周乾毕业设计1.doc

本科毕业论文（设计） 论文（设计）题目： 基于房屋建筑施工组织设计学 院：土木工程与建筑学院专 业：建筑经济管理 学 号：070110302308学生姓名：周 乾指导教师：刘 老 师2011年6 月19 日西南科技大学本科毕业生论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 西南科技大学本科毕业论文（设计） 第 50 页目 录目 录I摘 要IV第一章 前言11.1 研究的目的及意义11.2 机械手在国内外现状和发展趋势11.3 主要研究的内容21.4 解决的关键问题3第二章 执行系统的分析与选择42.1执行机构坐标形式的选择42.2 执行机构的组成62.3 执行机构各部分的分析与选择62.3.1 手部的选择62.3.2 手臂结构的选择82.3.3 机座结构的选择92.4 执行机构的工作原理102.5执行机构简图10第三章 驱动系统的分析与选择123.1 驱动系统的分析与选择123.2 机械手驱动系统的控制设计133.3 气动元件选取及工作原理143.3.1 气源装置143.3.2 执行元件153.3.3 控制元件163.3.4 辅助元件173.3.5 真空发生器183.3.6 吸盘183.4 气动回路的工作原理18第四章 控制系统的分析设计224.1 控制系统的组成结构224.2 控制系统的性能要求224.3 传感器的选择234.3.1 位置检测装置234.3.2 滑觉传感器234.3.3 视觉传感器244.4 控制系统PLC的选型及控制原理254.4.1 PLC控制系统设计的基本原则254.4.2 PLC种类及型号选择304.4.3 I/O点数分配304.4.4 PLC外部接线图324.4.5 机械手控制原理324.5 PLC程序设计344.5.1 总体程序框图344.5.2 初始化及报警程序364.5.3 手动控制程序374.5.4 自动控制程序39第五章 总结与展望42参考文献43致 谢44 基于房屋建筑施工组织设计摘 要 房屋建筑施工在社会领域中扮演着极其重要的角色。它可以它可以供人们生活居住。可以供我们学习工作等等，总之，是我们人类必不可少的。 本文在纵观了近年来房屋建筑发展状况的基础上，结合房屋建筑方面的施工和设计，对施工技术进行了系统的分析，提出了许多多姿多彩的设计方案，让我们生活更加美好。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型的设计方案，关键词: 施工技术控制，组织设计。第一章 前言1.1 研究的目的及意义房屋建筑是人类必不可少的必需品，随着人们的生活文化不断提高，对各式各样的居住要求也更高了，这就要求我们要不断地创新不断地改进，也供人们的物质文化选择，只有这样才会有进步。 随着建筑业的高速发展，施工技术作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。它关系到人们的文化，安全，舒适等；对人们有着非凡的意义。 1.2 建筑业在国内现状和发展趋势 建筑业作为国民经济的重要产业之一，是国家投资建设的实施主体，其兴衰对经济发展起着举足轻重的作用。随着建筑业生产的快速增长，建筑业在促进经济发展、减缓就业压力、提高居民生活水平等方面的作用更加凸显，作为重要支柱产业的地位也日益显现。发展趋势为“多元化发展、信息化建设、内涵化提升”正在成为我国建筑企业发展趋势。实行多元化发展战略是建筑施工企业发展到一定规模后谋求持续发展的必然趋势；在网络和信息化时代，信息化可以极大地提升企业的竞争力，尤其是受金融危机影响后，更是企业降低经营成本、开拓新兴市场、实现健康成长的“利器”。 A、建筑业企业队伍扩大，在经济社会发展中的作用不断增强。B、生产规模不断扩大，经济效益显著提高。 C.技术创新能力有突破，劳动生产率大幅提高。 D.对外扩张能力增强，市场进一步扩大。 E.房屋建筑施工面积稳步增长，建筑市场秩序进一步规范F.私营企业在各种经济类型中占据绝对优势。 1.3 主要研究的内容是建筑业发展中存在的问题1、资质等级偏低，从业人员素质有待提高。2008年，我国常州市565家施工总承包和专业承包建筑业企业中，施工总承包建筑企业为237家，年末从业人员28.3万人，总资产282.7亿元，完成建筑业总产值445.9亿元；专业承包建筑业企业为328家，年末从业人员4万人，总资产68.2亿元，当年完成建筑业总产值79.7亿元。全市具备资质的建筑业企业中，没有特级企业，一级企业为124家，仅占建筑业企业总数的8.9%。由于企业资质低、规模普遍较小，整体技术力量比较薄弱，市场竞争力不强，难于承揽大工程，更难于向外拓展，再加上资金紧张，很难中标获得较大的工程，一些企业即使承揽到较小的工程也只是压价竟标，低价承包，利润所剩无几。 2、总体经营水平偏低，经济效益不够理想。近年来由于国内建材价格的不断上涨，导致建筑工程成本费用居高不下，企业生产经营压力加大。2008年，我市建筑企业工程结算成本429.7亿元，比2004年增长1.6倍，占工程结算收入的89.5%，成本处于高位区间。工程结算成本高缩减了建筑业企业的盈利空间，影响了经济效益，困扰建筑企业的发展。