基于PLC的物料搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）word格式

1、 畢業(yè)論文題 目： 基于plc的物料搬運(yùn) 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 袁濤 學(xué)生學(xué)號(hào)： 0808020243 系 別： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 屆 別： 2012屆 指導(dǎo)教師： 孫靜 基于plc的物料機(jī)械搬運(yùn)手自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生：袁濤知道教師：孫靜淮南師范學(xué)院電氣信息工程系摘 要:機(jī)械手在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動(dòng)?？梢詫?shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因此被廣泛應(yīng)用。 本文在縱觀了近年來(lái)機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械手方面的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械手技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，提出了用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和plc控制的設(shè)計(jì)

2、方案。采用整體化的設(shè)計(jì)思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化。對(duì)物料分揀機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。在其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)中選擇plc的控制單元來(lái)完成系統(tǒng)功能的初始化、機(jī)械手的移動(dòng)、故障報(bào)警等功能。最后提出了一種簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。關(guān)鍵詞: 機(jī)械手，氣動(dòng)控制，可編程控制器（plc），自動(dòng)化控制，物料分揀 based on plc material handling robot control system designstudent: yuantaoknow the teacher: ms. sun jinghua

3、inan normal college electrical information engineeringabstract:in advanced manufacturing robot plays a very important role. it can carry goods, sorting items, instead of human heavy labor. can realize the mechanization of manufacturing and automation, can in harmful environment operation to protect

4、the personal safety and so widely used in this paper a review in recent years on development status of manipulator, combined with the design of manipulator, the technology of the manipulator system analysis, and put forward the pneumatic drive and plc control in the design. the design idea of integr

5、ation, the full consideration of the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. for the material sorting the structure of the manipulator, executive structure, driving system and control system analysis and design. in its drive system by pneumatic drive, the choice

6、in the control system of the control unit to complete plc system function initialization, the mobile manipulator, fault alarm functions. finally puts forward a simple and easy to realize and theoretical significance specific control strategy.key words: manipulator;pneumatic control;the programmable

7、controller (plc);automatic control;material sorting前言機(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備更新時(shí)的需要，可以大量代替單調(diào)往復(fù)或高精度需求的工作，在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動(dòng)。可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)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(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備更新時(shí)的需要，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、用以代替人的繁重及單調(diào)勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化；并能

8、在高溫、腐蝕及有毒氣體等有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，被廣泛應(yīng)用于機(jī)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(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用plc的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動(dòng)作精度高等優(yōu)點(diǎn)。適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)plc對(duì)物料分揀機(jī)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(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行分揀，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線。采用plc控制，是一種

9、預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行物料分揀的自動(dòng)化裝置，可部分代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時(shí)需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行新的分配任務(wù)時(shí)，可以允許方便的改動(dòng)或重新設(shè)計(jì)其新部件，而對(duì)于位置改變時(shí)，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(fèi)用。本設(shè)計(jì)主要完成機(jī)械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計(jì)。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第1章 機(jī)械手的研究與發(fā)展1.1 機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、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(fù)勞

10、動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)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(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(fms)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。 目前，國(guó)際上的機(jī)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(guó)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(guó)機(jī)械手起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過30多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應(yīng)用化期。在我國(guó)，機(jī)械手市場(chǎng)

11、份額大部分被國(guó)外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。如今我國(guó)正從一個(gè)“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn)，對(duì)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會(huì)加大對(duì)機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會(huì)給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。隨著機(jī)械手發(fā)展的深度和廣度以及機(jī)器人智能水平的提高，機(jī)械手已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)器人等。在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域機(jī)械手的應(yīng)用也越來(lái)越多。在未來(lái)幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會(huì)使機(jī)械手的應(yīng)用更為

12、高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。據(jù)猜測(cè)，今后機(jī)器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機(jī)器維修、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。 1.2 主要研究的內(nèi)容隨著機(jī)械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制 可靠性強(qiáng)、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(jì)性強(qiáng)。本論文主要研究物料分揀機(jī)械手以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：(1) 物料分揀機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動(dòng)部件與機(jī)械構(gòu)件組成，是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的實(shí)體。主要包括機(jī)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(shè)計(jì)主要是對(duì)機(jī)械手的手部、手臂和機(jī)座進(jìn)行設(shè)計(jì)。(2)

