PLC控制的機(jī)械手自動系統(tǒng)

PLC控制的機(jī)械手自動系統(tǒng),plc,控制,節(jié)制,機(jī)械手,自動,系統(tǒng) 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。可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，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)用于機(jī)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(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(jì)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(jì)。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(bào)警等功能。最后提出了一種簡單、易于實(shí)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(shí)用型、高可靠型物料分揀機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，對其他經(jīng)濟(jì)型PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒價(jià)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。一 前 言（一） 研究的目的及意義機(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(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?？梢詫?shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護(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，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)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(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(diǎn)。適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)PLC對物料分揀機(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(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或重新設(shè)計(jì)其新部件，而對于位置改變時(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)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。（二） 機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 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)勞動，提高勞動生產(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，自動搬運(yùn)小車與自動檢測系統(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)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。目前，國際上的機(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(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，機(jī)械手市場份額大部分被國外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強(qiáng)手面前，國內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競爭壓力。如今我國正從一個(gè)“制造大國”向“制造強(qiáng)國”邁進(jìn)，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(wù)必會加大對機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。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)用也越來越多。在未來幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會使機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。據(jù)猜測，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。（三） 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)主要是對機(jī)械手的手部、手臂和機(jī)座進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jì)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(shè)計(jì)和氣動原理圖的繪制。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）對機(jī)械手進(jìn)行控制，主要包括對PLC的型號選擇、傳感器類型進(jìn)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。（四） 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)簡單、經(jīng)濟(jì)、具有一定的代表性。2 執(zhí)行部件的運(yùn)動精度的問題。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)則和知識的獲取及其表達(dá)形式。5 傳感器的類型選擇。二 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。（一） 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。機(jī)械手型式的選擇首先是從滿足它的運(yùn)動要求方面進(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，升降移動和機(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)動等動作，但是不具備機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)動作，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)械手對動作要求方面足夠滿足要求，但是它們的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，有很多動作是不必要的，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)動等動作?？梢詫⑹直刍剞D(zhuǎn)動作改換成機(jī)械手的整體轉(zhuǎn)動就可以滿足本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的動作要求。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，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。（二） 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(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)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(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。