毕业论文定稿-球型工件气动机械手设计

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763上海电机学院本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：球 型 工 件 气 动 机 械 手 设 计学 院： XXXXXXXXX 专 业：XXXXXXXXXXXXXXXX 班 级： XXXXXXX 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2013 年 04 月 19 日上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 I 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763目 录目 录 I摘 要 IIIAbstractIV第一章 前言 .11.1 研究的目的及意义 11.2 机械手在国内外现状和发展趋势 11.3 主要研究的内容 21.4 解决的关键问题 3第二章 执行系统的分析与选择 .42.1 执行机构坐标形式的选择 .42.2 执行机构的组成 62.3 执行机构各部分的分析与选择 62.3.1 手部的选择 62.3.2 手臂结构的选择 82.4 执行机构的工作原理 9第三章 驱动系统的分析与选择 103.1 驱动系统的分析与选择 .103.2 机械手驱动系统的控制设计 .113.3 气动元件选取及工作原理 .123.3.1 气源装置 .123.3.2 执行元件 .133.3.3 控制元件 .133.3.4 辅助元件 .153.3.5 真空发生器 .153.3.6 吸盘 .15第四章 控制系统的分析设计 174.1 控制系统的组成结构 .174.2 控制系统的性能要求 .174.3 传感器的选择 .184.3.1 位置检测装置 .184.4 控制系统 PLC 的选型及控制原理 .184.4.1 PLC 控制系统设计的基本原则 .184.4.2 PLC 种类及型号选择 .234.4.3 I/O 点数分配 .234.4.4 PLC 外部接线图 .244.5 PLC 程序设计 .25第五章 球型工件气动机械手机械结构的设计 .285.1 X 轴机构的设计 285.1.1 导轨的选择 285.1.2 丝杠的选择 31上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 II 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 13041397635.1.3 步进电机的选择 335.2 Y 轴传动部分设计 34第六章 总结与展望 35参考文献 36致 谢 37上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 III 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763摘 要机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用步进电机和气动驱动和 PLC 控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对球型工件气动机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择 PLC 的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型球型工件气动机械手的设计方案，对其他经济型 PLC 控制系统的设计也有一定的借鉴价值。关键词: 机械手，气动控制，可编程控制器（PLC） ，自动化控制。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 IV 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763Abstract 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, combining 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 complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. We used pneumatic-driven in the driving system, PLC control unit in the control system to complete initialization of the system, manipulators 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, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design. Key words: manipulator ；pneumatic-driven； programmable logic controller (PLC)； automatic control；上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 1 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763第一章 前言1.1 研究的目的及意义机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。1.2 机械手在国内外现状和发展趋势机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC 、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的 C0毗U及奥地利的工GM公司。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 2 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763我国机械手起步于 20 世纪 70 年代初期，经过 30 多年发展，大致经历了 3 个阶段：70 年代萌芽期，80 年代的开发期和 90 年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。