13、 物料分揀機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動(dòng)力的裝置。通過對(duì)液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動(dòng)方式的比較，本設(shè)計(jì)選擇氣壓驅(qū)動(dòng)的方式。內(nèi)容包括氣動(dòng)元件的選擇及其工作原理、氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)和氣動(dòng)原理圖的繪制。(3) 物料分揀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時(shí)序進(jìn)行工作。本機(jī)械手采用可編程控制器（plc）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，主要包括對(duì)plc的型號(hào)選擇、傳感器類型進(jìn)行選擇、i/o口的選擇、對(duì)控制系統(tǒng)原理圖、自動(dòng)程序梯形圖的繪制等內(nèi)容。1.3 解決的關(guān)鍵問題1 解決機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、具有一定的代表性。

14、2 執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)精度的問題。3 機(jī)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(shí)的獲取及其表達(dá)形式。5 傳感器的類型選擇。第二章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇機(jī)器手的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的實(shí)體。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的布局類型直接影響到機(jī)械手的工作性能。2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇機(jī)械手的基本型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種基本型式：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。下面就各型式機(jī)械手作簡(jiǎn)單的分析對(duì)比：1、直角坐標(biāo)式機(jī)械手直角坐標(biāo)式機(jī)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(jī)械手。它的手臂可作伸縮、左右和上下移動(dòng)

15、，按直角坐標(biāo)形式x、y、z三個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其工作范圍可以是一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)；兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。如在x、y、z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上個(gè)具有a、b、c三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。直角坐標(biāo)式機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)：（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(jī)械相配合；（3） 適于裝箱類、多工序復(fù)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(shí)行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機(jī)械配合使用。缺點(diǎn)：機(jī)械手的作業(yè)范圍較小。2、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是應(yīng)用最多的一種型式，它適用于搬運(yùn)和測(cè)量工件。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本體

16、占用的空間較小，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍可分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個(gè)基本動(dòng)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(dòng)作；（5） 手爪夾緊動(dòng)作。 圓柱式機(jī)械手的特點(diǎn)是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒，手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可做上下直線運(yùn)動(dòng)和水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(dòng)。3、球坐標(biāo)式機(jī)械手球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它的工作范圍包括：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)八個(gè)動(dòng)作：（1）

17、 手臂上下動(dòng)作，即俯仰動(dòng)作；（2） 手臂左右動(dòng)作，即回轉(zhuǎn)動(dòng)作；（3） 手臂前后動(dòng)作，即伸縮動(dòng)作；（4） 手腕上下彎曲；（5） 手腕左右擺動(dòng)；（6） 手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；（7） 手爪夾緊動(dòng)作；（8） 機(jī)械手的整體移動(dòng)。球坐標(biāo)式機(jī)械手的特點(diǎn)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(dòng)作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動(dòng)，還可以上下擺動(dòng)，工作范圍和人的手類似。它的特點(diǎn)能能自動(dòng)選擇最合理的動(dòng)作路線。所以工作效率高。另外由于上下擺動(dòng)，它的相對(duì)體積小，動(dòng)作范圍大。4、關(guān)節(jié)式機(jī)械手關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作傳動(dòng)型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適于在狹窄

18、的空間工作。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。關(guān)節(jié)式機(jī)械手有大臂和小臂的擺動(dòng)，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。它還具有上肢結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)近似于人手操作的機(jī)能。為具有近似人手的操作機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。機(jī)械手型式的選擇首先是從滿足它的運(yùn)動(dòng)要求方面進(jìn)行考慮， 然后從機(jī)械手的復(fù)雜程度以及經(jīng)濟(jì)情況等方面來(lái)考慮。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手主要?jiǎng)幼鳛闄C(jī)械手手臂的左右移動(dòng)，升降移動(dòng)和機(jī)械手的整體旋轉(zhuǎn)。直角坐標(biāo)式機(jī)械手雖然具備手臂的伸縮上下、左右直線運(yùn)動(dòng)等動(dòng)作，但是不具備機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，所以不考慮用直角坐標(biāo)式機(jī)械手。球坐標(biāo)式機(jī)械手和關(guān)節(jié)式機(jī)械手對(duì)動(dòng)作要求方面足

