门架型气动教学机器人设计

-PAGEII-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-PAGEII-门架型气动教学机器人设计摘要近年来中国制造业发展越来越得到关注，不少制造业企业纷纷兴起，制造业竞争力也越加激烈。用户对技术的要求越来越高，当前中国机床制造厂纷纷开始在机床上采用机械手。但目前机械手的控制方式和精度要求都满足不了用户的需要，存在着工作效率低、制造成本高、设计结构复杂等问题，使机械手的发展缓慢。随着自动化程度的提高，企业越加重视产品生产效率的提高、质量的提高，自动化程度普遍受到企业的重视。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要应用于重复性并且劳动强度极大的工作，如运输工件、涂漆、焊接等，一般采取示教再现的工作方式。本课题采用模块化的方式将机器人分为手臂、Y向橫架、X向橫架、立柱模块，选用合适的驱动装置组成教学机器人；并在此基础上，本课题对机器人结构、气动控制回路和PLC控制程序的各项性能进行了设计计算。关键词工业机器人；气动机械手；PLC控制系统；系统测试DesignofPortalFramePneumaticTeachingRobotAbstractInrecentyears,China'smanufacturingindustryisbecomingmoreandmoreattention,manymanufacturingenterpriseshavetorise,thecompetitivenessofthemanufacturingindustryhasbecomeincreasinglyfierce.Usershavebecomeincreasinglydemandingoftechnology,thecurrentChinesemachinetoolmanufacturingplantbeganinmachinetoolwithamechanicalhand.Butatpresentmanipulatorcontrolsystemandprecisionmeettheneedsofusers,thereisaworkefficiencyislow,andthemanufacturecostishighandcomplexstructuredesignproblems,sothatthedevelopmentofmanipulatorslowly.Withtheimprovementofautomationlevel,enterprisesincreasinglyattachimportancetotheimprovementofproductionefficiency,improvethequalityanddegreeofautomationgenerallybytheenterpriseattention.Thetechniquelevelandtheapplicationdegreeofindustrialrobotsinacertainextent,reflectsthelevelofanationalindustrialautomation.Currently,industrialrobotismainlyusedonrepetitionandlaborintensityisgreatwork,suchastransportationworkpiece,paint,welding,generallytaketeachingandplaybackoftheshow.Thissubjectadoptsmoduleoftherobotisdividedintothearms,ytotransverseframe,Xtotransverseframe,modulecolumn,choosesuitabledrivingdevicecomposedofrobotteaching;andonthisbasis,thispaperonthestructureoftherobot,pneumaticcontrolcircuitandPLCcontrolprogramoftheperformancecalculationofthedesign.KeywordsIndustrialrobot,pneumaticmanipulator,PLC,systemtesting-PAGE3--PAGE21-绪论课题背景机器人是当今世界上自动化程度最高的代表，其高效的快速的反应力和工作能力受到业界广泛的认同。在当前的加工制造业中气动技术凭借其结构简单、无污染等优点越来越受到重视，在领域中的应用越来越广泛。现今，机械技术、信息技术、电子技术的快速发展使得气动技术不断提高。气动机器人已经应用于工业生产。气动技术与电子技术的飞快发展，促进了气动机器人的发展。在工业领域中，气动机器人的实用性已经得到了充分肯定，受到了学术界的高度重视。气动机器人与其它控制的机器人相比，具有价格低廉、结构简单、无污染及抗干扰性强等特点。气动机械手是工业生产中以代替人类劳动的方式而诞生的具有抓取和移动功能的自动化设备，机械手与计算机的结合，使得许多繁复的生产工作得到高效率。气动机械手能够代替人工进行零部件的搬运以及组装工作，和较大工件的搬运。目前我国在这一技术上与国际水平还有一定的距离，机械手的研究需要更多地学习与创新。