氣動機(jī)械手設(shè)計

購買設(shè)計請充值后下載，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點開預(yù)覽，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無水印，可編輯。具體請見文件預(yù)覽，有不明白之處，可咨詢QQ:12401814 附件1基于路徑幾何約束的高效機(jī)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：傳統(tǒng)上，機(jī)械手控制運算法則被區(qū)分為兩級，即路徑規(guī)劃和路徑跟蹤（或路徑控制）。這種劃分方法已經(jīng)被主要地應(yīng)用于減輕復(fù)雜連結(jié)的機(jī)械手動力學(xué)。不幸的是，這種簡單的劃分方法是以犧牲機(jī)械手的工作效率為代價的。為了改善這種低效率的情況，本文認(rèn)為要使機(jī)械手在最短時間內(nèi)沿著一條指定的幾何路徑移動受到輸入扭矩/扭力的限制。我們首先采用幾何學(xué)路徑約束引入避免碰撞和操作需求的變量函數(shù)來描述機(jī)械手動力要求，然后將輸入扭矩/扭力的限制參數(shù)轉(zhuǎn)變成這些變量。最后最短時間的求解就可用相平面技術(shù)進(jìn)行推導(dǎo)運算求解。1、前言在過去的幾年人們主要關(guān)注于工業(yè)自動化技術(shù)，尤其是使用通用機(jī)器人技術(shù)。由于工業(yè)機(jī)器人的目的是為了提高生產(chǎn)力，如何使每1美元的機(jī)器人控制投入獲得盡可能多的效益成為越來越突出的問題。通常固定成本在生產(chǎn)項目成本中占主導(dǎo)地位，所以人們總希望在給定的時間中生產(chǎn)盡可能多的產(chǎn)品。有多種算法可用于最短時間或接近最短時間機(jī)械手控制運算。這些算法通常劃分為兩個層次。第一個層次是所謂的路徑規(guī)劃，第二個層次是所謂的路徑跟蹤或路徑控制。通常路徑控制的定義是企圖實現(xiàn)讓機(jī)器人的實際位置和速度匹配理想的位置和速度。這種控制用控制器來實現(xiàn)?？刂破鹘邮丈弦淮斡嬎愕睦硐胛恢弥蹬c速度值進(jìn)行路徑位置描述，然后通過路徑跟蹤系統(tǒng)跟蹤機(jī)械手實際位置和速度得到運動偏差。這樣分開控制方案是基于機(jī)械手控制程序，如果把控制作為一個整體考慮將會非常復(fù)雜，由于幾乎最簡單的機(jī)械手的動力學(xué)之后是高度地非線性甚至更復(fù)雜。把控制分為兩部分來分別處理使得整個控制過程變得簡單。路徑追蹤通常是一個線性的控制算法，機(jī)械手動力學(xué)的非線性在這一個水平時常不被考慮，如此的追蹤控制通常能得到需要的軌道并使機(jī)械手運動與實際要求保持非常接近。使得精密加工得以實現(xiàn)，例如解析運動速度控制（參考文獻(xiàn)1 ） ，突然的加速度控制（參考文獻(xiàn)2 ）， 及斷續(xù)速度變化控制（參考文獻(xiàn)3-5 ）。不幸的是，單純地劃分為路徑規(guī)劃和路徑追蹤是以犧牲效率為代價的。效率低下的根源是路徑規(guī)劃，為了提高機(jī)械手的效率，路徑規(guī)劃時必須了解該機(jī)器人的動態(tài)特性，以及準(zhǔn)確的動態(tài)模型。然而，規(guī)劃運算法則的大部份的路徑計算只與數(shù)據(jù)計算有關(guān)，有關(guān)機(jī)械手的動力學(xué)計算非常少。通常假定機(jī)械手的速度和加速度為恒定或按一定規(guī)律變化的（參考文獻(xiàn)6，7），并具有一定的區(qū)域邊界約束。事實上，這些約束因位置，負(fù)載大小，甚至隨有效載荷面積而改變。因此為了使邊界約束為有效的恒定值，速度面積法的邊界取值必須是速度和加速度的整體最低值；換句話說，對于最壞情況的限制必須有效。由于機(jī)械手關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動慣量加速度有限制，可能被三個或更多的條件所約束，這些多出的約束造成機(jī)械手的效率低下。為了提高效率，本文提出了一種依據(jù)幾何路徑和輸入扭矩/扭力上的最短時間機(jī)械手路徑控制解決方案，方案以路徑運算法則的方式加入機(jī)械手動力學(xué)運算。路徑規(guī)劃輸出真實的最短時間，作為其它可被測量的路徑規(guī)劃的測量標(biāo)準(zhǔn)。注意，本文提到的問題和解決辦法與參考文獻(xiàn) 8，9 中的接近最短時間控制理論不同。本文分為五個部分分別論述，第二部分描述了使機(jī)械手輸入扭矩的動態(tài)約束方程更易于處理和控制的方法；第三部分考慮公式化時間控制的細(xì)節(jié)問題；第四部分用狀態(tài)平面的技術(shù)求解最優(yōu)解；第五部分是本文亮點，推導(dǎo)產(chǎn)生最佳的運動軌跡的運算法則；最后部分是該方法則使用意義討論。2、機(jī)器人動力學(xué)與約束在進(jìn)行最短時間控制問題研究前，先考慮對系統(tǒng)的行為進(jìn)行控制，即機(jī)器人的手臂動力學(xué)模型。有多種方法獲得的機(jī)器人臂的動力學(xué)方程，即方程中有關(guān)位置處的綜合力和扭矩，速度扭矩和加速度。最常使用的兩種方法是拉格朗日和牛頓、歐拉公式。牛頓、歐拉公式雖然計算效率高，但卻很難用于控制問題的遞推計算。拉格朗日雖然計算效率不高，但確實產(chǎn)生一組非常適用于機(jī)械手控制問題的微分方程式。在這里動力方程僅用于獲得分析結(jié)果，我們使用拉格朗日的方法得出以下機(jī)械手動力學(xué)方程(參考文獻(xiàn)12，13)。qi=vi (1a)ui=Jijqvj+Rijvj+Cijkqvjvk+Giq (1b)式中 qi=ith 廣義坐標(biāo) vi=ith 廣義速度 ui=ith 廣義力 Jij= 慣性矩陣 Gi = 在 ith 加上重力的力 Cijk= 科氏陣列 Rij= 粘性摩擦矩陣愛因斯坦求和約束的使用使所有指數(shù)從1到n包含在n自由度機(jī)器人中。慣性矩陣Jij的比例常數(shù)是施加于ith的總的扭矩/扭力與Jij上的總加速度。科里奧利數(shù)列描述了結(jié)合 j 和 k 的速度進(jìn)入Cijk的力。粘性摩擦矩陣R給出由于速度 j 產(chǎn)生的 i 而受到的摩擦力。注意這個矩陣為對角矩陣，所有輸入數(shù)值無負(fù)值。機(jī)器人的手臂運動當(dāng)然不會完全不受約束。事實上，在關(guān)節(jié)處機(jī)器人手臂必須限制在一個固定的空間運動，且運動軌跡為給定的參數(shù)化曲線。曲線被由參數(shù) 的n個函數(shù)集決定，所以我們有qi=fi ， 0max (2)其中為理想軌跡的一個參數(shù)，當(dāng)從 0 到max變化時坐標(biāo) qi 也連續(xù)地變化且路徑不重復(fù)，即0=0 ，tf=max .應(yīng)當(dāng)指出，在實際空間的運動軌跡是建立在笛卡爾坐標(biāo)上。一般很難把曲線從笛卡爾坐標(biāo)完全轉(zhuǎn)換到機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)中，相對地執(zhí)行單個點的轉(zhuǎn)換卻很容易。在笛卡爾的路徑上拾足夠多的點進(jìn)行坐標(biāo)變換，利用插值法技術(shù) （例如 三次樣條函數(shù)）獲得機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間的一個相似的軌跡。（見10為一個例子）回到之前的問題，我們用時間來區(qū)分參數(shù)化的qi 得到 其中 = 運動方程沿著曲線（Le幾何學(xué)的路徑）變成注意，如果表示沿著路徑的弧長，那么和分別表示沿著路徑的速度和加速度?；谶@種參數(shù)化有兩個狀態(tài)變量，即和，但有（n + 1）個方程。選擇方程=和剩余方程序之一為狀態(tài)方程，其他方程作為輸入 的約束。將ith乘以dfi()d 就可以從給出的n個方程中得到一個狀態(tài)方程這個公式有個明顯的優(yōu)點，在約束函數(shù)導(dǎo)出的向量中參數(shù)是二次的，當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)存在時曲線可以進(jìn)行參數(shù)化，且慣性矩正定，整個的方程能被正的、非零的參數(shù)分開，由和得到的一個解?，F(xiàn)在得到二個狀態(tài)方程，而最初的n個方程則由輸入和 約束（關(guān)于這方面將在后面討論）。 通過變換，狀態(tài)方程變?yōu)楝F(xiàn)在考慮由|ui|umaxi和公式（4a）限制的約束，動態(tài)方程（4a）可以寫成這樣的形式：ui=gi()u+hi(，). 對于一個給定的狀態(tài)，也就是給定的 h 和，u，這是一個參數(shù)p的一組線性參數(shù)方程，約束存在于輸入變化區(qū)間及因輸入變化形成的約束矩陣中。因此把矩陣約束在u上，通過方程參數(shù)使輸入扭矩/扭力變化的所有位置、速度在路徑上彼此限制，給出初始的(，）及u的大小，如果知道機(jī)械手關(guān)節(jié)處的輸入扭矩、扭力這樣就能用數(shù)的處理來代替n個矢量的處理進(jìn)而得到一系列的約束（路徑狀態(tài)方程）。因為性能完全由u決定，我們用-umaxiui+umaxi于是有：簡化：于是得到：注意：前面的方程都是的函數(shù)，為了簡化計算，功能的依賴性在下面的計算不再指出。