PLC控制的机械手自动系统设计

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。对物料分拣机械手的整体结构、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、高可靠型物料分拣机械手的设计方案，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，物料分拣。目 录摘要 1一 前言 2(1) 研究的目的及意义 2（二） 机械手在国内外现状和发展趋势 2（三） 主要研究的内容 3（四） 解决的关键问题 4二 执行系统的分析与选 5（一） 执行机构坐标形式的选择 5（二） 执行机构的组成 5（三） 执行机构各部分的分析与选择 5（四） 执行机构的工作原理 6（五） 执行机构简图 6三 驱动系统的分析与选择 8（一） 驱动系统的分析与选择 8（二） 机械手驱动系统的控制设计 8（三） 气动回路的工作原理 9四 控制系统的分析设计 12（一） 控制系统的组成结构 12（二） 传感器的选择 13（三） 控制系统PLC的选型及控制原理 13（四） PLC程序设计 22结束语 30参考文献 31 一 前 言（一） 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。适应工业需要，本课题试图开发PLC对物料分拣机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。（二） 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。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。（三） 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。本论文主要研究物料分拣机械手以下几个方面的内容：1 物料分拣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。主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行设计。2 物料分拣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 物料分拣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、自动程序梯形图的绘制等内容。（四） 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。二 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。（一） 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。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。直角坐标式机械手虽然具备手臂的伸缩上下、左右直线运动等动作，但是不具备机械手整体旋转动作，所以不考虑用直角坐标式机械手。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。圆柱坐标式机械手能满足手臂伸缩、手臂上下、手臂回转动等动作。可以将手臂回转动作改换成机械手的整体转动就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，所以确定用圆柱坐标式机械手。（二） 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。（三） 执行机构各部分的分析与选择1手部的选择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。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。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。 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。机座结构的选择3 基座结构的选择机座结构从形式上分为落地式和悬浮式，或分为固定式、可移动式和行走式。无论哪一种形式，机械手工作时机座一定予以固定。可移动式的机座在停置时能够刹车定位，以保证机械手工作时的位置精度。根据本机械手的设计要求选用落地固定式机座。（四） 执行机构的工作原理物料分拣机械手的结构主要由机座、立柱、水平手臂、垂直手臂、电磁阀和吸盘等组成。其中机座采用摆动气缸进行驱动，手臂及吸盘采用单活塞杆双作用气缸驱动。机械手的动作基本有伸缩、升降、左右旋转、吸物和放物等动作。其结构原理如图2.2所示。其动作顺序为：初始位置 A右旋 B前伸 C气缸下降 D吸物料 C上升 B收缩A左旋 C气缸下降 D放物料 C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。（五） 执行机构简图根据前面机械手各部分的设计，可做出机械手大体结构简图，如图2.1所示，大图见CAD图。 