（三） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇1手部的選擇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)及表面狀態(tài)的不同，手部機(jī)構(gòu)也是多種多樣。真空式具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機(jī)械手的正常工作等優(yōu)點(diǎn)。而且滿足所設(shè)計(jì)機(jī)械手的要求，所以選用真空式吸盤。2手臂結(jié)構(gòu)的選擇手臂是機(jī)械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。手臂一般有三個(gè)運(yùn)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。 本機(jī)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡單性和設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動的雙作用單活塞桿氣缸。機(jī)座結(jié)構(gòu)的選擇3 基座結(jié)構(gòu)的選擇機(jī)座結(jié)構(gòu)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(jī)械手工作時(shí)機(jī)座一定予以固定?？梢苿邮降臋C(jī)座在停置時(shí)能夠剎車定位，以保證機(jī)械手工作時(shí)的位置精度。根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求選用落地固定式機(jī)座。（四） 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2.2所示。其動作順序?yàn)椋撼跏嘉恢?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(jī)械手的動作在整個(gè)過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。（五） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖根據(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)簡圖，如圖2.1所示，大圖見CAD圖。 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2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖三 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇機(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。（一） 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇液壓驅(qū)動，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(jià)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(jià)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(jià)的自動化技術(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。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，全部自動化流程中約有30裝有氣動系統(tǒng)，有90的包裝機(jī)械，70的鑄造、焊接設(shè)備，50的自動操機(jī)、40的鍛造設(shè)備和洗衣設(shè)備、30的采煤機(jī)械，20的紡織機(jī)械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機(jī)械，43的工業(yè)機(jī)器人裝有氣壓系統(tǒng)。日、美、德等國的氣動元件銷售平均每年增長超過10-15。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家的氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大速度發(fā)展，氣動機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要使用工具。通過以上三種驅(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(jì)的要求，而且節(jié)約了成本。（二） 機(jī)械手驅(qū)動系統(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3.1所示。圖3.1 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖氣動系統(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。圖中的調(diào)速閥控制氣缸上升和下降、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(shí)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。（三） 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?cái)[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(shí)現(xiàn)氣缸的往復(fù)運(yùn)動。二位二通電磁閥實(shí)現(xiàn)吸盤的吸物和放物。實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)的工作原理如下：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(shí)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(shí)（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(shí)間繼電器延時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)間繼電器延時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)間繼電器延時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)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到指定位置時(shí)，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(shí)間繼電器延時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)間繼電器延時(shí)，使三位四通電磁閥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(shí)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(shí)間繼電器延時(shí)，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(shí)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。9放物小臂氣缸下降到指定位置時(shí)，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(shí)間繼電器延時(shí)，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(shí)氣路為：進(jìn)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。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(shí)間繼電器延時(shí)，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(shí)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。 