基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计论文

目 录

目 录 ......................................................................................................... 1 摘 要 ....................................................................... 错误！未定义书签。 Abstract ....................................................................... 错误！未定义书签。 第一章 前言 .............................................................................................. 5

1.1 研究的目的及意义 ................................................................................... 5 1.2 机械手在国内外现状和发展趋势 ........................................................... 5 1.3 主要研究的内容 ....................................................................................... 6 1.4 解决的关键问题 ....................................................................................... 7

第二章 执行系统的分析与选择 ............................ 错误！未定义书签。

2.1

执行机构坐标形式的选择 .................................. 错误！未定义书签。

2.2 执行机构的组成 ..................................................... 错误！未定义书签。 2.3 执行机构各部分的分析与选择 ............................. 错误！未定义书签。

2.3.1 手部的选择 .................................................................................................... 6 2.3.2 手臂结构的选择 .................................................... 错误！未定义书签。 2.3.3 机座结构的选择 .................................................... 错误！未定义书签。

2.4 执行机构的工作原理 ............................................. 错误！未定义书签。 2.5

执行机构简图 ...................................................... 错误！未定义书签。

第三章 驱动系统的分析与选择 ............................ 错误！未定义书签。

3.1 驱动系统的分析与选择 ......................................... 错误！未定义书签。

3.2 机械手驱动系统的控制设计 ................................. 错误！未定义书签。 3.3 气动元件选取及工作原理 ..................................... 错误！未定义书签。

3.3.1 气源装置 ................................................................ 错误！未定义书签。 3.3.2 执行元件 ................................................................ 错误！未定义书签。 3.3.3 控制元件 ................................................................ 错误！未定义书签。 3.3.4 辅助元件 ................................................................ 错误！未定义书签。 3.3.5 真空发生器 ............................................................ 错误！未定义书签。 3.3.6 吸盘 ........................................................................ 错误！未定义书签。

3.4 气动回路的工作原理 ............................................. 错误！未定义书签。

第四章 控制系统的分析设计 ................................ 错误！未定义书签。

4.1 控制系统的组成结构 ............................................. 错误！未定义书签。 4.2 控制系统的性能要求 ............................................. 错误！未定义书签。 4.3 传感器的选择 ......................................................... 错误！未定义书签。

4.3.1 位置检测装置 ........................................................ 错误！未定义书签。 4.3.2 滑觉传感器 ............................................................ 错误！未定义书签。 4.3.3 视觉传感器 ............................................................ 错误！未定义书签。

4.4 控制系统PLC的选型及控制原理 ......................... 错误！未定义书签。

4.4.1 PLC控制系统设计的基本原则 ............................. 错误！未定义书签。 4.4.2 PLC种类及型号选择 .............................................. 错误！未定义书签。 4.4.3 I/O点数分配 ......................................................... 错误！未定义书签。 4.4.4 PLC外部接线图 ..................................................... 错误！未定义书签。 4.4.5 机械手控制原理 ............................................................................................ 8

4.5 PLC程序设计 ............................................................................................ 9

4.5.1 总体程序框图 ................................................................................................ 9 4.5.2 初始化及报警程序 ................................................ 错误！未定义书签。 4.5.3 手动控制程序 ........................................................ 错误！未定义书签。 4.5.4 自动控制程序 ........................................................ 错误！未定义书签。

第五章 总结与展望 .................................................................................. 9 参考文献 ..................................................................................................... 10 致 谢 ......................................................................... 错误！未定义书签。 附 录 ......................................................................... 错误！未定义书签。

基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计

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，提出了用气动驱动和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气动驱动，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、故障报警等功能。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，对其他经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值。

关键词: 机械手，气动控制，可编程控制器（PLC），自动化控制，物料分拣。

此处省略 NNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和CAD图纸等。互联网腾讯公司 二四柒伍玖伍玖零玖捌

小麦设计信得过。本设计已通过答辩！长期有效

第一章 前言

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。

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。

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、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。

1.3 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)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。

1.4 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。

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4.4.5 机械手控制原理

在PLC的控制下，执行机构可实现手动、自动等多种工作方式。手动：利用按钮对机械手每一动作手动进行控制，可实现上升、下降、前伸、缩回、正转、反转、吸物、放物等操作；自动：按下循环按钮后机械手从原点位置开始连续不断的执行分拣物料的各步。

