机械设计制造及其自动化专业毕业论文--基于plc的物料分拣机械手自动化控制系统设计

机械设计制造及其自动化专业毕业论文基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计目录目录I摘要IVABSTRACTV第一章前言111研究的目的及意义112机械手在国内外现状和发展趋势113主要研究的内容214解决的关键问题3第二章执行系统的分析与选择421执行机构坐标形式的选择422执行机构的组成623执行机构各部分的分析与选择6COM手部的选择6COM手臂结构的选择8COM机座结构的选择924执行机构的工作原理1025执行机构简图10第三章驱动系统的分析与选择1231驱动系统的分析与选择1232机械手驱动系统的控制设计1333气动元件选取及工作原理14COM气源装置14COM执行元件15COM控制元件16COM辅助元件17COM真空发生器18COM吸盘1834气动回路的工作原理18第四章控制系统的分析设计2241控制系统的组成结构2242控制系统的性能要求2243传感器的选择23COM位置检测装置23COM滑觉传感器23COM视觉传感器2444控制系统PLC的选型及控制原理25COMPLC控制系统设计的基本原则25COMPLC种类及型号选择30COMIO点数分配30COMPLC外部接线图32COM机械手控制原理3245PLC程序设计34COM总体程序框图34COM初始化及报警程序36COM手动控制程序37COM自动控制程序39第五章总结与展望42参考文献43致谢44附录45摘要机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色它可以搬运货物分拣物品代替人的繁重劳动可以实现生产的机械化和自动化能在有害环境下操作以保护人身安全因此被广泛应用于机械制造冶金电子轻工和原子能等部门本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上结合机械手方面的设计对机械手技术进行了系统的分析提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案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对物料分拣机械手的整体结构执行结构驱动系统和控制系统进行了分析和设计在其驱动系统中采用气动驱动控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化机械手的移动故障报警等功能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高可靠型物料分拣机械手的设计方案对其他经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值关键词机械手气动控制可编程控制器PLC自动化控制物料分拣ABSTRACTMANIPULATORPLAYSANEXTREMELYIMPORTANTROLEINTHEFIELDOFADVANCEDMANUFACTURINGITCANCARRYGOODSSORTMATERIALSANDDOHEAVYWORKSINSTEADOFTHEHUMANBEINGITALSOCANREALIZEMECHANIZATIONANDAUTOMATIONOFTHEPRODUCTIONDOTHEJOBSINHARMFULENVIRONMENTTOPROTECTTHEPERSONALSAFETYSOITISWIDELYUSEDINMETALLURGYMACHINERYMANUFACTURINGELECTRONICSLIGHTINDUSTRYANDATOMICENERGYETCINTHISPAPERBYREVIEWINGTHEDEVELOPMENTALSTATUSOFTHEMANIPULATORINRECENTYEARSCOMBININGTHEDESIGNOFMANIPULATORANDSYSTEMATICANALYZINGTECHNOLOGYOFTHEMANIPULATORWEPROPOSEDTHEDESIGNSCHEMETHATTHEMANIPULATORWASDRIVENBYTHEPNEUMATICANDTHESYSTEMWASCONTROLLEDBYPLCINTEGRATIVEIDEAWASADOPTEDINTHISDESIGNTOFULLYCONSIDERTHECHARACTERISTICSOFTHESOFTWAREANDHARDWAREANDCOMPLEMENTARYOPTIMIZATIONWEANALYZEDANDDESIGNEDTHEOVERALLSTRUCTURETHEIMPLEMENTATIONOFSTRUCTURALDRIVINGSYSTEMANDCONTROLSYSTEMOFTHEMANIPULATORWEUSEDPNEUMATICDRIVENINTHEDRIVINGSYSTEMPLCCONTROLUNITINTHECONTROLSYSTEMTOCOMPLETEINITIALIZATIONOFTHESYSTEMMANIPULATORSMOVINGFAILUREALARMANDSOONFINALLYWEPUTFORWARDACONTROLSTRATEGYWHICHISSIMPLEEASYTOREALIZEANDCLEARTHEORETICALSIGNIFICANCETHROUGHTHEWORKABOVEAPRACTICALECONOMICALHIGHRELIABILITYSORTINGMATERIALMANIPULATORWASDESIGNEDWHICHALSOHADCERTAINREFERENCEVALUEFORTHEOTHERTYPESOFECONOMICALPLCCONTROLSYSTEMDESIGNKEYWORDSMANIPULATORPNEUMATICDRIVENPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCAUTOMATICCONTROLSORTINGMATERIALS第一章前言11研究的目的及意义机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要可以大量代替单调往复或高精度需求的工作在先进制造领域中扮演着极其重要的角色它可以搬运货物分拣物品代替人的繁重劳动可以实现生产的机械化和自动化能在高温腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全可以广泛应用于机械制造冶金电子轻工业和原子能等部门随着工业的高速发展机械手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可以搬运货物分拣物品用以代替人的繁重及单调劳动实现生产的机械化和自动化并能在高温腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全被广泛应用于机械制造冶金电子轻工业和原子能等部门可编程控制器PLC是以中央处理器为核心综合了计算机和自动控制等先进技术具有可靠性高功能完善组合灵活编程简单功耗低等优点已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式使用PLC的自动控制系统具有体积小可靠高故障率低动作精度高等优点适应工业需要本课题试图开发PLC对物料分拣机械手的控制并借助必要的精密传感器使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣动作灵活多样适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产广泛应用于柔性生产线采用PLC控制是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时可以允许方便的改动或重新设计其新部件而对于位置改变时只要重新编程并能很快地投产降低安装和转换工作的费用本