机械手分拣系统的总体设计及思路Word格式.docx
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随着微电子技术、运算机和现代操纵理论的不断完善，机械手技术也快速进展。
按实现功能和驱动方式划分，机械手能够分为专门多种。
仅就驱动方式，就有气动〔或液动〕、电动和电气混合等。
为实现不同的功能，有3个自由度的，也有4、5个自由度的，甚至还有6个自由度的。
本文中，笔者仅论述基于PLC技术的4个自由度电动机械手的操纵设计，它能满足绝大多数场合的搬运需要，同时可用于教学实验，具有良好的示范性和教学性。
1.前言3
2.系统的总体设计及思路3
2.1操纵要求4
2.2结构框图4
2.3系统框图5
3.系统的硬件设计6
3.1PLC的进展概况6
3.1.1PLC的定义6
3.1.2PLC的特点6
3.1.3PLC的应用领域7
3.1.4三菱FX系列PLC7
3.2机械手8
3.2.1机械手概况8
3.3传感器9
3.3.1光电式接近开关9
3.3.2对射式光电接近开关10
3.3.3反射式光电接近开关10
3.3.4漫射式〔漫反射式〕光电接近开关11
3.3.5光纤式传感器11
3.4光电传感器在自动检测中的应用12
3.4.1对射式光电传感器应用12
3.4.2反射式传感器应用12
3.4.3漫反射式光电传感器应用12
3.5霍尔传感器13
3.6电子式行程开关13
3.6.1．Festo的接近式传感器13
3.6.2电子式行程开关位置操纵装置14
3.7压力传感器14
3.8．传感器的连接方法14
3.9使用电器设备的本卷须知15
3.91电气回路连接安全规那么15
3.92.模拟检测15
4.可编程操纵器操纵部分16
4.1机械手移送工件动作过程17
4.2操作方式概念17
4.4机械手与PLC的I/0〔输入/输出端口〕22
4.5使用编程软件包〔FXGP/WIN—C〕对系统进行全过程监控23
4.6摆动机械手的操纵25
4.7全系统PLC操纵程序25
5、终止语30
参考文献30
致谢32
1.前言
在专门长的时刻里，分拣工作的进行差不多上靠人工来完成的，然而随着社会的不断进展，人民物质文化生活水平日益提高，人工分拣的生产效率低、成本高等缺点越来越突出。
为了改变落后的生产状态，缓解日趋紧张的供求关系，且市场的竞争也越来越猛烈，因此各个企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，专门在需要进行材料分拣的企业。
而随着科学技术的飞速进展，运算机的普遍应用，多工步机械手的研究终于得到普及，它能够搬运物资，分拣物品等，节约了大量的人力无力，效率也提高了许多。
本文就介绍了基于PLC操纵的自动分拣操纵系统，利用气动实现动作，PLC作操纵器设计了一种成本较低，效率较高的材料自动分拣装置，在分拣的过程中取得了较好的操纵成效。
2.系统的总体设计及思路
2.1操纵要求
要求如下：
1）按下启动按钮后假设滑台不在原点，那么返回原点
2）启动电机
3）放入分拣材料
4）判定材料的材质和颜色
5）判定是否到达传动带末端
6）电机停止
7）机械手动作
8）将材料分拣到相应的位置上
9）机械手回原点
10）电机启动进入下次分拣
2.2结构框图
该装置包含了PLC操纵技术、位置检测技术、气动技术等，由PLC〔三菱FX1N〕、电动机、开关电源、电磁滑、变频器、传感器等器件，系统的功能子模块有：
传动模块；
机械手模块〔含真空吸放〕；
气源处理模块；
传感器检测模块；
电源模块；
可编程操纵器模块；
变频器模块；
气动电磁阀模块。
具体结构框图如下：
图2.1系统结构框图
2.3系统框图
系统功能图如下：
3.系统的硬件设计
3.1PLC的进展概况
PLC自问世以来，通过40多年的进展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。
世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。
产量产值大幅度上升而价格那么不断下降。
目前，世界上有200多个厂家生产PLC，较有名的：
美国：
AB通用电气、莫迪康公司；
日本：
三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；
德国：
西门子公司；
法国：
TE斯耐德公司；
韩国：
三星、LG公司等。
3.1.1PLC的定义
PLC即可编程操纵器〔ProgrammablelogicController，是指以运算机技术为基础的新型工业操纵装置。
在1987年国际电工委员会〔InternationalElectricalCommittee〕颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
〝PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采纳能够编制程序的储备器，用来在其内部储备执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，操纵各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业操纵系统形成一个整体，易于扩展其功能的原那么而设计。
〞
3.1.2PLC的特点
1〕可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气操纵设备的关键性能。
