基于plc物料分揀機械手自動控制系統(tǒng)設(shè)計

z.基于PLC物料分揀機械手自動控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：機械手是一種按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。主要有手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大局部組成。本文在闡述其構(gòu)造和工作原理的根底上，提出了用氣動驅(qū)動和PLC控制的設(shè)計方案。以三菱的F*2N系列可編程控制器為控制器設(shè)計機械手工作的控制系統(tǒng)，給出了輸入輸出分配表，并選擇了相應(yīng)的傳感器，采用氣動驅(qū)動，得到了可編程控制器外部硬件接線圖，給出了相應(yīng)的梯形圖和指令表，實現(xiàn)對機械手的自動控制、故障報警等功能。關(guān)鍵詞：機械手；氣動控制；PLC；自動化控制；物料分揀-z.TheDesignontheAutomaticControlSystemoftheSortingMaterialsManipulatorBasedonPLCAbstract：FetchingmanipulatorisakindofautomaticoperationdevicewhichcanmoveobjectsortoolsAccordingtofi*edprogram.Itmainlyposesofhand,movementmechanismandcontrolsystem.ThispaperputsforwardthedesigningschemeofpneumaticdriveandPLCcontrol,onthebasisofe*poundingitsstructureandworkingprinciple.WithMitsubishiF*2Nseriesprogrammablecontrollerworkforcontrollerdesignofmanipulatorcontrolsystem,itgivestheinputandoutputallocationtable,selectingthecorrespondingsensors,adoptingpneumaticdrive,gettingtheprogrammablecontrollere*ternalhardwarewiringdiagramandladderdiagramandinstructionlistandrealizesoftheautomaticcontrolofthemanipulator,faultalarm,etc.Keywords：manipulator;pneumatic-driven;programmablelogiccontroller;automaticcontrol;sortingmaterials-z.引言隨著工業(yè)的高速開展，機械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。它可以搬運貨物、分揀物品、用以代替人的繁重及單調(diào)勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化；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)人身平安，被廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門?？删幊炭刂破?PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計算機和自動控制等先進(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，已成為目前在機械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用PLC的自動控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優(yōu)點。在未來幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用在機械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會使機械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運行本錢低。據(jù)猜想，今后機器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。隨著機械手技術(shù)的飛速開展和機械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其本錢低、可開發(fā)經(jīng)濟性強。適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)PLC對物料分揀機械手的控制，并借助必要的精細(xì)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)展分揀，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(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)展物料分揀的自動化裝置，可局部代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)展單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時需要對機械手進(jìn)展新的分配任務(wù)時，可以允許方便的改動或重新設(shè)計其新部件，而對于位置改變時，只要重新編程，并能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費用。本設(shè)計主要完成機械手的硬件局部與軟件局部設(shè)計。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。第1章緒論1.1機械手在國外現(xiàn)狀和開展趨勢機械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、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，提高勞動生產(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、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的開展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。目前，國際上的機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。我國機械手起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過30多年開展，大致經(jīng)歷了3個階段：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，機械手市場份額大局部被國外機械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強手面前，國的機械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國〞向“制造強國〞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)自動化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會加大對機器人的資金投入和政策支持，將會給機械手產(chǎn)業(yè)開展注入新的動力。隨著機械手開展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，機械手已在眾多領(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。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活效勞等領(lǐng)域機械手的應(yīng)用也越來越多。隨著工業(yè)的高速開展，機械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。機械手的開展趨勢：1.重復(fù)高精度重復(fù)高精度是指如果重復(fù)屢次，機械手到達(dá)同樣位置的準(zhǔn)確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠準(zhǔn)確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個固定誤差，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的開展，以及氣動伺服技術(shù)走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊。2.模塊化模塊化拼裝的機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具有靈活地安裝體系。它集成電路接口和帶有電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。3.