給出的控制不等式：另一種格式：LBiuUBi，這些參數(shù)由n決定，u滿足：maxLBiuminUBi 或者GLB(，)uLUB(，) （7e）路徑計劃要呈現(xiàn)的運算法則與之前依照慣例得到方程的不同，可知參數(shù) 是笛卡爾的空間的弧長，是速度，是幾何加速度。傳統(tǒng)路徑規(guī)劃把加速度劃分為幾個常數(shù)間隔，于是：GLB(，)uminuumaxLUB(，)式中umin 和 umax是常數(shù)。傳統(tǒng)方法把加速度進(jìn)行了過多的約束，使速度也有過多的約束。3、最佳控制問題的公式化現(xiàn)在我們得到根據(jù)幾何路徑和輸入系統(tǒng)規(guī)定參數(shù)的機(jī)械手動力方程，就可以分析實際控制問題了。機(jī)械手控制的目的是以最小的輸入得到最大的動力輸出，這可以用最佳控制語言來描述，常用的方法使龐特里亞金最大值原理11。最大值問題即點的連接問題，除了一些簡單的點不能使用閉環(huán)控制，而且很難以數(shù)字的方式解決。我們使用最大值原理獲得加工質(zhì)量而不僅僅是獲得方程的解，這個解將用于之后的最小時間求解?？紤]實際情況，最低成本即最短加工時間，就是求機(jī)械手運動最大速度，可以表示為：C=0tf l dt (8)這里tf由電子激光器決定，價值函數(shù)C必須服從下面給出的3個約束：機(jī)械手的動力微分方程約束（即式（6a），(6b)）;輸入量要求，關(guān)節(jié)驅(qū)動器輸入扭矩允許范圍要求（即|ui|umaxi）；第三個參數(shù)是空間參數(shù)設(shè)置，機(jī)械手運動到達(dá)指定工位不能與如何物體相碰。假定理想的幾何方程已經(jīng)把最小時間控制參數(shù)化，就像之前希望的（即等式（3），但最初的點為=0，結(jié)束點為=max且dfid存在，這樣保證（6a），（6b）存在，同時當(dāng)從0到max方程是單調(diào)的。把這些代入動力方程，我們得到如下的最短時間方程（簡稱MTPP）。MTPP：求出x0=0，0和ui0 通過將式（8）代入（6a），(6b)， |ui|umaxi ，及邊界條件0=0 , tf=f (9a)0=0 , tf=max (9b)3.1、最大原則的應(yīng)用為了使0max需要增加一個第三個狀態(tài)方程，第三狀態(tài)v，并要求：v=2l-+max-2l-max (10)其中：lx=1 (x0) 0 (x0) v0要求邊界約束v0=vtf=0這樣v無限接近0，當(dāng)在0max中間隔取值使v無限接近0。在對狀態(tài)方程進(jìn)行變化前，先定義函數(shù)：這樣就可以簡化公式，得到：區(qū)間M表示機(jī)械手功能的二次形式，如果把參數(shù)qi加入到動能方程，得到K=M2/2 ；Q表示科里奧利的組成和沿著路勁加上參數(shù)化的地心引力；區(qū)間R表示摩擦力，S給出沿著路勁的地心引力，U表示輸入重力區(qū)間。 之前的MTPP可以這樣變化將（8）代入（11a），(11b)，(11c)，(7d)，(9a)，(9b)求y0=0，0，v0和U0的極小值，通過MTPP變換哈米爾頓函數(shù)變?yōu)椋夯蚴褂们懊娴奶鎿Q得到哈米爾頓函數(shù)對求導(dǎo)，對求導(dǎo)，最后對v求導(dǎo)，應(yīng)用最大值原理，我們需求出H在（12b）中的最小值，聯(lián)合各式（11a），(11b)，(11c)，(9a)及（7b），且H必須滿足邊界條件。這里y是矢量（，v）的狀態(tài)向量，我們得到一個簡單的輸入?yún)^(qū)間 在式（14）中知道H不明確依賴t，也可以看作 是由約束（9）和vtf=0得到。注：哈米爾頓函數(shù)（12b）在U上線性，且由于ui和dfid在0，max有界使得U有界，這就要求U的最優(yōu)解必須滿足繼電氣控制邏輯，在最優(yōu)軌跡上任意點的式（12b）中U的解是U的最大或最小值，通過對ui求導(dǎo)得到U的極值，關(guān)于ui的等式約束為ui=gi()+ hi (，)，得到由于U的繼電器控制和給定的參數(shù)（，）U的大小線性地跟隨，也必須滿足繼電氣控制邏輯。因此等于GLB(，)或LUB(，)。再考慮三維空間，作用于不均等加工時輸入等式約束線上一點，如果 ith 的聯(lián)合輸入在約束的一邊慢慢趨近于最大值，將推使機(jī)械手向正方向推動。無論輸入的系數(shù)是否為零以上的推論都成立，即p2在（13a）中不為0。如果p2只在孤立的點處為0，則得到各處的最佳控制。另一方面，如果p2在某些區(qū)間內(nèi)為0，我們有下列的定理。定理1：如果p2在區(qū)間t1，t2 (t1S0Umin(0) 則p2(0)0 ;證明：已知0max則當(dāng)t=tf有0，又tf=0，則當(dāng)ttf時(t)max。但在tf處tf=M-1U-S0于是U-S0，矛盾，故有p2(tf)0；確定p2(0)的符號及（0）的大小，同理可得00 ，則U-S0，使用繼電器控制于是有U=Umax否則 U=Umin且Umin-S0，但如果U=Umax則p20，于是p2(0)0.這些理論的一個重要原則是開關(guān)點個數(shù)為奇數(shù)，如果開關(guān)點個數(shù)為偶數(shù)，p2(tf)的符號將和p2(0)的符號相同，則sinp2tf=（-1）msin( p20)其中m為符號變化次數(shù)。4、相平面解釋在相位平面中審查系統(tǒng)行為，相位平面軌跡的方程由方程（11 b ）及（11 a）獲得有趣的是整個時間T從開始到結(jié)束可以寫為然后將得到給定的整體最小參數(shù)，這就希望越大越好。參數(shù)有兩個影響因數(shù)：運動軌跡的斜率和值的大小。用除以得到dd= ；為了得到就必須考慮的范圍，通過和的特征值，我們有LUB(，)0且20，則在區(qū)間1，2至少存在一個零點。證明：如果g（ ）的微分在區(qū)間1，2連續(xù)，那么一定存在一個零點。如果g（ ）不連續(xù)，假設(shè)不存在零點，則在g（ ）溢出區(qū)間存在一個或更多的點，符號變化發(fā)生于這一個或更多的這些點。如果不是這樣，那么在g（ ）存在一個符號變化的點使g（ ）微分連續(xù)，而且因此會有一個零點。兩個限制參數(shù)記為g1，g2;g1作用于d，由lim0lim有對于0我們有代入約束，由g（ ）=min gi（ ）得g1 d+ di的約束解，和假設(shè)矛盾。這樣至少存在一個點使為零。這一個定理的圖解意義在圖 7 說明。從圖中看出， g（ ）一定超出區(qū)域，且是分段連續(xù)的，曲線向上跳躍。證明完畢。為了要證明ACOTNF 結(jié)束，我們對函數(shù)fi() 進(jìn)行一些假設(shè) ，假設(shè)fi可分段求解且由有限個不含實際價值的數(shù)組成。非正式地，因為慣性矩陣，科里奧利數(shù)列，重力加速度等是全局解析函數(shù)，而且自從路徑被限制之后是分段求解的，我們已經(jīng)處理的所有函數(shù)也是分段求解的，函數(shù)也是分段求解的，于是將會因此在每個區(qū)域中產(chǎn)生一個零點或有限個零點。如果間隔地為0，軌跡將沿著邊界停止在間隔結(jié)束的地方，相同的零間隔不會引起問題。只有間隔的最右面點可能是一個交換點，因此只有如此有限的間隔會引起ACOTNF 有限的反復(fù)。如此收斂被保證，因此有限數(shù)目的解域我們有下列的定理：定理3b：如果函數(shù)fi有有限個實際價值解，那么函數(shù)存在一定數(shù)量的間隔結(jié)束于區(qū)域外的零。證明：慣性矩陣，科里奧利陣列，重力加速度在 qi 中分段解，fi在處的解等等作為函數(shù)（就像公式（4a）和(4b)）的分段解或有限的單解。公式（7b）中的M，Q，R，S也是單個的解。一個在有限區(qū)間內(nèi)沒有奇點的實際價值的解析函數(shù)，一定存在有限個零點或同一零點，工程量M必須在區(qū)間內(nèi)為零。如果假設(shè) 我們可以得到所有的Mi零點。如果其中一個Mi不為零，就不存在邊界曲線，就沒有零點。只要有兩個或更多不為零的點，就可得到邊界曲線。坐標(biāo)i，j代入式(17b)(用=代替)得到曲線，式（17b）中系數(shù)A，B，C，D排除在Mi中的零之外，由于Mi存在零點，考慮用Mi中的零點進(jìn)行區(qū)間分割。在每個小區(qū)間內(nèi)，只有一個（17b）方程有效。在區(qū)間內(nèi)是的一個解，邊界曲線g（ ）是特解，也是特解且在每個區(qū)間內(nèi)存在一個或數(shù)個零點。由于在區(qū)間內(nèi)存在一個或數(shù)個零點，因此區(qū)間個數(shù)是有限的，且結(jié)束于區(qū)域外的零。證明完畢。定理4：由ACOTNF產(chǎn)生的任何軌跡在最短時間控制上是最優(yōu)的。證明：該定理的證明是直接證明。假設(shè)一個軌跡比由ACOTNF算法產(chǎn)生的軌跡有更小的運動時間。由等式（8）可知，必然存在使新軌跡上的點（，）高于ACOTNF軌跡上的點（，），即。否則，就不存在一個運動時間更短的軌跡。我們根據(jù)最大原則分析可知解不唯一，即存在數(shù)條最大加減速曲線，所以我們只能應(yīng)用那些不確定的軌跡?，F(xiàn)在有四種可能，（，）可能位于ACOTNF軌跡初始的加速段，也可能位于最后的減速段，也有可能位于其他的加速或減速軌跡上。在第一種情況下，新軌跡的初始值必須大于ACOTNF的初始值。否則，新的軌跡必須在某些點上具有比ACOTNF更大的加速度，而這是不可能的，因為ACOTNF軌跡擁有可允許的最大加速度。新軌跡因此就可能達(dá)到合適的臨界條件。第二種情況與之類似。