毕业论文 基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计

PLC的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。

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

:

The Design for The Automatic Control System of The Sorting

Materials Manipulator Bad on PLC

ABSTRACT

Manipulator plays an extremely important role in the field of

advanced manufacturing. It can carry goods, sort materials and do heavy works

instead of the human being. It also can realize mechanization and automation of

the production, do the jobs in harmful environment to protect the personal

safety. So it is widely ud in metallurgy, machinery manufacturing, electronics,

light industry and atomic energy etc.

In this paper,by reviewing the developmental status of the manipulator in recent

years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of

the manipulator, We propod the design scheme that the manipulator was driven by

the pneumatic and the system was controlled by PLC. Integrative idea was adopted in

this design to fully consider the characteristics of the software and hardware and

complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the

implementation of structural, driving system and control system of the manipulator.

We ud pneumatic-driven in the driving system, PLC control unit in the control

system to complete initialization of the system, manipulator's moving, failure alarm

and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize,

and clear theoretical significance.

Through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material

2

manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types

of economical PLC control system design.

KEY WORDS

: manipulator ,pneumatic-driven, programmable logic controller (PLC),

automatic control,sorting materials

目 录

第一章 执行系统的分析与选择

....................................................................

§1.1执行机构坐标形式的选择 .....................................................

§1.2 执行机构的组成 ............................................................

§1.3 执行机构各部分的分析与选择 ................................................

§1.3.1 手部的选择 ......................................

§1.3.2 手臂结构的选择 ..................................

§1.3.3 机座结构的选择 ..................................

§1.4 执行机构的工作原理 ........................................................

§1.5 执行机构简图 ...............................................................

第二章 驱动系统的分析与选择

....................................................................

§2.1 驱动系统的分析与选择 ......................................................

§2.2 机械手驱动系统的控制设计 ..................................................

§2.3 气动元件选取及工作原理 ....................................................

§2.3.1 气源装置 ........................................

§2.3.2 执行元件 ........................................

§2.3.3 控制元件 ........................................

§2.3.4 辅助元件 ........................................

3

§2.3.5 真空发生器 ......................................

§2.3.6 吸盘 ............................................

§2.4 气动回路的工作原理 ........................................................

第三章 控制系统的分析设计

.......................................................................

§3.1 控制系统的组成结构 ........................................................

§3.2 控制系统的性能要求 ........................................................

§3.3 传感器的选择 ..............................................................

§3.3.1 位置检测装置 ....................................

§3.3.2 滑觉传感器 ......................................

§3.3.3 视觉传感器 ......................................

3.4 控制系统PLC的选型及控制原理 .................................................................................................

§3.4.1 PLC控制系统设计的基本原则 .......................

§3.4.2 PLC种类及型号选择 ...............................

§3.4.3 I/O点数分配 .....................................

§3.4.4 PLC外部接线图 ...................................

§3.4.5 机械手控制原理 ..................................

3.5 PLC程序设计 ..................................................................................................................................

§3.5.1 总体程序框图 ....................................

§3.5.2 初始化及报警程序 ................................

§3.5.3 手动控制程序 ....................................

§3.5.4 自动控制程序 ....................................

结论 ...........................................................

参考文献 .......................................................

致 谢 .........................................................

4

附 录 .........................................................

前 言

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

5

和控制系统的设计。

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KUKA、CLOOS、

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。

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

6

论文主要研究物料分拣机械手以下几个方面的内容：

(1)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。

(2)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。

(3)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。

第一章 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。

1.1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X、Y、Z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X、

7

Y、Z三个直线运动方向上个具有A、B、C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；

8

（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。

1.2

执行机构的组成

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工业机械手的执行系统主要以下机械部分组成：

（1）手部 是机械手直接握持工件或工具的部分。

（2）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。

（3）立柱 支承手臂并带动它升降、摆动和移动的机构。

（4）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。

1.3

执行机构各部分的分析与选择

1.3.1

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：

（1）手指应有一定的开闭范围。

（2）手指应具有适当的夹紧力。

（3）要保证工件在手指内的定位精度。

（4）结构紧凑，重量轻，效率高。

（5）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

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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2.1所示。

图1-1

吸盘机构图

1.3.2

手臂结构的选择

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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：

(1)动作元件，如油缸、汽缸、齿条、凸轮等是驱动手臂运动的部件。

(2)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。

(3)手臂，起着连接和承受外力的作用。

2手臂设计的要求：

(1)手臂承载能力大、刚性好、自重轻。

(2)手臂的运动速度要适当，惯性要小。

(3)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

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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。

1.3.3

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2.2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。

13

1、底座 2、摆动气缸 3、双向推力球轴承 4、扣罩 5、转台

图1-2机座结构图

1.4

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2.2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。

1.5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2.3所示，

大图见CAD图。

14

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1-3 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

15

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。

2.1

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2-1给出了各种控制方式的比较：表3.1 各种控制方式的比较