3、建筑市场不够规范，企业资金实力不够雄厚。由于建筑市场竞争激烈，建筑企业为了承揽施工任务，只得低标价揽活。在承包工程中，建设方苛刻的发包条件，且支付数额较大的保证金，占用了企业的流动资金，加上融资困难，还有垫资施工和拖欠工程款使建筑企业流动资金严重不足，利润空间普遍缩小。4、建筑业企业资产负债率较高。2008年，全市建筑业企业的资产负债率处在65.9%的高位。企业负债率较高的原因，一是建筑业企业历史上自有资金就很少；二是企业的经营规模大规模扩张，但企业的自有资本积累却得不到相应的扩张，企业只能大量举债。而大量的资金成本支出，反过来又加剧了企业的负担，影响企业积累。5、工程技术人员不足。2008年，全市建筑业企业拥有中、高级技术职称人员14590人，初级职称人员31532人，分别占全部从业人员的4%和8.6%。所占比例与建筑业发达的地区相比有较大的差距。1.4 解决的关键问题1 解决机械手机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济、具有一定的代表性。2 执行部件的运动精度的问题。3 机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制 系统的协调问题。4 元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。5 传感器的类型选择。三、我市建筑业发展趋势及对策建议“多元化发展、信息化建设、内涵化提升”正在成为我国建筑企业发展趋势。实行多元化发展战略是建筑施工企业发展到一定规模后谋求持续发展的必然趋势；在网络和信息化时代，信息化可以极大地提升企业的竞争力，尤其是受金融危机影响后，更是企业降低经营成本、开拓新兴市场、实现健康成长的“利器”。在我市继续加大基础设施建设力度，建筑业企业应特别关注铁路站场建设，高速公路、干线公路建设，机场改扩建及配套道路工程，港口航道建设和水利工程建设。 从今后发展趋势看，土木工程建筑业作为建筑行业传统龙头，其地位仍坚如磐石，无论是营业收入还是实收资本和固定资产，仍将是建筑行业各项指标强有力的拉动者。但随着住宅建设由毛坯发展到全装修，使装修装饰业的崛起将成为可能，具备高级资质的专业装饰装潢公司将受到市场青睐，其利好局面也会吸引大量资金和技术投入这一行业，使之成为新的经济增长点。下面就如何维护建筑业的健康持续发展，提出如下建议：1、树立科学发展理念，着力提升竞争能力。正视我市建筑业的现状，找准定位，以技术先进、人才密集为目标，加速实现企业组织结构、专业结构、队伍结构的优化升级。企业应尽快适应投资主体多元化的市场环境，增强融资和运营管理能力，建立和完善科学的生产经营机制和管理机制，由经验管理向科学管理、家族式管理向现代管理转变。加快调整产业结构，拉长建筑产业链，龙头建筑企业在突出主业的前提下，要发展建材生产和经销、建筑机械制造和修理、物业管理和咨询服务等相关产业，努力实现多元化经营，在努力提高本地建筑市场占有率的前提下，积极拓展外地市场空间。2、建立技术创新机制，大力推进技术进步。用新的理念、新的技术、新的装备和新的管理改造传统的建筑业。重点围绕城镇建设，研究开发新型智能住宅、地下空间和建筑智能化技术；提高建筑工业化和机械化水平，实现建筑技术的创新和升级；要依托具有总承包和专业承包资质的建筑企业，逐步建立健全建筑技术创新体系，建立“产、学、研”相结合的技术创新机制，培育和发展建筑技术市场；大力引进和运用先进技术和设备，提高装备能力，提高工程施工速度和质量。3、抓好质量工作，强化内部管理，打造企业精品工程。工程质量是占领建筑市场的本钱，是企业可信程度的依据。企业应确保规范操作，认真制定工程创优战略指标，狠抓落实。通过贯彻国际质量认证标准，结合实际，建立和完善企业质量管理体系，实现全面质量管理。面对建筑市场新的形势和新的变化，企业要加快经营机制转变，转换经营理念，企业自身更要把好技术质量关，做好施工培训工作，全面提高职工队伍素质，确保有一支稳定的技术过硬的建筑施工队伍，为创精品工程，提高经济效益奠定坚实基础。4、积极加强服务引导，创造良好发展环境。政府有关部门应积极帮助和指导企业分析、认清市场需求和发展趋势，及时引导企业因地制宜创新发展战略和思路，立足自身发展实际，对企业的组织形态、管理系统及服务功能进行全方位的调整和再造。同时，不断加强市场管理和行业管理，充分发挥行业协会自我管理、自我约束、自我服务的功能，整顿和规范市场秩序，营造良好的行业发展外部环境。第二章 执行系统的分析与选择机器手的执行结构是机械手赖以实现各种运动的实体。执行机构的布局类型直接影响到机械手的工作性能。2.1 执行机构坐标形式的选择机械手的基本型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。下面就各型式机械手作简单的分析对比：1、直角坐标式机械手直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩、左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。