气动炸药搬运机械手的控制系统
2016年 5 月 10日 摘 要目前，在炸药筛选过程中，自动化程度不高，原材料的运输仍由人工搬运的方式来完成，同时，炸药又是一种易燃易爆物品，会带来生命、财产的巨大损失。而气动自动化技术现已有了长足发展，并逐渐成为能够满足许多行业生产实际要求的一种重要实用技术。因此，将气动自动化技术应用于炸药生产过程中，提高炸药搬运工作的自动化程度及安全系数，具有非常现实的意义。本论文是将气动控制技术、计算机与PLC技术结合起来，进行炸药气动搬运机械手的研制。在机械方面，该机械手主要由手臂、手爪、腰部及基座等部分构成，具有三个移动自由度和两个旋转自由度，分别实现机械手的提升、伸缩、夹持、旋转和摆动动作。在运动学方面，建立了炸药气动搬运机械手的运动学模型，并根据各关节运动参数，对机械手位置和姿态的正运动学方程进行求解。另外，在给定相关的位置和姿态参数的情况下，对各关节运动参数的逆运动学方程进行求解。为机械手手爪的定位以及运动路径的规划奠定了理论基础。在控制方面，控制系统是以西门子公司S7-200PLC为核心，施行指令编程方法搭建控制系统平台，达到机械手具有3个移动自由度和2个旋转自由度的搬运及动作循环。在系统软件方面，以PLC与计算机的实时通信为基础，实现了计算机对炸药搬运机械手的远程监控，并能对运行过程信息进行存储。本文研制的炸药气动搬运机械手已经建立实验模型，并进行多次试验，实现了各种预定动作及其远程监控，为机械手在炸药等易燃易爆产品生产、加工等领域的研究与应用提供了实验依据。
目 录
第一章 绪论 1
1.1气动炸药搬运机械手的控制系统的研究背景和意义 1
1.2国内外发展状况 2
1.3气动炸药搬运机械手的控制系统的发展前景 2
第二章 系统总体设计方案 4
2.1课题的主要研究内容 4
2.2基本技术指标及要达到的目标 5
第三章 系统总体概述 6
3.1系统概括 6
3.1.1炸药桶 6
3.1.2机械手功能 6
3.2 机械手的结构 7
3.2.1机械手结构 7
3.2.2传感器系统 7
3.3 机械手的技术参数 8<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
br /> 3.3.1自由度 8
3.3.2重复定位精度 8
3.3.3工作空间 8
3.4机械手机械结构 9
3.4.1机械手爪部设计 10
3.4.2机械手手臂设计 12
3.4.3机械手腰部及基座设计 12
第四章 机械手的气动控制系统 15
4.1气动控制系统概述 15
4.2手爪气动控制方法 15
4.2.1夹持气缸手控与自控方法选择 16
4.3其他部分气动控制方法 17
4.3.1三位五通阀在机械手中的应用 17
4.3.2二位五通阀在机械手中的应用 17
4.3.3气缸运行速度控制 18
第五章 机械手电气控制系统 19
5.1机械手的动作顺序 19
5.2 PLC的选择 19
5.3 I/O表 20
5.4机械手自动运行控制程序 21
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
附录一 机械手控制系统的PLC编程程序 26
第一章 绪论
1.1气动炸药搬运机械手的控制系统的研究背景和意义
在工业自动化生产中，无论是单机还是组合机床，以及自动生产流水线，都要 用到机械手来完成工件的取放。对机械手的控制主要是位置识别、运动方向控制和物料是否存在的判别。其任务是将传送带A上的工件或物品搬运到传送带B上。机 械手的上升、下移、左移、右移抓紧和放松都是用双线圈三位电磁阀气动缸完成。当某个电磁阀通电时，就保持相对应的动作，即使线圈再断电仍然保持，直到相反 方向的线圈通电，相对应的动作才结束。设备上装有上、下、左、右、抓紧、放松六个限位开关，控制对应工步的结束。传送带上设有一个光点开关，监视工件到位 与否。
机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和 操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，因此获得日益广泛的应用。机 械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的 是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械 手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系 统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。实际的机器人由带有腕(或称为手臂)的主机身和机身端部的工具(通常是某 些类型的夹持器)组成,同时也包括一个辅助动力系统。本文是对整个设计工作较全面的介绍和总机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、 传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