無給油化為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精細(xì)儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料〔如燒結(jié)金屬石墨材料〕的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊且用自潤滑材料制成的無潤滑元件不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、本錢低、壽命長。4.機電一體化有“可編程序控制器-傳感器-氣動元件〞組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；開展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動元件，使氣動技術(shù)從“開關(guān)技術(shù)〞進(jìn)入到高精度的“反響控制〞；省去配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性[2]。1.2PLC的應(yīng)用現(xiàn)狀和開展趨勢可編程控制器(PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計算機和自動控制等先進(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，已成為目前在機械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用PLC的自動控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優(yōu)點。目前，PLC在國外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。使用情況大致可歸納為6類：開關(guān)量的邏輯控制、運動控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通訊及聯(lián)網(wǎng)。開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最根本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控制及自動化流水線。模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量〔Analog〕和數(shù)字量〔Digital〕之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進(jìn)電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序[3]。數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算〔含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算〕、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比擬，完成一定的控制操作，也可以利用通訊功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。通訊及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的開展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)開展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。PLC的開展趨勢：〔1〕產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個方向開展大：I/O點數(shù)達(dá)14336點、32位為微處理器、多CPU并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化；?。河烧w構(gòu)造向小型模塊化構(gòu)造開展，增加了配置的靈活性，降低了本錢；〔2〕PLC在閉環(huán)過程控制中應(yīng)用日益廣泛；〔3〕不斷加強通訊功能；〔4〕新器件和模塊不斷推出高檔的PLC除了主要采用CPU以提高處理速度外，還帶有處理器的EPROM或RAM的智能I/O模塊、高速計時模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊等專用化模塊；〔5〕編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標(biāo)準(zhǔn)化有各種簡單或復(fù)雜的編程器及編程軟件，采用梯形圖、功能圖、語言表等編程語言，亦有高檔的PLC指令系統(tǒng)；〔6〕開展容錯技術(shù)采用設(shè)備并行工作、多數(shù)表決的工作方式；〔7〕追求軟硬件的標(biāo)準(zhǔn)化。1.3主要研究容及解決的問題本論文主要研究物料分揀機械手以下幾個方面的容：1．物料分揀機械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件與機械構(gòu)件組成，是機械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體。主要包括機身、手臂、末端執(zhí)行器3局部組成，其中每一局部都可以具有假設(shè)干的自由度。執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計主要是對機械手的手部、手臂和機座進(jìn)展設(shè)計。2．物料分揀機械手驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各局部提供動力的裝置。通過對液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動方式的比擬，本設(shè)計選擇氣壓驅(qū)動的方式。容包括氣動元件的選擇及其工作原理、氣動回路的設(shè)計和氣動原理圖的繪制。3．物料分揀機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時序進(jìn)展工作。本機械手采用可編程控制器〔PLC〕對機械手進(jìn)展控制，主要包括對PLC的型號選擇、傳感器類型進(jìn)展選擇、I/O口的選擇、對控制系統(tǒng)原理圖、自動程序梯形圖的繪制等容。解決的關(guān)鍵問題：1.執(zhí)行系統(tǒng)：機械手機械構(gòu)造的設(shè)計問題，要求機械手構(gòu)造簡單、經(jīng)濟、具有一定的代表性；2.驅(qū)動系統(tǒng)：氣壓驅(qū)動的原理；3.控制系統(tǒng)：PLC選型及程序的編制；4.檢測系統(tǒng)：傳感器的選擇與配置。第2章機械手構(gòu)造的分析與選擇2.1機械手的概念和根本特點我國的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T12643-90)對機械手的定義:“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體，或進(jìn)展其它操作的機械裝置。〞機械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手作為整機的附屬局部，動作簡單，工作對象單一，具有固定(有時可調(diào))程序，使用大批量的自動生產(chǎn)。如自動生產(chǎn)線上的上料機械手，自動換刀機械手，裝配焊接機械手等裝置。通用機械手是一種具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)。它的工作圍大，定位精度高，通用性強，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。機械手是近幾十年開展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。機械手是機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其表達(dá)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性以及在各種環(huán)境中能夠完成作業(yè)的能力，使之在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的開展前景。