按下启动按钮SB1，系统初始化→摆动气缸右旋→水平手臂伸出→垂直手臂下降→吸物→垂直手臂上升→水平手臂缩回→摆动气缸左旋→垂直手臂下降→放物→垂直手臂的上升→回初始位置。

(1)系统程序的初始化

按下启动按钮SB1，对控制系统进行功能检测，检测正确后，进入控制系统的软件，开始运行程序。

(2)摆动气缸右旋

初始化程序正常运行后，PLC的输入端X000接通输入，输出端Y001输出，右旋按钮SB8接通，使三位四通电磁换向阀12的5YA得电，摆动气缸会执行右旋的命令。

(3)水平手臂的伸出

摆动气缸右旋到指定位置时（90度），PLC输入端X004接通输入，输出端Y003输出，手臂前伸按钮SB9接通，使三位四通电磁换向阀10的1YA得电，执行手臂前伸动作。

(4)垂直手臂的下降

手臂前伸到指定位置，PLC输入端X010接通输入，输出端Y005输出，小臂下降按钮SB6接通，使三位四通电磁换向阀11的3YA得电，执行垂直手臂的下降动作。

(5)吸物

小臂下降到指定位置，PLC输入端X006接通输入，输出端Y006输出，吸盘吸气按钮SB11接通，二位二通电磁阀13的7YA得电，真空发生器22开始动作，真空吸盘26将物料吸起。

(6)垂直手臂的上升

经滑觉传感器检测到物料已经被吸起时，输出端Y004输出，小臂上升按钮SB5接通，使三位四通电磁阀11的电磁铁4YA得电，执行垂直手臂的上升动作。

(7)水平手臂的回缩

小臂上升到指定位置，PLC输入端X005接通输入，输出端Y002输出，水平缩回按钮SB10接通，使三位四通电磁换向阀10的电磁铁2YA得电，执行水平手臂回缩动作。

(8)摆动气缸左旋

水平手臂回缩到指定的位置，PLC输入端X007接通输入，输出端Y000输出，左旋按钮SB7接通，三位四通电磁阀12的电磁铁6YA得电，执行摆动气缸的向左旋转。

(9)垂直手臂的下降

摆动气缸向左旋转到指定位置（90度），PLC输入端X003接通输入，输出端Y005输出，垂直手臂下降按钮SB6接通，使三位四通电磁阀11的电磁铁3YA得电，执行小臂的下降运动。

(10)放物

小臂下降到指定位置，PLC输入端X006接通输入，输出端Y007输出，吸盘放气按钮SB12接通，真空发生器停止工作，真空消失，压缩空气进入真空吸盘，将物料与吸盘吹开。

(11)小臂上升

经滑觉传感器检测到物料已经放开，输出端Y004输出，小臂上升按钮SB5接通，使三位四通电磁换向阀10的电磁铁2YA得电，执行小臂上升动作。

(12)回到初始位置

小臂上升到指定位置，PLC输入端X005接通输入，自动重复以上动作。

4.5 PLC程序设计

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第五章 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)对物料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)气动驱动系统是强的非线性系统，其根本原因是空气具有可压缩性，使得系统中存在流量饱和效应，非线性摩擦力等因素，实现气缸的精度定位非常困难。因此在其应用中，要对各参数进行调定，以达到比较理想状态。

(3)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，对物料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，加导向装置的结构。各部分不能实现任意方式拼装，通过各种过渡连接件，使各个部分可以自由拼装。

(2) 气动驱动改进

在气动驱动系统方面存在一个固有的弱点，仅采用古典的反馈控制很难得到高精度位置和力等的控制。所以，在气动驱动系统的控制方法上，广泛地引入现代控制理论和智慧控制等方法是其特征之一。神经网络是一大规模并行分布处理非线性动力学系统，适用于强非线性的气动机械手的控制。

虽然还有很多尚未解决的问题有待于继续研究，但相信PLC控制的物料分拣机械手的研究是非常有新意、有意义的，有着广泛的应用前景。

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