物料分拣机械手自动化控制系统设计

物料分拣机械手自动化控制系统设计

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。

关键词:机械手；可编程控制器；自动化控制；物料分拣

目录

第一章前言 (1)

1.1研究的目的及意义 (1)

1.2主要研究的内容 (1)

第二章控制系统的组成结构和性能要求 (2)

2.1控制系统的组成结构 (2)

2.2控制系统的性能要求 (2)

第三章传感器的选择 (4)

第四章控制系统PLC的选型及控制原理 (6)

4.1 PLC控制系统设计的基本原则 (6)

4.2 PLC种类及型号选择 (10)

4.3 I/O点数分配 (10)

4.4 PLC外部接线图 (11)

4.5机械手控制原理 (12)

第五章 PLC程序设计 (14)

5.1总体程序框图 (14)

5.2初始化及报警程序 (15)

5.3手动控制程序 (16)

5.4自动控制程序 (16)

第六章总结与展望 (19)

参考文献 (20)

谢辞 (21)

第一章前言

1.1研究的目的及意义

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控制系统的设计。

1.2主要研究的内容

本论文主要研究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、I/O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。

第二章控制系统的组成结构和性能要求

2.1控制系统的组成结构

机械手的控制系统一般是使机械手运动协调为目的，包括高性能的计算机及相应的系统硬件和控制软件。

机械手的控制部分可分为4个部分：机械手及其感知器、环境、任务、控制器。机械手是由各种机构组成的装置，它通过感知器的内部传感器实现本体和环境状态的检测和信息交互；环境即指机械手所处的周围环境；任务是指机械手要完成的操作，它需要适当的程序语言描述，并把它们存入控制机中，随着系统的不同，任务的输入可能是程序方式，或文字、图形或声音方式；控制器包括软件和硬件两大部分，相当于机械手的大脑，它以计算机或专用控制器运行程序的方式来完成给定的任务。

控制系统的硬件一般包括3个部分：

(1)感知部分用来收集机械手的内部和外部的信息，如位置、速度、加速度传感器可接受机械手的本体状态，而视觉、触觉、力觉等传感器可感受机械手的工作环境的外部状态。

(2)控制装置用来处理各种信息，完成控制过程，产生必要的控制指令，它包括计算机相应的接口等。

(3)驱动部分为了使机械手完成操作及移动功能，机械手各关节可选用气动、液动、电气等方式驱动。

2.2控制系统的性能要求

对于一般的控制系统有以下控制的要求：

1、稳定性

稳定性是系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏离平衡点恢复到原平衡点状态的能力。稳定性是一般自动控制必须满足的基本要求，对稳定性的研究是自动化控制系统中的一个基本问题。

2、过渡过程性能

描述过渡过程性能可以用平衡性和快速性加以衡量，平衡性指系统由初始状态运动到新的平衡状态时具有较小的超调和震荡性；系统由初始状态运动到新的平衡状态经历的时间表示系统过渡过程的快速程度。

3、稳态误差

稳态误差是在过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。控制系统

的稳态误差越小，说明控制精度越高。因此，稳态误差是衡量控制系统性能好坏的一项重要指标，控制系统设计的任务之一就是在兼顾其他性能指标的情况下，使稳态误差尽可能小或者小于某个允许的限制值。

第三章传感器的选择

传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。

根据本设计的要求需要对位置检测装置、滑觉传感器、视觉传感器进行选用。位置检测装置检测机械手动作是否到位，滑觉传感器是判别物料是否被稳定吸住，视觉传感器是为了完成机械手对物料的识别。

1.位置检测装置

在本设计中，当机械手执行左旋/右旋，前伸/回缩，上升/下降等动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。本设计中采用直线接触式行程开关检测机械手动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。