因為（，）點在ACOTNF軌跡上，新軌跡必須比擁有最大的減速度的ACOTNF軌跡減速更快才能達(dá)到相同的臨界條件。這也是不可能的，因為ACOTNF使用最大的減速度。在第三種情況下，（，）在其他的加速軌跡上，在這種情況下，通向（，）點的軌跡必須移出可行域的邊界。否則，這些軌跡必須通過ACOTNF軌跡的加速階段，因為它們通過邊界上的一個點。新軌跡在該相交點的加速度將大于ACOTNF的軌跡，同樣，這也是不可能的。最后一種情況與前者類似。從（，）出發(fā)的加速或者減速軌跡必須要么與可行域的邊界相交，要么比ACOTNF減速軌跡減速快，因此，無解。證明完畢。這種產(chǎn)生最優(yōu)軌跡的方法可以在相位平面內(nèi)任何有可行域的情況下工作，而不只是無摩擦的情況?；舅枷胧菬o限接近可行域的邊緣而不超出它。因此軌跡僅僅是沒有接觸到非可行域。在實際中這當(dāng)然會很危險，因為控制系統(tǒng)輸入和測試系統(tǒng)參數(shù)的小錯誤都將很可能使機(jī)器人偏離預(yù)定的軌跡。然而從理論上說，這個軌跡是最節(jié)約時間的。我們現(xiàn)在考慮一般的情況，即摩擦力足以使相位平面產(chǎn)生孤島。在這種情況下，該算法必須用一種超微不同的形式來展現(xiàn)。因為存在數(shù)條邊界曲線而不是一個，不可能像ACOTNF中做的那樣只研究零點的一個函數(shù)。因此我們不再在算法過程中尋找零點，而是一次性的全找出來。然后建立沒有邊界的軌跡，不管這些邊界是可行域的邊緣還是孤島的邊緣。合適的軌跡可以通過搜索結(jié)果曲線圖找到一直選擇盡可能高的軌跡，有必要的話回溯。更正式的，最優(yōu)軌跡建立算法是：第一步：建立初始的加速軌跡。（與ACOTNF相同）第二步：建立最終的減速軌跡。（與ACOTNF相同）第三步：計算可行域邊線和所有的孤島邊線的函數(shù)（）。在每一個零點，建立一個以零點為轉(zhuǎn)換點的軌跡，就像ACOTNF的第五步和第六步。轉(zhuǎn)換方向（加速到減速或者反過來）應(yīng)該以不使軌跡離開可行域為準(zhǔn)來選擇。延長每條軌跡，使它或者離開可行域或者通過max.第四步:找到軌跡的所有交點。這是潛在的轉(zhuǎn)換點。第五步：從=0，=C穿過網(wǎng)格，這些網(wǎng)格是由從起始點到終點的最高的軌跡形成的。這在下面的網(wǎng)格穿越算法中有介紹。穿越有上面的第三步和第四步產(chǎn)生的軌跡形成的網(wǎng)格是對曲線圖的一個搜索，目的是要找到最終的減速軌跡。如果設(shè)想一個人沿著這些軌跡搜索這些網(wǎng)格，那么如果這可能的話他就會一直左轉(zhuǎn)。如果一個轉(zhuǎn)向引向了死角，那么就有必要回溯，然后就向右轉(zhuǎn)了。整個過程是遞歸的，就像瀏覽樹狀圖的過程一樣。算法包含兩個過程，一個是搜索加速曲線，另一個搜索減速曲線。算法是：加速搜索：在當(dāng)前的（加速）軌跡上，找到最后一個轉(zhuǎn)換點。在這一點，當(dāng)前的軌跡到達(dá)一個減速軌跡。如果那條曲線是最終的減速軌跡，那么現(xiàn)在考慮的轉(zhuǎn)換點就是最終的最優(yōu)軌跡的一個轉(zhuǎn)換點。否則，從當(dāng)前的轉(zhuǎn)換點開始進(jìn)行減速搜索。如果減速搜索成功，那么當(dāng)前的點就是最優(yōu)軌跡的一個轉(zhuǎn)換點。否則，沿當(dāng)前的加速曲線回到前一個轉(zhuǎn)換點，重復(fù)這個過程。減速搜索：在當(dāng)前的（減速）軌跡，找到第一個轉(zhuǎn)換點。從該點開始應(yīng)用加速搜索。如果成功，那么當(dāng)前的點就是一個最優(yōu)軌跡的轉(zhuǎn)換點，則前移至下一個轉(zhuǎn)換點并重復(fù)這個過程。這兩個算法一直是首先尋找速度最高的曲線，因為加速搜索總是從加速曲線的末端開始，而減速搜索總是從減速曲線的開端開始。因此算法找到（如果有可能）速度最快的軌跡，因此搜索時間最短。這個算法的最優(yōu)性和一致性的證明實質(zhì)上與ACOTNF是一樣的，這里不再重復(fù)。注意在ACOTNF的一致性證明中，在零摩擦情況下只存在一條邊界曲線的事實沒有用到；因此同樣的證明也適用于高摩擦條件下。6.討論和總結(jié)在這篇文章里，我們展示了一種獲得在提供理想的幾何軌跡和輸入扭轉(zhuǎn)約束力的條件下機(jī)械手運動最小時間控制軌跡的方法。就像前面提出的，最優(yōu)軌跡可能接觸到可行域的邊界，產(chǎn)生相當(dāng)危險的情況。但是，如果在計算中使用略微保守的扭轉(zhuǎn)約束值，那么實際的可行域就會略微大于計算可行域，留出失誤的空間。在高摩擦和低摩擦情況下的算法都已經(jīng)展示了。在這兩種情況下，算法產(chǎn)生“僅僅丟失”非可行域的軌跡，不管丟失的非可行域部分是一個孤島還是有較高的速度限制形成的域。假設(shè)機(jī)器人的輸入轉(zhuǎn)矩被約束，我們得到一個測試機(jī)器人沿給定的空間路徑運動的最小時間開環(huán)控制的算法。但是，對不同的輸入?yún)?shù)也應(yīng)該可能獲得解。因為該算法產(chǎn)生真正的最小時間解，而不是一個近似值，所以該算法的結(jié)果能夠為其他的路徑設(shè)計算法提供一個絕對的測量參考。參考文獻(xiàn)1 D. 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Lin, Optimum path planning for mechanical manipulators, .4,5,VE Jounzal 3f Dynarzic Systems, Mearurement and Control , vol. 2, pp. 330-335, June 1981.8 M.E. Kahn and B. E. Roth, The near minimum-time control of open-loop articulated kinematic chains, .ASME J . DSMC, vol. 93, no. 3, pp. 164-1 72, September 1971.9 B.K. Kim and K. G. Shin, Near-optimal control of industrial manipulators with a weighted minimum time fuel criterion, to appear in Proc. 22nd CDC: San Antonio, TX., Dec. 1983.10 C.-S. Lin, P.-R. Chang, and J. Y. S. Luh, Formulation and optimization of cubic polynomial joint trajectories for mechanical manipulators, Proc . 21 CDC, Orlando, FL., Dec. 1982.11 D. E. Kirk, Optimal control theory: an introduction , Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1971, pp, 227-238.12 R. P. C. Paul, Robot manipulators: Mathematics. programming. and control, MIT Press, Cambridge, Mass., 1981, pp. 157-1 95.13 D. Ter Haar, Elements of Hamiltonian mechanics , Secondedition, Pergamon Press, 1971, pp. 35-49. 附圖：附件2外文資料第一章 概述1、引言 隨著氣動技術(shù)獲得了快速發(fā)展，利用成本性能比低，同時具有許多優(yōu)點的氣動機(jī)械手設(shè)備來滿足社會生產(chǎn)實踐需要越來越多的受到重視。氣動機(jī)械手與其他控制方式的機(jī)械手相比，具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單，功率體積比高、無污染及抗干擾性能強(qiáng)等特點。1、2機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展 機(jī)械手臂在產(chǎn)業(yè)自動化的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，因為各個國家產(chǎn)業(yè)分布的不同，以及各產(chǎn)業(yè)對于機(jī)械手臂的需求量也有差異。主要是使用于人工無法進(jìn)行或者會耗費較多時間來做的工作，機(jī)械手臂在精度與耐用性上可以減少許人為的不可預(yù)知問題。自從第一臺產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人發(fā)明以來，機(jī)械手臂的應(yīng)用也從原本的汽車工業(yè)、模具制造、電子制程等相關(guān)產(chǎn)業(yè)，更拓展到農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)等等。 多軸機(jī)械手臂研發(fā)方面，多軸式機(jī)械手臂廣泛應(yīng)用于汽車制造商、汽車零組件與電子相關(guān)產(chǎn)業(yè)。機(jī)械手臂可以提升產(chǎn)品技術(shù)與品質(zhì)，而這些初期工作大多可以借由機(jī)械手臂來完成。