11回到初始位置垂直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。四 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。（一） 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(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。機(jī)械手是由各種機(jī)構(gòu)組成的裝置，它通過感知器的內(nèi)部傳感器實(shí)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(jī)械手所處的周圍環(huán)境；任務(wù)是指機(jī)械手要完成的操作，它需要適當(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；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(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ每刂破鬟\(yùn)行程序的方式來完成給定的任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)的硬件一般包括3個(gè)部分：1感知部分 用來收集機(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)動部分 為了使機(jī)械手完成操作及移動功能，機(jī)械手各關(guān)節(jié)可選用氣動、液動、電氣等方式驅(qū)動。（二） 傳感器的選擇為了便于PCL控制程序的編寫，利于公司企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，綜合其各種情況，在本設(shè)計(jì)，選擇RGB顏色傳感器著為識別物料顏色的裝置，繼電器輸出方式，便于PLC控制系統(tǒng)的簡單化，控制系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。（三） 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則（1） PLC機(jī)型的選擇PLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)： a 確定合理的結(jié)構(gòu)型式 PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。整體式PLC的每一個(gè)IO點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能擴(kuò)展靈活方便,在IO點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、IO模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)?？紤]此系統(tǒng)控制比較簡單，應(yīng)用于小批量的生產(chǎn)線故此選擇整體試PLC的結(jié)構(gòu)形式較為合適。b 確定合理的安裝方式 PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠(yuǎn)程IO式以及多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設(shè)置驅(qū)動遠(yuǎn)程IO硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠(yuǎn)程IO式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠(yuǎn)程IO可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動器和遠(yuǎn)程IO電源；多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設(shè)備分別獨(dú)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。 c 滿足相應(yīng)的功能要求一般小型(低檔)PLC具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，對于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。對于以開關(guān)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(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔PLC。對于控制較復(fù)雜，要求實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)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(fù)雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價(jià)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(guān)量控制，選用一般小型PLC即可。d 滿足響應(yīng)速度要求 PLC是為工業(yè)自動化設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次PLC的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)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(shí)，則應(yīng)該慎重考慮PLC的響應(yīng)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(yīng)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要求，不需要選用具有高速IO處理功能的PLC。 e 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(yīng)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。 f 機(jī)型盡量統(tǒng)一一個(gè)企業(yè)，應(yīng)盡量做到PLC的機(jī)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(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高；其外部設(shè)備可以通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計(jì)算機(jī)后易于形成一個(gè)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(jì)算機(jī)，但為了方便采購和管理等我們還是要求機(jī)型要統(tǒng)一。(2) 確定PLC的容量PLC的容量包括IO點(diǎn)數(shù)和用戶存儲容量兩個(gè)方面。a 確定系統(tǒng)的實(shí)際輸入點(diǎn)數(shù)系統(tǒng)由啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2、急停按鈕SB3、手臂復(fù)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(guān)SA以及手動的升降、左右旋轉(zhuǎn)、伸縮、吸放按鈕（SB5-SB12）作為個(gè)輸入繼電器的外部控制點(diǎn)，共有28個(gè)輸入點(diǎn)。b 確定系統(tǒng)的實(shí)際輸出點(diǎn)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(bào)警指示燈、原位指示燈及自動/手動指示燈工作，一共12個(gè)輸出點(diǎn)。c 確定應(yīng)選擇PLC的點(diǎn)數(shù)PLC平均的IO點(diǎn)的價(jià)格還比較高，因此應(yīng)該合理選用PLC的IO點(diǎn)的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的IO點(diǎn)最少，但必須留有一定的裕量。 