2.滑觉传感器

机械手吸取物体时按吸力的大小可分为硬吸取和软吸取。硬吸取是吸盘用最大的吸力吸取物体，以保证可靠性；软吸取方式是吸盘使吸力保持在能稳固吸取物体的最小值，以避免损伤物件。软吸取时吸力不够时被吸物体会产生滑动，滑觉传感器就是为了检测滑动而设计的，可以检测垂直于吸物方向物体的位移、由重力引起的变形，以达到修正吸力，防止吸取物的滑动。

3.视觉传感器

机械手视觉的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能够对不同的物体进行识别，本机械手采用颜色传感器，根据不同物料有不同的颜色，可以针对一种颜色的物料进行拣出。

目前，用于颜色识别的传感器有两种基本类型：（1）色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色LED光源；（2）RGB（红绿蓝）颜色传感器，它检测物体的对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。这类装置许多是温反射型、光束型、光纤型的，封装在各种金属和聚碳酸脂外壳中。典型的输出有：NPN和PNP、继电器和模拟输出。

颜色传感器有光到光电流转换器、光到模拟电压转换器和光到数字电压转换器。

光到数字电压转换器由搭配RGB滤波器的光电二极管阵列、模似数字转换器及用于通信和灵敏度控制的数字核心组成。输出允许直接接口微控制器或其它逻辑控制通路，如2线串行接口，以进一步处理信号，而不需额外的器件。

优点：提供抗噪声干扰能力，简化外围电路设计，改善空间利用率，降低组装成本。

缺点：只通过2线串行接口模块提供到微控制器或PC的直接接口，响应时间由内置模拟电路和数字电路预先确定，预先确定模拟数字转换分辨率，光到数字转换器适合要求抗噪声能力、缩短设计周期、加快产品开发周期及光线条件和空间利用率设计精良的应用。

为了便于PCL控制程序的编写，利于公司企业的经济效益，综合其各种情况，在本设计，选择RGB颜色传感器着为识别物料颜色的装置，继电器输出方式，便于PLC控制系统的简单化，控制系统更容易实现。

第四章控制系统PLC的选型及控制原理

4.1 PLC控制系统设计的基本原则

PLC机型的选择：

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：

1.确定合理的结构型式

PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。

整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中。考虑此系统控制比较简单，应用于小批量的生产线故此选择整体试PLC的结构形式较为合适。

2.确定合理的安装方式

PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。

集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低。在工厂小批量生产中降低成本是很重要的，所以此系统选择集中试的安装方式。

3.满足相应的功能要求

一般小型( 低档) PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。本系统只需用开关量控制，选用一般小型PLC即可。

4.满足响应速度要求

PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I/O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。

本系统不需要跨范围使用PLC对某些功能或信号也没有特殊的速度要求，不需要选用具有高速I/O处理功能的PLC。

5.满足系统可靠性要求

对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。本系统选用一般系统PLC能够满足要求，不需要考虑太多此方面的问题。

6.机型尽量统一

一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。以保证其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；有利于技术力量的培训和技术水平的提高；其外部设备可以通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。

本课题的要求不高，不需要考虑配备上位计算机，但为了方便采购和管理等我们还是要求机型要统一。

确定PLC的容量：

PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。

1.确定系统的实际输入点数

系统由启动按钮SB1、停止按钮SB2、急停按钮SB3、手臂复位按纽SB4、颜色传感器ST1、左旋极限传感器ST2、右旋极限传感器ST3、上升限位传感器ST4、下降限位传感器ST5、手臂缩回限位传感器ST6、手臂伸出限位传感器ST7、超上升限位传感器ST8、超下降限位传感器ST9、超左旋限位传感器ST10、超右旋限位传感器ST11、超伸出限位传感器ST12、超缩回限位传感器ST13、工件检测传感器PS1、系统的自动/手动控制开关SA以及手动的升降、左右旋转、伸缩、吸放按钮（SB5---SB12）作为个输入继电器的外部控制点，共有28个输入点。

