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).doc

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韶 關(guān) 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目：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) 學(xué)生姓名：陳 浩 學(xué) 號(hào)：12101102015 系 （院）：物理與機(jī)電工程學(xué)院自動(dòng)化系 專 業(yè)：自動(dòng)化專業(yè) 班 級(jí)：2012級(jí)2班 指導(dǎo)教師姓名及職稱：韓竺秦 講師 起止時(shí)間：2015年 10 月— 2016年 5 月 基于PLC的機(jī)械手分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要：在現(xiàn)今的生活上,科技日新月益的進(jìn)展之下,機(jī)械手在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全。機(jī)械手臂的應(yīng)用也將會(huì)越來越廣泛,機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備，作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力。因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 結(jié)合近年來整個(gè)機(jī)械手的發(fā)展,并分析了機(jī)械手系統(tǒng)和機(jī)械手方面的設(shè)計(jì)，提出了用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和PLC控制設(shè)計(jì)方案?？紤]了軟、硬件各自的特點(diǎn)，對(duì)物料分揀機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，我們可以采用整體化的設(shè)計(jì)思想并進(jìn)行互補(bǔ)和優(yōu)化。在氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和PLC控制設(shè)計(jì)方案中，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，分揀等功能。我們很容易得出了一種簡單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。 通過以上部分的分析,得出了經(jīng)濟(jì),實(shí)用,高可靠的材料分揀機(jī)械手設(shè)計(jì)方案,對(duì)于其他經(jīng)濟(jì)的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞: 機(jī)械手；觸摸屏（HMI）；可編程控制器（PLC）；自動(dòng)化控制；物料分揀 Automatic sorting line PLC control system design Abstract: In todays life, science and technology, the development of the new moon, the manipulator in the advanced manufacturing field plays an extremely important role, it can carry goods, sorting goods, can realize the mechanization and automation of production, can be used to protect the safety of human body, the application will be more and more widely.The application of mechanical arm is also more and more extensive. The machine is a kind of high-tech automatic production equipment which has been developed in recent decades. It is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy. In this paper, based on the development of mechanical hand in recent years, combined with the design of the manipulator, the mechanical hand technology is analyzed, and the design scheme of pneumatic drive and PLC control is proposed.Using the holistic design idea, considering the characteristics of the software and the hardware, the software and the hardware are complementary and optimized.The whole structure, drive system, the structure and control system of the material sorting manipulator are analyzed and designed.In its drive system, the control system of the PLC control unit is used