研究意义近年来工业机械手逐步兴起，同样也是较先进的自动化装置，他的优点是可以通过对其编程来完成人类指定的工作，除此之外它还能够实现精确且高难度的动作，提高工作的精确度与效率，从而解决许多人工难以完成的工作项目。现代工厂中普及使用工业机械手能够提高自动化程度、生产效率，降低生产成本，加快实现企业生产自动化、智能化和机械化。随着现代工业的发展，生产也逐渐趋于多样化、现代化，但仍有一部分工业生产环境恶劣，工业机械手的使用不仅能够改善劳动条件，而且能够避免人类在高温、噪音、高压、脏乱以及有毒有害的气体等容易给人类带来危害的场所工作。同时，能够代替一些动作简单，但重复性较高的手工操作，避免人类因疲劳操作或个人疏忽的意外。高度自动化机械手，减少了人力，可以有效的避免恶劣环境场所危机人身安全，因此，现如今的自动化程度较高的生产线都配备机械手，提高智能化，减少劳动力投入，节约生产成本，提高产品的应用市场。气动机器人既经济、清洁，又实用有效，还有防火的性能。气动机器人的制造费用和使用的费用仅仅是液压驱动教学机器人的3%~25%，因此非常适合发展中国家使用。同时也符合我国资源节约型社会，可持续发展的要求。目前，气动机器人已经在某些专用机床上得到了初步应用，如图1-1，同样也面临着很多问题，如机械手定位精度要求不高，无法在高精度的机床上实现自动精准作业。本课题研究的是设计一种门架型机器人，实现其在一定范围内能够运动定位到任意位置抓取物件。(a)(b)(c)图1-1气动机械手国内外现状分析气动机器人凭借着结构简单、易于实现复杂动作等诸多的优点，其具有非常大的发展前景。目前，有人发明了用气动伺服控制的机器人。可以和人握手，头、腰、双手都可以实现这样的活动，而且还具有很好的柔韧性。灵活气动机器人可以用于多种领域。FESTO以多元的、系列化的气动元件、组件和系统闻名于世，是世界气动行业第一家通过ISO9001认证的企业。FESTO的产品性能表现在许多方面，包括产品的使用寿命、产品设计优化、产品通用化和全球化。随着自动化技术的发展和现代工业化水品的不断提高，不同于液压元件的气动元件和气动系统有了广阔的应用和发展潜力。KurtStoll因其敏锐的洞察力和超前的预见性，顺应气动发展趋势，领导FESTO在气动领域不断前进并且取得伟大成就被称为德国气动之父。FESTO公司研制的机械手，操作简单，代表着现阶段世界对气动机器人研究为先进的技术水品。我国对气动技术和气动机器人的研究和应用都比较晚，但随着投入力度的加大，我国自主研制的许多气动机器人已经在汽车等行业为国家的进步发展着重要作用。我国机械手品牌比较知名的有川一机械手、金爪机械手、海尔机械手、威得客机械手、哈立机械手等。虽然品牌较多，但是我国机械手生产技术相对于世界还是有很大差距，许多零部件我国没有自主研发，需要引进。这使得机械手成本较高。中国人口较多，劳动力成本低，因此机械手的使用有时相对于人工成本提高。加大自主研发程度，减少机械手成本，是我国未来的主要发展方向。论文研究的主要内容1、门架型教学机器人的总体结构机器人整体结构由机器人行走机构、机器人操作机构、气压驱动系统和控制系统四部分组成。根据课题设计给定的基本参数，以及要求机器人所具有的功能特点，确定气动机器人的总体技术方案，分析并解决研究过程中所面临的技术难题。2、门架型气动教学机器人结构设计门架型气动教学机器人是由一个直线驱动模块（作Z轴方向提升/放下手臂功能并实现此模块上的机械手能够回转），两个基础部件(作门架型的立柱)与两个无杆气缸组成一个门架结构。在这个系统结构中，无杆气缸作长距离移动，选用适当的无杆气缸，在气动伺服定位系统控制下，它在门框跨度范围内可以作任意位置和不同速度的抓取移动。3、气动机械手驱动系统设计为确保机械手能够在水平、竖直方向上多个位置定位，所设计的机械手的定位精度需要靠选定的气缸来保证。根据初步确定的方案，将机械手分为若干模块，逐步进行分块设计，然后将其组装起来，最后实现整个门架型气动教学机器人的设计。4、气动控制部分设计本气动教学机器人采用可编程序控制器对气动气缸及机械手进行控制，将之前选取的气缸组装成机器人，根据气动教学机器人的工作流程编制出程序，并画出相应的程序流程图。并根据气动教学机器人的运动要求设计相应的程序。5、机械手定位精度的确保。可采用亚德客公司或德国FESTO公司的气动伺服系统的气缸，其定位精度可以达到±0.5mm，能够实现气动机械手在任意位置的精确定位。门架型气动教学机器人总体方案技术要求寻求合适且性价比高的驱动技术十分重要，同时还要使所有的组件都能以最简单的方式组合并实现其功能。门架型气动教学机器人的研究不仅要能够满足一个水平方向、竖直方向的运动，同时在水平方向再添加一个直线运动，以及竖直方向增加绕轴旋转方向。这种机器人能够抓取重量为1kg左右，Y向运动行程为400mm，X向运动行程为480mm，Z向运动形成为200mm，手腕回转范围为0~90º，气爪夹取大小为30mm×30mm×40mm的工件，并能运动到指定位置。机器人自由度本课题机械手主要用于教学动作演示，机械手拥有四个自由度，分别为Z方向、X方向、Y方向以及手腕处绕Z轴的旋转方向，如图2-1所示。图2-1机械手运动示意图门架型气动教学机器人在数控机床上的操作循环过程简单介绍如下：1、机械手从工件台上抓取工件，必要时直臂手腕出能够进行0º～90º范围内的旋转，然后直臂（Z轴方向）上升到指定位置，再沿水平方向（Y轴方向/X轴方向）移动到指定位置。2、机械手到达指定位置后，直臂从上端开始下降直到手爪下降到指定工作台高度，水平方向运动将工件准确送入指定位置。