plc的物料分揀機械手自動化控制系統設計畢業論文(已修改)

　

【正文】 PLC的物料分揀機械手自動化控制系統設計畢業論文目 錄第一章 執行系統的分析與選擇 167。 167。 執行機構的組成 167。 執行機構各部分的分析與選擇 167。 手部的選擇 167。 手臂結構的選擇 167。 機座結構的選擇 167。 執行機構的工作原理 167。 執行機構簡圖 第二章 驅動系統的分析與選擇 167。 驅動系統的分析與選擇 167。 機械手驅動系統的控制設計 167。 氣動元件選取及工作原理 167。 氣源裝置 167。 執行元件 167。 控制元件 167。 輔助元件 167。 真空發生器 167。 吸盤 167。 氣動回路的工作原理 第三章 控制系統的分析設計 167。 控制系統的組成結構 167。 控制系統的性能要求 167。 傳感器的選擇 167。 位置檢測裝置 167。 滑覺傳感器 167。 視覺傳感器 控制系統PLC的選型及控制原理 167。 PLC控制系統設計的基本原則 167。 PLC種類及型號選擇 167。 I/O點數分配 167。 PLC外部接線圖 167。 機械手控制原理 PLC程序設計 167。 總體程序框圖 167。 初始化及報警程序 167。 手動控制程序 167。 自動控制程序 結論 參考文獻 致 謝 附 錄 前 言 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?？梢詫崿F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。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。第一章 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。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；（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，手臂可做上下直線運動和水平面內做圓弧狀的左右擺動。球坐標式機械手球坐標式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它的工作范圍包括：一個旋轉運動；二個旋轉運動；二個旋轉運動加一個直線運動。球坐標式機械手可實現八個動作：（1） 手臂上下動作，即俯仰動作；（2） 手臂左右動作，即回轉動作；（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） 手腕旋轉運動；（7） 手爪夾緊動作；（8） 機械手的整體移動。球坐標式機械手的特點是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內作圓弧狀上下俯仰動作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作范圍和人的手類似。它的特點能能自動選擇最合理的動作路線。所以工作效率高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。關節式機械手關節式機械手是一種適用于靠近機體操作傳動型式。它像人手一樣有肘關節，可以實現多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄的空間工作。關節式機械手，早在四十年代就在原子能工業中得到應用，隨后在開發海洋中應用，有一定的發展前途。關節式機械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關節和肩關節的運動。它還具有上肢結構，可實現近似于人手操作的機能。為具有近似人手的操作機能，需要研制最合適的結構。機械手型式的選擇首先是從滿足它的運動要求方面進行考慮， 然后從機械手的復雜程度以及經濟情況等方面來考慮。本設計中的機械手主要動作為機械手手臂的左右移動，升降移動和機械手的整體旋轉。直角坐標式機械手雖然具備手臂的伸縮上下、左右直線運動等動作，但是不具備機械手整體旋轉動作，所以不考慮用直角坐標式機械手。球坐標式機械手和關節式機械手對動作要求方面足夠滿足要求，但是它們的結構都比較復雜，有很多動作是不必要的，顯得浪費和增加了制造的成本和難度。圓柱坐標式機械手能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉動等動作。可以將手臂回轉動作改換成機械手的整體轉動就可以滿足本設計中機械手的動作要求。這樣的修改并沒有改變機械手的總體結構，只是進行了局部變動，使得整個系統經濟、實惠，所以確定用圓柱坐標式機械手。 執行機構的組成 工業機械手的執行系統主要以下機械部分組成：（1） 手部 是機械手直接握持工件或工具的部分。（2） 臂部 是機械手用來支持腕部與手部實現較大的運動范圍的部件。（3） 立柱 支承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機構。（4） 機座 是機械手用來支撐臂部，并安裝驅動裝置及其他裝置的部分。 執行機構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。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態的不同，手部機構也是多種多樣。常用的手部結構按其握持原理可以分為如下兩類:1）夾持式夾持式手部的結構與人手類似，是工業機械廣泛應用的一種手部形式。它主要由手指、傳動機構、驅動機構組成。其又可分為內撐式、外夾式和內外夾持式，區別在于夾持工件的部位不同，手爪動作方向相反。夾持式手部設計時應注意以下事項：（1） 手指應有一定的開閉范圍。（2） 手指應具有適當的夾緊力。（3） 要保證工件在手指內的定位精度。（4） 結構緊湊，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，它是通過吸盤內產生真空或負壓，利用壓差而將工件吸附，是工業機械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進排氣系統組成，具有結構簡單、質量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優點；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質致密，沒有透氣空隙。主要適應于板材、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壓縮空氣高速進入噴嘴時，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，致使氣流速度繼續增高，在吸氣口處形成負壓。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吸盤按壓在工件的表面，擠出吸盤內的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產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量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常