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)論文t(更新版)

　　

【正文】 制系統(tǒng)。 4）確定系統(tǒng)同時(shí)接通輸入 /輸出點(diǎn)的數(shù)量 對(duì)于選用高密度的輸入模塊 ( 如 32點(diǎn)、 48 點(diǎn)等 ) ，應(yīng)考慮該模塊同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)一般不要超過輸入點(diǎn)數(shù)的 60％。一般來講，同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不要超出同一公共端輸出點(diǎn)數(shù)的 60％。 二、 確定 PLC 的 容量 PLC 的容量包括 I／ O點(diǎn)數(shù)和用戶存儲(chǔ)容量?jī)蓚€(gè)方面。如果要跨范圍使用 PLC，或者某些功能或信號(hào)有特殊的速度要求時(shí)，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。 集中式不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程 I／ O硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠(yuǎn)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(yuǎn)程 I／ O可以分散安裝在現(xiàn)場(chǎng)裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動(dòng)器和遠(yuǎn)程 I／ O電源；多臺(tái) PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺(tái)設(shè)備分別獨(dú)立控制，又要相互聯(lián)系的場(chǎng)合，可以選用小型 PLC，但必須要附加通訊 模塊。 優(yōu)點(diǎn)： 提供抗噪聲干擾能力，簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)，改善空間利用率，降低組裝成本 ?？梢葬槍?duì)各個(gè)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 。 傳感器的選擇 傳感器是將被檢測(cè)對(duì)象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘?hào)的一種變換器。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃分與巧妙實(shí)現(xiàn)，對(duì)提高機(jī)械手整體可靠性、實(shí)用性具有重要的意義，同時(shí)也是降低制造成本、縮短開發(fā)周期的有效途徑。 (9)放物 小臂氣缸下降到指定位置時(shí)，撞到下限位開關(guān)， 使三位四通電磁閥 11 的電磁鐵 3YA斷電， 垂直手臂的下降 運(yùn)動(dòng)停止。 (7)擺動(dòng)氣缸的左旋 水平手臂氣缸回縮到指定位置時(shí)， 撞到后限位開關(guān)，使三位四通電磁閥 10 的電磁鐵 4YA 斷電，水平手臂的回縮動(dòng)作停止。 排氣路線： 2 空氣處理單元 → 儲(chǔ)氣罐 3→ 二位 二通電磁閥 13 → 真空發(fā)生器 22→ 消聲器 21。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 19 頁 排氣路線：氣缸 A 的有桿腔 → 單向調(diào)速閥 16→ 三位四通電磁換向閥 10 的排氣口 →調(diào)速閥 4→ 消聲器 5→ 排出。 氣動(dòng)回路的工作原理 物料分揀機(jī)械手的工作循環(huán)是：擺動(dòng)氣缸的右旋 → 水平手臂的伸出 → 垂直手臂的下降 → 吸物→垂直手臂的上升 → 水平手臂的縮回→擺動(dòng)氣缸的左旋→垂直手臂的下降→放物 → 垂直手臂的上升 →回到初始位置 。氣流由斜孔引入，氣流束相互撞擊、干涉、進(jìn)一步減速，再通過設(shè)在消聲器內(nèi)表面的吸聲材料消聲，最后排向大氣?？諝馓幚韱卧褪怯脕砬宄龎嚎s空氣的雜質(zhì)，提高空氣質(zhì)量的元件。 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。當(dāng)正向流動(dòng)時(shí)，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流。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。 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。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。本 設(shè)計(jì)選用容積型壓縮機(jī)。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 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 15 頁 還配有氣源凈化處理裝置、氣罐等附屬設(shè)備。日、美、德等國(guó)的氣動(dòng)元件銷售平均每年增長(zhǎng)超過 1015﹪。但也存在其油液容易泄露污染環(huán)境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。其結(jié)構(gòu)原理如圖 。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。無論哪一種形式，機(jī)械手工作時(shí)機(jī)座一定予以固定。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。往復(fù)直線油（ 氣）缸可以分為以下幾種。 2 手臂設(shè)計(jì)的要求： (1)手臂承載能力大、剛性好、自重輕。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。 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。 （ 3） 要保證工件在手指內(nèi)的定位精度。 （ 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。 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。 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。 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)。 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)。 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)。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。 目前，國(guó)際上的機(jī)械手公司主要分為日系和歐系。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。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(jì)） 第 1 頁 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。 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。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。在其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，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(jī)械手的移動(dòng)、故障報(bào)警等功能。 隨著工業(yè)的高速發(fā)展， 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， 已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。 機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)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(yùn)。 