機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)論文--基于PLC的物料分揀機械手自動化控制系統(tǒng)設計

1、 論文（設計）題目：基于PLC的物料分揀機械手自動化控制系統(tǒng)設計目 錄目 錄I摘 要IVAbstractV第一章 前言11.1 研究的目的及意義11.2 機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.3 主要研究的內(nèi)容21.4 解決的關鍵問題3第二章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇42.1執(zhí)行機構坐標形式的選擇42.2 執(zhí)行機構的組成62.3 執(zhí)行機構各部分的分析與選擇62.3.1 手部的選擇62.3.2 手臂結構的選擇82.3.3 機座結構的選擇92.4 執(zhí)行機構的工作原理102.5執(zhí)行機構簡圖10第三章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇123.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇123.2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設計133.3 氣動元件

2、選取及工作原理143.3.1 氣源裝置143.3.2 執(zhí)行元件153.3.3 控制元件163.3.4 輔助元件173.3.5 真空發(fā)生器183.3.6 吸盤183.4 氣動回路的工作原理18第四章 控制系統(tǒng)的分析設計224.1 控制系統(tǒng)的組成結構224.2 控制系統(tǒng)的性能要求224.3 傳感器的選擇234.3.1 位置檢測裝置234.3.2 滑覺傳感器234.3.3 視覺傳感器244.4 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理254.4.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則254.4.2 PLC種類及型號選擇304.4.3 I/O點數(shù)分配304.4.4 PLC外部接線圖324.4.5 機械手控制原理324

3、.5 PLC程序設計344.5.1 總體程序框圖344.5.2 初始化及報警程序364.5.3 手動控制程序374.5.4 自動控制程序39第五章 總結與展望42參考文獻43致 謝44附 錄45 基于PLC的物料分揀機械手自動化控制系統(tǒng)設計摘 要 機械手在先進制造領域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動?？梢詫崿F(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因此被廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 本文在縱觀了近年來機械手發(fā)展狀況的基礎上，結合機械手方面的設計，對機械手技術進行了系統(tǒng)的分析，提出了用氣動驅(qū)動和PLC控制的設計方案。采用整

4、體化的設計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點并進行互補優(yōu)化。對物料分揀機械手的整體結構、執(zhí)行結構、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了分析和設計。在其驅(qū)動系統(tǒng)中采用氣動驅(qū)動，控制系統(tǒng)中選擇PLC的控制單元來完成系統(tǒng)功能的初始化、機械手的移動、故障報警等功能。最后提出了一種簡單、易于實現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。通過以上部分的工作，得出了經(jīng)濟型、實用型、高可靠型物料分揀機械手的設計方案，對其他經(jīng)濟型PLC控制系統(tǒng)的設計也有一定的借鑒價值。關鍵詞: 機械手，氣動控制，可編程控制器（PLC），自動化控制，物料分揀。2 需要完整的圖紙和說明書請聯(lián)系 秋 3053703061 The Design for The

5、Automatic Control System of The Sorting Materials Manipulator Based on PLCAbstract Manipulator plays an extremely important role in the field of advanced manufacturing. It can carry goods, sort materials and do heavy works instead of the human being. It also can realize mechanization and automation

6、of the production, do the jobs in harmful environment to protect the personal safety. So it is widely used in metallurgy, machinery manufacturing, electronics, light industry and atomic energy etc.In this paper,by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, combining the d

7、esign of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by the pneumatic and the system was controlled by PLC. Integrative idea was adopted in this design to fully consider the characteristics of the software and hard

8、ware and complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. We used pneumatic-driven in the driving system, PLC control unit in the control system to complete initialization of the system

9、, manipulator's moving, failure alarm and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance. Through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain ref

10、erence value for the other types of economical PLC control system design. Key words: manipulator ；pneumatic-driven； programmable logic controller (PLC)； automatic control；sorting materials 第一章 前言1.1 研究的目的及意義機械手作為前沿的產(chǎn)品應自動化設備更新時的需要，可以大量代替單調(diào)往復或高精度需求的工作，在先進制造領域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動?？梢詫崿F(xiàn)生產(chǎn)的機械

11、化和自動化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護人身安全，可以廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。 隨著工業(yè)的高速發(fā)展，機械手作為前沿的產(chǎn)品應自動化設備更新時的需要，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。它可以搬運貨物、分揀物品、用以代替人的繁重及單調(diào)勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化；并能在高溫、腐蝕及有毒氣體等有害環(huán)境下操作以保護人身安全，被廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。 可編程控制器(PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計算機和自動控制等先進技術，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡單、功耗低等優(yōu)點，已成為目前在機械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方

