本文在縱觀了近年來機械手發展狀況的基礎上，結合機械手方面的設計，對機械手技術進行了系統的分析，提出了用氣動驅動和PLC控制的設計方案。採用整體化的設計思想，充分考慮了軟、硬體各自的特點並進行互補優化。對物料分揀機械手的整體結構、執行結構、驅動系統和控制系統進行了分析和設計。在其驅動系統中採用氣動驅動，控制系統中選擇PLC的控制單元來完成系統功能的初始化、機械手的移動、故障報警等功能。最後提出了一種簡單、易於實現、理論意義明確的控制策略。
通過以上部分的工作，得出了經濟型、實用型、高可靠型物料分揀機械手的設計方案，對其他經濟型PLC控制系統的設計也有一定的借鑒價值。
關鍵詞: 機械手，氣動控制，可編程式控制制器（PLC），自動化控制，物料分揀。
The Design for The Automatic Control System of The Sorting Materials Manipulator Based 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 used 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 proposed 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 used 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 manipulator was designed, which also had ce
rtain 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
第一章 前言
1.1 研究的目的及意義
機械手作為前沿的產品應自動化設備更新時的需要，可以大量代替單調往複或高精度需求的工作，在先進位造領域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動。可以實現生產的機械化和自動化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環境下操作以保護人身安全，可以廣泛應用於機械製造、冶金、電子、輕工業和原子能等部門。
隨著工業的高速發展，機械手作為前沿的產品應自動化設備更新時的需要，已經在工業生產中得到了廣泛的應用。它可以搬運貨物、分揀物品、用以代替人的繁重及單調勞動，實現生產的機械化和自動化；並能在高溫、腐蝕及有毒氣體等有害環境下操作以保護人身安全，被廣泛應用於機械製造、冶金、電子、輕工業和原子能等部門。
可編程式控制制器(PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計算機和自動控制等先進技術，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡單、功耗低等優點，已成為目前在機械手控制系統中使用最多的控制方式。使用PLC的自動控制系統具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優點。
適應工業需要，本課題試圖開發PLC對物料分揀機械手的控制，並藉助必要的精密感測器，使其能夠對不同顏色的物料按預先設定的程序進行分揀，動作靈活多樣，適用於可變換生產品種的中小批量自動化生產，廣泛應用於柔性生產線。採用PLC控制，是一種預先設定的程序進行物料分揀的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業區進行單調持久的作業，並且在產品變化或臨時需要對機械手進行新的分配任務時，可以允許方便的改動或重新設計其新部件，而對於位置改變時，只要重新編程，並能很快地投產，降低安裝和轉換工作的費用。本設計主要完成機械手的硬體部分與軟體部分設計。主要包括執行系統、驅動系統和控制系統的設計。
1.2 機械手在國內外現狀和發展趨勢
機械手最早應用在汽車製造工業，常用於焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環境中的工作；代替人完成繁重、單調重複勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。目前主要應用於製造業中，特別是電器製造、汽車製造、塑料加工、通用機械製造及金屬加工等工業。工業機械手與數控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統可組成柔性製造系統(FMS)和計算機集成製造系統，實現生產自動化。隨著生產的發展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。
目前，國際上的機械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、義大利的C0毗U及奧地利的工GM公司。
我國機械手起步於20世
紀70年代初期，經過30多年發展，大致經歷了3個階段：70年代萌芽期，80年代的開發期和90年代的應用化期。在我國，機械手市場份額大部分被國外機械手企業佔據著。在國際強手面前，國內的機械手企業面臨著相當大的競爭壓力。如今我國正從一個「製造大國」向「製造強國」邁進，中國製造業面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰，對我國工業自動化的提高迫在眉睫，政府務必會加大對機器人的資金投入和政策支持，將會給機械手產業發展注入新的動力。
隨著機械手發展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，機械手已在眾多領域得到了應用。從傳統的汽車製造領域向非製造領域延伸。如採礦機器人、建築業機器人以及水電系統用於維護維修的機器人等。在國防軍事、醫療衛生、食品加工、生活服務等領域機械手的應用也越來越多。
在未來幾年，感測技術，激光技術，工程網路技術將會被廣泛應用在機械手工作領域，這些技術會使機械手的應用更為高效，高質，運行成本低。據猜測，今後機器人將在醫療、保健、生物技術和產業、教育、救災、海洋開發、機器維修、交通運輸和農業水產等領域得到應用。
1.3 主要研究的內容
隨著機械手技術的飛速發展和機械手應用領域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發經濟性強。本論文主要研究物料分揀機械手以下幾個方面的內容：
(1)物料分揀機械手執行系統的分析與選擇
執行系統是由傳動部件與機械構件組成，是機械手賴以實現各種運動的實體。主要包括機身、手臂、末端執行器3部分組成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。執行系統的設計主要是對機械手的手部、手臂和機座進行設計。
(2)物料分揀機械手驅動系統的分析與選擇
驅動系統是向執行系統各部分提供動力的裝置。通過對液壓、氣壓、電氣三種驅動方式的比較，本設計選擇氣壓驅動的方式。內容包括氣動元件的選擇及其工作原理、氣動迴路的設計和氣動原理圖的繪製。
(3)物料分揀機械手控制系統的設計
控制系統是機械手的指揮系統，它控制驅動系統，讓執行系統按規定的要求和時序進行工作。本機械手採用可編程式控制制器（PLC）對機械手進行控制，主要包括對PLC的型號選擇、感測器類型進行選擇、I/O口的選擇、對控制系統原理圖、自動程序梯形圖的繪製等內容。
1.4 解決的關鍵問題
1 解決機械手機械結構的設計問題，要求機械手結構簡單、經濟、具有一定的代表性。
2 執行部件的運動精度的問題。
3 機械手的控制系統，包括控制系統的電路和控制程序，並解決工件和控制 系統的協調問題。
4 元件的匹配規則和知識的獲取及其表達形式。
5 感測器的類型選擇。