3、当机床夹紧工件时，手爪松手，直臂再次上升到上端，水平方向运动回到起始位置。准备下个循环的操作。教学机器人动作流程当启动气动教学机器人，机器人开始工作。Y向移动到指定点转为X向移动，然后下降到零件所在位置，夹紧零件正转，上升到指定点在进行X/Y方向的反向运动，直到到达指定位置松开零件并反转。教学机器人的运动流程如图2-2所示。图2-2机器人的运动流程本章小结本章首先介绍了本次设计的门架型气动教学机器人的设计技术参数，和气动教学机器人的设计要求，确定了气动教学机器人的坐标形式和自由度以及各关节运动参数。然后简述了机器人的运动过程。从而初步确定了机器人的设计方案。教学机器人结构设计总体结构门架型气动教学机器人的结构可分为四个模块，分别为手臂部分、X轴向橫架、Y轴向橫架（连接手臂部分）、立柱，如图2-1所示。教学机器人的手臂具有升降、回转、抓取的功能，为了增加机械手运动范围空间，本设计中增加了机械手的X轴向橫架、Y轴向橫架，即增加了带动手臂部分在X、Y方向的自由度。机械手实现零件的抓取动作一般选用气爪。在抓取工件时，由于工件放置方向位置的差异，需设有回转运动才能满足工作的需要，考虑到机器人的通用性，增加手腕模块。手腕的回转运动由回转气缸来实现，气缸能够适应不同方向摆放零件抓取的要求。为了实现抓取零件升降的运动，气爪与回转气缸需连接一个直线驱动器来实现该动作。而X、Y方向的直线运动则可以选择简单的无杆气缸实现[11]。手臂的方案设计门架型气动教学机器人的手臂部分主要由气动手指、回转气缸、直线驱动三部分构成，如图3-1所示。气动手爪与回转气缸之间、回转气缸与直线驱动器之间根据选取的标准件的尺寸大小来设计合适的连接板。气动手爪、回转气缸分别与连接板通过沉头螺钉连接，回转气缸与连接板通过螺栓，直线驱动器与连接板通过沉头螺钉连接。具体连接板的结构尺寸通过以下选型之后进行设计，详细可见零件结构图纸。图3-1机器人直臂结构气动手爪的选取1、夹持力选定如图3-2所示夹持工件，在普通搬运状态所产生的冲击状况下，取安全系数a=4时，夹持力为被夹持对象质量的10~20倍以上[4]。取工件重量为kg，计算气爪的夹持力大小：（3-1）式中，为配件与工件之间摩擦系数，a为安全系数。当时，由式（3-1）可得，为工件重量的10倍。工件不掉落条件为：﹥，即﹥=9.8当时，由式（3-1）可得，为工件重量的20倍。图3-2气爪夹持工件图2、夹持点位置的选定夹持力确定后，再根据气爪标准件的限制范围要求，选定夹持点。如图3-3所示。夹持点超过限制范围时，夹爪会受到过大的力矩负荷作用，导致气动手指寿命缩短。故由图3-3中（a）、（b）、（c）、（d）表可选取气爪型号为HFY25，且气爪重量0.5kg。(a)HFY16(b)HFY20(c)HFY25(d)HFY32图3-3夹持力F与夹持点长度L的关系回转气缸的选取1、计算负载回转所需必要力矩：(3-2)(3-3)回转气缸惯性力矩如图3-4所示：图3-4惯性力矩图(3-4)式中，为负载回转所需必要力矩,为裕度系数，取K=5，为角加速度，θ为回转角度，为回转时间。根据式（3-2）、（3-3）、（3-4），计算得出：角加速度惯性矩负载回转所需必要力矩结合图2-5（a）、（b）、(c)实效输出力矩,初选输出力矩合适的气缸[7]。（a）HRQ2、HRQ3、HRQ7(b)HRQ10、HRQ20、HRQ30、HRQ50(c)HRQ70、HRQ100、HRQ200图3-5实效输出力矩在气压为0.5MPa时（下面选件均以此气压选取），初步选择气缸型号为图3-5（b）中所示的气缸。2、计算最大运动能量计算负载实际最大运动能量,且保证最大动能在所选取气缸允许能量范围内，动能过大会导致内部零件损毁[4]。（3-5）(3-6)由公式（3-5）、（3-6）算得：最大角速度负载实际最大运动能量根据算得数据，查表3-1选择回转气缸的型号。表3-1负载最大允许运动能量及回转时间范围型号最大允许能量工作台回转时间范围（s/90º）附调整螺丝附油压缓冲器附调整螺丝附油压缓冲器HRQ20.0015-0.2~0.7-HRQ30.002-0.2~0.7-HRQ70.006-0.2~1.0-HRQ100.010.040.2~1.00.2~0.7HRQ200.0250.120.2~1.00.2~0.7HRQ300.050.120.2~1.00.2~0.7HRQ500.080.300.2~1.00.2~0.7HRQ700.241.10.2~1.50.2~1.0HRQ1000.321.60.2~2.00.2~1.0HRQ2000.562.90.2~2.50.2~1.0查表3-1，可选择回转气缸的型号为HRQ30，附油压缓冲器。3、计算负载率计算负载率，满足负载率必须(3-7)式中，为实际轴向负载，为实际径向负载。查图3-6，知最大允许轴向负载为200N、最大允许径向负载200N、工作台最大允许弯矩为5.5N。实际轴向负载是气爪、工件重量及连接板之和约为15N。符合负载率范围要求图3-6最大允许负载选择的HRQ30回转气缸同时满足以上1、2、3条规定的要求，故回转气缸选HRQ30，其重量为1.26kg。直线驱动的选取直线驱动选择组合型直线驱动器，是由普通圆形气缸和直线导向单元的组合，气缸活塞运动推动前法兰盘，气缸缸径为Ф10～50mm，符合缸径标准系列，行程在10～500mm之间。直线导向系统采用循环滚珠轴承，组合式直线驱动器及组合型长行程滑台驱动器直接连接成两维、三维驱动的模块化装置之外，也可通过连接板与组合型滑泰驱动器和其他驱动器连接成两维、三维驱动的模块化装置[4]。