爬杆机器人说明书

目录

设计任务书 1 摘要 5 引言 6 第一章总体方案设计 6 第二章结构设计 7 2.1动力缸的选择 7 2.1.1爬杆气缸（伸缩缸）的选择 7 2.1.2 夹紧缸的选择 7 2.2 杆夹持机构的设计 8 2.2.1导向机构的设计 8 2.2.2夹紧缸连接板的设计 9 2.2.3 夹紧块设计 9 2.3 其他部分设计 10 2.3.1伸缩缸连接板的设计 10 2.3.2固定电磁阀的连接板的设计 10 2.3.3 电磁阀的选用 11 2.3.4传感器的选用 11 第三章控制系统设计 14 3.1气动原理图的设计 14 3.2 PLC控制系统的硬件设计 16 3.3 PLC控制系统的程序设计 18

3.3.1 顺序控制设计法的基本思路 18 3.3.2 用顺序控制设计法编程 19 结论23致谢24 参考文献25附录A 英文翻译

附录B综述

附录C 调研报告

附录D 装配图及主要零件图

附录E PLC程序

江苏大学

毕业设计(论文)任务书机械工程学院机电0701班班级白清文学生设计(论文)题目小型气动爬杆机器人设计

课题来源江苏大学工业中心

起讫日期2011 年03月14日至2011年06 月24 日共15 周指导教师(签名)

系(教研室)主任(签名)

毕业设计(论文)进度计划:

引言

小型气动爬杆机器人属于机电气结合类的综合实验及训练装置。根据设计任务，这个爬杆机器人应该能模拟人的运动，通过“机械手”、“机械脚”的抓放动作和身体伸缩动作，实现沿杆方向的前后双向移动，运动速度可调而爬杆高度或距离可以控制。整个设计过程就是做出一个完整的“爬杆机器人”的操作实验台而设计出图、购料、加工、组装、调试完成的过程。

这个实验台最初的设计目的也是从一个实用目的出发的，工业机械手的效用是代替人从事繁重的工作和危险的工作，所以，爬杆机器人最初的设计思想也是想到人有一些危险或难以到达的地方需要探测或勘察时，可以用爬杆机器人代替，另外，这个爬杆机器人也有一定的额外负重，这些因素在设计时都应考虑。

第一章总体方案设计

按照设计任务要求，选择空气压缩机为机器人的动力源，爬杆机器人的手、脚抓放及身体伸缩动作可采用气缸作为执行元件来模仿，使用气动系统进行动力的传递及控制，其各部分的协调运动由多执行元件的时间或行程顺序动作控制实现，采用PLC控制方式和人机界面操作。爬杆动作的快慢控制采用气动节流调速方式，可自动实现向上和向下的双向运动。

如工作原理图1.1所示，在小型气动爬杆机器人的上水平对面布置两气缸是手缸，下水平对面布置两气缸是脚缸，垂直布置的气缸则是人身体，它们通过板件连接，压缩气体是动力源，使用电磁换向阀改变各气缸进排气的方向实现活塞杆的伸缩运动，通过时间控制和行程顺序控制，实现机械手、机械脚的放松和夹紧、身体的伸缩和协调，机器人作向上、向下和上下往复运动。

由于爬杆机器人在结构及控制上大量采用气动元件，减少了设计、加工时间，保证设备工作可靠性和维护方便性。通过连接件设计制作和装配训练，进一步熟悉零件机械设计、机械加工方法，理解气动元件的结构、工作原理及并能正确使用；通过选择可编程控制器的控制方式，掌握顺序流程图的设计思想，在现场接线、编程及调试的完整训练过程中，将所学理论知识与实践相结合，增强动手能力和分析、解决问题能力。

图1.1 工作原理图

第二章结构设计

2.1动力缸的选择

根据原理图1.1首先选择气缸，然后根据气缸的具体尺寸进行详细的设计。目前气动元件市场上最主要的几个品牌有德国的费思托（Festo），日本的SMC 以及台湾的气立可（Chelic）。针对这个试验台的资金投入及实用性，台湾的气立可价格比较经济，而其质量也较为可靠，因此成为最终选择。

