气动机械手FLUIDSIM仿真设计及动作顺序控制.pdf

液 压 气 动 与 密 - ／2 m 5 x F ． 3 0 3期 d o i l O ． 3 9 6 9 。 i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 2 气动机械手 F L U l D S I M仿真设计及动作顺序控制 陈 明， 谢志波 丽水职业技术学院 ， 浙江 丽水 3 2 3 0 0 0 摘 要 设计了一种气压驱动式的多自由机械手， 该机械手具有旋转、 升降、 伸缩以及松夹四个自由度， 针对自由度的运动工作过程 ， 借 助F L U I D S I M软件对其回路进行仿真设计 ， 同时通过编写P L C梯形图方式实现对四自由度动作的顺序化控制。文中详细介绍了机械 手各自由度的工作过程、 气压回路F L U I D S I M仿真过程以及P L C动作顺序控制过程， 仿真结果验证了所设计回路的正确性， 控制过程 揭示了控制方法的有效性。 关键词 气压驱动； 机械手； 自由度； F L U I D S I M仿真 中图分类号 T H1 3 8 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 3 0 0 4 2 0 4 M o v e me n t Se q u e nc e Co n t r o l a n d FLUI DSI M S i mu l a t i o n De s i g n f o r P n e uma t i c M a ni pu l a t o r C HEN M i n g , XI E Z h i b o L i s h u i Vo c a t i o n a l T e c h n i c a l C o l l e g e 。 L i s h u i 3 2 3 0 0 0 ． C h i n a Ab s t r a c t A p n e u ma t i c ma n i p u l a t o r i s d e s i g n e d ， i t h a v e s o me fr e e d o m s i n c l u d i n g r o t a t i o n、 l i f t i n g、 e x p a n s i o n a n d l o o s e c l a mp i n g ， a i m i n g a t t h e m o v e me n t p r o c e s s ， l o o p i s d e s i gn e d u s i n g F LUI DS I M s o ft wa r e ， a t t h e s a me t i me ， a c t i o n s e q u e n c e c o n t r o l i s fin i s h e d b y P LC l a d d e r d i a g r a m ． T h e p a p e r i n t r o d u c e s wo r k i n g p r o c e s s o f ma n i p u l a t o r 、 F L UI DS I M s i mu l a t i o n p r o c e s s a n d mo v e me n t p r o c e s s ， s i mu l a t i o n r e s u l t s v e r i f y t h e c o r r e c t n e s s o f l o o p ， c o n tro l p r o c e s s s h o ws t h e e ff e c t i v e n e s s o f me t h o d ． Ke y wo r d s p n e u ma t i c； ma n i p u l a t o r ；fre e d o m ；F L UI DS I M s i mu l a t i o n O 引言 气动机械手一般 由机械结 构 、 动力部分 液压 、 气 压 、 电机 、 控制元件以及传感检测装置 四部份组成u ， 它可模仿人 的手形完成多 自由度 的运动工作 ， 最终达 到机器换人的 目的。机械手根据人为设定的程序要求 完成一定的机械运动 ， 它可替代人工作业 ， 具有工作时 间长、 定位精度好、 工作效率高、 清洁无污染等方面的 特点 。本文所介绍是一种具有旋转、 升降、 伸缩以及 松夹 四 自由的气压驱动式 工业机械手 ， 该机械手可以 根据人为编写 的 P L C梯形 图完成指定 的运动轨迹 ， 具 有控制过程随机性与可视 化的优点 ， 动力部份采用气 压驱动 ， 回路设计过程则借助F L U I D S I M仿真软件来 完成。 1 机械手 自由度定义 机构所具有的独立运动方式称之为机构的自由度 1 ， 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 3 1 作者简介 陈明 1 9 5 9 一 ， 男 ， 浙江新昌人， 工程师， 本科， 现从事机电液气 一 体化领域的科学研究。 ● 一- 一 - ● 一- - - - - - 自由度是机械手设计的关键参数 。