機械手自動上下料的plc控制設計【4張cad圖紙+文檔全套資料】
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自動化技術與應用2004年第23卷第8期PLC與DCSPLC and DCSPLC在X62W銑床電氣控制電路中的應用李秀忠(佛山職業(yè)技術學院,廣東 佛山 528237)摘要:本文介紹用PLC改造X62W銑床繼電器控制電路,詳細闡述了改造設計方案。根據(jù)X62W銑床繼電器控制電路的組成,確定PLC的輸入輸出點數(shù),并進行PLC型號選擇,IO地址分配及IO接線。根據(jù)其繼電器控制電路的工作原理,進行系統(tǒng)程序設計。關鍵詞:X62W銑床; PLC;改造設計方案; IO接線;程序設計中圖分類號: TP29 文獻標識碼: B 文章編號: 100327241(2004)0820028204Using PLC in Reconstruction of the X62W MillerLI Xiu - zhong(Foshan Polytechnic College , Foshan 528237 , China)Abstract:This paper presents the reconstruction of the relay control circuit with PLCfor the X62W miller. The determination of PLC IO counts , theselection of PLC type , IO address assignment and IO wiring are discussed ,and the system program design is also given.Key words:X62W miller; PLC; reconstruction design; IO wiring; Program design1 引言X62W銑床原控制電路為繼電器控制,接觸觸點多,故障也多,操作人員維修任務較大,機械使用率較低。所以針對這種情況,我們用PLC控制改造其繼電器控制電路,克服了以上缺點,降低了設備故障率,提高了設備使用率,效果非常好。2X62W銑床控制電路工作原理2. 1 工作臺進給運動行程開關及圓工作臺轉(zhuǎn)換開關工作狀態(tài)1(表1、 表2、 表3)表1 工作臺縱向行程開關工作狀態(tài)縱向操作手柄觸點向左中間(停)向右SQ1-+SQ2+-表2 工作臺升降、 橫向行程開關工作狀態(tài)升降及橫向操作手柄觸點向前向下中間(停)向后向上SQ3+-SQ4-+收稿日期:2004 - 02 - 19表3 圓工作臺轉(zhuǎn)換開關工作狀態(tài)位置觸點接通圓工作臺斷開圓工作臺SA1+-2. 2 各電機的控制過程(1)主軸電機M1由K M3實現(xiàn)起、 停運行控制,由轉(zhuǎn)向選擇開關SA5預選轉(zhuǎn)向,K M2的主觸點串聯(lián)兩相電阻與速度繼電器SR配合實現(xiàn)M1的停車反接制動。(2)工作臺進給電機M2由K M4、K M5的主觸點實現(xiàn)加工中的正、 反向進給控制,并由接觸器K M6的主觸點控制快速電磁鐵,決定工作臺移動速度,K M6接通為快速移動,斷開為慢速自動進給。(3)冷卻泵電機M3由K M1控制,單方向運轉(zhuǎn)。2. 3 工作臺進給限位保護工作臺左右、 上下、 前后運動均有限位保護,由機械方法來實現(xiàn)。當工作臺運動到極限位置時,利用固定在床身上的擋鐵,撞擊操作手柄,使其回到中間位置,工作臺便停止運動。2. 4 工作臺各運動方向的聯(lián)鎖控制在同一時間內(nèi),工作臺只允許向一個方向運動,這種聯(lián)鎖是82|Techniques of Automation &ApplicationsPLC與DCSPLC and DCS自動化技術與應用2004年第23卷第8期利用機械和電氣方法來實現(xiàn)的。工作臺左右移動和上下前后移動分別由同一手柄操作,各自手柄本身起到機械聯(lián)鎖作用。而工作臺左右移動與上下前后移動之間的聯(lián)鎖則是利用電氣聯(lián)鎖來實現(xiàn)的。2. 5 工作臺快速移動工作臺快速移動為點動控制,在進給電機起動后,按壓工作臺快速進給點動按鈕SB5(或SB6) ,快速移動電磁鐵Y A通電,工作臺快速移動;松開按鈕后,工作臺按原來速度進給。2. 6 主軸電機與進給電機的變速沖動主軸電機變速沖動是由主軸變速箱操作行程開關SQ7來實現(xiàn)的,主軸變速既可在M1停車時進行,又可在M1運轉(zhuǎn)時進行。進給電機變速沖動是由進給變速箱操作行程開關SQ6來實現(xiàn)的,進給變速應在工作臺停止移動時進行。2. 7 圓工作臺控制在長工作臺六個方向進給運動都停止時,將圓工作臺轉(zhuǎn)換開關扳到 “接通” 位置處,圓工作臺才能起動運轉(zhuǎn)。圓工作臺與長工作臺六個方向的聯(lián)鎖是利用電氣聯(lián)鎖來實現(xiàn)的2。3 改造方案的確定(1)不改變原控制系統(tǒng)電氣操作方法。(2)不改變原電氣系統(tǒng)控制元件(包括行程開關、 按鈕、 交流接觸器、 中間繼電器,以上元件的數(shù)量、 作用均與原電氣線路相同)。(3)原控制線路中熱繼電器仍用硬件控制(因過載使用幾率較少)。(4)指示燈接線仍和原控制線路相同。(5)原主軸和進給變速箱操作方法和結(jié)構(gòu)不變。(6)原銑床的工藝加工方法不變。(7)只是將原繼電器控制中的硬件接線改為用軟件編程來替代。4PLC選擇4. 1X62W銑床輸入輸出點數(shù)統(tǒng)計因為在改造中不改變原控制系統(tǒng),所以PLC輸入輸出點數(shù)可根據(jù)原繼電器控制電路來計算3。4.1.1 輸入點數(shù)(1)原主軸電機啟動按鈕2個,主軸電機停止按鈕2個,主軸電機反接制動速度繼電器2個,主軸變速沖動行程開關1個,共7點;(2)工作臺右移行程開關1個,左移行程開關1個,前、 下移行程開關1個,后、 上移行程開關1個,工作臺快速進給按鈕2個,工作臺變速沖動行程開關1個,共7點;(3)圓工作臺轉(zhuǎn)換開關1個;(4)冷卻泵電機起、 停轉(zhuǎn)換開關1個;輸入點數(shù)共16點。4.1.2 輸出點數(shù)根據(jù)原控制電路主軸電機、 工作臺進給電機、 快速進給電磁鐵及冷卻泵電機用交流接觸器統(tǒng)計輸出點數(shù)為:(1)主軸電機運行交流接觸器1個,主軸電機反接制動交流接觸器1個,共2點;(2)工作臺進給電機正、 反轉(zhuǎn)交流接觸器各1個,快速進給電磁鐵交流接觸器1個,共3點;(3)冷卻泵電機交流接觸器1個;輸出點數(shù)共為6點。4. 2PLC選擇X62W銑床改造后共需點數(shù)為22點,考慮10 %余量及以后加報警電路和故障顯示電路,考慮發(fā)展及工藝控制問題,故選用三菱FX2N48MR PLC,繼電器輸出,IO總點數(shù)為48點,輸入點數(shù)為24點,輸出點數(shù)為24點。4. 