气动控制实验装置的研发毕业设计说明书文档在线提供.doc

第一章 绪论1.1 课题设计的目的及意义在当前，随着科学技术的发展和高新技术推广应用的普及，机电一体化技术已逐步深入到生产、生活的各个角落，生产从机械化转变为自动化，在机械加工、汽车制造、食品生产、药品包装等方面都在向自动化方向转变，它们都有共同的规律（按一定规则节拍地动作），从而产生了自动化生产线（流水线、装配线），据统计在汽车制造、电子元器件等精密加工制造业，有80%以上的工作是由“生产线”来完成的1，这些企业急需机电类应用型、技能型人才。 但由于办学经费紧张，职业院校一般没有能力购置与企业类同的“生产线” ，学生在校期间，不能建立整套生产过程的概念，为此，本人根据所学的专业知识结合这次毕业设计的要求，研制一套与企业生产实际相吻合的仿真自动化加工生产线， 该生产线可以根据办学需要实现任意组合的生产型教学实训生产线基于气动控制的生产过程实验装置，以解决学生在校实训过程与企业实际生产情况不相吻合的问题。本次设计研究的基于气动控制的生产过程实验装置是典型的机电气一体化的自动化装置，也是一套与企业生产实际相吻合的仿真自动化加工生产线，该装置主要有供料机构、检测机构、传输机构及分拣机构等组成，它涵盖了机电专业所学的机械设计、液压与气动技术、电工电子技术、检测传感技术及PLC控制等专业知识。在该系统上可以进行气动技术、传感器技术、电机传动、物料输送、自动化装配、PLC 控制等多种课程的教学与实训，也可以在此基础上进行相关的毕业设计。设计研究该装置的目的在于：一是为专业课程 “机电综合技能实训”提供一个实验平台，通过对整个系统进行教学并让学生动手装配、调试并模仿设计，学生可以在传感器的设计选型、气动元件的选型、气动回路的设计、结构系统设计、控制系统设计、PLC编程、系统装配、电气连接、系统调试等多方面进行全方位的学习和实践，达到理论教学难以达到的效果，培养学生的感性认识和实际动手能力。在全面掌握该系统的基础上，学生将具有设计装配一般实际工程系统的能力，达到技能教学的目的与效果。二是为学生找到一条容易适应从学校到工厂环境转换，从理论到实际转换，从课堂教学到工程现场真刀真枪技能转换的新途径，缩短从学校课堂到工业生产现场的距离，从而提高学生动手的能力。为使学生了解各种不同的元器件，我们全部采用工业化的标准元件与材料，尽可能采用不同的元器件类型，以增强学生的知识面和认知面。通过该实验装置的系统设计、安装调试等教学，能充分锻炼操作者团队协作能力、计划组织能力、自动线安装与调试能力、工程实施能力、职业素养、交流沟通能力、效率、成本和安全意识，引导高职院校机电一体化类专业教学改革发展方向，促进工学结合人才培养模式改革与创新，培养可持续发展的满足企业需求的自动化控制高技能人才2。1.2 机电一体化的概念与核心技术一、机电气一体化的概念机电一体化技术是以微型计算机为代表的微电子技术，信息技术迅速发展向机械工业领域迅猛渗透，在与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统理论出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，形成物质的和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术，机电一体化技术直接导致了自动化技术的产生3。机电气液一体化是现代化科学技术发展的必然结果，是将机械、微电子、信息技术、气液传动及控制技术融合在一起的一种现代化控制。其中机电一体化技术是核心技术。机电一体化技术是面向应用的跨学科技术，是机械、微电子、信息和控制技术等有机融合、相互渗透的结果。今天机电一体化技术发展飞速，机电一体化产品更日新月异。二、机电一体化的主要技术有4：1、机械技术：是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能要求。 2、计算机与信息技术：其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。 3、系统技术：即以整体概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，是实现系统各部分有机连接的保证。 4、自动控制技术：其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。 5、传感检测技术：是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。 6、伺服传动技术：包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。1.3 机电一体化的发展概况31、数控机床问世：自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已50个年头。我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展阶段，尤其是在1999年后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。 2、微电子技术的发展：我国的集成电路产业起步于1965年，经过30多年发展，已初步形成包括设计、制造、包装业共同发展的产业结构。 