其他措施。
2.5 PLC 機(jī)型的選擇方法
2.5.1．PLC 的類型
PLC 按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩 類；按 CPU 字長分為 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。從應(yīng)用角度出 發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型。整體型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)固定，因此 用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型 PLC 提供多種 I/O 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。
2．輸入輸出模塊的選擇
輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信 號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng) 考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、 壽命短、響應(yīng)時間較長等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率 因數(shù)負(fù)荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出 和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致。可根據(jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸 出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本?？紤]是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程 I/O 機(jī)架等。
3.電源的選擇
PLC 的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時同時引進(jìn) PLC 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計(jì) 和選用外，一般 PLC 的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用 220VAC 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。 重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果 PLC 本身帶有可使用 電源時，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。為防 止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時 也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。
4.存儲器的選擇
由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目 的正常投運(yùn)，一般要求 PLC 的存儲器容量，按 256 個 I/O 點(diǎn)至少選 8K 存儲器選 擇。需要復(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。
5.冗余功能的選擇
a．控制單元的冗余
（1）重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應(yīng) 1B1 冗余。
（2）在需要時也可選用 PLC 硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2 重化或 3 重化冗余容錯系統(tǒng)等。
b． I/O 接口單元的冗余
（1）控制回路的多點(diǎn) I/O 卡應(yīng)冗余配置。
（2）重要檢測點(diǎn)的多點(diǎn) I/O 卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對重要的 I/O 信號，可選用 2 重化或 3 重化的 I/O 接口單元。
6.經(jīng)濟(jì)性的考慮
選擇 PLC 時，應(yīng)考慮性能價格比。考慮經(jīng)濟(jì)性時，應(yīng)同時考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展 性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。
輸入輸出點(diǎn)數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費(fèi) 用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加， 估因此，點(diǎn)數(shù)的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響， 在算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。
2.6 機(jī)械手 PLC選擇及參數(shù)
綜合上述原則機(jī)械手控制系統(tǒng)主機(jī)為三菱的 FX2N-48MR。
1. 主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：
2. 工作電源：24VDC
輸入點(diǎn)數(shù)：24
輸出點(diǎn)數(shù)：24 輸入信號類型：直流或開關(guān)量 輸入電流：24VDC 5mA
模擬輸入：-10V～10V（-20mA～+20mA） 輸出晶體管允許電流 0.3A/點(diǎn)（1.2A/COM）
輸出電壓規(guī)格：30VDC
最大負(fù)載：9W