图3-7直线驱动与负载直线驱动装置的行程设计为200mm，连接负载（回转气缸与气爪）重量为27.6N，根据图3-8，选择合适的驱动器。（a）许用有效负载F与行程L的关系（b）许用扭矩M与行程L的关系图3-8许用动态负载由图3-8（a）许用有效负载与行程的关系，直线驱动器至少选择SLE-16。回转气缸部分HRQ30气缸算得回转所需必要力矩为0.24。气缸要求运动速度为1m/s.直线驱动器的负载与速度的关系如图3-9。(b)图3-9许用缓冲器负载F和缓冲速度v的关系查表3-2知直线驱动装置重量为1.173kg，移动负载为0.39kg。负载是回转气缸及其负载重量之和为2.76kg。表3-2直线驱动器重量与行程关系重量，g缸径101620253240500mm行程时，产品重量56091318821942430061759200每10mm行程时，附加重量1013192357851250mm行程时，移动负载160230500500150022003600每10mm行程时，附加负载881212314977直线驱动缓冲器许用负载必须满足下列关系：(3-8)式中，为负载，为移动负载。算得实际负载，由图3-8选则直线驱动装置型号为SLE-20/25。图3-10直线驱动器手臂部分总体结构设计根据选定的标准件查取具体尺寸大小，并绘制手臂部分的结构图，气爪与回转气缸、回转气缸与直线驱动器之间用连接板连接，如图3-11所示[6]。且查得手臂部分总重量为4.323kg。Y轴向（连接手臂）水平橫架的设计计算Y轴向橫架运动行程设定为400mm。可以选定无杆气缸，无杆气缸是一种无活塞杆伸出在外的特殊结构气缸（与普通标准气缸相比）。由于无活塞杆伸出在外，它运动时所占的空间比普通标准型气缸即按照一般，在目前自动化生产线，尤其是模块组建化搬运、加工流水线中起着十分重要的作用。1-气爪、2-回转气缸、3-直线驱动器图3-11手臂结构图根据要求可以选用亚德客公司的RMTL系列无杆气缸，该气缸优点为活塞与滑块之间无机械连接，密封性能优异；气缸的运动行程相比普通气缸大；气缸应用磁耦合力通过活塞传递，将力传到滑块，推动滑块运动；气缸上安装有缓冲装置，能够保证气缸动作的平稳性，减少气缸损伤；气缸具有双向导向机构，能够实现高要求的运动，并且承受多向力[15]。气缸型号的选定：气缸行程表如下表所示：表3-3气缸缸径与行程范围注：表摘自《机械设计手册》。1、负载大小的确定：气缸负载大小由理论保持力（理论推力）决定，为保证气缸的正常使用，负载大小不可超过图3-12规定的气缸理论保持力。气缸的负载为手臂部分重量，即在气压为0.5MPa下，负载大小约为42.5N。所以初步选择直径为Ф16的气缸。图3-12理论推力与供给压力的关系2、气缸校核：气缸所受力及其力矩如图3-13所示。图3-13气缸所受力和力矩驱动同时受到两个以上的力和力矩，除了满足理论推力外，还必须满足以下方程式：(3-9)式中，为气缸总负载率，为X轴向所受力矩，为Y轴向所受力矩，为X轴向所受最大力矩，为Y轴向所受最大力矩。表3-4气缸许用力与扭矩许用力和扭矩活塞直径Ф101620253240Fy最大1502503404304301010Fz最大1502503404304301010Mx最大0.81.22.25.48.523My最大4610141834Mz最大4610141834此气缸所受、均为0，并且由之前所得数据已知，(回转气缸部分已算出)，的计算公式如下：(3-10)，算得，且查表3-，并计算Ф16气缸的总负载率：>1不符合要求重新选择Ф25气缸，计算总负载率：<1符合要求即Y轴向气缸序曲型号为RMTL25-400S，气缸重量为1.5kg。气缸结构为图3-14所示：图3-14气缸结构示意图X轴向水平橫架的设计计算X水平橫架选取双缸滑台驱动器，其运动特征是活塞杆（含前法兰或后法兰）固定，缸体（滑台）移动。一些气动制造商称其为华东装置气缸。双缸滑台驱动器由于滑台运动，只有双活塞杆贯穿缸体一种形式。其导向装置可分为滑动轴承和循环滚珠轴承两种形式，滑动轴承的承载能力比循环滚珠轴承高，但循环滚珠轴承的运动阻力小，适用于高速运动。该方向气缸行程为480mm。根据表3-5选取适合的气缸[14]。X轴向水平气缸所带负载大小为手臂与Y向无杆气缸重量之和，即57.5N。查表3-5，初步选则气缸内径为16的双缸滑台驱动器。表3-5气缸理论输出力表双缸滑台受力如图3-15：图3-15双缸滑台受力许用径向力与和行程L的关系如图3-16所示。图3-16许用径向力和行程的关系Y向无杆气缸固定在两个双缸滑台上，则每个双缸滑台所受力大小约为29N。为安全起见，选用型号为SPZ-20的双缸滑台驱动器。立柱的设计立柱采用4根焊接而成的槽钢，将其与X向的两个双缸滑台连接，使得立柱之间的宽度与X/Y向橫架的宽度相等，在低端焊上5mm厚并钻有4个直径为8mm孔的薄钢板，以便于该机械手的固定，增加立柱的稳定性。顶部通过螺栓连接一个特别设计的连接板，该连接板同时连接X向双缸滑台。立柱的结构如图3-16所示：图3-17立柱结构示意图Pro/e建模根据机器人二维结构装配图的设计，完成门架型机器人三维模型的建立[5]，三维模型图如图3-17所示。图3-18教学机器人三维模型本章小结本章首先分析了门架型气动教学机器人的总体结构和设计的要求，提出了初步的总体方案。然后采用模块化的方式，分别对手臂部分、Y向橫架部分、X向橫架部分以及立柱进行了功能分析和元件型号的选择，设计出了各个模块的结构及其相互的连接方式。