通常IO點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實(shí)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(shí)際需要40個(gè)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)的PLC輸入、輸出點(diǎn)數(shù)定為48點(diǎn)比較合適，但輸入和輸出各應(yīng)留有裕量。d 確定系統(tǒng)同時(shí)接通輸入/輸出點(diǎn)的數(shù)量 (a)同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)量對于選用高密度的輸入模塊(如32點(diǎn)、48點(diǎn)等)，應(yīng)考慮該模塊同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)一般不要超過輸入點(diǎn)數(shù)的60。(b)同時(shí)接通的輸出點(diǎn)數(shù)量同時(shí)接通輸出設(shè)備的累計(jì)電流值必須小于公共端所允許通過的電流值，如一個(gè)220V2A的點(diǎn)輸出模塊，每個(gè)輸出點(diǎn)可承受2A的電流，但輸出公共端允許通過的電流并不是16A(82A)，通常要比此值小得多。一般來講，同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不要超出同一公共端輸出點(diǎn)數(shù)的60。對同時(shí)接通的輸/入輸出點(diǎn)的制約，此系統(tǒng)是可以滿足的。系統(tǒng)存儲容量的選擇PLC的IO點(diǎn)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(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲容量后，再加20到30的裕量。存儲容量（字節(jié)）開關(guān)量IO點(diǎn)數(shù)10 模擬量IO通道數(shù)100 A=40*10+0*100 =400（字節(jié)）另外，在存儲容量選擇的同時(shí)，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。(3)確定PLC的IO模塊一般IO模塊的價(jià)格占PLC價(jià)格的一半以上。PLC的IO模塊有開關(guān)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(yīng)用范圍和價(jià)格，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)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(guān)量IO模塊選擇即可。 a 開關(guān)量輸入模塊的選擇開關(guān)量輸入模塊是用來接收現(xiàn)場輸入設(shè)備的開關(guān)信號，將信號轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部接受的低電壓信號，并實(shí)現(xiàn)PLC內(nèi)、外信號的電氣隔離。選擇時(shí)主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：(a)輸入信號的類型及電壓等級開關(guān)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(shí)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(shí)間較短，還可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入設(shè)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(guān)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(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5、12、24用于傳輸距離較近場合，如5輸入模塊最遠(yuǎn)不得超過十米。距離較遠(yuǎn)的應(yīng)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。(b)輸入接線方式開關(guān)量輸入模塊主要有匯點(diǎn)式和分組式兩種接線方式。匯點(diǎn)式的開關(guān)量輸入模塊所有輸入點(diǎn)共用一個(gè)公共端（COM）；而分組式的開關(guān)量輸入模塊是將輸入點(diǎn)分成若干組，每一組（幾個(gè)輸入點(diǎn)）有一個(gè)公共端，各組之間是分隔的。分組式的開關(guān)量輸入模塊價(jià)格較匯點(diǎn)式的高，如果輸入信號之間不需要分隔，一般選用匯點(diǎn)式的。所以本系統(tǒng)考慮價(jià)格便宜問題，且輸入信號之間不需要分隔，選用匯點(diǎn)式較合適。(c)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大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸距離也越遠(yuǎn)，具體可參閱PLC說明書。b 開關(guān)量輸出模塊的選擇開關(guān)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(shè)備的開關(guān)信號，并實(shí)現(xiàn)PLC內(nèi)外信號的電氣隔離。選擇時(shí)主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：(a)輸出方式開關(guān)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(jià)格便宜，既可以用于驅(qū)動交流負(fù)載，又可用于直流負(fù)載，而且適用的電壓大小范圍較寬、導(dǎo)通壓降小，同時(shí)承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，但其屬于有觸點(diǎn)元件，動作速度較慢（驅(qū)動感性負(fù)載時(shí)，觸點(diǎn)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。對于頻繁通斷的負(fù)載，應(yīng)該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無觸點(diǎn)元件。但晶閘管輸出只能用于交流負(fù)載，而晶體管輸出只能用于直流負(fù)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(jià)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。(b)輸出接線方式開關(guān)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(gè)輸出點(diǎn)為一組，一組有一個(gè)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(shè)備；分隔式輸出是每一個(gè)輸出點(diǎn)就有一個(gè)公共端，各輸出點(diǎn)之間相互隔離。選擇時(shí)主要根據(jù)PLC輸出設(shè)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)選擇分組式輸出。(c)驅(qū)動能力開關(guān)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(shè)備的額定電流。用戶應(yīng)根據(jù)實(shí)際輸出設(shè)備的電流大小來選擇輸出模塊的輸出電流。如果實(shí)際輸出設(shè)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)。(d)輸出的最大電流與負(fù)載類型、環(huán)境溫度等因素有關(guān)開關(guān)量輸出模塊的技術(shù)指標(biāo)，它與不同的負(fù)載類型密切相關(guān)，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(shí)際使用中也應(yīng)注意。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、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)各型號的PLC的價(jià)格、性能、實(shí)用場合等各方面。