中国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着中国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。
中国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备 转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。据预测，目前中国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求此类自 动化线就达300多条，产值约为60多亿元人民币。 “十二五”期间，随着机器人产业在国内的快速发展及下游行业的驱动，未来对机器人的需求呈现出强劲的发展态势。
1.2国内外发展状况
早在很多年前，机械手是作为操作放射性物质的工具而出现的。机械手首先从美国开始研制。四十年代，美国为加快核武器的发展，研制了一些简单的防护性操作工具，如长杆夹钳和剑式机械手。1959年美国联合控制公司研制出第一台机械手。六十年代，又研制出数控示教再现性机械手和一种灵活搬运，这两台机器是国外机械手发展的基础。德国机器制造业是从70年代开始应用机械手，主要用于起重运输，焊接和设备的上下料等作业。俄国主要用于繁重单调，有害于健康的辅助性工作。日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家。从七十年代引见机械手后大力从事机械手的研究。应用最多的是汽车工业，其次是电机，电器。在国内主要是逐步扩大应用范围，在应用专用机械手的同时，发展通用机械手，计算机机械手和组合式机械手。重点发展铸锻，热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。
1.3气动炸药搬运机械手的控制系统的发展前景
国外的发展趋势是关键零部件的改善，包括减速机，控制器，和其他软硬件等。软件是一个公司的核心技术，未来的发展趋势是机器人封装技术，作为数字系统，好的软件封装技术，就是用户很难接触到软件系统里面的内容。
中国工业机器人未来的发展方向是净室机器人（喷涂特殊油漆且表面通过打磨抛光的机器人），能够广泛应用与电子行业，微电子行业，食品行业，医药等其他行业。不过，技术方面关键是我们的核心技术不成熟，如其中的减速器，所以在未来，我们的发展空间广大。
目前，在国内外炸药气动搬运系统真正使用在工业方面的不是太多，大多数的著作和论文都集中在炸药的生产、储存以及运输过程。
在军事方面，对于炸药的搬运系统却有了很大的发展。例如美国军方炸药搬运机器人已经真正实现智能和自动化，能完全代替搬运人员，将炸药对人类的威胁减少到最低。
在我国，公安系统为了打击爆炸犯罪而自主开发的排爆机器人，操作人员能够通过远程线控或无线遥控排爆机器人，实现炸药的搬运、引爆。能够避免人工排爆时带来的人员伤亡。
因此，如何将炸药搬运系统由军事领域转为工业用途有着非常重要的意义。将其用于生产实际中，可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，有利于实现炸药传送、搬运等的自动化程度， 从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，使劳动条件得以改善，意义更为重大。
目 录
第一章 绪论 1
1.1气动炸药搬运机械手的控制系统的研究背景和意义 1
1.2国内外发展状况 2
1.3气动炸药搬运机械手的控制系统的发展前景 2
第二章 系统总体设计方案 4
2.1课题的主要研究内容 4
2.2基本技术指标及要达到的目标 5
第三章 系统总体概述 6
3.1系统概括 6
3.1.1炸药桶 6
3.1.2机械手功能 6
3.2 机械手的结构 7
3.2.1机械手结构 7
3.2.2传感器系统 7
3.3 机械手的技术参数 8<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
br /> 3.3.1自由度 8
3.3.2重复定位精度 8
3.3.3工作空间 8
3.4机械手机械结构 9
3.4.1机械手爪部设计 10
3.4.2机械手手臂设计 12
3.4.3机械手腰部及基座设计 12
第四章 机械手的气动控制系统 15
4.1气动控制系统概述 15
4.2手爪气动控制方法 15
4.2.1夹持气缸手控与自控方法选择 16
4.3其他部分气动控制方法 17
4.3.1三位五通阀在机械手中的应用 17
4.3.2二位五通阀在机械手中的应用 17
4.3.3气缸运行速度控制 18
第五章 机械手电气控制系统 19
5.1机械手的动作顺序 19
5.2 PLC的选择 19
5.3 I/O表 20
5.4机械手自动运行控制程序 21
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
附录一 机械手控制系统的PLC编程程序 26
第一章 绪论
1.1气动炸药搬运机械手的控制系统的研究背景和意义