to complete the initialization of the system function, the movement of the manipulator, the fault alarm, the sorting and other functions.At last, a simple, easy to implement, and the theoretical significance of the control strategy is proposed. Through the work above, it is concluded that the economic, practical, high reliable material sorting manipulator design scheme, the design of PLC control system in other economic type also certain reference value. Keywords：manipulator ; touch screen (HMI);programmable logic controller (PLC); automatic control;sorting materials 目 錄 1 緒論 1 1.1機(jī)械手的簡介 1 1.2課題選題意義及主要研究內(nèi)容 2 1.2.1選題意義 2 1.2.2本課題的主要研究內(nèi)容 2 2 控制方案設(shè)計(jì) 2 2.1控制方案選擇 2 2.2 控制系統(tǒng)整體架構(gòu) 3 2.3機(jī)械手自動(dòng)分揀系統(tǒng) 5 3 系統(tǒng)硬件的選型 7 3.1 PLC種類及型號(hào)選擇 7 3.2 機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 8 3.2.1機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 8 3.2.2機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的分析 10 3.3 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 10 3.3.1手部的選擇 10 3.3.2手臂結(jié)構(gòu)的選擇 11 3.4 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 12 3.5 傳感器的選擇 13 3.5.1 位置檢測(cè)裝置 14 3.5.2光纖傳感器 14 3.5.3電感式傳感器 14 3.6氣缸裝置 14 3.7 觸摸屏選擇 15 3.7.1觸摸屏特點(diǎn) 15 3.8變頻器的選擇 16 3.8.1 硬件準(zhǔn)備和接線 16 3.8.2 可編程控制器的初始設(shè)定 17 3.8.3變頻器的初始設(shè)定 17 3.8.4 通訊用到的指令 17 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 4.1 控制系統(tǒng)流程圖 18 4.2 系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)的I/O點(diǎn)數(shù)分配 21 4.3 PLC外部接線圖 22 參考文獻(xiàn) 23 致 謝 24 附 錄 25 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) 自動(dòng)化專業(yè)2012級(jí)2班：陳浩 指導(dǎo)教師：韓竺秦 講師 1 緒論 在現(xiàn)今的科技的日新月益的進(jìn)的展下, 在現(xiàn)今的科技日新月益的進(jìn)展之下,機(jī)械手在先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域中承擔(dān)著重要一部分。機(jī)械手不但可以搬運(yùn)一些工件、分揀一些物品等，而且能夠工作在一些人類標(biāo)記為危險(xiǎn)的地區(qū),例如能夠在高溫區(qū)域工作,能在有毒的環(huán)境中工作,能在腐蝕的環(huán)境中工作，并且可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化和機(jī)械化，因此，被廣泛應(yīng)用于冶金、電子、機(jī)械制造、原子能和輕工業(yè)等部門。 1.1機(jī)械手的簡介 機(jī)械手作為一個(gè)尖端的產(chǎn)物取代一些傳統(tǒng)的工業(yè)的設(shè)備是現(xiàn)在現(xiàn)今社會(huì)的必要工具,它可以根據(jù)各種自動(dòng)化設(shè)備的工作需求或需要,來完成我們想要完成的任務(wù)，所以機(jī)械手在這個(gè)先進(jìn)的領(lǐng)域中承擔(dān)著很重要的一部分。它能夠工作在一些人類標(biāo)記為危險(xiǎn)的地區(qū),例如能夠在高溫區(qū)域工作,能在有毒的環(huán)境中工作,能在腐蝕的環(huán)境中工作，并可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化和機(jī)械化。 機(jī)械手是機(jī)器人的重要驅(qū)動(dòng)部一件,其機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置所提供的安全性、高效性和平穩(wěn)性都會(huì)直接影響機(jī)器人工作空間的輕量化要求、準(zhǔn)確性和工作性能等，除此之外，機(jī)構(gòu)尺寸也是關(guān)鍵之一。 