1右旋限位开关 2 左旋限位开关 3 回缩限位开关 4 前伸限位开关 5 上升限位开关 6 下降限位开关 A 摆动气缸 B前伸/回缩气缸 C上升/下降气缸 D 真空吸盘 图2.1 执行机构简图三 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。（一） 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。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。（二） 机械手驱动系统的控制设计根据物料分拣机械手的要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要有两种：（1）直线运动（缸体固定，活塞杆运动）；（2）摆动（缸体固定）。其气动驱动系统原理图如图3.1所示。图3.1 驱动系统原理图气动系统包括三个三位四通电磁换向阀、两个二位二通电磁阀、三个气缸、一个吸盘、四个调速阀、六个单向调速阀、消声器（若干）等。图中的调速阀控制气缸上升和下降、伸长和缩短、摆动过程中的速度，防止速度过大对物料及机械手臂的冲击；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。（三） 气动回路的工作原理物料分拣机械手的工作循环是：摆动气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缩回摆动气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。系统中选用电磁换向阀，限位开关，实现气缸的往复运动。二位二通电磁阀实现吸盘的吸物和放物。实现工作循环的工作原理如下：1 摆动气缸的右旋按下启动按钮，右旋按钮接通，使三位四通电磁换向阀12的5YA得电，阀12的阀芯右移，摆动气缸会执行右旋的命令。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀12左端单向调速阀19摆动气缸C的D口。排气路线：摆动气缸C的E口单向调速阀20三位四通电磁换向阀12排气口调速阀8消声器9排出。2水平气缸的伸出当摆动气缸C右旋到指定位置时（90度），就会碰到右旋限位开关，使二位五通电磁换向阀12的5YA断电，摆动气缸旋转运动会停止，经时间继电器延时，使三位四通电磁换向阀10的1YA得电，阀10的阀芯右移，执行手臂前伸动作。这时的气路是:进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀10左端单向调速阀15气缸A的无杆腔。排气路线：气缸A的有杆腔单向调速阀16三位四通电磁换向阀10的排气口调速阀4消声器5排出。3垂直手臂的下降当水平伸缩气缸A伸出到指定位置时，就会碰到前限开关，使三位四通电磁换向阀10的1YA断电，手臂伸出动作会停止。经时间继电器延时，小臂下降按钮接通，使三位四通电磁换向阀11的3YA得电，阀11的阀芯右移，执行小臂的下降动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11左端单向调速阀17气缸B的无杆腔。排气路线：气缸B的有杆腔单向调速阀18三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。4吸物小臂气缸下降到指定位置时，撞到下限位开关，使三位四通电磁换向阀11的3YA断电，小臂下降动作停止。经时间继电器延时，二位二通电磁阀13的7YA得电，真空发生器22开始动作，经真空开关24检测真空度，并发出讯号给控制器，真空吸盘26将物料吸起。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀13真空发生器22过滤器25吸盘26。排气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀13 真空发生器22消声器21。5垂直手臂的上升经传感器检测到物料已经被吸起时，发出讯号，使三位四通电磁阀11的电磁铁4YA得电，阀11的阀芯左移，执行小臂的上升动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11右端单向调速阀18气缸B的有杆腔。排气路线：气缸B的无杆腔单向调速阀17三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。6水平手臂的回缩小臂气缸上升到指定位置时，撞到上限位开关，使三位四通电磁阀11的电磁铁4YA断电，小臂上升动作停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀10的电磁铁2YA得电，阀10的阀芯左移，执行水平手臂的回缩动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀10右端单向调速阀16气缸A的有杆腔。排气路线：气缸A的无杆腔单向调速阀15三位四通电磁换向阀10的排气口调速阀4消声器5排出。7摆动气缸的左旋水平手臂气缸回缩到指定位置时，撞到后限位开关，使三位四通电磁阀10的电磁铁4YA断电，水平手臂的回缩动作停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀12的电磁铁6YA得电，阀12的阀芯左移，执行摆动气缸的向左旋转动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀12右端单向调速阀20摆动气缸C的E口。