16

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。

2.2

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2-1所示。

17

图2.1 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。

2.3

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：

2.3.1

气源装置

18

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。

2.3.2

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。

19

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。

2.3.3

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

20

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。

2.3.4

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

21

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。

2.3.5

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。

2.3.6

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。

2.4

气动回路的工作原理

22

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

23

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→吸盘26。

排气路线：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→消声器21。

(5)垂直手臂的上升

经传感器检测到物料已经被吸起时，发出讯号，使三位四通电磁阀11的电

磁铁4YA得电，阀11的阀芯左移，执行小臂的上升动作。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右端→单向

调速阀18→气缸B的有杆腔。

排气路线：气缸B的无杆腔→单向调速阀17→三位四通电磁换向阀11的排

气口→调速阀6→消声器7→排出。

(6)水平手臂的回缩

小臂气缸上升到指定位置时，撞到上限位开关，使三位四通电磁阀11的电

磁铁4YA断电，小臂上升动作停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀10

的电磁铁2YA得电，阀10的阀芯左移，执行水平手臂的回缩动作。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右端→单向

调速阀16→气缸A的有杆腔。

排气路线：气缸A的无杆腔→单向调速阀15→三位四通电磁换向阀10的排

气口→调速阀4→消声器5→排出。

(7)摆动气缸的左旋

水平手臂气缸回缩到指定位置时，撞到后限位开关，使三位四通电磁阀10

的电磁铁4YA断电，水平手臂的回缩动作停止。经时间继电器延时，使三位四

24

通电磁阀12的电磁铁6YA得电，阀12的阀芯左移，执行摆动气缸的向左旋转

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12右端→单向

调速阀20→摆动气缸C的E口。

排气路线：摆动气缸C的D口→单向调速阀19→三位四通电磁换向阀12

排气口→调速阀8→消声器9→排出。

(8)垂直手臂的下降

摆动气缸左旋到指定位置（90度），撞到左转限位开关，使三位四通电磁阀

12的电磁铁6YA断电，摆动气缸的左旋运动停止。经时间继电器延时，使三位

四通电磁阀11的电磁铁3YA得电，阀11的阀芯右移，执行小臂的下降运动。

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。

(9)放物

小臂气缸下降到指定位置时，撞到下限位开关，使三位四通电磁阀11的电

磁铁3YA断电，垂直手臂的下降运动停止。经时间继电器延时，使二位二通电

磁13断电，二位二通电磁阀14通电，真空发生器停止运动，真空消失，压缩空

气进入吸盘26，将物料与吸盘吹开，这时气路为：

进气路线：2空气处理单元→储气罐3→二位二通电磁阀14→调速阀23→过

滤器25→吸盘26。

排气路线：2空气处理单元→储气罐3→二位二通电磁阀14→调速阀23→过

滤器25→吸盘26。

(10) 垂直手臂的上升

经传感器检测到物料已脱离吸盘，发出讯号，经时间继电器延时，使三位四

通电磁阀11的4YA得电，阀11的右位接入工作，执行垂直手臂的上升动作。

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右端→单向

25

调速阀18→气缸B的有杆腔。

排气路线：气缸B的无杆腔→单向调速阀17→三位四通电磁换向阀11的排

气口→调速阀6→消声器7→排出。

(11)回到初始位置

垂直手臂上升到指定位置，撞到上限位开关，接通复位按钮，回到初始位

置，重复以上动作。

第三章

控制系统的分析设计

机械手控制系统的设计是整个机械手设计的关键和核心。它在结构和功能上

的合理划分与巧妙实现，对提高机械手整体可靠性、实用性具有重要的意义，同

时也是降低制造成本、缩短开发周期的有效途径。为此本章在分析了当前机械手

广泛采用的控制器结构及PLC的发展之后，提出了采用PLC的控制方法。

3.1

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，

26

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。

3.2

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。

3.3

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。

3.3.1

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。

27

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。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排

的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动

作，实现电路的切换。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合

式。

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。

3.3.2

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。滑动传感器主要用于检

测物体接触面直接的相对运动的大小和方向，判断是否吸住物体以及应用多大的

吸力等。

3.3.3

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。

1、颜色传感器的类型比较:

