本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))論文(設(shè)計(jì))題目：基于PLC的物料分揀機(jī)械手自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院大學(xué)本科畢業(yè)生論文(設(shè)計(jì))誠信責(zé)任書立進(jìn)行研究所完成。畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的特此聲明。 I V V 11.1研究的目的及意義 11.2機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 11.3主要研究的內(nèi)容 21.4解決的關(guān)鍵問題 3第二章執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 42.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 42.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 62.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇 6 6 8 92.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理 2.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖 第三章驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 3.1驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 3.2機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì) 3.3氣動元件選取及工作原理 3.3.1氣源裝置 3.3.4輔助元件 18 3.4氣動回路的工作原理 224.1控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 4.2控制系統(tǒng)的性能要求 224.3傳感器的選擇 23 23 23 4.4控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理 25 4.4.31/0點(diǎn)數(shù)分配 31 34 第五章總結(jié)與展望 參考文獻(xiàn) 43 錯誤!未定義書簽?；赑LC的物料分揀機(jī)械手自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?？梢詫?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。MaterialsManipulatorBaManipulatorplaysanextremelyimpcancarrygoods,sortmaterialsanddoheavyworksinsteadofthehumanrealizemechanizationandautomationoftheproduction,dothejobsinharmfulenvironmenttoprotectthepersonalsafety.Soitiswidelyusedinmetallurgy,machinerymanufacturing,Inthispaper,byreviewingthedevelopmentalstatusofthemanipulcombiningthedesignofmanipulatorandsystematicanalyzWeproposedthedesignschemethatthemanipulatorwasdrivesystemwascontrolledbyPLC.Integrativeideawasadothecharacteristicsofthesoftwareanalyzedanddesignedtheoverallstructure,theandcontrolsystemofthemanipulator.Weusedpneumatic-dricontrolunitinthecontrolsystemtocompleteinmoving,failurealarmandThroughtheworkabove,apractical,economical,high-reliabilitymanipulatorwasdesigned,whichalsohKeywords:manipulator;pneumatic-driven;programmablelogiccontroller第一章前言1.1研究的目的及意義1.2機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢造系統(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)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1.4解決的關(guān)鍵問題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。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。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)械手作簡單的分析對比：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，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個方向的直線進(jìn)行其工作范圍可以是一個直線運(yùn)動；兩個直線運(yùn)動或三個直線運(yùn)動。如在X、Y、Z三個直線運(yùn)動方向上個具有A、B、C三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動，即構(gòu)成六個自由度。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)和測量工件。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一個直線運(yùn)動，加一個不在直線運(yùn)動所在的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；二個直線運(yùn)動加一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個基本動作：(1)手臂水平回轉(zhuǎn)；(2)手臂伸縮；(3)手臂上下；(4)手臂回轉(zhuǎn)動作；(5)手爪夾緊動作。(1)手臂上下動作，即俯仰動作；(2)手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作；(3)手臂前后動作，即伸縮動作；(4)手腕上下彎曲；(5)手腕左右擺動；(6)手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；(7)手爪夾緊動作；(8)機(jī)械手的整體移動。4、關(guān)節(jié)式機(jī)械手機(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)械手主要動作為機(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。可以將手臂回轉(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。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。2.3.1手部的選擇1手部形式的確定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。