物料分揀機(jī)械手自動化控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

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1、江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告） ?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 設(shè)計題目：基于基于 PLC 的物料分的物料分揀揀機(jī)械手自機(jī)械手自動動化控制系化控制系統(tǒng)設(shè)計統(tǒng)設(shè)計 系 部：電電氣工程系氣工程系 專 業(yè)：電電氣自氣自動動化（工化（工業(yè)業(yè)企企業(yè)業(yè)） ） 班 級：工企工企 091301 姓 名：紀(jì)軍紀(jì)軍 學(xué) 號： ：093905130115 指導(dǎo)教師：季明季明麗麗 職 稱 副教授副教授 2012 年 6 月 南京 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告） 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。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械 化、自動化已成

2、為突出的主題，機(jī)械手是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種 新型裝置。它可在空間抓、放、分揀物品、搬運(yùn)物體等，動作靈活多樣，能在有害環(huán)境 下操作以保護(hù)人身安全，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)。 本文在近年來機(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，對機(jī)械手技術(shù)進(jìn) 行了系統(tǒng)的分析，提出了用氣動驅(qū)動和 PLC 控制的設(shè)計方案。采用整體化的設(shè)計思想， 充分考慮了軟、硬件各自的特點并進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化。對物料分揀機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行 結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)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(jī)械手的移動、故障報警等功能。 最后

3、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(jì)型、實用型、高可靠型物料分揀機(jī)械手的設(shè)計方 案，對其他經(jīng)濟(jì)型 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計也有一定的借鑒價值。 關(guān)鍵詞: 機(jī)械手 氣動控制 可編程控制器（PLC） 自動化控制 物料分揀 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆專科生畢業(yè)設(shè)計（論文、專題報告） Abstract Mechanical hand in the field of advanced manufacturing plays an extremely important role in. In modern industry, the productio

4、n process of mechanization, automation has become a prominent theme, mechanical hand is in the mechanization, automation production process to develop a new device. It can catch, put goods, sorting, handling objects, flexible, can operate under the hostile environment to protect the personal safety,

5、 widely used in industrial production and other fields. In this paper,by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by

6、 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 hardware and complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and con

7、trol 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, manipulators moving, failure alarm and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoret

8、ical significance. Through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design. Key words: manipulator pneumatic-driven programmable logic controller (P

9、LC) automatic control sorting materials 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆專科生畢業(yè)設(shè)計（論文、專題報告） 目目 錄錄 1 1 引言引言 .1 1.1 研究的目的及意義 1 1.2 主要研究的內(nèi)容 1 1.3 解決的關(guān)鍵問題 2 2 2 執(zhí)行系統(tǒng)的分析執(zhí)行系統(tǒng)的分析 .2 2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 2 2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理 3 3 3 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 .3 3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 3 3.2 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)原理 4 4 4 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計控制系統(tǒng)的分析設(shè)計 .8 4.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 8 4.2 控制系統(tǒng) P

10、LC 的選型及控制原理 9 4.3 PLC 程序設(shè)計13 結(jié)結(jié) 論論 .17 致致 謝謝 .18 參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn) 19 附附 錄錄20 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 1 頁 1 1 引言引言 1.11.1 研究的目的及意義研究的目的及意義 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè) 機(jī)器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和 性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性 和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手現(xiàn)已得 到許

11、多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。 可編程控制器(PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計算機(jī)和自動控制等先進(jìn)技術(shù)， 具有可靠性高、功能完善、結(jié)構(gòu)靈活、編程簡單、范圍廣、低成本等優(yōu)點，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。 本課題試圖開發(fā)PLC對物料分揀機(jī)械手的控制，使其能夠?qū)Σ煌奈锪习搭A(yù)先設(shè)定的 程序進(jìn)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(yīng) 用于柔性生產(chǎn)線。采用PLC控制，是一種預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)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(jìn)行單調(diào)持久的作

12、業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時需要 對機(jī)械手進(jìn)行新的分配任務(wù)時，可以允許方便的改動或重新設(shè)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(fèi)用。 1.21.2 主要研究的內(nèi)容主要研究的內(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)械手以下幾個方面的內(nèi)容： 1 物料分揀機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析 執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件與機(jī)械構(gòu)件組成，是機(jī)械手賴以實現(xiàn)各種運(yùn)動的實體。內(nèi)容 主要了解執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成以及其工作原理。 2 物料分揀機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 驅(qū)動系