1.2課題選題意義及主要研究內(nèi)容 1.2.1選題意義 為了適應(yīng)工業(yè)需一要，例如一些可變換生產(chǎn)品一種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)、單調(diào)重復(fù)某一種運(yùn)動(dòng)的工作、柔性生產(chǎn)線動(dòng)作靈活多樣等等，本論文研究PLC對(duì)物料分揀機(jī)械手的操控，利用一些合適的傳感器，使其機(jī)械手能夠像人一樣區(qū)分一些有顏色的物料或不同材質(zhì)的物料把他們區(qū)分開來和像人一樣靈活地把一些不同顏色或材料的區(qū)分在指定的位置上，機(jī)械手也可以普遍使用于一些柔性生產(chǎn)線。有很多時(shí)候一些工作是作往復(fù)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，人難免會(huì)出錯(cuò)，而機(jī)械手可以很好代替人來工作。本次設(shè)計(jì)主要是控制機(jī)械手的系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)械手的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和完成機(jī)械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計(jì)。 在這種環(huán)境下，智能化的機(jī)械手獲得快速的更新，智能化的機(jī)械手不僅能夠可以實(shí)現(xiàn)一些我們要求的行動(dòng)和動(dòng)作，而且可以想人一樣靈活地運(yùn)動(dòng)，最重要就是能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)反饋，也就是能夠檢測(cè)到環(huán)境的變化，自動(dòng)地修改正確的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和行動(dòng)的規(guī)律。 1.2.2本課題的主要研究內(nèi)容 智能化的機(jī)械手是未來機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)，希望在我國科研工作者的共同努力下，我國能在智能機(jī)械手領(lǐng)域取得優(yōu)勢(shì)地位，為工業(yè)化注入新的活力。本論文首要研討物料分揀機(jī)械手：智能化的機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選取，還有其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選取。 2 控制方案設(shè)計(jì) 2.1控制方案選擇 一般的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要分為以下幾類： 1、基于單一片機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 單片機(jī)（MCU）具有耗能低、一般的功能都能實(shí)現(xiàn)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是，一般的單片機(jī)（MCU）由于集成簡單，功能不能很精密，很難實(shí)現(xiàn)日常生活中的一些要求，所以在一些大的工業(yè)上很少會(huì)用到單片機(jī)（CPU）作為他們的控制系統(tǒng)。 2、基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 可編程序控制器，也被稱為可編程邏輯控制器(PLC)。 機(jī)械手控制系統(tǒng)在組成和功能上的合適拆分，不但把成本降低了，還會(huì)增加其通用性，而且會(huì)讓機(jī)械手更合適一些特定的環(huán)境當(dāng)中，對(duì)比單片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方案，可編程邏輯控制器(PLC)不但可以擴(kuò)展輸入/輸出端口（I/O），它的通訊也能快速響應(yīng)的能力，還有就是他的抗干擾能力比起單片機(jī)當(dāng)然強(qiáng)大很多了。為此本章采取PLC控制的方法。 2.2 控制系統(tǒng)整體架構(gòu) 如圖2.2所示，該系統(tǒng)以PLC為主控部件，是這個(gè)系統(tǒng)的核心部分，可編程邏輯控制器(PLC)的可拓展I/O口模塊可以接受各種檢測(cè)開關(guān)傳送回來的信號(hào)，和實(shí)時(shí)地監(jiān)控一些開關(guān)和一些傳感器的工作狀態(tài)。 觸摸屏可為上位機(jī)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、修正和記錄。 各部分的傳感器是獲取機(jī)械手的內(nèi)部和外部的信息，如位置傳感器可檢測(cè)機(jī)械手的實(shí)時(shí)狀況，檢測(cè)一些位置開關(guān)工作狀態(tài)也就是說監(jiān)控機(jī)械手的所有動(dòng)作是否到了該到的位置，其圖如下。 圖2.1 機(jī)械手分揀控制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖 圖2.2 分揀系統(tǒng)示意圖 其工作流程: A按觸摸屏“啟動(dòng)”按鈕，組合的紅燈熄滅，組合的綠燈閃爍，系統(tǒng)檢測(cè)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否處于原點(diǎn)位置，原點(diǎn)位置滿足，執(zhí)行步驟B。 B傳送帶正轉(zhuǎn)運(yùn)行，觸摸屏顯示皮帶運(yùn)行速度。將料盤上的物料推送至料倉出口物料檢測(cè)位置。物料檢測(cè)傳感器檢測(cè)是否有料，若檢測(cè)有料執(zhí)行步驟C； C機(jī)械手搬運(yùn)物料。