终极版,电气控制PLC分选机械手.doc

毕业设计报告(论文)报告(论文)题目： 基于PLC物料分选机械 手的设计 作者所在系部： 机械工程系 作者所在专业： 机械设计制造及其自动化 作者所在班级： xxxxxxx 作 者 姓 名 ： xxxxxxx 作 者 学 号 ： xxxxxxxxxxxx 指导教师姓名： xxxxxxxx 完 成 时 间 ： 2012年6月 北华航天工业学院教务处制北华航天工业学院本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）基于PLC分选机械手的设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。特此声明毕业设计（论文）作者： 指导教师： 年 月 日 年 月 日摘 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，提出了用电动驱动和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电动驱动，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、大小球分选等功能。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。关键词: 机械手 可编程控制器（PLC） 自动化控制 物料分拣Abstract 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 electric-driven in the driving system, PLC control unit in the control system to complete initialization of the system, manipulators moving, materials sorting 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. Key words manipulator programmable logic controller (PLC) automatic control sorting materials目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景11.1.1 研究的目的及意义11.1.2 机械手在国内外现状和发展趋势11.2 需要研究解决的内容和问题21.2.1 主要研究的内容21.2.2 解决的关键问题2第2章 执行系统的分析与选择32.1 执行机构坐标形式的选择32.2 执行机构的组成42.3 执行机构各部分的分析与选择42.3.1 手部的选择42.3.2 手臂结构的选择62.3.3 机座结构的选择72.4 大小球分选的设计思想72.5 分选机构简图7第3章 驱动系统的分析与选择93.1 电动机的选择93.2 气动元件选取及工作原理93.2.1 气源装置93.2.2 执行元件103.2.3 控制元件103.2.4 辅助元件113.3 气动回路的工作原理12第4章 控制系统的分析设计134.1 控制系统的组成结构134.2 控制系统的性能要求134.3 传感器的选择144.4按钮和行程开关的选择144.4.1按钮的选择原则144.4.2行程开关的选择144.5 控制系统PLC的选型及控制原理154.5.1 PLC控制系统设计的基本原则154.5.2 I/O点数分配154.5.3 PLC外部接线图164.6 PLC程序设计174.6.1 机械手分捡大小球控制程序流程图174.6.2 机械手分拣大小球控制程序的梯形图18第5章 总结与展望24致 谢25参考文献26第1章绪论1.1 课题背景1.1.1 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。1.1.2 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、松下、FANLUC、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB及奥地利的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。1.2 需要研究解决的内容和问题1.2.1 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. 大小球分选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. 大小球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，本设计选择电气驱动的方式。内容包括电动元件的选择及其工作原理、工序流程图的设计和外部接线图的绘制。 3. 大小球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。1.2.2 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。第2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。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；（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，而且运动都是直线运动。所以基于以上分析，选用直角坐标较为合适。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几类: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。（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。 3. 