1、精密制造与自动化 2009年第1期 39设计与开发四自由度气动机械手的程序设计 蒋晓刚 高 岭陈永备 江西九江职业技术学院 （332007） 摘 要 从原理、实现方法、程序应用等几方面详细地介绍了四自由度气动机械手的电气设计过程。作为一种机电气一体化平台，四自由度机械手可以在机械手的回转半径范围空间内实现对一定重量的物体抓举的功能。具有很强的扩展性，可以根据需要适时修改程序以实现各种需要的功能。 关键词 PLC 控制 程序设计 机械手 人类自从发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。我们根据人类手的结构和原理设计制造出四自由度气动机械手。按照预定编好的系统程序实现在四个自由度内对在
2、其回转半径以内的一定重量的物体实现抓举功能。该机械手可以广泛地应用于自动化生产线，也可以开发成教学系统进行实验教学。该机械手是机 -电 -气一体化的系统，其构思独特，结构精巧。与同类型的机械手相比，具有动作可靠、结构简单、工作效率高的优点。本文主要介绍机械手的电气系统设计。 1 气动机械手动作循环 1.1 运动功能说明 机械手气动系统见图 1。 图 1 气动机械手的示意图 根据动作要求得出流程图，如图 2 所示。在运用中可根据实际需要修改电路和程序。 1.2 机械手循环动作说明 电磁阀 3 得电，气动手指张开；延迟 2 s 后电磁阀 2 得电，汽缸 2 伸长；延迟 2 s 后电磁阀 3 断电，
3、气动手指闭合夹紧工件；延迟 2 s 后电磁阀 1得电，汽缸 1 上升；延迟 2 s 后步进电机顺时针转动 2 s 刚好转 90 度；停顿 1 s 钟后电磁阀 3 得电，气动手指张开松开工件；然后电磁阀 2 断电汽缸 2回缩， 电磁阀 3 断电气动手指闭合， 电磁阀 1 断电，汽缸 1 下降，步进电机逆时针转动转 90 度回原点。 图 2 机械手搬运工件流程图 2 可编程序控制器 PLC 的 IO 分配 PLC 外部接线图如图 3 所示。 X3-展开启动 X4-工作循环启动 Y0-脉冲输出 Y3-方向输出 Y10-电磁阀 3 Y11-电磁阀 2 Y12-电磁阀 1 图 3 PLC 外部接线图 气
4、动手指张开机械臂伸长 夹紧 工件 松开工 件机械臂上升机械手正转 90原点机械臂回 缩 气动手指 闭合 机械臂下降机械手反转 90电磁阀 3 气动手指汽缸 2 调压阀 汽缸 1 步进电机 分配器 电磁阀 1 电磁阀 2 过滤器 到气源 万方数据精密制造与自动化 2009年第1期 40 设计与开发3 系统梯形图 （上接第 29 页） 用强约束优化法5，在 MATLAB 上求优化解，优化结果为： x1=-1， x2=1， x3=1， x4=1， x5=1。 把优化参数返回式（ 15）得优化结果为： l1=75 mm； L=450 mm； m2=26 kg； k1=200 N/m； k2=180 N
5、/m； l2、 为常数， l2=150mm； =0.05。 3 结果与分析 为了把优化结果与原设计的参数进行比较，我们把原设计参数与优化后各自引起的系统动柔度幅值用 MATLAB 编程得出图 3 所示曲线图。 图 3 优化前后系统动柔度幅值 从图 3 可知，幅度频率采用了 0 10 000 rad/s，至于在这以外的频率，由于不是太低就是太高，没有研究的意义。 从图 3 中可看到，优化后系统的一阶、二阶、三阶模态动柔度都比原设计的动柔度幅值小，优化数据可取， 从幅度曲线中我们可看到优化后的结果。幅度值在后半部分有某些 0 值以下，这主要是程序在进行曲线拟和时的误差所致，是在允许的容差范围内；在
