基于plc的物料分拣机械手自动化控制系统设计和工作原理

基于plc的物料分拣机械手自动化控制系统设计和工作原理内容摘要：

)手臂的动作要灵活。 (4)位置精度要高。 (5)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。 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 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。 底座 摆动气缸 双向推力球轴承 扣罩 转台 图 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。 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 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 执行机构简图 第 3 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。 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 1015﹪。 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 给出了各种控制方式的比较： 表 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。 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 所示。 图 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。 图中的调速阀控制气缸上升和下降、伸长和缩短、摆动过程中的速度，防止速度过大对物料及机械手臂的冲击；三位四通电磁换向阀是改变气缸的运动方向；真空发生器的工作原理利用气体的喷射产生真空吸附物料，其主要功能是实现对物料的吸取和释放，真空发生器的动作是由二位二通电磁阀控制的。 气动元件选取及工作原理 气压驱 动是利用压缩气体的压力能来实现能量传递的一种方式，其介质主要是空气，也包括燃气和蒸汽。 典型的气压传动系统由以下四部分组成： 气源装置 气源装置是获得具有一定能量的压缩空气的装置，其主体部分是空气压缩机，有的还配有气源净化处理装置、气罐等附属设备。 它将原动机提供的机械能 转变为气体的压力能。 气压传动对气源的要求： (1)要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量。 (2)要求压缩空气有一定的清洁度和干燥度。 下面对于主要的气源装置元件进行如下介绍： 空气压缩机 空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置，是气源主 要的设备。 按结构和工作原理可分为速度型和容积型两大类。 容积型压缩机是利用特殊形状的转子或活塞压缩吸入封闭容积室空气的体积来增加空气的压力。 容积型结构简单、使用方便。 本设计选用容积型压缩机。 储气罐 储气罐可以调节气流，减少输出气流的脉动，使输出气流连续和气压稳定，也可以作为应急气源使用，还可以进一步分离油水杂质。 储气罐上装有安全阀，使其极限压力比正常工作压力高 10%， 并装有指示罐内压力的压力表和排污阀等。 罐的型式可分为立式和卧式两种。 本设计选用立式储气罐，因为它的进气口在下，出气口在上，以利用进一步分离 空气中的油、水。 执行元件 执行元件是以压缩空气为工作介质产生机械运动，并将气体的压力能转变为机械能的能量转换装置，如气缸输出直线往复式机械能，摆动气缸输出回转摆动式机械能。 气缸输出直线往复式 气缸是气动执行元件之一。 目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。 水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。 单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。 其工作原理：对于前伸 /回缩气缸，当左侧无杆腔进气，右侧有杆腔排气时活塞杆前伸， 反之，活塞杆回缩；对于上升 /下降气缸，当上侧无杆腔进气，下侧有杆腔排气时，活塞杆下降，反之活塞杆上升。 摆动气缸输出回转摆动式 摆动气缸分为单叶片式和双叶片式。 单叶片式摆动气缸：压缩空气由进气口输入，作用在叶片上，带动轴回转产 生转矩，另一腔的空气从排气口排出。 双叶片式摆动气缸：从进气口进入的压缩空气作用在一个叶片上，同时通过轴上的气路也作用在另一叶片上带动轴回转。 这样双叶片式产生的转矩将是单叶片式的 2 倍。 本设计采用双叶片式摆动气缸，这样就能产生更大的转矩，以利于机械手的转动。 控制元 件 控制元件是用来调节压缩空气的压力、流量和控制其流动方向，使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。 气动控制元件按功能分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。 压力控制阀 调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀。 它包括调压阀、溢流阀、顺序阀及多功能组合阀。 调压阀是出口侧压力可调，并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀。 溢流阀是在回路中的压力达到阀的规定值时，使部分气体从排气侧排出，以保持回路内的压力在规定值的阀。 调速阀是根据 “ 流量负反馈 ” 原理设计而成的单路流量阀。 调 速阀一般用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中。 调速阀根据 “ 串联减压式 ”和 “ 并联溢流式 ” ，又分为调速阀和溢流节流阀两种主要类型。 本设计选用串联减压式调速阀。 方向控制阀 方向控制阀是改变压缩空气流动方向和气流通断状态，使气动执行元件的动作或状态发生变换的控制阀，其通常可分为单向型控制阀和换向型控制阀两类。 (1) 单向型控制阀 单向阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀，是最简单的单向型方向阀。 在气动系统中，单向阀除单独使用之外，经常与流量阀、换向阀和压力阀组合成只能单向控制的阀。 单向调 速阀就是单向阀与节流阀并联而成。 单向调速阀是把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。 当流体正向流动时，其节流过程与调速阀是一样的，节流缝隙的大小可通过手柄进行调节；当流体反向 流动时，靠流体的压力把阀芯压下，下阀芯起单向阀作用，单向阀打开，可实现流体反向自由流动。 当正向流动时，经过节流阀节流。 当反向流动时，单向阀打开，不节流。 (2) 换向型控制阀 换向型方向控制阀按控制方式分类，分为气压控制、电磁控制、人力控制。 换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系，实现接通、切断，或改变流 体方向的阀。 它的用途很广，种类也很多。 换向阀的性能的主要要求是：（ 1）油液流经换向阀时的压力损失小；（ 2）互不相通的油口间的泄漏小；（ 3）换向可靠、迅速且平稳无冲击。 按换向阀的操纵方式有：手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、气动式。 按工作位置数和控制的通道数有：二位二通阀、二位三通阀、二位四通阀、二位五通阀、三位四通阀、三位五通阀等。 本设计选用三位四通电磁换向阀理由如下： (1) 电磁换向阀是利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置。 由于它操作轻便，易于实现自动化，因此应用广泛。 (2)当三位四通电磁换向 阀两端电磁铁都断电时，阀芯处于中位，各口互不相通。 (3)使用三位四通电磁换向阀能够快速实现气缸的正反向运动。 辅助元件 辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的。 可分为气源净化装置和其他辅助元件两大类。 气源净化装置 过滤器、调压阀和油雾器等组合在一起称为空气处理单元，又称为气动三联件。 压缩的空气中含有各种杂质，这些杂质的存在会降低气动元件的耐用度和性能，造成误动作和事故，必须清除。 空气处理单元就是用来清除压缩空气的杂质，提高空气质量的元件。 消声器 消声器是 降低排气噪声的装置。 压缩空气完成驱动工作后，由换向阀的排气 口排入大气。 此时的压缩空气是以接近音速的状态进入大气，由于压力的骤然变化，使空气急速膨胀从而发出噪音，其音量一般为 80dB～ 100dB，为了改善劳动条件，应使用消声器。 常用的消声器有三种类型吸收型、膨胀型和吸收膨胀型。 吸收型消声器是依靠吸声材料来消声。