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计主要包括执行系统驱动系统和控制系统的设计12机械手在国内外现状和发展趋势机械手最早应用在汽车制造工业常用于焊接喷漆上下料和搬运机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能它可替代人从事危险有害有毒低温和高热等恶劣环境中的工作代替人完成繁重单调重复劳动提高劳动生产率保证产品质量目前主要应用于制造业中特别是电器制造汽车制造塑料加工通用机械制造及金属加工等工业工业机械手与数控加工中心自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统FMS和计算机集成制造系统实现生产自动化随着生产的发展功能和性能的不断改善和提高机械手的应用领域日益扩大目前国际上的机械手公司主要分为日系和欧系日系中主要有安川OTC松下FANLUC不二越川崎等公司的产品欧系中主要有德国的KUKACLOOS瑞典的ABB意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司我国机械手起步于20世纪70年代初期经过30多年发展大致经历了3个阶段70年代萌芽期80年代的开发期和90年代的应用化期在我国机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着在国际强手面前国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力如今我国正从一个制造大国向制造强国迈进中国制造业面临着与国际接轨参与国际分工的巨大挑战对我国工业自动化的提高迫在眉睫政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持将会给机械手产业发展注入新的动力随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高机械手已在众多领域得到了应用从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸如采矿机器人建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等在国防军事医疗卫生食品加工生活服务等领域机械手的应用也越来越多在未来几年传感技术激光技术工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域这些技术会使机械手的应用更为高效高质运行成本低据猜测今后机器人将在医疗保健生物技术和产业教育救灾海洋开发机器维修交通运输和农业水产等领域得到应用13主要研究的内容随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化不仅要求其控制可靠性强使用灵活性高和操作灵活性好还要其成本低可开发经济性强本论文主要研究物料分拣机械手以下几个方面的内容物料分拣机械手执行系统的分析与选择执行系统是由传动部件与机械构件组成是机械手赖以实现各种运动的实体主要包括机身手臂末端执行器3部分组成其中每一部分都可以具有若干的自由度执行系统的设计主要是对机械手的手部手臂和机座进行设计物料分拣机械手驱动系统的分析与选择驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置通过对液压气压电气三种驱动方式的比较本设计选择气压驱动的方式内容包括气动元件的选择及其工作原理气动回路的设计和气动原理图的绘制物料分拣机械手控制系统的设计控制系统是机械手的指挥系统它控制驱动系统让执行系统按规定的要求和时序进行工作本机械手采用可编程控制器PLC对机械手进行控制主要包括对PLC的型号选择传感器类型进行选择IO口的选择对控制系统原理图自动程序梯形图的绘制等内容14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XYZ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XYZ三个直线运动方向上个具有ABC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22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手部是机械手直接握持工件或工具的部分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立柱支承手臂并带动它升降摆动和移动的机构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23执行机构各部分的分析与选择COM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手指应有一定的开闭范围手指应具有适当的夹紧力要保证工件在手指内的定位精度结构紧凑重量轻效率高通用性和可换性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21所示图21吸盘机构图COM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手臂的组成动作元件如油缸汽缸齿条凸轮等是驱动手臂运动的部件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手臂起着连接和承受外力的作用2手臂设计的要求手臂承载能力大刚性好自重轻手臂的运动速度要适当惯性要小手臂的动作要灵活位置精度要高通用性要强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COM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22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22机座结构图24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22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23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23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31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1015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31给出了各种控制方式的比较表31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32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31所示图31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33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COM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要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量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COM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COM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