輸出反應(yīng)時間：Off→On 20μs On→Off 30μs 基本指令執(zhí)行時間：數(shù)個μs 程序語言：指令+梯形圖+SFC
程序容量：3792STEPS
基本順序指令：32 個（含步進(jìn)梯形指令） 應(yīng)用指令：100 種
初始步進(jìn)點(diǎn)：S0～S9 一般步進(jìn)點(diǎn)：118 點(diǎn)，S10～S127
輔助繼電器：一般用 512+232 點(diǎn)（M000～M511+M768～M999）
停電保持用 256 點(diǎn)（M512～M767） 特殊用 280 點(diǎn)（M1000～M1279）
定時器：100ms 時基 64 點(diǎn)（T0～T63）
10ms 時基 63 點(diǎn)（T64～T126，M1028 為 ON 時）
1ms 時基 1 點(diǎn)（T127）
計(jì)數(shù)器：一般用 112 點(diǎn)（C000～C111，16 位計(jì)數(shù)器） 停電保持用 16 點(diǎn)（C112～C127，16 位計(jì)數(shù)器）
高速用 13 點(diǎn) 1 相 5kHz，2 相 2kHz（C235～C254，全部為停電保持
32 位計(jì)數(shù)器）
數(shù)據(jù)寄存器：一般用 408 點(diǎn)（D000～D407） 停電保持用 192 點(diǎn)（D408～D599） 特殊用 144 點(diǎn)（D1000～D1143）
指針/中斷：P64 點(diǎn)；I4 點(diǎn)（P0～P63/I001、I101、I201、I301） 串聯(lián)通信口：程序?qū)懭?讀出通訊口：RS232
一般功能通訊口：RS485 主機(jī)電源 220V AC
2.PLC 主機(jī)的組成
1、輸入單元
輸入單元由 8 個按扭、8 個開關(guān)和 16 個接插件組成，它們分別與 PLC 的 16 個輸入點(diǎn)相接。改變這些開關(guān)或按扭的通斷狀態(tài)，即可對主機(jī)輸入所需要的開關(guān) 量。16 個接插件可外接其它直流或開關(guān)量輸入信號。
2、輸出單元
輸出單元由 24 個二極管和 24 個接插件組成，它們分別與 PLC 的 24 個輸出點(diǎn) 相連。發(fā)光二極管是否發(fā)光，即可表示輸出點(diǎn)的狀態(tài)，使用者可得到主機(jī)的輸出 信息。24 個輸出接插件可外接其它需要控制的設(shè)備。輸出單元的 4 個地端，分 別引出到面板，其中只有 C4 與 3V 電源共地。
3、電源單元
PLC 主機(jī)左邊有外接 220V/AV 的電源插座，作為 PLC 的工作電源。內(nèi)裝變壓 器，輸出 3V 電源，供二極管使用。另外 PLC 的 24VDC 和 24GND 已引出到面板，
供外接輸入器件（如傳感器）的工作電源用
第三章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇
機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的傳動裝置。機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)動力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅(qū)動方式。
3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇
液壓驅(qū)動，功率重量比大，可實(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，可自行潤滑，使用壽命長。但也存在其油液容易泄露污染環(huán)境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。
電氣驅(qū)動，控制精度高，驅(qū)動力較大，響應(yīng)快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅(qū)動方式價格昂貴，限制了在一些場合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動方式。
氣壓驅(qū)動具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)、在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用較多。另一方面，技術(shù)作為“廉價的自動化技術(shù)”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動化生產(chǎn)線上，幾乎都配有系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，全部自動化流程中約有30﹪裝有系統(tǒng)，有90﹪的包裝機(jī)械，70﹪的鑄造、焊接設(shè)備，50﹪的自動操機(jī)、40﹪的鍛造設(shè)備和洗衣設(shè)備、30﹪的采煤機(jī)械，20﹪的紡織機(jī)械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機(jī)械，43﹪的工業(yè)機(jī)器人裝有氣壓系統(tǒng)。日、美、德等國的元件銷售平均每年增長超過10-15﹪。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家的元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大速度發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要使用工具。
表3.1給出了各種控制方式的比較：
表3.1 各種控制方式的比較
通過以上三種驅(qū)動方式的比較選用驅(qū)動的方式，不僅能夠滿足了本設(shè)計(jì)的要求，而且節(jié)約了成本。
3.2 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)