1.3 主要研究的内容随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究球型工件气动机械手以下几个方面的内容：(1)球型工件气动机械手执行系统的分析与选择执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。主要包括X轴，Y轴，Z轴3部分组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。(2)球型工件气动机械手驱动系统的分析与选择驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择气压驱动的方式。内容包括气动元件的选择及其工作原理、气动回路的设计和气动原理图的绘制。(3)球型工件气动机械手控制系统的设计控制系统是机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。本机械手采用可编程控制器（PLC）对机械手进行控制，主要包括对PLC的型号选择、传感器类型进行选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 3 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763图的绘制等内容。1.4 解决的关键问题1 解决机械手机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济、具有一定的代表性。2 执行部件的运动精度的问题。3 机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制 系统的协调问题。4 元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。5 传感器的类型选择。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 4 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763第二章 执行系统的分析与选择机器手的执行结构是机械手赖以实现各种运动的实体。执行机构的布局类型直接影响到机械手的工作性能。2.1 执行机构坐标形式的选择机械手的基本型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。下面就各型式机械手作简单的分析对比：1、直角坐标式机械手直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩、左右和上下移动，按直角坐标形式 X、Y 、Z 三个方向的直线进行运动。其工作范围可以是一个直线运动；两个直线运动或三个直线运动。如在 X、Y 、Z三个直线运动方向上个具有 A、B、C 三个回转运动，即构成六个自由度。直角坐标式机械手的优点：（1） 产量大，节拍短，能满足高速的要求； （2） 容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合；（3） 适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更；（4） 定位精度高，载重发生变化是不回影响精度；（5） 易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。缺点：机械手的作业范围较小。2、圆柱坐标式机械手圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在的平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。圆柱坐标式机械手有五个基本动作：（1） 手臂水平回转；（2） 手臂伸缩；上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 5 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763（3） 手臂上下；（4） 手臂回转动作；（5） 手爪夹紧动作。 圆柱式机械手的特点是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可做上下直线运动和水平面内做圆弧状的左右摆动。3、球坐标式机械手球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手可实现八个动作：（1） 手臂上下动作，即俯仰动作；（2） 手臂左右动作，即回转动作；（3） 手臂前后动作，即伸缩动作；（4） 手腕上下弯曲；（5） 手腕左右摆动；（6） 手腕旋转运动；（7） 手爪夹紧动作；（8） 机械手的整体移动。球坐标式机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧状上下俯仰动作，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人的手类似。它的特点能能自动选择最合理的动作路线。所以工作效率高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。4、关节式机械手关节式机械手是一种适用于靠近机体操作传动型式。它像人手一样有肘关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄的空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。它还具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手的操作机能，需要研制最合适的结构。机械手型式的选择首先是从满足它的运动要求方面进行考虑， 然后从机械手的复上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 6 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763杂程度以及经济情况等方面来考虑。本设计中的机械手主要动作为机械手手臂的左右移动，升降移动和机械手的整体旋转。球坐标式机械手和关节式机械手对动作要求方面足够满足要求，但是它们的结构都比较复杂，有很多动作是不必要的，显得浪费和增加了制造的成本和难度。直角坐标式机械手具备手臂的伸缩上下、左右直线运动等动作，可以满足本设计中机械手的动作要求。这样的修改并没有改变机械手的总体结构，只是进行了局部变动，使得整个系统经济、实惠，所以确定用直角坐标式机械手。2.2 执行机构的组成工业机械手的执行系统主要以下机械部分组成：（1）手部 是机械手直接握持工件或工具的部分。