PLC控制的機(jī)械手自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘 要 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)?？梢詫?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，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。 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。采用整體化的設(shè)計(jì)思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化。對物料分揀機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。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。最后提出了一種簡單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。 通過以上部分的工作，得出了經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用型、高可靠型物料分揀機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，對其他經(jīng)濟(jì)型PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒價(jià)值。 關(guān)鍵詞: 機(jī)械手，氣動(dòng)控制，可編程控制器（PLC），自動(dòng)化控制，物料分揀。 目 錄 摘要 1 一 前言 2 (1) 研究的目的及意義 2 （二） 機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2 （三） 主要研究的內(nèi)容 3 （四） 解決的關(guān)鍵問題 4 二 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選 5 （一） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 5 （二） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 5 （三） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇 5 （四） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理 6 （五） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖 6 三 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 8 （一） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 8 （二） 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì) 8 （三） 氣動(dòng)回路的工作原理 9 四 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì) 12 （一） 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 12 （二） 傳感器的選擇 13 （三） 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理 13 （四） PLC程序設(shè)計(jì) 22 結(jié)束語 30 參考文獻(xiàn) 31 一 前 言 （一） 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。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，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。 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。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、用以代替人的繁重及單調(diào)勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化；并能在高溫、腐蝕及有毒氣體等有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。 可編程控制器(PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動(dòng)作精度高等優(yōu)點(diǎn)。 適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)PLC對物料分揀機(jī)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(jìn)行分揀，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線。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。本設(shè)計(jì)主要完成機(jī)械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計(jì)。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 （二） 機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 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)。機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。 目前，國際上的機(jī)械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奧地利的工GM公司。 我國機(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。在我國，機(jī)械手市場份額大部分被國外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強(qiáng)手面前，國內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競爭壓力。如今我國正從一個(gè)“制造大國”向“制造強(qiáng)國”邁進(jìn)，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動(dòng)化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會(huì)加大對機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會(huì)給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。 隨著機(jī)械手發(fā)展的深度和廣度以及機(jī)器人智能水平的提高，機(jī)械手已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)器人等。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(jī)械手的應(yīng)用也越來越多。 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。據(jù)猜測，今后機(jī)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(jī)器維修、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。 （三） 主要研究的內(nèi)容 隨著機(jī)械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強(qiáng)、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。本論文主要研究物料分揀機(jī)械手以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 1 物料分揀機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動(dòng)部件與機(jī)械構(gòu)件組成，是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的實(shí)體。主要包括機(jī)身、手臂、末端執(zhí)行器3部分組成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對機(jī)械手的手部、手臂和機(jī)座進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2 物料分揀機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動(dòng)力的裝置。通過對液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動(dòng)方式的比較，本設(shè)計(jì)選擇氣壓驅(qū)動(dòng)的方式。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。 3 物料分揀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時(shí)序進(jìn)行工作。本機(jī)械手采用可編程控制器（PLC）對機(jī)械手進(jìn)行控制，主要包括對PLC的型號選擇、傳感器類型進(jìn)行選擇、I/O口的選擇、對控制系統(tǒng)原理圖、自動(dòng)程序梯形圖的繪制等內(nèi)容。 （四） 解決的關(guān)鍵問題 1 解決機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、具有一定的代表性。 2 執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)精度的問題。 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。 