常用的手部結(jié)構(gòu)按其握持原理可以分為1)夾持式夾持式手部的結(jié)構(gòu)與人手類似，是工業(yè)機(jī)械廣泛應(yīng)用的一種手部形式。它主要由手指、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。其又可分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動作方向相反。夾持式手部設(shè)計(jì)時應(yīng)注意以下事項(xiàng)：(1)手指應(yīng)有一定的開閉范圍。(2)手指應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力。(3)要保證工件在手指內(nèi)的定位精度。(4)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。(5)通用性和可換性。2)氣吸式氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空或負(fù)壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機(jī)械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點(diǎn)；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。主要適應(yīng)于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。氣吸式又可分為：負(fù)壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤。磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當(dāng)壓縮空氣高速進(jìn)入噴嘴時，由于管路的開始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在管路的最小截面處，氣流速度達(dá)到臨界速度，此時的氣體受壓，密度加大。在排氣管路中因界面逐漸增大，氣流膨脹減壓而使密度大大下降，致使氣流速度繼續(xù)增高，在吸氣口處形成負(fù)壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤的工作原理是將軟質(zhì)吸盤按壓在工件的表面，擠出吸盤內(nèi)的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導(dǎo)磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件。磁吸式手部不會破壞被吸附表面質(zhì)量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影響正常工作。通過以上對手部的分析真空式具有結(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。真空吸盤機(jī)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1吸盤機(jī)構(gòu)圖2.3.2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。1手臂的組成：(1)動作元件，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件。(2)導(dǎo)向裝置，是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。(3)手臂，起著連接和承受外力的作用。2手臂設(shè)計(jì)的要求：(1)手臂承載能力大、剛性好、自重輕。(2)手臂的運(yùn)動速度要適當(dāng)，慣性要小。(3)手臂的動作要靈活。(4)位置精度要高。(5)通用性要強(qiáng)。3手臂的結(jié)構(gòu)手臂的伸縮和升降運(yùn)動一般采用直線油(氣)缸驅(qū)動。手臂作直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置所組成。驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。往復(fù)直線油(氣)缸可以分為以下幾種。雙作用單活塞桿油缸：液壓機(jī)械手中實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)運(yùn)動用得最多的是雙作用單活塞桿油缸?；钊谟蛪合伦麟p向運(yùn)動。機(jī)構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞桿運(yùn)動；也可以是活塞桿固定，而缸體運(yùn)動。雙作用雙活塞桿油缸：當(dāng)需要很大的行程時，將油缸做的很長、體積很大，則加工上有困難。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程要求，油缸的體積又小。其缺點(diǎn)是一次行程有兩種速度。絲桿螺母機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)傳動的特點(diǎn)是易于自鎖，但傳動效率低。如采用滾珠絲杠，效率可以提高，但因其較長，制造比較困難。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。4導(dǎo)向裝置機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時，為防止手臂沿伸縮方向向中軸線轉(zhuǎn)動、加大承載能力，以及提高運(yùn)動精度，必須設(shè)有導(dǎo)向裝置。手臂的導(dǎo)向裝置系根據(jù)安裝形式、結(jié)構(gòu)及負(fù)荷等條件來確定。常用的有單導(dǎo)向桿和雙導(dǎo)向桿，本設(shè)計(jì)中，伸縮運(yùn)動中選用雙導(dǎo)向2.3.3機(jī)座結(jié)構(gòu)的選擇機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，是支撐起機(jī)械手全部重量的構(gòu)件。對其結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。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)械手工作時機(jī)座一定予以固定。可移動式的機(jī)座在停置時能夠剎車定位，以保證機(jī)械手工作時的位置精度。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。機(jī)座的結(jié)構(gòu)與機(jī)械手的總體布置有關(guān)，對專用機(jī)械手而言，傳動和控制部分通常是單獨(dú)布置，故機(jī)座比較簡單或不設(shè)機(jī)座。對通用機(jī)械手而言，傳動部分布置在機(jī)架內(nèi)部或后下方，控制部分則布置在機(jī)座的后上方或單獨(dú)布置一個控制箱。物料分揀機(jī)械手手臂需要一個旋轉(zhuǎn)模塊，擺動氣缸就要固定在機(jī)座上。如果水平缸、垂直缸和手部機(jī)構(gòu)直接安裝到擺動氣缸的輸出軸上，機(jī)構(gòu)雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，并易造成擺動氣缸的損壞。同時，機(jī)械手本身重心偏離立柱軸線以及各氣缸運(yùn)動產(chǎn)生的沖擊都形成作用在擺動氣缸轉(zhuǎn)動軸上的傾覆力矩，所以采用一個連接組件，將機(jī)械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機(jī)架來承擔(dān)。連接組件主要由四部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺和扣罩。如圖2.2所示。選擇雙向推力球軸承而不是單向的，因?yàn)闄C(jī)座與轉(zhuǎn)臺在軸向上無法直接連接。