排气路线：摆动气缸C的D口单向调速阀19三位四通电磁换向阀12排气口调速阀8消声器9排出。8垂直手臂的下降摆动气缸左旋到指定位置（90度），撞到左转限位开关，使三位四通电磁阀12的电磁铁6YA断电，摆动气缸的左旋运动停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀11的电磁铁3YA得电，阀11的阀芯右移，执行小臂的下降运动。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11左端单向调速阀17气缸B的无杆腔。排气路线：气缸B的有杆腔单向调速阀18三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。9放物小臂气缸下降到指定位置时，撞到下限位开关，使三位四通电磁阀11的电磁铁3YA断电，垂直手臂的下降运动停止。经时间继电器延时，使二位二通电磁13断电，二位二通电磁阀14通电，真空发生器停止运动，真空消失，压缩空气进入吸盘26，将物料与吸盘吹开，这时气路为：进气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀14调速阀23过滤器25吸盘26。排气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀14调速阀23过滤器25吸盘26。10 垂直手臂的上升经传感器检测到物料已脱离吸盘，发出讯号，经时间继电器延时，使三位四通电磁阀11的4YA得电，阀11的右位接入工作，执行垂直手臂的上升动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11右端单向调速阀18气缸B的有杆腔。排气路线：气缸B的无杆腔单向调速阀17三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。 11回到初始位置垂直手臂上升到指定位置，撞到上限位开关，接通复位按钮，回到初始位置，重复以上动作。四 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。（一） 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。（二） 传感器的选择为了便于PCL控制程序的编写，利于公司企业的经济效益，综合其各种情况，在本设计，选择RGB颜色传感器着为识别物料颜色的装置，继电器输出方式，便于PLC控制系统的简单化，控制系统更容易实现。（三） 控制系统PLC的选型及控制原理1 PLC控制系统设计的基本原则（1） 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： a 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。b 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。 c 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。此系统只需用开关量控制，选用一般小型PLC即可。d 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。 e 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。 f 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。(2) 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。a 确定系统的实际输入点数系统由启动按钮SB1、停止按钮SB2、急停按钮SB3、手臂复位按纽SB4、颜色传感器ST1、左旋极限传感器ST2、右旋极限传感器ST3、上升限位传感器ST4、下降限位传感器ST5、手臂缩回限位传感器ST6、手臂伸出限位传感器ST7、超上升限位传感器ST8、超下降限位传感器ST9、超左旋限位传感器ST10、超右旋限位传感器ST11、超伸出限位传感器ST12、超缩回限位传感器ST13、工件检测传感器PS1、系统的自动/手动控制开关SA以及手动的升降、左右旋转、伸缩、吸放按钮（SB5-SB12）作为个输入继电器的外部控制点，共有28个输入点。b 确定系统的实际输出点数系统有手臂左旋、右旋、伸出、缩回、上升、下降、吸物、放物的电磁阀动作，报警指示灯、原位指示灯及自动/手动指示灯工作，一共12个输出点。c 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40个点，所以本系统的PLC输入、输出点数定为48点比较合适，但输入和输出各应留有裕量。d 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。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100 A=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。