（2）臂部 是机械手用来支持腕部与手部实现较大的运动范围的部件。（3）立柱 支承手臂并带动它升降、摆动和移动的机构。（4）机座 是机械手用来支撑臂部，并安装驱动装置及其他装置的部分。2.3 执行机构各部分的分析与选择2.3.1 手部的选择1 手部形式的确定手部就是用来握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部机构也是多种多样。常用的手部结构按其握持原理可以分为如下两类:1）夹持式夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。夹持式手部设计时应注意以下事项：（1）手指应有一定的开闭范围。（2）手指应具有适当的夹紧力。（3）要保证工件在手指内的定位精度。（4）结构紧凑，重量轻，效率高。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 7 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763（5）通用性和可换性。2）气吸式气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。气吸式又可分为：负压吸盘：真空式、喷气式、自挤式空气吸盘。磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在管路的最小截面处，气流速度达到临界速度，此时的气体受压，密度加大。在排气管路中因界面逐渐增大，气流膨胀减压而使密度大大下降，致使气流速度继续增高，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同，故形成真空，以吸住工件。自挤式空气吸盘的工作原理是将软质吸盘按压在工件的表面，挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。磁吸式手部不会破坏被吸附表面质量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑，影响正常工作。通过以上对手部的分析真空式具有结构简单、质量轻、不损伤工件、使用方便、不影响机械手的正常工作等优点。而且满足所设计机械手的要求，所以选用真空式吸盘。真空吸盘机构如图 2.1 所示。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 8 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763图 2.1 吸盘机构图2.3.2 手臂结构的选择手臂是机械手的主要部分，是支撑手腕、手指和工件并使它们运动的机构。手臂一般有三个运动伸缩、旋转和升降。手臂的基本动作是将手部移动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。1 手臂的组成：(1)动作元件，如油缸、汽缸、齿条、凸轮等是驱动手臂运动的部件。(2)导向装置，是保证手臂的正确方向及承受由工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。(3)手臂，起着连接和承受外力的作用。 2 手臂设计的要求：(1)手臂承载能力大、刚性好、自重轻。(2)手臂的运动速度要适当，惯性要小。(3)手臂的动作要灵活。(4)位置精度要高。(5)通用性要强。3 手臂的结构手臂的伸缩和升降运动一般采用直线油（气）缸驱动。手臂作直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置所组成。驱动机构一般用油缸、油马达加齿轮、齿条来实现直线运动。往复直线油（气）缸可以分为以下几上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 9 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763种。双作用单活塞杆油缸:液压机械手中实现手臂的往复运动用得最多的是双作用单活塞杆油缸。活塞在油压下作双向运动。机构上可以是油缸体固定、活塞杆运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。双作用双活塞杆油缸：当需要很大的行程时，将油缸做的很长、体积很大，则加工上有困难。如做成伸缩式双活塞杆油缸，既能满足行程要求，油缸的体积又小。其缺点是一次行程有两种速度。丝杆螺母机构：该机构传动的特点是易于自锁，但传动效率低。如采用滚珠丝杠，效率可以提高，但因其较长，制造比较困难。本机械手的手臂有往复的直线运动，不需要很大的行程，考虑到结构的简单性和设计的经济性，选用缸体固定活塞杆运动的双作用单活塞杆气缸。2.4 执行机构的工作原理球型工件气动机械手的结构主要由X轴方向运动、 Y轴方向运动、Z轴方向运动、电磁阀和吸盘等组成。其中X、Y轴采用步进电机进行驱动，Z轴采用单活塞杆双作用气缸驱动。机械手的动作基本有上下、左右前后、吸物和放物等动作。其动作顺序为：初始位置 X轴左移 Y轴正方向移动 Z轴气缸下降 吸物料 Z轴上升 Y轴反方向移动X轴右移 Z轴气缸下降 放物料 Z轴上升回到初始位置。机械手的动作在整个过程中都是连续可循环的。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 10 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763第三章 驱动系统的分析与选择机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。机械手的驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。3.1 驱动系统的分析与选择液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术” ，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。据统计：在工业发达国家中，全部自动化流程中约有 30装有气动系统，有 90的包装机械，70的铸造、焊接设备，50的自动操机、40的锻造设备和洗衣设备、30的采煤机械，20的纺织机械、制鞋业、木材加工、食品机械，43的工业机器人装有气压系统。日、美、德等国的气动元件销售平均每年增长超过 10-15。许多工业发达国家的气动元件产值已接近液压元件的产值，且仍以较大速度发展，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。