基于plc的物料分揀機械手自動化控制系統設計論文t-文庫吧

【正文】 機械手自動化控制系統設計 摘 要 機械手在先進制造領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。可以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因此被廣泛應用于機械制造、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展狀況的基礎上，結合機械手方面的設計，對機械手技術進行了系統的分析，提出了用氣動驅動和 PLC 控制的設計方案。采用整體化的設計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點并進行互補優化。對物料分揀機械手的整體結構、執行結構、驅動系統和控制系統進行了分析和設計。在其驅動系統中采用氣動驅動，控制系統中選擇 PLC 的控制單元來完成系統功能的初始化、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、理論意義明確的控制策略。 通過以上部分的工作，得出了經濟型、實用型、高可靠型物料分揀機械手的設計方案，對其他經濟型 PLC 控制系統的設計也有一定的借鑒價值。 關鍵詞 : 機械手，氣動控制， 可編程控制器（ PLC）， 自動化控制，物料分揀。 貴州大學本科畢業論文（設計） 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 貴州大學本科畢業論文（設計） 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品應自動化設備更新時的需要，可以大量 代替單調往復或高精度需求的工作， 在先進制造領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。可以實現生產的機械化和自動化，能在 高溫、腐蝕及有毒氣體等環境下 操作以保護人身安全，可以廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工業和原子能等部門。 隨著工業的高速發展， 機械手作為前沿的產品應自動化設備更新時的需要， 已經在工業生產中得到了廣泛的應用。它可以搬運貨物、分揀物品、用以代替 人的繁重及單調勞動，實現生產的機械化和自動化；并能在 高溫、腐蝕及有毒氣體等有害環境下 操作以保護人身安全， 被廣泛應用 于機械制造、冶金、電子、輕工業和原子能等部門。 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技術，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡單、功耗低等優點，已成為目前在機械手控制系統中使用最多的控制方式。使用 PLC的自動控制系統具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優點。 適應工業需要，本課題試圖開發 PLC對物料分揀機械手的控制，并借助必要的精密傳感器，使其能夠對不同顏色的物料按預先設定的程序進行分揀，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中小批量自動化生產，廣泛應用于 柔性生產線。采用 PLC控制，是一種預先設定的程序進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區進行單調持久的作業，并且在產品變化或臨時需要對機械手進行新的分配任務時，可以允許方便的改動或重新設計其新部件，而對于位置改變時，只要重新編程，并能很快地投產，降低安裝和轉換工作的費用。本設計主要完成機械手的硬件部分與軟件部分設計。主要包括執行系統、驅動系統和控制系統的設計。 機械手在國內外現狀和發展趨勢 機械手最早應用在汽車制造工業，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 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 2 頁 環境中的工作；代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。目前主要應用于制造業中，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。工業機械手與數控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統可組成柔性制造系統 (FMS)和計算機集成制造系統，實現生產自動化。隨著生產的發展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。 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 70 年代初期，經過 30 多年發展，大致經歷了 3 個階段：70 年代萌芽期， 80 年代的開發期和 90 年代的應用化期。在我國，機械手市場份額大部分被國外機械手企業占據著。在國際強手面前，國內的機械手企業面臨著相當大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強國”邁進，中國制造業面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰，對我國工業自動化的提高迫在眉睫，政府務必會加大對機器人的資金投入和政策支持，將會給機械手產業發展注入新的動力。 隨著機械手發展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，機械手已在眾多領域得到了應用。從傳統的汽車制造領域向非制造領域延伸。如采礦機器人、建筑業機器人以及水電系統用于維護維修的機器人等。在國防軍事、醫療衛生、食品加工、生活服務等領域機械手的應用也越來越多。 在未來幾年，傳感技術，激光技術，工程網絡技術將會被廣泛應用在機械手工作領域，這些技術會使機械手的應用更為高效，高質，運行成本低。據猜測，今后機器人將在醫療、保健、生物技術和產業、教育、救災、海 洋開發、機器維修、交通運輸和農業水產等領域得到應用。 主要研究的內容 隨著機械手技術的飛速發展和機械手應用領域的不斷深化，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、可開發經濟性強。本論文主要研究物料分揀機械手以下幾個方面的內容： (1)物料分揀機械手執行系統的分析與選擇 執行系統是由傳動部件與機械構件組成，是機械手賴以實現各種運動的實體。主要 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 3 頁 包括機身、手臂、末端執行器 3部分組成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。執行系統的設計主要是對機械手的手部、手臂和機座進行設計。 (2)物料分揀機械手驅動系統的分析與選擇 驅動系統是向執行系統各部分提供動力的裝置。通過對液壓、氣壓、電氣三種驅動方式的比較，本設計選擇氣壓驅動的方式。內容包括氣動元件的選擇及其工作原理、氣動回路的設計和氣動原理圖的繪制。 (3)物料分揀機械手控制系統的設計 控制系統是機械手的指揮系統，它控制驅動系統，讓執行系統按規定的要求和時序進行工作。本機械手采用可編程控制器（ PLC）對機械手進行控制，主要包括對 PLC的型號選擇、傳感器類型進行選擇、 I/O口的選擇、對控制系統原理圖、自動程序梯形圖的繪制等內容。 解決的關鍵問題 1 解決機械手機械結構的設計問題，要求機械手結構簡單、經濟、具有一定的代表性。 2 執行部件的運動精度的問題。 3 機械手的控制系統，包括控制系統的電路和控制程序，并解決工件和控制 系統的協調問題。 4 元件的匹配規則和知識的獲取及其表達形式。 5 傳感器的類型選擇。 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 4 頁 第二章 執行系統的 分析與選擇 機器手的執行結構是機械手賴以實現各種運動的實體。執行機構的布局類型直接影響到機械手的工作性能。 執行機構坐標形式的選擇 機械手的基本型式較多，按手臂的坐標型式而言，主要 有四種基本型式：直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節式。下面就各型式機械手作簡單的分析對比： 直角坐標式機械手 直角坐標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，按直角坐標形式 X、 Y、 Z 三個方向的直線進行運動。 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 三個回轉運動，即構成六個自由度。 直角坐標式機械手的優點： （ 1） 產量大，節拍短，能滿足高速的要求； （ 2） 容易與生產 線上的傳送帶和加工裝配機械相配合； （ 3） 適于裝箱類、多工序復雜的工作，定位容易變更； （ 4） 定位精度高，載重發生變化是不回影響精度； （ 5） 易于實行數控，可與開環或閉環數控機械配合使用。 缺點：機械手的作業范圍較小。 圓柱坐標式機械手 圓柱坐標式機械手是應用最多的一種型式，它適用于搬運和測量工件。具有直觀性好，結構簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優點。 圓柱坐標式機械手的工作范圍可分為：一個旋轉運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在的平面內的旋轉運動；二個直線運動加一個旋轉運動。 圓柱坐標式機械手有五個基本動作： （ 1） 手臂水平回轉； （ 2） 手臂伸縮； 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 5 頁 （ 3） 手臂上下； （ 4） 手臂回轉動作； （ 5） 手爪夾緊動作。 圓柱式機械手的特點是在垂直導柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