气动机械手驱动系统设计

第一章绪论

1.1预测控制概述

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。气动系统以其价廉、简单、抗污染能力强等特点，在工业自动化中得到愈来愈广泛的应用。气动伺服控制技术作为一种自动控制手段，在众多的工业领域中已经成功的获得了应用。本文在对气动位置伺服系统的特性进行研究的基础上，通过对控制策略的理论和实验研究，实现了气动位置伺服系统的高精度控制。气缸的摩擦力和阀的质量流量特性是影响气动位置控制系统的主要因素。

本文首先对气缸的动静态特性进行了理论分析，通过实验来建立气缸的摩擦力、比例流量阀流量特性近似的数学模型，对电气机械手位置控制系统建立了非线性数学模型，并通过计算机仿真技术对系统特性进行研究，讨论了系统参数对系统性能的影响，得出系统对阶跃信号、方波信号等的响应特性。在此基础上，对气动位置伺服系统进行了相应的控制策略研究。由于系统具有严重非线性，经典控制方法(如PID控制)很难获得良好的控制效果，不适合于控制对象参数变化、非线性程度大等场合。神经网络具有很强的逼近非线性曲线的能力和泛化能力，即非线性映射能力。本文利用神经网络的学习功能，在线调整参数，抑制因参数变化对系统稳定性造成影响，成功设计出神经网络模型参考自适应控制器，并进行了仿真和实验研究。

结果表明，同PID控制相比，本文所提出的控制策略能明显改善系统的动态性能。最后，设计并建立了气缸的性能检测系统以及气动位置伺服控制系统，编制出计算机辅助测试软件和系统控制软件，对气动位置伺服系统的控制性能进行了实验研究。它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发

了机械式的主从机械手。机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。

作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

1.2 环境试验设备简介

该模块由X 轴（磁性耦合气缸）、Y 轴（单轴气缸）、真空技术模块、缓冲气缸、以及定位、限位传感器（如图所示）。

1.3 主要研究工作

本文用实验室器材来模拟用机械手，当输送带将工件传送到输送带末端时，末端电容接近开关检测到工件到位，并将

信号反馈给PLC 。吸盘移载机械手在PLC 程序的驱动下，Y 轴气缸下降，真空吸盘将工

件吸住，最后由X 轴气缸移至指定的位置分类。

注：本模块执行动作的处理方式由PLC 程序来设定。从而进一步了解机械手的功能、工作方式，并且进一步熟悉PLC 的控制程序。

1.4本文安排

1、机械手的气压驱动系统相关原件的组成和工作原理

（1）真空技术模块

（2）磁性耦合气

（3）缓冲气缸

2、机械手的气压驱动系统工作程序

3、机械手的气压传动系统原理图。

4、机械手的气压驱动系统电磁铁工作顺序表

第二章

机械手的气压驱动系统相关原件的组成和工作原理

真空发生气

该模块由真空技术模块、X 轴（磁性耦合气缸）、Y 轴（单轴气缸）、缓冲气缸、电磁换向阀、以及定位、限位传感器。主要功能是当输送带将工件传送到输送带末端时，末端电容接近开关检测到工件到位，并将

信号反馈给PLC。吸盘移载机械手在PLC 程序的驱动下，Y 轴气缸下降，真空吸盘将工

件吸住，最后由X 轴气缸移至指定的位置分类。

注：本模块执行动作的处理方式由PLC 程序来设定（用户可根据控制要求进行更

改）

1、真空技术模块

①.原理

真空发生器根据喷射器原理产生真空（如图2-1示）。当压缩空气从进气口1 流

向排气口3 时，在真空口1v 上就会产生真空。吸盘与真空口1v 连接。如果在进气口1

无压缩空气，则抽空过程就会停止。

图2-1

②.功能

利用真空吸力将工件吸起，按系统设定的指令，放到相应的位置释放。

2、磁性耦合气

①原理

无杆气缸顾名思义就是没有活塞杆的气缸，它利用活塞直接或间接带动负载实现往

复运动。由于没有活塞杆，气缸可以在较小的空间中实现更长的行程运动。磁性耦合式

无杆气缸(图2-3、图2-4)所示。在活塞上安装了一组高磁性稀土永久磁环，其输出力的传递靠磁性耦合，由内磁环带动缸筒外边的外磁环与负载一起移动。其特点是无外部空气泄漏，节省轴向空间；但当速度过快或负载太大时，可能造成内外磁环脱离。

②功能

控制机械手要X轴方向上的运动和定位

3、执行气缸：

①.双作用气缸活塞的往返运动是依靠压缩空气从缸内被活塞分隔开的两个腔室（有杆腔、无杆腔）交替进入和排出来实现的，压缩空气可以在两个方向上作功。由于气缸活塞的往返运动的全部靠压缩空气来完成，所以称为双作用气缸。(图3-34 示)