表 3.1 给出了各种控制方式的比较：上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 11 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763表 3.1 各种控制方式的比较通过以上三种驱动方式的比较选用气动驱动的方式，不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本。3.2 机械手驱动系统的控制设计根据球型工件气动机械手的要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要是直线运动（缸体固定，活塞杆运动） ；上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 12 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763图 3.1 驱动系统原理图气动系统包括一个个三位四通电磁换向阀、两个二位二通电磁阀、一个个气缸、一个吸盘、两个调速阀、消声器（若干）等。图中的调速阀控制气缸上升和下降速度，防止速度过大对物料的冲击；三位四通电磁换向阀是改变气缸的运动方向；真空发生器的工作原理利用气体的喷射产生真空吸附物料，其主要功能是实现对物料的吸取和释放，真空发生器的动作是由二位二通电磁阀控制的。3.3 气动元件选取及工作原理气压驱动是利用压缩气体的压力能来实现能量传递的一种方式，其介质主要是空气，也包括燃气和蒸汽。典型的气压传动系统由以下四部分组成：3.3.1 气源装置气源装置是获得具有一定能量的压缩空气的装置，其主体部分是空气压缩机，有的还配有气源净化处理装置、气罐等附属设备。它将原动机提供的机械能转变为气体的压力能。气压传动对气源的要求：(1)要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量。(2)要求压缩空气有一定的清洁度和干燥度。下面对于主要的气源装置元件进行如下介绍：1、空气压缩机空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置，是气源主要的设备。按结构和工作上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 13 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763原理可分为速度型和容积型两大类。容积型压缩机是利用特殊形状的转子或活塞压缩吸入封闭容积室空气的体积来增加空气的压力。容积型结构简单、使用方便。本设计选用容积型压缩机。2、储气罐储气罐可以调节气流，减少输出气流的脉动，使输出气流连续和气压稳定，也可以作为应急气源使用，还可以进一步分离油水杂质。储气罐上装有安全阀，使其极限压力比正常工作压力高 10%，并装有指示罐内压力的压力表和排污阀等。罐的型式可分为立式和卧式两种。本设计选用立式储气罐，因为它的进气口在下，出气口在上，以利用进一步分离空气中的油、水。3.3.2 执行元件执行元件是以压缩空气为工作介质产生机械运动，并将气体的压力能转变为机械能的能量转换装置，如气缸输出直线往复式机械能，摆动气缸输出回转摆动式机械能。1、气缸输出直线往复式气缸是气动执行元件之一。目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。其工作原理：对于前伸/ 回缩气缸，当左侧无杆腔进气，右侧有杆腔排气时活塞杆前伸，反之，活塞杆回缩；对于上升/下降气缸，当上侧无杆腔进气，下侧有杆腔排气时，活塞杆下降，反之活塞杆上升。2、摆动气缸输出回转摆动式摆动气缸分为单叶片式和双叶片式。单叶片式摆动气缸：压缩空气由进气口输入，作用在叶片上，带动轴回转产生转矩，另一腔的空气从排气口排出。双叶片式摆动气缸：从进气口进入的压缩空气作用在一个叶片上，同时通过轴上的气路也作用在另一叶片上带动轴回转。这样双叶片式产生的转矩将是单叶片式的 2倍。本设计采用双叶片式摆动气缸，这样就能产生更大的转矩，以利于机械手的转动。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 14 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 13041397633.3.3 控制元件控制元件是用来调节压缩空气的压力、流量和控制其流动方向，使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。气动控制元件按功能分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。1、压力控制阀调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀。它包括调压阀、溢流阀、顺序阀及多功能组合阀。调压阀是出口侧压力可调，并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀。溢流阀是在回路中的压力达到阀的规定值时，使部分气体从排气侧排出，以保持回路内的压力在规定值的阀。调速阀是根据“流量负反馈”原理设计而成的单路流量阀。调速阀一般用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中。调速阀根据“串联减压式”和“并联溢流式” ，又分为调速阀和溢流节流阀两种主要类型。本设计选用串联减压式调速阀。2、方向控制阀方向控制阀是改变压缩空气流动方向和气流通断状态，使气动执行元件的动作或状态发生变换的控制阀，其通常可分为单向型控制阀和换向型控制阀两类。(1) 单向型控制阀单向阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀，是最简单的单向型方向阀。在气动系统中，单向阀除单独使用之外，经常与流量阀、换向阀和压力阀组合成只能单向控制的阀。单向调速阀就是单向阀与节流阀并联而成。单向调速阀是把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。当流体正向流动时，其节流过程与调速阀是一样的，节流缝隙的大小可通过手柄进行调节；当流体反向流动时，靠流体的压力把阀芯压下，下阀芯起单向阀作用，单向阀打开，可实现流体反向自由流动。当正向流动时，经过节流阀节流。当反向流动时，单向阀打开，不节流。(2) 换向型控制阀换向型方向控制阀按控制方式分类，分为气压控制、电磁控制、人力控制。换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系，实现接通、切断，或改变流体方向的阀。