機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓持工件〔工具〕的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種構(gòu)造形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動〔擺動〕、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。而機械手是一種能夠自動化定位控制并可以重新編程以改變動作的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大通用性越廣其構(gòu)造也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度。機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為工業(yè)機械手。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多重要的工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。應(yīng)用PLC控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省本錢，提高勞動生產(chǎn)率。自動物料分揀裝置的機械手采用模塊化設(shè)計，通過PLC控制機械手自動分料。而通過PLC控制機械手的移動和準(zhǔn)確定位控制物料分揀，以縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率。具有鞏固、高速和良好的可操作性?？蛇M(jìn)展大批量產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)；可以組合多臺機床或其他設(shè)備，成為具有不同生產(chǎn)流程的自動化生產(chǎn)線，具有效率高、構(gòu)造簡單緊湊、造型新穎美觀、重量輕的特點[4]。物料分揀機械手的各個系統(tǒng)如圖2.1所示，由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)、抓取工件、位置檢測裝置組成[5]。控制系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)抓取工件位置檢測裝置圖2.1機械手的組成方框圖根據(jù)工作目的和要求并査取相關(guān)資料，確定物料分揀機械手的行程：旋轉(zhuǎn)角：90度；水平伸縮行程：0.5米；垂直伸縮行程：0.4米。2.2機械手執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計機器手的執(zhí)行構(gòu)造是機械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體。執(zhí)行機構(gòu)的布局類型直接影響到機械手的工作性能。2.2.1執(zhí)行機構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇機械手的根本型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種根本型式：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。下面就各型式機械手作簡單的分析比照：1．直角坐標(biāo)式機械手直角坐標(biāo)式機械手是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可作伸縮、左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式*、Y、Z三個方向的直線進(jìn)展運動。其工作圍可以是一個直線運動；兩個直線運動或三個直線運動。另外在*、Y、Z三個直線運動方向上個具有A、B、C三個回轉(zhuǎn)運動，即構(gòu)成六個自由度。直角坐標(biāo)式機械手的優(yōu)點：(1)產(chǎn)量大，節(jié)拍短，能滿足高速的要求；(2)容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機械相配合；(3)適用于裝箱類、多工序復(fù)雜的工作，定位容易變更；(4)定位精度高，載重發(fā)生變化也不回影響精度；(5)易于實行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機械配合使用。缺點：機械手的作業(yè)圍較小。2．圓柱坐標(biāo)式機械手圓柱坐標(biāo)式機械手是應(yīng)用最多的一種型式，它適用于搬運和測量工件。具有直觀性好，構(gòu)造簡單，本體占用的空間較小，而動作圍較大等優(yōu)點。圓柱坐標(biāo)式機械手的工作圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在的平面的旋轉(zhuǎn)運動；二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動。圓柱坐標(biāo)式機械手有五個根本動作：(1)手臂水平回轉(zhuǎn)；(2)手臂伸縮；(3)手臂上下；(4)手臂回轉(zhuǎn)動作；(5)手爪夾緊動作。圓柱式機械手的特點是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂可做上下直線運動和水平面做圓弧狀的左右擺動。3．球坐標(biāo)式機械手球坐標(biāo)式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它的工作圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。球坐標(biāo)式機械手的特點是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面作圓弧狀上下俯仰動作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作圍和人的手類似。它的特點能能自動選擇最合理的動作路線。所以工作效率高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作圍大。4．關(guān)節(jié)式機械手關(guān)節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作傳動型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可以實現(xiàn)多個自由度，動作比擬靈活，適于在狹窄的空間工作。關(guān)節(jié)式機械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的開展前途。機械手型式的選擇首先是從滿足它的運動要求方面進(jìn)展考慮，然后從機械手的復(fù)雜程度以及經(jīng)濟情況等方面來考慮。本設(shè)計中的機械手主要動作為機械手手臂的左右移動，升降移動和機械手的整體旋轉(zhuǎn)。直角坐標(biāo)式機械手雖然具備手臂的伸縮上下、左右直線運動等動作，但是不具備機械手整體旋轉(zhuǎn)動作，所以不考慮用直角坐標(biāo)式機械手。球坐標(biāo)式機械手和關(guān)節(jié)式機械手對動作要求方面足夠滿足要求，但是它們的構(gòu)造都比擬復(fù)雜，有很多動作是不必要的，顯得浪費和增加了制造的本錢和難度[6]。圓柱坐標(biāo)式機械手能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉(zhuǎn)動等動作?？梢詫⑹直刍剞D(zhuǎn)動作改換成機械手的整體轉(zhuǎn)動就可以滿足本設(shè)計中機械手的動作要求。這樣的修改并沒有改變機械手的總體構(gòu)造，只是進(jìn)展了局部變動，使得整個系統(tǒng)經(jīng)濟、實惠，所以確定用圓柱坐標(biāo)式機械手。2.2.2執(zhí)行機構(gòu)的組成工業(yè)機械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要有以下機械局部組成：1.手部是機械手直接握持工件或工具的局部；2.臂部是機械手用來支持腕部與手部實現(xiàn)較大的運動圍的部件；3.立柱支承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機構(gòu)；4.機座是機械手用來支撐臂部，并安裝驅(qū)動裝置及其他裝置的局部。2.2.3執(zhí)行機構(gòu)各局部的分析與選擇1．手部形式確實定手部就是用來握持工件或工具的局部。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及外表狀態(tài)的不同，手部機構(gòu)也是多種多樣。常用的手部構(gòu)造按其握持原理可以分為如下兩類：(1)夾持式夾持式手部的構(gòu)造與人手類似，是工業(yè)機械手廣泛應(yīng)用的一種手部形式。它主要由手指、傳動機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)組成。其又可分為撐式、外夾式和外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動作方向相反。(2)氣吸式氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤產(chǎn)生真空或負(fù)壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有構(gòu)造簡單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。主要適應(yīng)于板材、薄壁零件、瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙及塑料等外表光滑工件的抓取[7]。〔3〕磁吸式磁吸式手部是利用工件的導(dǎo)磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件。磁吸式手部不會破壞被吸附外表質(zhì)量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影響正常工作。圖2.2吸盤機構(gòu)圖通過以上對手部的分析真空式具有構(gòu)造簡單、質(zhì)量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機械手的正常工作等優(yōu)點。而且滿足所設(shè)計機械手的要求，所以選用真空式吸盤手部。2．手臂構(gòu)造的選擇手臂是機械手的主要局部，是支撐手腕、手指和工件并使它們運動的機構(gòu)。