【正文】 連接及消聲等所必須的。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(dòng)閥芯來改變閥的工作位置。它的用途很廣，種類也很多。當(dāng)正向流動(dòng)時(shí)，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流。在氣動(dòng)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。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。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。 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(dòng)方向，使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動(dòng)作速度和改變運(yùn)動(dòng)方向，并按規(guī)定的程序工作。單葉片式擺動(dòng)氣缸：壓縮空氣由進(jìn)氣口輸入，作用在葉片上，帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，另一腔的空氣從排氣口排出。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。本設(shè)計(jì)選用立式儲(chǔ)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。本設(shè)計(jì)選用容積型壓縮機(jī)。下面對(duì)于主要的氣源裝置元件進(jìn)行如下介紹：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。典型的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)由以下四部分組成： 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。 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動(dòng)方式主要有兩種：（1）直線運(yùn)動(dòng)（缸體固定，活塞桿運(yùn)動(dòng)）；（2）擺動(dòng)（缸體固定）。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，全部自動(dòng)化流程中約有30﹪裝有氣動(dòng)系統(tǒng)，有90﹪的包裝機(jī)械，70﹪的鑄造、焊接設(shè)備，50﹪的自動(dòng)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)。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動(dòng)方式。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇液壓驅(qū)動(dòng)，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(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)圖，大圖見CAD圖。其中機(jī)座采用擺動(dòng)氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)。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(tái)在軸向上無法直接連接。物料分揀機(jī)械手手臂需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊，擺動(dòng)氣缸就要固定在機(jī)座上。可移動(dòng)式的機(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。 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(dòng)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。本機(jī)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)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(dòng)的雙作用單活塞桿氣缸。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。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(dòng)用得最多的是雙作用單活塞桿油缸。3手臂的結(jié)構(gòu) 手臂的伸縮和升降運(yùn)動(dòng)一般采用直線油（氣）缸驅(qū)動(dòng)。(2) 手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小。 1 手臂的組成：(1) 動(dòng)作元件，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。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。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(shí)，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(shí)的氣體受壓，密度加大。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。（4） 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。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(dòng)作方向相反。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇 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。 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。球坐標(biāo)式機(jī)械手和關(guān)節(jié)式機(jī)械手對(duì)動(dòng)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(dòng)作是不必要的，顯得浪費(fèi)和增加了制造的成本和難度。為具有近似人手的操作機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適于在狹窄的空間工作。它的特點(diǎn)能能自動(dòng)選擇最合理的動(dòng)作路線。球坐標(biāo)式機(jī)械手球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本體占用的空間較小，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。如在X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上個(gè)具有A、B、C三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。 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。4 元件的匹配規(guī)則和知識(shí)的獲取及其表達(dá)形式。本機(jī)械手采用可編程控制器（PLC）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，主要包括對(duì)PLC的型號(hào)選擇、傳感器類型進(jìn)行選擇、I/O口的選擇、對(duì)控制系統(tǒng)原理圖、自動(dòng)程序梯形圖的繪制等內(nèi)容。(2) 物料分揀機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動(dòng)力的裝置。 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)。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(jìng)爭(zhēng)壓力。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。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)。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)。 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(dòng)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(jiǎn)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。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動(dòng)。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(duì)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。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。 PLC在裝卸機(jī)械手的控制運(yùn)用目 錄目 錄 I摘 要 IVAbstract V第一章 前言 1 研究的目的及意義 1 機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1 主要研究的內(nèi)容 2 解決的關(guān)鍵問題 3第二章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇 6 手部的選擇 6 手臂結(jié)構(gòu)的選擇 8 機(jī)座結(jié)構(gòu)的選擇 9 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理 10 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 10第三章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 12 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 12 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì) 13 氣動(dòng)元件選取及工作原理 14 氣源裝置 14 執(zhí)行元件 15 控制元件 16 輔助元件 17 真空發(fā)生器 18 吸盤 18 氣動(dòng)回路的工作原理 18第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì) 22 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 22 控制系統(tǒng)的性能要求 22 傳感器的選擇 23 位置檢測(cè)裝置 23 滑覺傳感器 23 視覺傳感器 24 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理 25 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 25 PLC種類及型號(hào)選擇 30 I/O點(diǎn)數(shù)分配 30 PLC外部接線圖 32 機(jī)械手控制原理 32 PLC程序設(shè)計(jì) 34 總體程序框圖 34 初始化及報(bào)警程序 36 手動(dòng)控制程序 37 自動(dòng)控制程序 39第五章 總結(jié)與展望 42參考文獻(xiàn) 43致 謝 44附 錄 45 基于PLC的物料分揀機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。 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(duì)機(jī)械手技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，提出了用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和PLC控制的設(shè)計(jì)方案。最后提出了一種簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。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第一章 前言 研究的目的及意義機(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動(dòng)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、用以代替人的繁重及單調(diào)勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)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。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(dòng)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(duì)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(dòng)或重新設(shè)計(jì)其新部件，而對(duì)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。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(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。 目前，國際上的機(jī)械手公司主要分為日系和歐系。在我國，機(jī)械手市場(chǎng)份額大部分被國外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。據(jù)猜測(cè)，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。執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)機(jī)械手的手部、手臂和機(jī)座進(jìn)行設(shè)計(jì)。(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(dòng)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。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。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。其工作范圍可以是一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)；兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。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(cè)量工件。 圓柱式機(jī)械手的特點(diǎn)是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒，手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可做上下直線運(yùn)動(dòng)和水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(dòng)。球坐標(biāo)式機(jī)械手的特點(diǎn)是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)作圓弧狀上下俯仰動(dòng)作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動(dòng)，還可以上下擺動(dòng)，工作范圍和人的手類似。關(guān)節(jié)式機(jī)械手關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作傳動(dòng)型式。它還具有上肢結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)近似于人手操作的機(jī)能。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(dòng)等動(dòng)作，但是不具備機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，所以不考慮用直角坐標(biāo)式機(jī)械手。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(dòng)，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。（4） 機(jī)座 是機(jī)械手用來支撐臂部，并安裝驅(qū)動(dòng)裝置及其他裝置的部分。它主要由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。（3） 要保證工件在手指內(nèi)的定位精度。它由吸盤、吸盤架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。 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。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。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。手臂的基本動(dòng)作是將手部移動(dòng)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。 2手臂設(shè)計(jì)的要求：(1) 手臂承載能力大、剛性好、自重輕。(5) 通用性要強(qiáng)。往復(fù)直線油（氣）缸可以分為以下幾種。雙作用雙活塞桿油缸：當(dāng)需要很大的行程時(shí)，將油缸做的很長(zhǎng)、體積很大，則加工上有困難。如采用滾珠絲杠，效率可以提高，但因其較長(zhǎng)，制造比較困難。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(dòng)中選用雙導(dǎo)向桿。無論哪一種形式，機(jī)械手工作時(shí)機(jī)座一定予以固定。對(duì)通用機(jī)械手而言，傳動(dòng)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(gè)控制箱。連接組件主要由四部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺(tái)和扣罩。 底座 擺動(dòng)氣缸 雙向推力球軸承 扣罩 轉(zhuǎn)臺(tái) 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。機(jī)械手的動(dòng)作在整個(gè)過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅(qū)動(dòng)方式。但是由于這種驅(qū)動(dòng)