機(jī)械手動(dòng)作順序如下：伸縮機(jī)械手臂伸出至前限位一一垂直機(jī)械手臂下降至下限位一一啟動(dòng)手指抓取物料一一垂直機(jī)械手臂上升至上限位一一伸縮機(jī)械手臂縮回至后限位一一旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂右轉(zhuǎn)至右限位一一伸縮機(jī)械手臂伸出至前限位一一垂直機(jī)械手臂下降至下限位一一氣動(dòng)手指釋放物料。執(zhí)行步驟D。 D氣動(dòng)的手指釋放物料后，落料口物料的檢測(cè)傳感器檢測(cè)是否有料，同時(shí)機(jī)械手返回原點(diǎn)位置等待抓料。返回順序如下：垂直機(jī)械手臂上升至上限位一一伸縮機(jī)械手臂縮回至后限位一一旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂左轉(zhuǎn)至左限位。若正在處理的物料未分揀完，即使檢測(cè)到料倉出口處有料，機(jī)械手亦不動(dòng)作。 若落料口檢測(cè)傳感器檢測(cè)有料，則執(zhí)行步驟E； 若落料口檢測(cè)傳感器檢測(cè)無料，機(jī)械手處于原點(diǎn)位置等待，傳送帶停止運(yùn)行。此時(shí)若傳感器檢測(cè)有料，則皮帶運(yùn)行，將物料送入分揀。執(zhí)行步驟E。 E物料分揀。傳送帶運(yùn)行，傳感器則按照物料的質(zhì)料的顏色、性質(zhì)等特征進(jìn)行分辨，分別由PLC控制的電磁閥使氣缸的動(dòng)作，對(duì)物料進(jìn)行分揀。若金屬傳感器檢測(cè)物料為金屬材質(zhì)，則A桿氣缸動(dòng)作，將物料推入儲(chǔ)料裝置。若光傳感器I檢測(cè)物料為白色塑料工件，則B桿氣缸動(dòng)作；若光傳感器II檢測(cè)到物料為黑色塑料工件，則C桿氣缸動(dòng)作。觸摸屏顯示工件的總數(shù)量以及各類型工件的數(shù)量。氣缸將不同的工件推入相應(yīng)的儲(chǔ)料裝置中后，系統(tǒng)返回步驟B。 2.3機(jī)械手自動(dòng)分揀系統(tǒng) 1、上電 系統(tǒng)上電后，組合警示紅燈閃爍，提示的系統(tǒng)處于待機(jī)模式。 注：組合警示燈任何時(shí)候只有一個(gè)燈亮。 2、工作模式 生產(chǎn)線有三種操作模式：原點(diǎn)回歸、手動(dòng)操作、自動(dòng)運(yùn)行。使用觸摸屏進(jìn)行操作。 3、原點(diǎn)回歸 故障停機(jī)、緊迫停機(jī)或設(shè)備檢驗(yàn)更改后，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或許沒有在工作原點(diǎn)狀態(tài)，故系統(tǒng)上電后必須實(shí)行原點(diǎn)回歸運(yùn)作。 “原點(diǎn)回歸”工作，按觸摸屏的“回原啟動(dòng)”按鈕，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)返回原點(diǎn)位置： （1）旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂左轉(zhuǎn)至左限位 （2）垂直機(jī)械手臂上升至上限位 （3）伸縮機(jī)械手臂縮回至后限位 （4）氣動(dòng)手指張開 （5）各推料氣缸活塞桿內(nèi)縮至后限位 （6）轉(zhuǎn)盤電機(jī)停止運(yùn)行 （7）皮帶停止傳送 4、手動(dòng)操作 “手動(dòng)操作”模式，可在觸摸屏上分別對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行的控制。 5、自動(dòng)運(yùn)行 選擇“自動(dòng)運(yùn)行”工作模式。 A按觸摸屏“啟動(dòng)”按鈕，組合警示紅燈熄滅，組合警示綠燈閃爍，系統(tǒng)檢測(cè)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否處于原點(diǎn)位置，原點(diǎn)位置滿足，執(zhí)行步驟B。 B傳送帶正轉(zhuǎn)運(yùn)行，觸摸屏顯示皮帶運(yùn)行速度。將料盤上的物料推送至料倉出口物料檢測(cè)位置。物料檢測(cè)傳感器檢測(cè)是否有料，若檢測(cè)有料執(zhí)行步驟C； C機(jī)械手搬運(yùn)物料。機(jī)械手動(dòng)作順序如下：伸縮機(jī)械手臂伸出至前限位——垂直機(jī)械手臂下降至下限位——啟動(dòng)手指抓取物料——垂直機(jī)械手臂上升至上限位——伸縮機(jī)械手臂縮回至后限位——旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂右轉(zhuǎn)至右限位——伸縮機(jī)械手臂伸出至前限位——垂直機(jī)械手臂下降至下限位——?dú)鈩?dòng)手指釋放物料。執(zhí)行步驟D。 D氣動(dòng)手指釋放物料后，落料口物料檢測(cè)傳感器檢測(cè)是否有料，同時(shí)機(jī)械手返回原點(diǎn)位置等待抓料。返回順序如下：垂直機(jī)械手臂上升至上限位——伸縮機(jī)械手臂縮回至后限位——旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂左轉(zhuǎn)至左限位。若正在處理的物料未分揀完，即使檢測(cè)到料倉出口處有料，機(jī)械手亦不動(dòng)作。 若落料口檢測(cè)傳感器檢測(cè)有料，則執(zhí)行步驟E； 若落料口檢測(cè)傳感器檢測(cè)無料，機(jī)械手處于原點(diǎn)位置等待，傳送帶停止運(yùn)行。此時(shí)若傳感器檢測(cè)有料，則皮帶運(yùn)行，將物料送入分揀。執(zhí)行步驟E。 E物料分揀。若光傳感器II檢測(cè)到物料為黑色塑料工件，則C桿氣缸動(dòng)作。觸摸屏顯示工件的總數(shù)量以及各類型工件的數(shù)量。氣缸將不同的工件推入相應(yīng)的儲(chǔ)料裝置中后，系統(tǒng)返回步驟B。 注：金屬傳感器只能感應(yīng)金屬物料，光傳感器I只能感應(yīng)高亮度物料，光傳感器II只能感應(yīng)黑色物料。 