图 1 所示为气压驱 动式工业机械手的结构 ， 它分别具有旋转 、 升降 、 伸缩 、 松夹4 个 自由度 ， 旋转功能通过齿轮齿条机构实现 ， 升 降与伸缩功能则通过气压缸纵向／ 横 向运动实现 ， 松夹 功能通过齿条与不完全齿轮配合运动实现 。 图 1机械手结构示意 图 2气动回路F L U I D S I M仿真设计 F L U I D S I M软件是 由F E S T O公 司专 门针对 液气 压 设计而开发 ， 具有 回路设计 与仿真验证功能 ， 能够快速 设计出液气压回路并对所设计 的回路进行模拟仿真以 便及时发现设计过程中所存在的显性或隐性问题 ， 便 [ 3 ] 罗惕乾． 流体力学[ M] 一E 京 机械工业出版社 ， 2 0 1 2 ． I 4 ] 巴克 w． 液 压 阻力 回路 系统学 【 M] ． 北 京 机 械工业 出版社 ， 1 98 0 【 5 ] 章宏甲． 液压与气压传动【 M1 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 4 ． 4 2 [ 6 】 成大先． 机械设计手册 液压传动单行本 【 M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 7 】 机械设计编委会． 机械设计手册 第 4 卷 【 M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． Hv dr a ul i c s Pne u ma t i cs S e a l s ／ No ． O3． 2 0l 5 于及时改进设计 。气压机械手 回路设计的主要任务是 选择适合 的换 向阀及 驱动方 式 、 控制进 出气路 的流量 以及执行元 件输入 输 出的工作 压力 ， 通 过对方 向 、 流 量 、 压力 的控制达到使执行机构获得必要 的动力 、 一定 的运动速度以及精确 的方向控制的 目的。 1 旋转功能 回路实现过程 进 气 气源 l 一气动 三联件 2 电磁 阀 6 一单 向节 流阀 1 3 1 4 一摆动气缸 1 8 ； 出气 摆动气缸 1 8 一单 向节流 阀 1 3 1 4 一 空气 中； 2 升降功能 回路实现过程 进气 气源 1 一气动 三联 件 2 电磁 阀 4 单 向节 流 阀9 1 0 一气缸 1 6 ； 出气 气缸 1 6 单向节流阀9 1 0 一空气 中； 3 伸缩功能 回路实现过程 进气 气 源 1 气动 三联 件 2 一 电磁 阀 5 一 一单 向节 流 阀 1 1 1 2 一气缸 1 7 ； 出气 气缸 1 7 一单向节流阀1 1 1 2 一空气中； 4 松夹功能 回路实现过程 进 气 气源 1 一气动三 联件 2 一 电磁 阀 3 一单 向节 流阀 7 8 一气缸 1 5 ； 出气 气缸 1 5 一单向节流阀7 8 一空气 中。 F L U I D S I M设计 回路中 见图2 显示 四自由度进气 管与排气管上都有节 流调速 ， 可便捷 的实现对执行机 构速度与输出力的控制 ， F L U I D S I M仿真结果显示了设 计回路的正确性与合理性。 卜气源 2 一 气动三联件 3 , 4 、 5 、 6 一 二位五通电磁阀 7 、 8 、 9 、 1 0 、 1 1 、 1 2 、 1 3 、 1 4 一 单向节流阀1 5 、 1 6 、 l 7 一 气缸1 8 一 摆动缸 图 2 F L UI DS l M回路设计 进 、 下 降 、 底部右旋至行程 ， 机械手成松开状态 。按下 启 动按钮后 ， 机械手手臂上升 ， 上 升到顶端 ， 上升动作 停止 ， 机械手手臂开始伸出 ， 伸 出到位 ， 伸出动作停止 ， 机械手开始左旋 ， 旋转到位， 动作停止 ， 机械手开始执 行夹紧动作 ， 夹紧到位动作停止 ， 机械手开始执行右旋 动作 ， 旋转到位 ， 右旋 动作停止 ， 机械手开始缩 回， 缩 回 到位 ， 缩回动作停止， 机械手执行下降动作， 下降到位 ， 机械手停 止下降 动作 ， 机械手松 开 ， 此时 回到初 始位 置 ， 完成一个周期性动作顺序控制过程 ， 各动作之问采 用时间延 时的方式进行 串连 ， 机械手动作顺序示意流 程 图如图3 所示 。 图3 机械 手动作顺序 3 ． 2 P L C梯形图 可编程逻辑控制器 简称 P L C 可实现对气压执行 元件 动作 的顺序化控制 ， 其控制方式一般分为手工编 程与梯形 图控制两种 ， 手工编程工作量较大 ， 编写时易 出错且错误点不容易查找 ， 梯形图简洁明了 ， 省出了程 序编写过程 ， 编程效率较高 ， 在 P L C 控制过程中最为常 用 ， 这里选择第二种控制方式 。根据上面机械手 的动 作控制要求与各 自由度顺序工作过程， 编写西门子s 7 2 0 0的 P L C梯 形 图 如图 4 所示 方式并采 用时间与 中 间继电器作为辅助元件对各执行自由度进行实时顺序 控制。 网络 l _ - { 卜。 ／卜 ／ M o o f H T4 4 l 3 动作控制要求与P L C 梯形图 3 ． 1 动作控制要求 气压机械手动作控制顺序 机械手初始状态为缩 网络 2 机械手上升 卜 ／卜 ／ M0 I l 机械手伸 出 图4 P L C梯形图 网络 1 ／ 2 如上 图按下 1 0 ． 0 ， Q 0 ． 0 得 电手臂上 升同时 M0 ． 0 得 电， Q 0 ． 0自锁 同时T 3 7 接通开始计时。