19、夠滿足要求，但是它們的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，有很多動(dòng)作是不必要的，顯得浪費(fèi)和增加了制造的成本和難度。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作?？梢詫⑹直刍剞D(zhuǎn)動(dòng)作改換成機(jī)械手的整體轉(zhuǎn)動(dòng)就可以滿足本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的動(dòng)作要求。這樣的修改并沒有改變機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)，只是進(jìn)行了局部變動(dòng)，使得整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠，所以確定用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機(jī)械部分組成：（1） 手部 是機(jī)械手直接握持工件或工具的部分。（2） 臂部 是機(jī)械手用來(lái)支持腕部與手部實(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)動(dòng)范圍的部件。（3） 立柱 支承手臂并帶動(dòng)它升降、擺動(dòng)和移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。（4） 機(jī)座 是機(jī)械手用來(lái)

20、支撐臂部，并安裝驅(qū)動(dòng)裝置及其他裝置的部分。2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理物料分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)座、立柱、水平手臂、垂直手臂、電磁閥和吸盤等組成。其中機(jī)座采用擺動(dòng)氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手的動(dòng)作基本有伸縮、升降、左右旋轉(zhuǎn)、吸物和放物等動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)原理如圖2.2所示。其動(dòng)作順序?yàn)椋撼跏嘉恢胊右旋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(jī)械手的動(dòng)作在整個(gè)過程中都是連續(xù)可循環(huán)。2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖根據(jù)前面機(jī)械手各部分的設(shè)計(jì)，可做出機(jī)械手大體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2.1所示。 1右旋限位開關(guān) 2 左旋限位開關(guān) 3 回縮限位開關(guān) 4 前伸限

21、位開關(guān) 5 上升限位開關(guān) 6 下降限位開關(guān) a 擺動(dòng)氣缸 b前伸/回縮氣缸 c上升/下降氣缸 d 真空吸盤 圖2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 第3章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅(qū)動(dòng)方式。3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇液壓驅(qū)動(dòng)，功率重量比大，可實(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，可自行潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)。但也存在其油液容易泄露污染環(huán)境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。電氣驅(qū)動(dòng)，控制精度高，驅(qū)動(dòng)力較大，響應(yīng)快，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理

22、方便。但是由于這種驅(qū)動(dòng)方式價(jià)格昂貴，限制了在一些場(chǎng)合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動(dòng)方式。氣壓驅(qū)動(dòng)具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率體積比高、無(wú)污染及抗干擾性強(qiáng)、在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用較多。另一方面，氣動(dòng)技術(shù)作為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù)”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。3.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)根據(jù)物料分揀機(jī)械手的要求，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動(dòng)方式主要有兩種：（1）直線運(yùn)動(dòng)（缸體固定，活塞桿運(yùn)動(dòng)）；（2）擺動(dòng)（缸體固定）。氣動(dòng)系統(tǒng)包括三個(gè)三位四通電磁換向閥、兩個(gè)二位二通電磁閥、三個(gè)氣缸、一個(gè)吸盤、四個(gè)調(diào)速閥、六個(gè)單向調(diào)速閥、消聲器（若干）等。圖

23、中的調(diào)速閥控制氣缸上升和下降、伸長(zhǎng)和縮短、擺動(dòng)過程中的速度，防止速度過大對(duì)物料及機(jī)械手臂的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運(yùn)動(dòng)方向；真空發(fā)生器的工作原理利用氣體的噴射產(chǎn)生真空吸附物料，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動(dòng)作是由二位二通電磁閥控制的。 第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃分與巧妙實(shí)現(xiàn)，對(duì)提高機(jī)械手整體可靠性、實(shí)用性具有重要的意義，同時(shí)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(dāng)前機(jī)械手廣泛采用的控制器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)機(jī)械手