6、停止與急停 系統(tǒng)處于“自動(dòng)運(yùn)行”模式下時(shí)，按下觸摸屏“停止”按鈕，若機(jī)械手和傳送帶處于輸送物料狀態(tài)中，則必須完成物料分揀操作過程后停止。停止后，不管料倉出料口和皮帶落料口是否有物料，生產(chǎn)線均不再動(dòng)作。此時(shí)組合警示綠燈熄滅，組合警示紅燈閃爍。 在任何時(shí)刻，按下操作面板“急?！遍_關(guān)，系統(tǒng)立即停止在當(dāng)前位置，組合警示紅燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器鳴叫報(bào)警。松開“急停”，系統(tǒng)不自動(dòng)開始運(yùn)行，組合警示紅燈閃爍，蜂鳴器停止報(bào)警。 3 系統(tǒng)硬件的選型 PLC作為控制系統(tǒng)當(dāng)中的最重要一部分，現(xiàn)在已被應(yīng)用得非常成熟的一種技術(shù)了。 3.1 PLC種類及型號(hào)選擇 當(dāng)前的市場(chǎng)上PLC類型比較多，如西門子、三菱、歐姆龍、施耐特等等200多家廠家，而PLC型號(hào)就有400多種。他們各種型號(hào)各有優(yōu)缺點(diǎn)，這里就不一一進(jìn)行闡述。 本論文采用的PLC的類型是FX2N系列，它具有32個(gè)輸入口和32個(gè)輸出口，可以足夠本次的系統(tǒng)要求并留有一定的空出的輸入，輸出點(diǎn)。 3.2 機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以大大地提高機(jī)械手的各種性能，所以下面就開始選取一些合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 3.2.1機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 按照機(jī)械手的手臂運(yùn)動(dòng)形式的不同，現(xiàn)成的機(jī)械手的種類可以區(qū)分成4種:直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)式。根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。本論文簡單的分析一下各模式的機(jī)械手對(duì)比： 1、直角坐標(biāo)式機(jī)械手 機(jī)械手的工作地方成行布列或與運(yùn)輸帶共同運(yùn)用是適合直角坐標(biāo)式機(jī)械手。 2、球坐標(biāo)式機(jī)械手 球坐標(biāo)式機(jī)械手是用途較廣，多空間，多角度的控制的機(jī)械手，故球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)很多多角度的動(dòng)作。 3、關(guān)節(jié)式機(jī)械手 關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種似于人的手臂運(yùn)作的機(jī)能，故合適于接近機(jī)能運(yùn)作傳動(dòng)模型。 4、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是采用很多的模型，它很合適運(yùn)用在運(yùn)輸和丈量的工件。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有四個(gè)基本動(dòng)作： （1）伸和縮； （2）上和下； （3）左和右； （4）爪和夾。 3.2.2機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的分析 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手能滿足手臂的向前向后、來回轉(zhuǎn)動(dòng)、向上向下等動(dòng)作。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是采用很多的模型，它很合適運(yùn)用在運(yùn)輸和丈量的工件，手臂的向前向后、來回轉(zhuǎn)動(dòng)、向上向下等動(dòng)作滿足本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的動(dòng)作要求，故決定使用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手作為本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手。 3.3 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)由手部，臂部，支撐手臂的機(jī)械裝置，機(jī)座等部分組成。 3.3.1手部的選擇 手部是機(jī)械手直接抓或拿工具或貨物的部件,它的作用是支撐手部和腕部，并驅(qū)動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)轉(zhuǎn)。 對(duì)工件無損害、真空擁有構(gòu)造簡單、重量輕、使用簡單而且對(duì)機(jī)械手的手抓的正常操作沒有影響等優(yōu)點(diǎn)，按照所設(shè)計(jì)機(jī)械手的要求，故選用了真空式吸盤。 3.3.2手臂結(jié)構(gòu)的選擇 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)為直線運(yùn)動(dòng)，這通常是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用的拉伸和起重運(yùn)動(dòng)直油（氣）缸驅(qū)動(dòng)，并且基本上和導(dǎo)向裝置構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)，通常使用的機(jī)架，馬達(dá)加斯加汽缸油，齒輪來實(shí)現(xiàn)的，而線性往氣缸或復(fù)油缸，可區(qū)分為以下幾種。 