13、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(shè)計選擇氣壓驅(qū)動的方式。內(nèi)容包括驅(qū)動系統(tǒng)工作原理圖的介紹、物料 分揀機(jī)械手的工作循環(huán)簡易流程和氣動回路的工作原理。 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 2 頁 3 物料分揀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計 控制系統(tǒng)是機(jī)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(jìn)行工作。本機(jī)械手采用可編程控制器（PLC）對機(jī)械手進(jìn)行控制，主要包括對PLC的 I/O口的選擇、PLC的型號選擇、對控制系統(tǒng)原理圖、自動程序梯形圖的繪制等內(nèi)容。 1.31.3 解決的關(guān)鍵問題解決的關(guān)鍵問題 1 解決

14、機(jī)械手驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題，要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、具有一定的代表性。 2 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，PLC的I/O點的合理分配，并解 決工件和控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。 3 元件的匹配規(guī)則及其表達(dá)形式。 4 驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理。 2 2 執(zhí)行系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)的分析分析 機(jī)器手的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是機(jī)械手能實現(xiàn)各種運(yùn)動必不可缺的結(jié)構(gòu)。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。 2.12.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成執(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)械手用來支持腕部與手部實現(xiàn)較大的運(yùn)動范圍的部件。 3 立柱 支

15、承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機(jī)構(gòu)。 4 機(jī)座 是機(jī)械手用來支撐臂部，并安裝驅(qū)動裝置及其他裝置的部分。 機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，如圖 1 所示 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 3 頁 圖 1 機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 2.22.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理執(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)座采用擺動氣缸進(jìn)行驅(qū)動，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動。機(jī) 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(jié)構(gòu)原理如圖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

16、 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)械手的動作在整個過 程中都是連續(xù)可循環(huán)的。 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖，如圖 2 所示。 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 4 頁 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 前伸限位開關(guān) 5 上升限位開關(guān) 6 下降限位開關(guān) 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 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖 3 3 驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇分析與選擇 機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的傳動裝置。機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)動力源 的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)械、氣液聯(lián)合

17、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)動方式。 3.13.1 驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇分析與選擇 液壓驅(qū)動，功率重量比大，可實現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實現(xiàn)過載保護(hù)，可 自行潤滑，使用壽命長。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，控制精度高，驅(qū)動力較大，響應(yīng)快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是 由于這種驅(qū)動方式價格昂貴，限制了在一些場合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì) 適用的驅(qū)動方式。 氣壓驅(qū)動具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)、在工業(yè) 機(jī)械手中應(yīng)用較多。另一方面，氣動技術(shù)作為“廉價的自動化技

18、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。 表 1 給出了各種控制方式的比較： 表 1 各種控制方式的比較 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 5 頁 項目氣壓傳動液壓傳動電氣傳動機(jī)械傳動 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜復(fù)雜較復(fù)雜 安裝自由度大大中小 輸出力稍大大小不太大 定位精度一般一般很高高 動作速度大稍大大小 響應(yīng)速度慢快快中 清潔度清潔可能有污染清潔較清潔 維護(hù)簡單比氣動復(fù)雜 需要專門技 術(shù) 簡單 價格一般稍高高一般 技術(shù)要求較低較高最高最低 控制自由度大大中小 危險性幾乎沒問題注意著火一般無問題無特殊問題 通過以上三

19、種驅(qū)動方式的比較選用氣動驅(qū)動的方式，不僅能夠滿足了本設(shè)計的要求， 而且節(jié)約了成本。 3.23.2 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)原理原理 3.2.1 氣動驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 根據(jù)物料分揀機(jī)械手的要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動方式主要有兩種：（1）直線 運(yùn)動（缸體固定，活塞桿運(yùn)動） ；（2）擺動（缸體固定） 。其氣動驅(qū)動系統(tǒng)原理圖如圖 3 所示。 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆專科生畢業(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 6 頁 圖 3 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 氣動系統(tǒng)包括三個三位四通電磁換向閥、兩個二位二通電磁閥、三個氣缸、一個吸 盤、四個調(diào)速閥、六個單向調(diào)速閥、消聲器（若干）等。圖中的調(diào)速閥控制氣缸上升和 下降、

20、伸長和縮短、擺動過程中的速度，防止速度過大對物料及機(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，其主要功能是實現(xiàn)對物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動作是由二位二通 電磁閥控制的。 3.2.2 氣動回路的工作原理 物料分揀機(jī)械手的工作循環(huán)是：擺動氣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縮回擺動氣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。系統(tǒng)中選用電磁換向閥，限位開關(guān)，實現(xiàn)氣缸的 往復(fù)運(yùn)動。二位二通電磁閥實現(xiàn)吸盤的吸物和放物。實現(xiàn)工作循環(huán)的工作原理如下： 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？?/p>