12、式。使用PLC的自動控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優(yōu)點。適應工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)PLC對物料分揀機械手的控制，并借助必要的精密傳感器，使其能夠?qū)Σ煌伾奈锪习搭A先設定的程序進行分揀，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性生產(chǎn)線。采用PLC控制，是一種預先設定的程序進行物料分揀的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時需要對機械手進行新的分配任務時，可以允許方便的改動或重新設計其新部件，而對于位置改變時，只要重新編程，并能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費用。本設計主要完成機械手的硬件部分與軟

13、件部分設計。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設計。1.2 機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。 目前

14、，國際上的機械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奧地利的工GM公司。我國機械手起步于20世紀70年代初期，經(jīng)過30多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應用化期。在我國，機械手市場份額大部分被國外機械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強手面前，國內(nèi)的機械手企業(yè)面臨著相當大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強國”邁進，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫，政府務必會加大對機器人的資

15、金投入和政策支持，將會給機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。隨著機械手發(fā)展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，機械手已在眾多領域得到了應用。從傳統(tǒng)的汽車制造領域向非制造領域延伸。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護維修的機器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務等領域機械手的應用也越來越多。在未來幾年，傳感技術，激光技術，工程網(wǎng)絡技術將會被廣泛應用在機械手工作領域，這些技術會使機械手的應用更為高效，高質(zhì)，運行成本低。據(jù)猜測，今后機器人將在醫(yī)療、保健、生物技術和產(chǎn)業(yè)、教育、救災、海洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領域得到應用。1.3 主要研究的內(nèi)容隨著機械手技術的飛速發(fā)展和機械

16、手應用領域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經(jīng)濟性強。本論文主要研究物料分揀機械手以下幾個方面的內(nèi)容：(1) 物料分揀機械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件與機械構件組成，是機械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體。主要包括機身、手臂、末端執(zhí)行器3部分組成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。執(zhí)行系統(tǒng)的設計主要是對機械手的手部、手臂和機座進行設計。(2) 物料分揀機械手驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動力的裝置。通過對液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動方式的比較，本設計選擇氣壓驅(qū)動的方式。內(nèi)容包括氣動元件的選擇及其工作原理、氣動回路的設

17、計和氣動原理圖的繪制。(3) 物料分揀機械手控制系統(tǒng)的設計 控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時序進行工作。本機械手采用可編程控制器（PLC）對機械手進行控制，主要包括對PLC的型號選擇、傳感器類型進行選擇、I/O口的選擇、對控制系統(tǒng)原理圖、自動程序梯形圖的繪制等內(nèi)容。1.4 解決的關鍵問題1 解決機械手機械結構的設計問題，要求機械手結構簡單、經(jīng)濟、具有一定的代表性。2 執(zhí)行部件的運動精度的問題。3 機械手的控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的電路和控制程序，并解決工件和控制 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。4 元件的匹配規(guī)則和知識的獲取及其表達形式。5 傳感器的類型選擇。第二章 執(zhí)行系

18、統(tǒng)的分析與選擇機器手的執(zhí)行結構是機械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體。執(zhí)行機構的布局類型直接影響到機械手的工作性能。2.1 執(zhí)行機構坐標形式的選擇機械手的基本型式較多，按手臂的坐標型式而言，主要有四種基本型式：直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。下面就各型式機械手作簡單的分析對比：1、直角坐標式機械手直角坐標式機械手是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可作伸縮、左右和上下移動，按直角坐標形式X、Y、Z三個方向的直線進行運動。其工作范圍可以是一個直線運動；兩個直線運動或三個直線運動。如在X、Y、Z三個直線運動方向上個具有A、B、C三個回轉(zhuǎn)運動，即構成六個自由度。直角坐標

19、式機械手的優(yōu)點：（1） 產(chǎn)量大，節(jié)拍短，能滿足高速的要求； （2） 容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機械相配合；（3） 適于裝箱類、多工序復雜的工作，定位容易變更；（4） 定位精度高，載重發(fā)生變化是不回影響精度；（5） 易于實行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機械配合使用。缺點：機械手的作業(yè)范圍較小。2、圓柱坐標式機械手圓柱坐標式機械手是應用最多的一種型式，它適用于搬運和測量工件。具有直觀性好，結構簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點。圓柱坐標式機械手的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動；二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動。圓柱坐標式機械手有五個基本