它的用途很广，种类也很多。换向阀的性能的主要要求是：（1）油液流经换向阀时的压力损失小；（2）互不上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 15 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763相通的油口间的泄漏小；（3）换向可靠、迅速且平稳无冲击。按换向阀的操纵方式有：手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、气动式。按工作位置数和控制的通道数有：二位二通阀、二位三通阀、二位四通阀、二位五通阀、三位四通阀、三位五通阀等。本设计选用三位四通电磁换向阀理由如下：(1) 电磁换向阀是利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置。由于它操作轻便，易于实现自动化，因此应用广泛。(2)当三位四通电磁换向阀两端电磁铁都断电时，阀芯处于中位，各口互不相通。(3)使用三位四通电磁换向阀能够快速实现气缸的正反向运动。3.3.4 辅助元件辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的。可分为气源净化装置和其他辅助元件两大类。1、气源净化装置过滤器、调压阀和油雾器等组合在一起称为空气处理单元，又称为气动三联件。压缩的空气中含有各种杂质，这些杂质的存在会降低气动元件的耐用度和性能，造成误动作和事故，必须清除。空气处理单元就是用来清除压缩空气的杂质，提高空气质量的元件。2、消声器消声器是降低排气噪声的装置。压缩空气完成驱动工作后，由换向阀的排气口排入大气。此时的压缩空气是以接近音速的状态进入大气，由于压力的骤然变化，使空气急速膨胀从而发出噪音，其音量一般为 80dB100dB，为了改善劳动条件，应使用消声器。常用的消声器有三种类型吸收型、膨胀型和吸收膨胀型。吸收型消声器是依靠吸声材料来消声的。膨胀型消声器的结构比较简单，相当于一段比排气口径大的管件，当气流通过时，让气流在其内部扩散、膨胀、碰壁撞击、反射、相互干涉而消声。吸收膨胀型消声器是上述两种的结合。气流由斜孔引入，气流束相互撞击、干涉、进一步减速，再通过设在消声器内表面的吸声材料消声，最后排向大气。本设计选用膨胀型消声器。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 16 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 13041397633.3.5 真空发生器真空发生器的作用主要是使吸盘的橡胶皮碗形成真空而将工件吸附。真空发生器的工作原理是利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动。在卷吸流动作用下，使得喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，使吸附腔内的压力降至大气压以下，形成一定真空度。3.3.6 吸盘吸盘是直接吸吊物体的元件，一般用橡胶做成。真空吸盘之所以能吸附在工件上的原因是由于环境压力（大气压力）大于吸盘与工件之间的压力。将吸盘与真空发生装置连接，吸盘内部空间的空气被抽去，当吸盘接触到工件时，大气和吸盘之间形成了密封，就会吸住物料，吸气大小与大气压和吸盘内部空间的压力差成正比。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 17 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763第四章 控制系统的分析设计机械手控制系统的设计是整个机械手设计的关键和核心。它在结构和功能上的合理划分与巧妙实现，对提高机械手整体可靠性、实用性具有重要的意义，同时也是降低制造成本、缩短开发周期的有效途径。为此本章在分析了当前机械手广泛采用的控制器结构及 PLC 的发展之后，提出了采用 PLC 的控制方法。4.1 控制系统的组成结构机械手的控制系统一般是使机械手运动协调为目的，包括高性能的计算机及相应的系统硬件和控制软件。机械手的控制部分可分为 4 个部分：机械手及其感知器、环境、任务、控制器。机械手是由各种机构组成的装置，它通过感知器的内部传感器实现本体和环境状态的检测和信息交互；环境即指机械手所处的周围环境；任务是指机械手要完成的操作，它需要适当的程序语言描述，并把它们存入控制机中，随着系统的不同，任务的输入可能是程序方式，或文字、图形或声音方式；控制器包括软件和硬件两大部分，相当于机械手的大脑，它以计算机或专用控制器运行程序的方式来完成给定的任务。控制系统的硬件一般包括 3 个部分：(1)感知部分 用来收集机械手的内部和外部的信息，如位置、速度、加速度传感器可接受机械手的本体状态，而视觉、触觉、力觉等传感器可感受机械手的工作环境的外部状态。(2)控制装置 用来处理各种信息，完成控制过程，产生必要的控制指令，它包括计算机相应的接口等。(3)驱动部分 为了使机械手完成操作及移动功能，机械手各关节可选用气动、液动、电气等方式驱动。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 18 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 13041397634.2 控制系统的性能要求对于一般的控制系统有以下控制的要求：(1)稳定性 稳定性是系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏离平衡点恢复到原平衡点状态的能力。稳定性是一般自动控制必须满足的基本要求，对稳定性的研究是自动化控制系统中的一个基本问题。 (2)过渡过程性能 描述过渡过程性能可以用平衡性和快速性加以衡量，平衡性指系统由初始状态运动到新的平衡状态时具有较小的超调和震荡性；系统由初始状态运动到新的平衡状态经历的时间表示系统过渡过程的快速程度。(3)稳态误差 稳态误差是在过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。控制系统的稳态误差越小，说明控制精度越高。因此，稳态误差是衡量控制系统性能好坏的一项重要指标，控制系统设计的任务之一就是在兼顾其他性能指标的情况下，使稳态误差尽可能小或者小于某个允许的限制值。4.3 传感器的选择传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。根据本设计的要求需要对位置检测装置、滑觉传感器、视觉传感器进行选用。位置检测装置检测机械手动作是否到位，滑觉传感器是判别物料是否被稳定吸住，视觉传感器是为了完成机械手对物料的识别。