(1)光到光电流转换器

28

光到光电流转换器由光电二极管或具有色彩滤波器的光电二极管组成，将光

转换成光电流。可以使用外部电路，将光电流转换成一定比例的电压输出，然后

可以通过模拟数字转换器将电压转换成数字格式，输送到微控制器中。

优点： 设计灵活。可以针对各个应用订制放大器的增益和带宽及模拟数字

转换器的速度和分辨率。

缺点： 增加了组装成本，提高了设计复杂程度，光到光电流转换器适合要

求响应时间短、定制增益和速度调节及在光线变化条件下工作的应用。

(2)光到模拟电压转换器

光到模拟电压转换器由搭配色彩滤波器的光电二极管阵列组成，并整合一个

跨阻抗放大器。要求使用外部电路，将模拟电压转换成数字输出，然后才能输送

到数字信号处理器。

优点：简化外设电路设计，改善空间利用效率，降低组装成本。

缺点：响应时间预先由内置电流到电压转换器确定，如跨阻抗放大器，要求

额外的模拟数字转换器，将电压输出转换成数字格式，光到模拟电压转换器适合

要求设计周期较短、产品开发周期更快、光线条件和空间利用率设计精良的应用。

(3)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。

2、传感器选择

根据前面的介绍和比较，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

29

现。

3.4

控制系统PLC的选型及控制原理

3.4.1

PLC控制系统设计的基本原则

一、 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；而模块式PLC的功能扩展灵

活方便,在I／O点数、输入点数与输出点数的比例、I／O模块的种类等方面选

择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。

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；远程I／O式

适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I／O可以分散安装在现场装

置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I／O电源；多台PLC联网的分布式

适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必

须要附加通讯模块。

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。

对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A／D和D

30

／A转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。

对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控

制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一

般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。

此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。

二、 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

31

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

a.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％。

b.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。

(2)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

32

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。

三、 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

33

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

34

也应注意。

3.4.2

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。

3.4.3

I/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3.1、表3.2所示：

表3.1 机械手控制输入点分配表

输入设备 输入点号 输入设备 输入点号

启动按钮SB1 X000 手动下降按钮SB6 X016

停止按钮SB2 X001 手动左旋按钮SB7 X017

急停按钮SB3 X002 手动右旋按钮SB8 X020

左旋极限传感器ST2 X003 手动伸出按钮SB9 X021

右旋极限传感器ST3 X004 手动缩回按钮SB10 X022

35

上升限位传感器ST4 X005 手动吸气按钮SB11 X023

下降限位传感器ST5 X006 手动放气按钮SB12 X024

手臂缩回限位传感器ST6 X007 超上升限位传感器ST8 X025

手臂伸出限位传感器ST7 X010 超下降限位传感器ST9 X026

工件检测传感器PS1 X011 超左旋限位传感器ST10 X027

手动 SA X012 超右旋限位传感器ST11 X030

自动 X013 超伸出限位传感器ST12 X031

X014 超缩回限位传感器ST13 X032 复位按钮SB4

X015 手动上升按钮SB5

表3.2 机械手控制输出点分配表

输出设备 输出点号 输出设备 输出点号

左旋电磁阀6YA Y000 吸气电磁阀7YA Y006

右旋电磁阀5YA Y001 放气电磁阀8YA Y007

缩回电磁阀2YA Y002 报警指示灯L11 Y010

伸出电磁阀1YA Y003 手动指示灯L12 Y011

上升电磁阀4YA Y004 自动指示灯L13 Y012

下降电磁阀3YA Y005 原位指示灯L14 Y013

3.4.4

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：

36

图3-1 PLC外部接线图

3.4.5

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

37

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

38

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。

3.5

PLC程序设计

3.5.1

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4.2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。

39

图3-2 控制程序的结构框图

40

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3-3

所示

图3-3 机械手操作面板

3.5.2

初始化及报警程序

初始化及报警程序如图3-4所示

41

图3-4 初始化及报警程序

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

42

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3.5所示。

图3-5 手动操作程序

3.5.3

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，

43

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3-6所示。

图3-6 自动控制状态转移图

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4.7所

示。

44

图3-7 自动控制步进梯形图

45

结 论

机械手的出现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。随着科学技术的发展和PLC在工业生产过程

中的广泛应用，机械手技术方面的研究不断得到创新，促使成果不断涌现。

本论文的设计主要取得了以下成果：

(1)对物料分拣机械手的结构形式、驱动装置、控制系统等各组成部分进行

了较为全面的分析，最后得出其总体设计方案。

(2)气动驱动系统是强的非线性系统，其根本原因是空气具有可压缩性，使

得系统中存在流量饱和效应，非线性摩擦力等因素，实现气缸的精度定位非常困

难。因此在其应用中，要对各参数进行调定，以达到比较理想状态。

(3)机械手的控制系统采用了技术性、可靠性非常高的PLC进行控制。这使

得机械设备更加灵活，动作准确，易于维护，劳动生产率大大得到了提高。各种

操作方式自由切换，满足了各种生产要求。

本课题在完成了机械结构设计的基础上，对物料分拣机械手的驱动系统和控

制系统进行了设计。由于时间的限制以及机械手的结构比较复杂，有些问题需要

进一步的研究：

(1) 对机械手各部分连接方式的改进。

本机械手结构具有模块式的特点，但由于考虑节约成本等因素，采用标准的

单活塞杆双作用气缸，加导向装置的结构。各部分不能实现任意方式拼装，通过

各种过渡连接件，使各个部分可以自由拼装。

(2) 气动驱动改进

在气动驱动系统方面存在一个固有的弱点，仅采用古典的反馈控制很难得到

高精度位置和力等的控制。所以，在气动驱动系统的控制方法上，广泛地引入现

代控制理论和智慧控制等方法是其特征之一。神经网络是一大规模并行分布处理

非线性动力学系统，适用于强非线性的气动机械手的控制。

虽然还有很多尚未解决的问题有待于继续研究，但相信PLC控制的物料分拣

机械手的研究是非常有新意、有意义的，有着广泛的应用前景。

46

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致 谢