21、生畢業(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 7 頁 1 擺動氣缸的右旋 按下啟動按鈕，右旋按鈕接通，使三位四通電磁換向閥 12 的 5YA 得電，閥 12 的閥 芯右移，擺動氣缸會執(zhí)行右旋的命令。這時的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲氣罐 3三位四通電磁換向閥 12 左端單向調(diào)速閥 19擺動氣缸 C 的 D 口。 排氣路線：擺動氣缸 C 的 E 口單向調(diào)速閥 20三位四通電磁換向閥 12 排氣口調(diào) 速閥 8消聲器 9排出。 2 水平氣缸的伸出 當(dāng)擺動氣缸 C 右旋到指定位置時（90 度） ，就會碰到右旋限位開關(guān)，使二位五通電磁 換向閥 12 的 5YA 斷電，擺動氣缸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動會停止，經(jīng)時間繼電器延時

22、，使三位四通電磁 換向閥 10 的 1YA 得電，閥 10 的閥芯右移，執(zhí)行手臂前伸動作。這時的氣路是: 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲氣罐 3三位四通電磁換向閥 10 左端單向調(diào)速閥 15氣缸 A 的無桿腔。 排氣路線：氣缸 A 的有桿腔單向調(diào)速閥 16三位四通電磁換向閥 10 的排氣口調(diào) 速閥 4消聲器 5排出。 3 垂直手臂的下降 當(dāng)水平伸縮氣缸 A 伸出到指定位置時，就會碰到前限開關(guān)，使三位四通電磁換向閥 10 的 1YA 斷電，手臂伸出動作會停止。經(jīng)時間繼電器延時，小臂下降按鈕接通，使三位 四通電磁換向閥 11 的 3YA 得電，閥 11 的閥芯右移，執(zhí)行小臂的下降動作。這時的氣路 是

23、： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲氣罐 3三位四通電磁換向閥 11 左端單向調(diào)速閥 17氣缸 B 的無桿腔。 排氣路線：氣缸 B 的有桿腔單向調(diào)速閥 18三位四通電磁換向閥 11 的排氣口調(diào) 速閥 6消聲器 7排出。 4 吸物 小臂氣缸下降到指定位置時，撞到下限位開關(guān)，使三位四通電磁換向閥 11 的 3YA 斷 電，小臂下降動作停止。經(jīng)時間繼電器延時，二位二通電磁閥 13 的 7YA 得電，真空發(fā)生 器 22 開始動作，經(jīng)真空開關(guān) 24 檢測真空度，并發(fā)出訊號給控制器，真空吸盤 26 將物料 吸起。這時的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲氣罐 3二位二通電磁閥 13真空發(fā)生器 22過濾 器

24、25吸盤 26。 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 8 頁 排氣路線：2 空氣處理單元儲氣罐 3二位二通電磁閥 13 真空發(fā)生器 22消聲 器 21。 5 垂直手臂的上升 經(jīng)傳感器檢測到物料已經(jīng)被吸起時，發(fā)出訊號，使三位四通電磁閥 11 的電磁鐵 4YA 得電，閥 11 的閥芯左移，執(zhí)行小臂的上升動作。這時的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲氣罐 3三位四通電磁換向閥 11 右端單向調(diào)速閥 18氣缸 B 的有桿腔。 排氣路線：氣缸 B 的無桿腔單向調(diào)速閥 17三位四通電磁換向閥 11 的排氣口調(diào) 速閥 6消聲器 7排出。 6 水平手臂的回縮 小臂氣缸上升

25、到指定位置時，撞到上限位開關(guān)，使三位四通電磁閥 11 的電磁鐵 4YA 斷電，小臂上升動作停止。經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁閥 10 的電磁鐵 2YA 得電， 閥 10 的閥芯左移，執(zhí)行水平手臂的回縮動作。這時的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲氣罐 3三位四通電磁換向閥 10 右端單向調(diào)速閥 16氣缸 A 的有桿腔。 排氣路線：氣缸 A 的無桿腔單向調(diào)速閥 15三位四通電磁換向閥 10 的排氣口調(diào) 速閥 4消聲器 5排出。 7 擺動氣缸的左旋 水平手臂氣缸回縮到指定位置時，撞到后限位開關(guān)，使三位四通電磁閥 10 的電磁鐵 4YA 斷電，水平手臂的回縮動作停止。經(jīng)時間繼電器延時，使三位