3、可编程序控制器（PLC）的应用于工业：上世纪60年代后期，美国汽车制造业开发一种Modular Digital Controller（MODICON）取代继电控制盘。MODICON是世界上第一种投入商业生产的PLC70年代是PLC崛起，并首先在汽车工业获得大量应用。80年代是它走向成熟，全面采用微电子及微处理器技术。90年代又开始了PLC的第三个发展时期。90年代后期进入了第四阶段。其特征是：在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，如以太网、高速串口；采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准；从而使PLC和DCS这些原来处于不同硬件平台的系统，正随着计算技术、通信技术和编程技术的发展，趋向于建立同一硬件平台，运用同一个操作系统、同一个编程系统，执行不同的DCS和PLC功能。这就是真正意义上的EIC三电一体化。 4、激光技术、模糊技术、信息技术等新技术的出现：以激光技术为首的光电子技术是未来信息技术发展的关键技术，它集中了固体物理、波导光学、材料科学、微细加工和半导体科学技术的科研成就，成为电子技术与光子技术自然结合与扩展、具有强烈应用背景的新兴交叉学科，对于国家经济、科技和国防都具有重要的战略意义。20世纪90年代后期，各主要发达国家开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头角，出现了光机电一体化和微机电一体化等新支；另一方面，对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地，也为产业化发展提供了坚实的基础。未来机电一体化的主要发展方向有： 1、智能化：是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。 2、网络化：20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。因此，机电一体化产品无疑将朝着网络化方向发展。 3、微型化：兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1立方厘米的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。 4、绿色化：机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。 5、系统化：其表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能的大大加强，特别是“人格化”发展引人注目，即未来的机电一体化更加注重产品与人的关系。一是如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。另一层含义是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。第二章 实验装置的总方案2.1 实验装置的结构组成本次设计的装置是基于气动传动控制的生产线物料传输以及机械手分拣，其结构基本组成如下：供料装置传输装置检测装置分拣装置PLC控制系统图2-1 基于气动控制的生产过程实验装置结构框图该装置在研究设计中要解决以下问题：1：如何去检查是否有物料。2：如何将物料输送到传动托盘上并且怎样去对传输位置进行检测。3：物料的传输快慢如何去调定。4：物料的颜色如何去检测以及物料的搬运方法。设计中解决这些问题是重点，只要将以上问题解答及设计好了本此设计就算基本成功了。具体的解决方法将在本章的第三节中介绍。2.2 系统装置设计的要求本次设计的实验装置是一个小型自动生产线仿真系统，包括物料的供给、传输、检测及搬运的生产线，那么首先就要具有生产装置的流程线的要求：要运行方便简捷、易操作等要求；其次，它应该具有可行性的要求：气动传动控制能正确运行、元器件要选择合理、气动图形符号的设计要符合标准，检测传输的装置要选择合理，机械手分拣要条理清晰明朗以及它们的PLC控制系统装置要选择适当及编程设计正确。2.3 系统方案的设计根据第一节中介绍的研究中要解决的问题设计出的具体方案如下：把整个系统装置分为供料机构、传输装置、检测装置及搬运装置四个机构加上控制它们的可编程控制器装置。系统装置设计流程如下：根据上述的工作流程把本次设计分为三大部分：第一部分：供料机构及传输装置的设计；第二部分：检测装置和搬运装置的设计；第三部分：控制系统装置的设计；因为供料与传输的运行是连接在一起的，物料供给后就进行物料的传输这是不可分的两道工序，而检测与搬运也是不可分开的两道工序。所以这样设计起来既符合生产上的实际连贯动作，也将设计的内容分的有条理。设计起来简单方便、缩短了设计的时间，为答辩赢得更多的时间准备。下面就针对上述方案做具体的运行控制系统设计：一、传输与供料装置这块有以下两种方案：1：采用历史悠久的同步带传动5。同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨酯或氯丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，使其与齿形带轮啮合。同步带传动时，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用温度-2080，v<50m/s，P<300kw,i<10,对于要求同步的传动也可用于低速传动。