根據(jù)機(jī)械手的要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動方式主要有兩種：（1）直線運(yùn)動（缸體固定，活塞桿運(yùn)動）；（2）擺動（缸體固定）。其驅(qū)動系統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。
圖3.1 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖
系統(tǒng)包括三個三位四通電磁換向閥、兩個二位二通電磁閥、三個氣缸、一個吸盤、四個調(diào)速閥、六個單向調(diào)速閥、消聲器（若干）等。圖中的調(diào)速閥控制氣缸上升和下降、伸長和縮短、擺動過程中的速度，防止速度過大對物料及機(jī)械手臂的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運(yùn)動方向；真空發(fā)生器的工作原理利用氣體的噴射產(chǎn)生真空吸附物料，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動作是由二位二通電磁閥控制的。
3.3 元件選取及工作原理
氣壓驅(qū)動是利用壓縮氣體的壓力能來實(shí)現(xiàn)能量傳遞的一種方式，其介質(zhì)主要是空氣，也包括燃?xì)夂驼羝?。典型的氣壓傳動系統(tǒng)由以下四部分組成：
3.3.1 氣源裝置
氣源裝置是獲得具有一定能量的壓縮空氣的裝置，其主體部分是空氣壓縮機(jī)，有的還配有氣源凈化處理裝置、氣罐等附屬設(shè)備。它將原動機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。氣壓傳動對氣源的要求：
(1) 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量。
(2) 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。
下面對于主要的氣源裝置元件進(jìn)行如下介紹：
1、空氣壓縮機(jī)
空氣壓縮機(jī)是產(chǎn)生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，是氣源主要的設(shè)備。按結(jié)構(gòu)和工作原理可分為速度型和容積型兩大類。容積型壓縮機(jī)是利用特殊形狀的轉(zhuǎn)子或活塞壓縮吸入封閉容積室空氣的體積來增加空氣的壓力。容積型結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。本設(shè)計(jì)選用容積型壓縮機(jī)。
2、儲氣罐
儲氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動，使輸出氣流連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應(yīng)急氣源使用，還可以進(jìn)一步分離油水雜質(zhì)。儲氣罐上裝有安全閥，使其極限壓力比正常工作壓力高10%，并裝有指示罐內(nèi)壓力的壓力表和排污閥等。罐的型式可分為立式和臥式兩種。本設(shè)計(jì)選用立式儲氣罐，因?yàn)樗倪M(jìn)氣口在下，出氣口在上，以利用進(jìn)一步分離空氣中的油、水。
3.3.2 執(zhí)行元件
執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動，并將氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，如氣缸輸出直線往復(fù)式機(jī)械能，擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式機(jī)械能。
1、氣缸輸出直線往復(fù)式
氣缸是執(zhí)行元件之一。目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對于前伸/回縮氣缸，當(dāng)左側(cè)無桿腔進(jìn)氣，右側(cè)有桿腔排氣時活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對于上升/下降氣缸，當(dāng)上側(cè)無桿腔進(jìn)氣，下側(cè)有桿腔排氣時，活塞桿下降，反之活塞桿上升。
2、擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式
擺動氣缸分為單葉片式和雙葉片式。
單葉片式擺動氣缸：壓縮空氣由進(jìn)氣口輸入，作用在葉片上，帶動軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，另一腔的空氣從排氣口排出。
雙葉片式擺動氣缸：從進(jìn)氣口進(jìn)入的壓縮空氣作用在一個葉片上，同時通過軸上的氣路也作用在另一葉片上帶動軸回轉(zhuǎn)。這樣雙葉片式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將是單葉片式的2倍。
本設(shè)計(jì)采用雙葉片式擺動氣缸，這樣就能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以利于機(jī)械手的轉(zhuǎn)動。
3.3.3 控制元件
控制元件是用來調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量和控制其流動方向，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作?？刂圃垂δ芊譃閴毫刂崎y、流量控制閥和方向控制閥。
1、壓力控制閥
調(diào)節(jié)和控制壓力大小的元件稱為壓力控制閥。它包括調(diào)壓閥、溢流閥、順序閥及多功能組合閥。
調(diào)壓閥是出口側(cè)壓力可調(diào)，并能保持出口側(cè)壓力穩(wěn)定的壓力控制閥。
溢流閥是在回路中的壓力達(dá)到閥的規(guī)定值時，使部分氣體從排氣側(cè)排出，以保持回路內(nèi)的壓力在規(guī)定值的閥。