其工作范围可以是一个直线运动；两个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上个具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。直角坐标式机械手的优点：（1） 产量大，节拍短，能满足高速的要求； （2） 容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合；（3） 适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更；（4） 定位精度高，载重发生变化是不回影响精度；（5） 易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。缺点：机械手的作业范围较小。2、圆柱坐标式机械手圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在的平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。圆柱坐标式机械手有五个基本动作：（1） 手臂水平回转；（2） 手臂伸缩；（3） 手臂上下；（4） 手臂回转动作；（5） 手爪夹紧动作。 圆柱式机械手的特点是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可做上下直线运动和水平面内做圆弧状的左右摆动。3、球坐标式机械手球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手可实现八个动作：（1） 手臂上下动作，即俯仰动作；（2） 手臂左右动作，即回转动作；（3） 手臂前后动作，即伸缩动作；（4） 手腕上下弯曲；（5） 手腕左右摆动；（6） 手腕旋转运动；（7） 手爪夹紧动作；（8） 机械手的整体移动。球坐标式机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧状上下俯仰动作，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人的手类似。它的特点能能自动选择最合理的动作路线。所以工作效率高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。4、关节式机械手关节式机械手是一种适用于靠近机体操作传动型式。它像人手一样有肘关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄的空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。它还具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手的操作机能，需要研制最合适的结构。机械手型式的选择首先是从满足它的运动要求方面进行考虑， 然后从机械手的复杂程度以及经济情况等方面来考虑。本设计中的机械手主要动作为机械手手臂的左右移动，升降移动和机械手的整体旋转。直角坐标式机械手虽然具备手臂的伸缩上下、左右直线运动等动作，但是不具备机械手整体旋转动作，所以不考虑用直角坐标式机械手。球坐标式机械手和关节式机械手对动作要求方面足够满足要求，但是它们的结构都比较复杂，有很多动作是不必要的，显得浪费和增加了制造的成本和难度。圆柱坐标式机械手能满足手臂伸缩、手臂上下、手臂回转动等动作。可以将手臂回转动作改换成机械手的整体转动就可以满足本设计中机械手的动作要求。这样的修改并没有改变机械手的总体结构，只是进行了局部变动，使得整个系统经济、实惠，所以确定用圆柱坐标式机械手。2.2 执行机构的组成 工业机械手的执行系统主要以下机械部分组成：（1） 手部 是机械手直接握持工件或工具的部分。（2） 臂部 是机械手用来支持腕部与手部实现较大的运动范围的部件。（3） 立柱 支承手臂并带动它升降、摆动和移动的机构。（4） 机座 是机械手用来支撑臂部，并安装驱动装置及其他装置的部分。2.3 执行机构各部分的分析与选择2.3.1 手部的选择 1 手部形式的确定手部就是用来握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部机构也是多种多样。常用的手部结构按其握持原理可以分为如下两类:1）夹持式夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。夹持式手部设计时应注意以下事项：（1） 手指应有一定的开闭范围。（2） 手指应具有适当的夹紧力。（3） 要保证工件在手指内的定位精度。（4） 结构紧凑，重量轻，效率高。（5） 通用性和可换性。 2）气吸式气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。气吸式又可分为：负压吸盘：真空式、喷气式、自挤式空气吸盘。磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。 真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在管路的最小截面处，气流速度达到临界速度，此时的气体受压，密度加大。