1、 雙作用單活塞桿油缸: 它是由機(jī)械手手臂的來回運(yùn)動(dòng)用得很多的一種手臂的結(jié)構(gòu)。其原理就是在有呀的作用下，使活塞進(jìn)行來回運(yùn)動(dòng)。 2、雙作用雙活塞桿油缸： 當(dāng)要求很大的行程，一般我們可以選用伸縮式雙活塞桿油缸，不但滿足行程要求，而且油缸的體積又小，美中不足是次行程有兩種速度。 本論文中的機(jī)械手的手臂不要求特大的行程但要求來回的直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過各種各樣的需求，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動(dòng)的雙作用單活塞桿氣缸最為適合，主要其構(gòu)造的簡單和設(shè)計(jì)的便宜。 而導(dǎo)向裝置機(jī)械手的手臂在運(yùn)行伸或縮運(yùn)作時(shí)，要求設(shè)有導(dǎo)向裝置的配置，不僅可以提高行動(dòng)的精度，還可以為防止手臂沿伸縮方向向中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，使其加大承載能力。 3.3.3 機(jī)座結(jié)構(gòu)的選擇 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，是支撐起機(jī)械手全部重量的構(gòu)件，所以對(duì)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。 按照本機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求機(jī)座在停下來時(shí)要求能夠剎車定位，所以可采用可移動(dòng)式的機(jī)座。 3.4 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置，目前選用的大多數(shù)都是電氣、液壓、氣壓這三種驅(qū)動(dòng)方式。 液壓驅(qū)動(dòng)：其不足就是工作時(shí)候聲音較大，要求配有油源，價(jià)格較高，而且油液容易泄露，污染空氣和環(huán)境；其好處就是可實(shí)現(xiàn)多次平穩(wěn)的換向和變速，功率和質(zhì)量比較大。 電氣驅(qū)動(dòng)：電氣驅(qū)動(dòng)主要是成本很貴，一般很少會(huì)用到這種驅(qū)動(dòng)模式。 氣壓驅(qū)動(dòng)：氣壓驅(qū)動(dòng)這個(gè)模式最主要成本低，而且對(duì)環(huán)境無污染，穩(wěn)定性強(qiáng)，另外，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，氣動(dòng)技術(shù)越來越成熟，現(xiàn)在成為主流的一種技術(shù)了。 表3.4 各種控制方式的比較 項(xiàng)目 氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 電氣傳動(dòng) 機(jī)械傳動(dòng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡單 復(fù)雜 復(fù)雜 較復(fù)雜 安裝自由度 大 大 中 小 輸出力 稍大 大 小 不太大 定位精度 一般 一般 很高 高 動(dòng)作速度 大 稍大 大 小 響應(yīng)速度 慢 快 快 中 清潔度 清潔 可能有污染 清潔 較清潔 維護(hù) 簡單 比氣動(dòng)復(fù)雜 需要專門的技術(shù) 簡單 價(jià)格 一般 稍高 高 一般 技術(shù)要求 較低 較高 最高 較低 控住自由度 大 大 中 小 危險(xiǎn)性 幾乎無問題 注意著火 一般沒問題 無特殊問題 經(jīng)過分析和對(duì)比，本論文采用的是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的模式。 3.5 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。它主要被用于檢測(cè)系統(tǒng)本身與作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動(dòng)作提供信息。本設(shè)計(jì)選擇的開關(guān)主要用于檢測(cè)工件的材質(zhì)、顏色，以及檢測(cè)各個(gè)氣缸動(dòng)作的位置。下面主要介紹本系統(tǒng)涉及的接近開關(guān)類型。 3.5.1 位置檢測(cè)裝置 在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)機(jī)械手執(zhí)行左旋/右旋，前伸/回縮，上升/下降等動(dòng)作時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的位置檢測(cè)裝置檢測(cè)動(dòng)作是否到位，常用的位置檢測(cè)裝置是行程開關(guān)。行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時(shí)，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。行程開關(guān)按其結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)式、滾輪式、微動(dòng)式和組合式。 本設(shè)計(jì)中采用直線接觸式行程開關(guān)檢測(cè)機(jī)械手動(dòng)作是否到位，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，碰到行程開關(guān)，終結(jié)上一個(gè)動(dòng)作，準(zhǔn)備執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作。 