手臂一般有三個運動—伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。手臂的根本動作是將手部移動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。手臂的伸縮和升降運動一般采用直線油〔氣〕缸驅(qū)動。手臂作直線運動的構(gòu)造，根本上是由驅(qū)動機構(gòu)和導(dǎo)向裝置組成。驅(qū)動機構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來實現(xiàn)直線運動。雙作用單活塞桿油缸:液壓機械手中實現(xiàn)手臂的往復(fù)運動用得最多的是雙作用單活塞桿油缸?；钊谟蛪合伦麟p向運動。機構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞桿運動；也可以是活塞桿固定，而缸體運動。本機械手的手臂有往復(fù)的直線運動，不需要很大的行程，考慮到構(gòu)造的簡單性和設(shè)計的經(jīng)濟性，選用缸體固定活塞桿運動的雙作用單活塞桿氣缸。3．機座構(gòu)造的選擇機座是機械手的根底局部，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，是支撐起機械手全部重量的構(gòu)件。對其構(gòu)造的要剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。機座構(gòu)造從形式上分為落地式和懸浮式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機械手工作時機座一定予以固定?？梢苿邮降臋C座在停置時能夠剎車定位，以保證機械手工作時的位置精度。根據(jù)本機械手的設(shè)計要求選用落地固定式機座。54321圖2.3機座構(gòu)造圖1—底座2—擺動氣缸3—雙向推力球軸承4—扣罩5—轉(zhuǎn)臺機座的構(gòu)造與機械手的總體布置有關(guān)，對專用機械手而言，傳動和控制局部通常是單獨布置，故機座比擬簡單或不設(shè)機座。對通用機械手而言，傳動局部布置在機架部或后下方，控制局部則布置在機座的后上方或單獨布置一個控制箱。物料分揀機械手手臂需要一個旋轉(zhuǎn)模塊，擺動氣缸就要固定在機座上。連接組件主要由四局部組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺和扣罩。如圖2.3所示。選擇雙向推力球軸承而不是單向的，因為機座與轉(zhuǎn)臺在軸向上無法直接連接。采用雙向推力球軸承就可以方便的將軸承環(huán)與轉(zhuǎn)臺連接，外環(huán)用罩扣固定在底座上。另外，推力球軸承應(yīng)選擇公稱尺寸較大一些的，這樣可以更好的承受傾覆力矩。2.2.4執(zhí)行機構(gòu)簡圖根據(jù)前面機械手各局部的設(shè)計，可作出機械手大體構(gòu)造簡圖，如圖2.4所示。機械手根本構(gòu)造由真空吸盤D、擺動氣缸A、前伸/回縮氣缸B、上升/下降氣缸C、機座等組成。該物料分揀機械手配有電控箱，電控箱與機械手主體別離，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。操作面板、電磁閥、PLC可編程控制器等均安裝在電控箱上。B543C6AD21圖2.4執(zhí)行機構(gòu)簡圖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—擺動氣缸B—前伸/回縮氣缸C—上升/下降氣缸D—真空吸盤2.2.5物料分揀機械手的功能要求物料分揀機械手的構(gòu)造主要由機座、立柱、水平手臂、垂直手臂、電磁閥和吸盤等組成。其中機座采用擺動氣缸進(jìn)展驅(qū)動，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動。機械手的動作根本有伸縮、升降、左右旋轉(zhuǎn)、吸物和放物等動作。其構(gòu)造原理如圖2.4所示。其動作順序為：初始位置→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。機械手的動作在整個過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。2.3驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。機械手的驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)動力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機械、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)動方式。2.3.1驅(qū)動系統(tǒng)的選取液壓驅(qū)動，功率重量比大，可實現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實現(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，本錢較高，工作噪聲較大。電氣驅(qū)動，控制精度高，驅(qū)動力較大，響應(yīng)快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅(qū)動方式價格昂貴，限制了在一些場合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟適用的驅(qū)動方式。氣壓驅(qū)動具有價格低廉、構(gòu)造簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強、在工業(yè)機械手中應(yīng)用較多。另一方面，氣動技術(shù)作為“廉價的自動化技術(shù)〞，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)本錢的不斷降低，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)備與自動化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計：在工業(yè)興旺國家中，全部自動化流程中約有30﹪裝有氣動系統(tǒng)，有90﹪的包裝機械，70﹪的鑄造、焊接設(shè)備，50﹪的自動操機、40﹪的鍛造設(shè)備和洗衣設(shè)備、30﹪的采煤機械，20﹪的紡織機械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機械，43﹪的工業(yè)機器人裝有氣壓系統(tǒng)。日、美、德等國的氣動元件銷售平均每年增長超過10~15﹪。許多工業(yè)興旺國家的氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大速度開展，氣動機械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實踐要求的一種重要使用工具。表2.1給出了各種驅(qū)動方式的比擬：通過以上三種驅(qū)動方式的比擬選用氣動驅(qū)動的方式，這種方式不僅能夠滿足了本設(shè)計的要求，而且節(jié)約了本錢。表2.1各種驅(qū)動方式的比擬工程氣壓傳動液壓傳動電氣傳動機械傳動系統(tǒng)構(gòu)造簡單復(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)簡單比氣動復(fù)雜需要專門技術(shù)簡單價格一般稍高高一般技術(shù)要求較低較高最高較低控制自由度大大中小危險性幾乎無問題注意著火一般無問題無特殊問題2.3.2機械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計根據(jù)物料分揀機械手的要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運動方式主要有兩種：(1)直線運動〔缸體固定，活塞桿運動〕；(2)擺動〔缸體固定〕。其氣動驅(qū)動系統(tǒng)原理圖如圖2.5所示。氣動系統(tǒng)包括三個三位四通電磁換向閥、兩個二位二通電磁閥、三個氣缸、一個吸盤、四個調(diào)速閥、六個單向調(diào)速閥、消聲器〔假設(shè)干〕等。圖中的調(diào)速閥控制氣缸上升和下降、伸長和縮短、擺動過程中的速度，防止速度過大對物料及機械手臂的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運動方向；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，其主要功能是實現(xiàn)對物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動作是由二位二通電磁閥控制的[8]。ABCDE25151617181920212223242610111213141YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA456789213圖2.5驅(qū)動系統(tǒng)原理圖1—空氣壓縮機2—空氣處理單元3—儲氣罐4、6、8、23—調(diào)速閥5、7、9、21—消聲器10、11、12—三位四通電磁換向閥13、14—二位二通電磁閥15、16、17、18、19、20—單向調(diào)速閥22—真空發(fā)生器24—真空開關(guān)25—過濾器26—吸盤A—水平伸縮氣缸B—小臂升降氣缸C—擺動氣缸2.3.3氣動元件選取及工作原理氣壓驅(qū)動是利用壓縮氣體的壓力能來實現(xiàn)能量傳遞的一種方式，其介質(zhì)主要是空氣，也包括燃?xì)夂驼羝?。