采用雙向推力球軸承就可以方便的將軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺連接，外環(huán)用罩扣固定在底座上。另外，推力球軸承應(yīng)選擇公稱尺寸較大一些的，這樣可以更好的承受傾覆力矩。1、底座2、擺動氣缸3、雙向推力球軸承4、扣罩5、轉(zhuǎn)臺物料分揀機(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)椋撼跏嘉恢谩鶤右旋→B前伸→C氣缸下降→D吸物料→C上升整個過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。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2.3所示，大圖B5A21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2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖第三章驅(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。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。表3.1給出了各種控制方式的比較：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可能有污染維護(hù)簡單比氣動復(fù)雜需要專門技術(shù)簡單一般高一般技術(shù)要求較低最高較低控制自由度大大中小危險性幾乎無問題一般無問題無特殊問題通過以上三種驅(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。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。CD23AE1一空氣壓縮機(jī)；2-空氣處理單元；3一儲氣罐；4、6、8、23—調(diào)速閥5、7、9、21-消聲器；10、11、12-三位四通電磁換向閥；13、14-二位二通電磁閥；15、16、17、18、19、20--單向調(diào)速閥；22--真空發(fā)生器；24--真空開關(guān)；25一過濾器；26—吸盤A--水平伸縮氣缸B--小臂升降氣缸C--擺動氣缸氣動系統(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、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。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。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，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葉片上，同時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，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，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，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，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流。當(dāng)反向流動時，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)換向閥時的壓力損失?。?2)互不相通的油口間的泄漏??；(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，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。空氣處理單元就是用來清除壓縮空氣的雜質(zhì)，提高空氣質(zhì)量的元2、消聲器消聲器是降低排氣噪聲的裝置。壓縮空氣完成驅(qū)動工作后，由換向閥的排氣口排入大氣。此時的壓縮空氣是以接近音速的狀態(tài)進(jìn)入大氣，由于壓力的驟然變化，使空氣急速膨脹從而發(fā)出噪音，其音量一般為80dB~100dB,為了改善勞動條件，應(yīng)使用消聲器。常用的消聲器有三種類型吸收型、膨脹型和吸收膨脹型。吸收型消聲器是依靠吸聲材料來消聲的。膨脹型消聲器的結(jié)構(gòu)比較簡單，相當(dāng)于一段比排氣口徑大的管件，當(dāng)氣流通過時，讓氣流在其內(nèi)部擴(kuò)散、膨脹、碰壁撞擊、反射、相互干涉而消聲。吸收膨脹型消聲器是上述兩種的結(jié)合。氣流由斜孔引入，氣流束相互撞擊、干涉、進(jìn)一步減速，再通過設(shè)在消聲器內(nèi)表面的吸聲材料消聲，最后排向大氣。本設(shè)計(jì)選用膨脹型消聲器。原因是由于環(huán)境壓力(大氣壓力)大于吸盤與工件之間的壓力。將吸盤與真空發(fā)生裝置降→吸物→垂直手臂的上升→水平手臂的縮回→擺動氣缸的左(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，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。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。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。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。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)速閥調(diào)速閥8→消聲器9→排出。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。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。(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。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。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。對于一般的控制系統(tǒng)有以下控制的要求：(1)穩(wěn)定性穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運(yùn)動性能從偏離平衡點(diǎn)恢復(fù)到原平衡點(diǎn)狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是一般自動控制必須滿足的基本要求，對穩(wěn)定性的研究是自動化控制系統(tǒng)中的一個基本問題。(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)動到新的平衡狀態(tài)時具有較小的超調(diào)和震蕩性；系統(tǒng)由初始狀態(tài)運(yùn)動到新的平衡狀態(tài)經(jīng)歷的時間表示系統(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允許的限制值。傳感器是將被檢測對象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘柕囊环N變換器。它主要被用于檢測系統(tǒng)本身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動作提供信息。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求需要對位置檢測裝置、滑覺傳感器、視覺傳感器進(jìn)行選用。