PLC由于采纳现代大规模集成电路技术，采纳严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有专门高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时刻高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时刻那么更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成操纵系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，显现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还能够编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断爱护。
如此，整个系统具有极高的可靠性也就不惊奇了。
2〕配套齐全，功能完善，适用性强
PLC进展到今天，差不多形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
能够用于各种规模的工业操纵场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字操纵领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置操纵、温度操纵、CNC等各种工业操纵中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的进展，使用PLC组成各种操纵系统变得专门容易。
3〕易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业操纵运算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员同意。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑操纵指令就能够方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不明白运算机原理和汇编语言的人使用运算机从事工业操纵打开了方便之门。
4〕统的设计、建筑工作量小，爱护方便，容易改造
PLC用储备逻辑代替接线逻辑，大大减少了操纵设备外部的接线，使操纵系统设计及建筑的周期大为缩短，同时爱护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备通过改变程序改变生产过程成为可能。
这专门适合多品种、小批量的生产场合。
5〕体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小专门容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想操纵设备。
3.1.3PLC的应用领域
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，使用情形大致可归纳为如下几类：
1〕开关量的逻辑操纵
这是PLC最差不多、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑操纵、顺序操纵，既可用于单台设备的操纵，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2〕模拟量操纵
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、液位和速度等差不多上模拟量。
为了使可编程操纵器处理模拟量，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。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程操纵器用于模拟量操纵。
3〕运动操纵
PLC能够用于圆周运动或直线运动的操纵。
从操纵机构配置来说，早期直截了当用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一样使用专用的运动操纵模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置操纵模块。
世界上各要紧PLC厂家的产品几乎都有运动操纵功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4〕过程操纵
过程操纵是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环操纵。
作为工业操纵运算机，PLC能编制各种各样的操纵算法程序，完成闭环操纵。
PID调剂是一样闭环操纵系统中用得较多的调剂方法。
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处理一样是运行专用的PID子程序。
过程操纵在冶金、化工、热处理、锅炉操纵等场合有专门广泛的应用。
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，能够完成数据的采集、分析及处理。
这些数据能够与储备在储备器中的参考值比较，完成一定的操纵操作，也能够利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一样用于大型操纵系统，如无人操纵的柔性制造系统；
也可用于过程操纵系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型操纵系统。
6〕通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着运算机操纵的进展，工厂自动化网络进展得专门快，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，通信专门方便。
3.1.4三菱FX系列PLC
