基于plc物料分拣机械手自动控制系统设计

1、基于PLC物料分拣机械手自动控制系统设计摘 要：机械手是一种按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。主要有手部、运动机构和控制系统三大部分组成。本文在阐述其结构和工作原理的基础上，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。以三菱的FX2N系列可编程控制器为控制器设计机械手工作的控制系统，给出了输入输出分配表，并选择了相应的传感器，采用气动驱动，得到了可编程控制器外部硬件接线图，给出了相应的梯形图和指令表，实现对机械手的自动控制、故障报警等功能。关键词：机械手；气动控制；PLC；自动化控制；物料分拣The Design on the Automatic Control System of

2、 the Sorting Materials Manipulator Based on PLCAbstract：Fetching manipulator is a kind of automatic operation device which can move objects or tools According to fixed program. It mainly composes of hand, movement mechanism and control system. This paper puts forward the designing scheme of pneumati

3、c drive and PLC control, on the basis of expounding its structure and working principle. With Mitsubishi FX2N series programmable controller work for controller design of manipulator control system, it gives the input and output allocation table, selecting the corresponding sensors, adopting pneumat

4、ic drive, getting the programmable controller external hardware wiring diagram and ladder diagram and instruction list and realizes of the automatic control of the manipulator, fault alarm, etc.Key words：manipulator; pneumatic-driven; programmable logic controller; automatic control; sorting materia

5、ls引 言 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。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网

6、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。 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。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

7、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。 第1章 绪论1.1 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

8、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

9、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。随着工业的高速发展

10、，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1。机械手的发展趋势： 1. 重复高精度重复高精度是指如果重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个固定误差，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔。 2. 模块化模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具有灵活地安装体系。它集成电路接

11、口和带有电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。 3. 无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊且用自润滑材料制成的无润滑元件不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 4. 机电一体化有“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关技术”进入到高精度的“反馈控制”；省去配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简

12、单，大大提高了系统的可靠性2。1.2 PLC的应用现状和发展趋势可编程控制器(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。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。使用情况大致可归纳为6类：开关量的逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理、通讯及联网。1 开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电

13、器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控制及自动化流水线。2 模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。3 运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。4 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，

14、PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序3。5 数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通讯功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6

15、通讯及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。PLC的发展趋势：（1）产品规模向大、小两个方向发展大：I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化；小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本；（2）PLC在闭环过程控制中应用日益广泛；（3）不断加强通讯功能；（4）新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还带有处理器的EP

16、ROM或RAM的智能I/O模块、高速计时模块、远程I/O模块等专用化模块；（5）编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语言表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统； （6）发展容错技术采用设备并行工作、多数表决的工作方式；（7）追求软硬件的标准化。1.3 主要研究内容及解决的问题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

17、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。解决的关键问题：1. 执行系统：机械手机械结构的设计问题，要求机械手

18、结构简单、经济、具有一定的代表性；2. 驱动系统：气压驱动的原理；3. 控制系统：PLC选型及程序的编制；4. 检测系统：传感器的选择与配置。第2章 机械手结构的分析与选择2.1 机械手的概念和基本特点 我国的国家标准(GB/T 12643-90)对机械手的定义:“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。”机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定(有时可调)程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作

19、灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机械手是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性以及在各种环境中能够完成作业的能力，使之在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（

20、摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。而机械手是一种能够自动化定位控制并可以重新编程以改变动作的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大通用性越广其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。在工业

21、生产中应用的机械手被称为工业机械手。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多重要的工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。自动物料分拣装置的机械手采用模块化设计，通过PLC控制机械手自动分料。而通过PLC控制机械手的移动和准确定位控制物料分拣，以缩短生产节

22、拍，提高生产效率。具有坚固、高速和良好的可操作性。可进行大批量产品的自动化生产；可以组合多台机床或其他设备，成为具有不同生产流程的自动化生产线，具有效率高、结构简单紧凑、造型新颖美观、重量轻的特点4。物料分拣机械手的各个系统如图2.1所示，由控制系统、驱动系统、执行机构、抓取工件、位置检测装置组成5。 控制系统 驱动系统 执行机构 抓取工件 位置检测装置图2.1 机械手的组成方框图根据工作目的和要求并査取相关资料，确定物料分拣机械手的行程：旋转角：90度；水平伸缩行程：0.5米；垂直伸缩行程：0.4米。2.2 机械手执行机构的设计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