20、動作：（1） 手臂水平回轉(zhuǎn)；（2） 手臂伸縮；（3） 手臂上下；（4） 手臂回轉(zhuǎn)動作；（5） 手爪夾緊動作。 圓柱式機械手的特點是在垂直導柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂可做上下直線運動和水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動。3、球坐標式機械手球坐標式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它的工作范圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。球坐標式機械手可實現(xiàn)八個動作：（1） 手臂上下動作，即俯仰動作；（2） 手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作；（3） 手臂前后動作，即伸縮動作；（4） 手腕上下彎曲；（5） 手腕左右擺動；（6） 手腕旋轉(zhuǎn)運動；（7） 手爪夾緊動作；（8） 機械

21、手的整體移動。球坐標式機械手的特點是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)作圓弧狀上下俯仰動作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作范圍和人的手類似。它的特點能能自動選擇最合理的動作路線。所以工作效率高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。4、關節(jié)式機械手關節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作傳動型式。它像人手一樣有肘關節(jié)，可以實現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄的空間工作。關節(jié)式機械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應用，隨后在開發(fā)海洋中應用，有一定的發(fā)展前途。關節(jié)式機械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關節(jié)和肩關節(jié)的運動。它還具有上肢結構，可實現(xiàn)近似于人手

22、操作的機能。為具有近似人手的操作機能，需要研制最合適的結構。機械手型式的選擇首先是從滿足它的運動要求方面進行考慮， 然后從機械手的復雜程度以及經(jīng)濟情況等方面來考慮。本設計中的機械手主要動作為機械手手臂的左右移動，升降移動和機械手的整體旋轉(zhuǎn)。直角坐標式機械手雖然具備手臂的伸縮上下、左右直線運動等動作，但是不具備機械手整體旋轉(zhuǎn)動作，所以不考慮用直角坐標式機械手。球坐標式機械手和關節(jié)式機械手對動作要求方面足夠滿足要求，但是它們的結構都比較復雜，有很多動作是不必要的，顯得浪費和增加了制造的成本和難度。圓柱坐標式機械手能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉(zhuǎn)動等動作?？梢詫⑹直刍剞D(zhuǎn)動作改換成機械手的整體轉(zhuǎn)動就

23、可以滿足本設計中機械手的動作要求。這樣的修改并沒有改變機械手的總體結構，只是進行了局部變動，使得整個系統(tǒng)經(jīng)濟、實惠，所以確定用圓柱坐標式機械手。2.2 執(zhí)行機構的組成 工業(yè)機械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機械部分組成：（1） 手部 是機械手直接握持工件或工具的部分。（2） 臂部 是機械手用來支持腕部與手部實現(xiàn)較大的運動范圍的部件。（3） 立柱 支承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機構。（4） 機座 是機械手用來支撐臂部，并安裝驅(qū)動裝置及其他裝置的部分。2.3 執(zhí)行機構各部分的分析與選擇2.3.1 手部的選擇 1 手部形式的確定手部就是用來握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表

24、面狀態(tài)的不同，手部機構也是多種多樣。常用的手部結構按其握持原理可以分為如下兩類:1）夾持式夾持式手部的結構與人手類似，是工業(yè)機械廣泛應用的一種手部形式。它主要由手指、傳動機構、驅(qū)動機構組成。其又可分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動作方向相反。夾持式手部設計時應注意以下事項：（1） 手指應有一定的開閉范圍。（2） 手指應具有適當?shù)膴A緊力。（3） 要保證工件在手指內(nèi)的定位精度。（4） 結構緊湊，重量輕，效率高。（5） 通用性和可換性。 2）氣吸式氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空或負壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機械手常用的一種吸持工件的裝置。

25、它由吸盤、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成，具有結構簡單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。主要適應于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。氣吸式又可分為：負壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤。磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。 真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當壓縮空氣高速進入噴嘴時，由于管路的開始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在管路的最小截面處，氣流速度達到臨界速度，此時的氣體受壓，密度加大。在排氣管路中因界面逐

26、漸增大，氣流膨脹減壓而使密度大大下降，致使氣流速度繼續(xù)增高，在吸氣口處形成負壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤的工作原理是將軟質(zhì)吸盤按壓在工件的表面，擠出吸盤內(nèi)的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件。磁吸式手部不會破壞被吸附表面質(zhì)量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影響正常工作。通過以上對手部的分析真空式具有結構簡單、質(zhì)量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機械手的正常工作等優(yōu)點。而且滿足所設計機械手的要求，所以選用真空式吸盤。真空吸盤機構如圖2.1所示。 圖2.1 吸盤機構圖2.3

27、.2 手臂結構的選擇手臂是機械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運動的機構。手臂一般有三個運動伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。手臂的基本動作是將手部移動到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。 1 手臂的組成：(1) 動作元件，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動手臂運動的部件。(2) 導向裝置，是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。(3) 手臂，起著連接和承受外力的作用。 2手臂設計的要求：(1) 手臂承載能力大、剛性好、自重輕。(2) 手臂的運動速度要適當，慣性要小。(3) 手臂的動作要靈活。(4) 位置精度要高。(5) 通用性要強。3手臂的結構 手臂的伸