6、 =3 000 4 000 rad/s 左右和 8 000 rad/s 的频率域里，优化后的动柔度幅值比原设计数据的动柔度幅值有稍微的增加，但只是在一个很小的频率域里。由于机床的工作频率很广，这很小的频率域对机床的工作振动没有较大反作用，允许存在。总的来说，优化结果比较理想。 参考文献 1 诸乃雄编 . 机床动态设计原理与应用 M. 上海 : 同济大学出版社 , 1987. 2 S.A.托贝斯 . 机床振动学 M. 天津大学机械制造系译 . 北京 : 机械工业出版社 , 1977. 3 许本文 , 焦群英编著 . 机床振动与摸态分析基础 M .北京 : 机械工业出版社 , 1998, 8. 4
7、 英 F.柯尼希背格 .机床结构 M. ，徐占娣，李明范译 .北京 : 机械工业出版社 , 1982, 3. 5 S.S.雷欧 .工程优化原理与应用 M. 祁载康 , 万耀青 , 梁嘉玉译 . 北京 : 北京理工大学出版社 , 1990, 10. 6 陈秀宁主编 . 机床优化设计 M. 杭州 : 浙江大学出版社 , 1991.9. 7 茆诗松 , 丁元编 .回归分析及其试验设计 M. 上海 : 华东师范大学出版社 , 1981, 10. 金希武 原设计数据产生的动柔度幅值 优化数据产生的动柔度幅值 0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000/ rad s-10.30.25
8、0.20.150.10.050-0.05H11/mN1万方数据四自由度气动机械手的程序设计作者： 蒋晓刚， 高岭， 陈永备， JIANG Xiaogang， GAO Ling， CHEN Yongbei作者单位： 江西九江职业技术学院,332007刊名： 精密制造与自动化英文刊名： PRECISE MANUFACTURING 对PLC应用于交通信号控制系统的设计步骤进行了介绍;根据实际交通信号的控制要求 ,基于松下FP-X型PLC,给出了几种典型的交通信号PLC控制程序.4.期刊论文 王永华.高宏伟.WANG Yong-hua.GAO Hong-wei 基于PetriNet的钢胚磷化PLC控制
9、系统建模及程序设计 -郑州轻工业学院学报（自然科学版）2005,20(1)采用将分层PetriNet和T组合PetriNet相结合的方法,构建了钢坯磷化PLC控制系统的petriNet模型,并采用T组合PetriNet的方法对系统性能进行了分析.结果表明:3个子PetriNet具有相同的结构性质,只要分析其中一个子PetriNet模型,就可以推导出整个系统的性能,大大简化了系统性能分析的工作量.最后给出了系统的主要控制逻辑方程.5.学位论文 王斌 基于PLC的全自动单车试验器的研制 2009为适应全国铁路第六次大面积提速的需要，铁路货车的检修标准也随之提高。单车试验器主要用来对铁路货车制动系统
10、进行检测，其性能的好坏将直接影响到铁路货车运行的安全。在2008年5实行的铁路货车制动装置检修规则(铁运200815号)中对单车试验器的检修精度及抗干扰能力等提出了更高的要求，还明确规定了关于单车试验器必须采用微机控制具有联网功能的系统。现有的单车试验器，在主控制系统方面主要采用单片机控制，由于单片机比较容易受到外界电磁干扰，而现场检测环境又比较复杂，车间设备如动力机械、电焊机等的起停、继电器的吸合、断开等动作都可能产生各种干扰，在一定程度上影响了设备测控的精度和稳定性；在联网方面主要采用有线连接，这种方式由于信号线过长容易产生信号不稳，信号中断，计算机死机等现象，造成试验数据丢失。针对目前单
