基于plc的物料分拣机械手自动化控制系统的设计

基于plc的物料分拣机械手自动化控制系统的设计内容摘要：

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 13 执行机构简图 第 二 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 21 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 21 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： 1 、 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。 2 、 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。 1 、 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。 2 、 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。 1 、 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。 2 、 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。 1 、 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。 2 、 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的。 膨胀型消声器的结构比较简单，相当于一段比排气口径大的管件，当气流通过时，让气流在其内部扩散、膨胀、碰壁撞击、反射、相互干涉而消声。 吸收膨胀型消声器是上述两种的结合。 气流由斜孔引入，气流束相互撞击、干涉、进一步减速，再 通过设在消声器内表面的吸声材料消声，最后排向大气。 本设计选用膨胀型消声器。 真空发生器 真空发生器的作用主要是使吸盘的橡胶皮碗形成真空而将工件吸附。 真空发生器的工作原理是利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动。 在卷吸流动作用下，使得喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，使吸附腔内的压力降至大气压以下，形成一定真空度。 吸盘 吸盘是直接吸吊物体的元件，一般用橡胶做成。 真空吸盘之所以能吸附在工件上的原因是由于环境压力（大气压力）大于吸盘与工件之间的压力。 将吸盘与真空发 生装置连接，吸盘内部空间的空气被抽去，当吸盘接触到工件时，大气和吸盘之间形成了密封，就会吸住物料，吸气大小与大气压和吸盘内部空间的压力差成正比。 气 动 回 路 的 工 作 原 理 物料分拣机械手的工作循环是：摆动气缸的右旋 → 水平手臂的伸出 →垂直手臂的下降 → 吸物→垂直手臂的上升 → 水平手臂的缩回→摆动气缸的左旋→垂直手臂的下降→放物 → 垂直手臂的上升 →回到初始位置。 系统中选用电磁换向阀，限位开关，实现气缸的往复运动。 二位二通电磁阀实现吸盘的吸物和放物。 实现工作循环的工作原理如下 ： (1) 摆动气缸的右旋 按下启动按 钮， 右旋按钮接通，使三位四通电磁换向阀 12的 5YA 得电，阀 12的阀芯右移， 摆动气缸会执行右旋的命令。 这时的气路是： 进气路线： 2 空气处理单元 → 储气罐 3 → 三位四通电磁换向阀 12左端 →单向调速阀 19→ 摆动气缸 C 的 D 口。 排气路线：摆动气缸 C 的 E 口 → 单向调速阀 20→ 三位四通电磁换向阀 12排气口 → 调速阀 8 → 消声器 9 → 排出。 (2) 水平气缸的伸出 当 摆动气缸 C 右旋到指定位置时（ 90度 ）， 就会碰到右旋限位开关，使二位五通电磁换向阀 12的 5YA 断电，摆动气缸旋转运动会停止，经时间继电器延 时，使三位四通电磁换向阀 10的 1YA 得电， 阀 10的阀芯右移， 执行手臂前伸动作。 这时的气路是 : 进气路线： 2 空气处理单元 → 储气罐 3 → 三位四通电磁换向阀 10左端→ 单向调速阀 15→ 气缸 A 的无杆腔。 排气路线：气缸 A 的有杆腔 → 单向调速阀 16→ 三位四通电磁换向阀 10的排气口 → 调速阀 4 → 消声器 5 → 排出。 (3) 垂直手臂的下降 当水平伸缩气缸 A 伸出到指定位置时， 就会碰到前限开关，使三位四通电磁换向阀 10的 1YA 断电，手臂伸出动作会停止。 经时间继电器延时，小臂下降按钮接通，使三位四通电磁换向阀 11 的 3YA 得电， 阀 11 的阀芯右移 ，执行小臂的下降动作。 这时的气路是： 进气路线： 2 空气处理单元 → 储气罐 3 → 三位四通电磁换向阀 11 左端→ 单向调速阀 17→ 气缸 B 的无杆腔。 排气路线：气缸 B 的有杆腔 → 单向调速阀 18→ 三位四通电磁换向阀 11的排气口 → 调速阀 6 → 消声器 7 → 排出。 (4) 吸物 小臂气缸下降到指定位置时， 撞到下限位开关，使三位四通电磁换向阀11 的 3YA 断电，小臂下降动作停止。 经时间继电器延时，二位二通电磁阀 13的 7YA 得电，真空发生器 22开始动作，经真空开关 24检测真空度，并发出讯号给控制器，真空吸盘 26将物料吸起。 这时的气路是： 进气路线： 2 空气处理单元 → 储气罐 3 → 二位二通电磁阀 13→ 真空发生器 22→ 过滤器 25→ 吸。