3PLC IO分配表(表4、 表5)表4 輸入口分配表地址號符號名稱用途X0SB1主軸電機啟動按鈕X1SB2主軸電機啟動按鈕X2SB3主軸電機停止按鈕X3SB4主軸電機停止按鈕X4SB5工作臺快速進給按鈕X5SB6工作臺快速進給按鈕X6SQ1工作臺右移行程開關X7SQ2工作臺左移行程開關X10SQ3工作臺前、 下移行程開關X11SQ4工作臺后、 上移行程開關X12SQ6進給變速沖動行程開關X13SQ7主軸變速沖動行程開關X14SA1圓工作臺轉(zhuǎn)換開關X15SA3冷卻泵電機起、 停轉(zhuǎn)換開關X16KS- 1主軸電機速度繼電器X17KS- 2主軸電機速度繼電器表5 輸出口分配表地址號符號名稱用途Y0K M1冷卻泵電機交流接觸器Y1K M2主軸電機反接制動交流接觸器Y2K M3主軸電機運行交流接觸器Y3K M4工作臺進給電機正轉(zhuǎn)交流接觸器Y4K M5工作臺進給電機反轉(zhuǎn)交流接觸器Y5K M6工作臺快速進給電磁鐵交流接觸器92Techniques of Automation &Applications |自動化技術與應用2004年第23卷第8期PLC與DCSPLC and DCS5IO接線圖(圖1)根據(jù)X62W銑床繼電器控制電路的組成及工作原理,繪制PLC改造IO接線圖(如圖1所示)4。圖1X62W銑床PLC控制IO接線圖03|Techniques of Automation &ApplicationsPLC與DCSPLC and DCS自動化技術與應用2004年第23卷第8期6 程序設計(圖2)根據(jù)X62W的工作原理及工藝流程,進行控制系統(tǒng)程序設計。圖2X62W銑床PLC控制梯形圖7 改造時需注意的幾個問題(1)用輔助繼電器以簡化控制電路。(2)應根據(jù)X62W的控制原理進行總體程序設計,在控制電路中應注意自鎖和互鎖控制。(3) SQ7(常閉)為軟繼電器的工作條件,只有這一條件滿足時,機床控制才有效,所以在程序設計時用了一主控指令。(4)應注意主軸運動與進給運動的順序聯(lián)鎖控制,故在程序中又用了一主控指令,以保證在主軸電機M1起動后才可起動進給電機M2。(5)應注意長工作臺六個進給方向的聯(lián)鎖控制,銑床工作時,只允許一個進給方向運動,故除了操作手柄自身的機械聯(lián)鎖外,在程序設計時還需用軟繼電器加電氣聯(lián)鎖控制;圓工作臺與長工作臺之間也需用軟繼電器加聯(lián)鎖控制。(6)應給PLC工作電源加外部啟動、 停止按鈕。8 結(jié)束語X62W銑床原繼電器控制電路經(jīng)PLC控制改造后,降低了設備運行的故障率,提高了設備運行的穩(wěn)定性和使用率,減輕了操作人員維修勞動強度。改造后設備經(jīng)過長期運行,結(jié)果表明效果非常良好,收到了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。9 參考文獻:1 鄧則名,鄺穗芳.電器與可編程控制器應用技術M.北京:機械工業(yè)出版社,19972 方承遠.工廠電氣控制技術M.北京:機械工業(yè)出版社,20003 張萬忠.可編程控制器應用技術M.北京:化學工業(yè)出版社出版,20014 李秀忠,馮安平. PLC改造T68鏜床電氣控制電路J .機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2003(6) :77 - 78作者簡介:李秀忠(1970 - ) ,男,四川人,講師,廣東工業(yè)大學在讀碩士,研究方向:自動控制及機械電子技術。(上接第33頁)3 結(jié)束語本熔鋁爐結(jié)構(gòu)簡單、 成本低,爐體重量輕、 爐殼表面溫度低、熱效率高,工人勞動條件好的優(yōu)點。電氣控制系統(tǒng)中,將熱電耦傳感信號反饋到輸入端,與智能型熱電耦溫度表的溫度設定值信號比較后輸出誤差電壓Vt ,構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)進行計算和恒溫控制。電路采用了部分進口電器元件,電氣柜上設有數(shù)顯和信號燈,爐溫調(diào)控方便可靠、 精度高、 操作安全。在本市微電機制造公司投產(chǎn)后,不僅有效地提高了電機轉(zhuǎn)子的鑄鋁質(zhì)量,改善了工人的勞動環(huán)境,同時也為該公司帶來了可觀的經(jīng)濟效益。4 參考文獻:1 鑄造工程師手冊編寫組.鑄造工程師手冊M.北京:機械工業(yè)出版社.19972 北京榮興達自動化測控技術有限公司. REX - F9智能溫度表使用說明書Z3 喬靜宇.新編電氣工程師實用手冊M.北京:中國水利水電出版社,19974 劉孝增.熱處理爐及車間設備M.北京:機械工業(yè)出版社,19855 華光電子工業(yè)有限公司. SZSH系列編程手冊Z6 呂國泰.電子技術M.北京:高等教育出版社,1993作者簡介:楊六順(1961 - ) ,男,漢,江蘇泰州人,講師,主要從事機械制造和機電控制的教學和研究工作。13Techniques of Automation &Applications | 畢業(yè)設計開題報告
機械工程學院2014屆
題 目： 汽車后視鏡數(shù)控磨邊機
課 題 類 型： 專用機床設計與開發(fā)
課 題 來 源： 導師給課題（汽車行業(yè)市場需求）
學 生 姓 名： PLC部分
學 號： 2010
專 業(yè)： 機械工程及自動化
班 級：
指 導 老 師：
2010年10月15日
一、本課題研究的主要內(nèi)容、目的和意義
1. 本課題研究的主要內(nèi)容：
本課題主要研究汽車后視鏡數(shù)控磨邊機的設計，具體包括以下幾個面：
（1） 簡述汽車后視鏡的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及其加工過程中的磨邊工序現(xiàn)狀，綜述設計汽車后視鏡數(shù)控磨邊機的目的、意義和必要性；
（2） 主要設計研究汽車后視鏡數(shù)控磨邊機的數(shù)控工作臺、后視鏡自動夾緊機構(gòu)、自動上下料機械手、機床床身、冷卻裝置及刀具、 數(shù)控系統(tǒng)、夾緊機構(gòu)及自動上下料機械手的PLC自動控制；
（注：本人與另一人負責夾緊機構(gòu)及自動上下料機械手的機械部分及PLC自動控制部分研究設計）
2.本課題研究的目的：
（1）通過對汽車后視鏡數(shù)控磨邊機的設計使我們得到機械原理、 機械設計、cad制圖、UG、 數(shù)控機床、 數(shù)控系統(tǒng)、工程測試技術、 PLC原理及應用、氣液壓原理及應用 等課程的綜合訓練；
（2）通過對本汽車后視鏡數(shù)控磨邊機的設計使我們掌握機械裝備工程設計的一般方法及一般規(guī)律，獲得運用所學知識解決實際問題的方法，訓練了我們獨立調(diào)查研究，資料文獻檢索，方案論證，規(guī)范科技寫作等方面的能力；
（3）學以致用，解決生產(chǎn)實際問題，滿足生產(chǎn)技術需求，創(chuàng)造價值。
（3）本課題研究的意義：