典型的氣壓傳動系統(tǒng)由以下四局部組成：氣源裝置、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件、真空發(fā)生器、吸盤[9]。2.3.3.1氣源裝置氣源裝置是獲得具有一定能量的壓縮空氣的裝置，其主體局部是空氣壓縮機，有的還配有氣源凈化處理裝置、氣罐等附屬設(shè)備。它將原動機提供的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。氣壓傳動對氣源的要求：1.要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量；2.要求壓縮空氣有一定的清潔度和枯燥度。下面對于主要的氣源裝置元件進(jìn)展如下介紹：〔1〕空氣壓縮機空氣壓縮機是產(chǎn)生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，是氣源主要的設(shè)備。按構(gòu)造和工作原理可分為速度型和容積型兩大類。容積型壓縮機是利用特殊形狀的轉(zhuǎn)子或活塞壓縮吸入封閉容積室空氣的體積來增加空氣的壓力。容積型構(gòu)造簡單、使用方便。本設(shè)計選用容積型壓縮機?！?〕儲氣罐儲氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動，使輸出氣流連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應(yīng)急氣源使用，還可以進(jìn)一步別離油水雜質(zhì)。儲氣罐上裝有平安閥，使其極限壓力比正常工作壓力高10%，并裝有指示罐壓力的壓力表和排污閥等。罐的型式可分為立式和臥式兩種。本設(shè)計選用立式儲氣罐，因為它的進(jìn)氣口在下，出氣口在上，以利于進(jìn)一步別離空氣中的油、水等雜質(zhì)。2.3.3.2執(zhí)行元件執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機械運動，并將氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，如氣缸輸出直線往復(fù)式機械能，擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式機械能。1．氣缸輸出直線往復(fù)式機械能氣缸是氣動執(zhí)行元件之一。目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其構(gòu)造和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對于前伸/回縮氣缸，當(dāng)左側(cè)無桿腔進(jìn)氣，右側(cè)有桿腔排氣時活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對于上升/下降氣缸，當(dāng)上側(cè)無桿腔進(jìn)氣，下側(cè)有桿腔排氣時，活塞桿下降，反之活塞桿上升。2．?dāng)[動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式機械能擺動氣缸分為單葉片式和雙葉片式。單葉片式擺動氣缸：壓縮空氣由進(jìn)氣口輸入，作用在葉片上，帶動軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，另一腔的空氣從排氣口排出。雙葉片式擺動氣缸：從進(jìn)氣口進(jìn)入的壓縮空氣作用在一個葉片上，同時通過軸上的氣路也作用在另一葉片上帶動軸回轉(zhuǎn)。這樣雙葉片式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將是單葉片式的2倍。本設(shè)計采用雙葉片式擺動氣缸，這樣就能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以利于機械手的轉(zhuǎn)動。2.3.3.3控制元件控制元件是用來調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量和控制其流動方向，使氣動執(zhí)行機構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。氣動控制元件按功能分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。1．壓力控制閥調(diào)節(jié)和控制壓力大小的氣動元件稱為壓力控制閥。它包括調(diào)壓閥、溢流閥、順序閥及多功能組合閥。調(diào)壓閥是出口側(cè)壓力可調(diào)，并能保持出口側(cè)壓力穩(wěn)定的壓力控制閥。溢流閥是在回路中的壓力到達(dá)閥的規(guī)定值時，使局部氣體從排氣側(cè)排出，以保持回路的壓力在規(guī)定值的閥。調(diào)速閥是根據(jù)“流量負(fù)反響〞原理設(shè)計而成的單路流量閥。調(diào)速閥一般用于執(zhí)行元件負(fù)載變化大而運動速度要求穩(wěn)定的系統(tǒng)中。調(diào)速閥根據(jù)“串聯(lián)減壓式〞和“并聯(lián)溢流式〞，又分為調(diào)速閥和溢流節(jié)流閥兩種主要類型。本設(shè)計選用型號Q25的串聯(lián)減壓式調(diào)速閥[10]。2．方向控制閥方向控制閥是改變壓縮空氣流動方向和氣流通斷狀態(tài)，使氣動執(zhí)行元件的動作或狀態(tài)發(fā)生變換的控制閥。換向型方向控制閥按控制方式分類，分為氣壓控制、電磁控制、人力控制。換向閥是利用閥芯和閥體間相對位置的不同來變換不同管路間的通斷關(guān)系，實現(xiàn)接通、切斷，或改變流體方向的閥。它的用途很廣，種類也很多。換向閥的性能的主要要：(1)油液流經(jīng)換向閥時的壓力損失小；〔2〕互不相通的油口間的泄漏??；〔3〕換向可靠、迅速且平穩(wěn)無沖擊。按換向閥的操縱方式有：手動式、機動式、電磁式、液動式、電液動式、氣動式。按工作位置數(shù)和控制的通道數(shù)有：二位二通閥、二位四通閥、二位五通閥、三位四通閥、三位五通閥等。本設(shè)計選用的型號DZ3025*/200Y三位四通電磁換向閥如圖2.6所示。AB圖形符號PO圖2.6三位四通電磁換向閥本設(shè)計選用三位四通電磁換向閥理由如下：a.電磁換向閥是利用電磁鐵吸力推動閥芯來改變閥的工作位置。由于它操作輕便，易于實現(xiàn)自動化，因此應(yīng)用廣泛；b.當(dāng)三位四通電磁換向閥兩端電磁鐵都斷電時，閥芯處于中位，各口互不相通；c.使用三位四通電磁換向閥能夠快速實現(xiàn)氣缸的正反向運動。輔助元件輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的?？煞譃闅庠磧艋b置和其他輔助元件兩大類。1．氣源凈化裝置過濾器、調(diào)壓閥和油霧器等組合在一起稱為空氣處理單元，又稱為氣動三聯(lián)件。壓縮的空氣中含有各種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在會降低氣動元件的耐用度和性能，造成誤動作和事故，必須去除?？諝馓幚韱卧褪怯脕砣コ龎嚎s空氣的雜質(zhì)，提高空氣質(zhì)量的元件。2．消聲器消聲器是降低排氣噪聲的裝置。壓縮空氣完成驅(qū)開工作后，由換向閥的排氣口排入大氣。此時的壓縮空氣是以接近音速的狀態(tài)進(jìn)入大氣，由于壓力的驟然變化，使空氣急速膨脹從而發(fā)出噪音，其音量一般為80dB～100dB，為了改善勞動條件，應(yīng)使用消聲器。常用的消聲器有三種類型吸收型、膨脹型和吸收膨脹型。吸收型消聲器是依靠吸聲材料來消聲的。膨脹型消聲器的構(gòu)造比擬簡單，相當(dāng)于一段比排氣口徑大的管件，當(dāng)氣流通過時，讓氣流在其部擴散、膨脹、碰壁撞擊、反射、相互干預(yù)而消聲。吸收膨脹型消聲器是上述兩種的結(jié)合。氣流由斜孔引入，氣流束相互撞擊、干預(yù)、進(jìn)一步減速，再通過設(shè)在消聲器外表的吸聲材料消聲，最后排向大氣。本設(shè)計選用膨脹型消聲器。2.3.3.5真空發(fā)生器真空發(fā)生器的作用主要是使吸盤的橡膠皮碗形成真空而將工件吸附。真空發(fā)生器的工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動。在卷吸流動作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷地被抽吸走，使吸附腔的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度。2.3.3.6吸盤吸盤是直接吸吊物體的元件，一般用橡膠做成如圖2.2。真空吸盤之所以能吸附在工件上的原因是由于環(huán)境壓力〔大氣壓力〕大于吸盤與工件之間的壓力。將吸盤與真空發(fā)生裝置連接，吸盤部空間的空氣被抽去，當(dāng)吸盤接觸到工件時，大氣和吸盤之間形成了密封，產(chǎn)生壓差，進(jìn)而產(chǎn)生壓力就會吸住物料，吸力大小與大氣壓和吸盤部空間的壓力差成正比。2.3.4氣動回路的工作原理物料分揀機械手的工作循環(huán)是：擺動氣缸的右旋→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)，實現(xiàn)氣缸的往復(fù)運動。二位二通電磁閥實現(xiàn)吸盤的吸物和放物。如圖2.5所示，實現(xiàn)工作循環(huán)的工作原理如下：1.擺動氣缸的右旋按下啟動按鈕，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，擺動氣缸會執(zhí)行右旋的命令。