調(diào)速閥是根據(jù)“流量負(fù)反饋”原理設(shè)計(jì)而成的單路流量閥。調(diào)速閥一般用于執(zhí)行元件負(fù)載變化大而運(yùn)動速度要求穩(wěn)定的系統(tǒng)中。調(diào)速閥根據(jù)“串聯(lián)減壓式”和“并聯(lián)溢流式”，又分為調(diào)速閥和溢流節(jié)流閥兩種主要類型。本設(shè)計(jì)選用串聯(lián)減壓式調(diào)速閥。
2、方向控制閥
方向控制閥是改變壓縮空氣流動方向和氣流通斷狀態(tài)，使執(zhí)行元件的動作或狀態(tài)發(fā)生變換的控制閥，其通?？煞譃閱蜗蛐涂刂崎y和換向型控制閥兩類。
(1) 單向型控制閥
單向閥是指氣流只能向一個方向流動而不能反向流動通過的閥，是最簡單的單向型方向閥。在系統(tǒng)中，單向閥除單獨(dú)使用之外，經(jīng)常與流量閥、換向閥和壓力閥組合成只能單向控制的閥。單向調(diào)速閥就是單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)而成。單向調(diào)速閥是把節(jié)流閥芯分成了上閥芯和下閥芯兩部分。當(dāng)流體正向流動時，其節(jié)流過程與調(diào)速閥是一樣的，節(jié)流縫隙的大小可通過手柄進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)流體反向流動時，靠流體的壓力把閥芯壓下，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實(shí)現(xiàn)流體反向自由流動。當(dāng)正向流動時，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流。當(dāng)反向流動時，單向閥打開，不節(jié)流。
(2) 換向型控制閥
換向型方向控制閥按控制方式分類，分為氣壓控制、電磁控制、人力控制。換向閥是利用閥芯和閥體間相對位置的不同來變換不同管路間的通斷關(guān)系，實(shí)現(xiàn)接通、切斷，或改變流體方向的閥。它的用途很廣，種類也很多。
換向閥的性能的主要要求是：（1）油液流經(jīng)換向閥時的壓力損失?。唬?）互不相通的油口間的泄漏??；（3）換向可靠、迅速且平穩(wěn)無沖擊。
按換向閥的操縱方式有：手動式、機(jī)動式、電磁式、液動式、電液動式、式。
按工作位置數(shù)和控制的通道數(shù)有：二位二通閥、二位三通閥、二位四通閥、二位五通閥、三位四通閥、三位五通閥等。
本設(shè)計(jì)選用三位四通電磁換向閥理由如下：
(1) 電磁換向閥是利用電磁鐵吸力推動閥芯來改變閥的工作位置。由于它操作輕便，易于實(shí)現(xiàn)自動化，因此應(yīng)用廣泛。
(2) 當(dāng)三位四通電磁換向閥兩端電磁鐵都斷電時，閥芯處于中位，各口互不相通。
(3) 使用三位四通電磁換向閥能夠快速實(shí)現(xiàn)氣缸的正反向運(yùn)動。
3.3.4 輔助元件
輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的。可分為氣源凈化裝置和其他輔助元件兩大類。
1、氣源凈化裝置
過濾器、調(diào)壓閥和油霧器等組合在一起稱為空氣處理單元，又稱為三聯(lián)件。壓縮的空氣中含有各種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在會降低元件的耐用度和性能，造成誤動作和事故，必須清除?？諝馓幚韱卧褪怯脕砬宄龎嚎s空氣的雜質(zhì)，提高空氣質(zhì)量的元件。
2、消聲器
消聲器是降低排氣噪聲的裝置。壓縮空氣完成驅(qū)動工作后，由換向閥的排氣口排入大氣。此時的壓縮空氣是以接近音速的狀態(tài)進(jìn)入大氣，由于壓力的驟然變化，使空氣急速膨脹從而發(fā)出噪音，其音量一般為80dB～100dB，為了改善勞動條件，應(yīng)使用消聲器。常用的消聲器有三種類型吸收型、膨脹型和吸收膨脹型。吸收型消聲器是依靠吸聲材料來消聲的。膨脹型消聲器的結(jié)構(gòu)比較簡單，相當(dāng)于一段比排氣口徑大的管件，當(dāng)氣流通過時，讓氣流在其內(nèi)部擴(kuò)散、膨脹、碰壁撞擊、反射、相互干涉而消聲。吸收膨脹型消聲器是上述兩種的結(jié)合。氣流由斜孔引入，氣流束相互撞擊、干涉、進(jìn)一步減速，再通過設(shè)在消聲器內(nèi)表面的吸聲材料消聲，最后排向大氣。本設(shè)計(jì)選用膨脹型消聲器。
3.3.5 真空發(fā)生器
真空發(fā)生器的作用主要是使吸盤的橡膠皮碗形成真空而將工件吸附。真空發(fā)生器的工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動。在卷吸流動作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷地被抽吸走，使吸附腔內(nèi)的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度。
3.3.6 吸盤
吸盤是直接吸吊物體的元件，一般用橡膠做成。真空吸盤之所以能吸附在工件上的原因是由于環(huán)境壓力（大氣壓力）大于吸盤與工件之間的壓力。將吸盤與真空發(fā)生裝置連接，吸盤內(nèi)部空間的空氣被抽去，當(dāng)吸盤接觸到工件時，大氣和吸盤之間形成了密封，就會吸住物料，吸氣大小與大氣壓和吸盤內(nèi)部空間的壓力差成正比。
3.4 回路的工作原理
機(jī)械手的工作循環(huán)是：擺動氣缸的右旋→水平手臂的伸出→垂直手臂的下降→吸物→垂直手臂的上升→水平手臂的縮回→擺動氣缸的左旋→垂直手臂的下降→放物→垂直手臂的上升→回到初始位置。系統(tǒng)中選用電磁換向閥，限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)氣缸的往復(fù)運(yùn)動。二位二通電磁閥實(shí)現(xiàn)吸盤的吸物和放物。實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)的工作原理如下：
(1) 擺動氣缸的右旋
按下啟動按鈕，右旋按鈕接通，使三位四通電磁換向閥12的5YA得電，閥12的閥芯右移，擺動氣缸會執(zhí)行右旋的命令。這時的氣路是：
進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥12左端→單向調(diào)速閥19→擺動