(3)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。 a 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：(a)输入信号的类型及电压等级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。(b)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。(c)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。b 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：(a)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。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。(b)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。(c)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。(d)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。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。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。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SB1X000手动下降按钮SB6X016停止按钮SB2X001手动左旋按钮SB7X017急停按钮SB3X002手动右旋按钮SB8X020左旋极限传感器ST2X003手动伸出按钮SB9X021右旋极限传感器ST3X004手动缩回按钮SB10X022上升限位传感器ST4X005手动吸气按钮SB11X023下降限位传感器ST5X006手动放气按钮SB12X024手臂缩回限位传感器ST6X007超上升限位传感器ST8X025手臂伸出限位传感器ST7X010 超下降限位传感器ST9X026工件检测传感器PS1X011 超左旋限位传感器ST10X027手动SAX012 超右旋限位传感器ST11X030自动X013 超伸出限位传感器ST12X031复位按钮SB4X014 超缩回限位传感器ST13X032手动上升按钮SB5X015 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左旋电磁阀6YAY000吸气电磁阀7YAY006右旋电磁阀5YAY001放气电磁阀8YAY007缩回电磁阀2YAY002报警指示灯L11Y010伸出电磁阀1YAY003手动指示灯L12Y011上升电磁阀4YAY004自动指示灯L13Y012下降电磁阀3YAY005原位指示灯L14Y0134 PLC外部接线图根据表4.1、4.2分配输入/输出信号与PLC输入/输出接口分配情况及所选定的PLC，得到PLC的外部接线图如图4.3：图4.3 PLC外部接线图5 机械手控制原理在PLC的控制下，执行机构可实现手动、自动等多种工作方式。手动：利用按钮对机械手每一动作手动进行控制，可实现上升、下降、前伸、缩回、正转、反转、吸物、放物等操作；自动：按下循环按钮后机械手从原点位置开始连续不断的执行分拣物料的各步。按下启动按钮SB1，系统初始化摆动气缸右旋水平手臂伸出垂直手臂下降吸物垂直手臂上升水平手臂缩回摆动气缸左旋垂直手臂下降放物垂直手臂的上升回初始位置。(1) 系统程序的初始化 按下启动按钮SB1，对控制系统进行功能检测，检测正确后，进入控制系统的软件，开始运行程序。(2) 摆动气缸右旋 初始化程序正常运行后，PLC的输入端X000接通输入，输出端Y001输出，右旋按钮SB8接通，使三位四通电磁换向阀12的5YA得电，摆动气缸会执行右旋的命令。(3) 水平手臂的伸出 摆动气缸右旋到指定位置时（90度），PLC输入端X004接通输入，输出端Y003输出，手臂前伸按钮SB9接通，使三位四通电磁换向阀10的1YA得电，执行手臂前伸动作。(4) 垂直手臂的下降 手臂前伸到指定位置，PLC输入端X010接通输入，输出端Y005输出，小臂下降按钮SB6接通，使三位四通电磁换向阀11的3YA得电，执行垂直手臂的下降动作。(5) 吸物 小臂下降到指定位置，PLC输入端X006接通输入，输出端Y006输出，吸盘吸气按钮SB11接通，二位二通电磁阀13的7YA得电，真空发生器22开始动作，真空吸盘26将物料吸起。(6) 垂直手臂的上升 经滑觉传感器检测到物料已经被吸起时，输出端Y004输出，小臂上升按钮SB5接通，使三位四通电磁阀11的电磁铁4YA得电，执行垂直手臂的上升动作。(7) 水平手臂的回缩 小臂上升到指定位置，PLC输入端X005接通输入，输出端Y002输出，水平缩回按钮SB10接通，使三位四通电磁换向阀10的电磁铁2YA得电，执行水平手臂回缩动作。(8) 摆动气缸左旋 水平手臂回缩到指定的位置，PLC输入端X007接通输入，输出端Y000输出，左旋按钮SB7接通，三位四通电磁阀12的电磁铁6YA得电，执行摆动气缸的向左旋转。