机械设计制造及其自动化专业毕业论文基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计.docx
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机械设计制造及其自动化专业毕业论文基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计
机械设计制造及其自动化专业毕业论文--基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计
目录I
摘要IV
AbstractV
第一章前言1
11研究的目的及意义1
12机械手在国内外现状和发展趋势1
13主要研究的内容2
14解决的关键问题3
第二章执行系统的分析与选择4
21执行机构坐标形式的选择4
22执行机构的组成6
23执行机构各部分的分析与选择6
com手部的选择6
com手臂结构的选择8
com机座结构的选择9
24执行机构的工作原理10
25执行机构简图10
第三章驱动系统的分析与选择12
31驱动系统的分析与选择12
32机械手驱动系统的控制设计13
33气动元件选取及工作原理14
com气源装置14
com执行元件15
com控制元件16
com辅助元件17
com真空发生器18
com吸盘18
34气动回路的工作原理18
第四章控制系统的分析设计22
41控制系统的组成结构22
42控制系统的性能要求22
43传感器的选择23
com位置检测装置23
com滑觉传感器23
com视觉传感器24
44控制系统PLC的选型及控制原理25
comPLC控制系统设计的基本原则25
comPLC种类及型号选择30
comIO点数分配30
comPLC外部接线图32
com机械手控制原理32
45PLC程序设计34
com总体程序框图34
com初始化及报警程序36
com手动控制程序37
com自动控制程序39
第五章总结与展望42
参考文献43
致谢44
附录45
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
Abstract
ManipulatorplaysanextremelyimportantroleinthefieldofadvancedmanufacturingItcancarrygoodssortmaterialsanddoheavyworksinsteadofthehumanbeingItalsocanrealizemechanizationandautomationoftheproductiondothejobsinharmfulenvironmenttoprotectthepersonalsafetySoitiswidelyusedinmetallurgymachinerymanufacturingelectronicslightindustryandatomicenergyetc
InthispaperbyreviewingthedevelopmentalstatusofthemanipulatorinrecentyearscombiningthedesignofmanipulatorandsystematicanalyzingtechnologyofthemanipulatorWeproposedthedesignschemethatthemanipulatorwasdrivenbythepneumaticandthesystemwascontrolledbyPLCIntegrativeideawasadoptedinthisdesigntofullyconsiderthecharacteristicsofthesoftwareandhardwareandcomplementaryoptimizationWeanalyzedanddesignedtheoverallstructuretheimplementationofstructuraldrivingsystemandcontrolsystemofthemanipulatorWeusedpneumatic-driveninthedrivingsystemPLCcontrolunitinthecontrolsystemtocompleteinitializationofthesystemmanipulatorsmovingfailurealarmandsoonFinallyweputforwardacontrolstrategywhichissimpleeasytorealizeandcleartheoreticalsignificance
Throughtheworkaboveapracticaleconomicalhigh-reliabilitysortingmaterialmanipulatorwasdesignedwhichalsohadcertainreferencevaluefortheothertypesofeconomicalPLCcontrolsystemdesign
Keywordsmanipulatorpneumatic-drivenprogrammablelogiccontrollerPLCautomaticcontrolsortingmaterials
第一章前言
11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
12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KUKACLOOS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
13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
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
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
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IO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
14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
第二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
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XYZ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XYZ三个直线运动方向上个具有ABC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
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加了制造的成本和难度
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
22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
手部是机械手直接握持工件或工具的部分
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
立柱支承手臂并带动它升降摆动和移动的机构
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
23执行机构各部分的分析与选择
com手部的选择
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
手指应有一定的开闭范围
手指应具有适当的夹紧力
要保证工件在手指内的定位精度
结构紧凑重量轻效率高
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
气吸式又可分为
负压吸盘真空式喷气式自挤式空气吸盘
磁力吸盘永磁吸盘电磁吸盘
真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空故称真空式喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的所以气流速度逐渐增大在管路的最小截面处气流速度达到临界速度此时的气体受压密度加大在排气管路中因界面逐渐增大气流膨胀减压而使密度大大下降致使气流速度继续增高在吸气口处形成负压吸附头与吸气口连同故形成真空以吸住工件自挤式空气吸盘的工作原理是将软质吸盘按压在工件的表面挤出吸盘内的空气从而造成真空吸住工件磁吸式手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
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
真空吸盘机构如图21所示
图21吸盘机构图
com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
动作元件如油缸汽缸齿条凸轮等是驱动手臂运动的部件
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
手臂起着连接和承受外力的作用
2手臂设计的要求
手臂承载能力大刚性好自重轻
手臂的运动速度要适当惯性要小
手臂的动作要灵活
位置精度要高
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常用的有单导向杆和双导向杆本设计中伸缩运动中选用双导向杆
com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
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如果水平缸垂直缸和手部机构直接安装到摆动气缸的输出轴上机构虽然简单但摆动气缸的轴向受力增大对气缸的自身要求较高并易造成摆动气缸的损坏同时机械手本身重心偏离立柱轴线以及各气缸运动产生的冲击都形成作用在摆动气缸转动轴上的倾覆力矩所以采用一个连接组件将机械手立柱以上的重量和倾覆力矩由机架来承担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22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
1底座2摆动气缸3双向推力球轴承4扣罩5转台
图22机座结构图
24执行机构的工作原理
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放物等动作其结构原理如图22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
执行机构简图
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23所示大图见CAD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
图23执行机构简图
第三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
31驱动系统的分析与选择
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10-15％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31给出了各种控制方式的比较
表31各种控制方式的比较
通过以上三种驱动方式的比较选用气动驱动的方式不仅能够满足了本设计的要求而且节约了成本
32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31所示
图31驱动系统原理图
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
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