28、縮和升降運動一般采用直線油（氣）缸驅(qū)動。 手臂作直線運動的結構，基本上是由驅(qū)動機構和導向裝置所組成。驅(qū)動機構一般用油缸、油馬達加齒輪、齒條來實現(xiàn)直線運動。往復直線油（氣）缸可以分為以下幾種。雙作用單活塞桿油缸:液壓機械手中實現(xiàn)手臂的往復運動用得最多的是雙作用單活塞桿油缸?；钊谟蛪合伦麟p向運動。機構上可以是油缸體固定、活塞桿運動；也可以是活塞桿固定，而缸體運動。雙作用雙活塞桿油缸：當需要很大的行程時，將油缸做的很長、體積很大，則加工上有困難。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程要求，油缸的體積又小。其缺點是一次行程有兩種速度。絲桿螺母機構：該機構傳動的特點是易于自鎖，但傳動效率低。如采用滾珠

29、絲杠，效率可以提高，但因其較長，制造比較困難。本機械手的手臂有往復的直線運動，不需要很大的行程，考慮到結構的簡單性和設計的經(jīng)濟性，選用缸體固定活塞桿運動的雙作用單活塞桿氣缸。4導向裝置機械手手臂在進行伸縮運動時，為防止手臂沿伸縮方向向中軸線轉(zhuǎn)動、加大承載能力，以及提高運動精度，必須設有導向裝置。手臂的導向裝置系根據(jù)安裝形式、結構及負荷等條件來確定。常用的有單導向桿和雙導向桿，本設計中，伸縮運動中選用雙導向桿。2.3.3 機座結構的選擇 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，是支撐起機械手全部重量的構件。對其結構的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀

30、。機座結構從形式上分為落地式和懸浮式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機械手工作時機座一定予以固定?？梢苿邮降臋C座在停置時能夠剎車定位，以保證機械手工作時的位置精度。根據(jù)本機械手的設計要求選用落地固定式機座。機座的結構與機械手的總體布置有關，對專用機械手而言，傳動和控制部分通常是單獨布置，故機座比較簡單或不設機座。對通用機械手而言，傳動部分布置在機架內(nèi)部或后下方，控制部分則布置在機座的后上方或單獨布置一個控制箱。物料分揀機械手手臂需要一個旋轉(zhuǎn)模塊，擺動氣缸就要固定在機座上。如果水平缸、垂直缸和手部機構直接安裝到擺動氣缸的輸出軸上，機構雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的

31、自身要求較高，并易造成擺動氣缸的損壞。同時，機械手本身重心偏離立柱軸線以及各氣缸運動產(chǎn)生的沖擊都形成作用在擺動氣缸轉(zhuǎn)動軸上的傾覆力矩，所以采用一個連接組件，將機械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機架來承擔。連接組件主要由四部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺和扣罩。如圖2.2所示。選擇雙向推力球軸承而不是單向的，因為機座與轉(zhuǎn)臺在軸向上無法直接連接。采用雙向推力球軸承就可以方便的將軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺連接，外環(huán)用罩扣固定在底座上。另外，推力球軸承應選擇公稱尺寸較大一些的，這樣可以更好的承受傾覆力矩。 1、底座 2、擺動氣缸 3、雙向推力球軸承 4、扣罩 5、轉(zhuǎn)臺圖2.2機座結構圖2.4 執(zhí)行機構的工作原理

32、物料分揀機械手的結構主要由機座、立柱、水平手臂、垂直手臂、電磁閥和吸盤等組成。其中機座采用擺動氣缸進行驅(qū)動，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動。機械手的動作基本有伸縮、升降、左右旋轉(zhuǎn)、吸物和放物等動作。其結構原理如圖2.2所示。其動作順序為：初始位置 A右旋 B前伸 C氣缸下降 D吸物料 C上升 B收縮A左旋 C氣缸下降 D放物料 C上升回到初始位置。機械手的動作在整個過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。2.5 執(zhí)行機構簡圖根據(jù)前面機械手各部分的設計，可做出機械手大體結構簡圖，如圖2.3所示，大圖見CAD圖。 1右旋限位開關 2 左旋限位開關 3 回縮限位開關 4 前伸限位開關 5 上升限位開關 6 下