2.1.1爬杆气缸（伸缩缸）的选择

实验台提供的气源压强为0.6–0.8Mpa，对整个爬杆部分的总估重为2Kg，则伸缩缸的驱动力应大于

2Kg×9.8N/Kg＝19.6N

选用气立可的笔型不锈钢气缸SBA系列。根据其给出的缸径对应的空气压力，当气缸内径为16mm时，其拉侧受力为3.4Kgf/cm2 ，即当拉侧受力时，气缸最小能驱动3.4Kg的负重，再考虑经验阻力系数0.6，气缸除机构自重外可另外负重0.7Kg，基本符合预想的要求，故伸缩缸最终选择定为：气立可的笔型不锈钢气缸SBA16缸，行程定为100mm是一个折中的选择，既适合行程大小调整，亦不会因为行程过大而增大爬动的不稳定性。

2.1.2夹紧缸的选择

选择夹紧缸时同样要考虑减少自重，所以根据实际情况初步选择了气立可笔型不锈钢气缸。再计算驱动力，查气缸的空气压力表，缸径16mm的空气压力拉侧受力为4.85Kgf，而力臂相对于夹紧处倍数为2，那么，在圆柱块处夹紧力将会达到5.7Kgf，乘上摩擦系数最小值0.15，再乘上这个力的两倍（两侧受力），就有1.7Kg，而实际上在爬行中每个夹紧缸只会承受估重的一半，即1Kg，这样，即使再乘上经验系数0.6，仍可负重。而其它尺寸则或大或小，经检验后确定：夹紧缸为气立可笔型不锈钢标准型气缸，缸径16mm， 15mm的行程是在考虑到一般机械手臂打开所需要的空间确定的，活塞杆在供气后预留5mm行程，两侧打开范围为10mm，这样不会碰到不必要的摩擦阻力。（夹紧缸简图如图2.1所示）

图2.1 夹紧缸简图

2.2 杆夹持机构的设计

机器人能完成抱住杆前后双向爬行，最主要的部分是其机械手与脚的夹具部分，由于初步设计是让机器人爬等截面圆柱杆，宜采用V形块夹具。爬方杆的难度系数较低，而圆杆较方杆来说在现实生活中比较多见，故最终选择爬圆杆。机器人要爬杆必须要有抱住所爬杆的手脚。根据原理图，已经选好了气缸，伸缩缸即作为机器人的身体部分，伸缩缸的伸与缩动作使整个机体能作一维方向上的前后运动，两个多位置夹紧缸以及导向机构与伸缩缸相联结。于是，必须做的一个很重要的工作就是设计出导向机构，从而作为机器人的手脚抓放动作的功能装置。下面将分别说明。

2.2.1导向机构的设计

仔细研究气立可的产品手册可发现，夹紧缸能在它的活塞杆的头部固定，在杆头上有一个安装螺纹孔，可以加以利用；而伸缩缸的活塞杆头部上也是给预留了两处安装位置，脚部的安装，在伸缩缸的缸体尾部虽然有螺纹，不过，必须通过接头与导向机构连接。由此设计出加工零件图。（见图2.2）

图2.2 导向机构结构示意图

2.2.2夹紧缸连接板的设计

为了将夹紧缸固定，还必须另外设计与导向机构相配的连接板。所以根据夹紧缸与导向机构的尺寸设计出连接板如图2.3所示。由于夹紧缸前端有可供连接的螺纹，所以采用螺纹连接方式将夹紧缸固定在连接板上，然后采用螺钉连接方式将连接板固定在导向机构上。连接板的壁厚一般取5mm，这样是节省材料减轻总量与保证刚性及强度的折中。具体尺寸可根据需要改动，当然，材料要用钢料, 这里有强度及刚度要求。

图2.3 连接板结构示意图

2.2.3夹紧块设计

V型块固定在活塞杆上，应尽可能地减少自重，因为V型块是一块实体形块，取钢材强度上当然没有问题，但钢与钢的摩擦系数太小（虽然估算时按照钢钢间摩擦系数计算，属于保守算法），而且钢太重，故不予考虑；铝合金及工程塑料的强度均能达到本设计的要求，而且比重小，故可考虑这两种材料。最终我们选择了铝合金，下面简单验算铝合金的强度是否复合要求。

铝合金的最小的抗压强度为60MPa，而受压面积大约为15×15×10－6 mm2＝0.000225m2

则压强为164/0.000225＝0.73MPa<<60MPa

事实上，根据经验不必校验强度要求，因为夹紧力很小，其它各连接件的强度则无须校验。

V型块的尺寸方面设计为夹15mm的圆截面钢杆，具体尺寸如图2.4所示。

图2.4 夹紧块结构示意图

2.3 其他部分设计

2.3.1伸缩缸连接板的设计

考虑到机器人在爬行过程中伸缩缸和夹紧缸均保持垂直（这个位置力臂最大，夹紧力没有作用偏角，夹紧力效率最高），根据所选用的伸缩缸的特点，将伸缩缸的活塞杆采用螺纹连接方式直接连接在导向机构上，而尾部通过连接接头与导向机构连接。