位置檢測裝置檢測機(jī)械手動作是否到位，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)械手對物料的識別。4.3.1位置檢測裝置在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)機(jī)械手執(zhí)行左旋/右旋，前伸/回縮，上升/下降等動作時，應(yīng)有相應(yīng)的位置檢測裝置檢測動作是否到位，常用的位置檢測裝置是行程開關(guān)。行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，是一種根據(jù)運(yùn)動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)動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。行程開關(guān)按其結(jié)構(gòu)可分為直動式、滾輪式、微動式和組合式。本設(shè)計(jì)中采用直線接觸式行程開關(guān)檢測機(jī)械手動作是否到位，當(dāng)運(yùn)動到指定位置時，碰到行程開關(guān)，終結(jié)上一個動作，準(zhǔn)備執(zhí)行下一個動作。4.3.2滑覺傳感器機(jī)械手吸取物體時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。軟吸取時吸力不夠時被吸物體會產(chǎn)生滑動，滑覺傳感器就是為了檢測滑動而設(shè)計(jì)的，可以檢測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，防止吸取物的滑動。滑動傳感器主要用于檢測物體接觸面直接的相對運(yùn)動的大小和方向，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，可以針對一種顏色的物料進(jìn)行揀出。目前，用于顏色識別的傳感器有兩種基本類型：(1)色標(biāo)傳感器，它使用一個白熾燈光源或單色LED光源；(2)RGB(紅綠藍(lán))顏色傳感器，它檢測物體的對三基色的反射比率，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。1、顏色傳感器的類型比較：光到光電流轉(zhuǎn)換器由光電二極管或具有色彩濾波器的光電二極管組成，將光轉(zhuǎn)換成光電流?？梢允褂猛獠侩娐?，將光電流轉(zhuǎn)換成一定比例的電壓輸出，然后可以通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，輸送到微控制器中。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)靈活?？梢葬槍Ω鱾€應(yīng)用訂制放大器的增益和帶寬及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率。缺點(diǎn)：增加了組裝成本，提高了設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，光到光電流轉(zhuǎn)換器適合要求響應(yīng)時間短、定制增益和速度調(diào)節(jié)及在光線變化條件下工作的應(yīng)用。(2)光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器由搭配色彩濾波器的光電二極管陣列組成，并整合一個跨阻抗放大器。要求使用外部電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，然后才能輸送到數(shù)字信號處理器。優(yōu)點(diǎn)：簡化外設(shè)電路設(shè)計(jì)，改善空間利用效率，降低組裝成本。缺點(diǎn)：響應(yīng)時間預(yù)先由內(nèi)置電流到電壓轉(zhuǎn)換器確定，如跨阻抗放大器，要求額外的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將電壓輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器適合要求設(shè)計(jì)周期較短、產(chǎn)品開發(fā)周期更快、光線條件和空間利用率設(shè)計(jì)精良的應(yīng)用。(3)光到數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換器光到數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換器由搭配RGB濾波器的光電二極管陣列、模似數(shù)字轉(zhuǎn)換器及用于通信和靈敏度控制的數(shù)字核心組成。輸出允許直接接口微控制器或其它邏輯控制通路，如2線串行接口，以進(jìn)一步處理信號，而不需額外的器件。優(yōu)點(diǎn)：提供抗噪聲干擾能力，簡化外圍電路設(shè)計(jì)，改善空間利用率，降低組裝成缺點(diǎn)：只通過2線串行接口模塊提供到微控制器或PC的直接接口，響應(yīng)時間由內(nèi)置模擬電路和數(shù)字電路預(yù)先確定，預(yù)先確定模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，光到數(shù)字轉(zhuǎn)換器適合要求抗噪聲能力、縮短設(shè)計(jì)周期、加快產(chǎn)品開發(fā)周期及光線條件和空間利用率設(shè)計(jì)精良的應(yīng)用。2、傳感器選擇根據(jù)前面的介紹和比較，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)。4.4.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則一、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，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點(diǎn)：(1)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I/0點(diǎn)的平均價格比模塊式的便宜，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I/0點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、I/0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。(2)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I/0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I/0硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠(yuǎn)程I/0式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠(yuǎn)程I/0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I/0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。(3)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、計(jì)數(shù)等功能，對于只需要開關(guān)量控制對于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶A/D和D/A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)模此系統(tǒng)只需用開關(guān)量控制，選用一般小型PLC即可。(4)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，則應(yīng)該慎重考慮PLC的響應(yīng)速度，可選用具有高速I/0處理功能的PLC,或選用具用具有高速I/0處理功能的PLC。