2.确定系统的实际输出点数

系统有手臂左旋、右旋、伸出、缩回、上升、下降、吸物、放物的电磁阀动作，报警指示灯、原位指示灯及自动/手动指示灯工作，一共12个输出点。

3.确定应选择PLC的点数

PLC平均的I/O点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定的裕量。通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10％到15％的裕量来确定。本系统的输入、输出实际需要40个点，所以本系统的PLC输入、输出点数定为48点比较合适，但输入和输出各应留有裕量。

4.确定系统同时接通输入/输出点的数量

（1）同时接通的输入点数量

对于选用高密度的输入模块( 如32点、48点等) ，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。

（2）同时接通的输出点数量

同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V/2A 的8点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A(8×2A)，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％。

对同时接通的输/入输出点的制约，此系统是可以满足的。

5.系统存储容量的选择

PLC的I/O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在I/O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20％到30％的裕量。

存储容量（字节）＝开关量I/O点数×10 ＋模拟量I/O通道数×100

A=40*10+0*100 =400（字节）

另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。但是，本课题要求的存储容量很低，一般的PLC能够满足，所以我们不需要考虑存储容量。

确定PLC的I/O模块：

一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I/O模块有开关量I/O模块、模拟量I/O模块及各种特殊功能模块等。不同的I/O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC 的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。根据本课题要求，不需要用到模拟量I/O 模块及各种特殊功能模块，所以只需要对开关量I/O模块选择即可。

1.开关量输入模块的选择

开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：（1）输入信号的类型及电压等级

开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于传输距离较近场合，如5Ｖ输入模块最远不得超过十米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。

本系统传输距离较近可选择24Ｖ直流输入。

（2）输入接线方式

开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式。

汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。所以本系统考虑价格便宜问题，且输入信号之间不需要分隔，选用汇点式较合适。

（3）输入门槛电平

为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。

2.开关量输出模块的选择

开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：

（1）输出方式

开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。

继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。

对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。

本系统为中小型生产线自动控制系统，需要考虑价格相对要便宜，而本系统对动作速度要求不高，所以选择继电器输出作为输出方式。

（2）输出接线方式

开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。

分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。本系统选择分组式输出。

（3）驱动能力

开关量输出模块的输出电流( 驱动能力) 必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。

（4）输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关

开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。

4.2 PLC种类及型号选择

PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。根据前面确定的PLC点数：实际输入点28点，实际输出点12点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为48点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面。本系统可选择PLC型号为：FX2N—64MR—001，合计总数64点—32点输入，DC24V，32点继电器输出；尺寸（mm）：220×87×90，其性能、价格都优于其他PLC。

FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。

该型号PLC有32个输入节点，32个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。

4.3I/O点数分配

根据机械手动作流程分析及I/O点数确定，可以确定电气控制系统的I/O点分配，如表4.1、表4.2所示：

表4.1 机械手控制输入点分配表

表4.2 机械手控制输出点分配表

4.4. PLC外部接线图

根据表4.1、4.2分配输入/输出信号与PLC输入/输出接口分配情况及所选定的PLC，得到PLC的外部接线图如图4—1：

图4—1 PLC外部接线图

4.5机械手控制原理

在PLC的控制下，执行机构可实现手动、自动等多种工作方式。手动：利用按钮对机械手每一动作手动进行控制，可实现上升、下降、前伸、缩回、正转、反转、吸物、放物等操作；自动：按下循环按钮后机械手从原点位置开始连续不断的执行分拣物料的各步。

按下启动按钮SB1，系统初始化→摆动气缸右旋→水平手臂伸出→垂直手臂下降→吸物→垂直手臂上升→水平手臂缩回→摆动气缸左旋→垂直手臂下降→放物→垂直手臂的上升→回初始位置。

1.系统程序的初始化

按下启动按钮SB1，对控制系统进行功能检测，检测正确后，进入控制系统的软件，开始运行程序。

2.摆动气缸右旋

初始化程序正常运行后，PLC的输入端X000接通输入，输出端Y001输出，右旋按钮SB8接通，使三位四通电磁换向阀12的5YA得电，摆动气缸会执行右旋的命令。

3.水平手臂的伸出

摆动气缸右旋到指定位置时（90度），PLC输入端X004接通输入，输出端Y003输出，手臂前伸按钮SB9接通，使三位四通电磁换向阀10的1YA得电，执行手臂前伸动作。

