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1、垃圾分拣机机械手设计1. 垃圾分拣机机械手设计的意义：垃圾分拣经济是从源头上对垃圾进行分类，便于垃圾进行分类处理，废纸、 金属、玻璃、塑料等垃圾可以回收利用，用于制造新的产品；碳含量高的垃圾则 可以送到垃圾焚烧厂发电；不能回收而且热值不高的垃圾则需要填埋。而通常来 说，难以进行垃圾分类的原因之一是不知如何分类；还有一个原因是不少人家里 空间有限，很难设置多个不同类别的垃圾桶，一般把所有垃圾都扔到一个垃圾桶。有了垃圾分拣机，就可让人们不必为垃圾进行分类的问题烦恼。它们能在众 多垃圾中识别出可回收利用的物品，并将其分类。这种机器人的构造相对比较简 单，由机械手和一台电脑组成。但是，它所依靠的智能程
2、序和传感器阵列则比较 先进，能够识别不同的材料。它可根据安装在垃圾入口的传感器阵列传来的数据， 从成堆的垃圾中分拣出可回收利用的材料，如金属、混凝土、木材和塑料等，并 进行分类。因此本课题设计垃圾分拣机的执行机构机械手。机械手是模仿人的手部动 作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。本课题以 PLC 作为控制核心，经传感器的实时检测，以液压传动为制动机构。2. 国内外研究现状及其发展趋势：2.1 课题来源：内蒙古工业大学2.2 机械手研究现状及其发展趋势：性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而价格不断 下降。机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模
3、块中的伺服电机、减速机、 检测系统三位一体化。控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标 准化、网络化;器件集成度高。传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、 加速度等传感器外，装配、焊接机器人机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而 遥控机器人机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行 环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。虚拟 现实技术的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。发展特点不是追求全自治 系统，而是致力于操作者与机器的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完 整的监控遥控操作系统。3. 研究的主要内容： 机械手能够模仿人手
4、部的部分动作，按照设定的程序、轨迹和要求，代替人 手对工件进行搬运等操作。这不仅可以使人手避免可能出现的危险情况，保障生 产安全，还能促进工作线的流水化，提高工作效率。鉴于PLC顺序控制的自身特 点，应用PLC控制机械手实现各种规定的动作工序，可以简化控制线路，提高可 靠性，在保证劳动生产率的条件下节约成本。利用去气压系统制动，在手抓前部 装置力觉，温觉传感器从成堆的垃圾中分拣出可回收利用的材料，如金属、混凝 土、木材和塑料等，并进行分类。3.1 垃圾分拣机机械手结构及系统组成 根据设计要求所设计的垃圾分拣机机械手是集机械、电子、气压于一体的自 动化装备，同时应用面广。精度要求一般，针对机械手
5、工作要求，机械手由气爪、 伸缩气缸、回转气缸和提升气缸组成。因此采用如下基本结构。机械手由机身、 机械臂、手爪、气源装置及PLC控制部分组成。机械手共有3个自由度，动作由 气缸驱动， PLC 控制，可以完成手臂的左右摆动、手臂伸展、手抓臂伸缩以及抓 取工件等动作。机械手能准确地抓取工件，并送到指定的工位。机械手部分如图 所示，由4个双作用气缸组成，有8个输出口（QBO）其中，每个气缸有2个磁 性开关传感器，手抓气缸有抓紧传感器，共7个传感器，构成7个输入口（IBO） 手抓内侧有力觉温觉传感器，检测所抓取物体。伸升机械手结构简图双爪部装入力觉，温觉传感器用以检测所抓取的物体。力觉传感器【forc
6、e sensor用来检测机器人自身力与外部环境力之间相互作用力的传感器。力觉传 感器经常装于机器人关节处，通过检测弹性体变形来间接测量所受力。装于机器 人关节处的力觉传感器常以固定的三坐标形式出现，有利于满足控制系统的要 求。腕力觉传感器大部分采用应变电测原理，按其弹性体结构形式可分为两种， 筒式和十字形腕力觉传感器。其中筒式具有结构简单、弹性梁利用率高、灵敏度 高的特点；而十字形的传感器结构简单、坐标建立容易，但加工精度高。因此采 用筒式腕力觉传感器。利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电 量的传感器。这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。温度传感器是温度测量 仪表的核心部分，品