機(jī)械手臂的精準(zhǔn)、零誤差，對于產(chǎn)品的品質(zhì)掌握自然擁有其優(yōu)勢，減少品管所花費的時間與人力。 工業(yè)應(yīng)用上，以裝配、加工、熔接、切削、加壓、貨物搬運、檢測等，全球目前產(chǎn)業(yè)使用量是以汽車、汽車零組件、化工、橡膠和塑料等最大?，F(xiàn)在，ROBOT的應(yīng)用已越來越多元化，依據(jù)國際機(jī)器人協(xié)會（IFR）的統(tǒng)計，至2007年底機(jī)械手臂除了工業(yè)以外，最多應(yīng)用于救援、保全與野地（田野、牧場等），近年來，各先進(jìn)國家為了提升臺機(jī)器人的技術(shù)水平，都會推廣機(jī)器人產(chǎn)業(yè)與創(chuàng)立相關(guān)聯(lián)盟，并且特別針對工業(yè)以外的領(lǐng)域進(jìn)行推廣，例如：醫(yī)療、服務(wù)、生活方面等。以醫(yī)療為例，有許多大型醫(yī)學(xué)中心使用以手動操控方式之機(jī)械手臂，結(jié)合顯微影像顯示系統(tǒng)所結(jié)合的手術(shù)型機(jī)器人。 機(jī)械手臂的研發(fā)也朝向節(jié)省人力、減少人類暴露在危險的工作環(huán)境、甚至進(jìn)行更加精密的工作或是輔助操作。機(jī)械手臂的技術(shù)發(fā)展都是為了讓人類在工作與生活中更加便利。 1、3氣動機(jī)械手概述 氣動機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1、4機(jī)械手的組成和分類1、4、1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示?？刂葡到y(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)被抓取工件執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置檢測裝置 圖1.1機(jī)械手的組成方框圖(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易構(gòu)件，故應(yīng)用較廣泛平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母多，式彈簧式和重力式等。附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式。2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 手臂可能實現(xiàn)的運動如下:手臂運動基本運動復(fù)合運動直線運動與回轉(zhuǎn)運動的組合(即螺旋運動)兩直線運動的組合(即平面運動)回轉(zhuǎn)運動:如水平回轉(zhuǎn)、左右擺動運動直線運動:如伸縮、升降、橫移運動兩回轉(zhuǎn)運動的組合(即空間曲面運動)。手臂在進(jìn)行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。4、立柱立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械豐的立往通常為固定不動的，但機(jī)械手的立柱是支承手臂的部件，因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運動。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動裝置。6、機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。（二）驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的動力裝置。通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)械傳動。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。（三）位置檢測裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.1.4.2機(jī)械手的分類工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。1、 按用途分機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:（1） 專用機(jī)械手它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)，如自動機(jī)床、自動線的上、下料機(jī)械手。（2） 通用機(jī)械手它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。2、 按驅(qū)動方式分（1） 液壓傳動機(jī)械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。其主要特點是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。（2） 氣壓傳動機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。其主要特點是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。（3） 機(jī)械傳動機(jī)械手即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。（4） 電力傳動機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運動速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。3、 按控制方式分（1） 點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。（2） 連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計算機(jī)進(jìn)行控制。第二章 氣動機(jī)械手的設(shè)計對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。2.1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱坐標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有四個自由度，為了彌補(bǔ)升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。2.2機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使用夾持式手部；當(dāng)工件是板料時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。2.3機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 考慮到機(jī)械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。2.4機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。2.5機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動方式。2.6機(jī)械手的控制方案設(shè)計 考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。2.7機(jī)械手的主要參數(shù) 1、主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機(jī)械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為10公斤，高速動作時抓重減半。使用吸盤式手部時可吸附5公斤的重物。 2、基本參數(shù)運動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。 該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計為1. 2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為120o/s。平均移動速度為lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為900/s。 機(jī)械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。 除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(應(yīng)大于1800，否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土0. 51 mm，旋轉(zhuǎn)角度為180。2.8機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途: 用于100噸以上沖床上下料。