2.3.2固定电磁阀的连接板的设计

根据所选电磁阀的大小以及导向机构的尺寸，设计的连接板结构图6所示，

其中连接板与导向机构采用螺钉连接方式固定。

图2.5 电磁阀连接板结构示意图

2.3.3 电磁阀的选用

电磁阀是利用电能流经线圈产生电磁吸力将阀芯(克服弹簧或自重力)吸引.分常开与常闭两类.通常用于切断油,水,气等物质的流通.配合压力,温度传感器等电气设备实现自动控制.。根据实际需要所以我们选用气立可SV5101系列单线圈二位五通电磁阀。其外观图形如图2.6所示。

图2.6 二位五通电磁阀外形图

在综合考虑了实际加工需要以及机器人身体平衡性和美观等方面的因素之后，选用电磁阀联座将三个电磁阀固定在一起。

2.3.4传感器的选用

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形

式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。所以根据实际情况选用了气立可CS120系列有接点感应器。

图2.7 传感器外形图

采用固定带将传感器箍在气缸上，固定带两端则采用螺钉连接方式固定。

图2.8 气动爬杆机器人实物图

第三章控制系统设计

3.1气动原理图的设计

任何复杂的气动控制回路都是由一些特定功能的基本回路和常用回路组成，但不论它如何复杂，一般都应该包括几个部分，如供气部分、启动部分、控制部分、导气部分和工作部分等。

1.供气部分由空压机、气罐等组成。一般空压机使用家庭用电即可，大型的空压机也采用工业电压电源。在气罐上往往还有一些辅助元件，例如安全阀要有，压力表的存在利于随时检查气压的大小。气罐的输出端有的采用了压力继电器保护，甚至加上截止阀随时关闭，这是为了防止气压超过工作气压造成气动元件的损坏。绝大多数气动回路在气罐的输出端采用气动三联件来对输送出的气体进行过滤清洁，如果压缩气体中存在水或者油类液体的话，那是很可能对工作元件及控制元件造成损坏的。在设计气动回路的时候便选了气立可的三联件套件。

2.启动部分实际上这个部分是与前一部分交合的，启动部分常常由进气开关或者还包括压力开关等，打开开关就可以直接为工作回路供气了，这一部分常常与前一部分合在一起，例如，在设计时，因为气动回路相对比较简单，更为了节省购买元件的费用，便尽量将它们合在一起处理了。

3.控制部分在设计的气动回路里是由电磁换向阀和传感器组成。控制伸缩缸和控制夹紧缸的都是单电控电磁换向阀。

4.工作部分这个部分指的是伸缩缸与夹紧缸。

图3.1是气动回路的原理图，基本反映了爬杆机器人的气动回路控制原理：三只单电控电磁换向阀并联，其电磁铁按顺序得电并保持，控制各缸活塞杆的伸缩动作，单向节流阀控制爬杆缸活塞杆伸缩的速度。

图3.1气动回路原理图

气动自动化系统的设计关键要注意它的优化安排及合理存在性，如果不必要，就应当省略，以免造成浪费。在本设计回路中就不需要压力继电器等保护装置，因为气压为中压不算大，使用压力在0.6～1.0MPa之间，这样的气压力尚不足以破坏工作部分。

3.2 PLC控制系统的硬件设计

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）的特点是：通用灵活、可靠性强、易于编程、使用方便、安装简单、体积小并且便于维修，一般来说，它的采用往往能缩短系统设计和调试的周期。气动技术与PLC 的结合正是因为其具有以上的优点，从而将气动控制技术从庞大的复杂的多变的全气动控制中解放了出来，使程序的编制、修改变得容易了。随着PLC技术的发展，气动控制乃至自动化控制已经越来越离不开PLC了。本课题理论上说是一个比较简单的气动回路控制，所以当然不能将它的控制部分复杂化，采用PLC技术可说是必然而且必要的。