在排气管路中因界面逐渐增大，气流膨胀减压而使密度大大下降，致使气流速度继续增高，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同，故形成真空，以吸住工件。自挤式空气吸盘的工作原理是将软质吸盘按压在工件的表面，挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。磁吸式手部不会破坏被吸附表面质量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑，影响正常工作。通过以上对手部的分析真空式具有结构简单、质量轻、不损伤工件、使用方便、不影响机械手的正常工作等优点。而且满足所设计机械手的要求，所以选用真空式吸盘。真空吸盘机构如图2.1所示。 图2.1 吸盘机构图2.3.2 手臂结构的选择手臂是机械手的主要部分，是支撑手腕、手指和工件并使它们运动的机构。手臂一般有三个运动伸缩、旋转和升降。手臂的基本动作是将手部移动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 手臂的组成：(1) 动作元件，如油缸、汽缸、齿条、凸轮等是驱动手臂运动的部件。(2) 导向装置，是保证手臂的正确方向及承受由工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。(3) 手臂，起着连接和承受外力的作用。 2手臂设计的要求：(1) 手臂承载能力大、刚性好、自重轻。(2) 手臂的运动速度要适当，惯性要小。(3) 手臂的动作要灵活。(4) 位置精度要高。(5) 通用性要强。3手臂的结构 手臂的伸缩和升降运动一般采用直线油（气）缸驱动。 手臂作直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置所组成。驱动机构一般用油缸、油马达加齿轮、齿条来实现直线运动。往复直线油（气）缸可以分为以下几种。双作用单活塞杆油缸:液压机械手中实现手臂的往复运动用得最多的是双作用单活塞杆油缸。活塞在油压下作双向运动。机构上可以是油缸体固定、活塞杆运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。双作用双活塞杆油缸：当需要很大的行程时，将油缸做的很长、体积很大，则加工上有困难。如做成伸缩式双活塞杆油缸，既能满足行程要求，油缸的体积又小。其缺点是一次行程有两种速度。丝杆螺母机构：该机构传动的特点是易于自锁，但传动效率低。如采用滚珠丝杠，效率可以提高，但因其较长，制造比较困难。本机械手的手臂有往复的直线运动，不需要很大的行程，考虑到结构的简单性和设计的经济性，选用缸体固定活塞杆运动的双作用单活塞杆气缸。4导向装置机械手手臂在进行伸缩运动时，为防止手臂沿伸缩方向向中轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。手臂的导向装置系根据安装形式、结构及负荷等条件来确定。常用的有单导向杆和双导向杆，本设计中，伸缩运动中选用双导向杆。2.3.3 机座结构的选择 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，是支撑起机械手全部重量的构件。对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。机座结构从形式上分为落地式和悬浮式，或分为固定式、可移动式和行走式。无论哪一种形式，机械手工作时机座一定予以固定。可移动式的机座在停置时能够刹车定位，以保证机械手工作时的位置精度。根据本机械手的设计要求选用落地固定式机座。机座的结构与机械手的总体布置有关，对专用机械手而言，传动和控制部分通常是单独布置，故机座比较简单或不设机座。对通用机械手而言，传动部分布置在机架内部或后下方，控制部分则布置在机座的后上方或单独布置一个控制箱。物料分拣机械手手臂需要一个旋转模块，摆动气缸就要固定在机座上。如果水平缸、垂直缸和手部机构直接安装到摆动气缸的输出轴上，机构虽然简单，但摆动气缸的轴向受力增大，对气缸的自身要求较高，并易造成摆动气缸的损坏。同时，机械手本身重心偏离立柱轴线以及各气缸运动产生的冲击都形成作用在摆动气缸转动轴上的倾覆力矩，所以采用一个连接组件，将机械手立柱以上的重量和倾覆力矩由机架来承担。连接组件主要由四部分组成：双向推力球轴承、底座、转台和扣罩。如图2.2所示。选择双向推力球轴承而不是单向的，因为机座与转台在轴向上无法直接连接。采用双向推力球轴承就可以方便的将轴承内环与转台连接，外环用罩扣固定在底座上。另外，推力球轴承应选择公称尺寸较大一些的，这样可以更好的承受倾覆力矩。 1、底座 2、摆动气缸 3、双向推力球轴承 4、扣罩 5、转台图2.2机座结构图2.4 执行机构的工作原理物料分拣机械手的结构主要由机座、立柱、水平手臂、垂直手臂、电磁阀和吸盘等组成。其中机座采用摆动气缸进行驱动，手臂及吸盘采用单活塞杆双作用气缸驱动。机械手的动作基本有伸缩、升降、左右旋转、吸物和放物等动作。其结构原理如图2.2所示。