(5)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(6)機(jī)型盡量統(tǒng)一一個企業(yè)，應(yīng)盡量做到PLC的機(jī)型統(tǒng)一。以保證其模塊二、確定PLC的容量1)確定系統(tǒng)的實(shí)際輸入點(diǎn)數(shù)傳感器ST12、超縮回限位傳感器ST13、工件檢測傳關(guān)SA以及手動的升降、左右旋轉(zhuǎn)、伸縮、吸放按鈕(SB5--的外部控制點(diǎn)，共有28個輸入點(diǎn)。2)確定系統(tǒng)的實(shí)際輸出點(diǎn)數(shù)3)確定應(yīng)選擇PLC的點(diǎn)數(shù)PLC平均的I/0點(diǎn)的價格還比較高，因此應(yīng)該合理選用PLC的I/0點(diǎn)的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/0點(diǎn)最少，但必須留有一定的裕量。通常I/0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個點(diǎn)，所以本系統(tǒng)的PLC輸入、輸出點(diǎn)數(shù)定為484)確定系統(tǒng)同時接通輸入/輸出點(diǎn)的數(shù)量對于選用高密度的輸入模塊(如32點(diǎn)、48點(diǎn)等),應(yīng)考慮該模塊同時接通的點(diǎn)數(shù)一般不要超過輸入點(diǎn)數(shù)的60%。220V/2A的8點(diǎn)輸出模塊，每個輸出點(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(8×2A),通常要比此值小得多。一般來講，同時接通的點(diǎn)數(shù)不要超出同一公共端輸出點(diǎn)數(shù)的60%。PLC的I/0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I/0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I/0點(diǎn)數(shù)×10+模擬量I/0通道數(shù)×100=400(字節(jié))三、確定PLC的I/0模塊一般I/0模塊的價格占PLC價格的一半以上。PLC的I/0模塊有開關(guān)量I/0模塊、模擬量I/0模塊及各種特殊功能模塊等。不同的I/0模塊，其電路及功能也不不需要用到模擬量I/0模塊及各種特殊功能模塊，所以只需要對開關(guān)量I/0(1)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1)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間等；交流110V、220V等。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5V、12V、24V用于傳輸距離較近場合，如5V輸入模塊最遠(yuǎn)不得超過十本系統(tǒng)傳輸距離較近可選擇24V直流輸入。2)輸入接線方式輸入模塊是將輸入點(diǎn)分成若干組，每一組(幾個輸入點(diǎn))有一個公共端，各組之間是分3)輸入門檻電平能力越強(qiáng)，傳輸距離也越遠(yuǎn)，具體可參閱PLC說明(2)開關(guān)量輸出模塊的選擇1)輸出方式繼電器輸出的價格便宜，既可以用于驅(qū)動交流屬于有觸點(diǎn)元件，動作速度較慢(驅(qū)動感性負(fù)載時，觸點(diǎn)動作頻率不得超過1HZ)、壽2)輸出接線方式分組式輸出是幾個輸出點(diǎn)為一組，一組有一個公共用于驅(qū)動不同電源的外部輸出設(shè)備；分隔式輸出是每一輸出點(diǎn)之間相互隔離。選擇時主要根據(jù)PLC輸出設(shè)備的電源類型和電壓等級的多少而3)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4)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 64MR—001,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):220×87×90,其性能、價格都優(yōu)于其他PLC。該型號PLC有32個輸入節(jié)點(diǎn)，32個輸出節(jié)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)要求并留有一定的余4.1、表4.2所示：輸入點(diǎn)號輸入點(diǎn)號啟動按鈕SB1手動下降按鈕SB6停止按鈕SB2手動左旋按鈕SB7急停按鈕SB3手動右旋按鈕SB8左旋極限傳感器ST2手動伸出按鈕SB9右旋極限傳感器ST3手動縮回按鈕SB10手動吸氣按鈕SB11下降限位傳感器ST5手動放氣按鈕SB12手臂縮回限位傳感器ST6超上升限位傳感器ST8手臂伸出限位傳感器ST7超下降限位傳感器ST9工件檢測傳感器PS1超左旋限位傳感器ST10手動超右旋限位傳感器ST11自動超伸出限位傳感器ST12復(fù)位按鈕SB4超縮回限位傳感器ST13手動上升按鈕SB5表4.2機(jī)械手控制輸出點(diǎn)分配表輸出點(diǎn)號輸出點(diǎn)號吸氣電磁閥7YA報警指示燈L11手動指示燈L12自動指示燈L13下降電磁閥3YA原位指示燈L14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4.1:件止582急件S83S等T平動xO12自邊xO13山Y(jié)001.Y004_Y006_圖4.1PLC外部接線圖4.4.5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。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(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。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。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。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。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)。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。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。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。4.5.1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”時，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，輸入點(diǎn)X013接通，執(zhí)行自動程序。初始化程序手動程序自動程序報警程序圖4.2控制程序的結(jié)構(gòu)框圖吸氣放氣上升下降前伸右旋左旋停止復(fù)位起動sBt表示原點(diǎn)位置表示原點(diǎn)位置手動程序手動指示燈狀態(tài)轉(zhuǎn)移開始狀態(tài)轉(zhuǎn)移開始啟動脈沖禁止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)移X012狀態(tài)監(jiān)視有效狀態(tài)監(jiān)視有效圖4.4初始化及報警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，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(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4.5所示。