在FX系列中，除了差不多的指令表编程方式外，还能够采纳梯形图编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可相互转换，FX系列还设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域；
而本设计所用到的FX2NPLC更能够采纳作为扩展设备的硬件计数器，可猎取最高50KHz的高速脉冲。
3.2机械手
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任务，而准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着宽敞的进展前景。
3.2.1机械手概况
工业机械手是人类制造的一种机器,更是人类制造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.我国的工业机械手是从80年代"
七五"
科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过"
"
八五"
科技攻关,目前差不多差不多把握了机械手操作机的设计制造技术,操纵系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人。
世界工业机械手的数目尽管每年在递增，但市场是波浪式向前进展的。
在新世纪的曙光下人们追求更舒服的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。
随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开创着新用途。
机械手的进展也差不多由最初的液压，气压操纵开始向人工智能化转变，同时随着电子技术的进展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。
本设计所用的确实是气动式的机械手，拾取和开释材料差不多上由气压操纵。
把组装完成的工件送到与该系统配套使用的传送带分拣工作站中连续工作过程。
图0.1模块化自动生产加工系统〔MPS〕外形图
图0.2模块化加工生产系统〔MPS〕结构图
3.3传感器
机械手动作的时机需要传感器来给予，本设计所要用到的传感器包括：
电感接近开关，电容接近开关，光电传感器，滑台限位开关。
其中，电感接近开关用于判定元件在传送带上的位置，电容接近开关用于判定元件的材质，光电传感器用于判定元件颜色，滑台限位开关是判定滑台的位置。
图2.6电容式传感器应用图2.5电容式接近开关图形符号
电容式传感器在自动检测中的应用:
由于电容传感器依照其感应灵敏度能够检测不同材质的工件。
如图2.6所示，在自动生产线上能够检测出工件是否金属或塑料、塑料或瓷器等等，用以操纵计数器计数或下一个加工步骤等。
3.3.1光电式接近开关光电式传感器是用光电转换器件作敏锐元件、将光信号转换为电信号的装置。
光电式传感器的种类专门多，按照其输出信号的形式，能够分为模拟式、数字式、开关量输出式。
以开关量形式输出的光电传感器，即为光电式接近开关。
光电式接近开关,利用光电效应制成的传感器称为光电式传感器。
光电式传感器的种类专门多，其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。
〔1〕光电式接近开关要紧由光发射器和光接收器组成。
〔2〕光发射器用于发射红外光或可见光。
〔3〕光接收器用于接收发射器发射的光，并将光信号转换成电信号以开关量形式输出。
〔4〕按照接收器接收光的方式不同，光电式接近开关能够分为对射式、反射式和漫射式三种。
光发射器和光接收器也有一体式和分体式两种。
3.3.2对射式光电接近开关
对射式光电接近开关是指光发射器〔光发射器探头或光源探头〕与光接收器〔光接收器探头〕处于相对的位置工作的光电接近开关。
其原理和外形如图2.7、图2.8所示。
图2.7对射式接近开关的工作原理
图2.8对射式接近开关外形图
3.3.3反射式光电接近开关
反射式光电接近开关的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且光发射器与光接收器为一体化的结构，在其相对的位置上安置一个反光镜，光发射器发出的光经反光镜反射回来后由光接收器接收。
其原理和外形如图2.9所示。
图2.9反射式光电接近开关的工作原理及其外形图
3.3.4漫射式〔漫反射式〕光电接近开关
漫射式光电接近开关是利用光照耀到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故该种传感器称为漫射式光电接近开关。
其原理和外形如图所示。
图2.10漫射式光电接近开关的工作原理及其外形图
3.3.5光纤式传感器
光纤电缆由一束玻璃纤维或由一条或几条合成纤维组成。
光纤能将光从一处传导到另一处,甚至绕过拐角处。
其工作原理是通过内部反射介质传递光线。
光线通过具有高折射率的光纤材料和低折射率护套内表面,由此形成的光纤在光纤内的反射式传递。
光纤由芯部（高折射率）和护套（低折射率）组成。
在光纤内,光被不断来回反射,产生全内反射,因而光能通过曲线路径。
光纤式传感器外形如图2.11所示。
图2.11光纤式传感器外形图
6．光电式接近开关的图形符号如图2.12所示。
图2.12光电式接近开关的图形符号
3.4光电传感器在自动检测中的应用
3.4.1对射式光电传感器应用
用两个对射式光电传感器检测传送带的张力，如图2.13所示。
在正常情形下，传送带的传送速度应保持一定的范畴内，即V1和V2的带速度应为一致。
即传感器A有信号，B没有信号。
假如在某一时刻A和B都有信号，这就说明V2传送显现问题，如此会在送入和输出机构之间显现带子重叠，那个时候必须减小送入带速V1。
假如在某一时刻A和B都没有信号，这就说明了V1的送入速度显现问题，这就应相应地增大V1或减小V2的速度进行操纵。