這時的氣路是：進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥12左端→單向調(diào)速閥19→擺動氣缸C的D口。排氣路線：擺動氣缸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)擺動氣缸C右旋到指定位置時〔90度〕，就會碰到右旋限位開關(guān)，使三位四通電磁換向閥12的5YA斷電，擺動氣缸旋轉(zhuǎn)運動會停頓，經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁換向閥10的1YA得電，閥10的閥芯右移，執(zhí)行手臂前伸動作。這時的氣路是：進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐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，就會碰到前限開關(guān)，使三位四通電磁換向閥10的1YA斷電，手臂伸出動作會停頓。經(jīng)時間繼電器延時，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)行小臂的下降動作。這時的氣路是：進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐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，撞到下限位開關(guān)，使三位四通電磁換向閥11的3YA斷電，小臂下降動作停頓。經(jīng)時間繼電器延時，二位二通電磁閥13的7YA得電，閥13的閥芯右移接通氣路，真空發(fā)生器22開場動作，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。這時的氣路是：進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐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，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)行小臂的上升動作。這時的氣路是：進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐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，撞到上限位開關(guān)，使三位四通電磁閥11的電磁鐵4YA斷電，小臂上升動作停頓。經(jīng)時間繼電器延時，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作。這時的氣路是：進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐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.擺動氣缸的左旋水平手臂氣缸回縮到指定位置時，撞到后限位開關(guān)，使三位四通電磁換向閥10的電磁鐵4YA斷電，水平手臂的回縮動作停頓。經(jīng)時間繼電器延時，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)行擺動氣缸的向左旋轉(zhuǎn)動作。這時的氣路是：進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥12右端→單向調(diào)速閥20→擺動氣缸C的E口。排氣路線：擺動氣缸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，擺動氣缸的左旋運動停頓。經(jīng)時間繼電器延時，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)行小臂的下降運動。這時的氣路是：進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐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，撞到下限位開關(guān)，使三位四通電磁閥11的電磁鐵3YA斷電，垂直手臂的下降運動停頓。經(jīng)時間繼電器延時，使二位二通電磁換向閥13斷電，二位二通電磁閥14通電，閥芯右移接通氣路，真空發(fā)生器停頓運動，真空消失，壓縮空氣進(jìn)入吸盤26，將物料與吸盤吹開，這時氣路為：進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐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)時間繼電器延時，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作。這時的氣路是：進(jìn)氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐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)以上動作。第3章控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計是整個機械手設(shè)計的關(guān)鍵和核心。它在構(gòu)造和功能上的合理劃分與巧妙實現(xiàn)，對提高機械手整體可靠性、實用性具有重要的意義，同時也是降低制造本錢、縮短開發(fā)周期的有效途徑。為此本章在分析了當(dāng)前機械手廣泛采用的控制器構(gòu)造及PLC的開展之后，提出了采用PLC的控制方法[11]。3.1控制系統(tǒng)的組成構(gòu)造機械手的控制系統(tǒng)一般是使機械手運動協(xié)調(diào)為目的，包括高性能的計算機及相應(yīng)的系統(tǒng)硬件和控制軟件。機械手的控制局部可分為4個局部：機械手及其感應(yīng)器、環(huán)境、任務(wù)、控制器。機械手是由各種機構(gòu)組成的裝置，它通過感知器的部傳感器實現(xiàn)本體和環(huán)境狀態(tài)的檢測和信息交互；環(huán)境即指機械手所處的周圍環(huán)境；任務(wù)是指機械手要完成的操作，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局部，相當(dāng)于機械手的大腦，它以計算機或?qū)Ｓ每刂破鬟\行程序的方式來完成給定的任務(wù)[12]。控制系統(tǒng)的硬件一般包括2個局部：1.感知局部用來收集機械手的部和外部的信息，如位置、速度、加速度傳感器可承受機械手的本體狀態(tài)，而視覺、觸覺、力覺等傳感器可感受機械手的工作環(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，它包括計算機相應(yīng)的接口等[13]。3.2傳感器的選擇傳感器是將被檢測對象的各種物理變化量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊环N變換器。它主要用于檢測系統(tǒng)本身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動作提供信息。根據(jù)本設(shè)計的要求需要對位置檢測裝置、滑覺傳感器、視覺傳感器進(jìn)展選用。位置檢測裝置檢測機械手動作是否到位，滑覺傳感器是判別物料是否被穩(wěn)定吸住，視覺傳感器是為了完成機械手對物料的識別[14]。位置檢測裝置在本設(shè)計中，當(dāng)機械手執(zhí)行左旋/右旋，前伸/回縮，上升/下降等動作時，應(yīng)有相應(yīng)的位置檢測裝置檢測動作是否到位，常用的位置檢測裝置是行程開關(guān)。行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，用于控制機械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實際生產(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)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。行程開關(guān)按其構(gòu)造可分為直動式、滾輪式、微動式和組合式。本設(shè)計中采用直線接觸式行程開關(guān)，檢測機械手動作是否到位，當(dāng)運動到指定位置時，碰到行程開關(guān)，終結(jié)上一個動作，準(zhǔn)備執(zhí)行下一個動作。3.2.2滑覺傳感器機械手吸取物體時按吸力的大小可分為硬吸取和軟吸取。硬吸取是吸盤用最大的吸力吸取物體，以保證可靠性；軟吸取方式是吸盤使吸力保持在能穩(wěn)固吸取物體的最小值，以防止損傷物件。軟吸取時吸力不夠時被吸物體會產(chǎn)生滑動，滑覺傳感器就是為了檢測滑動而設(shè)計的，可以檢測垂直于吸物方向物體的位移、由重力引起的變形，以到達(dá)修正吸力，防止吸取物的滑動?；瑒觽鞲衅髦饕糜跈z測物體接觸面直接的相對運動的大小和方向，判斷是否吸住物體以及應(yīng)用多大的吸力等。3.2.3視覺傳感器機械手視覺的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能夠?qū)Σ煌奈矬w進(jìn)展識別，本機械手采用顏色傳感器，根據(jù)不同物料有不同的顏色，可以針對一種顏色的物料進(jìn)展揀出。如圖3.1所示視覺傳感器檢測系統(tǒng)組成的原理框圖，通常它由光源、被測物體、圖像采集系統(tǒng)〔包括成像系統(tǒng)、圖像傳感器〕、數(shù)字圖像處理、計算機及接口、監(jiān)視器和圖像顯示與輸出裝置等構(gòu)成。