但它具有明显的缺点：安装要求高；要求二带轮轴线平行；同步在与二带轮轴线垂直的平面内运行；带轮中心距要求较严格；安装不当易发生干涉、爬齿、跳齿等现象。带与带轮的制造工艺比较复杂，成本受批量生产影响。2：采用发展迅速的气动传动6。气动传动不仅避免了同步带的缺点，同时还具有自己的优点：能实现无级调速；能实现过载保护；便于实现标准化、系列化。综合以上比较，本次设计选择气动传动来完成供料输送动作。二、检测与搬运装置的设计就选择常见的传感器检测及机械手搬运系统。传感器的检测精确、灵敏度高，机械手系统小而简捷、便于操作。三、控制系统方案有以下两种：1：采用过去工业系统中占主导地位的继电器控制。在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。2：采用先进的PLC控制系统7。PLC控制系统不仅替代了继电器的控制缺点，而且有着自己明显优点。PLC的主要功能有开关量控制、模拟量控制、闭环过程控制、定时控制、计数控制、顺序控制、数据处理、通信和联网。更重要的是PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点：a：可靠性高、抗干扰能力强；b：通用性强、灵活性高、功能齐全；c：编程简单、使用方便；d：模块化式的结构；e：安装简便、调试方便；f：网络通信；g：体积小、能耗低、便于机电一体化。综合以上比较，本次设计选择PLC控制作为控制系统。第三章 气动传动系统的设计3.1 气动传动简述一、气动传动的定义气动传动是研究以压缩空气等气体为能源介质，来实现机械的传动和自动控制的学科。它是利用各种元件组成所需要的控制回路，再由若干回路有机组合成能完成一定控制功能的传动系统来进行能量的传递、转换与控制。二、气动传动的组成气动传动系统一般由以下几部分组成8：（1）能源装置 把机械能转换成气流体的压力能的装置，一般最为常见的是空气压缩机。（2）执行装置 把流体的压力能转成机械能的装置，一般有作直线运动的气缸、作回转运动的气压马达。（3）控制调节装置 对气压系统中流体的压力、流量和流动方向进行控制和调节的装置。例如溢流阀、节流阀、换向阀等。这些元件的不同组合组成了能完成不同功能的气压系统。（4）辅助装置 指除以上三种以外的其他装置，如过滤器、蓄能器等，它们能对保证气压系统的可靠和 稳定地工作有重大作用。（5）传动介质 传递能量的流体，如压缩空气。三、气压传动的发展与应用9气压传动技术在科技飞速发展的当今世界将更加迅速。随着工业的发展，气动技术的应用领域已从汽车、采矿、钢铁、机械工业等行业的迅速扩展到化工、轻工、食品、军事工业等各行各业。气动技术已发展成包含传动、控制与检测在内的自动化技术。由于工业自动化技术的发展，气动技术以提高系统可靠性，降低总成本为目标。研究和开发系统控制技术和机、电、气综合技术。3.2 方案的设计及要求一、方案的设计本系统的传输物料方案及供料结合在一起设计，这就需要将两步动作的过程结合在一起，供料的机构要将物料直接输送到物料的传输机构上。这样的方案设计我们在学习的过程中曾有过。即设计一种运动传输的系统在将物料打上去，就可以运行物料的传输与供给。这种机构就是气动回路。它通过气缸的活塞将物料击打到一种传输的机构上无杆气缸。气动回路图如下：1、气源 2、三位五通电磁换向阀 3、两位五通电磁换向阀4、5、8、9调速阀 6、双作用气缸 7、无杆气缸图31 气动传动回路图二、传动系统的设计要求1：要求气动回路能正确传动，传动效率要高且传动精度要精确。2：气动回路的气动元件要按回路要求选择合理，元件的稳定性要高。3：物料的检测元件要选择合理，且灵敏度要高。3.3 传输机构的结构及原理一、传输机构的结构前一节中介绍到气动回路图，它的结构很简单就是采用双作用气缸供给物料、然后通过无杆气缸传输物料，双作用气缸与无杆气缸的伸缩与传输由电磁换向阀来操纵，另外供给与传输的快慢由调速阀来控制，这样就能对整个物料的供给与传输进行控制。传输机构的结构如图3-2所示：PLC控制系统双作用气缸无杆气缸供 料传输物料传感器图32 气动回路传输的结构图二、动作原理分析系统传动的基本顺序动作如下：1：当电磁铁3YA得电后，空气压缩进入缸8的无杆腔，缸8的活塞伸出将物料击打到托料盘上。2：物料到物料盘上后，电磁铁1YA得电，空气压缩进入无杆气缸9，传输物料到另一端。3：待物料被搬运后电磁铁2YA得电，无杆气缸返回，同时3YA释放双作用气缸返回，准备下一次物料的传输。3.4 系统元件的设计3.4.1检测元件的选择系统动作的开始与停止需要各指令的检测，这就需要我们在系统的流程中设计检测元件来检测动作的完成。一 光电检测开关10主要用它来检测有无物料到双作用气缸前方。1：定义。光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。2：分类。按检测方式分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。3：工作原理。由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管DU。并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被检测物在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。同时，自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。