24、的控制系統(tǒng)一般是使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)為目的，包括高性能的計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的系統(tǒng)硬件和控制軟件。機(jī)械手的控制部分可分為4個(gè)部分：機(jī)械手及其感知器、環(huán)境、任務(wù)、控制器?？刂葡到y(tǒng)的硬件一般包括3個(gè)部分：(1) 感知部分 用來(lái)收集機(jī)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(jī)械手的本體狀態(tài)，而視覺、觸覺、力覺等傳感器可感受機(jī)械手的工作環(huán)境的外部狀態(tài)。(2) 控制裝置 用來(lái)處理各種信息，完成控制過程，產(chǎn)生必要的控制指令，它包括計(jì)算機(jī)相應(yīng)的接口等。(3) 驅(qū)動(dòng)部分 為了使機(jī)械手完成操作及移動(dòng)功能，機(jī)械手各關(guān)節(jié)可選用氣動(dòng)、液動(dòng)、電氣等方式驅(qū)動(dòng)。4.2 控制系統(tǒng)的性能要求對(duì)于一般的控制系統(tǒng)有以下控制的要

25、求：(1) 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到短暫的擾動(dòng)后其運(yùn)動(dòng)性能從偏離平衡點(diǎn)恢復(fù)到原平衡點(diǎn)狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是一般自動(dòng)控制必須滿足的基本要求，對(duì)穩(wěn)定性的研究是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的一個(gè)基本問題。 (2) 過渡過程性能 描述過渡過程性能可以用平衡性和快速性加以衡量，平衡性指系統(tǒng)由初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到新的平衡狀態(tài)時(shí)具有較小的超調(diào)和震蕩性；系統(tǒng)由初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到新的平衡狀態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間表示系統(tǒng)過渡過程的快速程度。(3) 穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差是在過渡過程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實(shí)際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越小，說(shuō)明控制精度越高。因此，穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)之一就是在兼

26、顧其他性能指標(biāo)的情況下，使穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小或者小于某個(gè)允許的限制值。4.3 傳感器的選擇 傳感器是將被檢測(cè)對(duì)象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘?hào)的一種變換器。它主要被用于檢測(cè)系統(tǒng)本身與作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動(dòng)作提供信息。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求需要對(duì)位置檢測(cè)裝置、滑覺傳感器、視覺傳感器進(jìn)行選用。位置檢測(cè)裝置檢測(cè)機(jī)械手動(dòng)作是否到位，滑覺傳感器是判別物料是否被穩(wěn)定吸住，視覺傳感器是為了完成機(jī)械手對(duì)物料的識(shí)別。4.3.1 位置檢測(cè)裝置在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)機(jī)械手執(zhí)行左旋/右旋，前伸/回縮，上升/下降等動(dòng)作時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的位置檢測(cè)裝置檢測(cè)動(dòng)作是否到位，常用的位置檢測(cè)裝置是行程開關(guān)。行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，是

27、一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時(shí)，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。行程開關(guān)按其結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)式、滾輪式、微動(dòng)式和組合式。4.3.2 滑覺傳感器機(jī)械手吸取物體時(shí)按吸力的大小可分為硬吸取和軟吸取。硬吸取是吸盤用最大的吸力吸取物體，以保證可靠性；軟吸取方式是吸盤使吸力保持在能穩(wěn)固吸取物體的最小值，以避免損傷物件。軟吸取時(shí)吸力不夠時(shí)被吸物體會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，滑覺傳感器就是為了檢測(cè)滑動(dòng)而設(shè)計(jì)的，可以檢測(cè)垂直于吸物方向物體的位移、由重力引起的變形，以達(dá)到修正吸力，防止吸取物

28、的滑動(dòng)?；瑒?dòng)傳感器主要用于檢測(cè)物體接觸面直接的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的大小和方向，判斷是否吸住物體以及應(yīng)用多大的吸力等。4.3.3 視覺傳感器 機(jī)械手視覺的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能夠?qū)Σ煌奈矬w進(jìn)行識(shí)別，本機(jī)械手采用顏色傳感器，根據(jù)不同物料有不同的顏色，可以針對(duì)一種顏色的物料進(jìn)行揀出。 目前，用于顏色識(shí)別的傳感器有兩種基本類型：（1）色標(biāo)傳感器，它使用一個(gè)白熾燈光源或單色led光源；（2）rgb（紅綠藍(lán)）顏色傳感器，它檢測(cè)物體的對(duì)三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。這類裝置許多是溫反射型、光束型、光纖型的，封裝在各種金屬和聚碳酸脂外殼中。典型的輸出有：npn和pnp、繼電器和模擬輸出。 4.4 控制