COM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COM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COM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34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215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2610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41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42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43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COM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COM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COM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物料进行拣出目前用于颜色识别的传感器有两种基本类型1色标传感器它使用一个白炽灯光源或单色LED光源2RGB红绿蓝颜色传感器它检测物体的对三基色的反射比率从而鉴别物体颜色这类装置许多是温反射型光束型光纤型的封装在各种金属和聚碳酸脂外壳中典型的输出有NPN和PNP继电器和模拟输出1颜色传感器的类型比较1光到光电流转换器光到光电流转换器由光电二极管或具有色彩滤波器的光电二极管组成将光转换成光电流可以使用外部电路将光电流转换成一定比例的电压输出然后可以通过模拟数字转换器将电压转换成数字格式输送到微控制器中优点设计灵活可以针对各个应用订制放大器的增益和带宽及模拟数字转换器的速度和分辨率缺点增加了组装成本提高了设计复杂程度光到光电流转换器适合要求响应时间短定制增益和速度调节及在光线变化条件下工作的应用2光到模拟电压转换器光到模拟电压转换器由搭配色彩滤波器的光电二极管阵列组成并整合一个跨阻抗放大器要求使用外部电路将模拟电压转换成数字输出然后才能输送到数字信号处理器优点简化外设电路设计改善空间利用效率降低组装成本缺点响应时间预先由内置电流到电压转换器确定如跨阻抗放大器要求额外的模拟数字转换器将电压输出转换成数字格式光到模拟电压转换器适合要求设计周期较短产品开发周期更快光线条件和空间利用率设计精良的应用3光到数字电压转换器光到数字电压转换器由搭配RGB滤波器的光电二极管阵列模似数字转换器及用于通信和灵敏度控制的数字核心组成输出允许直接接口微控制器或其它逻辑控制通路如2线串行接口以进一步处理信号而不需额外的器件优点提供抗噪声干扰能力简化外围电路设计改善空间利用率降低组装成本缺点只通过2线串行接口模块提供到微控制器或PC的直接接口响应时间由内置模拟电路和数字电路预先确定预先确定模拟数字转换分辨率光到数字转换器适合要求抗噪声能力缩短设计周期加快产品开发周期及光线条件和空间利用率设计精良的应用2传感器选择根据前面的介绍和比较为了便于PCL控制程序的编写利于公司企业的经济效益综合其各种情况在本设计选择RGB颜色传感器着为识别物料颜色的装置继电器输出方式便于PLC控制系统的简单化控制系统更容易实现44控制系统PLC的选型及控制原理COMPLC控制系统设计的基本原则一PLC机型的选择PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠维护方便的前提下力争最佳的性能价格比选择时主要考虑以下几点1确定合理的结构型式PLC主要有整体式和模块式两种结构型式整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜且体积相对较小一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中而模块式PLC的功能扩展灵活方便在IO点数输入点数与输出点数的比例IO模块的种类等方面选择余地大且维修方便一般于较复杂的控制系统考虑此系统控制比较简单应用于小批量的生产线故此选择整体试PLC的结构形式较为合适2确定合理的安装方式PLC系统的安装方式分为集中式远程IO式以及多台PLC联网的分布式集中式不需要设置驱动远程IO硬件系统反应快成本低远程IO式适用于大型系统系统的装置分布范围很广远程IO可以分散安装在现场装置附近连线短但需要增设驱动器和远程IO电源多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制又要相互联系的场合可以选用小型PLC但必须要附加通讯模块在工厂小批量生产中降低成本是很重要的所以此系统选择集中试的安装方式3满足相应的功能要求一般小型低档PLC具有逻辑运算定时计数等功能对于只需要开关量控制的设备都可满足对于以开关量控制为主带少量模拟量控制的系统可选用能带AD和DA转换单元具有加减算术运算数据传送功能的增强型低档PLC对于控制较复杂要求实现PID运算闭环控制通信联网等功能可视控制规模大小及复杂程度选用中档或高档PLC但是中高档PLC价格较贵一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合此系统只需用开关量控制选用一般小型PLC即可4满足响应速度要求PLC是为工业自动化设计的通用控制器不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要如果要跨范围使用PLC或者某些功能或信号有特殊的速度要求时则应该慎重考虑PLC的响应速度可选用具有高速IO处理功能的PLC或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等本系统不需要跨范围使用PLC对某些功能或信号也没有特殊的速度要求不需要选用具有高速IO处理功能的PLC5满足系统可靠性要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足对可靠性要求很高的系统应考虑是否采用冗余系统或热备用系统本系统选用一般系统PLC能够满足要求不需要考虑太多此方面的问题6机型尽量统一一个企业应尽量做到PLC的机型统一以保证其模块可互为备用便于备品备件的采购和管理有利于技术力量的培训和技术水平的提高其外部设备可以通用资源可共享易于联网通信配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统本课题的要求不高不需要考虑配备上位计算机但为了方便采购和管理等我们还是要求机型要统一二确定PLC的容量PLC的容量包括IO点数和用户存储容量两个方面1确定系统的实际输入点数系统由启动按钮SB1停止按钮SB2急停按钮SB3手臂复位按纽SB4颜色传感器ST1左旋极限传感器ST2右旋极限传感器ST3上升限位传感器ST4下降限位传感器ST5手臂缩回限位传感器ST6手臂伸出限位传感器ST7超上升限位传感器ST8超下降限位传感器ST9超左旋限位传感器ST10超右旋限位传感器ST11超伸出限位传感器ST12超缩回限位传感器ST13工件检测传感器PS1系统的自动手动控制开关SA以及手动的升降左右旋转伸缩吸放按钮SB5SB12作为个输入继电器的外部控制点共有28个输入点2确定系统的实际输出点数系统有手臂左旋右旋伸出缩回上升下降吸物放物的电磁阀动作报警指示灯原位指示灯及自动手动指示灯工作一共12个输出点3确定应选择PLC的点数PLC平均的IO点的价格还比较高因此应该合理选用PLC的IO点的数量在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少但必须留有