26、四通電磁閥 12 的電磁 鐵 6YA 得電，閥 12 的閥芯左移，執(zhí)行擺動氣缸的向左旋轉(zhuǎn)動作。這時的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲氣罐 3三位四通電磁換向閥 12 右端單向調(diào)速閥 20擺動氣缸 C 的 E 口。 排氣路線：擺動氣缸 C 的 D 口單向調(diào)速閥 19三位四通電磁換向閥 12 排氣口調(diào) 速閥 8消聲器 9排出。 8 垂直手臂的下降 擺動氣缸左旋到指定位置（90 度） ，撞到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)，使三位四通電磁閥 12 的電 磁鐵 6YA 斷電，擺動氣缸的左旋運(yùn)動停止。經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁閥 11 的 電磁鐵 3YA 得電，閥 11 的閥芯右移，執(zhí)行小臂的下降運(yùn)動。這時的氣

27、路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲氣罐 3三位四通電磁換向閥 11 左端單向調(diào)速閥 17氣缸 B 的無桿腔。 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 9 頁 排氣路線：氣缸 B 的有桿腔單向調(diào)速閥 18三位四通電磁換向閥 11 的排氣口調(diào) 速閥 6消聲器 7排出。 9 放物 小臂氣缸下降到指定位置時，撞到下限位開關(guān)，使三位四通電磁閥 11 的電磁鐵 3YA 斷電，垂直手臂的下降運(yùn)動停止。經(jīng)時間繼電器延時，使二位二通電磁 13 斷電，二位二 通電磁閥 14 通電，真空發(fā)生器停止運(yùn)動，真空消失，壓縮空氣進(jìn)入吸盤 26，將物料與吸 盤吹開，這時氣路為： 進(jìn)氣路線：2

28、空氣處理單元儲氣罐 3二位二通電磁閥 14調(diào)速閥 23過濾器 25吸盤 26。 排氣路線：2 空氣處理單元儲氣罐 3二位二通電磁閥 14調(diào)速閥 23過濾器 25吸盤 26。 10 垂直手臂的上升 經(jīng)傳感器檢測到物料已脫離吸盤，發(fā)出訊號，經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁 閥 11 的 4YA 得電，閥 11 的右位接入工作，執(zhí)行垂直手臂的上升動作。這時的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲氣罐 3三位四通電磁換向閥 11 右端單向調(diào)速閥 18氣缸 B 的有桿腔。 排氣路線：氣缸 B 的無桿腔單向調(diào)速閥 17三位四通電磁換向閥 11 的排氣口調(diào) 速閥 6消聲器 7排出。 12 回到初始位置 垂直

29、手臂上升到指定位置，撞到上限位開關(guān)，接通復(fù)位按鈕，回到初始位置，重復(fù) 以上動作。 4 4 控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的分析設(shè)計分析設(shè)計 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計是整個機(jī)械手設(shè)計的關(guān)鍵和核心。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理 劃分與巧妙實現(xiàn)，對提高機(jī)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(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。 4.14.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般是使機(jī)械手運(yùn)動協(xié)調(diào)為目的，包括高性能的計算機(jī)及相應(yīng)的 系統(tǒng)硬件和控制軟件。機(jī)械手的控制部分主要由機(jī)械手的結(jié)構(gòu)裝

30、置、操作任務(wù)和控制器 所構(gòu)成。機(jī)械手是由各種機(jī)構(gòu)組成的裝置，通過內(nèi)部傳感器實現(xiàn)本體和所處周圍環(huán)境狀 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 10 頁 態(tài)的檢測和信息交互。其要完成的操作任務(wù)，需要適當(dāng)?shù)某绦蛘Z言描述，并把它們存入 控制機(jī)中，隨著系統(tǒng)的不同，任務(wù)的輸入可能是程序方式，或文字、圖形或聲音方式。 機(jī)械手的控制器包括軟件和硬件兩大部分，相當(dāng)于機(jī)械手的大腦，它以計算機(jī)或?qū)Ｓ每?制器運(yùn)行程序的方式來完成給定的任務(wù)。 4.24.2 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) PLCPLC 的選型及控制原理的選型及控制原理 4.2.1 PLC 概況 可編程序控制器，簡稱為 PLC（progr