最后设计出了整个机器人的总体结构。驱动系统设计气动系统回路设计气动系统在整个教学机器人设计整体中属于驱动各个末端装置动作的驱动传动装置。气动系统一起廉价、简单、抗污染能力强等特点，在工业自动化中得到越来越广泛的应用。随之基础工业的市场化集成化的发展，分工越来越明确。所以在本次毕业设计中，将各个传动气缸模块化，分别设计，如此设计各个模块相对独立，这样气缸控制的时候，相互之间不会发生干涉[8]。根据气动教学机器人的动作要求，气动系统需要5个相互独立的方向控制阀分别控制6个气缸（X向两个气缸用同一个方向控制阀）。使用同一方向控制阀控制的两个气缸实现同步运动，如此控制称为同步控制。同步控制的执行动作是在驱动两个或者更多执行元件的时候，这几个被驱动的执行元件能够保持在运动过程中保持位置的同步。从本质上讲，同步控制是速度控制的一种特例。作用于执行机构的外力负载发生变化时，为了实现同步通常采用以下方法[10]：1）通过机械结构的传动连接将各个执行机构调整同步；2）调节执行机构的输入输出环节，让执行机构的流入与流出的实时流量相一致；3）在测量执行机构的实时输出，即实时运动速度时，通过反馈调节对流入与流出执行环节的流量进行调节。本次毕业设计中运用方法2对X向的两个气缸进行同步控制，使两个气缸使用同一个方向控制阀和速度控制阀，以保证其流量相同。气动系统回路如图4-1所示：1、2、3、4、5—三位五通电磁换向阀；6—气源处理组件；7—空气压缩机图4-1气动系统回路其中电磁阀的动作控制如表4-1所示。表4-1控制回路中电磁铁动作表注：“+”表示该电磁铁做动作，“-”表示该电磁铁不做动作。如表4-1所示，1YA控制X向气缸正向移动，2YA控制X向气缸反向移动，3YA控制Y向气缸正向移动，4YA控制Y向气缸反向移动，5YA动作时，使输出回转的气缸进行正转，6YA动作时使输出回转的气缸进行反转，7YA动作时，使机械手臂进行下降动作，8YA动作时，使机械手臂进行上升动作，9YA动作时，使加紧汽缸进行夹紧动作。10YA控制气爪松开。气动辅助元件的选择1、选择方向控制阀方向控制阀是控制回路中流体流通方向的元器件，通过调整方向控制阀的控制阀位使回路中的气体流入不同的通道，最终改变整体回路中的气流的运动方向，作用于不同的执行元件。本次毕业设计中使用的方向控制阀是三位五通的电磁控制换向阀。电磁阀不仅在左、右两个位置下实现气体不同方向的流动，而且在中位可以控制气缸停留在任意位置上[1]。速度控制阀速度控制阀又称为单向节流阀，在要求单方向控制气体流量一般采用单向节流阀。它是由普通节流阀和方向阀并联组合而成，不仅对回路中流动的气体的流通方向进行调整，还会对流过速度控制阀的气体的流量经行控制。速度控制阀的工作效果能够控制流体单向流通，避免因为负载的冲撞出现的逆流现象。所以经常用于直接接入执行元器件的气缸的速度的控制。在整个控制回路中速度控制阀通常有两种连接方式：调整近期流量压强以进气节流、调整排气流量以排气节流。在设计中的共有6个气缸，每个气缸进出口各需一个单向节流阀，其中X向两个气缸共用一对节流阀，所以总共需要10个速度控制阀。3、消声器气缸系统中的消声器能够使气体通过并降低气体通过时产生的声音，降低气缸工作中的工作噪声。空气压缩机动力控制系统分为气压动力控制系统、液压动力控制系统；两者主要区别是作为动力源的流体介质不同。而本次毕业设计中使用的气压动力系统的气源产生是使用空气压缩机的效果。空气压缩机通过自身工作机的工作对存在于大气环境中的普通气体进行压缩，使之成为气压动力系统的的压力源。其主要控制方法是控制气缸内亚强，是指内部压力不超过规定的压力范围。控制元器件通常使用远程式溢流阀进行实时调控。从而使气罐内压力保持在规定压力范围内。选择空气压缩机的工作型号是，首先根据工作回路的工作要求对压缩机提出的要求进行选择，其次根据气动控制回路的工作压力和工作流量确定空气压缩机的理论输出压力和工作机驶入压力，以致最终选择空气压缩机的型号[12]。5、气源处理组件根据本章开始之初提出的模块化要求，针对气源处理组件进行模块化设计，使用模块化机构，使回路整体结构简单，控制功能更加多样。它的结构包括：减压器、油雾器、分水滤气器。组件的主要工作目的是控制输入到启动控制回路中的气源压力，通过调整减压阀的阀口大小，对压力进行实时定压调控。控制系统设计根据本设计中气动教学机器人的动作特性要求和满足气动机械手能够适应不同位置零件的搬运要求，及其具有的通用性，所以本教学机器人选用PLC作为控制系统的控制器。PLC的优点为使用方便、抗干扰能力强。并且控制器的体积小，携带方便，不易损坏维修简单、工作量少，安装过程方便，能耗低，能够很好地满足各种设计的要求。本设计行选取西门子公司广泛使用，并具有优良性质的S7-200。S7-200可靠性良好、内部的指令库丰富、信号转换和执行能力强大、相关的连接件种类多样。S7-200不仅能够实现单机运行，替代原有的继电器控制系统，还能够在自动化控制系统中配合良好。这些优点使得S2-200得到用户的青睐，尤其是在通信上的良好应用，让其在网络控制方面得到了充分的发挥[2]。门架型气动教学机器人要求能够将零件从A点搬运到B点，其运动轨迹图如图4-2所示：图4-2教学机器人在空间坐标系内的运动轨迹工作方式通过分析整个气动教学机器人的工作要求和在空间内的运动轨迹，不难发现，本次毕业设计中使用的机器人在工作模式的分类上分为5种不同的工作模式，他们分别是单步工作模式、单周期工作模式、连续循环工作模式、返回原点工作模式、手动工作模式[2]。