7、种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照 传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。所抓取物体在力觉和温觉 传感器的综合检测下通过计算机判断出为何中物体，以此分辨所抓取物体并将此 分类。3.2 垃圾分拣机机械手基本控制系统工业机械手的特点，是可通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上 有人和机器各自的优点，有广阔的发展前景。计算机控制系统以上位 PC 机和下 位 PLC 为核心。 PLC 控制具有系统简单、可靠，控制灵活等特点。因此选择 PLC 控制分拣机械手。PLC逻辑控制主要是对生产装置的逻辑动作和工作流程进行控 制。实现分拣机械手各油缸按要求动作完成升降，伸缩，和左
8、右旋转并依次进行 复位，及到预定位置停止等操作。对传感器传输信号经PC终端机处理，返回PLC 完成相关逻辑动作达到分拣目的。3.3 垃圾分拣机机械手基本制动控制系统垃圾分拣机械手气动系统主要包括物料分拣气动回路和机械手搬运气动回 路两部分。物料分拣气动回路的执行元件是4个双作用汽缸，负责将不同的可回 收垃圾从料斗中抓出，经传感器区分出后，在控制器的控制下，将其分类送出。 机械手的水平手臂汽缸需要进行伺服定位控制，构成气动伺服定位系统，所以选 用德国Fest。公司的直线坐标汽缸(HMP 20-200)、伺服定位控制器SPCZ以 以及与之配套的内置位移传感器MLo POT 一 0225、气动伺服阀
9、MPYE 5 一 1/8-LF 010 一 B和伺服定位控制连接器SPC 一 AIF-P0T等装置。机械手垂直 手臂由滑块汽缸构成，气爪为平行气爪结构，分别由各自的方向控制阀进行控制， 滑块汽缸也可通过节流阀进行调速。3.4 垃圾分拣机机械手基本检测系统 力觉传感器用来检测机器人自身力与外部环境力之间相互作用力的传感器。 温觉传感器是温度测量仪表的核心部分，测量方式可选接触式，按照传感器材料 及电子元件特性选择热电偶类。对传感器传输信号经 PC 终端机处理，返回 PLC 完成相关逻辑动作达到分拣目的。从而所抓取物体在力觉和温觉传感器的综合检 测下通过计算机判断出为何中物体，以此分辨所抓取物体并
10、将此分类。4. 研究方案4.1 机械手工程的组建1）工程项目系统分析2）计算相关数据确定基本方案3）制作虚拟模型做初步分析4）完善数据5）制作样机6）连接设备驱动，检验各模块是否满足要求7）整体连续调试测试4.2 PLC 程序的设计1）根据实际的控制需要选择PLC及其配套模块，配置硬件系统。2）根据工艺要求和控制要求，设计梯形图。3）把梯形图写入PLC,反复调试直至程序符合控制要求。4.3 技术关键、试验条件及存在的问题4.3.1 技术关键4.3.1 PLC 控制下机械手能完成基本逻辑动作分拣机械手按要求动作完成升降，伸缩，和左右旋转并依次进行复位，及到 预定位置停止等基本操作。4.3.2 P
11、C 机能准确判断综合传感信号PC 机能准确判断综合传感信号并发回下位机 PLC 是控制机械手完成垃圾分 类的关键。传感器要达到检测的实时性、正确性和一致性。由于传感器工作环境 恶劣，因此要求选择工作稳定可靠的传感器。4.3.2 试验条件及存在的问题实验方案如下：1）先在实验室对垃圾分拣机械手手爪进行金属、混凝土、木材和塑料等抓取 分类的传感器检测实验，确保能准确分类。并对机械手运行系统进行调试，测试 能否满足要求动作完成升降，伸缩，和左右旋转并依次进行复位，及到预定位置 停止等基本操作。为联机实验打下基础；2）对下位机PLC程序进行反复的调试实验；3）在实验室进行反复的整体调试实验；4）进行现
12、场调试；4.4 监控系统的现场调试预期达到的目的：1）所开发的垃圾分拣机械手系统有较高的可靠性；2）通过按钮对每一个动作进行单独控制、对机械手进行垃圾分类动作进行 预设控制。3）垃圾分拣过程的关键参数能够实时显示并监控；4）利用仿真软件实现了机械手工作状态的虚拟监测，缩短了设计周期。5）通过综合运用 PLC 技术、气压技术和远程控制技术，有效地解决了垃圾 分拣机械手工作效率低的问题。5. 研究计划进度进度安排：第一阶段（2011 年 12 月）：收集资料,阅读相关文献,外出调研；第二阶段（2012 年 1 月）：编制下位机 PLC 程序，设计总体框架；第三阶段（2012年 2 月-3 月）：对
13、垃圾分拣机械手系统进行开发设计，并对 所编制的 PLC 程序进行调试运行；第四阶段（2012 年 4 月 ）：整理研究内容，撰写论文。参考文献1 方志平基于数据处理的PLC优化设计一YL - 235A机械手PLC编程 J .工业控制计 算机，2010(12)：1001012 时国平，刘赣伟.工业机器人示教盒系统的设计J .兵工自动化，2006, 25 ( 6 ): 49- 503 杨少光.机电一体化设备的组装与调试M.桂林：广西教育出版社，2009.4 张波,李卫民，尚锐.多功能上下料用机械手液压系统J.20075 赵春生可编程序控制器应用技术M.北京：人民邮电出版社，2008.6白传悦.装配
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