(9) 垂直手臂的下降 摆动气缸向左旋转到指定位置（90度），PLC输入端X003接通输入，输出端Y005输出，垂直手臂下降按钮SB6接通，使三位四通电磁阀11的电磁铁3YA得电，执行小臂的下降运动。(10) 放物 小臂下降到指定位置，PLC输入端X006接通输入，输出端Y007输出，吸盘放气按钮SB12接通，真空发生器停止工作，真空消失，压缩空气进入真空吸盘，将物料与吸盘吹开。(11) 小臂上升 经滑觉传感器检测到物料已经放开，输出端Y004输出，小臂上升按钮SB5接通，使三位四通电磁换向阀10的电磁铁2YA得电，执行小臂上升动作。(12) 回到初始位置小臂上升到指定位置，PLC输入端X005接通输入，自动重复以上动作。(四） PLC程序设计1总体程序框图设备有“手动/自动”两种工作方式，其控制程序可分为自动控制程序和手动控制程序两个模块，各模块程序分开编写，结构清晰，便于调试和修改。在进行编程前，应先绘制出整个控制程序的结构框图，如图4.4所示。在该结构图中，当操作方式选择开关置于“手动”时，输入点X012接通，执行手动程序；当操作方式选择开关置于“自动”时，输入点X013接通，执行自动程序。图4.4 控制程序的结构框图同是为了方便操作，应设计一个机械手操作面板，机械手操作面板如图4.5所示图4.5 机械手操作面板2 初始化及报警程序初始化及报警程序如图4.6所示图4.6 初始化及报警程序3 手动控制程序 手动控制程序用于实现机械手升降、伸缩、左右旋转、吸气/放气及复位的运动。在自动工作过程中，若将“手动/自动”转换开关打到“手动”位置时，输入X012接通系统进入手动控制方式状态。此时，按下相应的受动按钮可实现手动上升、下降、左旋、右旋、伸出、缩回、吸气、放气及复位动作，手动操作程序如图4.7所示。图4.7 手动操作程序4 自动控制程序分析知，在“自动”工作方式下，本机械手的运动是以开关量作为转移信号，按所设计的工艺流程一步一步地进行工作，其控制过程为顺序循环控制。当机械手完成一次物料的吸放任务后返回原位为下一个任务做好准备。自动控制的状态转移图如图4.8所示。图4.8 自动控制状态转移图根据自动控制的状态转移图就可设计出自动控制的步进梯形图如图4.9所示。图4.9 自动控制步进梯形图 图4.9 自动控制步进梯形图 (序)结束语机械手的出现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。随着科学技术的发展和PLC在工业生产过程中的广泛应用，机械手技术方面的研究不断得到创新，促使成果不断涌现。本论文的设计主要取得了以下成果：(1) 对物料分拣机械手的结构形式、驱动装置、控制系统等各组成部分进行了较为全面的分析，最后得出其总体设计方案。(2) 气动驱动系统是强的非线性系统，其根本原因是空气具有可压缩性，使得系统中存在流量饱和效应，非线性摩擦力等因素，实现气缸的精度定位非常困难。因此在其应用中，要对各参数进行调定，以达到比较理想状态。(3) 机械手的控制系统采用了技术性、可靠性非常高的PLC进行控制。这使得机械设备更加灵活，动作准确，易于维护，劳动生产率大大得到了提高。各种操作方式自由切换，满足了各种生产要求。本课题在完成了机械结构设计的基础上，对物料分拣机械手的驱动系统和控制系统进行了设计。由于时间的限制以及机械手的结构比较复杂，有些问题需要进一步的研究：(2) 对机械手各部分连接方式的改进。本机械手结构具有模块式的特点，但由于考虑节约成本等因素，采用标准的单活塞杆双作用气缸，加导向装置的结构。各部分不能实现任意方式拼装，通过各种过渡连接件，使各个部分可以自由拼装。(3) 气动驱动改进在气动驱动系统方面存在一个固有的弱点，仅采用古典的反馈控制很难得到高精度位置和力等的控制。所以，在气动驱动系统的控制方法上，广泛地引入现代控制理论和智慧控制等方法是其特征之一。神经网络是一大规模并行分布处理非线性动力学系统，适用于强非线性的气动机械手的控制。虽然还有很多尚未解决的问题有待于继续研究，但相信PLC控制的物料分拣机械手的研究是非常有新意、有意义的，有着广泛的应用前景。参考文献1张建民等.机电一体化系统设计M.北京：北京理工大学出版社，2007.169183.2袁子荣.液气压传动与控制M.重庆：重庆大学出版社，2007.39241.3陈恳，杨向东，刘莉，等.机器人技术应用M.北京：清华大学出版社，2006.106111.4陈奎生.液压与气压传动M.武汉：武汉理工大学出版社，2001.47106.5张铁，谢存禧.机器人学M.广州：华南理工大学出版社，2001.115138.6费仁元，张慧慧.机器人设计和分析M.北京：北京工业大学出版社，1998.190234.7王永章，杜君文，程国全.数控技术M.北京：高等教育出版社，2001.251273.8郭爱芳，王恒迪.传感器原理及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2007.281290.9鄂大辛.液压传动与气压传动M.北京：北京理工大学出版社，2007.276294.10陆祥生，杨秀莲.机械手理论及应用M.北京：北京铁道出版社，1985.4063.附录：气动系统包括三个三位四通电磁换向阀、两个二位二通电磁阀、三个气缸、一个吸盘、四个调速阀、六个单向调速阀、消声器（若干）等。图中的调速阀控制气缸上升和下降、伸长和缩短、摆动过程中的速度，防止速度过大对物料及机械手臂的冲击；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：