这5中工作模式的控制面板如图4-3所示:图4-3操作面板这五种工作模式的的工作状态是：单步工作模式是指整个气动回路系统的初始位置状态在原点位置，整个控制过程不会主动连续进行，需要每按下一次启动按钮机器人才会进行一次动作，且其运动轨迹与手动模式不一样，其运动轨迹按照事先已经编好的运动轨迹进行。相对来说，手动模式可以通过单独调整分别进行单步工作或连续动作，在上方图内所示的控制面板内进行调整单步动作实现10个但不动作：Y正向、Y反向、X正向、X反向、上升、下降、正转、反转、夹紧、松开。除此之外手动模式的运动轨迹不会受到事先编好的运动轨迹的影响，手动模式的动作只需按下相应动作按钮即可进行相应运动的操作。其次返回原点工作模式通过按下返回原点工作按钮可以使机器从停止的运动位置回到原点[13]。在操作面板中除了这些动作常用按钮还会有调整工作机启停的的启动按钮、停止按钮；保护工作机工作安全的负载电源、紧急停车按钮。启动按钮是针对整个机器人进行供电，只有按下启动按钮才能进行起他的动作。停止按钮是对整个机器人进行停止动作，当按下停止按钮后，完成编写程序中的最后一个周期的动作之后机器人会回到动作原点位置；紧急停产按钮时为了应对紧急情况发生时，比如电源断电，PLC发生故障时积极停车按钮能够立刻断开外部输入电源，使机器停止动作并保持自锁。整个控制面板的PLC外部接线图如图4-4：图4-4PLC控制系统的外部接线图PLC程序设计1、主程序在控制系统的设计过程中，一般选用设有多种工作方式的控制系统，这些工作方式的设计要求要求能够保证整个系统所有动作的动作要求。在PLC有控制系统中，常用的控制工作方式有单周期工作方式、连续工作方式、单步工作方式、回原点工作方式手动控制工作方式，后四种工作方式统称为自动工作方式。手动程序可以通过经验法来设计，根据机器人的运动方式设计自动程序的顺序功能图，并据此设计出相应的程序。本次毕业设计中设计的工作控制系统主要包括5个程序，其中一个主程序和4个辅助子程序，整个控制系统所使用的OB1采用的如图4-5所示的梯形图。系统共有5种工作方式，其中单步运动程序、单周期活动程序、连续活动程序总称为自动方式。SM0.0的常开触点一直闭合，每次扫描都会只想公用程序。所以公用的程序中应当包括自动方式和手动方式的执行操作程序，除此之外在公用程序中还应当包括自动程序和手动控制程序的相互之间的切换处理。当系统的工作状态处于手动工作模式时，输入端口I2.6处于接通状态，系统的控制程序进入手动控制子程序；当系统的工作状态处于自动返回原点模式时，输入端口I2.7处于接通状态，系统的控制程序自动进入自动返回原点子程序；当系统的工作状态处于自动工作模式时，输入端口I3.0处于接通状态，系统的控制程序自动进入自动控制子程序；当系统的工作状态处于单步运转工作模式时，输入端口I3.1处于接通状态，系统的控制程序进入单周期活动控制子程序；当系统的工作状态处于连续工作模式时，输入端口I3.2处于接通状态，系统的控制程序进入连续活动控制子程序。图4-5主程序OB12、公用程序公用程序占用整个控制程序得一个主程序，公用程序的工作效果是处理所有工作方式在执行不同任务和调整不同工作状态是所需要的机器自动调整之间的切换。在空间坐标系中的X方向的控制限位开关I0.3，Y方向的控制限位开关I0.0,Z方向的控制限位开关I0.7，方向转换的调整限位开关I1.2，这几个输入触点串连接筒，同时在机械手处于松开动作状态时，如此机器人的原点条件M0.5工作状态为ON。这个时候可以开始执行用户主程序，即其实触点SM0.1接通；当输入触点I2.7或I2.6接通，即自动回原点模式或者手动模式借同事，系统主程序控制为M0.0将会被职位，如此便达到了工作机进入紫铜程序做好了前提；当系统工作机的的程序工作位M0.5为不接通转台是，系统程序控制位M0.0将会被调整为至位，起始程序便会调整为不活动步，系统程序将没办法进入自动程序，自动程序被锁死。当系统控制面板调整为手动控制或回原点时，即手动工作方式和自动返回原点工作模式介入程序时，系统必须将自动将自动程序中的各个工作步中的工作储存器进行复位，防止出现两个活动步相冲突，甚至出现工作程序执行出错。当工作机工作程序不是自动返回原点模式时，输入触点I2.7的输入常闭触点闭合，系统程序会将自动返回原点动作程序中的各个分级步进行复位。当工作机工作程序处于非连续运动的模式时，输入连续动作的输入出点I3.2的常闭触点自动闭合，系统工作程序会将连续工作状态的标志位M0.7进行复位。3、手动程序一般在手动程序中会设有一些互锁，能够保障系统的安全性，系统中的互锁设定如下：1）Y向正向运动与Y向反向运动、X向正向运动与X向反向运动、Z方向上的上升与下降动作、回转方向的气缸正转与反转动作之间都必须保证能够或所，避免两个相对的工作位同时运行出现工作故障。图4-6公用控制程序梯形图2）当输入端口I2.0的控制按钮被按下时，程序调整输出Q0.3，机器人动作夹紧动作，当机器人机械手爪闭合到达限位开关I1.3时，I1.3输入按钮被按下，机器人机械手爪将夹紧复位，夹紧动作停止。所以讲将输入端口I1.3的常闭触点与线圈Q0.3的线圈串联实现互锁；保证当按下I2.5执行机械手爪按钮时，程序会输出Q0.7，机械手爪执行松开动作、3)当输入端口I1.7正转的控制动作按钮被按下时，程序调整输出Q0.4，机器人气缸执行正传动作，当机械手臂旋转到达限位开关I1.1时，输入端口I1.1被按下，程序调整正转输出被复位，正转动作停止。