其中光源為視覺檢測系統(tǒng)提供足夠的照度，使被測物體通過成像系統(tǒng)清晰成像；圖像采集系統(tǒng)完成采集圖像，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像儲存在圖像存儲設(shè)備中；計算機對數(shù)字圖像信號進(jìn)展處理、分析、判斷和識別，最終顯示和輸出測量結(jié)果；監(jiān)視器主要用于觀察圖像。集成型RGB顏色傳感器是檢測白色光中含有的固有波長圍光的一種傳感器，有集成型與多層型構(gòu)造，如圖3.2所示。這種傳感器主要用于顏色的識別、錄像機中的白色平衡等。集成型是將紅〔R〕、綠〔G〕、藍(lán)〔B〕三原色傳感器一體化構(gòu)造的集成型RGB顏色傳感器，它由分解R、G和B三原色的3個濾色器和3個二極管組成。光譜靈敏度特性對于三原色都同等處理，將三原色進(jìn)展適當(dāng)分解，就能識別其中包含的12種以上的顏色。光到數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換器由搭配RGB濾波器的光電二極管陣列、模似數(shù)字轉(zhuǎn)換器及用于通信和靈敏度控制的數(shù)字控制核心組成。輸出允許直接接入微控制器或其它邏輯控制通路，如2線串行接口，以進(jìn)一步處理信號，而不需額外的器件。優(yōu)點：提供抗噪聲干擾能力，簡化外圍電路設(shè)計，改善空間利用率，降低組裝本錢。缺點：只通過2線串行接口模塊提供到微控制器或PC的直接接口，響應(yīng)時間由置模擬電路和數(shù)字電路預(yù)先確定，需預(yù)先確定模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。光到數(shù)字轉(zhuǎn)換器適合本設(shè)計的要求，它能夠到達(dá)具有較好抗噪聲能力、縮短設(shè)計周期、加快產(chǎn)品開發(fā)周期及光線和空間條件利用率精良的應(yīng)用目的。圖像采集系統(tǒng)光源被測物體成像系統(tǒng)圖像傳感器監(jiān)視器圖像顯示與輸出數(shù)字圖像處理視頻信號處理電路計算機及接口圖3.1視覺檢測系統(tǒng)組成的原理框圖入射光濾色器RGB玻璃基片透明電極非晶硅圖3.2集成型RGB顏色傳感器構(gòu)造RGB〔紅綠藍(lán)〕顏色傳感器，它檢測物體的對三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。這類裝置許多是溫反射型、光束型、光纖型的，封裝在各種金屬和聚碳酸脂外殼中。典型的輸出有：NPN和PNP、繼電器和模擬輸出。根據(jù)前面的介紹，為了便于PLC控制程序的編寫，利于公司企業(yè)的經(jīng)濟效益，綜合其各種情況，在本設(shè)計，選擇RGB顏色傳感器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)更容易實現(xiàn)。3.3控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理3.3.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的根本原則PLC機型的選擇PLC機型選擇的根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，力爭最正確的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點：1.確定合理的構(gòu)造型式PLC主要有整體式和模塊式兩種構(gòu)造型式。整體式PLC的每一個I/O點的平均價格比模塊式的廉價，且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能擴展靈活方便,在I/O點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I/O模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)[15]?？紤]此系統(tǒng)控制比擬簡單，應(yīng)用于小批量的生產(chǎn)線故此選擇整體式PLC的構(gòu)造形式較為適宜。2.確定合理的安裝方式PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠(yuǎn)程I/O式以及多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設(shè)置驅(qū)動遠(yuǎn)程I/O硬件，系統(tǒng)反響快、本錢低；遠(yuǎn)程I/O式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布圍很廣，遠(yuǎn)程I/O可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動器和遠(yuǎn)程I/O電源；多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設(shè)備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型PLC，但必須要附加通訊模塊。在工廠小批量生產(chǎn)中降低本錢是很重要的，所以此系統(tǒng)選擇集中試的安裝方式。確定PLC的容量PLC的容量包括I/O點數(shù)和用戶存儲容量兩個方面。1．從I/O點數(shù)來確定PLC容量(1)確定系統(tǒng)的實際輸入點數(shù)系統(tǒng)由啟動按鈕SB1、停頓按鈕SB2、急停按鈕SB3、手臂復(fù)位按紐SB4、顏色傳感器ST1、左旋極限傳感器ST2、右旋極限傳感器ST3、上升限位傳感器ST4、下降限位傳感器ST5、手臂縮回限位傳感器ST6、手臂伸出限位傳感器ST7、超上升限位傳感器ST8、超下降限位傳感器ST9、超左旋限位傳感器ST10、超右旋限位傳感器ST11、超伸出限位傳感器ST12、超縮回限位傳感器ST13、工件檢測傳感器PS1、系統(tǒng)的自動/手動控制開關(guān)SA以及手動的升降、左右旋轉(zhuǎn)、伸縮、吸放按鈕〔SB5SB12〕作為個輸入繼電器的外部控制點，共有28個輸入點。(2)確定系統(tǒng)的實際輸出點數(shù)系統(tǒng)有手臂左旋、右旋、伸出、縮回、上升、下降、吸物、放物的電磁閥動作，報警指示燈、原位指示燈及自動/手動指示燈工作，一共12個輸出點。(3)確定應(yīng)選擇PLC的點數(shù)PLC平均的I/O點的價格還比擬高，因此應(yīng)該合理選用PLC的I/O點的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點最少，但必須留有一定的裕量。通常I/O點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上10%到15%的裕量來確定。本系統(tǒng)的輸入、輸出實際需要40個點，所以本系統(tǒng)的PLC輸入、輸出點數(shù)定為48點比擬適宜，但輸入和輸出各應(yīng)留有裕量。(4)確定系統(tǒng)同時接通輸入/輸出點的數(shù)量a．同時接通的輸入點數(shù)量對于選用高密度的輸入模塊(如32點、48點等)，應(yīng)考慮該模塊同時接通的點數(shù)一般不要超過輸入點數(shù)的60%。b．同時接通的輸出點數(shù)量同時接通輸出設(shè)備的累計電流值必須小于公共端所允許通過的電流值，如一個220V/2A的8點輸出模塊，每個輸出點可承受2A的電流，但輸出公共端允許通過的電流并不是16A(8×2A)，通常要比此值小得多。一般來講，同時接通的點數(shù)不要超出同一公共端輸出點數(shù)的60%。對同時接通的輸入/輸出點的制約，此系統(tǒng)是可以滿足的。2．從用戶存儲容量來確定PLC的容量系統(tǒng)存儲容量也決定了PLC的容量，系統(tǒng)存儲容量主要由PLC的I/O點數(shù)決定。PLC的I/O點數(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點數(shù)確定的根底上，按下式估算存儲容量后，再加20%到30%的裕量。存儲容量〔字節(jié)〕＝開關(guān)量I/O點數(shù)×〔8×125%〕＋模擬量I/O通道數(shù)×100A=40×10+0×100=400〔字節(jié)〕另外，在存儲容量選擇的同時，注意對存儲器類型的選擇。但是，本課題要求的存儲容量很低，一般的PLC都能夠滿足[16]。確定PLC的I/O模塊一般I/O模塊的價格占PLC價格的一半以上。PLC的I/O模塊有開關(guān)量I/O模塊、模擬量I/O模塊及各種特殊功能模塊等。不同的I/O模塊，其電路及功能也不同，直接影響PLC的應(yīng)用圍和價格，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際需要加以選擇。根據(jù)本課題要求，不需要用到模擬量I/O模塊及各種特殊功能模塊，所以只需要對開關(guān)量I/O模塊選擇即可。1.開關(guān)量輸入模塊的選擇開關(guān)量輸入模塊是用來接收現(xiàn)場輸入設(shè)備的開關(guān)信號，將信號轉(zhuǎn)換為PLC部承受的低電壓信號，并實現(xiàn)PLC、外信號的電氣隔離。選擇時主要應(yīng)考慮以下幾個方面：(1)輸入信號的類型及電壓等級開關(guān)量輸入模塊有直流輸入、交流輸入和交流／直流輸入三種類型。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入信號和周圍環(huán)境因素等。