图2.13对射式光电传感器应用
3.4.2反射式传感器应用
使用反射式传感器来操纵大门的开、闭。
假如传感器检测到可感应的介质工件通过，那么有相应的信号输出，如图2.14所示。
图2.14反射式传感器应用
3.4.3漫反射式光电传感器应用
在一个产品分类站上，不同表面特性和不同颜色的产品〔介质〕要区分开来，这能够用一个漫反射式光电传感器来检测。
如图2.15所示。
如同时使用三种不同的颜色的产品，白色的金属、红色的塑料和黑色的塑料。
依照工件颜色反射的的不同能够区分出白色和红色，以及没有反射的黑色，如再要区分金属和塑料那么使用电感传感器就能够了。
图2.15漫反射式光电传感器应用
3.5霍尔传感器
Festo的霍尔传感器为微型和周密气爪而专门设计,它们只用一个传感器和一个电子信号值比较单元检测三个气爪位置。
采纳霍尔传感器时SMH-AE1-…-M12电子信号值比较单元是必需的。
那个单元承诺通过电位计独立设定三个开关点，这三个开关点能够作为三个电子信号分接到电子信号值比较单元的五针M12插头上。
气爪活塞上集成有磁铁，随着距离的变化磁场强度也在发生变化，因此传感器产生一个模拟量电信号〔与磁场强度成比例关系〕，通过信号值比较单元模拟量信号被转换成数字量信号。
霍尔传感器符号如图2.16所示。
图2.16霍尔传感器符号
3.6电子式行程开关
3.6.1．Festo的接近式传感器
Festo的接近式传感器为位置传感器，是专门为Festo驱动器而配套设计的。
这些传感器可直截了当安装于驱动器上也可通过特定的安装附件进行安装。
只有在驱动器的活塞上加上永磁体，才能使接近式传感器工作。
接近式传感器在气缸上的位置能够通过机械方式加以调整并固定。
一旦气缸活塞回复到这一位置，切换信号的状态就会发生变化。
电子式行程开关外形及符号如图2.17所示。
图2.17电子式行程开关外形及符号
3.6.2电子式行程开关位置操纵装置
为了明白气缸活塞的两个绝对位置〔最内端和最外端〕，就能够用两个磁感应传感器来检测。
如图2.18所示。
在气缸活塞环上，包有一层永久磁铁。
当活塞往外运动到最外端时，传感器A就发出信号〔一样传感器上有指示灯〕，当活活塞往内运动到最内端时，传感器B就发出信号。
如此就能够检测气缸活塞的位置。
图2.18位置操纵检测
3.7压力传感器
压力传感器用于气爪夹紧力的设定和检测操纵。
压力传感器是压力开关和模块化压力传感器系统，启动压力能进行调剂。
特点是：
装配更方面，启动速度更快，显示更好〔采纳数字式显示〕。
压力传感器外形及符号如图2.19所示。
图2.19压力传感器外形及符号图
3.8．传感器的连接方法
本单元机械零部件及气动操纵回路安装无误后，进行电气回路的安装。
电气回路由信号输入回路和输出操纵回路组成。
信号输入回路要紧读取运行过程中的各种位置及压力信号，由各种传感器检测并转换为相应的开关量信号，通过I/O接线端口输入端用数据电缆连接PLC相应的I端口。
输出操纵回路是PLC输出端O端用数据电缆连接I/O端口再连接相应的电磁阀从而操纵各种功能的实现。
I/O接线端口如图2.20所示，有8个输入端及8个输出端，每个输入、输出接线端上装有LED，可显示回路状态以及用于系统纠错。
同时，在每一个端子旁都有数字标号，以说明端子的位地址，是PLC与输入、输出设备连结的桥梁。
接线端口通过导轨固定在铝合金板上。
图2.20I/O接线端口
3.9使用电器设备的本卷须知
1.电气插座不得过荷。
2.在修理或调试设备前，应先切断电源。
3.不使用设备时应切断电源。
4.所有电气设备必须接地线。
5.切勿在手湿时接触电器设备。
3.91电气回路连接安全规那么
1.电气连接完成前不能通电。
2.在安全电压下操作，工作电压24VDC。
3.92.模拟检测
电气回路连接完毕检查无误，应使用数字量仿真盒〔SIMBOX〕连接I/O接线端端口模拟操纵全过程进行试运行。
数字量仿真盒如图2.21所示。
数字量仿真盒具有模拟MPS工作站或PLC输入信号，显示输出信号数字的功能，可完成以下操作：
1．测试PLC程序时，模拟输入。
2．设定输出信号〔独立24V电源供电〕进一步完成MPS工作站的操作。
图2.21数字量仿真盒
使用时把数字量仿真盒与I/O模块的电缆线接头连接，第一接通电源〔暂不接通气源〕，由于推料缸两端安装有磁感应开关在两个极限位置，在两个极限位置时，传感器上LED指示灯、I/O接线端口及数字量仿真盒相应指示亮，表示位置到达及能进行检测，磁传感器安装位置能够进行调整。
摆动气缸转位到达，I/O接线端口及数字量仿真盒相应指示灯亮，如调整微动开关的位置可使摆动气缸的转位角度改变。
接通气源，板动数字量仿真盒上相应的O输出开关，那么操纵相应气动动作。
例如板动O1开关，将产生真空吸力，如吸附工件那么真空检测开关LED指示灯、I/O接线端口及数字量仿真盒相应指示亮，表示已达到设定的真空压力。
板动O4开关，摆动气缸摆向下一站。
如此将整个操纵顺序与传感器输入信号指示模拟运行，并进行相应的调整，模拟运行如与设计一致后可接入PLC，实现全程序自动运行。
4.可编程操纵器操纵部分
该系统可安装三菱、西门子、欧姆龙、松下等各种型号的PLC进行操纵。
可编程序操纵器PLC如图3.1所示。
是目前在自动操纵领域中使用最广泛的操纵装置之一。
它是以微处理器为基础，综合运算机技术与自动操纵技术而进展起来的新一代工业操纵器，具有逻辑判定、计数、定时、经历、算术运算、数据处理、联网通信、PID回路调剂、人工智能等功能。
PLC以其优异的性能，低廉的价格和高可靠性等优点，在机器制造、冶金、化工、煤炭、汽车、纺织、食品等诸多行业的自动化储藏中得到广泛的应用。
目前，可编程序操纵器、集散操纵系统和工业操纵运算机这三类自动化操纵装置几乎占据了所有操纵装置产品的市场。
而在自动机与自
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