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(留存版)

　　

【正文】 置模擬電路和數(shù)字電路預(yù)先確定，預(yù)先確定模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，光到數(shù)字轉(zhuǎn)換器適合要求抗噪聲能力、縮短設(shè)計周期、加快產(chǎn)品開發(fā)周期及光線條件和空間利用率設(shè)計精良的應(yīng)用。它主要被用于檢測系統(tǒng)本身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動作提供信息。經(jīng)時間繼電器延時， 使二位二通電磁 13 斷電，二位二通電磁閥 14 通電，真空發(fā)生器停止運動，真空消失，壓縮空氣進入吸盤 26，將物料與吸盤吹開 ，這時氣路為： 進氣路線： 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。 (5)垂直手臂的上升 經(jīng)傳感器檢測到物料已經(jīng)被吸起時，發(fā)出訊號，使三位四通電磁閥 11 的電磁鐵 4YA得電， 閥 11 的閥芯左移， 執(zhí)行小臂的上升動作。系統(tǒng)中選用電磁換向閥，限位開關(guān)，實現(xiàn)氣缸的往復(fù)運動。 消聲器 消聲器是降低排氣噪聲的裝置。當反向流動時，單向閥打開，不節(jié)流。氣動控制元件按功能分為壓力控制閥、 流量控制閥和方向控制閥。 儲氣罐 儲氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動，使輸出氣流連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應(yīng)急氣源使用，還可以進一步分離油水雜質(zhì)。許多工業(yè)發(fā)達國家的氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大速度發(fā)展， 氣動機械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實踐要求的一種重 要使用工具。其動作順序為：初始位置 → A右旋 → B前伸 → C氣缸下降 → D吸物料 → C上升 → B收縮 → A左旋 → C氣缸下降 → D放物料 → C上升 → 回到初始位置?？梢苿邮降臋C座在停置時能夠剎車定位，以保證機械手工作時的位置精度。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 9 頁 雙作用單活塞桿油缸 :液壓機械手中實現(xiàn)手臂的往復(fù)運動用得最多的是雙作用單活塞桿油缸。 真空吸盤機構(gòu)如圖 所示。 （ 4） 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。 球坐標式機械手和關(guān)節(jié)式機械手對動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，有很多動作是不必要的，顯得浪費和增加了制造的成本和難度。 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。 4 元件的匹配規(guī)則和知識的獲取及其表達形式。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護維修的機器人等。本設(shè)計主要完成機械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計。采用整體化的設(shè)計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點并進行互補優(yōu)化。對物料分揀機械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域機械手的應(yīng)用也越來越多。 5 傳感器的類型選擇。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。 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。 （ 5） 通用性和可換性。 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)。活塞在油壓下作雙向運動。根據(jù)本機械手的設(shè)計要求選用落地固定式機座。機械手的動作在整個過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。 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。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。 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。 (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。壓縮空氣完成驅(qū)動工作后，由換向閥的排氣口排入大氣。二位二通電磁閥實現(xiàn)吸盤的吸物和放物。 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。 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。 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。 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)。 (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。 (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。 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。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。 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。 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。 (6)水平手臂的回縮 小臂氣缸上升到指定位置時， 撞到上限位開關(guān)，使三位四通電磁閥 11 的電磁鐵 4YA 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 20 頁 斷電，小臂上升動作停止。 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 左端 → 單向調(diào)速閥19→ 擺動氣缸 C 的 D 口。常用的消聲器有三種類型吸收型、膨脹型和吸收膨脹型。它的用途很廣，種類也很多。 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。本設(shè)計選用立式儲氣罐，因為它的進氣口在下，出氣口在上，以利用進一步分離空氣中的油、水。其氣動驅(qū)動系統(tǒng)原理圖如圖 所示。 1右旋限位開關(guān) 2 左旋限位開關(guān) 3 回縮限位開關(guān) 4 前伸限位開關(guān) 5 上升限位開關(guān) 6 下降限位開 關(guān) A 擺動氣缸 B前伸 /回縮氣缸 C上升 /下降氣缸 D 真空吸盤 圖 執(zhí)行機構(gòu)簡圖 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 12 頁 第三章 驅(qū)動系統(tǒng)的 分析與選擇 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。