直流輸入模塊的延遲時間較短，還可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入設(shè)備連接；交流輸入模塊可靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。開關(guān)量輸入模塊的輸入信號的電壓等級有：直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5V、12V、24V用于傳輸距離較近場合，如5V輸入模塊最遠(yuǎn)不得超過十米。距離較遠(yuǎn)的應(yīng)選用輸入電壓等級較高的模塊。本系統(tǒng)傳輸距離較近可選擇24V直流輸入。(2)輸入接線方式開關(guān)量輸入模塊主要有匯點式和分組式兩種接線方式。匯點式的開關(guān)量輸入模塊所有輸入點共用一個公共端〔〕；而分組式的開關(guān)量輸入模塊是將輸入點分成假設(shè)干組，每一組〔幾個輸入點〕有一個公共端，各組之間是分隔的。分組式的開關(guān)量輸入模塊價格較匯點式的高，如果輸入信號之間不需要分隔，一般選用匯點式的。所以本系統(tǒng)考慮價格廉價問題，且輸入信號之間不需要分隔，選用匯點式較適宜。(3)輸入門檻電平為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須考慮輸入門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強，傳輸距離也越遠(yuǎn)，具體可參閱PLC說明書。2.開關(guān)量輸出模塊的選擇開關(guān)量輸出模塊是將PLC部低電壓信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動外部輸出設(shè)備的開關(guān)信號，并實現(xiàn)PLC外信號的電氣隔離。選擇時主要應(yīng)考慮以下幾個方面：輸出方式開關(guān)量輸出模塊有繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出三種方式。繼電器輸出的價格廉價，既可以用于驅(qū)動交流負(fù)載，又可用于直流負(fù)載，而且適用的電壓大小圍較寬、導(dǎo)通壓降小，同時承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，但其屬于有觸點元件，動作速度較慢〔驅(qū)動感性負(fù)載時，觸點動作頻率不得超過1HZ〕、壽命較短、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場合。本系統(tǒng)為中小型生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)，需要考慮價格相對要廉價，而本系統(tǒng)對動作速度要求不高，所以選擇繼電器輸出作為輸出方式。輸出接線方式開關(guān)量輸出模塊主要有分組式和分隔式兩種接線方式。分組式輸出是幾個輸出點為一組，一組有一個公共端，各組之間是分隔的，可分別用于驅(qū)動不同電源的外部輸出設(shè)備；分隔式輸出是每一個輸出點就有一個公共端，各輸出點之間相互隔離。選擇時主要根據(jù)PLC輸出設(shè)備的電源類型和電壓等級的多少而定。一般整體式PLC既有分組式輸出，也有分隔式輸出。本系統(tǒng)選擇分組式輸出。驅(qū)動能力開關(guān)量輸出模塊的輸出電流(驅(qū)動能力)必須大于PLC外接輸出設(shè)備的額定電流。用戶應(yīng)根據(jù)實際輸出設(shè)備的電流大小來選擇輸出模塊的輸出電流。如果實際輸出設(shè)備的電流較大，輸出模塊無法直接驅(qū)動，可增加中間放大環(huán)節(jié)。輸出的最大電流與負(fù)載類型、環(huán)境溫度等因素有關(guān)開關(guān)量輸出模塊的技術(shù)指標(biāo)，它與不同的負(fù)載類型密切相關(guān)，特別是輸出的最大電流。另外，晶閘管的最大輸出電流隨環(huán)境溫度升高會降低，在實際使用中也應(yīng)注意。3.3.2PLC種類及型號選擇PLC種類較多，主要有西門子、三菱、OMRON、FANAC、東芝等，但能配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的主要是西門子、三菱、OMRON的PLC。根據(jù)前面確定的PLC點數(shù)：實際輸入點28點，實際輸出點12點，綜合比照三菱F*系列〔包括F*0S、F*1S、F*0N、F*1N、F*2N等〕、西門子系列、OMRON系列中I/O點數(shù)為48點各型號的PLC的價格、性能、實用場合等各方面。本系統(tǒng)可選擇PLC型號為：F*2N—64MR—001，合計總數(shù)64點—32點輸入，DC24V，32點繼電器輸出；尺寸〔mm〕：220×87×90，其性能、價格都優(yōu)于其他PLC[17]。F*2N系列是F*系列PLC家族中最先進(jìn)的系列，它能最大圍地包容了標(biāo)準(zhǔn)特點，程式執(zhí)行更快，全面補充通訊功能，適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動化控制應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。該型號PLC有32個輸入節(jié)點，32個輸出節(jié)點，能夠滿足系統(tǒng)要求并留有一定的余量。3.3.3I/O點數(shù)分配根據(jù)機械手動作流程分析及I/O點數(shù)確定，可以確定電氣控制系統(tǒng)的I/O點分配，如表3.1、表3.2所示：表3.1機械手控制輸入點分配表輸入設(shè)備輸入點號輸入設(shè)備輸入點號啟動按鈕SB1*000手動下降按鈕SB6*016停頓按鈕SB2*001手動左旋按鈕SB7*017急停按鈕SB3*002手動右旋按鈕SB8*020左旋極限傳感器ST2*003手動伸出按鈕SB9*021右旋極限傳感器ST3*004手動縮回按鈕SB10*022上升限位傳感器ST4*005手動吸氣按鈕SB11*023下降限位傳感器ST5*006手動放氣按鈕SB12*024手臂縮回限位傳感器ST6*007超上升限位傳感器ST8*025手臂伸出限位傳感器ST7*010超下降限位傳感器ST9*026工件檢測傳感器PS1*011超左旋限位傳感器ST10*027手動SA*012超右旋限位傳感器ST11*030自動*013超伸出限位傳感器ST12*031復(fù)位按鈕SB4*014超縮回限位傳感器ST13*032手動上升按鈕SB5*015表3.2機械手控制輸出點分配表輸出設(shè)備輸出點號輸出設(shè)備輸出點號左旋電磁閥6YAY000吸氣電磁閥7YAY006右旋電磁閥5YAY001放氣電磁閥8YAY007縮回電磁閥2YAY002報警指示燈L11Y010伸出電磁閥1YAY003手動指示燈L12Y011上升電磁閥4YAY004自動指示燈L13Y012下降電磁閥3YAY005原位指示燈L14Y0133.3.4PLC外部接線圖根據(jù)表3.1、3.2分配輸入/輸出信號與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3.5。3.4操作面板同是為了方便操作，應(yīng)設(shè)計一個機械手操作面板，機械手操作面板如圖3.4所示手動自動SASB11SB5SB9SB8SB2SB1SB12SB6SB10SB7SB4SB3圖3.4機械手操作面板啟動SB1*000Y0006YA左旋停頓SB2*001急停SB3*002Y0015YA右旋左旋限位ST2*003右旋限位ST3*004Y0022YA回縮上升限位ST4*005下降限位ST5*006F*2NY0031YA前伸回縮限位ST6*007-64MR-001前伸限位ST7*010Y0044YA上升工件檢測PS1*011操作方式轉(zhuǎn)換SA*012〔手動〕Y0053YA下降*013〔自動〕Y0067YA吸氣復(fù)位SB4*014上升SB5*015Y0078YA放氣下降SB6*016左旋SB7*017Y010L11報警指示右旋SB8*020前伸SB9*021Y011L12手動指示回縮SB10*022吸氣SB11*023Y012L13自動指示放氣SB12*024超上升限位ST8*025Y013L14原位指示超下降限位ST9*026超左旋限位ST10*0271超右旋限位ST11*030超前伸限位ST12*0312超回縮限位ST13*0323+24V-24V圖3.5PLC外部接線圖第4章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1機械手控制原理在PLC的控制下，執(zhí)行機構(gòu)可實現(xiàn)手動、自動等多種工作方式。手動：利用按鈕對機械手每一動作手動進(jìn)展控制，可實現(xiàn)上升、下降、前伸、縮回、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、吸物、放物等操作；自動：按下循環(huán)按鈕后機械手從原點位置開場連續(xù)不斷的執(zhí)行分揀物料的各步[18]。按下啟動按鈕SB1，系統(tǒng)初始化→擺動氣缸右旋→水平手臂伸出→垂直手臂下降→吸物→垂直手臂上升→水平手臂縮回→擺動氣缸左旋→垂直手臂下降→放物→垂直手臂的上升→回初始位置。1.系統(tǒng)程序的初始化按下啟動按鈕SB1，對控制系統(tǒng)進(jìn)展功能檢測，檢測正確后，進(jìn)入控制系統(tǒng)的軟件，開場運行程序。2.擺動氣缸右旋初始化程序正常運行后，PLC的輸入端*000接通輸入，輸出端Y001輸出，右旋按鈕SB8接通，使三位四通電磁換向閥12的5YA得電，擺動氣缸會執(zhí)行右旋的命令。3.水平手臂的伸出擺動氣缸右旋到指定位置時〔90度〕，PLC輸入端*004接通輸入，輸出端Y003輸出，手臂前伸按鈕SB9接通，使三位四通電磁換向閥10的1YA得電，執(zhí)行手臂前伸動作。4.垂直手臂的下降手臂前伸到指定位置，PL