二、設(shè)計技術(shù)參數(shù): 1、抓重10公斤(夾持式手部)5公斤(氣流負(fù)壓式吸盤)2、自由度數(shù)4個自由度3、座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑1500mm5、手臂最大中心高1380mm6、手臂運動參數(shù)伸縮行程600mm伸縮速度500mn/s升降行程200mm升降速度300mm/s回轉(zhuǎn)范圍00 -2400回轉(zhuǎn)速度900/s7、手腕運動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍 00-1800回轉(zhuǎn)速度1800/s8、手指夾持范圍棒料:80150mm片料:面積不大于0. 59、定位精度士0. 5mm10、緩沖方式液壓緩沖器11、傳動方式氣壓傳動12、控制方式點位程序控制(采用PLC)2.9機(jī)械手裝配2.9.1手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計針對的是工件是棒料時，使用夾持式手部。夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指 (或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，本設(shè)計選擇齒輪齒條式。設(shè)計時考慮的幾個問題：(一) 具有足夠的握力 (即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。(二) 手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。(三) 保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。(四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。(五) 考慮被抓取對象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如圖所示。本課題氣動機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖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,摩擦系數(shù)為f=0. 10。其中：N = 0.5G*10*tg(5) 0.5*20*tg60=17.3N夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為P = N = 173 N。 圖2.1齒輪齒條式手部2.9.2手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而具有獨立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。 目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于360，并且要求嚴(yán)格的密封。手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。圖2.2所示為手腕受力的示意圖。 1.工件 2.手部 3.手腕圖2.2 手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算: M驅(qū) =M慣+ M偏+ M摩+ M封 式中:M驅(qū) 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(Kg *cm)； M慣 慣性力矩(Kg *cm)； M偏 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩(Kg *cm)； M摩 手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(Kg *cm)； M封 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(Kg *cm)。2.9.3回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的工作原理如圖2.3所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片3及密封圈4把氣腔分隔成兩個.當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉片回轉(zhuǎn)氣缸的壓力p和驅(qū)動力矩M的關(guān)系為: P =圖2.3回轉(zhuǎn)氣缸簡圖式中:M - 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩(N*cm)； P - 回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力(N*cm)； R - 缸體內(nèi)壁半徑 (cm); R - 輸出軸半徑 (cm); b - 動片寬度 (cm).上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應(yīng)代以工作壓力P1與背壓P2之差。2.9.4手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降 (或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。（1） 結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復(fù)運動采用的是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時，氣壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。在本機(jī)械手中采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。（2） 導(dǎo)向裝置氣壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。目前常采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿等，在本機(jī)械手中采用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。（3） 手臂伸縮驅(qū)動力的計算手臂作水平伸縮時所需的驅(qū)動力： 圖2.4手臂伸出時的受力狀態(tài)圖2.4所示為活塞氣缸驅(qū)動手臂前伸時的示意圖。在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅(qū)動力和壓力之間的關(guān)系式不一樣。當(dāng)壓力油(或壓縮空氣)輸入工作腔時，驅(qū)使手臂前伸(或縮回)，其驅(qū)動力應(yīng)克服手臂在前伸(或縮回)起動時所產(chǎn)生的慣性力，手臂運動件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力，因此，驅(qū)動力計算公式為: P驅(qū) = P慣+ P摩+ P封+ P背 式中: P慣 - 手伶在起動過程中的慣性力(N)； P摩 - 摩擦阻力(包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N)； P封 - 密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻力不同。 P背 - 氣缸非工作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與油箱或大氣相連時，則P背=0 。2.9.5手臂升降和回轉(zhuǎn)部分 手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱、升降缸活塞軸、升降缸體,碰鐵、可調(diào)定位塊、定位拉桿、緩沖撞鐵、定位塊聯(lián)接盤和導(dǎo)向桿等組成。 實現(xiàn)機(jī)械手手臂回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好，對氣缸孔的機(jī)械加工精度也易于保證。手臂回轉(zhuǎn)運動采用多點定位緩沖裝置，其工作原理見回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器部分。2.9.6手臂伸縮氣缸的設(shè)計 1、驅(qū)動力計算根據(jù)手臂伸縮運動的驅(qū)動力公式: （N）其中，由于手臂運動從靜止開始，所以v=v。摩攘系數(shù):設(shè)計氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查有關(guān)手冊可知f=0.17。質(zhì)量計算:手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、手臂回轉(zhuǎn)氣缸、夾緊氣缸、手臂伸縮用液壓緩沖器、手爪及相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國煙臺氣動元件廠的產(chǎn)品樣本可估其質(zhì)量，同時測量設(shè)計的有關(guān)尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時其質(zhì)量為70kg，放松物件后其質(zhì)量為55kg.