【正文】 要求同時(shí)控制 五 個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)，而且對(duì)運(yùn)動(dòng)的周期還有較高要求，所以我選擇用PLC 進(jìn)行控制。自由度的選擇與生產(chǎn)要求有關(guān)，若批量大，操作可靠性要求高，運(yùn)行速度快，機(jī)器人的自由度數(shù)可少一些； 但是 如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性，機(jī)器人的自由度要多一些。本文將通過(guò)以下幾個(gè)內(nèi)容進(jìn)行論述： (1) 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂的整體設(shè)計(jì)； (2) 機(jī)械手臂的 運(yùn)動(dòng)模擬 ； (3) 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)； (4) 氣動(dòng)元件的 選擇 ； (5)機(jī)械手臂 PLC 控制部分設(shè)計(jì)； 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 4 2 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂 的整體設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)指揮機(jī)械 手臂類(lèi)型選擇為非伺服多關(guān)節(jié)型。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，做 好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。機(jī)械手應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域 還 比較 窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距 。 (9) 仿人和仿生技術(shù) :這是機(jī)械手技 術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行 了 一些基礎(chǔ) 性 研究。 (7) 多智能體調(diào) 控技術(shù) :這是目前機(jī)械手研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器信息融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器信息融合算法。 (2) 機(jī)械手控制技術(shù) :重點(diǎn)研究開(kāi)放化 ，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。 第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 聯(lián)邦德國(guó) KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 pneumatic system design。 Working speed。 Designing the system of pneumatic。在設(shè)計(jì)過(guò)程中提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，即 對(duì) 不 確定 的 各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的 擬人 動(dòng) 作機(jī)械人進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，從模擬試驗(yàn)中得到所需的各參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。 **********學(xué)士學(xué)位論文 學(xué)號(hào) :A***** 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 ： *** 指導(dǎo)教師 ： *** 所在院系 ： 工程學(xué)院 所學(xué)專(zhuān)業(yè) ： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 研究方向：流體傳動(dòng)控制 ********** 中國(guó) 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂的整體設(shè)計(jì) 主要針對(duì)機(jī)械手臂的自由度、工作空間、工作速度、控制方式和驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行講述； 機(jī)械手臂的模擬運(yùn)動(dòng)將利用 ADAMS 運(yùn)動(dòng)仿真 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和數(shù)據(jù)采集 ； 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)中將 針對(duì)模擬結(jié)果的要求 對(duì)系統(tǒng)的氣動(dòng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在后面 的章節(jié)中對(duì)氣動(dòng)元件進(jìn)行選型； 最后的手臂控制部分設(shè)計(jì)中，采用了 可編程控制器（ PLC） 控制的方法來(lái) 實(shí)現(xiàn) 各氣缸的順序 和周期 動(dòng)作。 Choosing the type of the pneumatic ponent。 The mode of control。 PLC control。 1962 年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司 ,專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1978 年美國(guó) Unimate 公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 UnimateVicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于 177。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。機(jī)械手控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及 VC 機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制器己成為研究熱點(diǎn)。 (4) 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)應(yīng)用的機(jī)械手絕大部分為專(zhuān)用機(jī)械手，附屬于某一設(shè)備，其工作程序是固定的，通用機(jī)械手也有所發(fā)展 。在應(yīng)用規(guī)模上遠(yuǎn) 不及 發(fā)達(dá)國(guó)家。 機(jī)械手研究領(lǐng)域 機(jī)械手技術(shù)是集機(jī)械工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制工程、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、 人機(jī)工程 學(xué)等學(xué)科為一體的綜合技術(shù)，它是多學(xué)科科 技革命的必然結(jié)果。 