4 元件的匹配規(guī)則和知識的獲取及其表達(dá)形式。 5 傳感器的類型選擇。 二 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。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的布局類型直接影響到機(jī)械手的工作性能。 （一） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 機(jī)械手的基本型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種基本型式：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。 機(jī)械手型式的選擇首先是從滿足它的運(yùn)動(dòng)要求方面進(jìn)行考慮， 然后從機(jī)械手的復(fù)雜程度以及經(jīng)濟(jì)情況等方面來考慮。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手主要?jiǎng)幼鳛闄C(jī)械手手臂的左右移動(dòng)，升降移動(dòng)和機(jī)械手的整體旋轉(zhuǎn)。 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。 球坐標(biāo)式機(jī)械手和關(guān)節(jié)式機(jī)械手對動(dòng)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(dòng)作是不必要的，顯得浪費(fèi)和增加了制造的成本和難度。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作?？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。這樣的修改并沒有改變機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)，只是進(jìn)行了局部變動(dòng)，使得整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠，所以確定用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。 （二） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機(jī)械部分組成： 1手部 是機(jī)械手直接握持工件或工具的部分。 2臂部 是機(jī)械手用來支持腕部與手部實(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)動(dòng)范圍的部件。 3立柱 支承手臂并帶動(dòng)它升降、擺動(dòng)和移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。 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。 （三） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇 1手部的選擇 手部就是用來握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，手部機(jī)構(gòu)也是多種多樣。 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(jī)械手的正常工作等優(yōu)點(diǎn)。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。 2手臂結(jié)構(gòu)的選擇 手臂是機(jī)械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。手臂一般有三個(gè)運(yùn)動(dòng)—伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。手臂的基本動(dòng)作是將手部移動(dòng)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。 本機(jī)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡單性和設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動(dòng)的雙作用單活塞桿氣缸。 機(jī)座結(jié)構(gòu)的選擇 3 基座結(jié)構(gòu)的選擇 機(jī)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(dòng)式和行走式。無論哪一種形式，機(jī)械手工作時(shí)機(jī)座一定予以固定?？梢苿?dòng)式的機(jī)座在停置時(shí)能夠剎車定位，以保證機(jī)械手工作時(shí)的位置精度。根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求選用落地固定式機(jī)座。 （四） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理 物料分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)座、立柱、水平手臂、垂直手臂、電磁閥和吸盤等組成。其中機(jī)座采用擺動(dòng)氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手的動(dòng)作基本有伸縮、升降、左右旋轉(zhuǎn)、吸物和放物等動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)原理如圖2.2所示。其動(dòng)作順序?yàn)椋撼跏嘉恢?→ 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。機(jī)械手的動(dòng)作在整個(gè)過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。 （五） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖 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)簡圖，如圖2.1所示，大圖見CAD圖。 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(dòng)氣缸 B前伸/回縮氣缸 C上升/下降氣缸 D 真空吸盤 圖2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖 三 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。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅(qū)動(dòng)方式。 （一） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 液壓驅(qū)動(dòng)，功率重量比大，可實(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，可自行潤滑，使用壽命長。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。 電氣驅(qū)動(dòng)，控制精度高，驅(qū)動(dòng)力較大，響應(yīng)快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅(qū)動(dòng)方式價(jià)格昂貴，限制了在一些場合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動(dòng)方式。 氣壓驅(qū)動(dòng)具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)、在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用較多。另一方面，氣動(dòng)技術(shù)作為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù)”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動(dòng)化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動(dòng)系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，全部自動(dòng)化流程中約有30﹪裝有氣動(dòng)系統(tǒng)，有90﹪的包裝機(jī)械，70﹪的鑄造、焊接設(shè)備，50﹪的自動(dòng)操機(jī)、40﹪的鍛造設(shè)備和洗衣設(shè)備、30﹪的采煤機(jī)械，20﹪的紡織機(jī)械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機(jī)械，43﹪的工業(yè)機(jī)器人裝有氣壓系統(tǒng)。日、美、德等國的氣動(dòng)元件銷售平均每年增長超過10-15﹪。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家的氣動(dòng)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(dòng)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要使用工具。 通過以上三種驅(qū)動(dòng)方式的比較選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，不僅能夠滿足了本設(shè)計(jì)的要求，而且節(jié)約了成本。 （二） 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）。其氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。 圖3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖 氣動(dòng)系統(tǒng)包括三個(gè)三位四通電磁換向閥、兩個(gè)二位二通電磁閥、三個(gè)氣缸、一個(gè)吸盤、四個(gè)調(diào)速閥、六個(gè)單向調(diào)速閥、消聲器（若干）等。