其动作顺序为：初始位置 A右旋 B前伸 C气缸下降 D吸物料 C上升 B收缩A左旋 C气缸下降 D放物料 C上升回到初始位置。机械手的动作在整个过程中都是连续可循环的。2.5 执行机构简图根据前面机械手各部分的设计，可做出机械手大体结构简图，如图2.3所示，大图见CAD图。 1右旋限位开关 2 左旋限位开关 3 回缩限位开关 4 前伸限位开关 5 上升限位开关 6 下降限位开关 A 摆动气缸 B前伸/回缩气缸 C上升/下降气缸 D 真空吸盘 图2.3 执行机构简图第三章 驱动系统的分析与选择机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。机械手的驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。3.1 驱动系统的分析与选择液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。据统计：在工业发达国家中，全部自动化流程中约有30装有气动系统，有90的包装机械，70的铸造、焊接设备，50的自动操机、40的锻造设备和洗衣设备、30的采煤机械，20的纺织机械、制鞋业、木材加工、食品机械，43的工业机器人装有气压系统。日、美、德等国的气动元件销售平均每年增长超过10-15。许多工业发达国家的气动元件产值已接近液压元件的产值，且仍以较大速度发展，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。表3.1给出了各种控制方式的比较：表3.1 各种控制方式的比较通过以上三种驱动方式的比较选用气动驱动的方式，不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本。3.2 机械手驱动系统的控制设计根据物料分拣机械手的要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要有两种：（1）直线运动（缸体固定，活塞杆运动）；（2）摆动（缸体固定）。其气动驱动系统原理图如图3.1所示。图3.1 驱动系统原理图气动系统包括三个三位四通电磁换向阀、两个二位二通电磁阀、三个气缸、一个吸盘、四个调速阀、六个单向调速阀、消声器（若干）等。图中的调速阀控制气缸上升和下降、伸长和缩短、摆动过程中的速度，防止速度过大对物料及机械手臂的冲击；三位四通电磁换向阀是改变气缸的运动方向；真空发生器的工作原理利用气体的喷射产生真空吸附物料，其主要功能是实现对物料的吸取和释放，真空发生器的动作是由二位二通电磁阀控制的。3.3 气动元件选取及工作原理气压驱动是利用压缩气体的压力能来实现能量传递的一种方式，其介质主要是空气，也包括燃气和蒸汽。典型的气压传动系统由以下四部分组成：3.3.1 气源装置气源装置是获得具有一定能量的压缩空气的装置，其主体部分是空气压缩机，有的还配有气源净化处理装置、气罐等附属设备。它将原动机提供的机械能转变为气体的压力能。气压传动对气源的要求：(1) 要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量。(2) 要求压缩空气有一定的清洁度和干燥度。下面对于主要的气源装置元件进行如下介绍：1、空气压缩机空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置，是气源主要的设备。按结构和工作原理可分为速度型和容积型两大类。容积型压缩机是利用特殊形状的转子或活塞压缩吸入封闭容积室空气的体积来增加空气的压力。容积型结构简单、使用方便。本设计选用容积型压缩机。2、储气罐储气罐可以调节气流，减少输出气流的脉动，使输出气流连续和气压稳定，也可以作为应急气源使用，还可以进一步分离油水杂质。储气罐上装有安全阀，使其极限压力比正常工作压力高10%，并装有指示罐内压力的压力表和排污阀等。罐的型式可分为立式和卧式两种。本设计选用立式储气罐，因为它的进气口在下，出气口在上，以利用进一步分离空气中的油、水。3.3.2 执行元件 执行元件是以压缩空气为工作介质产生机械运动，并将气体的压力能转变为机械能的能量转换装置，如气缸输出直线往复式机械能，摆动气缸输出回转摆动式机械能。 1、气缸输出直线往复式气缸是气动执行元件之一。目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。其工作原理：对于前伸/回缩气缸，当左侧无杆腔进气，右侧有杆腔排气时活塞杆前伸，反之，活塞杆回缩；对于上升/下降气缸，当上侧无杆腔进气，下侧有杆腔排气时，活塞杆下降，反之活塞杆上升。2、摆动气缸输出回转摆动式摆动气缸分为单叶片式和双叶片式。单叶片式摆动气缸：压缩空气由进气口输入，作用在叶片上，带动轴回转产生转矩，另一腔的空气从排气口排出。双叶片式摆动气缸：从进气口进入的压缩空气作用在一个叶片上，同时通过轴上的气路也作用在另一叶片上带动轴回转。这样双叶片式产生的转矩将是单叶片式的2倍。本设计采用双叶片式摆动气缸，这样就能产生更大的转矩，以利于机械手的转动。3.3.3 控制元件控制元件是用来调节压缩空气的压力、流量和控制其流动方向，使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。