磁吸式磁吸式手部是装在手腕部的电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点。但是有如下使用要求：（1） 应有足够吸力 电磁吸力应根据工件重量确定。电磁吸盘的形状、尺寸以及线圈一旦确定。吸力大小就可以通过改变电压微调。（2） 电磁吸盘的形状、尺寸应与被吸附的工件相适应 电磁吸盘的形状、尺寸应根据被吸附工件的形状、尺寸相适应，吸盘的吸附表面应与工件的被吸附表面形状一致。 本设计中，只要求手部能够完成吸取、释放大小球的简单动作。所以该设计选用电磁式，因为结构简单，使用方便，操作简单。如下图2-1所示：图2.1 磁吸式手部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。4. 导向装置机械手手臂在进行伸缩运动时，为防止手臂沿伸缩方向向中轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。手臂的导向装置系根据安装形式、结构及负荷等条件来确定。2.3.3 机座结构的选择 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，是支撑起机械手全部重量的构件。对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。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。机座的结构与机械手的总体布置有关，对专用机械手而言，传动和控制部分通常是单独布置，故机座比较简单或不设机座。对通用机械手而言，传动部分布置在机架内部或后下方，控制部分则布置在机座的后上方或单独布置一个控制箱。2.4 大小球分选的设计思想1. 当输送机处于起始位置时，上限位开关和左限位开关被压下，极限开关断开。2. 启动装置后，捡球装置下行，一直到极限开关闭合。此时。若碰到的是小球，则压力传感器仍为断开状态；若碰到的是大球，则压力传感器闭合状态。3. 吸起小球后，则捡球装置向上行，碰到上限位开关后，捡球装置向右行；碰到右限位开关（小球的右限位开关）后，再向下行，碰到下限位开关后，将小球释放到小球箱里，然后返回到原位。4. 如果吸起的是大球，捡球装置右行碰到另一个右限位开关（大球的右限位开关）后，再向下行，碰到下限位开关后，将大球释放到小球箱里，然后返回到原位。2.5 分选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2.2所示。 图2.2 执行机构简图第3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 电动机的选择三相电机分为异步电动机和同步电动机两类。同步电机转速恒定、功率因数可调。不能自行启动；在同步电动机的转子上装设启动绕组，借助异步电动机的原理来完成其启动过程。异步电动机的的启动分为：直接启动和降压启动。直接启动也称全压启动。启动时，电动机定子绕组直接接入额定电压的电网上。启动特点：（1）启动电流大 （2）启动转矩并不大。而过大的电流对电网电压的波动及电动机本身均会带来不利影响，因此，直接启动一般只在小容量电动机中使用，如7.5KW以下的电动机可采用直接启动。降压启动的目的是限制启动电流。启动时，通过设备使加载电动机上的电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值时，在使电动机承受额定电压，保证电动机在额定电压下稳定工作。因为本设计中用到的电动机M1为5KW,M2为3KW,额定电压均为380V,均小于7.5KW,所以可以采用直接启动。3.2 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：3.2.1 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。3.2.2 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。本设计采用输出直线式气缸，只进行升降控制，从而实现大小球的分选。3.2.3 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。3.2.4 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。3.3 气动回路的工作原理 1. 手臂下降进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀6上端单向调速阀7气缸9的无杆腔。排气路线：气缸9的有杆腔单向调速阀8三位四通电磁换向阀6的排气口调速阀4消声器5排出。 2. 手臂上升进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀6下端单向调速阀8气缸9的有杆腔。排气路线：气缸9的无杆腔单向调速阀7三位四通电磁换向阀6的排气口调速阀4消声器5排出。如下图3-1所示：图3.1 执行机构简图注释：1.空气压缩机；2.空气处理单元；3.储气罐；4.调速阀；5.消声器；6.三位四通电磁换向阀；7、8.单向调速阀;9.气缸；第4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。4.2 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 压力传感器有电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、应变片压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：式中：金属导体的电阻率（。mm2/m ）S 导体的截面积（mm2 ）L 导体的长度（m ）4.4按钮和行程开关的选择4.4.1按钮的选择原则 1. 根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式，防水式，紧急式等。 