汽車后視鏡鏡片生產(chǎn)線的加工流程為：切割材料——洗滌——熱加工成曲型——冷卻——鍍金屬膜——涮漆保護——磨邊——包裝成品。其中磨邊是必不可少的環(huán)節(jié)，鏡片邊緣磨出倒角后，易于包裝、不易割傷、邊緣不易崩碎。目前國內(nèi)汽車后視鏡磨邊都采用人工磨邊或半自動化的靠模磨邊機械，其需要人力裝卸鏡片，一個靠模模型只能磨削一種形狀的球面后視鏡，且精度不高效率底，人的工作量大。本課題設計的汽車后視鏡數(shù)控磨邊機可以實現(xiàn)完全自動化磨邊，通過改變數(shù)控程序而磨削一定尺寸范圍內(nèi)任意形狀的球面汽車后視鏡，通過plc系統(tǒng)控制的氣動后視鏡自動夾緊機構(gòu)、自動上下料機械手可實現(xiàn)自動裝卸夾緊鏡片。因而能完全自動化磨削加工大批量、各種形狀、高精度的汽車后視鏡，提高工作效率，從而獲得良好的生產(chǎn)經(jīng)濟效益。
二、本課題擬定的研究方法、整體方案、 技術路線：
1、研究方法：
（1）分析現(xiàn)有有關數(shù)控機床 PLC原理與應用的文獻，理解掌握數(shù)控銑床的傳動機構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)、各種氣動機械的PLC控制系統(tǒng)，充分借鑒已有的優(yōu)良結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設計；
（2）反復修改、嚴密論證整體方案的可行性，定整體方案后再進行各部分的分工，然后進行各部分詳細設計，最終組合畫裝配圖；
（3）在掌握plc原理的基礎上進行汽車后視鏡夾緊裝置、 自動上下料機械手控制的plc控制電氣原理圖、梯形圖、接線圖的設計。
2、課題研究的整體方案及技術路線：
（1）整體方案：由數(shù)控工作臺、后視鏡自動夾緊機構(gòu)、自動上下料機械手、機床床身、冷卻裝置及刀具、夾緊機構(gòu)及自動上下料機械手、數(shù)控系統(tǒng)、plc控制系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)控磨邊機方案草圖如下—
（3） 技術路線：設計計算——用CAD、UG畫機械部分圖、plc電氣原理圖、梯形圖、接線圖。
三、研究進度安排
第六周定總體方案、 寫開題報告、 分工到plc控制部分——第八周查閱檢索有關資料——十三周前完成機械手 夾緊裝置等部分的電氣原理圖、梯形圖、接線圖的設計——十六周前完成說明書編寫——十七周答辯。
四、參考文獻：
1.電氣控制及plc/周軍主編.—2版.—北京：機械工業(yè)出版社，2007年.4;
2.
3.
4.
5.
此為氣動夾緊裝置，機械手設想為手抓夾緊改為玻璃吸盤
1.控制過程：
夾緊裝置固定在數(shù)控工作臺上，夾緊裝置是用橡膠軟盤做的模型，如上圖下面是氣缸推動倒U型夾子上松下緊橢圓球面鏡。
當加工完后，數(shù)控工作臺退到固定位置A，不接觸型行程開關動作，夾緊裝置向上松開，碰到開關后氣動吸盤機械手動作到位鏡子上方，再下降，然后吸取鏡片；然后轉(zhuǎn)到放成品的B處，下降松開鏡片；再上升然后轉(zhuǎn)到毛胚C處，下降吸取毛胚鏡，再上升后轉(zhuǎn)到夾緊A處，下降松開鏡片，在上升后轉(zhuǎn)到B處停，最后夾緊裝置夾緊毛胚鏡片。
（重復A,B,C三個工位，每個工位處下降—吸取—上升---轉(zhuǎn)動到下個工位，如此循環(huán)，位置用不接觸式行程開關，機械手與夾緊都用氣缸傳力，PLC選用三菱）
2.最終結(jié)果需要：設計說明書，電氣元件組成的電器原理圖，梯形圖，接線圖；
3.補充：完成自動上下料動作，設置機床超程急停，開始加工控制冷卻液開，到A位置控制關冷卻液
7
大學本科畢業(yè)論文（設計）
寧XX大學
畢業(yè)設計(論文)
機械手自動上下料的plc控制設計
分 院：
專 業(yè)：
班 級：
姓 名：
學 號：
指導教師：
年 月
摘 要
機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關鍵部件之一。本文介紹的機械手是由PLC輸出三路脈沖，分別驅(qū)動橫軸、豎軸變頻器，控制機械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關將位置信號傳給PLC主機；位置信號由接近開關反饋給PLC主機，通過氣缸控制機械手吸盤，從而實現(xiàn)機械手精確運動的功能。本課題擬開發(fā)的機械手可在空間吸取放開物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù)。
本文在縱觀了近年來機械手發(fā)展狀況的基礎上，結(jié)合機械手方面的設計，對機械手技術進行了系統(tǒng)的分析，提出了用驅(qū)動和PLC控制的設計方案。采用整體化的設計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點并進行互補優(yōu)化。對機械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了分析和設計。在其驅(qū)動系統(tǒng)中采用驅(qū)動，控制系統(tǒng)中選擇PLC的控制單元來完成系統(tǒng)功能的初始化、機械手的移動、故障報警等功能。最后提出了一種簡單、易于實現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。
通過以上部分的工作，得出了經(jīng)濟型、實用型、高可靠型機械手的設計方案，對其他經(jīng)濟型PLC控制系統(tǒng)的設計也有一定的借鑒價值。
關鍵詞: 機械手，交流電機,可編程控制器（PLC），自動化控制，。
Abstract
Manipulator industrial robot systems traditional mandate, The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines. This paper presents a manipulator by three PLC output pulse, driving horizontal, the vertical axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision, micro-switches position signal transmission will host PLC; location close to the switching signal from the feedback from the mainframe to the PLC, through the exchange of Motor reversion to control the manipulator gripper Zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects, movements flexible, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, According to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters.