本系統(tǒng)可選擇PLC型號為：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，它可以為工廠自動化控制應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。該型號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。3 I/O點(diǎn)數(shù)分配根據(jù)機(jī)械手動作流程分析及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、表4.2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)號輸入設(shè)備輸入點(diǎn)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(fù)位按鈕SB4X014 超縮回限位傳感器ST13X032手動上升按鈕SB5X015 表4.2 機(jī)械手控制輸出點(diǎn)分配表輸出設(shè)備輸出點(diǎn)號輸出設(shè)備輸出點(diǎn)號左旋電磁閥6YAY000吸氣電磁閥7YAY006右旋電磁閥5YAY001放氣電磁閥8YAY007縮回電磁閥2YAY002報(bào)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 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4.3：圖4.3 PLC外部接線圖5 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、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(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：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?cái)[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(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。(3) 水平手臂的伸出 擺動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(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(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。(四） PLC程序設(shè)計(jì)1總體程序框圖設(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(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4.4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(shí)，輸入點(diǎn)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(shí)，輸入點(diǎn)X013接通，執(zhí)行自動程序。圖4.4 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4.5所示圖4.5 機(jī)械手操作面板2 初始化及報(bào)警程序初始化及報(bào)警程序如圖4.6所示圖4.6 初始化及報(bào)警程序3 手動控制程序 手動控制程序用于實(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。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(shí)，輸入X012接通系統(tǒng)進(jìn)入手動控制方式狀態(tài)。此時(shí)，按下相應(yīng)的受動按鈕可實(shí)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4.7所示。圖4.7 手動操作程序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)動是以開關(guān)量作為轉(zhuǎn)移信號，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。自動控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4.8所示。圖4.8 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(jì)出自動控制的步進(jìn)梯形圖如圖4.9所示。圖4.9 自動控制步進(jìn)梯形圖 圖4.9 自動控制步進(jìn)梯形圖 (序)結(jié)束語機(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，提高勞動生產(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) 對物料分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動裝置、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) 氣動驅(qū)動系統(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，動作準(zhǔn)確，易于維護(hù)，勞動生產(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，對物料分揀機(jī)械手的驅(qū)動系統(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缸，加導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)。各部分不能實(shí)現(xiàn)任意方式拼裝，通過各種過渡連接件，使各個(gè)部分可以自由拼裝。(2) 氣動驅(qū)動改進(jìn)在氣動驅(qū)動系統(tǒng)方面存在一個(gè)固有的弱點(diǎn)，僅采用古典的反饋控制很難得到高精度位置和力等的控制。所以，在氣動驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法上，廣泛地引入現(xiàn)代控制理論和智慧控制等方法是其特征之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一大規(guī)模并行分布處理非線性動力學(xué)系統(tǒng)，適用于強(qiáng)非線性的氣動機(jī)械手的控制。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。參考文獻(xiàn)1張建民等.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.169183.2袁子榮.液氣壓傳動與控制M.重慶：重慶大學(xué)出版社，2007.39241.3陳懇，楊向東，劉莉，等.機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社，2006.106111.4陳奎生.液壓與氣壓傳動M.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001.47106.5張鐵，謝存禧.機(jī)器人學(xué)M.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001.115138.6費(fèi)仁元，張慧慧.機(jī)器人設(shè)計(jì)和分析M.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.190234.7王永章，杜君文，程國全.數(shù)控技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2001.251273.8郭愛芳，王恒迪.傳感器原理及應(yīng)用M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.281290.9鄂大辛.液壓傳動與氣壓傳動M.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.276294.10陸祥生，楊秀蓮.機(jī)械手理論及應(yīng)用M.北京：北京鐵道出版社，1985.4063.氣動系統(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。