②功能

控制机械手要X轴方向上的运动和定位

4、缓冲气缸

①作用

为避免活塞杆在推拉大型重物或活塞之速度太快而產生剧烈碰撞，损坏机件，必须在活塞行程的终端位置前妥为缓衝（如图3-41 示）。

②.原理：

自适应液压缓冲结构如图3-42 所示：缓冲器由液压缸、活塞、缓冲簧、调节装置组成。工作时，带有活塞的枪尾与枪身连接在一起，液压缸与枪托连接。枪弹击发后，在膛底压力的作用下，枪身带动枪尾及活塞后坐，腔Ⅰ体积减小，液体压力升高，迫使其中的液体经活塞与液压腔间隙流向腔Ⅱ，由于流液孔面积与活塞面积相比小得多，液体的流动受到一定的节制，使腔Ⅰ压力升高，阻止活塞和枪身的后坐，同时缓冲簧被压缩，储存一部分能量，供武器复进，当武器的后坐能量被消耗完后，缓冲簧伸张，释放能量，推动后坐部分复进。后座过程中，当调节塞压力超过调节簧预压力时，调节弹簧被压缩，流液口面积增大，降低液压阻力，当液压阻力小于一定数值时，调节活塞关闭，减小流液口面积，使液压阻力基本保持在一定数值。从而，实现缓冲部分的平稳后座，提高缓冲效率。

1、液压缸盖

2、液压缸

3、活塞杆

4、调节装置

5、活塞

6、缓冲簧

图3-42 液压缓冲缸原理图

5、电磁换向阀

①电磁换向阀的作用

电磁阀控制驱动电源为DC24V，根据线圈电源的ON/OFF。使电磁阀蕊来回动作，

从而控制执行气缸的伸出及复位功能。

电磁阀包括二位五通单电控阀、二位五通双电控阀以及三位五通电磁阀，均作为各气动执行元件控制之用（图3-5 示）。

②电磁阀工作原理：

双电控两位五通阀，当A 电磁线圈得电、B 电磁线圈失电时，双电控两位五通阀的动阀蕊往右移，此时、1 口与4 口接通。气缸向前伸出。当B 电磁线圈得电、A 电磁线圈失电时，双电控两位五通阀的动阀蕊往左移，此时、1 口、2 接通。气缸复位（图3-6示）。

换向阀的表示方法:

换向阀换向时各接口间有不同的通断位置，换向阀这些位置和通路符号的不同组

合就可以得到各种不同功能的换向阀。所谓的“位”指的是为了改变流体方向，阀芯相对于阀体所具有的不同的工作位置。表现在图形符号中，即图形中有几个方格就有几位；所谓的“通”指的是换向阀与系统相连的通口，有几个通口即为几通。“T”和“⊥”表示各接口互不相通。

6、限位工件检测传感器—光纤传感器

①功能：在送料仓内装有光纤电传感器，用以检测是否有工件送到输送带进行检测。

有工件时，光纤传感器将信号传输给PLC，用户PLC 程序输出驱动信号使送料气缸向前伸出，将工件送至输送带上进行下一步的工作。

②原理：光纤传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头

是分离的两个部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两

个光纤孔。放大器的安装示意如图3-12 所示。

图3-12 光纤传感器放大器单元的安装示意图

光纤传感器也是光电传感器的一种，相对于传统电量型传感器（热电偶、热电阻、

压阻式、振弦式、磁电式），光纤传感器具有下述优点：抗电磁干扰强、可工作于较恶

劣工作环境，传输距离远，使用寿命长。此处，由于光纤头具有较小的体积，所以可以

安装在很小空间的地方。另外，光纤不受任何电磁信号的干扰，并且能使传感器的电子

元件与其他电的干拢信号相隔离。

E3Z-NA11 型光纤传感器电路框图如图3-14 所示，接线时请注意根据导线颜色判断

电源极性和信号输出线，本单元使用的是褐色、黑色、和蓝色线。

7、磁性开关

①磁性开关特点：

磁性开关是流体传动系统中所特有的。磁性开关可以直接安装在气缸缸体上，当带有磁环的活塞移动到磁性开关所在位置时，磁性开关内的两个金属簧片在磁环磁场的作用下吸合，发出信号。当活塞移开，舌簧开关离开磁场，触点自动断开，信号切断。通过这种方式可以很方便的实现对气缸活塞位置的检测。

②工作原理是：当有磁性物质接近时，磁性开关便会动作，并输出信号。若在气的活塞（或活塞杆）上安装上磁性物质，在气缸缸筒外面的两端位置各安装一个磁感应式接近开关，就可以用这两个磁性开关分别标识气缸运动的两个极限位置。当气缸的活塞杆运动到哪一端时，哪一端的磁性开关就动作并发出电信号。在PLC 的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。在磁性开关上设置有LED 显示用于显示它的信号状态，供调试时使用。磁性开关动作时，输出信号“1”，LED 亮；不动作时，输出信号“0”，LED 不亮。磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开磁性开关的紧定螺栓，让它顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺栓。磁性开关有蓝色和棕色2 根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC 输入公共端，

棕色引出线应连接到PLC 输入端子。磁性开关的内部电路如图3-15 所示

a、内部结构原理图

b、内部结构电路图

3-15 磁性开关原理图

第三章机械手的气压驱动系统的工作程序

本机械手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，控制机械手的动作要求过程是，手动启动后，能从第一个动作开始自动延续到最后一个动作。工要要求的动作顺序为：

电磁阀

2

B