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 certain reference value for the other types of economical PLC control system design.
Key words: manipulator ；AC motor ； programmable logic controller (PLC)； automatic control；sorting material
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第一章 緒論 1
1.1 研究的目的及意義 1
1.2 機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1
1.3 主要研究的內(nèi)容 2
1.4 解決的關鍵問題 3
第二章 可編程控制PLC 4
2.1 PLC 簡介 4
2.2 PLC的基本組成及各部分作用 5
2.2.1中央處理單元(CPU) 5
2.2.2存儲器 6
2.2.3 I/0單元 6
2.2.4電源部分 6
2.2.5擴展接口 6
2.2.6通信接口 6
2.2.7編程器 7
2.3 PLC的應用領域 7
2.4 PLC 的工作原理 8
2.5 PLC 機型的選擇方法 9
第三章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 13
3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 13
3.2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設計 14
3.3 元件選取及工作原理 15
3.3.1 氣源裝置 15
3.3.2 執(zhí)行元件 16
3.3.3 控制元件 17
3.3.4 輔助元件 18
3.3.5 真空發(fā)生器 18
3.3.6 吸盤 19
3.4 回路的工作原理 19
第四章 PLC控制系統(tǒng)的分析設計 23
4.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 23
4.2 控制系統(tǒng)的性能要求 23
4.3 傳感器的選擇 24
4.3.1 位置檢測裝置 24
4.3.2 吸盤傳感器 24
4.4 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理 25
4.4.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則 25
4.4.2 PLC種類及型號選擇 26
4.4.3 I/O點數(shù)分配 27
4.4.4 PLC外部接線圖 28
4.4.5 機械手控制原理 28
4.5 PLC程序設計 31
總結(jié)與展望 34
參考文獻 35
致 謝 36
附錄 梯形圖 37
39
第一章 緒論
1.1 研究的目的及意義
機械手作為前沿的產(chǎn)品應自動化設備更新時的需要，可以大量代替單調(diào)往復或高精度需求的工作，在先進制造領域中扮演著極其重要的角色。可以搬運貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動。能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護人身安全，可以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化可以廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。
工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技術，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。
本課題試圖開發(fā)PLC對機械手的控制，并借助必要的精密傳感器，使其能夠?qū)Σ煌伾奈锪习搭A先設定的程序進行分揀，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性生產(chǎn)線。采用PLC控制，是一種預先設定的程序進行的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)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，而對于位置改變時，只要重新編程，并能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費用。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設計。本設計主要完成機械手的硬件部分與軟件部分設計。
1.2 機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
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(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奧地利的工GM公司。
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(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。目前主要應用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)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。
1.3 主要研究的內(nèi)容
隨著機械手技術的飛速發(fā)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(fā)經(jīng)濟性強。本論文主要研究機械手以下幾個方面的內(nèi)容：
夾緊裝置固定在數(shù)控工作臺上，夾緊裝置是用橡膠軟盤做的模型，如上圖下面是氣缸推動倒U型夾子上松下緊橢圓球面鏡。
當加工完后，數(shù)控工作臺退到固定位置A，不接觸型行程開關動作，夾緊裝置向上松開，碰到開關后氣動吸盤機械手從D伸長到A處位鏡子上方，再下降，然后吸取鏡片；然后轉(zhuǎn)到放成品的B處，下降松開鏡片；再上升然后縮短到毛胚C處，下降吸取毛胚鏡，上升后轉(zhuǎn)到D處，再伸長到夾緊A處，再下降后松開，再上升后退到D處，最后夾緊裝置夾緊毛胚鏡片。
要求獨立完成工業(yè)機械手PLC控制系統(tǒng)設計。
連續(xù)運行，在原點位置按起動按鈕時，機械手按圖連續(xù)工作一個周期，一個周期的工作過程如下：
D伸長到 A工位處，
下降—吸取成品上升-
轉(zhuǎn)動到成品B工位，
下降放松上升，
縮短到原料C工位，
下降吸取原料上升，
轉(zhuǎn)到D工位
D伸長到A,下降再退回放松上升，回到D位，再重復此循環(huán)。
位置可用不接觸式或接觸式行程開關，機械手與夾緊都用氣缸傳力，氣閥可以選中間位停止的，雖然較貴，PLC選用三菱）這樣改后旋轉(zhuǎn)氣缸就只有一個角度@ A,B處裝有擋板使定位精確。
位置可用不接觸式或接觸式行程開關，機械手與夾緊都用氣缸傳力，氣閥可以選中間位停止的，雖然較貴，PLC選用三菱）這樣改后旋轉(zhuǎn)氣缸就只有一個角度@ A,B處裝有擋板使定位精確。
任務要求：
PLC外部接線圖，以及其它相關設備的電氣圖；PLC編程元件明細表，應包含定時器、計數(shù)器等元件的設定值；
完整的程序資料，應包括PLC工序圖、梯形圖程序及注解。
1.4 解決的關鍵問題
1 機械手的控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的電路和控制程序，并解決工件和控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。
2 元件的匹配規(guī)則和知識的獲取及其表達形式。
3 傳感器的類型選擇。
第二章 可編程控制PLC
2.1 PLC 簡介
PLC（Programmable Logic Controller），是可編程邏輯控制器。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。
世界上公認的第一臺PLC時1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）研制的。限于當時的元件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)等功能。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。因而人們稱可編程控制器為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入了實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得了廣泛的應用。例如，在世界第一臺可編程控制器的誕生地美國，1982年的統(tǒng)計數(shù)字顯示，大量應用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國重點工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的82%，可編程控制器的應用數(shù)量已位于眾多的工業(yè)自控設備之首。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。
20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機及超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元，通訊單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都的到了長足的發(fā)展。.