圖中的調(diào)速閥控制氣缸上升和下降、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(shí)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。3.3 氣動元件選取及工作原理氣壓驅(qū)動是利用壓縮氣體的壓力能來實(shí)現(xiàn)能量傳遞的一種方式，其介質(zhì)主要是空氣，也包括燃?xì)夂驼羝?。典型的氣壓傳動系統(tǒng)由以下四部分組成：3.3.1 氣源裝置氣源裝置是獲得具有一定能量的壓縮空氣的裝置，其主體部分是空氣壓縮機(jī)，有的還配有氣源凈化處理裝置、氣罐等附屬設(shè)備。它將原動機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。氣壓傳動對氣源的要求：(1) 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量。(2) 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。下面對于主要的氣源裝置元件進(jìn)行如下介紹：1、空氣壓縮機(jī)空氣壓縮機(jī)是產(chǎn)生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，是氣源主要的設(shè)備。按結(jié)構(gòu)和工作原理可分為速度型和容積型兩大類。容積型壓縮機(jī)是利用特殊形狀的轉(zhuǎn)子或活塞壓縮吸入封閉容積室空氣的體積來增加空氣的壓力。容積型結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。本設(shè)計(jì)選用容積型壓縮機(jī)。2、儲氣罐儲氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動，使輸出氣流連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應(yīng)急氣源使用，還可以進(jìn)一步分離油水雜質(zhì)。儲氣罐上裝有安全閥，使其極限壓力比正常工作壓力高10%，并裝有指示罐內(nèi)壓力的壓力表和排污閥等。罐的型式可分為立式和臥式兩種。本設(shè)計(jì)選用立式儲氣罐，因?yàn)樗倪M(jìn)氣口在下，出氣口在上，以利用進(jìn)一步分離空氣中的油、水。3.3.2 執(zhí)行元件 執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動，并將氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，如氣缸輸出直線往復(fù)式機(jī)械能，擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式機(jī)械能。 1、氣缸輸出直線往復(fù)式氣缸是氣動執(zhí)行元件之一。目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對于前伸/回縮氣缸，當(dāng)左側(cè)無桿腔進(jìn)氣，右側(cè)有桿腔排氣時(shí)活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對于上升/下降氣缸，當(dāng)上側(cè)無桿腔進(jìn)氣，下側(cè)有桿腔排氣時(shí)，活塞桿下降，反之活塞桿上升。2、擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式擺動氣缸分為單葉片式和雙葉片式。單葉片式擺動氣缸：壓縮空氣由進(jìn)氣口輸入，作用在葉片上，帶動軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，另一腔的空氣從排氣口排出。雙葉片式擺動氣缸：從進(jìn)氣口進(jìn)入的壓縮空氣作用在一個(gè)葉片上，同時(shí)通過軸上的氣路也作用在另一葉片上帶動軸回轉(zhuǎn)。這樣雙葉片式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將是單葉片式的2倍。本設(shè)計(jì)采用雙葉片式擺動氣缸，這樣就能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以利于機(jī)械手的轉(zhuǎn)動。3.3.3 控制元件控制元件是用來調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量和控制其流動方向，使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作。氣動控制元件按功能分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。1、壓力控制閥調(diào)節(jié)和控制壓力大小的氣動元件稱為壓力控制閥。它包括調(diào)壓閥、溢流閥、順序閥及多功能組合閥。調(diào)壓閥是出口側(cè)壓力可調(diào)，并能保持出口側(cè)壓力穩(wěn)定的壓力控制閥。溢流閥是在回路中的壓力達(dá)到閥的規(guī)定值時(shí)，使部分氣體從排氣側(cè)排出，以保持回路內(nèi)的壓力在規(guī)定值的閥。調(diào)速閥是根據(jù)“流量負(fù)反饋”原理設(shè)計(jì)而成的單路流量閥。調(diào)速閥一般用于執(zhí)行元件負(fù)載變化大而運(yùn)動速度要求穩(wěn)定的系統(tǒng)中。調(diào)速閥根據(jù)“串聯(lián)減壓式”和“并聯(lián)溢流式”，又分為調(diào)速閥和溢流節(jié)流閥兩種主要類型。本設(shè)計(jì)選用串聯(lián)減壓式調(diào)速閥。2、方向控制閥方向控制閥是改變壓縮空氣流動方向和氣流通斷狀態(tài)，使氣動執(zhí)行元件的動作或狀態(tài)發(fā)生變換的控制閥，其通常可分為單向型控制閥和換向型控制閥兩類。(1) 單向型控制閥單向閥是指氣流只能向一個(gè)方向流動而不能反向流動通過的閥，是最簡單的單向型方向閥。在氣動系統(tǒng)中，單向閥除單獨(dú)使用之外，經(jīng)常與流量閥、換向閥和壓力閥組合成只能單向控制的閥。單向調(diào)速閥就是單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)而成。單向調(diào)速閥是把節(jié)流閥芯分成了上閥芯和下閥芯兩部分。當(dāng)流體正向流動時(shí)，其節(jié)流過程與調(diào)速閥是一樣的，節(jié)流縫隙的大小可通過手柄進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)流體反向流動時(shí)，靠流體的壓力把閥芯壓下，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實(shí)現(xiàn)流體反向自由流動。當(dāng)正向流動時(shí)，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流。當(dāng)反向流動時(shí)，單向閥打開，不節(jié)流。(2) 換向型控制閥 換向型方向控制閥按控制方式分類，分為氣壓控制、電磁控制、人力控制。換向閥是利用閥芯和閥體間相對位置的不同來變換不同管路間的通斷關(guān)系，實(shí)現(xiàn)接通、切斷，或改變流體方向的閥。它的用途很廣，種類也很多。換向閥的性能的主要要求是：（1）油液流經(jīng)換向閥時(shí)的壓力損失??；（2）互不相通的油口間的泄漏小；（3）換向可靠、迅速且平穩(wěn)無沖擊。按換向閥的操縱方式有：手動式、機(jī)動式、電磁式、液動式、電液動式、氣動式。按工作位置數(shù)和控制的通道數(shù)有：二位二通閥、二位三通閥、二位四通閥、二位五通閥、三位四通閥、三位五通閥等。本設(shè)計(jì)選用三位四通電磁換向閥理由如下：(1) 電磁換向閥是利用電磁鐵吸力推動閥芯來改變閥的工作位置。由于它操作輕便，易于實(shí)現(xiàn)自動化，因此應(yīng)用廣泛。(2) 當(dāng)三位四通電磁換向閥兩端電磁鐵都斷電時(shí)，閥芯處于中位，各口互不相通。(3) 使用三位四通電磁換向閥能夠快速實(shí)現(xiàn)氣缸的正反向運(yùn)動。3.3.4 輔助元件輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的?？煞譃闅庠磧艋b置和其他輔助元件兩大類。1、氣源凈化裝置過濾器、調(diào)壓閥和油霧器等組合在一起稱為空氣處理單元，又稱為氣動三聯(lián)件。壓縮的空氣中含有各種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在會降低氣動元件的耐用度和性能，造成誤動作和事故，必須清除?？諝馓幚韱卧褪怯脕砬宄龎嚎s空氣的雜質(zhì)，提高空氣質(zhì)量的元