33、降限位開關 A 擺動氣缸 B前伸/回縮氣缸 C上升/下降氣缸 D 真空吸盤 圖2.3 執(zhí)行機構簡圖第三章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇第四章 控制系統(tǒng)的分析設計機械手控制系統(tǒng)的設計是整個機械手設計的關鍵和核心。它在結構和功能上的合理劃分與巧妙實現(xiàn)，對提高機械手整體可靠性、實用性具有重要的意義，同時也是降低制造成本、縮短開發(fā)周期的有效途徑。為此本章在分析了當前機械手廣泛采用的控制器結構及PLC的發(fā)展之后，提出了采用PLC的控制方法。4.1 控制系統(tǒng)的組成結構機械手的控制系統(tǒng)一般是使機械手運動協(xié)調(diào)為目的，包括高性能的計算機及相應的系統(tǒng)硬件和控制軟件。機械手的控制部分可分為4個部分：機械手及其感知器、環(huán)境、

34、任務、控制器。機械手是由各種機構組成的裝置，它通過感知器的內(nèi)部傳感器實現(xiàn)本體和環(huán)境狀態(tài)的檢測和信息交互；環(huán)境即指機械手所處的周圍環(huán)境；任務是指機械手要完成的操作，它需要適當?shù)某绦蛘Z言描述，并把它們存入控制機中，隨著系統(tǒng)的不同，任務的輸入可能是程序方式，或文字、圖形或聲音方式；控制器包括軟件和硬件兩大部分，相當于機械手的大腦，它以計算機或?qū)Ｓ每刂破鬟\行程序的方式來完成給定的任務?？刂葡到y(tǒng)的硬件一般包括3個部分：(1) 感知部分 用來收集機械手的內(nèi)部和外部的信息，如位置、速度、加速度傳感器可接受機械手的本體狀態(tài)，而視覺、觸覺、力覺等傳感器可感受機械手的工作環(huán)境的外部狀態(tài)。2 需要完整的圖紙和說明書

35、請聯(lián)系 秋 3053703061 系統(tǒng)反應快、成本低；遠程IO式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程IO可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設驅(qū)動器和遠程IO電源；多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型PLC，但必須要附加通訊模塊。在工廠小批量生產(chǎn)中降低成本是很重要的，所以此系統(tǒng)選擇集中試的安裝方式。 （3)滿足相應的功能要求 一般小型(低檔)PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，對于只需要開關量控制的設備都可滿足。 對于以開關量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶AD和DA轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術運算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強型低檔

36、PLC。 對于控制較復雜，要求實現(xiàn)PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。此系統(tǒng)只需用開關量控制，選用一般小型PLC即可。(4)滿足響應速度要求 PLC是為工業(yè)自動化設計的通用控制器，不同檔次PLC的響應速度一般都能滿足其應用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應該慎重考慮PLC的響應速度，可選用具有高速IO處理功能的PLC，或選用具有快速響應模塊和中斷輸入模塊的PLC等。 本系統(tǒng)不需要跨范圍使用PLC對某些功能或信號也沒有特殊的速度

37、要求，不需要選用具有高速IO處理功能的PLC。 (5)滿足系統(tǒng)可靠性要求 對于一般系統(tǒng)PLC的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用一般系統(tǒng)PLC能夠滿足要求，不需要考慮太多此方面的問題。 (6) 機型盡量統(tǒng)一一個企業(yè)，應盡量做到PLC的機型統(tǒng)一。以保證其模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；有利于技術力量的培訓和技術水平的提高；其外部設備可以通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計算機后易于形成一個多級分布式控制系統(tǒng)。 本課題的要求不高，不需要考慮配備上位計算機，但為了方便采購和管理等我們還是要求機型要統(tǒng)一。二、 確定PLC的容量PLC的容

38、量包括IO點數(shù)和用戶存儲容量兩個方面。1）確定系統(tǒng)的實際輸入點數(shù)系統(tǒng)由啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2、急停按鈕SB3、手臂復位按紐SB4、顏色傳感器ST1、左旋極限傳感器ST2、右旋極限傳感器ST3、上升限位傳感器ST4、下降限位傳感器ST5、手臂縮回限位傳感器ST6、手臂伸出限位傳感器ST7、超上升限位傳感器ST8、超下降限位傳感器ST9、超左旋限位傳感器ST10、超右旋限位傳感器ST11、超伸出限位傳感器ST12、超縮回限位傳感器ST13、工件檢測傳感器PS1、系統(tǒng)的自動/手動控制開關SA以及手動的升降、左右旋轉(zhuǎn)、伸縮、吸放按鈕（SB5-SB12）作為個輸入繼電器的外部控制點，共有28個輸