2.2 PLC的基本組成及各部分作用
PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。
整體式PLC是將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機。另外還有獨立的1/0擴展單元與主機配合使用。主機中，CPU是PLC的核心，1/0單元是連接CPU與現(xiàn)場設備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機等外部設備的連接。
組合式PLC將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能1/0單元、通信單元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴展底板。CPU底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10m.無論哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可以根據(jù)需要進行配置與組合。
2.2.1中央處理單元(CPU)
CPU在PLC中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是PLC的運算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，完成以下任務:
(1) 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；
(2) 診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤;
(3) 用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數(shù)據(jù)寄存器保存起來;
(4) PLC進入運行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解 釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作;
(5) 將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。
2.2.2存儲器
根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下3種:系統(tǒng)程序存儲器:和各種計算機一樣，PLC也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了PLC的功能，稱為系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器ROM或EPROM.用戶程序存儲器:用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動、調(diào)試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的RAM。
2.2.3 I/0單元
I/0單元也稱為I/0模塊。PLC通過I/0單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。輸入單元接收用戶設備的各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能
能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點對應的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設備的執(zhí)行元件.
2.2.4電源部分
PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V, +12V, +24V的直流電源，使PLC能正常工作。
電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的CPU，通常電源封裝到機殼內(nèi)部;對于模塊式PLC，有的采用單獨電源模塊，有的將電源與CPU封裝到一個模塊中。
2.2.5擴展接口
擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。
2.2.6通信接口
為了實現(xiàn)“人一機”或“機一機”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機和其他的PLC或計算機相連。當PLC與打印機相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印;當與監(jiān)視器相連時.可將過程圖像顯示出來;當與其他PLC相連時，可以組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實現(xiàn)更大規(guī)模的控制;當與計算機相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。
2.2.7編程器
編程器的作用是提供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機編程，也可以脫機編程，具有LCD或CRL圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用PC作為編程器，PLC生產(chǎn)廠家配有相應的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡，還可以實現(xiàn)遠程編程和傳送?，F(xiàn)在很多PLC已不再提供編程器，而是提供微機編程軟件了，并且配有相應的通信連接電纜。
2.3 PLC的應用領域
PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時日常維護也變得容易起來，更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類:
(1)開關量邏輯控制
取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于控制單臺設備，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。
(2)工業(yè)過程控制
在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量(即模擬量)，PLC采用相應的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。
(3)運動控制
PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。
(4)數(shù)據(jù)處理
PLC具有數(shù)學運算(含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。
(5)通信及聯(lián)網(wǎng)
PLC通信包括PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡的發(fā)展，現(xiàn)在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
但是，可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設計編制。
2.4 PLC 的工作原理
可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP） 狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制 功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶 程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至可編程序控制器停機或 切換到 STOP 工作狀態(tài)。
（1）輸入采樣階段
在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入 I/O 映象區(qū)的相應單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新 階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化 I/O 映象區(qū)的相應單元的 數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描 周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
（2）用戶程序執(zhí)行階段
在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 的 CPU 總是由上而下，從左到右的順序依次的掃
描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系 統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能 指令。例如：算術運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。
（3）輸出刷新階段
在輸出刷新階段，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對應的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù) 鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應的外設。這時才是 PLC 真正的輸出。
(4)輸入/輸出滯后時間 輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號,發(fā)生變化的時刻至它控制的有關外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間 三部分組成。輸入模塊的 CPU 濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸 入觸點動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波 時間的長短，其典型值為 10ms 左右。
輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關，繼電器型輸出電路的滯后時間一般 在 10ms 左右；雙向可空硅型輸出電路在負載接通時的滯后時間約為 1ms，負載 由導通到斷開時的最大滯后時間為 10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達到兩個多掃描周期?？删幊绦蚩?制器總的響應延遲時間一般只有幾十 ms，對于一般的系統(tǒng)是無關緊要的。要求 輸入—輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序 控制器或采取其他措施。
2.5 PLC 機型的選擇方法
2.5.1．PLC 的類型
PLC 按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩 類；按 CPU 字長分為 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。從應用角度出 發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。整體型 PLC 的 I/O 點數(shù)固定，因此 用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型 PLC 提供多種 I/O 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。
2．輸入輸出模塊的選擇
輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信 號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應 考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、 壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率 因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出 和模擬量輸出等，與應用要求應一致。可根據(jù)應用要求，合理選用智能型輸入輸 出模塊，以便提高控制水平和降低應用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程 I/O 機架等。
3.電源的選擇
PLC 的供電電源，除了引進設備時同時引進 PLC 應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設計 和選用外，一般 PLC 的供電電源應設計選用 220VAC 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。 重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果 PLC 本身帶有可使用 電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防 止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時 也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。
4.存儲器的選擇
由于計算機集成芯片技術的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目 的正常投運，一般要求 PLC 的存儲器容量，按 256 個 I/O 點至少選 8K 存儲器選 擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。
5.冗余功能的選擇
a．控制單元的冗余
（1）重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應 1B1 冗余。
（2）在需要時也可選用 PLC 硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2 重化或 3 重化冗余容錯系統(tǒng)等。
b． I/O 接口單元的冗余
（1）控制回路的多點 I/O 卡應冗余配置。
（2）重要檢測點的多點 I/O 卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對重要的 I/O 信號，可選用 2 重化或 3 重化的 I/O 接口單元。
6.經(jīng)濟性的考慮
選擇 PLC 時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展 性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。
輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費 用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加， 估因此，點數(shù)的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響， 在算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。
2.6 機械手 PLC選擇及參數(shù)
綜合上述原則機械手控制系統(tǒng)主機為三菱的 FX2N-48MR。
1. 主要技術數(shù)據(jù)如下：
2. 工作電源：24VDC
輸入點數(shù)：24
輸出點數(shù)：24 輸入信號類型：直流或開關量 輸入電流：24VDC 5mA
模擬輸入：-10V～10V（-20mA～+20mA） 輸出晶體管允許電流 0.3A/點（1.2A/COM）
輸出電壓規(guī)格：30VDC
最大負載：9W
輸出反應時間：Off→On 20μs On→Off 30μs 基本指令執(zhí)行時間：數(shù)個μs 程序語言：指令+梯形圖+SFC
程序容量：3792STEPS
基本順序指令：32 個（含步進梯形指令） 應用指令：100 種
初始步進點：S0～S9 一般步進點：118 點，S10～S127
輔助繼電器：一般用 512+232 點（M000～M511+M768～M999）
停電保持用 256 點（M512～M767） 特殊用 280 點（M1000～M1279）
定時器：100ms 時基 64 點（T0～T63）
10ms 時基 63 點（T64～T126，M1028 為 ON 時）
1ms 時基 1 點（T127）
計數(shù)器：一般用 112 點（C000～C111，16 位計數(shù)器） 停電保持用 16 點（C112～C127，16 位計數(shù)器）
高速用 13 點 1 相 5kHz，2 相 2kHz（C235～C254，全部為停電保持
32 位計數(shù)器）
數(shù)據(jù)寄存器：一般用 408 點（D000～D407） 停電保持用 192 點（D408～D599） 特殊用 144 點（D1000～D1143）
指針/中斷：P64 點；I4 點（P0～P63/I001、I101、I201、I301） 串聯(lián)通信口：程序?qū)懭?讀出通訊口：RS232
一般功能通訊口：RS485 主機電源 220V AC
2.PLC 主機的組成
1、輸入單元
輸入單元由 8 個按扭、8 個開關和 16 個接插件組成，它們分別與 PLC 的 16 個輸入點相接。改變這些開關或按扭的通斷狀態(tài)，即可對主機輸入所需要的開關 量。16 個接插件可外接其它直流或開關量輸入信號。
2、輸出單元
輸出單元由 24 個二極管和 24 個接插件組成，它們分別與 PLC 的 24 個輸出點 相連。發(fā)光二極管是否發(fā)光，即可表示輸出點的狀態(tài)，使用者可得到主機的輸出 信息。24 個輸出接插件可外接其它需要控制的設備。輸出單元的 4 個地端，分 別引出到面板，其中只有 C4 與 3V 電源共地。
3、電源單元
PLC 主機左邊有外接 220V/AV 的電源插座，作為 PLC 的工作電源。內(nèi)裝變壓 器，輸出 3V 電源，供二極管使用。另外 PLC 的 24VDC 和 24GND 已引出到面板，
供外接輸入器件（如傳感器）的工作電源用
第三章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇
機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。機械手的驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)動力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅(qū)動方式。
3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇
液壓驅(qū)動，功率重量比大，可實現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實現(xiàn)過載保護，可自行潤滑，使用壽命長。但也存在其油液容易泄露污染環(huán)境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。
電氣驅(qū)動，控制精度高，驅(qū)動力較大，響應快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅(qū)動方式價格昂貴，限制了在一些場合的應用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟10