11、车试验器的现状，同时为了能够更好的满足铁路提速货车检修要求，需将现有的单车试验器进行升级改造。在控制系统上，将原有的单片机控制更新为抗干扰能力更强的工业级PLC控制。人机交互方式上，将原有的键盘操作改为触摸屏式的操作方式。同时，为了进一步提高设备的检测精度，更换了检测精度更高一级的压力变送器，与分辨率更高一级的数模转换装置，从而使设备满足更高的检测要求。此外，还为独立式单车试验器增加了联网功能。在网络连接方式上，为了避免有线连接方式的弊端，鉴于目前国内无线网络通讯系统的成熟，在单车试验器上增加了无线网络传输模块，同时将无线模块与管理服务器相连，从而实现数据通讯的无线网络硬件连接。本论文以齐齐哈
12、尔四达铁路设备有限责任公司单车试验器技术升级改造为项目背景，系统地阐述了以PLC与触摸屏为核心的全自动单车试验器的设计方法。本文从硬件的选型，通信网络的设计，系统的组态，PLC程序的编写，触摸屏界面的设计，管理服务器程序设计等方面，详细地叙述了整个系统的开发设计过程。本文完成的工作主要有三部分内容：硬件平台设计与实现部分，介绍单车试验器各部分的结构组成与相应功能、电路连接方法及整个系统的工作流程；软件平台设计部分，介绍PLC以及触摸屏开发环境，PLC程序和触摸屏界面的开发等；管理服务器程序设计，介绍管理服务器程序的开发环境、后台数据库环境以及管理服务器程序的开发和数据库设计等。6.期刊论文 李
13、海英.郝俊芳.任国伟.李安平.原森.宋建成 基于PLC控制的真空磁力控制站测控系统的程序设计 -电气传动2002,32(5)文章介绍了以PLC为控制核心的真空磁力控制站测控系统的控制原则和技术要求,阐述了监控程序和各功能模块程序的设计方法并绘制了其流程图,针对编程过程中遇到的问题提出了具体解决方案.分析了影响测控系统正常工作的干扰因素并制定了相应的软件抗干扰措施.磁力控制站的初步运行表明,该测控系统配合本文介绍的应用程序具有传统测控系统无法比拟的实用性、可靠性和安全性.7.期刊论文 姜绍辉 电器线路中指示灯的PLC控制程序设计 -机床电器2010,37(1)指示灯是电器控制中不可欠缺的一个部分
14、,利用指示灯的不同闪烁方式可以监控电路的工作情况.文章介绍了基于三菱FX 2N -48MR PLC的多种指示灯闪烁电路的程序设计,给广大从事电气控制方面的工作者以参考.8.期刊论文 范鲲.FAN Kun 基于西门子变频器的PLC控制程序设计 -精密制造与自动化2009(2)研究了基于西门子变频器的PLC控制程序设计.由PLC完成数据的采集和对变频器、电动机等设备的控制任务.基于S7200 PLC的编程软件,采用模块化的程序设计方法,减少了软件的开发和维护.利用组态软件Protool/Pro良好的人机界面和通信能力,使工作人员可以在中央控制室的PC机上方便地浏览现场的工业流程,实现了变频器的参数
15、设置、故障诊断和电动机的启动和停止.9.期刊论文 杜虎兵.罗庚合.DU Hu-bing.LUO Geng-he 基于PLC控制的液压试验台电气设计 -西安航空技术高等专科学校学报2006,24(5)多功能液压附件试验台是用于多种液压元件性能测试的多功能设备,为了实现其电气控制,针对多功能液压附件试验台控制要求,设计了以液压数字比例阀为核心元件、以富士PLC为控制器、采用模块化结构的配套电控系统,并进行PLC控制程序设计,建立起电气控制系统,得到了可靠方便的运行结果.10.会议论文 钱荣 PLC控制在高炉水渣系统中的应用研究 2008使用可编程逻辑控制器(PLC)实现高炉水渣系统的控制，并对水渣工艺流程，关键设备转鼓的控制作详细的介绍，程序设计中运用了模块化的设计思想，程序编制更加简单，调试、维护更加方便。本文链接：http:/