31、ammable logic controller） ，它是以微處理器 為基礎(chǔ)，綜合了計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通 信網(wǎng)絡(luò)技 發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力 等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。而 PLC 也正以其抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、 功耗低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于類似機(jī)械手的控制動作復(fù)雜的場合，本設(shè)計正 是以 PLC 控制為基礎(chǔ)從而實現(xiàn)機(jī)械手的各種運(yùn)動。 4.2.2 PLC 種類及型號選擇 PLC 種類較多，目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱、OMRON 的 PLC。根據(jù)本設(shè) 計需要的 PLC 點數(shù)：實際輸

32、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，可知 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，程序執(zhí)行更快，全面補(bǔ)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特殊功能模塊，它可以為工廠自動化控制 應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力，且其性能、價格都優(yōu)于其他 PLC，因而本系統(tǒng)可選擇 PLC 型號為：FX2N64MR001。該型號 PLC 有 32 個

33、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。 4.2.3 I/O 點數(shù)分配 根據(jù)機(jī)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 2 表 3 所示： 表 2 機(jī)械手控制輸入點分配表 輸入設(shè)備輸入點號輸入設(shè)備輸入點號 啟動按鈕 SB1 X000 手動下降按鈕 SB6 X016 停止按鈕 SB2 X001 手動左旋按鈕 SB7 X017 急停按鈕 SB3 X002 手動右旋按鈕 SB8 X020 左旋極限傳感器 ST2 X003 手動伸出按鈕 SB9 X021 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆專科生畢業(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 11 頁

34、右旋極限傳感器 ST3 X004 手動縮回按鈕 SB10 X022 上升限位傳感器 ST4 X005 手動吸氣按鈕 SB11 X023 下降限位傳感器 ST5 X006 手動放氣按鈕 SB12 X024 手臂縮回限位傳感器 ST6 X007 超上升限位傳感器 ST8 X025 手臂伸出限位傳感器 ST7 X010 超下降限位傳感器 ST9 X026 工件檢測傳感器 PS1 X011 超左旋限位傳感器 ST10 X027 手動 X012 超右旋限位傳感器 ST11 X030 自動 SA X013 超伸出限位傳感器 ST12 X031 復(fù)位按鈕 SB4 X014 超縮回限位傳感器 ST13 X03

35、2 手動上升按鈕 SB5 X015 表 3 機(jī)械手控制輸出點分配表 輸出設(shè)備輸出點號輸出設(shè)備輸出點號 左旋電磁閥 6YA Y000 吸氣電磁閥 7YA Y006 右旋電磁閥 5YA Y001 放氣電磁閥 8YA Y007 縮回電磁閥 2YA Y002 報警指示燈 L11 Y010 伸出電磁閥 1YA Y003 手動指示燈 L12 Y011 上升電磁閥 4YA Y004 自動指示燈 L13 Y012 下降電磁閥 3YA Y005 原位指示燈 L14 Y013 4.2.4 PLC 外部接線圖 根據(jù)表 2、表 3 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

36、 的外部接線圖如圖 4： 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 12 頁 圖 4 PLC 外部接線圖 4.2.5 機(jī)械手控制原理 在 PLC 的控制下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)手動、自動等多種工作方式。手動：利用按鈕對 機(jī)械手每一動作手動進(jìn)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：按下循環(huán)按鈕后機(jī)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 S

37、B1，對控制系統(tǒng)進(jìn)行功能檢測，檢測正確后，進(jìn)入控制系統(tǒng)的軟件， 開始運(yùn)行程序。 2 擺動氣缸右旋 初始化程序正常運(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，擺動氣缸會執(zhí)行右旋的命令。 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 13 頁 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

38、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 4YA 得電，執(zhí)行垂直手臂的上升動作。 7 水平手臂的回縮

39、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

40、的 下降運(yùn)動。 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 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 14 頁 小臂上升到指定位置，PLC 輸入端 X005 接通輸入，自動重復(fù)以上動作。 4.34.3 PLCPLC 程序設(shè)計程

41、序設(shè)計 4.3.1 程序設(shè)計 設(shè)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(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和修改。 在進(jìn)行編程前，應(yīng)先繪制出整個控制程序的結(jié)構(gòu)框圖，如圖 5 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”時，輸入點 X012 接通，執(zhí)行手動程序；當(dāng)操作方式選 擇開關(guān)置于“自動”時，輸入點 X013 接通，執(zhí)行自動程序。 圖 5 控制程序的結(jié)構(gòu)框圖 同時為了方便操作，應(yīng)設(shè)計一個機(jī)械手操作面板，機(jī)械手操作面板如圖 6 所示 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 15 頁 圖 6 機(jī)械手操作面板