氣壓驅(qū)動具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強、在工業(yè)機械手中應用較多。另一方面，技術作為“廉價的自動化技術”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領域。在現(xiàn)代化的成套設備與自動化生產(chǎn)線上，幾乎都配有系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計：在工業(yè)發(fā)達國家中，全部自動化流程中約有30﹪裝有系統(tǒng)，有90﹪的包裝機械，70﹪的鑄造、焊接設備，50﹪的自動操機、40﹪的鍛造設備和洗衣設備、30﹪的采煤機械，20﹪的紡織機械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機械，43﹪的工業(yè)機器人裝有氣壓系統(tǒng)。日、美、德等國的元件銷售平均每年增長超過10-15﹪。許多工業(yè)發(fā)達國家的元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大速度發(fā)展，機械手技術已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實踐要求的一種重要使用工具。
表3.1給出了各種控制方式的比較：
表3.1 各種控制方式的比較
通過以上三種驅(qū)動方式的比較選用驅(qū)動的方式，不僅能夠滿足了本設計的要求，而且節(jié)約了成本。
3.2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設計
根據(jù)機械手的要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運動方式主要有兩種：（1）直線運動（缸體固定，活塞桿運動）；（2）擺動（缸體固定）。其驅(qū)動系統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。
圖3.1 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖
系統(tǒng)包括三個三位四通電磁換向閥、兩個二位二通電磁閥、三個氣缸、一個吸盤、四個調(diào)速閥、六個單向調(diào)速閥、消聲器（若干）等。圖中的調(diào)速閥控制氣缸上升和下降、伸長和縮短、擺動過程中的速度，防止速度過大對物料及機械手臂的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運動方向；真空發(fā)生器的工作原理利用氣體的噴射產(chǎn)生真空吸附物料，其主要功能是實現(xiàn)對物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動作是由二位二通電磁閥控制的。
3.3 元件選取及工作原理
氣壓驅(qū)動是利用壓縮氣體的壓力能來實現(xiàn)能量傳遞的一種方式，其介質(zhì)主要是空氣，也包括燃氣和蒸汽。典型的氣壓傳動系統(tǒng)由以下四部分組成：
3.3.1 氣源裝置
氣源裝置是獲得具有一定能量的壓縮空氣的裝置，其主體部分是空氣壓縮機，有的還配有氣源凈化處理裝置、氣罐等附屬設備。它將原動機提供的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。氣壓傳動對氣源的要求：
(1) 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量。
(2) 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。
下面對于主要的氣源裝置元件進行如下介紹：
1、空氣壓縮機
空氣壓縮機是產(chǎn)生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，是氣源主要的設備。按結(jié)構(gòu)和工作原理可分為速度型和容積型兩大類。容積型壓縮機是利用特殊形狀的轉(zhuǎn)子或活塞壓縮吸入封閉容積室空氣的體積來增加空氣的壓力。容積型結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。本設計選用容積型壓縮機。
2、儲氣罐
儲氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動，使輸出氣流連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應急氣源使用，還可以進一步分離油水雜質(zhì)。儲氣罐上裝有安全閥，使其極限壓力比正常工作壓力高10%，并裝有指示罐內(nèi)壓力的壓力表和排污閥等。罐的型式可分為立式和臥式兩種。本設計選用立式儲氣罐，因為它的進氣口在下，出氣口在上，以利用進一步分離空氣中的油、水。
3.3.2 執(zhí)行元件
執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機械運動，并將氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，如氣缸輸出直線往復式機械能，擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式機械能。
1、氣缸輸出直線往復式
氣缸是執(zhí)行元件之一。目前最常選用的是標準氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標準化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對于前伸/回縮氣缸，當左側(cè)無桿腔進氣，右側(cè)有桿腔排氣時活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對于上升/下降氣缸，當上側(cè)無桿腔進氣，下側(cè)有桿腔排氣時，活塞桿下降，反之活塞桿上升。
2、擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式
擺動氣缸分為單葉片式和雙葉片式。
單葉片式擺動氣缸：壓縮空氣由進氣口輸入，作用在葉片上，帶動軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，另一腔的空氣從排氣口排出。
雙葉片式擺動氣缸：從進氣口進入的壓縮空氣作用在一個葉片上，同時通過軸上的氣路也作用在另一葉片上帶動軸回轉(zhuǎn)。這樣雙葉片式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將是單葉片式的2倍。
本設計采用雙葉片式擺動氣缸，這樣就能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以利于機械手的轉(zhuǎn)動。
3.3.3 控制元件
控制元件是用來調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量和控制其流動方向，使執(zhí)行機構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。控制元件按功能分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。
1、壓力控制閥
調(diào)節(jié)和控制壓力大小的元件稱為壓力控制閥。它包括調(diào)壓閥、溢流閥、順序閥及多功能組合閥。
調(diào)壓閥是出口側(cè)壓力可調(diào)，并能保持出口側(cè)壓力穩(wěn)定的壓力控制閥。
溢流閥是在回路中的壓力達到閥的規(guī)定值時，使部分氣體從排氣側(cè)排出，以保持回路內(nèi)的壓力在規(guī)定值的閥。
調(diào)速閥是根據(jù)“流量負反饋”原理設計而成的單路流量閥。調(diào)速閥一般用于執(zhí)行元件負載變化大而運動速度要求穩(wěn)定的系統(tǒng)中。調(diào)速閥根據(jù)“串聯(lián)減壓式”和“并聯(lián)溢流式”，又分為調(diào)速閥和溢流節(jié)流閥兩種主要類型。本設計選用串聯(lián)減壓式調(diào)速閥。
2、方向控制閥
方向控制閥是改變壓縮空氣流動方向和氣流通斷狀態(tài)，使執(zhí)行元件的動作或狀態(tài)發(fā)生變換的控制閥，其通?？煞譃閱蜗蛐涂刂崎y和換向型控制閥兩類。
(1) 單向型控制閥
單向閥是指氣流只能向一個方向流動而不能反向流動通過的閥，是最簡單的單向型方向閥。在系統(tǒng)中，單向閥除單獨使用之外，經(jīng)常與流量閥、換向閥和壓力閥組合成只能單向控制的閥。單向調(diào)速閥就是單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)而成。單向調(diào)速閥是把節(jié)流閥芯分成了上閥芯和下閥芯兩部分。當流體正向流動時，其節(jié)流過程與調(diào)速閥是一樣的，節(jié)流縫隙的大小可通過手柄進行調(diào)節(jié)；當流體反向流動時，靠流體的壓力把閥芯壓下，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實現(xiàn)流體反向自由流動。當正向流動時，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流。當反向流動時，單向閥打開，不節(jié)流。
(2) 換向型控制閥
換向型方向控制閥按控制方式分類，分為氣壓控制、電磁控制、人力控制。換向閥是利用閥芯和閥體間相對位置的不同來變換不同管路間的通斷關系，實現(xiàn)接通、切斷，或改變流體方向的閥。它的用途很廣，種類也很多。
換向閥的性能的主要要求是：（1）油液流經(jīng)換向閥時的壓力損失??；（2）互不相通的油口間的泄漏小；（3）換向可靠、迅速且平穩(wěn)無沖擊。
按換向閥的操縱方式有：手動式、機動式、電磁式、液動式、電液動式、式。
按工作位置數(shù)和控制的通道數(shù)有：二位二通閥、二位三通閥、二位四通閥、二位五通閥、三位四通閥、三位五通閥等。
本設計選用三位四通電磁換向閥理由如下：
(1) 電磁換向閥是利用電磁鐵吸力推動閥芯來改變閥的工作位置。由于它操作輕便，易于實現(xiàn)自動化，因此應用廣泛。
(2) 當三位四通電磁換向閥兩端電磁鐵都斷電時，閥芯處于中位，各口互不相通。
(3) 使用三位四通電磁換向閥能夠快速實現(xiàn)氣缸的正反向運動。
3.3.4 輔助元件
輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的。可分為氣源凈化裝置和其他輔助元件兩大類。
1、氣源凈化裝置
過濾器、調(diào)壓閥和油霧器等組合在一起稱為空氣處理單元，又稱為三聯(lián)件。壓縮的空氣中含有各種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在會降低元件的耐用度和性能，造成誤動作和事故，必須清除?？諝馓幚韱卧褪怯脕砬宄龎嚎s空氣的雜質(zhì)，提高空氣質(zhì)量的元件。