4.3.1 位置检测装置在本设计中，当机械手上升/下降动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。本设计中采用直线接触式行程开关检测机械手动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 19 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 13041397634.4 控制系统 PLC 的选型及控制原理4.4.1 PLC 控制系统设计的基本原则一、 PLC 机型的选择PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：(1) 确定合理的结构型式PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式 PLC 的每一个 IO 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式 PLC 的功能扩展灵活方便,在IO 点数、输入点数与输出点数的比例、IO 模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。考虑此系统控制比较简单，应用于小批量的生产线故此选择整体试 PLC 的结构形式较为合适。(2) 确定合理的安装方式PLC 系统的安装方式分为集中式、远程 IO 式以及多台 PLC 联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程 IO 硬件，系统反应快、成本低；远程 IO 式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程 IO 可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程 IO 电源；多台 PLC 联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型 PLC，但必须要附加通讯模块。在工厂小批量生产中降低成本是很重要的，所以此系统选择集中试的安装方式。（3)满足相应的功能要求一般小型(低档)PLC 具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带 AD 和 DA 转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档 PLC。对于控制较复杂，要求实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档 PLC。但是中、高档 PLC 价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 20 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763此系统只需用开关量控制，选用一般小型 PLC 即可。(4)满足响应速度要求PLC 是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次 PLC 的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用 PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑 PLC 的响应速度，可选用具有高速 IO 处理功能的 PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的 PLC 等。本系统不需要跨范围使用 PLC 对某些功能或信号也没有特殊的速度要求，不需要选用具有高速 IO 处理功能的 PLC。(5)满足系统可靠性要求对于一般系统 PLC 的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。本系统选用一般系统 PLC 能够满足要求，不需要考虑太多此方面的问题。(6) 机型尽量统一一个企业，应尽量做到 PLC 的机型统一。以保证其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；有利于技术力量的培训和技术水平的提高；其外部设备可以通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。本课题的要求不高，不需要考虑配备上位计算机，但为了方便采购和管理等我们还是要求机型要统一。二、 确定 PLC 的容量PLC 的容量包括 IO 点数和用户存储容量两个方面。1）确定系统的实际输入点数2）确定系统的实际输出点数3）确定应选择 PLC 的点数PLC 平均的 IO 点的价格还比较高，因此应该合理选用 PLC 的 IO 点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的 IO 点最少，但必须留有一定的裕量。 通常 IO点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上 10到 15的裕量来确定。本系统的输入、输出实际需要 23 个点，所以本系统的 PLC 输入、输出点数定为 32 点比较合适，但输入和输出各应留有裕量。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 21 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 13041397634）确定系统同时接通输入/输出点的数量a.同时接通的输入点数量对于选用高密度的输入模块(如 32 点、48 点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的 60。b.同时接通的输出点数量同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V2A 的点输出模块，每个输出点可承受 2A 的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是 16A(82A)，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的 60。对同时接通的输/入输出点的制约，此系统是可以满足的。(2)系统存储容量的选择PLC 的 IO 点数的多少，在很大程序上反映了 PLC 系统的功能要求，因此可在 IO点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加 20到 30的裕量。