39、入點。2）確定系統(tǒng)的實際輸出點數(shù)系統(tǒng)有手臂左旋、右旋、伸出、縮回、上升、下降、吸物、放物的電磁閥動作，報警指示燈、原位指示燈及自動/手動指示燈工作，一共12個輸出點。3）確定應選擇PLC的點數(shù)PLC平均的IO點的價格還比較高，因此應該合理選用PLC的IO點的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的IO點最少，但必須留有一定的裕量。 通常IO點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上10到15的裕量來確定。本系統(tǒng)的輸入、輸出實際需要40個點，所以本系統(tǒng)的PLC輸入、輸出點數(shù)定為48點比較合適，但輸入和輸出各應留有裕量。 4）確定系統(tǒng)同時接通輸入/輸出點的數(shù)量 a.同時接通的輸入點數(shù)量 對

40、于選用高密度的輸入模塊(如32點、48點等)，應考慮該模塊同時接通的點數(shù)一般不要超過輸入點數(shù)的60。b.同時接通的輸出點數(shù)量同時接通輸出設備的累計電流值必須小于公共端所允許通過的電流值，如一個220V2A的點輸出模塊，每個輸出點可承受2A的電流，但輸出公共端允許通過的電流并不是16A(8×2A)，通常要比此值小得多。一般來講，同時接通的點數(shù)不要超出同一公共端輸出點數(shù)的60。 對同時接通的輸/入輸出點的制約，此系統(tǒng)是可以滿足的。(1) 系統(tǒng)存儲容量的選擇 PLC的IO點數(shù)的多少，在很大程序上反映了PLC系統(tǒng)的功能要求，因此可在IO點數(shù)確定的基礎上，按下式估算存儲容量后，再加20到30的

41、裕量。 存儲容量（字節(jié)）開關量IO點數(shù)×10 模擬量IO通道數(shù)×100A=40*10+0*100 =400（字節(jié)） 另外，在存儲容量選擇的同時，注意對存儲器的類型的選擇。但是，本課題要求的存儲容量很低，一般的PLC能夠滿足，所以我們不需要考慮存儲容量。三、 確定PLC的IO模塊 一般IO模塊的價格占PLC價格的一半以上。PLC的IO模塊有開關量IO模塊、模擬量IO模塊及各種特殊功能模塊等。不同的IO模塊，其電路及功能也不同，直接影響PLC的應用范圍和價格，應當根據(jù)實際需要加以選擇。根據(jù)本課題要求，不需要用到模擬量IO模塊及各種特殊功能模塊，所以只需要對開關量IO模塊選擇即可

42、。 （1）開關量輸入模塊的選擇 開關量輸入模塊是用來接收現(xiàn)場輸入設備的開關信號，將信號轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部接受的低電壓信號，并實現(xiàn)PLC內(nèi)、外信號的電氣隔離。選擇時主要應考慮以下幾個方面： 1）輸入信號的類型及電壓等級 開關量輸入模塊有直流輸入、交流輸入和交流直流輸入三種類型。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入信號和周圍環(huán)境因素等。直流輸入模塊的延遲時間較短，還可以直接與接近開關、光電開關等電子輸入設備連接；交流輸入模塊可靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。 開關量輸入模塊的輸入信號的電壓等級有：直流5、12、24、48、60等；交流110、220等。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設備與輸入模塊之間的距離來考

43、慮。一般5、12、24用于傳輸距離較近場合，如5輸入模塊最遠不得超過十米。距離較遠的應選用輸入電壓等級較高的模塊。本系統(tǒng)傳輸距離較近可選擇24直流輸入。 2）輸入接線方式 開關量輸入模塊主要有匯點式和分組式兩種接線方式。 匯點式的開關量輸入模塊所有輸入點共用一個公共端（COM）；而分組式的開關量輸入模塊是將輸入點分成若干組，每一組（幾個輸入點）有一個公共端，各組之間是分隔的。分組式的開關量輸入模塊價格較匯點式的高，如果輸入信號之間不需要分隔，一般選用匯點式的。所以本系統(tǒng)考慮價格便宜問題，且輸入信號之間不需要分隔，選用匯點式較合適。 3）輸入門檻電平 為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須考慮輸入門檻電平的

44、大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強，傳輸距離也越遠，具體可參閱PLC說明書。（2）開關量輸出模塊的選擇 開關量輸出模塊是將PLC內(nèi)部低電壓信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動外部輸出設備的開關信號，并實現(xiàn)PLC內(nèi)外信號的電氣隔離。選擇時主要應考慮以下幾個方面： 1）輸出方式 開關量輸出模塊有繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出三種方式。 繼電器輸出的價格便宜，既可以用于驅(qū)動交流負載，又可用于直流負載，而且適用的電壓大小范圍較寬、導通壓降小，同時承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，但其屬于有觸點元件，動作速度較慢（驅(qū)動感性負載時，觸點動作頻率不得超過1HZ）、壽命較短、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場合。 對于頻繁通