气动控制元件按功能分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。1、压力控制阀调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀。它包括调压阀、溢流阀、顺序阀及多功能组合阀。调压阀是出口侧压力可调，并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀。溢流阀是在回路中的压力达到阀的规定值时，使部分气体从排气侧排出，以保持回路内的压力在规定值的阀。调速阀是根据“流量负反馈”原理设计而成的单路流量阀。调速阀一般用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中。调速阀根据“串联减压式”和“并联溢流式”，又分为调速阀和溢流节流阀两种主要类型。本设计选用串联减压式调速阀。2、方向控制阀方向控制阀是改变压缩空气流动方向和气流通断状态，使气动执行元件的动作或状态发生变换的控制阀，其通常可分为单向型控制阀和换向型控制阀两类。(1) 单向型控制阀单向阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀，是最简单的单向型方向阀。在气动系统中，单向阀除单独使用之外，经常与流量阀、换向阀和压力阀组合成只能单向控制的阀。单向调速阀就是单向阀与节流阀并联而成。单向调速阀是把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。当流体正向流动时，其节流过程与调速阀是一样的，节流缝隙的大小可通过手柄进行调节；当流体反向流动时，靠流体的压力把阀芯压下，下阀芯起单向阀作用，单向阀打开，可实现流体反向自由流动。当正向流动时，经过节流阀节流。当反向流动时，单向阀打开，不节流。(2) 换向型控制阀 换向型方向控制阀按控制方式分类，分为气压控制、电磁控制、人力控制。换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系，实现接通、切断，或改变流体方向的阀。它的用途很广，种类也很多。换向阀的性能的主要要求是：（1）油液流经换向阀时的压力损失小；（2）互不相通的油口间的泄漏小；（3）换向可靠、迅速且平稳无冲击。按换向阀的操纵方式有：手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、气动式。按工作位置数和控制的通道数有：二位二通阀、二位三通阀、二位四通阀、二位五通阀、三位四通阀、三位五通阀等。本设计选用三位四通电磁换向阀理由如下：(1) 电磁换向阀是利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置。由于它操作轻便，易于实现自动化，因此应用广泛。(2) 当三位四通电磁换向阀两端电磁铁都断电时，阀芯处于中位，各口互不相通。(3) 使用三位四通电磁换向阀能够快速实现气缸的正反向运动。3.3.4 辅助元件辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的。可分为气源净化装置和其他辅助元件两大类。1、气源净化装置过滤器、调压阀和油雾器等组合在一起称为空气处理单元，又称为气动三联件。压缩的空气中含有各种杂质，这些杂质的存在会降低气动元件的耐用度和性能，造成误动作和事故，必须清除。空气处理单元就是用来清除压缩空气的杂质，提高空气质量的元件。2、消声器消声器是降低排气噪声的装置。压缩空气完成驱动工作后，由换向阀的排气口排入大气。此时的压缩空气是以接近音速的状态进入大气，由于压力的骤然变化，使空气急速膨胀从而发出噪音，其音量一般为80dB100dB，为了改善劳动条件，应使用消声器。常用的消声器有三种类型吸收型、膨胀型和吸收膨胀型。吸收型消声器是依靠吸声材料来消声的。膨胀型消声器的结构比较简单，相当于一段比排气口径大的管件，当气流通过时，让气流在其内部扩散、膨胀、碰壁撞击、反射、相互干涉而消声。吸收膨胀型消声器是上述两种的结合。气流由斜孔引入，气流束相互撞击、干涉、进一步减速，再通过设在消声器内表面的吸声材料消声，最后排向大气。本设计选用膨胀型消声器。3.3.5 真空发生器真空发生器的作用主要是使吸盘的橡胶皮碗形成真空而将工件吸附。真空发生器的工作原理是利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动。在卷吸流动作用下，使得喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，使吸附腔内的压力降至大气压以下，形成一定真空度。3.3.6 吸盘吸盘是直接吸吊物体的元件，一般用橡胶做成。真空吸盘之所以能吸附在工件上的原因是由于环境压力（大气压力）大于吸盘与工件之间的压力。将吸盘与真空发生装置连接，吸盘内部空间的空气被抽去，当吸盘接触到工件时，大气和吸盘之间形成了密封，就会吸住物料，吸气大小与大气压和吸盘内部空间的压力差成正比。