基于PLC控制四自由度气动式机械手 32
采用O型密封圈。工作可靠，静摩擦因素大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广。
（4）气缸的安装连接结构
根据安装位置和工作要求不同可有法兰式、脚架式、支座式、铰轴式。由于结构需要，该气缸用法兰式安装连接。
6.3 导向装置
气压驱动的机械手臂在进行上下运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。
在本设计中才用双导向杆来增加腰部的刚性和导向性。
6.4 平衡装置
在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手爪一侧的重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，根据抓取物体的重量和气缸的运行参数配一块重量为8 kg的铁块。这样，机械手臂的倾覆力矩就非常小，不会有翻到的状况发生。
6.5 机身回转机构的计算
旋转气压缸所需，M驱?M惯?M密?M回。 （1） M惯计算
M惯?J0??J0?? （6-1） ?tG总?2 （6-2） J0?Jc?gm（l2+3R2）Jc? （6-3）
12将回转部件等效为一个圆柱体，长为1500mm，半径为60mm，其重力G总=800N，设启动的角速度???0.314rad/s，启动时间?t=0.1s，所以：
基于PLC控制四自由度气动式机械手 33
m（l2+3R2）1296（1.52+3?0.062）/12=25N?m?S2 Jc?=9.812G总?2800?1.22252?147N?m?S2 =25?J0?Jc?9.8gM惯?J0??J0??0.314?461.6N?m =147??t0.1（2）M密，M回的计算
为了方便计算，M密?0.03M驱，M回?0 所以：
M驱?M惯?M密?M回=461.6+0.03M驱+0
M驱?476N?m
回转气压缸参数计算如下：
设b=60mm，工作压力P=4Mpa，d=50mm
Pb（D2-d2）则由M驱?得：
8D?8M驱8?476 ?d2??0.052?0.136m （6-4）6bP0.06?4?10所以圆整取气压缸的内径为140 mm。
6.6 本章小结
本章对机械手的腰部和机座部分进行了设计计算，确定了腰部气缸的内径和活塞杆直径，算出了壁厚，并对活塞杆的稳定性进行了校核。导向装置采用双向导杆，在横梁端部加装平衡装置减少倾覆力矩。
基于PLC控制四自由度气动式机械手 34
7 机械手的PLC控制系统设计
7.1 气压传动系统工作原理图
图7-1为机械手的气压传动系统工作原理图，表7-1为气路元件图。气源是由空气压缩机通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器这气动三联件，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作[15]。
图7-1 四自由度机械手气路原理图
表7-1 气路元件图
序号 1 2 3 4 5 6 7 8~11 12~16 17~24
型号规格 J41F-16 QLPY1 QLPY2 QLPY3 TK-10 Q22DX-1 Q25DC-3 QLA-L3 TZ-8104 名称 手动截止阀 储气缸 分水滤气器 减压阀 油雾器 压力继电器 二位二通电磁阀 二位五通电磁阀 单向节流阀 行程开关 数量 1 1 1 1 1 1 1 4 5 8 基于PLC控制四自由度气动式机械手 35
7.2 可编程序控制器的选择及工作过程
7.2.1 可编程序控制器PLC的选择
国际上生产可编程序控制器的厂家很多，有日本三菱公司的F系列PLC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PLC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PLC等。考虑到本课题机械手的输入输出点少，流程简单，同时又要考虑到成本，因此选择了三菱电机公司的FX2N系列PLC。
7.2.2 可编程序控制器的工作过程
可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为四个阶段。
第一阶段是初始化处理。
可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。
第二阶段是处理输入信号阶段。
在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。
第三阶段是程序处理阶段。
当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。
第四阶段是输出处理阶段。
CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期[16]。
7.3 可编程序控制器的使用步骤
在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:
（1）系统设计
基于PLC控制四自由度气动式机械手 36
即确定被控对象的工作原理，控制要求，动作及动作顺序。 （2）I/0分配
即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号；哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号。此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。
（3）画梯形图
它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。
（4）助记符机器程序
相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。
（5）编制程序
即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。 （6）调试程序
即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件[23]。
（7）保存程序
调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用[17]。
7.4 机械手可编程序控制器控制方案
7.4.1 控制系统的工作原理及控制要求
（1）控制对象为圆柱坐标式气动机械手。
它具有四个自由度，手腕的旋转，手臂的伸缩，腰部的上升下降及机座的旋转。此外，末端执行装置还可完成抓、放功能。以上各动作都采用气动方式驱动。气动方式用四个二位五通电磁阀分别控制四个气缸，一个二位二通电磁阀控制夹紧气缸，使机械手完成手腕旋转、手臂伸缩、腰部升降、机座旋转和手爪张合动作。这样，可用PLC的5个输出端与电磁阀相连，经过编程，使电磁阀各线圈按一定顺序启动，使机械手按预先安排的动作顺序工作。
（2）控制要求
为了满足工作需要，机械手应该设置手动工作方式和自动工作方式。