4：特点。具有自诊断稳定工作区指示功能，可及时告知工作状态是否可靠；对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便；对ES外同步（外诊断）控制端的进行设置可在运行前预检光电开关是否正常工作。并可随时接受计算机或可编程控制器的中断或检测指令，外诊断与自诊断的适当组合可使光电开关智能化；响应速度快，高速光电开关的响应速度可达到0.1ms，每分钟可进行30万次检测操作，能检出高速移动的微小物体；采用专用集成电路和先进的SMT表面安装工艺，具有很高的可靠性；体积小（最小仅20×31×12mm3）、重量轻，安装调试简单，并具有短路保护功能。所以本次设计选用光电开关来检测物料的有无，可以是设计装置更简洁而方便。二、霍尔开关10霍尔开关属于有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。所谓霍尔效应就是：当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为其中KH为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件。常用的霍尔传感器有四种类型：单极、双极、锁存及全极。所以本次设计选用霍尔开关来检测传输托盘的位置，是传输装置更简单而更精准。3.4.2气动元件的选择气动元件是组成气动回路的主要元件，它能够实现气路的通断、快慢以及方向的改变。所以气动元件的选择正确与否是气动回路传输效率的关键。一、无杆气缸11无杆气缸是指利用活塞直接或间接方式连接外界执行机构，并使其跟随活塞实现往复运动的气缸。这种气缸的最大优点是节省安装空间。无杆气缸主要有磁性无杆气缸、机械接触式无杆气缸。这里我们就主要介绍一下后者。机械接触式无杆气缸 称机械接触式无杆气缸，其结构如图33所示。气缸缸管轴向开有一条槽，活塞与滑块在槽上部移动。1节流阀 2缓冲柱塞 3密封带 4防尘不锈钢带5活塞 6滑块 7活塞架图33 机械接触式无杆气缸结构图为了防止泄漏及防尘需要，在开口部采用聚氨脂密封带和防尘不锈钢带固定在两端缸盖上，活塞架穿过槽，把活塞与滑块连成一体。活塞与滑块连接在一起，带动固定在滑块上的执行机构实现往复运动。这种气缸的特点是：1) 与普通气缸相比，在同样行程下可缩小1/2安装位置；2) 不需设置防转机构；3) 适用于缸径1080mm，最大行程在缸径40mm时可达7m；4) 速度高，标准型可达0.10.5m/s；高速型可达到0.33.0m/s。其缺点是：1) 密封性能差，容易产生外 泄漏。在使用三位阀时必须选用中压式；2) 受负载力小，为了增加负载能力，必须增加导向机构。二、调速阀调速阀是进行了压力补偿的节流阀。它有定差减压阀和节流阀串联而成。节流阀前、后的压力分别引到减压阀阀芯右、左两端，当负载压力增大，于是作用在减压阀芯左端的液压力增大，阀芯右移，减压口加大，压降减小，从而使节流阀的压差（p2-p3）保持不变；反之亦然。这样就是调速阀的流量恒定不变（不受负载影响）。 调速阀也可以设计成先节流后减压的结构。三、双作用气缸双作用气缸顾名思义就是能完成两方向的运动的气缸，这样就可以实现在将物料打出去以后又能够返回不影响下一个物料的传输。四 电磁换向阀电磁换向阀是用电磁铁的推力来推动阀芯运动以变换流体流动方向的控制阀，简称电磁阀。电磁换向阀有滑阀和球阀两种结构，通常所说的电磁换向阀为滑阀结构，称球状或锥状阀芯的电磁换向阀为电磁换向座阀，也称电磁球阀。 电磁换向阀的主要性能要求为：1 换向性能在规定的工作条件下，电磁阀通电后能否可靠地换向，断电后能否可靠地复位。2 压力损失电磁换向阀的压力损失由液流流过电磁换向阀的阀口时产生的流动损失和节流损失组成。3 内泄露量电磁换向阀的内泄露量是指在规定的工作条件下，处于各个不同工作位置时，从高压腔到低压腔的泄露量。4 换向和复位时间从电磁铁通电到阀芯换向终止所需要的时间，复位时间是指从电磁断电到阀芯回复到初始位置所需要的时间。5 换向频率在单位时间内所允许的最大换向次数6 使用寿命电磁阀使用到主要零部件损坏，不能进行正常的换向和复位动作，或者使用到其主要性能明显恶化超过了规定指标所经历的换向次数。电磁换向阀的品种繁多，按其工作位置数和通路数的多少可分为二位三通、二位四通、三位四通等；按其复位和定位形式可分为弹簧复位式、钢球定位式、无复位弹簧式；按其阀体与电磁铁的连接形式可分为法兰连接和螺纹连接；按其所配电磁铁的结构形式可分为干式和湿式，每一类又有交流、直流、本整等形式，而且所需电源电压又有好多种，因而在其结构上存在很多差别。本次设计中主要选择的是二位五通、三位五通的电磁换向阀，控制气缸传动。第四章 分拣系统的设计4.1 分拣机械手简述一、机械手简介机械手mechanical hand，也被称为自动手，auto hand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）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（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 。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。图为一种机械手的实物图： 图41 机械手实物图机械手的种类，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。