3.4 气动回路的工作原理物料分拣机械手的工作循环是：摆动气缸的右旋水平手臂的伸出垂直手臂的下降吸物垂直手臂的上升水平手臂的缩回摆动气缸的左旋垂直手臂的下降放物垂直手臂的上升回到初始位置。系统中选用电磁换向阀，限位开关，实现气缸的往复运动。二位二通电磁阀实现吸盘的吸物和放物。实现工作循环的工作原理如下：(1) 摆动气缸的右旋 按下启动按钮，右旋按钮接通，使三位四通电磁换向阀12的5YA得电，阀12的阀芯右移，摆动气缸会执行右旋的命令。这时的气路是： 进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀12左端单向调速阀19摆动气缸C的D口。 排气路线：摆动气缸C的E口单向调速阀20三位四通电磁换向阀12排气口调速阀8消声器9排出。 (2) 水平气缸的伸出 当摆动气缸C右旋到指定位置时（90度），就会碰到右旋限位开关，使二位五通电磁换向阀12的5YA断电，摆动气缸旋转运动会停止，经时间继电器延时，使三位四通电磁换向阀10的1YA得电，阀10的阀芯右移，执行手臂前伸动作。这时的气路是:进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀10左端单向调速阀15气缸A的无杆腔。排气路线：气缸A的有杆腔单向调速阀16三位四通电磁换向阀10的排气口调速阀4消声器5排出。(3) 垂直手臂的下降当水平伸缩气缸A伸出到指定位置时，就会碰到前限开关，使三位四通电磁换向阀10的1YA断电，手臂伸出动作会停止。经时间继电器延时，小臂下降按钮接通，使三位四通电磁换向阀11的3YA得电，阀11的阀芯右移，执行小臂的下降动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11左端单向调速阀17气缸B的无杆腔。排气路线：气缸B的有杆腔单向调速阀18三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。(4) 吸物 小臂气缸下降到指定位置时，撞到下限位开关，使三位四通电磁换向阀11的3YA断电，小臂下降动作停止。经时间继电器延时，二位二通电磁阀13的7YA得电，真空发生器22开始动作，经真空开关24检测真空度，并发出讯号给控制器，真空吸盘26将物料吸起。这时的气路是： 进气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀13真空发生器22过滤器25吸盘26。 排气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀13 真空发生器22消声器21。 (5)垂直手臂的上升 经传感器检测到物料已经被吸起时，发出讯号，使三位四通电磁阀11的电磁铁4YA得电，阀11的阀芯左移，执行小臂的上升动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11右端单向调速阀18气缸B的有杆腔。排气路线：气缸B的无杆腔单向调速阀17三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。(6)水平手臂的回缩 小臂气缸上升到指定位置时，撞到上限位开关，使三位四通电磁阀11的电磁铁4YA断电，小臂上升动作停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀10的电磁铁2YA得电，阀10的阀芯左移，执行水平手臂的回缩动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀10右端单向调速阀16气缸A的有杆腔。排气路线：气缸A的无杆腔单向调速阀15三位四通电磁换向阀10的排气口调速阀4消声器5排出。(7)摆动气缸的左旋 水平手臂气缸回缩到指定位置时，撞到后限位开关，使三位四通电磁阀10的电磁铁4YA断电，水平手臂的回缩动作停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀12的电磁铁6YA得电，阀12的阀芯左移，执行摆动气缸的向左旋转动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀12右端单向调速阀20摆动气缸C的E口。排气路线：摆动气缸C的D口单向调速阀19三位四通电磁换向阀12排气口调速阀8消声器9排出。(8)垂直手臂的下降 摆动气缸左旋到指定位置（90度），撞到左转限位开关，使三位四通电磁阀12的电磁铁6YA断电，摆动气缸的左旋运动停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀11的电磁铁3YA得电，阀11的阀芯右移，执行小臂的下降运动。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11左端单向调速阀17气缸B的无杆腔。排气路线：气缸B的有杆腔单向调速阀18三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。(9)放物 小臂气缸下降到指定位置时，撞到下限位开关，使三位四通电磁阀11的电磁铁3YA断电，垂直手臂的下降运动停止。