在工业自动化生产中，无论是单机还是组合机床，以及自动生产流水线，都要 用到机械手来完成工件的取放。对机械手的控制主要是位置识别、运动方向控制和物料是否存在的判别。其任务是将传送带A上的工件或物品搬运到传送带B上。机 械手的上升、下移、左移、右移抓紧和放松都是用双线圈三位电磁阀气动缸完成。当某个电磁阀通电时，就保持相对应的动作，即使线圈再断电仍然保持，直到相反 方向的线圈通电，相对应的动作才结束。设备上装有上、下、左、右、抓紧、放松六个限位开关，控制对应工步的结束。传送带上设有一个光点开关，监视工件到位 与否。
机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和 操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，因此获得日益广泛的应用。机 械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的 是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械 手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系 统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。实际的机器人由带有腕(或称为手臂)的主机身和机身端部的工具(通常是某 些类型的夹持器)组成,同时也包括一个辅助动力系统。本文是对整个设计工作较全面的介绍和总机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、 传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
中国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着中国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。
中国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备 转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。据预测，目前中国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求此类自 动化线就达300多条，产值约为60多亿元人民币。 “十二五”期间，随着机器人产业在国内的快速发展及下游行业的驱动，未来对机器人的需求呈现出强劲的发展态势。
1.2国内外发展状况
早在很多年前，机械手是作为操作放射性物质的工具而出现的。机械手首先从美国开始研制。四十年代，美国为加快核武器的发展，研制了一些简单的防护性操作工具，如长杆夹钳和剑式机械手。1959年美国联合控制公司研制出第一台机械手。六十年代，又研制出数控示教再现性机械手和一种灵活搬运，这两台机器是国外机械手发展的基础。德国机器制造业是从70年代开始应用机械手，主要用于起重运输，焊接和设备的上下料等作业。俄国主要用于繁重单调，有害于健康的辅助性工作。日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家。从七十年代引见机械手后大力从事机械手的研究。应用最多的是汽车工业，其次是电机，电器。在国内主要是逐步扩大应用范围，在应用专用机械手的同时，发展通用机械手，计算机机械手和组合式机械手。重点发展铸锻，热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。
1.3气动炸药搬运机械手的控制系统的发展前景
国外的发展趋势是关键零部件的改善，包括减速机，控制器，和其他软硬件等。软件是一个公司的核心技术，未来的发展趋势是机器人封装技术，作为数字系统，好的软件封装技术，就是用户很难接触到软件系统里面的内容。
中国工业机器人未来的发展方向是净室机器人（喷涂特殊油漆且表面通过打磨抛光的机器人），能够广泛应用与电子行业，微电子行业，食品行业，医药等其他行业。不过，技术方面关键是我们的核心技术不成熟，如其中的减速器，所以在未来，我们的发展空间广大。
目前，在国内外炸药气动搬运系统真正使用在工业方面的不是太多，大多数的著作和论文都集中在炸药的生产、储存以及运输过程。
在军事方面，对于炸药的搬运系统却有了很大的发展。例如美国军方炸药搬运机器人已经真正实现智能和自动化，能完全代替搬运人员，将炸药对人类的威胁减少到最低。
在我国，公安系统为了打击爆炸犯罪而自主开发的排爆机器人，操作人员能够通过远程线控或无线遥控排爆机器人，实现炸药的搬运、引爆。能够避免人工排爆时带来的人员伤亡。
因此，如何将炸药搬运系统由军事领域转为工业用途有着非常重要的意义。将其用于生产实际中，可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，有利于实现炸药传送、搬运等的自动化程度， 从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，使劳动条件得以改善，意义更为重大。
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