接觸面積:S=0. 5則上料時:Ff =7010 0. 5=350 (N)=350+70 600 10-3/0.05=1540(N)下料時:Ff =55 100. 5=275 (N) =275+55 600 10-3/0.05 =935 (N)考慮安全因素，應(yīng)乘以安全系數(shù)K=1.2則上料時:F=1540 1. 2=1850 (N)下料時:F=935 1. 2=1120 (N)2、氣缸的直徑根據(jù)雙作用氣缸的計算公式:其中:F1活塞桿伸出時的推力，N F2活塞桿縮入時的拉力, Nd活塞直徑，P氣缸工作壓力，Pa代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:當(dāng)推力做功時 =4 1850/(51050.4) =108.5 (mm)當(dāng)拉力做功時D= (1.01-1.09)(4F2/p) =(1.011.09) (4 1122/(51050.4) =92.12 (mm)圓整后，取D=100mm3、活塞桿直徑的計算根據(jù)設(shè)計要求，此活塞桿為空心活塞桿，目的是桿內(nèi)將裝有3根伸縮管。因此，活塞桿內(nèi)徑要盡可能大，假設(shè)取d=70mm, d0=56mm.校核如下:(按縱向彎曲極限力計算)氣缸承受縱向推力達(dá)到極限力Fk以后，活塞桿會產(chǎn)生軸向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，必須使推力負(fù)載(氣缸工作負(fù)載F，與工作總阻力F:之和)小于極限力Fk。該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。有關(guān)公式為:式中:L活塞桿計算長度，mK活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑,空心桿 md0空心活塞桿內(nèi)孔直徑，mA1活塞桿橫截面積, 空心桿,f材料強(qiáng)度實驗值，對鋼取f=2.1 107 Paa系數(shù)，對鋼a=1/5000代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: =573 (KN)推力負(fù)載為:代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: Ft+ Fz=/40.4106(10010-3)2=3142 (N)Ft+ Fz=Fk所以，安全。設(shè)計符合要求。4缸筒壁厚計算根據(jù)公式: 式中PP為實驗壓力，取Pp=1.5P=0.6106 Pa材料為ZL3，則 =3MPa則 =10 mm 取=12 mm.3. 氣動系統(tǒng)設(shè)計 圖3.1所示為該機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī) (壓力約為38Kgf/cm2)通過快換接頭進(jìn)入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。 圖3.1 機(jī)械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖序 號型 號 規(guī) 格名 稱數(shù) 量1QCF-48手動截止閥12QAF-49儲氣缸23QSL-26-S1分水濾氣器14QTY-20-S1減壓閥15QIU-20-S1油霧器16YJ-1壓力繼電器17Q24DH-10-S1二位五通電磁滑閥18Q24D2ZH-10-S1二位五通電磁滑閥39Q24D2ZH-15-S1二位五通電磁滑閥110QF-44單向節(jié)流閥211LI-25單向節(jié)流閥212QBF-14快速排氣閥213QAF-87氣液轉(zhuǎn)換器1表3.1 氣路元件表第三章 PLC的介紹3.1 PLC簡介 PLC(編程邏輯控制器)是20世紀(jì)60年代末期逐步發(fā)展起來的一種以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。近幾年來，PLC技術(shù)在各種工業(yè)過程控制、生產(chǎn)自動線控制及各類機(jī)電一體化設(shè)備控制中得到極其廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中的一項十分重要的應(yīng)用技術(shù)。 在PLC出現(xiàn)以前，繼電器控制曾得到廣泛應(yīng)用，在機(jī)電設(shè)備和工業(yè)過程控制領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位。但是繼電器控制系統(tǒng)有明顯的缺點：體積大，可靠性低，故障查找困難，特別是因為它是由硬接線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，造成了接線復(fù)雜，容易出故障，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性較差。 20世紀(jì)60年代未，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM)為了適應(yīng)汽車型號不斷更新的需要，試圖尋找一種新的生產(chǎn)線控制方法，使之盡可能地減少重新設(shè)計繼電器控制系統(tǒng)的工作量以及盡量地減少控制系統(tǒng)硬連接線的數(shù)量，以降低生產(chǎn)成本，縮短制造周期，減少生產(chǎn)線的故障率，從而有效地提高生產(chǎn)效率。當(dāng)時，電子計算機(jī)的硬件己經(jīng)基本完備，其主要功能是通過軟件來實現(xiàn)的，因此具有靈活性、通用性等優(yōu)點，但價格相對來說比較昂貴，于是他們想到了把繼電器控制系統(tǒng)簡單易懂、操作方便、價格便宜的長處與計算機(jī)靈活、通用的優(yōu)點結(jié)合起來，用來制造一種新型的工業(yè)控制裝置，并進(jìn)而采用招標(biāo)的方式，首先山美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出符合上述想法的工業(yè)控制裝置，命名為可編程邏輯控制器， 即PLC（Programmable Logic Controller）。1969年，第一臺PLC在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次運行，成功地取代了沿用多年的繼電器控制系統(tǒng)，盡管當(dāng)時的PLC功能僅具有邏輯控制、定時、計數(shù)等功能，但卻標(biāo)志著一種新型裝置問世。 隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，20世紀(jì)70年代中期又出現(xiàn)了微處理器和微型計算機(jī)，這些新技術(shù)很快也被用到PLC之中，使得PLC不僅其有邏輯控制功能，而且還增加了運算、數(shù)據(jù)處理和傳送等功能，從而成為具有計算機(jī)功能的新型工業(yè)控制裝置。1980年美國電器制造商協(xié)會(NEMA)正式將其命名為可編程控制器(Programmable Controller)簡稱PC。 國際電工委員會(IEC)于1982年11月和1985年1月頒布了可編程控制器的第一稿和第二稿，對可編程控制器作了如下的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它可采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計?！敝园芽删幊炭刂破骱喎Q為PC,因為它已經(jīng)不再是僅具有邏輯控制功能的裝置了。只是由于20世紀(jì)80年代崛起的個人計算機(jī)(Personal Computer)也簡稱為PC。為了加以區(qū)別，人們又把可編程控制器簡稱為PLC。3.2 PLC的組成 PLC主要由中央處理單元(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、輸入/輸出部件(I/O)、電源和編程器幾大部分組成。3.3 PLC程序的表達(dá)方式 與計算機(jī)的工作原理一樣，PLC 的操作是按其程序要求進(jìn)行的，而程序是用程序語言表達(dá)的。表達(dá)方式有多種多樣，不同的PLC生產(chǎn)廠家，不同的機(jī)種，采用的表達(dá)方式也不相同。但基本上可歸納為字符表達(dá)方式(即用文字符號表達(dá)程序，如語句表程序表達(dá)方式)和圖形符號表達(dá)方式(即用圖形符號表達(dá)程序，如梯形圖程序表達(dá)方式)這兩大類。也有將這兩種方式結(jié)合起來表示PLC程序。1、梯形圖 PLC的梯形圖編程語言與傳統(tǒng)的“繼電、接觸”控制原理圖十分相似，它形象、直觀、實用，為廣大電氣技術(shù)人員所熟知。這種編程語言繼承了傳統(tǒng)的繼電器控制邏輯中使用的框架結(jié)構(gòu)、邏輯運算方式和輸入輸出形式，使得程序直觀易讀。當(dāng)今世界上各國的PLC制造廠家所生產(chǎn)的PLC大都采用梯形圖語言編程。 2、語句表 用語句表所描述的編程方式是一種與計算機(jī)匯編語言類似的助記符編程方式。由于不同型號的PLC的標(biāo)識符和參數(shù)表示方法不一，所以無千篇一律的格式。 3、邏輯符號圖 采用邏輯符號圖表示控制邏輯時，首先定義某些邏輯符號的功能和變量函數(shù)，它類似于“與”、“或”、“非”邏輯電路結(jié)構(gòu)的編程方式。