经时间继电器延时，使二位二通电磁13断电，二位二通电磁阀14通电，真空发生器停止运动，真空消失，压缩空气进入吸盘26，将物料与吸盘吹开，这时气路为：进气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀14调速阀23过滤器25吸盘26。排气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀14调速阀23过滤器25吸盘26。(10) 垂直手臂的上升经传感器检测到物料已脱离吸盘，发出讯号，经时间继电器延时，使三位四通电磁阀11的4YA得电，阀11的右位接入工作，执行垂直手臂的上升动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11右端单向调速阀18气缸B的有杆腔。排气路线：气缸B的无杆腔单向调速阀17三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。 (11)回到初始位置 垂直手臂上升到指定位置，撞到上限位开关，接通复位按钮，回到初始位置，重复以上动作。第四章 控制系统的分析设计机械手控制系统的设计是整个机械手设计的关键和核心。它在结构和功能上的合理划分与巧妙实现，对提高机械手整体可靠性、实用性具有重要的意义，同时也是降低制造成本、缩短开发周期的有效途径。为此本章在分析了当前机械手广泛采用的控制器结构及PLC的发展之后，提出了采用PLC的控制方法。4.1 控制系统的组成结构机械手的控制系统一般是使机械手运动协调为目的，包括高性能的计算机及相应的系统硬件和控制软件。机械手的控制部分可分为4个部分：机械手及其感知器、环境、任务、控制器。机械手是由各种机构组成的装置，它通过感知器的内部传感器实现本体和环境状态的检测和信息交互；环境即指机械手所处的周围环境；任务是指机械手要完成的操作，它需要适当的程序语言描述，并把它们存入控制机中，随着系统的不同，任务的输入可能是程序方式，或文字、图形或声音方式；控制器包括软件和硬件两大部分，相当于机械手的大脑，它以计算机或专用控制器运行程序的方式来完成给定的任务。控制系统的硬件一般包括3个部分：(1) 感知部分 用来收集机械手的内部和外部的信息，如位置、速度、加速度传感器可接受机械手的本体状态，而视觉、触觉、力觉等传感器可感受机械手的工作环境的外部状态。(2) 控制装置 用来处理各种信息，完成控制过程，产生必要的控制指令，它包括计算机相应的接口等。(3) 驱动部分 为了使机械手完成操作及移动功能，机械手各关节可选用气动、液动、电气等方式驱动。4.2 控制系统的性能要求对于一般的控制系统有以下控制的要求：(1) 稳定性 稳定性是系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏离平衡点恢复到原平衡点状态的能力。稳定性是一般自动控制必须满足的基本要求，对稳定性的研究是自动化控制系统中的一个基本问题。 (2) 过渡过程性能 描述过渡过程性能可以用平衡性和快速性加以衡量，平衡性指系统由初始状态运动到新的平衡状态时具有较小的超调和震荡性；系统由初始状态运动到新的平衡状态经历的时间表示系统过渡过程的快速程度。(3) 稳态误差 稳态误差是在过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。控制系统的稳态误差越小，说明控制精度越高。因此，稳态误差是衡量控制系统性能好坏的一项重要指标，控制系统设计的任务之一就是在兼顾其他性能指标的情况下，使稳态误差尽可能小或者小于某个允许的限制值。4.3 传感器的选择 传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。根据本设计的要求需要对位置检测装置、滑觉传感器、视觉传感器进行选用。位置检测装置检测机械手动作是否到位，滑觉传感器是判别物料是否被稳定吸住，视觉传感器是为了完成机械手对物料的识别。4.3.1 位置检测装置在本设计中，当机械手执行左旋/右旋，前伸/回缩，上升/下降等动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。本设计中采用直线接触式行程开关检测机械手动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。4.3.2 滑觉传感器机械手吸取物体时按吸力的大小可分为硬吸取和软吸取。硬吸取是吸盘用最大的吸力吸取物体，以保证可靠性；软吸取方式是吸盘使吸力保持在能稳固吸取物体的最小值，以避免损伤物件。软吸取时吸力不够时被吸物体会产生滑动，滑觉传感器就是为了检测滑动而设计的，可以检测垂直于吸物方向物体的位移、由重力引起的变形，以达到修正吸力，防止吸取物的滑动。滑动传感器主要用于检测物体接触面直接的相对运动的大小和方向，判断是否吸住物体以及应用多大的吸力等。4.3.3 视觉传感器 机械手视觉的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能够对不同的物体进行识别，本机械手采用颜色传感器，根据不同物料有不同的颜色，可以针对一种颜色的