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。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。二、机械手的发展史12机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。4.2 方案的设计及要求一、搬运装置的方案本次装置设计的搬运动作主要是由机械手来完成的，机械手在能源（电力或气源）的驱动下完成按设计要求的动作，代替人们的工作，不仅能减轻人的劳动强度提高生产力而且能满足高精度，高质量、高效率的工作要求，具有重要意义，应用也比较广泛，同时机械手的设计方案也较为成熟，常见的机械手方案有机械结构式的、气动手抓式的和真空吸盘式的。为综合训练同学们的技能，在本次设计中采用直流电力为电机拖动，电源开关作控驱。本作品机械与电机结合是目前应用广泛“机电一体化”技术发展的基础。本作品由驱动机构，传动机构，执行机构，控制电路，机架底座，底盘机座部分组成。通过本作品装配，调试，接触机械与电机结合，了解机械结构及控制电路在机电控制中的作用。驱动机构有四种：液压驱动，气压驱动，电气驱动和机械驱动。其中以电气，气动用的最多，占90%以上；液压机械用的较少。本装置设计的手爪部分采用机械结构式，利用直流电机驱动。执行机构包括手部手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动开闭手指。机械手手部的构造模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又分为二指三指和四指，其中二指用的最多，本设计采用四指的构造。手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到指定的位置，为了使机械手能够正确的工作，手臂的几个自由度都要正确的定位。总之，机械手的运动离不开直线运动，因此它采用的执行机构主要是液压缸液压马达伺服电机、步进电机以及直流电机等，本设计就采用的是直流电机。本设计采用的控制系统是小型可编程控制器实现，具有编程简单，修改容易，可靠性高等优点。这一点将主要在第五章介绍。另外物料的检测采用颜色传感器，传感器具有识别能力强、灵敏度高、检测速度快等优点。二、搬运的要求1：搬运的机械手要能将物料顺利的分拣到各物料区，且要求机械手各部分传动精度高、效率快。2：机械手的各元件的装载要正确，能实现无故障的搬运。3：搬运装置的检测元件要合理的选择，要求能物廉价美、灵敏度高。4.3 检测装置的设计检测装置的设计主要是用来区分不同的物料，以便机械手能将物料搬运到不同的物料区域。在本次设计中采用的检测传感器是颜色传感器，它的主要参数如下13：检测范围 1250mm 工作电压 1228VDC 光源 LED白光 接线方式 M128针接插件 开关频率 500Hz 输出信号 三路信号 PNP N.O. 输出电流 100mA 材料 ABS 工作温度范围 （-1055）用以上的颜色传感器检测红、黄、绿等颜色，检测过后用机械手将各物料抓放在各物料区。4.4 搬运系统工作原理及操作方法一、工作原理本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成左行右行的运动，手臂采用直流电机带动丝杆螺母实现左右行，升降的运动。由可编程控制器发出脉冲信号，经步进电动机驱动器驱动步进电机旋转，带动滚珠丝杆旋转完成手臂的运动。发出脉冲的个数，可控制手臂的两个轴的运动距离。（1） 机械手分别通过PLC的运算产生脉冲，方向信号，控制步进电机的驱动器，达到对距离,速度,方向控制的目的。（这为机械手的控制系统设计，将在第五章介绍）（2） 夹放工件通过夹紧、放松电机的正反转来控制。（3） 在自动运行方式下按下启动按钮，整个系统按照PLC程序的设定有序的运行，正常停车时，按下正常停车按钮机械手停车。二、机械手操作动作简述本次设计的机械手的结构示意图如下：1机架底座 2转盘 3电机齿轮箱 4机械手大臂 5手抓图42 机械手结构示意图1该机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，每次工作从原点位置（原点位置：机械手处于最上面，最左边，并且为松开状态）开始工作，先垂直下降到左工作台，夹紧工件后，水平右移到右工作台，放下工件，返回原点位置； 2机械手有多种运行方式：自动运行方式和手动运行方式，前者为按下启动按钮就直接工作到结束；手动运行方式为垂直下降/上升、夹紧、松开、水平左移/右移。3连续工作方式就是在原点位置系统启动后，机械手从原点位置开始一个周期接一个周期的反复连续工作，按下停止按钮后，机械手才停止工作。第五章 PLC控制系统的设计5.1 可编程控制器简述14一、PLC发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率会一直保持在3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。二、PLC构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA），电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路