一般說來，用這三種邏輯能夠表達(dá)所有的控制邏輯。這是國際電工委員會(IEC)頒布的PLC編程語言之一。 4、高級編程語言 隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，近年來推出的PLC，尤其是大型PLC，已開始用高級語言進(jìn)行編程。許多PLC采用類似PASCAL語言的專用語言，系統(tǒng)軟件具有這種專用語言編程的自動編譯程序。采用高級語言編程后，用戶可以像使用普通微形計算機(jī)一樣操作PLC。除了完成邏輯控制功能外，還可以進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集和處理以及計算機(jī)通信等。上述幾種編程語言(方式)，最常用的是梯形圖和語句表，其次是邏輯符號圖，近幾年來也使用高級語言。3.4 PLC的工作方式 1、PLC中等效元件的功用及其編號 PLC中的等效輸入繼電器X和等效輸出繼電器Y。計時器T、計數(shù)器C、輔助繼電器M 等均可理解為一個線圈和多個動合(常開)、動斷(常閉)觸點，并都可以在PLC內(nèi)部控制電路中使用，且均具有各自的相應(yīng)編號，下面分別簡介其功用與編號。(1) 輸入繼電器（X） PLC的輸入端子是從外部開關(guān)接受信號的窗口，PLC 內(nèi)部與輸入端子連接的輸入繼電器X是用光電隔離的電子繼電器，它們的編號與接線端子編號一致（按八進(jìn)制輸入），線圈的吸合或釋放只取決于PLC外部觸點的狀態(tài)。內(nèi)部有常開/常閉兩種觸點供編程時隨時使用，且使用次數(shù)不限。輸入電路的時間常數(shù)一般小于10ms。各基本單元都是八進(jìn)制輸入的地址，輸入為X000 X007，X010 X017， 。它們一般位于機(jī)器的上端。(2) 輸出繼電器（Y） PLC的輸出端子是向外部負(fù)載輸出信號的窗口。輸出繼電器的線圈由程序控制，輸出繼電器的外部輸出主觸點接到PLC的輸出端子上供外部負(fù)載使用，其余常開/常閉觸點供內(nèi)部程序使用。輸出繼電器的電子常開/常閉觸點使用次數(shù)不限。輸出電路的時間常數(shù)是固定的 。各基本單元都是八進(jìn)制輸出，輸出為Y000 Y007，Y010Y017，。它們一般位于機(jī)器的下端。(3) 輔助繼電器（M） PLC內(nèi)有很多的輔助繼電器，其線圈與輸出繼電器一樣，由PLC內(nèi)各軟元件的觸點驅(qū)動。輔助繼電器也稱中間繼電器，它沒有向外的任何聯(lián)系，只供內(nèi)部編程使用。它的電子常開/常閉觸點使用次數(shù)不受限制。但是，這些觸點不能直接驅(qū)動外部負(fù)載，外部負(fù)載的驅(qū)動必須通過輸出繼電器來實現(xiàn)。如下圖中的M300，它只起到一個自鎖的功能。在FX2N中普遍途采用M0M499，共500點輔助繼電器，其地址號按十進(jìn)制編號。輔助繼電器中還有一些特殊的輔助繼電器，如掉電繼電器、保持繼電器等，在這里就不一一介紹了。(4) 定時器（T） 在PLC內(nèi)的定時器是根據(jù)時鐘脈沖的累積形式，當(dāng)所計時間達(dá)到設(shè)定值時，其輸出觸點動作，時鐘脈沖有1ms、10ms、100ms。定時器可以用用戶程序存儲器內(nèi)的常數(shù)K作為設(shè)定值，也可以用數(shù)據(jù)寄存器（D）的內(nèi)容作為設(shè)定值。在后一種情況下，一般使用有掉電保護(hù)功能的數(shù)據(jù)寄存器。即使如此，若備用電池電壓降低時，定時器或計數(shù)器往往會發(fā)生誤動作。 定時器通道范圍如下： 100 ms定時器T0T199， 共200點，設(shè)定值：0.1 3276.7秒； 10 ms定時器T200TT245，共46點，設(shè)定值：0.01327.67秒； 1 ms積算定時器 T245T249，共4點，設(shè)定值：0.00132.767秒； 100 ms積算定時器T250T255，共6點，設(shè)定值：0.13276.7秒； 當(dāng)定時器線圈T200的驅(qū)動輸入X000接通時，T200的當(dāng)前值計數(shù)器對10 ms的時鐘脈沖進(jìn)行累積計數(shù)，當(dāng)前值與設(shè)定值K123相等時，定時器的輸出接點動作，即輸出觸點是在驅(qū)動線圈后的1.23秒（10 * 123ms = 1.23s）時才動作，當(dāng)T200觸點吸合后，Y000就有輸出。當(dāng)驅(qū)動輸入X000斷開或發(fā)生停電時，定時器就復(fù)位，輸出觸點也復(fù)位。 每個定時器只有一個輸入，它與常規(guī)定時器一樣，線圈通電時，開始計時；斷電時，自動復(fù)位，不保存中間數(shù)值。定時器有兩個數(shù)據(jù)寄存器，一個為設(shè)定值寄存器，另一個是現(xiàn)時值寄存器，編程時，由用戶設(shè)定累積值。 定時器線圈T250的驅(qū)動輸入X001接通時，T250的當(dāng)前值計數(shù)器對100 ms的時鐘脈沖進(jìn)行累積計數(shù)，當(dāng)該值與設(shè)定值K345相等時，定時器的輸出觸點動作。在計數(shù)過程中，即使輸入X001在接通或復(fù)電時，計數(shù)繼續(xù)進(jìn)行，其累積時間為34.5s（100 ms*345=34.5s）時觸點動作。當(dāng)復(fù)位輸入X002接通 ，定時器就復(fù)位，輸出觸點也復(fù)位。(5) 計數(shù)器（C） FX2N中的16位增計數(shù)器，是16位二進(jìn)制加法計數(shù)器，它是在計數(shù)信號的上升沿進(jìn)行計數(shù)，它有兩個輸入，一個用于復(fù)位，一個用于計數(shù)。每一個計數(shù)脈沖上升沿使原來的數(shù)值減1，當(dāng)現(xiàn)時值減到零時停止計數(shù)，同時觸點閉合。直到復(fù)位控制信號的上升沿輸入時，觸點才斷開，設(shè)定值又寫入，再又進(jìn)入計數(shù)狀態(tài)。 其設(shè)定值在K1K32767范圍內(nèi)有效。設(shè)定值K0與K1含義相同，即在第一次計數(shù)時，其輸出觸點就動作。通用計數(shù)器的通道號：C0 C99，共100點。保持用計數(shù)器的通道號：C100C199，共100點。通用與掉電保持用的計數(shù)器點數(shù)分配，可由參數(shù)設(shè)置而隨意更改。 由計數(shù)輸入X011每次驅(qū)動C0線圈時，計數(shù)器的當(dāng)前值加1。當(dāng)?shù)?0次執(zhí)行線圈指令時，計數(shù)器C0的輸出觸點即動作。之后即使計數(shù)器輸入X011再動作，計數(shù)器的當(dāng)前值保持不變。l當(dāng)復(fù)位輸入X010接通（ON）時，執(zhí)行RST指令，計數(shù)器的當(dāng)前值為0，輸出接點也復(fù)位。l應(yīng)注意的是，計數(shù)器C100C199，即使發(fā)生停電，當(dāng)前值與輸出觸點的動作狀態(tài)或復(fù)位狀態(tài)也能保持。f 數(shù)據(jù)寄存器（D） 數(shù)據(jù)寄存器是計算機(jī)必不可少的元件，用于存放各種數(shù)據(jù)。FX2N中每一個數(shù)據(jù)寄存器都是16bit（最高位為正、負(fù)符號位），也可用兩個數(shù)據(jù)寄存器合并起來存儲32bit數(shù)據(jù)（最高位為正、負(fù)符號位）。 2、PLC的掃描工作方式 這個過程可分為內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個階段，整個過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。在內(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU模塊內(nèi)部硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視計時器， 以及完成其它一些內(nèi)部處理。在通信處理階段，PLC與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。在PLC 處于停止運行(STOP)狀態(tài)時，只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。在PLC處于運行(RUN)狀態(tài)時，除完成上述操作外，還要完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理工作。從輸入第1步運算第2步運算， ，最后一步運算輸出順序執(zhí)行。 3、PLC的工作原理計算機(jī)特性PLC按掃描方式或串行方式工作，其實質(zhì)就是因為PLC是一臺微型機(jī)，它按照微型計算機(jī)的工作方式一條條從內(nèi)存中讀取指令，執(zhí)行指令只是為了便于工廠中技術(shù)人員和工人的使用，才把PLC的程序用梯形圖來表示。特別是中、高檔PLC的指令集中已出現(xiàn)了類似于微型機(jī)的指令，比如從操作方式上講有數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)塊在內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)移動指令，有兩個數(shù)據(jù)的加、減、乘、除、開方等運算指令，有中斷、比較、移位等指令；從尋址方式上講有直接尋址、間接尋址和變址尋址等指令。