3.5.2光纖傳感器 光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光信號(hào)經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)(如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)源，在經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。 傳感器朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展，它能夠在人達(dá)不到的地方(如高溫區(qū)或者對(duì)人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū))，起到人的耳目作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 3.5.3電感式傳感器 電感式傳感器相對(duì)于電容式電感器,雖然只能識(shí)別金屬物質(zhì)的工件，但是它具有體積小，定位精度高，抗干擾性能好等特點(diǎn)，普遍的利用于各種自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)電一體化設(shè)備及石油、化工、科研等多種行業(yè)。 由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。 在本設(shè)計(jì)，選擇（PR18-8N）電感式傳感器著為識(shí)別工件的金屬和非金屬的裝置，光纖傳感器識(shí)別物料黑和白，便于PLC控制系統(tǒng)的簡單化，控制系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。 3.6氣缸裝置 氣缸是一種可將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的元器件，是應(yīng)用非常普遍的氣動(dòng)執(zhí)行部件。氣缸式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)作相對(duì)穩(wěn)定，容易維修，控制比較簡單，故該材料分揀系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇氣缸推動(dòng)式[9] 3.7 觸摸屏選擇 MT4300是觸摸屏（HMI）當(dāng)中，最為穩(wěn)定的一系列的產(chǎn)品。該MT4300（HMI）采用了5.4尺寸和8:5的薄膜晶體管（TFT）液晶顯示屏，具有更加清晰的顯示效果。 3.7 觸摸屏特點(diǎn) 如表3.7觸摸屏特點(diǎn) 型號(hào) MT4300C 顯示尺寸 5.6TFT(113.28*84.7mm) 分辨率 320*234像素 顯示色彩 65536彩色 亮度 300cd/m*2 背光燈 LED 觸摸屏 4線 精密電阻網(wǎng)絡(luò) 液晶壽命 50000小時(shí) CPU 32-bit 400MHz RISC 存儲(chǔ)器 8M FLASH+16M SDRAM RTC 256KB+實(shí)時(shí)時(shí)鐘 打印端口 DB15/串口 以太網(wǎng) 不支持 程序下載 1個(gè)USB SLAVE接口 通訊端口 COM0:RS232/RS485-2/RS485-4,COM1:RS232/RS485-2/RS485-4,COM2:RS232 3.8變頻器的選擇 在功率較低機(jī)電控制系統(tǒng)中，可編程控制器（PLC）與變頻器（xxxF）最為契合的通訊方法是，利用雙絞線把變頻器（xxxF）和可編程控制器（PLC）連接起來，采用Rs-485的串行通信的方式來實(shí)行通訊。 3.8.1 硬件準(zhǔn)備和接線 PLC 選用FX2N-64MR，PLC 通信件選用FX2N-485-BD，變頻器選用FR-E540。通信電纜選用10Base-t的電纜，終端的電阻和通訊接線的分配器。變頻器端接在PU接口上PLC 端接在 FX2N-485-BD 接口中。 3.8.2 可編程控制器的初始設(shè)定 可編程控制器（PLC）的初始參數(shù)的設(shè)定：其協(xié)議設(shè)定選用無協(xié)議的通訊，而數(shù)據(jù)長度一般為：7 位，停止位一般為： 1 位，傳輸速率一般為：9600bps，H/W 類型選用 RS-485，其以項(xiàng)不用更改。 3.8.3變頻器的初始設(shè)定 Pr117的變頻器站號(hào)設(shè)定為：00~31，而Pr118的波特率設(shè)定與 PLC的設(shè) 定內(nèi)容致采用：9600bps，Pr119的數(shù)據(jù)長度/停止位設(shè)定為：10(數(shù)據(jù)長度): ，Pr120的奇偶校驗(yàn)設(shè)定為：2(偶校驗(yàn)) 7 位/停止位:1 （位) ，Pr123的等待時(shí)間設(shè)定為：9999，Pr124的有無 CR、LF 指令設(shè)定為：1， Pr79的運(yùn)行模式設(shè)定為：0 ，Pr122的通信檢查時(shí)間間隔設(shè)定為：9999。 (上電時(shí)外部運(yùn)行模式) 。 3.8.4 通訊用到的指令 可編程控制器與變頻器之間的通信選用EXTR(FNC.180) EXTR 指令按照通信的功能分為 EXTR K10，EXTR K11，EXTR K12，EXTR K13 四種。 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 控制系統(tǒng)流程圖 對(duì)自動(dòng)分揀系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)如下： A將料盤上的物料推送至料倉出口物料檢測(cè)位置。