我國(guó)機(jī)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(gè)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(huì)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會(huì)使機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。內(nèi)容包括氣動(dòng)元件的選擇及其工作原理、氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)和氣動(dòng)原理圖的繪制。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 4 頁 第二章 執(zhí)行系統(tǒng)的 分析與選擇 機(jī)器手的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的實(shí)體。 缺點(diǎn)：機(jī)械手的作業(yè)范圍較小。 球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)八個(gè)動(dòng)作： （ 1） 手臂上下動(dòng)作，即俯仰動(dòng)作； （ 2） 手臂左右動(dòng)作，即回轉(zhuǎn)動(dòng)作 ； （ 3） 手臂前后動(dòng)作，即伸縮動(dòng)作； （ 4） 手腕上下彎曲； （ 5） 手腕左右擺動(dòng)； （ 6） 手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； （ 7） 手爪夾緊動(dòng)作； （ 8） 機(jī)械手的整體移動(dòng)。 關(guān)節(jié)式機(jī)械手有大臂和小臂的擺動(dòng)，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)?？梢詫⑹直刍剞D(zhuǎn)動(dòng)作改換成機(jī)械手的整體轉(zhuǎn)動(dòng)就可以滿足本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的動(dòng)作要求。常用的手部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與人手類似，是工業(yè)機(jī)械廣泛應(yīng)用的一種手部形式。 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(nèi)產(chǎn)生真空或負(fù)壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機(jī)械手常用的一種吸持工件 的裝置。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。手臂一般有三個(gè)運(yùn)動(dòng) — 伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。 (4)位置精度要高。機(jī)構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞桿運(yùn)動(dòng)；也可以是活塞桿固定，而缸體運(yùn)動(dòng)。手臂的導(dǎo)向裝置系根據(jù)安裝形式、結(jié)構(gòu)及負(fù)荷等條件來確定。 機(jī)座的結(jié)構(gòu)與機(jī)械手的總體布置有關(guān)，對(duì)專用機(jī)械手而言，傳動(dòng)和控制部分通常是單獨(dú)布置，故機(jī)座比較簡(jiǎn)單或不設(shè)機(jī)座。采用雙向推力球軸承就可以方便的將軸承內(nèi) 環(huán)與轉(zhuǎn)臺(tái)連接，外環(huán)用罩扣固定在底座上。 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，如圖 所示，大圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 11 頁 見 CAD 圖。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動(dòng)方式。 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）。 (2)要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。罐的型式可分為立式和臥式兩種。 擺動(dòng)氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動(dòng)式 擺動(dòng)氣缸分為單葉片式和雙葉片式。它包括調(diào)壓閥、溢流閥、順序閥及多功能組合閥。 (1) 單向型控制閥 單向閥是指氣流只能向一個(gè)方向流動(dòng)而不能反向流動(dòng)通過的閥，是最簡(jiǎn)單的單向型方向閥。換向閥 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 17 頁 是利用閥芯和閥體間相對(duì)位置的不同來變換不同管路間的通斷關(guān)系，實(shí)現(xiàn)接通、切斷，或改變流體方向的閥。 (3)使用三位四通電磁換向閥能夠快速實(shí)現(xiàn)氣缸的正反向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)的壓縮空氣是以接近音速的狀態(tài)進(jìn)入大氣，由于壓力的驟然變化，使空氣急速膨脹從而發(fā)出噪音，其音量 一般為 80dB～ 100dB，為了改善勞動(dòng)條件，應(yīng)使用消聲器。真空發(fā)生器的工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動(dòng)。實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)的工作原理如下 ： (1) 擺動(dòng)氣缸的右旋 按下啟動(dòng)按鈕， 右旋按鈕接通，使三位四通電磁換向閥 12 的 5YA 得電， 閥 12 的閥芯右移， 擺動(dòng)氣缸會(huì)執(zhí)行右旋的命令。 這時(shí)的氣路是： 進(jìn)氣路線： 2 空氣處理單元 → 儲(chǔ)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。 排氣路線：氣缸 B 的無桿腔 → 單向調(diào)速閥 17→ 三位四通電磁換向閥 11 的排氣口 →調(diào)速閥 6→ 消聲器 7→ 排出。 排氣路線：擺動(dòng)氣缸 C 的 D 口 → 單向調(diào)速閥 19→ 三位四通電磁換向閥 12 排氣口 →調(diào)速閥 8→ 消聲器 9→ 排出。 (10) 垂直手臂的上升 經(jīng)傳感器檢測(cè)到物料已脫離吸盤，發(fā)出訊號(hào)，經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，使三位四通電磁閥 11 的 4YA 得電，閥 11 的右位接入工作， 執(zhí)行 垂直手臂的上升 動(dòng)作。穩(wěn)定性是一般自動(dòng)控制必須滿足的基本要求，對(duì)穩(wěn)定性的研究是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的一個(gè)基本問題。位置檢測(cè)裝置檢測(cè)機(jī)械手動(dòng)作是否到位，滑覺傳感器是判別物料是否被穩(wěn)定吸住，視覺傳感器是為了完成機(jī)械手對(duì)物料的識(shí)別。要求使用外部電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，然后才能輸送到數(shù)字信號(hào)處理器。 控制系統(tǒng) PLC的選型及控制原理 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 一、 PLC 機(jī)型 的選擇 PLC 機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭(zhēng)最佳的性能價(jià)格比。 對(duì)于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶 A／ D 和 D／ A轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔 PLC。對(duì)可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。 3）確定應(yīng)選擇 PLC 的點(diǎn)數(shù) PLC 平均的 I／ O點(diǎn)的價(jià)格還比較高，因此應(yīng)該合理選用 PLC 的 I／ O點(diǎn)的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭(zhēng)使用的 I／ O點(diǎn)最少，但 必須留有一定的裕