基于plc的物料分揀機械手自動化控制系統(tǒng)設(shè)計論文t(文件)

　

【正文】 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。 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。 5 傳感器的類型選擇。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。 直角坐標式機械手的優(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。 圓柱坐標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。它的工作范圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。所以工作效率高。關(guān)節(jié)式機械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。 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 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 6 頁 雜程度以及經(jīng)濟情況等方面來考慮。 圓柱坐標式機械手能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉(zhuǎn)動等動作。 （ 2） 臂部 是機械手用來支持腕部與手部實現(xiàn)較大的運動范圍的部件。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，手部機構(gòu)也是多種多樣。 夾持式手部設(shè)計時應(yīng)注意以下事項： （ 1） 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。 （ 5） 通用性和可換性。 氣吸式又可分為： 負壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤。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，在吸氣口處形成負壓。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。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 8 頁 圖 吸盤機構(gòu)圖 手臂結(jié)構(gòu)的選擇 手臂是機械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運動的機構(gòu)。 (2)導向裝置，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)手臂的動作要靈活。 手臂作直線運動的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動機構(gòu)和導向裝置所組成。活塞在油壓下作雙向運動。其缺點是一次行程有兩種速度。 4 導向裝置 機械手手臂在進行伸縮運動時，為防止手臂沿伸縮方向向中軸線轉(zhuǎn)動、加大承載能力，以及提高運動精度，必須設(shè)有導向裝置。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。根據(jù)本機械手的設(shè)計要求選用落地固定式機座。如果水平缸、垂直缸和手部機構(gòu)直接安裝到擺動氣缸的輸出軸上，機構(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。選擇雙向推力球軸承而不是單向的，因為機座與轉(zhuǎn)臺在軸向上無法直接連接。其中機座采用擺動氣缸進行驅(qū)動，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動。機械手的動作在整個過程中都是連續(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)動方式。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。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)。 表 給出了各種控制方式的比較： 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 13 頁 表 各種控制方式的比較 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)計的要求，而且節(jié)約了成本。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械手臂的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運動方向；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。容積型壓縮機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。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。 氣缸輸出直線往復式 氣缸是氣動執(zhí)行元件之一。其工作原理：對于前伸 /回縮氣缸，當左側(cè)無桿腔進氣，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，當上側(cè)無桿腔進氣，下側(cè)有桿腔排氣時，活塞桿下降，反之活塞桿上升。這樣雙葉片式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將是單葉片式的 2 倍。 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。 調(diào)速閥是根據(jù) “ 流量負反饋 ” 原理設(shè)計而成的單路流量閥。 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。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。 (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。 按換向閥的操縱方式有：手動式、機動式、電磁式、液動式、電液動式、氣動式。 (2)當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。 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。壓縮空氣完成驅(qū)動工作后，由換向閥的排氣口排入大氣。膨脹型消聲器的結(jié)構(gòu)比較簡單，相當于一段比排氣口徑大的管件，當氣流通過時，讓氣流在其內(nèi)部擴散、膨脹、碰壁撞擊、反射、相互干涉而消聲。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 18 頁 真空發(fā)生器 真空發(fā)生器的作用主要是使吸盤的橡膠皮碗形成真空而 將工件吸附。真空吸盤之所以能吸附在工件上的原因是由于環(huán)境壓力（大氣壓力）大于吸盤與工件之間的壓力。二位二通電磁閥實現(xiàn)吸盤的吸物和放物。 (2) 水平氣缸的伸出 當 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。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。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將物料吸起。 這時的氣路是： 進氣路線： 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。 這時的氣路是： 進氣路線： 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16→ 氣缸 A 的有桿腔。 這時的氣路是： 進氣路線： 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20→ 擺動氣缸 C 的 E 口。 這時的氣路是： 進氣路線： 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17→ 氣缸 B 的無桿腔。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 21 頁 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。 (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)，接通復位按鈕，回到初始位置，重復以上動作。 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 23 頁 控制系統(tǒng)的性能要求 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動性能從偏離平衡點恢復到原平衡點狀態(tài)的能力。控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越小，說明控制精度越高。 根據(jù)本設(shè)計的要求需要對位置檢測裝置、滑覺傳感器、 視覺傳感器進行選用。可以使用外部電路，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。 (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。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 25 頁 (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。 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)濟效益，綜合其各種情況，在本設(shè)計，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)更容易實現(xiàn)。 考慮此系統(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。 （ 3) 滿足 相應(yīng)的功能 要求 一般小型 ( 低檔 ) PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，對于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。 此系統(tǒng)只需用開關(guān)量控制，選用一般小型 PLC即可。 (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。 以保證 其模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理 ； 有利于技術(shù)力量的培訓和技術(shù)水平的提高 ； 其外部設(shè)備 可以 通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計算機后易于形成一個多級分布式控制系統(tǒng)。 2）確定系統(tǒng)的實際輸出點數(shù) 系統(tǒng)有手臂左旋、右旋、伸出、縮回、上升、下降、吸物、放物的電磁閥動作，報警指示燈、原位指示燈及 自動 /手動指示燈工作，一 共 12 個輸出點。 4）確定系統(tǒng)同時接通輸入 /輸出點的數(shù)量 對于選用高密度的輸入模塊 ( 如 32點、 48 點等 ) ，應(yīng)考慮該模塊同時接通的點數(shù)一般不要超過輸入點數(shù)的 60％。 (2)系統(tǒng) 存儲容量 的選擇 PLC 的 I／ O點數(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／O點數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式。一般來講，同時接通的點數(shù)不要超出同一公共端輸出點數(shù)的 60％。 通常 I／ O點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上 10％ 到 15％的裕量來確定。 二、 確定 PLC 的 容量 PLC 的容量包括 I／ O點數(shù)和用戶存儲容量兩個方面。 本系統(tǒng)選用 一般系統(tǒng) PLC能夠滿足要求，不需要考慮太多此方面的問題。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／ O處理功能的 PLC，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的 PLC 等。 對于控制較復雜，要求實現(xiàn) PID 運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復雜程度，選用中檔或高檔 PLC。 集中式不需要設(shè)置驅(qū)動遠程 I／ O硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠程 I／ O式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程 I／ O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)動器和遠程 I／ O電源；多臺 PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設(shè)備分別獨立控制，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。選擇時主要考慮以下幾點： (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。 優(yōu)點： 提供抗噪聲干擾能力，簡化外圍電路設(shè)計，改善空間利用率，降低組裝成本 。 優(yōu)點：簡化外設(shè)電路設(shè)計，改善空間利用效率，降低組裝成本。可以針對各個應(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 。 位置檢測裝置 滑覺傳感器 視覺傳感器 ： NPN 和 PNP、繼電器和模擬輸出。 傳感器的選擇 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。 (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。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃分與巧妙實現(xiàn)，對提高機械手整體可靠性、實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。 這時的氣路是： 進氣路線： 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。 (9)放