与上一个程序同样，正转与反转程序之间必须进行互锁，即将输出线圈Q1.0与输入端口I1.1和Q1.0的控制常闭触点进行串联，实现正反转之间的互锁。同样X方向的正、反向运动；Y方向的正、反向动作；Z方向的上升、下降动作的动作控制互锁与正反转的控制原理一样，如图4-7所示。4、自动程序自动控制程序包含三种动作功能：单步控制执行动作、单周期控制执行动作、连续控制执行动作。自动程序的顺序功能图如图4-8所示。执行连续控制执行运动时，旋转转换开关调整到I3.2输入端口，此时I3.2为1状态，即I3.2的输入位变为ON状态，程序中的连续控制执行动作标志位M0.7被接通。图4-7手动程序图4-8自动程序顺序功能图限位点2I0.4时，M2.7转换为活动步，M2.6转换为不活动步，执行Y正向运动，M3.0转换为活动步，M2.7转换为不活动步，控制程序输出机械手爪松开动作，与此同时计时器被接通，当计时结束时，工作机标志位M.3.1调整为活动动作步。M3.0转换为不活动步，执行反转动作；当转动到反向限位点I1.2，M3.2转换为活动步，M3.1转换为不活动步，执行上升运动；当上升到上限为点2I0.7时，M3.3转换为活动步，M3.2转换为不活动步，执行Y向反向运动；执行单周期控制执行动作时，你懂动作其实际运动的过程及调整机械臂的动作与连续运动相同，但单周期运动在程序执行完一个周期后便停止运动。在完成一个周期后工作及程序通过连续飚至位M0.7进行区别程序进入单周期运动还是执行连续循环动作。当标志位M0.7输入接通时，M0.7的状态标志位调整为1，程序自动调整程序连续循环动作；相反，便进入单周期。执行M0.7的程序如图4-9所示：图4-9连续标志位执行单步运动时，运动过程及运动动作与连续运动相同，但单步运动执行一次活动后边停止运动。每按下一次启动按钮，执行一次活动，每个活动步的顺序及动作与连续运动相同。通过转换使用辅助继电器M0.6实现该功能。转换允许梯形图如图4-10所示。当处于单步模式时，I3.0常闭触点断开，必须按下启动按钮才能执行一次M0.6。图4-10转换允许输出电路是自动程序的一部分，在进行单步运动时因为只执行一步活动，未触发转换条件，因此还需要对其设置输出电路。通过与各个限位开关的常闭触点串联防止单步运动超出执行范围。输出电路如图4-11所示。图4-11输出电路5、回原点程序在系统程序执行自动程序时，当系统程序读到任意分级步时，可以通过自动返回回原点程序让陈绪自动调整回到标志原点处。机械手停在任意位置状态时，根据机械手运动顺序（如图4-12所示运动点位图）和夹紧装置的状态可分为2种情况，采用不同的处理方法。第一种情况：气爪处于松开状态，如2、3、7、8位置时的情况。在点2位置时，只需Y向反向运动回到原点；在点3时需要X向反向运动，然后Y向反向运动即可回原点；在点7位置时，需反转，上升，然后Y向反向运动回到原点；在点8位置时，只需Y向反向运动。第2种情况：教学机器人的执行末端气爪处于夹紧状态时，如4、5、6位置时的情况。在处于点4位置时，需要执行正转、上升、X反向运动、Y向正向运动、松开、反转、上升、Y向反向运动回到原点；在点5位置时，需要执行X向反向运动、Y向运动、松开、反转、Y向反向运动回到原点；在点6位置时，需要执行Y向运动、松开、反转、Y反向运动回到原点。根据上述不同位置回原点的运动顺序设计出如图4-13所示顺序功能图。机械手返回原点后，满足原点条件，公用程序中原点条件M0.5接通。因为此时回原点开关I2.7处于接通状态，所以公用程序中M0.0被置位，并为进入自动程序做好准备。因此可以认为自动程序顺序功能图中的M0.0步M1.6的后续步。图4-12运动点位图图4-13回原点顺序功能图本章小结本章首先根据门架型气动教学机器人结构设计中选出的气缸进行气动系统的设计。控制系统采用PLC，选定了5种工作方式、操作面板，并设计出合适的外部接线图。本文中PLC共有5个程序，包含一个主程序，4个子程序，分别为：手动程序、公用程序、回原点程序、自动程序。产品经济技术性分析通过对多种经济技术方案进行详细的分析、计算、评价，并且在多种方案中选出最优方案（包括计划方案、设计方案、技术措施和技术政策）的预测效果进行分析，作为选择方案和进行决策的依据，称之为技术经济分析。技术经济分析就是尽量在低投入的条件下生产出符合时代潮流，满足人们的应用需求，能使企业获得更多回报，产生更大的社会和经济效益的产品。简单的来说就是低投入高产出的市场模式。技术经济分析的技术至生产手段、工艺方法、操作技能等三方面内容的总称。技术经济分析的经济效果指人类的某种实践活动取得的效果与所得消耗的活动和物质之间的比例关系。技术经济性分析技术经济分析即是在多个备用的方案中选择经济效益最高，生产效果最好，社会影响也最广泛的方案，并对这个选择出来的最好的方案进行计算、分析然后预测该方案的结果，把它作为选择方案和进行决策的根据。在本文中技术就是生产时采用的手段，制造时的工艺流程和方法以及工人操作时的技术要领。经济是指在生产制造活动中所投入的人力物力财力等和其所产出的效果的对比关系。技术经济分析的指标技术经济分析指标主要分为三类，包括效益类中标、收益类指标、消耗类指标，其具体分类如图5-1所示。（一）、消耗类指标投资指标：投资指的是为实际的技术方案投出的一次性资金。投资分为两个方面，包括流动资金和固定资金。开发项目所需要的一次性资金称为固定资金，经营此项目所需要的一次性支出称为流动资金，这两项资金都需要项目投资前期投入。主要的投资指标有：图5-1技术经济分析指标分类1、固定资产投资：

