【正文】 機械手自動化控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 機械手在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、分揀物品、代替 人的繁重勞動?？梢詫崿F(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，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械手發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，結(jié)合機械手方面的設(shè)計，對機械手技術(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)行互補優(yōu)化。對物料分揀機械手的整體結(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、機械手的移動、故障報警等功能。最后提出了一種簡單、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)濟型、實用型、高可靠型物料分揀機械手的設(shè)計方案，對其他經(jīng)濟型 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計也有一定的借鑒價值。 關(guān)鍵詞 : 機械手，氣動控制， 可編程控制器（ PLC）， 自動化控制，物料分揀。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 V 頁 The Design for The Automatic Control System of The Sorting Materials Manipulator Based on PLC Abstract Manipulator plays an extremely important role in the field of advanced manufacturing. It can carry goods, sort materials and do heavy works instead of the human being. It also can realize mechanization and automation of the production, do the jobs in harmful environment to protect the personal safety. So it is widely used in metallurgy, machinery manufacturing, electronics, light industry and atomic energy etc. In this paper,by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, bining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by 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 plementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. We used pneumaticdriven in the driving system, PLC control unit in the control system to plete initialization of the system, manipulator39。s moving, failure alarm and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance. Through the work above, a practical, economical, highreliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design. Key words: manipulator ； pneumaticdriven； programmable logic controller (PLC)； automatic control； sorting materials 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 1 頁 第一章 前言 研究的目的及意義 機械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要，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。它可以搬運貨物、分揀物品、代替 人的繁重勞動。可以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，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， 機械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要， 已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。它可以搬運貨物、分揀物品、用以代替 人的繁重及單調(diào)勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化；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，綜合了計算機和自動控制等先進(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，已成為目前在機械手控制系統(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。 適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā) PLC對物料分揀機械手的控制，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)品變化或臨時需要對機械手進(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)換工作的費用。本設(shè)計主要完成機械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計。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。 機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 機械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸和擴大了 人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 2 頁 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、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng) (FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(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，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。 目前，國際上的機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，機械手市場份額大部分被國外機械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強手面前，國內(nèi)的機械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強國”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)必會加大對機器人的資金投入和政策支持，將會給機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。 隨著機械手發(fā)展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，機械手已在眾多領(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。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機器人等。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)用在機械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會使機械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運行成本低。據(jù)猜測，今后機器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海 洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。 主要研究的內(nèi)容 隨著機械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強、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)濟性強。本論文主要研究物料分揀機械手以下幾個方面的內(nèi)容： (1)物料分揀機械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件與機械構(gòu)件組成，是機械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體。主要 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 3 頁 包括機身、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)計主要是對機械手的手部、手臂和機座進(jìn)行設(shè)計。 (2)物料分揀機械手驅(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)計和氣動原理圖的繪制。 (3)物料分揀機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計 控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(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。本機械手采用可編程控制器（ PLC）對機械手進(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。 解決的關(guān)鍵問題 1 解決機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題，要求機械手結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、具有一定的代表性。 2 執(zhí)行部件的運動精度的問題。 3 機械手的控制系統(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。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 4 頁 第二章 執(zhí)行系統(tǒng)的 分析與選擇 機器手的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是機械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體。執(zhí)行機構(gòu)的布局類型直接影響到機械手的工作性能。 執(zhí)行機構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 機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。下面就各型式機械手作簡單的分析對比： 直角坐標(biāo)式機械手 直角坐標(biāo)式機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)行運動。 其工作范圍可以是一個直線運動；兩個直線運動或三個直線運動。如在 X、 Y、 Z三個直線運動方向上個具有 A、 B、 C 三個回轉(zhuǎn)運動，即構(gòu)成六個自由度。 直角坐標(biāo)式機械手的優(yōu)點： （ 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） 易于實行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機械配合使用。 缺點：機械手的作業(yè)范圍較小。 圓柱坐標(biāo)式機械手 圓柱坐標(biāo)式機械手是應(yīng)用最多的一種型式，它適用于搬運和測量工件。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。 圓柱坐標(biāo)式機械手的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動；二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動。 圓柱坐標(biāo)式機械手有五個基本動作： （ 1） 手臂水平回轉(zhuǎn)； （ 2） 手臂伸縮； 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 5 頁 （ 3） 手臂上下； （ 4） 手臂回轉(zhuǎn)動作； （ 5） 手爪夾緊動作。 圓柱式機械手的特點是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