4.垂直手臂的下降

手臂前伸到指定位置，PLC输入端X010接通输入，输出端Y005输出，小臂下降按钮SB6接通，使三位四通电磁换向阀11的3YA得电，执行垂直手臂的下降动作。

5.吸物

小臂下降到指定位置，PLC输入端X006接通输入，输出端Y006输出，吸盘吸气按钮SB11接通，二位二通电磁阀13的7YA得电，真空发生器22开始动作，真空吸盘26将物料吸起。

6.垂直手臂的上升

经滑觉传感器检测到物料已经被吸起时，输出端Y004输出，小臂上升按钮SB5接通，使三位四通电磁阀11的电磁铁4YA得电，执行垂直手臂的上升动作。

7.水平手臂的回缩

小臂上升到指定位置，PLC输入端X005接通输入，输出端Y002输出，水平缩回按钮SB10接通，使三位四通电磁换向阀10的电磁铁2YA得电，执行水平手臂回缩动作。

8.摆动气缸左旋

水平手臂回缩到指定的位置，PLC输入端X007接通输入，输出端Y000输出，左旋按钮SB7接通，三位四通电磁阀12的电磁铁6YA得电，执行摆动气缸的向左旋转。

9.垂直手臂的下降

摆动气缸向左旋转到指定位置（90度），PLC输入端X003接通输入，输出端Y005输出，垂直手臂下降按钮SB6接通，使三位四通电磁阀11的电磁铁3YA得电，执行小臂的下降运动。

10.放物

小臂下降到指定位置，PLC输入端X006接通输入，输出端Y007输出，吸盘放气按钮SB12接通，真空发生器停止工作，真空消失，压缩空气进入真空吸盘，将物料与吸盘吹开。

11.小臂上升

经滑觉传感器检测到物料已经放开，输出端Y004输出，小臂上升按钮SB5接通，使三位四通电磁换向阀10的电磁铁2YA得电，执行小臂上升动作。

12.回到初始位置

小臂上升到指定位置，PLC输入端X005接通输入，自动重复以上动作。

第五章 PLC程序设计

5.1总体程序框图

设备有“手动/自动”两种工作方式，其控制程序可分为自动控制程序和手动控制程序两个模块，各模块程序分开编写，结构清晰，便于调试和修改。

在进行编程前，应先绘制出整个控制程序的结构框图，如图5—1所示。在该结构图中，当操作方式选择开关置于“手动”时，输入点X012接通，执行手动程序；当操作方式选择开关置于“自动”时，输入点X013接通，执行自动程序。

图 5—1 控制程序的结构框图

同是为了方便操作，应设计一个机械手操作面板，机械手操作面板如图5—2所示

图5—2 机械手操作面板5.2初始化及报警程序

初始化及报警程序如图5—3所示

图5—3 初始化及报警程序

5.3手动控制程序

手动控制程序用于实现机械手升降、伸缩、左右旋转、吸气/放气及复位的运动。在自动工作过程中，若将“手动/自动”转换开关打到“手动”位置时，输入X012接通系统进入手动控制方式状态。此时，按下相应的受动按钮可实现手动上升、下降、左旋、右旋、伸出、缩回、吸气、放气及复位动作，手动操作程序如图5—4所示。

图5—4 手动操作程序

5.4 自动控制程序

分析知，在“自动”工作方式下，本机械手的运动是以开关量作为转移信号，按所设计的工艺流程一步一步地进行工作，其控制过程为顺序循环控制。当机械手完成一次物料的吸放任务后返回原位为下一个任务做好准备。自动控制的状态转移图如图5—5所示。

根据自动控制的状态转移图就可设计出自动控制的步进梯形图如图5—6所示。

图5—6 自动控制步进梯形图

图5—6自动控制步进梯形图 (序)