45、斷的負載，應該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無觸點元件。但晶閘管輸出只能用于交流負載，而晶體管輸出只能用于直流負載。 本系統(tǒng)為中小型生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)，需要考慮價格相對要便宜，而本系統(tǒng)對動作速度要求不高，所以選擇繼電器輸出作為輸出方式。 2）輸出接線方式 開關量輸出模塊主要有分組式和分隔式兩種接線方式。 分組式輸出是幾個輸出點為一組，一組有一個公共端，各組之間是分隔的，可分別用于驅(qū)動不同電源的外部輸出設備；分隔式輸出是每一個輸出點就有一個公共端，各輸出點之間相互隔離。選擇時主要根據(jù)PLC輸出設備的電源類型和電壓等級的多少而定。一般整體式PLC既有分組式輸出，也有分隔式輸出。本系統(tǒng)選擇分組

46、式輸出。 3）驅(qū)動能力 開關量輸出模塊的輸出電流(驅(qū)動能力)必須大于PLC外接輸出設備的額定電流。用戶應根據(jù)實際輸出設備的電流大小來選擇輸出模塊的輸出電流。如果實際輸出設備的電流較大，輸出模塊無法直接驅(qū)動，可增加中間放大環(huán)節(jié)。 4) 輸出的最大電流與負載類型、環(huán)境溫度等因素有關開關量輸出模塊的技術指標，它與不同的負載類型密切相關，特別是輸出的最大電流。另外，晶閘管的最大輸出電流隨環(huán)境溫度升高會降低，在實際使用中也應注意。4.4.2 PLC種類及型號選擇PLC種類較多，主要有西門子、三菱、OMRON、FANAC、東芝等，但能配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱

47、、OMRON的PLC。根據(jù)前面確定的PLC點數(shù)：實際輸入點28點，實際輸出點12點，綜合對比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西門子系列、OMRON系列中I/O點數(shù)為48點各型號的PLC的價格、性能、實用場合等各方面。本系統(tǒng)可選擇PLC型號為：FX2N64MR001，合計總數(shù)64點32點輸入，DC24V，32點繼電器輸出；尺寸（mm）：220×87×90，其性能、價格都優(yōu)于其他PLC。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進的系列，它能最大范圍地包容了標準特點，程式執(zhí)行更快，全面補充通訊功能，適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量

48、特殊功能模塊，它可以為工廠自動化控制應用提供最大的靈活性和控制能力。該型號PLC有32個輸入節(jié)點，32個輸出節(jié)點，能夠滿足系統(tǒng)要求并留有一定的余量。4.4.3 I/O點數(shù)分配根據(jù)機械手動作流程分析及I/O點數(shù)確定，可以確定電氣控制系統(tǒng)的I/O點分配，如表4.1、表4.2所示：表4.1 機械手控制輸入點分配表輸入設備輸入點號輸入設備輸入點號啟動按鈕SB1X000手動下降按鈕SB6X016停止按鈕SB2X001手動左旋按鈕SB7X017急停按鈕SB3X002手動右旋按鈕SB8X020左旋極限傳感器ST2X003手動伸出按鈕SB9X021右旋極限傳感器ST3X004手動縮回按鈕SB10X022上升限

49、位傳感器ST4X005手動吸氣按鈕SB11X023下降限位傳感器ST5X006手動放氣按鈕SB12X024手臂縮回限位傳感器ST6X007超上升限位傳感器ST8X025手臂伸出限位傳感器ST7X010 超下降限位傳感器ST9X026工件檢測傳感器PS1X011 超左旋限位傳感器ST10X027手動SAX012 超右旋限位傳感器ST11X030自動X013 超伸出限位傳感器ST12X031復位按鈕SB4X014 超縮回限位傳感器ST13X032手動上升按鈕SB5X015 表4.2 機械手控制輸出點分配表輸出設備輸出點號輸出設備輸出點號左旋電磁閥6YAY000吸氣電磁閥7YAY006右旋電磁閥5Y

50、AY001放氣電磁閥8YAY007縮回電磁閥2YAY002報警指示燈L11Y010伸出電磁閥1YAY003手動指示燈L12Y011上升電磁閥4YAY004自動指示燈L13Y012下降電磁閥3YAY005原位指示燈L14Y0134.4.4 PLC外部接線圖 根據(jù)表4.1、4.2分配輸入/輸出信號與PLC輸入/輸出接口分配情況及所選定的PLC，得到PLC的外部接線圖如圖4.1： 圖4.1 PLC外部接線圖4.4.5 機械手控制原理在PLC的控制下，執(zhí)行機構可實現(xiàn)手動、自動等多種工作方式。手動：利用按鈕對機械手每一動作手動進行控制，可實現(xiàn)上升、下降、前伸、縮回、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、吸物、放物等操作；自動：按