存储容量（字节）开关量 IO 点数10 模拟量 IO 通道数100A=40*10+0*100=400（字节）另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。但是，本课题要求的存储容量很低，一般的 PLC 能够满足，所以我们不需要考虑存储容量。三、 确定 PLC 的 IO 模块一般 IO 模块的价格占 PLC 价格的一半以上。PLC 的 IO 模块有开关量 IO 模块、模拟量 IO 模块及各种特殊功能模块等。不同的 IO 模块，其电路及功能也不同，直接影响 PLC 的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。根据本课题要求，不需要用到模拟量 IO 模块及各种特殊功能模块，所以只需要对开关量 IO 模块选择即可。（1）开关量输入模块的选择开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为 PLC 内部接受的低电压信号，并实现 PLC 内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：1）输入信号的类型及电压等级上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 22 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。 开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流 5、12、24、48、60等；交流 110、220等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般 5、12、24用于传输距离较近场合，如 5输入模块最远不得超过十米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。本系统传输距离较近可选择 24直流输入。2）输入接线方式开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式。汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。所以本系统考虑价格便宜问题，且输入信号之间不需要分隔，选用汇点式较合适。3）输入门槛电平为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅 PLC 说明书。（2）开关量输出模块的选择开关量输出模块是将 PLC 内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现 PLC 内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：1）输出方式开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过 1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 23 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。本系统为中小型生产线自动控制系统，需要考虑价格相对要便宜，而本系统对动作速度要求不高，所以选择继电器输出作为输出方式。2）输出接线方式开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据 PLC 输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式 PLC 既有分组式输出，也有分隔式输出。本系统选择分组式输出。3）驱动能力开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于 PLC 外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。4) 输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。4.4.2 PLC 种类及型号选择PLC 种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON 的 PLC。根据前面确定的 PLC 点数：实际输入点 28 点，实际输出点 12 点，综合对比三菱 FX 系列（包括 FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N 等） 、西门子系列、OMRON 系列中 I/O 点数为48 点各型号的 PLC 的价格、性能、实用场合等各方面。本系统可选择 PLC 型号为：FX2N64MR001，合计总数 64 点32 点输入，DC24V，32 点继电器输出；尺寸（mm）：2208790，其性能、价格都优于其他 PLC。FX2N 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 24 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763该型号 PLC 有 32 个输入节点，32 个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。4.4.3 I/O 点数分配根据机械手动作流程分析及 I/O 点数确定，可以确定电气控制系统的 I/O 点分配，如表 4.1、表 4.2 所示：表 4.1 机械手控制输入点分配表输入设备 输入点号 输入设备 输入点号启动按钮 SB1 X000 气缸手动下降 X012停止按钮 SB2 X001 X 轴机械原点 X013急停按钮 SB3 X002 Y 轴机械原点 X014手动 X003 气缸上行程到位 X015自动 X004 气缸下行程到位 X016X 轴手动正转 X005X 轴手动反转 X006Y 轴手动正转 X007Y 轴手动反转 X010气缸手动上升 X011 表 4.2 机械手控制输出点分配表输出设备 输出点号 输出设备 输出点号X 轴脉冲端 Y000 吸气电磁阀 1 Y006Y 轴脉冲端 Y001 放气电磁阀 2 Y007上海电机学院本科毕业论文（设计） 第 25 页详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763X 轴脉冲方向 Y002Y 轴脉冲方向 Y003Z 轴气缸上升 Y004Z 轴气缸下降 Y0054.4.4 PLC 外部接线图根据表 4.1、4.2 分配输入/输出信号与 P