2. 根据用途，选用合适的型式，如钥匙式，紧急试，带灯式等。 3. 按控制回路的要求，确定不同的按钮数，如单钮，双钮，三钮，多钮等。 4. 按工作状态指示和工作情况的要求选择按钮及指示灯的颜色。 按钮的参数：一般规格为交流500V，允许持续电流为5A，红色按钮表示停止按钮， 绿色表示启动，为了区别按钮颜色，按钮的选择为LA25D，指带指示灯的按钮。4.4.2行程开关的选择 行程开关的分类：直动式，滚动式和微动式三种。直动式行程开关的优点是结构简单，成本低，但容易烧蚀触头。滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点，但其结构复杂，价格也较高，所以选择微动式行程开关体积小，动作灵敏，适用于小型机构中使用。即型号为: LX324S 4.5 控制系统PLC的选型及控制原理4.5.1 PLC控制系统设计的基本原则 在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点。 1. 性能与任务相适应 对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。 对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM/CQM1H型PLC。 对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联信网4等，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC）。当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，一组成一个分布式的控制系统。 2. PLC应用系统结构合理、机型系列应统一PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵活。维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工艺过程变化教多、控制要求复杂的系统。在使用时，应按实际具体情况进行选择。 结合以上几点，在设计PLC机械手在大小球分选系统中用的PLC的选型为西门子S7-200系列的可编程控制器。本设计根据所需I/O口的数量可选用S7-200系列编程器，该型号PLC采用继电器输出，有14个输出口，10个输入口，即满足设计要求。4.5.2 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所示：表4.1 机械手控制输入点分配表输入地址对应的外部设备输出地址对应设备的操作I0.0设备的启动按钮Q0.0机械臂上升I0.1上移限位开关Q0.1机械臂下降I0.2下移限位开关Q0.2机械臂左行I0.3左移限位开关Q0.3机械臂右行I0.4大小球的选择开关Q0.4机械臂吸球/放球I0.5大球的选择开关定时器定时时间I0.6小球的限位开关T372SI0.7设备的停止按钮T382SI1.0连续运行按钮I1.1单周期运行按钮I1.2单不运行按钮I1.3回原点运行I1.4单步运行的辅助按钮4.5.3 PLC外部接线图 根据表4.1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4.1： 图4.1 PLC外部接线图4.6 PLC程序设计4.6.1 机械手分捡大小球控制程序流程图图4.2 机械手分捡大小球控制程序流程图根据要求，该控制流程根据吸住的是（大球、小球）有两个分支，此处应为分支点，且属于选择性分支。分支在机械臂下降之后根据接近开光（X0）的通断，分别将球吸住、上升、右行到SB4 或 SB5 处下降，此处应为汇合点。然后再释放、上升、左移到原点。当按下SM0.1时，S0.0得电，如果转换条件满足，S0.1得电捡球装置下降捡球平板，当下降的捡球平板碰到下限开关SB2时，S0.2得电，停止下降，捡球装置给平板处的电磁线圈（KM）通电，捡球平板产生电磁吸力吸住钢球，此时压力感应器I0.4用来判断是吸住的大球还是小球，如果压力感应器I0.4的输出断开，说明吸住的是小球，而如是闭合的，则说明吸住的是大球。当吸住钢球后，S0.3得电捡球平板上升，碰到上限开关后开始右行，I0.5为大球位限位开关，I0.6为小球位限位开关，在右行的过程中，如果吸住的是小球，S0.6得电，则要到碰到I0.6才停止右行，S0.7得电，下降到下限开关位置，S1.0得电，断电释放钢球，然后S1.0得电上升到上限开关位置停止上升，S1.2得电，开始左行，碰到左极限停止左行；而如果是吸住的大球，则在右行的时候碰到I0.5就停止右行，S0.7得电，下降到下限开关出停止下行，S1.0得电，断电释放钢球，然后上升到上极限位置停止上升，S1.2得电，开始左行，到左极限停止左行，吸球时间T37为2s，释放球时间T38也为2s）当将旋钮开关I1.0后，系统由开始捡球到放球，返回再次开始捡球，如此循环不断的进行捡球和放球的过程，直到按下停止按钮，系统才停下来不工作。当系统在连续运行时，停止方式有两种，一种是正常停止：就是按下停止按钮后，系统要将整个周期剩下的步骤全部进行完，然后回到原点才停止工作。另外一种是紧急停止：就是用来处理紧急情况下来及时停止整个系统工作的，一按紧急停止，系统立刻停止，不管已经工作到什么位置。4.6.2 机械手分拣大小球控制程序的梯形图第5章 总结与展望 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. 对大小球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. 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，对大小球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： 1. 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