51、下循環(huán)按鈕后機械手從原點位置開始連續(xù)不斷的執(zhí)行分揀物料的各步。按下啟動按鈕SB1，系統(tǒng)初始化擺動氣缸右旋水平手臂伸出垂直手臂下降吸物垂直手臂上升水平手臂縮回擺動氣缸左旋垂直手臂下降放物垂直手臂的上升回初始位置。(1) 系統(tǒng)程序的初始化 按下啟動按鈕SB1，對控制系統(tǒng)進行功能檢測，檢測正確后，進入控制系統(tǒng)的軟件，開始運行程序。(2) 擺動氣缸右旋 初始化程序正常運行后，PLC的輸入端X000接通輸入，輸出端Y001輸出，右旋按鈕SB8接通，使三位四通電磁換向閥12的5YA得電，擺動氣缸會執(zhí)行右旋的命令。(3) 水平手臂的伸出 擺動氣缸右旋到指定位置時（90度），PLC輸入端X004接通輸入，輸出

52、端Y003輸出，手臂前伸按鈕SB9接通，使三位四通電磁換向閥10的1YA得電，執(zhí)行手臂前伸動作。(4) 垂直手臂的下降 手臂前伸到指定位置，PLC輸入端X010接通輸入，輸出端Y005輸出，小臂下降按鈕SB6接通，使三位四通電磁換向閥11的3YA得電，執(zhí)行垂直手臂的下降動作。(5) 吸物 小臂下降到指定位置，PLC輸入端X006接通輸入，輸出端Y006輸出，吸盤吸氣按鈕SB11接通，二位二通電磁閥13的7YA得電，真空發(fā)生器22開始動作，真空吸盤26將物料吸起。(6) 垂直手臂的上升 經(jīng)滑覺傳感器檢測到物料已經(jīng)被吸起時，輸出端Y004輸出，小臂上升按鈕SB5接通，使三位四通電磁閥11的電磁鐵4

53、YA得電，執(zhí)行垂直手臂的上升動作。(7) 水平手臂的回縮 小臂上升到指定位置，PLC輸入端X005接通輸入，輸出端Y002輸出，水平縮回按鈕SB10接通，使三位四通電磁換向閥10的電磁鐵2YA得電，執(zhí)行水平手臂回縮動作。(8) 擺動氣缸左旋 水平手臂回縮到指定的位置，PLC輸入端X007接通輸入，輸出端Y000輸出，左旋按鈕SB7接通，三位四通電磁閥12的電磁鐵6YA得電，執(zhí)行擺動氣缸的向左旋轉(zhuǎn)。(9) 垂直手臂的下降 擺動氣缸向左旋轉(zhuǎn)到指定位置（90度），PLC輸入端X003接通輸入，輸出端Y005輸出，垂直手臂下降按鈕SB6接通，使三位四通電磁閥11的電磁鐵3YA得電，執(zhí)行小臂的下降運動。

54、(10) 放物 小臂下降到指定位置，PLC輸入端X006接通輸入，輸出端Y007輸出，吸盤放氣按鈕SB12接通，真空發(fā)生器停止工作，真空消失，壓縮空氣進入真空吸盤，將物料與吸盤吹開。(11) 小臂上升 經(jīng)滑覺傳感器檢測到物料已經(jīng)放開，輸出端Y004輸出，小臂上升按鈕SB5接通，使三位四通電磁換向閥10的電磁鐵2YA得電，執(zhí)行小臂上升動作。(12) 回到初始位置小臂上升到指定位置，PLC輸入端X005接通輸入，自動重復以上動作。4.5 PLC程序設計4.5.1 總體程序框圖設備有“手動/自動”兩種工作方式，其控制程序可分為自動控制程序和手動控制程序兩個模塊，各模塊程序分開編寫，結構清晰，便于調(diào)試和修改。在進行編程前，應先繪制出整個控制程序的結構框圖，如圖4.2所示。在該結構圖中，當操作方式選擇開關置于“手動”時，輸入點X012接通，執(zhí)行手動程序；當操作方式選擇開關置于“自動”時，輸入點X013接通，執(zhí)行自動程序。圖4.2 控制程序的結構框圖同是為了方便操作，應設計一個機械手操作面板，機械手操作面板如圖4.3所示圖