延时3 s 后第 2 段 4 3 液 压 气 动 与 密 t d - ／ 2o t 5年 第 O 3期 的T 3 7 闭合 ， Q 0 ． 1 得 电机械手伸 出同时 M0 ． 1 和 T 3 8 得 电 自锁 ， T 3 8 开始计 时。第 1 段的T 3 7断开 Q O ． o 失 电实 现互锁。 延时 3 s 后第 3 段的T 3 8 闭合 ， Q o ． 2 得电机械手左旋 同时 M0 ． 2和 T 3 9得 电 自锁 。T 3 9开始计时 ， 第 2 段 的 T 3 8 断开 Q o ． 1 失 电实现互锁 。延 时 3 s 后第 4 段 的 T 3 9 闭合 ， Q 0 ． 3 得 电机 械 手夹 紧 同时 M0 ． 3和 T 4 0得 电 自 锁 。T 4 0开始计 时 ， 第 3 段 的 T 3 9断开 Q o ． 2失 电实现 互锁 。 卜 ／ 卜 ／ M0 2 l 网络4 卜] ／ 卜 _ 1 ／ M0 3 I 图5 P L ．C梯形图 网络 3 ／ 4 网络 5 机械手夹紧 T 4 0 l 0 ． 1 T4 卜 ／卜 ／ M 0 4 I 网络6 机械手右旋 T4l f 0 l T4 2 } _ _ ／ } _ _ ／ o -． 5一 Q O 5 机械手缩回 图6 P L C梯形图 网络5 ／ 6 延时3 s 后第5 段的T 4 0 闭合， Q O ．4 得电机械手右旋 同时 M0 ． 4和 T 4 1 得 电 自锁 。T 4 1 开始计 时 ， 第 4段 的 T 4 0 断开 Q O ． 3 失 电实现互锁 。延时 3 s 后第 6 段 的T 4 1 闭合 ， Q 0 ．5 得 电机械手缩 回同时 M 0 ．5 和T 4 2 得 电自 锁 。T 4 2 开始 计时 ， 第 5 段 的T 4 1 断 开 Q 0 ． 4 失 电实 现 互锁。 44 延时 3 s 后第 7 段 的1 4 2 闭合 ， Q O ． 6 得电机械手下降 同时 M0 ． 6和 T 4 3 得 电 自锁 。T 4 3 开始计 时 ， 第 6 段 的 T 3 7断开 Q o ． o失 电实现互锁 。延时 3 s 后第 8 段 的T 4 3 闭合 ， Q 0 ． 7 得 电手爪 放松同时 M0 ． 7 和 T 4 4得 电 自锁 。 T 4 4开始计 时 ， 第 7 段 的 T 3 7 断开 Q o ． o失电实现互 锁 。 延时 3 s 后第一段的I O ． o 被 自锁程序开始循环。 表 1 所示为 P L C 梯形图的输入地址分配表 ， 表 2 所 示 为输 出地 址分 配表 ， 表 3 为 时间继 电器 ， 未标 出的 M 0 ． 0～M0 ． 7 为 中间继电器。 网络 7 网络 8 机械手 F 降 r 4 3 i o l T4 4 卜 卜 M0 7 I 卜 _ J Q o 7 图7 P L C梯形图 网络7 ／ 8 表 1 输入地址分配表 输 出地址 定义 I O．O I O ． 1 总开关 停 止 表2 输出地址分配表 机械手放松 表 3 定时器分配表 输 出地址 定义 T 3 7一T 4 4 动作过程定时 4 结束语 1 借助F L U I D S I M仿真软件可快速的设计气压回 路并对所设计的回路进行仿真验证， 以便及时的发现 设计过程所出现的显性或隐性问题， 便于二次回路改 进设计 ； 2 采用 P L C梯形图方式并利用时间与 中间继 电 镟 Hy d r a u l i c s Pn e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 0 3 ． 2 0 1 5 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 3 基 于层次分析法的混凝土泵车泵送 液压系统故障预防策略 何 伟 ， 隆建波 ， 贺尚红 1 ． 三一重工股份有限公司， 湖南 长沙 4 1 0 1 0 0 ；2 ．长沙理工大学， 湖南 长沙4 1 0 0 0 4 摘 要 采用故障树法分析混凝土泵车泵送液压系统的失效状况 ， 建立了失效的故障树。通过对故障树的定性分析， 得到最小割集。 通过定量分析计算出顶事件发生的概率及底事件发生的重要度。用层次分析法和故障频率相结合的方法评估出底事件发生概率的 模糊性。参考定性分析和定量分析结果 ， 制定出混凝土泵车泵送液压系统故障的预防措施。 关键词 故障树 ； 定性分析； 定量分析； 层次分析法 中图分类号 T HI 3 7 ． I 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 3 0 0 4 5 04 Th e Re s e a r c h o n Fa ul t P r e v e n t i o n a n d M a i n t e n a nc e S t r a t e g y o f Hy d r a ul i c P u mpi n g S y s t e m f o r Co n c r e t e Pump T】 1 J c k Ba s e d o n Ana l y t i c Hi e r a r c h y HE We i ， LO NGJ i a n b o 2, HES h a n g - h o n g 1 ． S a n y He a v y I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， C