（1）开发项目前期工程建筑所需费用；

（2）用于项目安装工程费用；

（3）采购所需工具、设备等的费用；

（4）其他费用：人员培训费，设计费等；（5）基本预备费：事先难以预料的的费用。

方案的投资指标=（1）+（2）+（3）+（4）+（5）以上五项之和。2、流动资产投资：

（1）库存货物量（一定数目的流动资产）

（2）提前应该收取的费用（不确定的流动资产）

（3）金钱（不确定的流动资金）

成本指的是在产出产品的过程中，所需要的人力、物力、财力等，并将产品卖出所投入的金钱。在收到产品及其附加服务等需要投入的资金分类主要有：

1、会计成本

是在现实中实际存在的，能够看得见的经济费用支出、收入费用的记录。其中包含多方面，如投资宣传费用、人工劳动费用、银行借贷利息费用、产品生产材料费用。经济费用支出、生产管理费用、财务费用均属于总成本费用。2、经营成本

生产产品所需所有的成本费用减去生产过程中的会计费用、变旧费用和其他消费，最后所得的费用为经济成本费用3、不变的成本费用和不确定的成本费用（二）、收益类指标

1、数量指标：是指反映技术方案生产活动有用成果的指标。

（1）实物量指标：即生产量。

（2）价值量指标：主要有总产值和商品总值等。

2、质量指标：能够反应产品功能、满足用户要求程度、功能的指标。3、品种指标：品种指标是指能够表示使用价值存在差异而经济用途相同的同类产品的指标，如产品配套率、品种数、规格名称等。产品成本估算产品成本由原材料、工资、费用三部分组成。由于产品设计阶段成本受到许多不确定因素影响，一般采用估算。1、设计过程中成本粗略估算计算公式为：(5-1)式中，为产品的估算成本，为类似产品的单位重量或尺寸规格的成本，为产品的设计质量kg或尺寸规格。根据公式计算得：气爪成本：元回转气缸成本：元直线驱动器成本：元Y向无杆气缸成本：元X向双杆缸成本：元所以本设计中机械手的总估算价格：元2、设计完成后成本估算计算公式为：(5-2)式中，为产品估算成本，为原料及主要材料费用，为生产工人的基本工资及附加工资，为车间经费的分配率，为企业管理费的分配率，为其他费用占成本的百分比。经市场调查得知本文中机器人原料及主要材料费用约为400元，生产工人的基本工资及附加工资为2500元，车间经费分配率、企业管理费分配率、其他费用占成本百分比分别为5%、4%、20%。根据公式（5-2）算得产品估