23、型直接影响到机械手的工作性能。2.2.1 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。另外在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

24、生产线上的传送带和加工装配机械相配合；(3) 适用于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更；(4) 定位精度高，载重发生变化也不回影响精度；(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；(3) 手臂上下；(4) 手

25、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

26、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。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

27、加了制造的成本和难度6。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。2.2.2 执行机构的组成工业机械手的执行系统主要有以下机械部分组成：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。2.2.3 执行机构各部分的分析

28、与选择 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，是工业机械手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。 (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

29、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7。（3）磁吸式磁吸式手部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。图2.2 吸盘机构图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手部。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

30、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。 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。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。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。

31、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。 5 4 3 2 1图2.3 机座结构图1底座 2摆动气缸 3双向推力球轴承 4扣罩 5转台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。

32、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。物料分拣机械手手臂需要一个旋转模块，摆动气缸就要固定在机座上。连接组件主要由四部分组成：双向推力球轴承、底座、转台和扣罩。如图2.3所示。选择双向推力球轴承而不是单向的，因为机座与转台在轴向上无法直接连接。采用双向推力球轴承就可以方便的将轴承内环与转台连接，外环用罩扣固定在底座上。另外，推力球轴承应选择公称尺寸较大一些的，这样可以更好的承受倾覆力矩。 2.2.4 执行机构简图根据前面机械手各部分的设计，可作出机械手大体结构简图，如图2.4所示。机械手基本结构由真空吸盘D、摆动气缸A、前伸/回缩气

33、缸B、上升/下降气缸C、机座等组成。该物料分拣机械手配有电控箱，电控箱与机械手主体分离，可实现远程控制。操作面板、电磁阀、PLC可编程控制器等均安装在电控箱上。 B 5 4 3 C 6 A D 2 1图2.4 执行机构简图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2.2.5 物料分拣机械手的功能要求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

34、放物等动作。其结构原理如图2.4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。2.3 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。2.3.1 驱动系统的选取液压驱动，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

35、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

36、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1015。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2.1给出了各种驱动方式的比较：通过以上三种驱动方式的比较选用气动驱动的方式，这种方式不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本。表2.1 各种驱动方式的比较项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高动作速度大稍大大小响应速度慢快快中清洁度清洁

37、可能有污染清洁较清洁维护简单比气动复杂需要专门技术简单价格一般稍高高一般技术要求较低较高最高较低控制自由度大大中小危险性几乎无问题注意着火一般无问题无特殊问题2.3.2 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2.5所示。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

38、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8。 A B C D E 2515 16 17 18 19 20 21 22 23 24 26 10 11 12 13 14 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 8YA 4 5 6 7 8 9 2 1 3图2.5 驱动系统原理图1空气压缩机 2空气处理单元 3储气罐 4、6、8、23调速阀5、7、9、21消声器 10、11、12三位四通电磁换向阀 13、14二位二通电磁阀15、16、17、18、19、20单向调速阀 22真空发生器

39、 24真空开关 25过滤器 26吸盘A水平伸缩气缸 B小臂升降气缸 C摆动气缸2.3.3 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：气源装置、执行元件、控制元件、辅助元件、真空发生器、吸盘9。2.3.3.1 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

40、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，以利于进一

41、步分离空气中的油、水等杂质。2.3.3.2 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机械能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

42、塞杆上升。2摆动气缸输出回转摆动式机械能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。2.3.3.3 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

43、。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。本设计选用型号Q25的串联减压式调速阀10。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。

44、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、二位四通阀、二位五通阀、三位四通阀、三位五通阀等。本设计选用的型号DZ3025X/200Y三位四通电磁换向阀如图2.6所示。 A B 图形符号 P O 图2.6

45、三位四通电磁换向阀本设计选用三位四通电磁换向阀理由如下： a. 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； b. 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； c. 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。2.3.3.4 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

46、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、

47、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。2.3.3.5 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。2.3.3.6 吸盘吸盘是直接吸吊物体的元件，一般用橡胶做成如图2.2。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

48、和吸盘之间形成了密封，产生压差，进而产生压力就会吸住物料，吸力大小与大气压和吸盘内部空间的压力差成正比。2.3.4 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。如图2.5所示，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

49、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，使三位四通电磁换向阀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.

50、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，阀13的阀

51、芯右移接通气路，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

52、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，使三位四通电磁换向阀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2