2、消聲器
消聲器是降低排氣噪聲的裝置。壓縮空氣完成驅(qū)動工作后，由換向閥的排氣口排入大氣。此時的壓縮空氣是以接近音速的狀態(tài)進入大氣，由于壓力的驟然變化，使空氣急速膨脹從而發(fā)出噪音，其音量一般為80dB～100dB，為了改善勞動條件，應使用消聲器。常用的消聲器有三種類型吸收型、膨脹型和吸收膨脹型。吸收型消聲器是依靠吸聲材料來消聲的。膨脹型消聲器的結(jié)構(gòu)比較簡單，相當于一段比排氣口徑大的管件，當氣流通過時，讓氣流在其內(nèi)部擴散、膨脹、碰壁撞擊、反射、相互干涉而消聲。吸收膨脹型消聲器是上述兩種的結(jié)合。氣流由斜孔引入，氣流束相互撞擊、干涉、進一步減速，再通過設在消聲器內(nèi)表面的吸聲材料消聲，最后排向大氣。本設計選用膨脹型消聲器。
3.3.5 真空發(fā)生器
真空發(fā)生器的作用主要是使吸盤的橡膠皮碗形成真空而將工件吸附。真空發(fā)生器的工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動。在卷吸流動作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷地被抽吸走，使吸附腔內(nèi)的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度。
3.3.6 吸盤
吸盤是直接吸吊物體的元件，一般用橡膠做成。真空吸盤之所以能吸附在工件上的原因是由于環(huán)境壓力（大氣壓力）大于吸盤與工件之間的壓力。將吸盤與真空發(fā)生裝置連接，吸盤內(nèi)部空間的空氣被抽去，當吸盤接觸到工件時，大氣和吸盤之間形成了密封，就會吸住物料，吸氣大小與大氣壓和吸盤內(nèi)部空間的壓力差成正比。
3.4 回路的工作原理
機械手的工作循環(huán)是：擺動氣缸的右旋→水平手臂的伸出→垂直手臂的下降→吸物→垂直手臂的上升→水平手臂的縮回→擺動氣缸的左旋→垂直手臂的下降→放物→垂直手臂的上升→回到初始位置。系統(tǒng)中選用電磁換向閥，限位開關，實現(xiàn)氣缸的往復運動。二位二通電磁閥實現(xiàn)吸盤的吸物和放物。實現(xiàn)工作循環(huán)的工作原理如下：
(1) 擺動氣缸的右旋
按下啟動按鈕，右旋按鈕接通，使三位四通電磁換向閥12的5YA得電，閥12的閥芯右移，擺動氣缸會執(zhí)行右旋的命令。這時的氣路是：
進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥12左端→單向調(diào)速閥19→擺動氣缸C的D口。
排氣路線：擺動氣缸C的E口→單向調(diào)速閥20→三位四通電磁換向閥12排氣口→調(diào)速閥8→消聲器9→排出。
(2) 水平氣缸的伸出
當擺動氣缸C右旋到指定位置時（90度），就會碰到右旋限位開關，使二位五通電磁換向閥12的5YA斷電，擺動氣缸旋轉(zhuǎn)運動會停止，經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁換向閥10的1YA得電，閥10的閥芯右移，執(zhí)行手臂前伸動作。這時的氣路是:
進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥10左端→單向調(diào)速閥15→氣缸A的無桿腔。
排氣路線：氣缸A的有桿腔→單向調(diào)速閥16→三位四通電磁換向閥10的排氣口→調(diào)速閥4→消聲器5→排出。
(3) 垂直手臂的下降
當水平伸縮氣缸A伸出到指定位置時，就會碰到前限開關，使三位四通電磁換向閥10的1YA斷電，手臂伸出動作會停止。經(jīng)時間繼電器延時，小臂下降按鈕接通，使三位四通電磁換向閥11的3YA得電，閥11的閥芯右移，執(zhí)行小臂的下降動作。這時的氣路是：
進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11左端→單向調(diào)速閥17→氣缸B的無桿腔。
排氣路線：氣缸B的有桿腔→單向調(diào)速閥18→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調(diào)速閥6→消聲器7→排出。
(4) 吸物
小臂氣缸下降到指定位置時，撞到下限位開關，使三位四通電磁換向閥11的3YA斷電，小臂下降動作停止。經(jīng)時間繼電器延時，二位二通電磁閥13的7YA得電，真空發(fā)生器22開始動作，經(jīng)真空開關24檢測真空度，并發(fā)出訊號給控制器，真空吸盤26將物料吸起。這時的氣路是：
進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥13→真空發(fā)生器22→過濾器25→吸盤26。
排氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥13 →真空發(fā)生器22→消聲器21。
(5)垂直手臂的上升
經(jīng)傳感器檢測到物料已經(jīng)被吸起時，發(fā)出訊號，使三位四通電磁閥11的電磁鐵4YA得電，閥11的閥芯左移，執(zhí)行小臂的上升動作。這時的氣路是：
進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11右端→單向調(diào)速閥18→氣缸B的有桿腔。
排氣路線：氣缸B的無桿腔→單向調(diào)速閥17→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調(diào)速閥6→消聲器7→排出。
(6)水平手臂的回縮
小臂氣缸上升到指定位置時，撞到上限位開關，使三位四通電磁閥11的電磁鐵4YA斷電，小臂上升動作停止。經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁閥10的電磁鐵2YA得電，閥10的閥芯左移，執(zhí)行水平手臂的回縮動作。這時的氣路是：
進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥10右端→單向調(diào)速閥16→氣缸A的有桿腔。
排氣路線：氣缸A的無桿腔→單向調(diào)速閥15→三位四通電磁換向閥10的排氣口→調(diào)速閥4→消聲器5→排出。
(7)擺動氣缸的左旋
水平手臂氣缸回縮到指定位置時，撞到后限位開關，使三位四通電磁閥10的電磁鐵4YA斷電，水平手臂的回縮動作停止。經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁閥12的電磁鐵6YA得電，閥12的閥芯左移，執(zhí)行擺動氣缸的向左旋轉(zhuǎn)動作。這時的氣路是：
進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥12右端→單向調(diào)速閥20→擺動氣缸C的E口。
排氣路線：擺動氣缸C的D口→單向調(diào)速閥19→三位四通電磁換向閥12排氣口→調(diào)速閥8→消聲器9→排出。
(8)垂直手臂的下降
擺動氣缸左旋到指定位置（90度），撞到左轉(zhuǎn)限位開關，使三位四通電磁閥12的電磁鐵6YA斷電，擺動氣缸的左旋運動停止。經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁閥11的電磁鐵3YA得電，閥11的閥芯右移，執(zhí)行小臂的下降運動。這時的氣路是：
進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11左端→單向調(diào)速閥17→氣缸B的無桿腔。
排氣路線：氣缸B的有桿腔→單向調(diào)速閥18→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調(diào)速閥6→消聲器7→排出。
(9)放物
小臂氣缸下降到指定位置時，撞到下限位開關，使三位四通電磁閥11的電磁鐵3YA斷電，垂直手臂的下降運動停止。經(jīng)時間繼電器延時，使二位二通電磁13斷電，二位二通電磁閥14通電，真空發(fā)生器停止運動，真空消失，壓縮空氣進入吸盤26，將物料與吸盤吹開，這時氣路為：
進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥14→調(diào)速閥23→過濾器25→吸盤26。
排氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥14→調(diào)速閥23→過濾器25→吸盤26。
(10) 垂直手臂的上升
經(jīng)傳感器檢測到物料已脫離吸盤，發(fā)出訊號，經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁閥11的4YA得電，閥11的右位接入工作，執(zhí)行垂直手臂的上升動作。這時的氣路是：
進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11右端→單向調(diào)速閥18→氣缸B的有桿腔。
排氣路線：氣缸B的無桿腔→單向調(diào)速閥17→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調(diào)速閥6→消聲器7→排出。
(11)回到初始位置
垂直手臂上升到指定位置，撞到上限位開關，接通復位按鈕，回到初始位置，重復以上動作。
第四章 PLC控制系統(tǒng)的分析設計
機械手控制系統(tǒng)的設計是整個機械手設計的關鍵和核心。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃分與巧妙實現(xiàn)，對提高機械手整體可靠性、實用性具有重要的意義，同時也是降低制造成本、縮短開發(fā)周期的有效途徑。為此本章在分析了當前機械手廣泛采用的控制器結(jié)構(gòu)及PLC的發(fā)展之后，提出了采用PLC的控制方法。
4.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
機械手的控制系統(tǒng)一般是使機械手運動協(xié)調(diào)為目的，包括高性能的計算機及相應的系統(tǒng)硬件和控制軟件。
機械手的控制部分可分為4個部分：機械手及其感知器、環(huán)境、任務
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