在編寫梯形圖程序時完全像用匯編語言那樣使用它們，對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種操作，使程序分支，或局部循環(huán)，執(zhí)行子程序或中斷服務(wù)程序等。在程序連續(xù)進(jìn)行嵌套判別時，因為PLC像微型機(jī)一樣，只有一個進(jìn)位位，前邊的判別必須用內(nèi)存中的某個字的某個位，或者說是用PLC的輔助繼電器記住其狀態(tài)，才能進(jìn)行下面的判別操作，否則會丟失前面判別的結(jié)果，使程序運行紊亂。這些狀態(tài)和工作過程都和微型機(jī)的狀態(tài)和工作過程十分相似。3.5 PLC機(jī)械手的原理3.5.1 PLC機(jī)械手的原理及流程圖1機(jī)械手在原始位置時（右旋到位）動作，按下啟動按鈕，機(jī)械手臂開始上升，機(jī)械手放松，機(jī)械手開始前進(jìn)。2機(jī)械手上升到上限位置，狀態(tài)開關(guān)動作，上升動作結(jié)束，機(jī)械手開始左旋。3機(jī)械手左旋到左限位置，狀態(tài)開關(guān)動作，左旋動作結(jié)束，機(jī)械手開始抓緊。4機(jī)械手抓緊到抓緊位置，狀態(tài)開關(guān)動作，抓緊動作結(jié)束，機(jī)械手開始右旋。5機(jī)械手開始右旋，狀態(tài)開關(guān)動作，抓緊動作結(jié)束，機(jī)械手開始下降。6機(jī)械手下升到下降位置，狀態(tài)開關(guān)動作，下降動作結(jié)束，機(jī)械手開始后退。7機(jī)械手右旋到右限位置，狀態(tài)開關(guān)動作，右旋動作結(jié)束，機(jī)械手開始下降。8機(jī)械手后退到后退位置，機(jī)械手開始放松，一個工作循環(huán)過程完畢。9機(jī)械手的工作方式為：單步。 機(jī)械手的動作順序如下：機(jī)械手初始位置是后退、下降、逆時針旋轉(zhuǎn)均到底部，機(jī)械手成放松狀態(tài)。當(dāng)按下啟動按鈕后，機(jī)械手開始前進(jìn)，前進(jìn)到底碰到限位開關(guān)，前進(jìn)動作停止，機(jī)械手開始上升，上升到頂端，碰到限位開關(guān)，上升動作停止，機(jī)械手開始執(zhí)行順時針旋轉(zhuǎn)動作，順時針旋轉(zhuǎn)到底，碰到限位開關(guān)，旋轉(zhuǎn)動作停止，機(jī)械手開始執(zhí)行夾緊動作，碰到限位開關(guān)，夾緊動作停止，機(jī)械手開始執(zhí)行逆時針旋轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)到底，碰到限位開關(guān)，逆時針旋轉(zhuǎn)動作停止，機(jī)械手開始下降，下降到底部時，碰到限位開關(guān)，下降動作停止，機(jī)械手執(zhí)行后退動作，碰到限位開關(guān)，后退停止，機(jī)械手放松，此時回到初始位置， 一個周期動作完成。根據(jù)機(jī)械手的動作順序，可以畫出如圖3.1所示的流程圖：上升原位前進(jìn)下降后退順時針旋轉(zhuǎn)放松夾緊逆時針旋轉(zhuǎn)X5X10X6X3X1X0X4X2X7圖3.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖3.6電路中主要元器件的介紹3.6.1電磁繼電器的原理及應(yīng)用 繼電器的工作原理和特性：繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。電磁繼電器的工作原理和特性：電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。3.6.2電磁閥的工作原理及應(yīng)用電磁閥是用來控制流體的自動化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；并不限于液壓，氣動。電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進(jìn)油孔是常開的，液壓油就會進(jìn)入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機(jī)械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機(jī)械運動。電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等。電磁閥是用電磁的效應(yīng)進(jìn)行控制，主要的控制方式由繼電器控制。這樣，電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預(yù)期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。所謂氣動系統(tǒng)，就是以氣體為介質(zhì)的控制系統(tǒng)。氣動系統(tǒng)中，這種能源的介質(zhì)通常就是空氣。在真正使用的時候，通常把大氣中的空氣的體積加以壓縮，從而提高它的壓力。壓縮空氣主要通過作用于活塞或葉片來作功。 氣動系統(tǒng)中，電磁閥的作用就是在控制系統(tǒng)中按照控制的要求來調(diào)整壓縮空氣的各種狀態(tài)，氣動系統(tǒng)還需要其他元件的配合，其中包括動力元件、執(zhí)行元件、開關(guān)、顯示設(shè)備及其它輔助設(shè)備。動力元件包括各種壓縮機(jī)，執(zhí)行元件包括各種氣缸。這些都是氣動系統(tǒng)中不可缺少的部分。而閥體是控制算法得以實現(xiàn)的重要設(shè)備。3.6.3接近開關(guān)工作原理及應(yīng)用 接近開關(guān)是一種毋需與運動部件進(jìn)行機(jī)械接觸而可以操作的位置開關(guān)，當(dāng)物體接近開關(guān)的感應(yīng)面到動作距離時，不需要機(jī)械接觸及施加任何壓力即可使開關(guān)動作，從而驅(qū)動交流或直流電器或給計算機(jī)裝置提供控制指令。接近開關(guān)是種開關(guān)型傳感器（即無無觸點開關(guān)），它即有行程開關(guān)、微動開關(guān)的特性，同時具有傳感性能，且動作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快，應(yīng)用壽命長，抗干擾能力強(qiáng)等、并具有防水、防震、耐腐蝕等特點。接近開關(guān)又稱無觸點接近開關(guān)，是理想的電子開關(guān)量傳感器。當(dāng)金屬檢測體接近開關(guān)的感應(yīng)區(qū)域，開關(guān)就能無接觸，無壓力、無火花、迅速發(fā)出電氣指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運動機(jī)構(gòu)的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和對惡劣環(huán)境的適用能力，是一般機(jī)械式行程開關(guān)所不能相比的。它廣泛地應(yīng)用于機(jī)床、冶金、化工、輕紡和印刷等行業(yè)。在自動控制系統(tǒng)中可作為限位、計數(shù)、定位控制和自動保護(hù)環(huán)節(jié)。接近開關(guān)具有使用壽命長、工作可靠、重復(fù)定位精度高、無機(jī)械磨損、無火花、無噪音、抗振能力強(qiáng)等特點。因此到目前為止，接近開關(guān)的應(yīng)用范圍日益廣泛，其自身的發(fā)展和創(chuàng)新的速度也是極其迅速。 接近開關(guān)的主要作用是檢測距離：檢測電梯、升降設(shè)備的停止、起動、通過位置；檢測車輛的位置，防止兩物體相撞檢測；檢測工作機(jī)械的設(shè)定位置，移動機(jī)器或部件的極限位置；檢測回轉(zhuǎn)體的停止位置，閥門的開或關(guān)位置；檢測氣缸或液壓缸內(nèi)的活塞移動位置。第四章 應(yīng)用PLC設(shè)計機(jī)械手的步驟4.1輸入輸出點分配表 為了將機(jī)械手的控制關(guān)系用PLC控制器實現(xiàn)，PLC需要10個輸入點（啟動按鈕、停止按鈕和八個控制開關(guān)），4個輸出點。為了使用方便，所以選擇了FX2N-64MT型的PLC。輸入輸出器件代號地址表功能說明器件代號地址表功能說明開關(guān)10啟動按鈕SQ11手臂前進(jìn)移動氣缸開關(guān)YV4Y4手臂左移SQ22手臂后退移動氣缸開關(guān)手臂右移SQ33手臂向下移動氣缸開關(guān)YV5Y5手臂上升SQ44手臂向上移動氣缸開關(guān)手臂下降SQ55手臂順時針旋轉(zhuǎn)氣缸開關(guān)YV6Y6逆時針旋轉(zhuǎn)SQ66手臂逆時針旋轉(zhuǎn)氣缸開關(guān)順時針旋轉(zhuǎn)SQ77機(jī)械手放松氣缸開關(guān)YV7Y7夾緊SQ810機(jī)械手夾緊氣缸開關(guān)放松開關(guān)211停止按鈕表4.1 輸入輸出點分配表4.2 PLC機(jī)械手的程序設(shè)計4.2.1 PLC機(jī)械手的梯形圖語言根據(jù)PLC機(jī)械手的控制關(guān)系畫出如圖4.1所示的PLC機(jī)械手的梯形圖。圖4.1PLC機(jī)械手的梯形圖4.2.2 PLC機(jī)械手指令表語言0LD X001 ；后退限位1AND X0