42、4.3.2 初始化及報警程序 初始化及報警程序如圖 7 所示 圖 7 初始化及報警程序 4.3.3 手動控制程序 手動控制程序用于實現(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。在 自動工作過程中，若將“手動/自動”轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“手動”位置時，輸入 X012 接通系 統(tǒng)進(jìn)入手動控制方式狀態(tài)。此時，按下相應(yīng)的受動按鈕可實現(xiàn)手動上升、下降、左旋、 右旋、伸出、縮回、吸氣、放氣及復(fù)位動作，手動操作程序如圖 8 所示。 圖 8 手動操作程序 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 16 頁 4.3.4 自動控制程序 分析知，在“自動”工作方式下，本機(jī)械手的運(yùn)動是以

43、開關(guān)量作為轉(zhuǎn)移信號，按所 設(shè)計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任務(wù)做好準(zhǔn)備。自動控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖 9 所示。 圖 9 自動控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 根據(jù)自動控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖就可設(shè)計出自動控制的步進(jìn)梯形圖如圖 10 所示。 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆專科生畢業(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 17 頁 圖 10 自動控制步進(jìn)梯形圖 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆專科生畢業(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 18 頁 結(jié)結(jié) 論論 機(jī)械手的出現(xiàn)，為工業(yè)生產(chǎn)提高勞動生產(chǎn)率帶來了巨大的貢獻(xiàn)。在機(jī)械工業(yè)中，機(jī) 械手大大的提高了生產(chǎn)過程的自動化程

44、度，改善了勞動條件，避免人身事故在高溫高壓、 低溫低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間較狹窄等場 合中的發(fā)生，減少了勞動力，便于有節(jié)奏的發(fā)展。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)。 雖然還有很多尚未解決的問題有待于繼續(xù)研究，但相信PLC控制的物料分揀機(jī)械手的 研究是非常有新意、有意義的，有著廣泛的應(yīng)用前景。 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 19 頁 致致 謝謝 歷經(jīng)了幾個月的奮戰(zhàn)，緊張而又充實的畢業(yè)設(shè)計終于落下了帷幕?；叵脒@段日子的 經(jīng)歷和感受，我感慨萬千，

45、而這次畢業(yè)設(shè)計也讓我擁有了無數(shù)難忘的回憶和收獲。 這次畢業(yè)設(shè)計的制作過程是我的一次再學(xué)習(xí)過程，同時這次畢業(yè)設(shè)計是我作為一名 學(xué)生即將完成學(xué)業(yè)的最后一次作業(yè)，它既是對學(xué)校所學(xué)知識的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又 為今后我走向社會工作崗位中奠定了良好的基礎(chǔ)。 本論文在季老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下已完成，從課題選擇到具體構(gòu)思和內(nèi)容， 無不凝聚著老師的心血和汗水，在三年的?？茖W(xué)習(xí)和生活期間，也始終感受著老師的精 心指導(dǎo)和無私關(guān)懷，我受益匪淺。在此向各位老師表示深深的感謝和崇高的敬意。 。 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 20 頁 參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn) 1鐘肇新.可編程序

46、控制器原理及應(yīng)用.廣州：華南理工大學(xué)出版社,2002. 2陳宇,段鑫.可編程控制器基礎(chǔ)及編程技巧.廣州：華南理工大學(xué)出版社,2002. 3常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004. 4張建民,機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計.北京：高等教育出版社,2001. 5蔣少茵.PLC 控制的機(jī)械手.2004. 6張兵,施永輝.基于 PLC 的機(jī)械手混合驅(qū)動控制,液壓與氣動.2005. 7楊存智.PLC 在自動化生產(chǎn)機(jī)械手中的應(yīng)用.2006. 8史國生,崔洪斌.PLC 在機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用.2001 9彭堅.氣動機(jī)械手 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(電工技術(shù)).2004. 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文、專題報告）第 21 頁 附 錄 名稱 張數(shù) 圖幅 機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 1 A2 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖 1 A2 機(jī)械手氣壓驅(qū)動原理圖 1 A1 PLC 外部接線圖 1 A2 總程序框圖 1 A3 機(jī)械手操作面板圖 1 A3 初始化及報警程序 1 A3 手動程序 1 A3 自動程序狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 1 A1 自動程序梯形圖 1 A1