機(jī)械手臂的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì) 機(jī)械手臂的自由度 要想達(dá)到模仿人類(lèi)的音樂(lè)指揮動(dòng)作，通過(guò)仿生原理我最終采用 5 自由度的機(jī)械手臂來(lái)完成這一動(dòng)作，其機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖（ 2— 1）。 機(jī)械手臂的工作空間設(shè)計(jì) 對(duì)于擬人的指揮手臂而言，工作空間應(yīng)盡 量 參考人的運(yùn)動(dòng)范圍，根據(jù)人的指揮手臂的動(dòng)作要求 和人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)原理 ，制定機(jī)械手臂的工作空間，這一過(guò)程我將應(yīng)用 ADAMS動(dòng)態(tài)仿真軟件完成，從 而設(shè)計(jì)出合理的工作空間。 PLC 有以下特點(diǎn)： (1) 可靠性高 PLC 采用了許多抗干擾措施，如對(duì) CPU 模 塊進(jìn)行電磁屏蔽、在電源和 I/O 模塊中設(shè)置濾波電路等等， 具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)方式 這里根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用氣壓 驅(qū)動(dòng)方式。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 6 機(jī)械手臂的精度、重復(fù)精度和分辨率 因?yàn)槭悄M人的指揮動(dòng)作，所以對(duì)精度要求并不高， 但是需要重復(fù)的運(yùn)動(dòng) ，因?yàn)橹貜?fù)的精度越高，指揮動(dòng)作的可重復(fù) 次數(shù)也就越多，所以要求還是要盡可能的提高重復(fù)精度。 應(yīng)用 UG 建立實(shí)體模型 并導(dǎo)入 ADAMS 在建立模型階段，先以一定的比例關(guān) 系 在 UG 中 建立 零件 模型， 然后裝配成整體 ， 通過(guò)parasolid 格式導(dǎo)入 ADAMS， 并在其中 添加 約束和 運(yùn)動(dòng)副，最后是 在 驅(qū)動(dòng)部分添加 驅(qū)動(dòng) ，從而完成整個(gè)實(shí)體模型的建立。通過(guò)該軟件還可以容易的繪制出指揮棒末端的軌跡，并對(duì)各轉(zhuǎn)動(dòng)副之間的相對(duì)位移、速度、加速度等 相關(guān) 物理量進(jìn)行測(cè)量。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 9 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 10 圖 3— 2 仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程 通過(guò) ADAMS 軟件的后處理功能，對(duì)手臂的運(yùn)動(dòng) 仿真 過(guò)程 進(jìn)行錄制，生成一個(gè)循環(huán) 動(dòng)作視頻， 再 經(jīng)后期的視頻剪輯處理， 并 添加 背景 音樂(lè)效果，最終生成一個(gè)指揮 機(jī)械手臂。 因?yàn)樵趯?shí)際的操作過(guò)程中無(wú)法輸出正弦信號(hào)，所以這里只對(duì)氣缸作近似計(jì)算，選其 有效值 作為參照標(biāo)準(zhǔn)，從圖（ 3— 4）中的曲線可以得出其 有效 速度是 。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 13 圖 3— 7 C 缸位移曲線 根據(jù)圖（ 3— 7）中曲線可以得出， C 的幅值 41mm，其控制部分為 肘部 的旋轉(zhuǎn)。 圖 3— 10 D 缸 角 速度曲線 D 的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是 手腕 的轉(zhuǎn)動(dòng) 速度 。 根據(jù)圖（ 3— 12）中的曲線可以得出， E 缸的 有效 速度為 。同時(shí)通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)的模擬，初步得到相關(guān)數(shù)據(jù)，這 為 接下來(lái) 氣缸的 選擇和 PLC 程序編制 奠定 了 基礎(chǔ)。同時(shí)在三位五通電磁換向閥下又接了一個(gè)安全閥和減壓閥，其中安全閥可以保證氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)安全，而減壓閥則可 以調(diào)節(jié)輸入壓力，并使輸入的氣流更加平穩(wěn)。 D 缸對(duì)應(yīng)的是 O4 處的 轉(zhuǎn) 動(dòng)。也能分離部分油污和水分。當(dāng) YB0 得電時(shí)，電磁換向閥處于右位，壓縮空氣由氣缸右端進(jìn)入并推動(dòng)活塞，從而使氣缸活塞桿縮回。首先通過(guò)模擬試驗(yàn)得出手臂轉(zhuǎn)動(dòng)所需角度大概是 22o，這里為合理選型，擴(kuò)大它的角度到 90o， 因此 選取 QGB1— 75系列擺動(dòng)氣缸， 為單葉片式 ， 基本尺寸如下表（ 5— 1） 圖 5— 1 A 缸裝配圖 表 5— 1 汽缸 A 基本尺寸 由以上數(shù)據(jù)，計(jì)算 A 缸的耗氣量為 對(duì) B 缸的選取 其中 B 缸所需的行程最 短 為 20mm，這里我們選用 QGD 系列氣缸，通過(guò)計(jì)算其所需流量為 cm3/s，故選其型號(hào)為 QGD Ф20，其行程 為 50mm，其結(jié)構(gòu)與 A 缸完全相同，基本尺寸如下 表（ 5— 2）。 型號(hào) a b c d1 d2 d3 d4 e f n 6— M QGB1— 52 10 Ф12 Ф25 Ф75 Ф48 10 13 5 M6 深10 型號(hào) B B1 B3 D D1 D2 D3 E1 E F T L L1 QGDФ 22 32 20 Ф 10 M5 M5 6 8 40 24 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 24 圖 5— 4 三位五通電磁換向閥 對(duì)氣壓的要求 因?yàn)樘幱跓o(wú)負(fù)載狀態(tài)，所以空氣壓縮壓機(jī) 可 選擇活塞式低壓型， 可 提供 — 的工作壓力，需要 — 30m3/min 的吸入流量，通過(guò)對(duì)各個(gè)氣缸的 耗氣量 計(jì)算，可以得出系統(tǒng)需要的總 耗氣 量為 103m3/min，已經(jīng)滿(mǎn)足該系統(tǒng)的工作要求。其外形及安裝尺寸如圖（ 5— 4）及表（ 5— 6）。 初始位置程序的編寫(xiě) 圖 6— 1 初始位置的 PLC 程序圖 在機(jī)械手進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作之前， 先要將其各個(gè)部分運(yùn)動(dòng)到指定位置，所以在運(yùn)動(dòng)伊始要進(jìn)行初始位置調(diào)節(jié) ，如圖（ 6— 1）所示為其梯形圖，按照 PLC 接線圖（ 6— 2）所示，其順序氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 29 動(dòng)作描述如下： 常按 SB0 不放 —— X0 閉合 —— M0、 M M M M T200、 T20 T20 T20T204 得電 —— M0、 M M M M4 閉合 —— Y Y Y Y Y10 得電 —— KMKM KM KM KM9 得電 —— 電磁繼電器開(kāi)關(guān) KM KM KM KM KM9 閉合，YA YB YC YD YE0 得電 —— A、 B、 C、 D 缸活塞桿 縮回， E 缸活塞桿伸出 ——延時(shí) 一定時(shí)間 后， T200、 T20 T20 T20 T204 常閉