圖中的調(diào)速閥控制氣缸上升和下降、伸長和縮短、擺動(dòng)過程中的速度，防止速度過大對物料及機(jī)械手臂的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運(yùn)動(dòng)方向；真空發(fā)生器的工作原理利用氣體的噴射產(chǎn)生真空吸附物料，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動(dòng)作是由二位二通電磁閥控制的。 （三） 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。系統(tǒng)中選用電磁換向閥，限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。二位二通電磁閥實(shí)現(xiàn)吸盤的吸物和放物。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12左端→單向調(diào)速閥19→擺動(dòng)氣缸C的D口。 排氣路線：擺動(dòng)氣缸C的E口→單向調(diào)速閥20→三位四通電磁換向閥12排氣口→調(diào)速閥8→消聲器9→排出。 2水平氣缸的伸出 當(dāng)擺動(dòng)氣缸C右旋到指定位置時(shí)（90度），就會(huì)碰到右旋限位開關(guān)，使二位五通電磁換向閥12的5YA斷電，擺動(dòng)氣缸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)停止，經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，使三位四通電磁換向閥10的1YA得電，閥10的閥芯右移，執(zhí)行手臂前伸動(dòng)作。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10左端→單向調(diào)速閥15→氣缸A的無桿腔。 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。 3垂直手臂的下降 當(dāng)水平伸縮氣缸A伸出到指定位置時(shí)，就會(huì)碰到前限開關(guān)，使三位四通電磁換向閥10的1YA斷電，手臂伸出動(dòng)作會(huì)停止。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，小臂下降按鈕接通，使三位四通電磁換向閥11的3YA得電，閥11的閥芯右移，執(zhí)行小臂的下降動(dòng)作。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。 4吸物 小臂氣缸下降到指定位置時(shí)，撞到下限位開關(guān)，使三位四通電磁換向閥11的3YA斷電，小臂下降動(dòng)作停止。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，二位二通電磁閥13的7YA得電，真空發(fā)生器22開始動(dòng)作，經(jīng)真空開關(guān)24檢測真空度，并發(fā)出訊號給控制器，真空吸盤26將物料吸起。這時(shí)的氣路是： 進(jìn)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→過濾器25→吸盤26。 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。 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(shí)，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(dòng)作。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右端→單向調(diào)速閥18→氣缸B的有桿腔。 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。 6水平手臂的回縮 小臂氣缸上升到指定位置時(shí)，撞到上限位開關(guān)，使三位四通電磁閥11的電磁鐵4YA斷電，小臂上升動(dòng)作停止。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，使三位四通電磁閥10的電磁鐵2YA得電，閥10的閥芯左移，執(zhí)行水平手臂的回縮動(dòng)作。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10右端→單向調(diào)速閥16→氣缸A的有桿腔。 排氣路線：氣缸A的無桿腔→單向調(diào)速閥15→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。 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。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，使三位四通電磁閥12的電磁鐵6YA得電，閥12的閥芯左移，執(zhí)行擺動(dòng)氣缸的向左旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。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12右端→單向調(diào)速閥20→擺動(dòng)氣缸C的E口。 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。 8垂直手臂的下降 擺動(dòng)氣缸左旋到指定位置（90度），撞到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)，使三位四通電磁閥12的電磁鐵6YA斷電，擺動(dòng)氣缸的左旋運(yùn)動(dòng)停止。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，使三位四通電磁閥11的電磁鐵3YA得電，閥11的閥芯右移，執(zhí)行小臂的下降運(yùn)動(dòng)。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。 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。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，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(yùn)動(dòng)，真空消失，壓縮空氣進(jìn)入吸盤26，將物料與吸盤吹開，這時(shí)氣路為： 進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲(chǔ)氣罐3→二位二通電磁閥14→調(diào)速閥23→過濾器25→吸盤26。 排氣路線：2空氣處理單元→儲(chǔ)氣罐3→二位二通電磁閥14→調(diào)速閥23→過濾器25→吸盤26。 10 垂直手臂的上升 經(jīng)傳感器檢測到物料已脫離吸盤，發(fā)出訊號，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。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右端→單向調(diào)速閥18→氣缸B的有桿腔。 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。 11回到初始位置 垂直手臂上升到指定位置，撞到上限位開關(guān)，接通復(fù)位按鈕，回到初始位置，重復(fù)以上動(dòng)作。 四 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃分與巧妙實(shí)現(xiàn)，對提高機(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。為此本章在分析了當(dāng)前機(jī)械手廣泛采用的控制器結(jié)構(gòu)及PLC的發(fā)展之后，提出了采用PLC的控制方法。 （一） 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般是使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)為目的，包括高性能的計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的系統(tǒng)硬件和控制軟件。 機(jī)械手的控制部分可分為4個(gè)部分：機(jī)械手及其感知器、環(huán)境、任務(wù)、控制器。機(jī)械手是由各種機(jī)構(gòu)組成的裝置，它通過感知器的內(nèi)部傳感器實(shí)現(xiàn)本體和環(huán)境狀態(tài)的檢測和信息交互；環(huán)境即指機(jī)械手所處的周圍環(huán)境；任務(wù)是指機(jī)械手要完成的操作，它需要適當(dāng)?shù)某绦蛘Z言描述，并把它們存入控制機(jī)中，隨著系統(tǒng)的不同，任務(wù)的輸入可能是程序方式，或文字、圖形或聲音方式；控制器包括軟件和硬件兩大部分，相當(dāng)于機(jī)械手的大腦，它以計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ每刂破鬟\(yùn)行程序的方式來完成給定的任務(wù)。 控制系統(tǒng)的硬件一般包括3個(gè)部分： 1感知部分 用來收集機(jī)械手的內(nèi)部和外部的信息，如位置、速度、加速度傳感器可接受機(jī)械手的本體狀態(tài)，而視覺、觸覺、力覺等傳感器可感受機(jī)械手的工作環(huán)境的外部狀態(tài)。 2控制裝置 用來處理各種信息，完成控制過程，產(chǎn)生必要的控制指令，它包括計(jì)算機(jī)相應(yīng)的接口等。 3驅(qū)動(dòng)部分 為了使機(jī)械手完成操作及移動(dòng)功能，機(jī)械手各關(guān)節(jié)可選用氣動(dòng)、液動(dòng)、電氣等方式驅(qū)動(dòng)。 （二） 傳感器的選擇 為了便于PCL控制程序的編寫，利于公司企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，綜合其各種情況，在本設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)。 （三） 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理 1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 （1） 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，力爭最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：