29、系統(tǒng)plc的選型及控制原理 4.4.1 plc種類及型號(hào)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、omron的plc。根據(jù)前面確定的plc點(diǎn)數(shù)：實(shí)際輸入點(diǎn)28點(diǎn)，實(shí)際輸出點(diǎn)12點(diǎn)，綜合對(duì)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(diǎn)數(shù)為48點(diǎn)各型號(hào)的plc的價(jià)格、性能、實(shí)用場(chǎng)合等各方面。本系統(tǒng)可選擇plc型號(hào)為：fx2n64mr001，合計(jì)總數(shù)64點(diǎn)32點(diǎn)輸入，dc24v，32點(diǎn)繼電器輸出；尺寸（mm）：2208790，其性

30、能、價(jià)格都優(yōu)于其他plc。fx2n系列是fx系列plc家族中最先進(jìn)的系列，它能最大范圍地包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)，程式執(zhí)行更快，全面補(bǔ)充通訊功能，適合世界各國(guó)不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動(dòng)化控制應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。該型號(hào)plc有32個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，32個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)要求并留有一定的余量。4.4.2 i/o點(diǎn)數(shù)分配根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作流程分析及i/o點(diǎn)數(shù)確定，可以確定電氣控制系統(tǒng)的i/o點(diǎn)分配，如表4.1所示：表4.1 機(jī)械手控制輸入點(diǎn)分配表輸入設(shè)備輸入點(diǎn)號(hào)輸入設(shè)備輸入點(diǎn)號(hào)啟動(dòng)按鈕sb1x000手動(dòng)下降按鈕sb6x016停止按鈕sb2x001手動(dòng)左旋按鈕sb7x

31、017急停按鈕sb3x002手動(dòng)右旋按鈕sb8x020左旋極限傳感器st2x003手動(dòng)伸出按鈕sb9x021右旋極限傳感器st3x004手動(dòng)縮回按鈕sb10x022上升限位傳感器st4x005手動(dòng)吸氣按鈕sb11x023下降限位傳感器st5x006手動(dòng)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(cè)傳感器ps1x011 超左旋限位傳感器st10x027手動(dòng)sax012 超右旋限位傳感器st11x030自動(dòng)x013 超伸出限位傳感器st12x031復(fù)位按鈕sb4x014 超縮回限位傳感器

32、st13x032手動(dòng)上升按鈕sb5x015 4.4.3 機(jī)械手控制原理在plc的控制下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)等多種工作方式。手動(dòng)：利用按鈕對(duì)機(jī)械手每一動(dòng)作手動(dòng)進(jìn)行控制，可實(shí)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(dòng)：按下循環(huán)按鈕后機(jī)械手從原點(diǎn)位置開始連續(xù)不斷的執(zhí)行分揀物料的各步。按下啟動(dòng)按鈕sb1，系統(tǒng)初始化擺動(dòng)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?cái)[動(dòng)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(dòng)按鈕sb1，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能檢測(cè)，檢測(cè)正確后，進(jìn)入控制系統(tǒng)的軟件，開始運(yùn)行程序。(2) 擺動(dòng)氣缸右旋 初始化程序正

33、常運(yùn)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(dòng)氣缸會(huì)執(zhí)行右旋的命令。(3) 水平手臂的伸出 擺動(dòng)氣缸右旋到指定位置時(shí)（90度），plc輸入端x004接通輸入，輸出端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(dòng)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(dòng)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，

34、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(dòng)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(cè)到物料已經(jīng)被吸起時(shí)，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4ya得電，執(zhí)行垂直手臂的上升動(dòng)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(dòng)作。(8) 擺動(dòng)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

35、鐵6ya得電，執(zhí)行擺動(dòng)氣缸的向左旋轉(zhuǎn)。(9) 垂直手臂的下降 擺動(dòng)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(yùn)動(dòng)。(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(jìn)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(cè)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(dòng)作。(12) 回到初始位置