h a n g s h a 4 1 0 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． C h a n g s h a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ap p l y i n g t h e f a u l t t r e e a n a l ys i s t o h y d r a u l i c p ump i n g s y s t e m o f c o n c r e t e p um p t r u c k ， t h e f a u l t t r e e f a i l u r e mo d e l i s s e t u p ． T h r o u g h t h e q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f t h e f a u l t tre e ， the mi n i mu m c u t s a r e o b t a i n e d ． Wi t h t h e q u a n t i tat i v e a n a l y s i s ， we c a l c u l a t e t h e t o p e v e n t p r o b a b i l i t y a n d the i mp o r t a n c e d e g r e e o f b o t t o m e v e n t o c c u r r e n c e ．Co mb i n i n g an a l y t i c h i e r a r c h y wi t h f a u l t f r e q u e n c y o f h y dra u l i c p um p i n g s y s t e m， the f u z z i n e s s o f a s s e s s me n t o f b o tt o m e v e n t p r o b a b i l i ty i s e s t i ma t e d ． Wi th r e f e r e n c e t o t h e q u a l i t a t i v e a n a l y s i s and the q u ant i tat i v e an a l y s i s ， we f o r mu l a t e t h e me a s ur e s o f p r e v e n t i n g t h e c o n c r e t e p ump h y dr a u l i c s y s t e m f a i l u r e ． Ke y wo r d s f a u l t t r e e； q u a l i tat i v e ana l y s i s ； q u ant i tat i v e a n a l y s i s ； a n a l yti c h i e r a r c h y O引言 混凝土泵 车泵送液 压系统在长期 的工作过程 中 ， 由于所处 的环境恶劣 ， 经常受到内外多种因素的影响 ， 造成液压系统失效 ， 给用户带来经济损失。为了减少 液压系统失效 ， 有必要对其安全性和可靠性进行分 基金项目 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 2 B A F O 2 B O 1 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 8 作者简 介 何伟 1 9 6 7 一 ， 女 ， 湖南湘潭人 ， 工程师 ， 本科 ， 主要从事工程机 械技术研究 。 析 。故 障树 分析法 F r A [ 1 1 是分析 大型复杂系统安 全 性和可靠性的有效工具， 已在核能、 航天航空、 化工等 领域得 以广泛 的应用 ， 在液压系统的失效分析也正 在 受到重视。 在传统的故障树定量分析中， 底事件发生的概率 通常被认为是精确值唪 ] 。然而 ， 在实际大型复杂系统 中， 影响底事件发生的因素复杂多变 ， 同时 ， 人为因素 也是一个重要 的原 因。因此 ， 底事件 的概率很难得 到 精确值 。针对上述 的不确定 问题 ， 采 用层次分析法 和 故障发生的频率来评估底事件发生的概率p 。 器完成对多 自由机械手动作顺序化控制过程的方法是 可行有效的。 参考文献 [ 1 】 赵云伟． 气动柔性五指机械手的运动学抓持能力[ J ] ． 机械人， 2 0 1 4 ， 2 3 5 3 8 ． 【 2 】 唐立平二 自由度自动机械爬虫P L C 控制系统设计[ J 】 ． 液压 与气动 ， 2 0 1 0 ， 1 2 6 7 7 0 ． [ 3 】 岳鹏． 水下七功能电动机械手设计研究[ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 01 4 ， 4 8 2 8 5 ． [ 4 ] 赵美宁 动供料机械手的P L C控制系统设计 [ J 】 ． 液压与气 动， 2 0 1 1 , 9 5 6 - 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