PLC系统硬件配置: 选择日本三菱公司PLC机型FX1S—20MR，根据控制系统要求，分配输入/输出点，画I/O分配表，绘制PLC端子接线图。

1.FX PLC简介

可编程序控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输出，控制各种机械或生产过程。

PLC由CPU、RAM、ROM和输入、输出接口电路等组成，如图3.2所示：

图3.2 PLC组成电路

CPU完成输入信号的检测、程序指令的编译、指令规定的动作及输出结果的功能。

存储器包括RAM、ROM：RAM用来存放各种暂存的数据、中间结果和用户程序

等。ROM用来存放监控程序及用户程序。

输入接口接收输入信号。通常采用光电耦合电路，减少电磁干扰。

输出接口用于输出结果。通常输出也采用光电隔离，并有三种方式，即继电器、晶体管和可控硅。三菱FX2N系列均采用继电器输出。

PLC采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，PLC从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条，不断循环。程序被完整扫描一次的时间，称为程序扫描周期。这个周期的长短，取决于程序所用指令的条数以及每条指令执行所需的时间。

PLC对输入/输出有三种控制方式：直接方式、集中刷新控制方式和混合方式。三菱FX2N系列采用集中刷新控制方式，即在程序执行前，先把所有输入的状态集中读取并保存，程序执行时，所需的输入状态就到存储器中去读取，要输出的结果也都暂存起来，直到程序执行END后，才集中让输出产生动作。

实质上，PLC是由许多电子继电器、定时器、计数器组成的一个组合件。而这些电子继电器、定时器、计数器则由PLC的内部寄存器来模拟实现。例如，可以选某个寄存器的一位（bit)作为中间继电器，以“1”表示继电器接通，以“0”表示继电器断开等。三菱FX2N系列具有下列器件：输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、辅助继电器、状态寄存器、数据寄存器、特殊继电器等。

这些内部器件都是字节或字的形式。在内存的数据存储区，各自占有一定数量的存储单元，使用这些器件，实质上就是对相应的存储内容以位或字节或字的形式进行存取。

根据实际要求，通过编程器对这些内部器件进行控制，就是编程。

程序是由若干条指令组成的，而指令是由指令字和器件组合而成的，并且指令还表示出了连接的方法。每个指令都用顺序号标出，该顺序号称为步进号。如标出的步进号范围为0-999，即最多在一个程序内可编1000条指令。

PLC的编程语言通常有下列几种：指令表（助记符）语言、梯形图语言、流程图语言、布尔代数语言。三菱FX2N系列采用梯形图语言及指令表语言。

2. 分配输入/输出点

表3.1 I/O 地址表

3.PLC与现场器件的实际连接图（端子接线图）

图3.3 PLC端子接线图

3.3PLC控制系统的程序设计

3.3.1 顺序控制设计法的基本思路

如果一个控制系统的工艺流程或过程可以分解成若干个顺序相连而又相互独立的阶段，这些阶段必须严格按照一定的先后次序执行，才能保证生产过程正

常有序运行，那么这样的控制系统称为顺序控制系统，或称为步进控制系统，其存在的范围较广泛，爬杆机器人控制系统就属于这一种，这些阶段称为步（step）。参照状态时序图3.4，步是根据各输出量的状态变化来划分的，在任意一个步内，各个输出量(Y0、Y1、Y2)的状态（0或1）是不变的，但相邻两个步的输出量的总的状态是不同的，并且用软元件（如辅助继电器M或状态继电器S）来代表各个步。爬杆关键在于动作的协调，手脚抓放、身体伸缩动作由输出量状态变化控制，可看作是各个步，按序完成步，就能实现爬杆。

使系统从当前步进入下一步的信号称为转换条件，转换条件可以是PLC外部的输入信号，如按钮的按压/松开，行程开关的通断等，也可以是PLC内部产生的信号，如定时器、计数器常开触点的的通断等，转换信号还可以是若干个信号的逻辑组合。用转换条件去控制代表各步的软元件（S0、S1等），使它们的状态按照一定的顺序变化（依次为1），然后用代表各步的软元件驱动各输出继电器（即控制输出量）。气动爬杆机器人的转换条件是每步动作完成后的行程信号，每步完成后只有发出转移控制信号才能进入下一步，每上升或下降一个体缸行程距离作为一个周期，循环执行，可以实现连续爬杆运动。

X0

Y0（脚）

Y2（手）

Y1（体）

步1 步2 步3 步4 步5 步6

图3.4状态时序图

3.3.2 用顺序控制设计法编程

1．分析系统的工艺流程

通过分析系统的控制流程，划分系统的各个步并确定步对应的动作和步的活动状态进展的转换条件，爬杆机器人爬杆（上行）的单周期工作过程可划分为手