36、小臂上升到指定位置，plc輸入端x005接通輸入，自動(dòng)重復(fù)以上動(dòng)作。4.5 plc程序設(shè)計(jì)4.5.1 總體程序框圖設(shè)備有“手動(dòng)/自動(dòng)”兩種工作方式，其控制程序可分為自動(dòng)控制程序和手動(dòng)控制程序兩個(gè)模塊，各模塊程序分開編寫，結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和修改。在進(jìn)行編程前，應(yīng)先繪制出整個(gè)控制程序的結(jié)構(gòu)框圖，如圖4.2所示。在該結(jié)構(gòu)圖中，當(dāng)操作方式選擇開關(guān)置于“手動(dòng)”時(shí)，輸入點(diǎn)x012接通，執(zhí)行手動(dòng)程序；當(dāng)操作方式選擇開關(guān)置于“自動(dòng)”時(shí)，輸入點(diǎn)x013接通，執(zhí)行自動(dòng)程序。圖4.2 控制程序的結(jié)構(gòu)框圖同是為了方便操作，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手操作面板，機(jī)械手操作面板如圖4.3所示圖4.3 機(jī)械手操作面板4.5.2 手動(dòng)

37、控制程序 手動(dòng)控制程序用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手升降、伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、吸氣/放氣及復(fù)位的運(yùn)動(dòng)。在自動(dòng)工作過程中，若將“手動(dòng)/自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“手動(dòng)”位置時(shí)，輸入x012接通系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)控制方式狀態(tài)。此時(shí)，按下相應(yīng)的受動(dòng)按鈕可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上升、下降、左旋、右旋、伸出、縮回、吸氣、放氣及復(fù)位動(dòng)作，手動(dòng)操作程序如圖4.4所示。圖4.4 手動(dòng)操作程序4.5.3 自動(dòng)控制程序分析知，在“自動(dòng)”工作方式下，本機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是以開關(guān)量作為轉(zhuǎn)移信號(hào)，按所設(shè)計(jì)的工藝流程一步一步地進(jìn)行工作，其控制過程為順序循環(huán)控制。當(dāng)機(jī)械手完成一次物料的吸放任務(wù)后返回原位為下一個(gè)任務(wù)做好準(zhǔn)備。自動(dòng)控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4.5所示。圖4.5自動(dòng)控制

38、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖根據(jù)自動(dòng)控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖就可設(shè)計(jì)出自動(dòng)控制的步進(jìn)梯形圖如圖4.6所示。 圖4.6 自動(dòng)控制步進(jìn)梯形圖 (序)第5章 結(jié)論 機(jī)械手的出現(xiàn)延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、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(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和plc在工業(yè)生產(chǎn)過程中的廣泛應(yīng)用，機(jī)械手技術(shù)方面的研究不斷得到創(chuàng)新，促使成果不斷涌現(xiàn)。本論文的設(shè)計(jì)主要取得了以下成果：(1) 對(duì)物料分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)等各組成部分進(jìn)行了較為全面的分析，最后得出其總體設(shè)計(jì)方案。(2) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是強(qiáng)的非線性系統(tǒng)，其根本原因是空氣具有可壓縮性，使得系統(tǒng)中存在流量飽和效應(yīng)，非線性摩擦力等因素，實(shí)現(xiàn)氣缸的精度定位非常困難。因此在其應(yīng)用中，要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)定，以達(dá)到比較理想狀態(tài)。(3) 機(jī)械手的控制系統(tǒng)采用了技術(shù)性、可靠性非常高的plc進(jìn)行控制。這使得機(jī)械設(shè)備更加靈活，動(dòng)作準(zhǔn)確，易于維護(hù)，勞動(dòng)生產(chǎn)率大大得到了提高。各種操作方式自由切換，滿足了各種生產(chǎn)要求。本課題在完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)物料分揀機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。由于時(shí)間的限制以及機(jī)械手的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有些問題需要進(jìn)一步的研究：(1) 對(duì)機(jī)械手各部分連接方式的改進(jìn)。本機(jī)械手結(jié)構(gòu)具有模塊式的特點(diǎn)，但由于考慮節(jié)約成本等因素，采用標(biāo)準(zhǔn)的單活塞桿雙作用氣