物料檢測(cè)傳感器檢測(cè)是否有料，若檢測(cè)有料執(zhí)行步驟B； B機(jī)械手搬運(yùn)物料。機(jī)械手動(dòng)作順序如下：伸縮機(jī)械手臂伸出至前限位一一垂直機(jī)械手臂下降到下限位一一啟動(dòng)手指抓取物料一一垂直機(jī)械手臂上升到上限位一一伸縮機(jī)械手臂縮回到后限位一一旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂右轉(zhuǎn)到右限位一一伸縮機(jī)械手臂伸出到前限位一一垂直機(jī)械手臂下降至下限位——?dú)鈩?dòng)手指釋放物料。執(zhí)行步驟C。 C氣動(dòng)手指釋放物料后，落料口物料檢測(cè)傳感器檢測(cè)是否有料，同時(shí)機(jī)械手返回原點(diǎn)位置等待抓料。返回順序如下：垂直機(jī)械手臂上升至上限位一一伸縮機(jī)械手臂縮回至后限位一一旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂左轉(zhuǎn)至左限位。若正在處理的物料未分揀完，即使檢測(cè)到料倉出口處有料，機(jī)械手亦不動(dòng)作。 若落料口檢測(cè)傳感器檢測(cè)有料，則執(zhí)行步驟D； D氣動(dòng)的手指釋放物料后，落料口物料的檢測(cè)傳感器檢測(cè)是否有料，同時(shí)機(jī)械手返回原點(diǎn)位置等待抓料。返回順序如下：垂直機(jī)械手臂上升至上限位一一伸縮機(jī)械手臂縮回至后限位一一旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂左轉(zhuǎn)至左限位。若正在處理的物料未分揀完，即使檢測(cè)到料倉出口處有料，機(jī)械手亦不動(dòng)作。 其流程圖圖4.1所示： 如圖4.1 分揀的流程圖 4.2 系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)的I/O點(diǎn)數(shù)分配 根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作流程分析及I/O點(diǎn)數(shù)確定，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％。PLC的I／O點(diǎn)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(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，再加20％到30％的裕量，并實(shí)現(xiàn)PLC內(nèi)外信號(hào)的電氣隔離。 可以確定電氣控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配，如表4.2所示： 表4.2 機(jī)械手控制輸入和輸出點(diǎn)分配表 輸入 功能描述 輸出 功能描述 X0 急停的按鈕 Y0 運(yùn)送物料電機(jī) X1 啟動(dòng)的按鈕 Y1 組合警示燈（紅色） X2 停止的按鈕 Y2 組合警示燈（綠色） X3 單步的按鈕 Y3 黃色指示燈 X4 回原位的按鈕 Y4 氣動(dòng)手指抓緊 X5 傳送帶落料口物料檢測(cè) Y5 氣動(dòng)手指釋放 X6 料倉出料口物料檢測(cè) Y6 旋轉(zhuǎn)機(jī)械手左轉(zhuǎn) X7 金屬工件檢測(cè) Y7 旋轉(zhuǎn)機(jī)械手右轉(zhuǎn) X10 白色工件檢測(cè) Y10 伸縮機(jī)械手伸出 X11 黑色工件檢測(cè) Y11 伸縮機(jī)械手縮回 X12 旋轉(zhuǎn)機(jī)械手左限位 Y12 垂直機(jī)械手上升 X13 旋轉(zhuǎn)機(jī)械手右限位 Y13 垂直機(jī)械手下降 X14 伸縮機(jī)械手前限位 Y14 A桿氣缸電磁閥 X15 伸縮機(jī)械手后限位 Y15 B桿氣缸電磁閥 X16 垂直機(jī)械手上限位 Y16 C桿氣缸電磁閥 X17 垂直機(jī)械手下限位 Y17 蜂鳴器 X20 氣動(dòng)手指抓放限位 Y20 皮帶正轉(zhuǎn) X21 A桿推料氣缸前限位 Y21 皮帶反轉(zhuǎn) X22 A桿推料氣缸后限位 Y22 皮帶運(yùn)轉(zhuǎn) X23 B桿推料氣缸前限位 Y23 X24 B桿推料氣缸后限位 Y24 X25 C桿推料氣缸前限位 Y25 X26 C桿推料氣缸后限位 Y26 4.3 PLC外部接線圖 根據(jù)分配輸入/輸出信號(hào)與PLC輸入/輸出接口分配情況及所選定的PLC，得到PLC的外部接線圖如圖4.3： 圖4.3 PLC外部接線圖 參考文獻(xiàn) ［1］張建民等.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.169～183 ［2］袁子榮.液氣壓傳動(dòng)與控制［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2007.39～241. ［3］陳懇，楊向東，劉莉，等.機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.106～ 111. ［4］陳奎生.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001.47～106. ［5］張鐵，謝存禧.機(jī)器人學(xué)［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001.115～138. ［6］費(fèi)仁元，張慧慧.機(jī)器人設(shè)計(jì)和分析［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.190～234. 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