對通用機械手而言，傳動部分布置在機架內(nèi)部或后下方，控制部分則布置在機座的后上方或單獨布置一個控制箱。 雙作用雙活塞桿油缸：當需要很大的行程時，將油缸做的很長、體積很大，則加工上有困難。手臂的基本動作是將手部移動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。它由吸盤、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)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(zhì)致密，沒有透氣空隙。這樣的修改并沒有改變機械手的總體結(jié)構(gòu)，只是進行了局部變動，使得整個系統(tǒng)經(jīng)濟、實惠，所以確定用圓柱坐標式機械手。 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(nèi)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。執(zhí)行機構(gòu)的布局類型直接影響到機械手的工作性能。據(jù)猜測，今后機器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海 洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。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(yè)論文（設(shè)計） 第 2 頁 環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。最后提出了一種簡單、易于實現(xiàn)、理論意義明確的控制策略?？梢詫崿F(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因此被廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā) 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?qū)Σ煌伾奈锪习搭A(yù)先設(shè)定的程序進行分揀，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于 柔性生產(chǎn)線。 隨著機械手發(fā)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(lǐng)域得到了應(yīng)用。 2 執(zhí)行部件的運動精度的問題。 圓柱坐標式機械手有五個基本動作： （ 1） 手臂水平回轉(zhuǎn)； （ 2） 手臂伸縮； 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 5 頁 （ 3） 手臂上下； （ 4） 手臂回轉(zhuǎn)動作； （ 5） 手爪夾緊動作。本設(shè)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(zhuǎn)。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 7 頁 （ 2） 手指應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力。 通過 以上對手部的分析真空式具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機械手的正常工作等優(yōu)點。驅(qū)動機構(gòu)一般用油缸、油馬達加齒輪、齒條來實現(xiàn)直線運動。 機座結(jié)構(gòu)從形式上分為落地式和懸浮式，或分為固定式、可移動式和行走式。機械手的動作基本有伸縮、升降、左右旋轉(zhuǎn)、吸物和放物等動作。據(jù)統(tǒng)計：在工業(yè)發(fā)達國家中，全部自動化流程中約有 30﹪裝有氣動系統(tǒng)，有 90﹪的包裝機械， 70﹪的鑄造、焊接設(shè)備，50﹪的自動操機、 40﹪的鍛造設(shè)備和洗衣設(shè)備、 30﹪的采煤機械， 20﹪的紡織機械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機械， 43﹪的工業(yè)機器人裝有氣壓系統(tǒng)。容積型結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。 本設(shè)計采用雙葉片式擺動氣缸，這樣就能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以利于機械手的轉(zhuǎn)動。當流體正向流動時，其節(jié)流過程與調(diào)速閥是一樣的，節(jié)流縫隙的大小可通過手柄進行調(diào)節(jié)；當流 體反向流動時，靠流體的壓力把閥芯壓下，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實現(xiàn)流體反向自由流動。壓縮的空氣中含有各種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在會降低氣動元件的耐用度和性能，造成誤動作和事故，必須清除。將吸盤與真空發(fā)生裝置連接，吸盤內(nèi)部空間的空氣被抽去，當吸盤接觸到工件時，大氣和吸盤之間形成了密封，就會吸住物料，吸氣大小與大氣壓和吸盤內(nèi)部空間的壓力差成正比。 這時的氣路是： 進氣路線： 2 空氣處理單元 → 儲氣罐 3→ 二位二通電磁閥 13→ 真空發(fā)生器 22→ 過濾器 25→ 吸盤 26。 排氣路線：氣缸 B 的有桿腔 → 單向調(diào)速閥 18→ 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。因此，穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)性能好壞的一項重要指標，控制系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)之一就是在兼顧其他性能指標的情 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 24 頁 況下，使穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小或者小于某個允許的限制值。輸出允許直接接口微控制器或其它邏輯控制通路，如 2 線串行接口，以進一步處理信號，而不需額外的器件。 (4) 滿足 響應(yīng)速度 要求 PLC 是為工業(yè)自動化設(shè)計的通用控制器，不同檔次 PLC 的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 28 頁 同時接通輸出設(shè)備的累計電流值必須小于公共端所允許通過的電流 值，如一個220V／ 2A 的８點輸出模塊，每個輸出點可承受 2A的電流，但輸出公共端允許通過的電流并不是 16A(8 2A) ，通常要比此值小得多。 本課題的要求不高，不需要考慮配備上位計 算機，但為了方便采購和管理等我們還是要求機型要統(tǒng)一。 (2) 確定合理的 安裝方式 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 26 頁 PLC 系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程 I／ O式以及多臺 PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式。 優(yōu)點： 設(shè)計