物料分揀機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)—大學(xué)畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)范文模版參考資料

1、目 錄前 言第一章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成1.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖第二章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇2.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)第三章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)3.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)3.4 控制系統(tǒng)plc的選型及控制原理3.41 plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則3.4.2 plc種類及型號(hào)選擇3.4.3 i/o點(diǎn)數(shù)分配3.4.4 plc外部接線圖3.4.5 機(jī)械手控制原理3.5 plc程序設(shè)計(jì)3.5.1 總體程序框圖3.5.2 初始化及報(bào)警程序3.5.3 手動(dòng)控制程序3.5.4 自動(dòng)控制程序結(jié)論參考文獻(xiàn)附 錄前 言機(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備更新時(shí)的需要，

2、可以大量代替單調(diào)往復(fù)或高精度需求的工作，在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動(dòng)。可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。 隨著工業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備更新時(shí)的需要，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、用以代替人的繁重及單調(diào)勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化；并能在高溫、腐蝕及有毒氣體等有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。 可編程控制器(plc)是以中央處理器為核

3、心，綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用plc的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動(dòng)作精度高等優(yōu)點(diǎn)。適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)plc對(duì)物料分揀機(jī)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(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行分揀，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線。采用plc控制，是一種預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行物料分揀的自動(dòng)化裝置，可部分代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時(shí)需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行新的分配任務(wù)時(shí)，可以允

4、許方便的改動(dòng)或重新設(shè)計(jì)其新部件，而對(duì)于位置改變時(shí)，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(fèi)用。本設(shè)計(jì)主要完成機(jī)械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計(jì)。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、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(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)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(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(fms)和計(jì)算機(jī)集

5、成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。 目前，國際上的機(jī)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。我國機(jī)械手起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過30多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應(yīng)用化期。在我國，機(jī)械手市場(chǎng)份額大部分被國外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強(qiáng)手面前，國內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。如今我國正從一個(gè)“制造大國”向“制造強(qiáng)國”邁進(jìn)，中國制

6、造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對(duì)我國工業(yè)自動(dòng)化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會(huì)加大對(duì)機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會(huì)給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。隨著機(jī)械手發(fā)展的深度和廣度以及機(jī)器人智能水平的提高，機(jī)械手已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域機(jī)械手的應(yīng)用也越來越多。在未來幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會(huì)使機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。據(jù)猜測(cè)，今后機(jī)器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海

7、洋開發(fā)、機(jī)器維修、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。隨著機(jī)械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強(qiáng)、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(jì)性強(qiáng)。本論文主要研究物料分揀機(jī)械手以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：(1) 物料分揀機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動(dòng)部件與機(jī)械構(gòu)件組成，是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的實(shí)體。主要包括機(jī)身、手臂、末端執(zhí)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(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)機(jī)械手的手部、手臂和機(jī)座進(jìn)行設(shè)計(jì)。(2) 物料分揀機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動(dòng)力的裝置。通過對(duì)液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動(dòng)方式

8、的比較，本設(shè)計(jì)選擇氣壓驅(qū)動(dòng)的方式。內(nèi)容包括氣動(dòng)元件的選擇及其工作原理、氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)和氣動(dòng)原理圖的繪制。(3) 物料分揀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時(shí)序進(jìn)行工作。本機(jī)械手采用可編程控制器（plc）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，主要包括對(duì)plc的型號(hào)選擇、傳感器類型進(jìn)行選擇、i/o口的選擇、對(duì)控制系統(tǒng)原理圖、自動(dòng)程序梯形圖的繪制等內(nèi)容。 第一章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇機(jī)器手的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的實(shí)體。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的布局類型直接影響到機(jī)械手的工作性能。1. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機(jī)械部分組成：（1） 手部 是機(jī)械手直接握

9、持工件或工具的部分。（2） 臂部 是機(jī)械手用來支持腕部與手部實(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)動(dòng)范圍的部件。（3） 立柱 支承手臂并帶動(dòng)它升降、擺動(dòng)和移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。（4） 機(jī)座 是機(jī)械手用來支撐臂部，并安裝驅(qū)動(dòng)裝置及其他裝置的部分。2.執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖根據(jù)前面機(jī)械手各部分的設(shè)計(jì)，可做出機(jī)械手大體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2.3所示，大圖見cad圖。 1右旋限位開關(guān) 2 左旋限位開關(guān) 3 回縮限位開關(guān) 4 前伸限位開關(guān) 5 上升限位開關(guān) 6 下降限位開關(guān) a 擺動(dòng)氣缸 b前伸/回縮氣缸 c上升/下降氣缸 d 真空吸盤 圖1-3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖第二章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)

10、力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)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(dòng)方式。2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇液壓驅(qū)動(dòng)，功率重量比大，可實(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，可自行潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)。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(dòng)，控制精度高，驅(qū)動(dòng)力較大，響應(yīng)快，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便。但是由于這種驅(qū)動(dòng)方式價(jià)格昂貴，限制了在一些場(chǎng)合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動(dòng)方式。氣壓驅(qū)動(dòng)具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)、在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用較多。另一方面，氣動(dòng)技術(shù)作為“廉價(jià)的自動(dòng)化

11、技術(shù)”，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(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動(dòng)化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動(dòng)系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，全部自動(dòng)化流程中約有30裝有氣動(dòng)系統(tǒng)，有90的包裝機(jī)械，70的鑄造、焊接設(shè)備，50的自動(dòng)操機(jī)、40的鍛造設(shè)備和洗衣設(shè)備、30的采煤機(jī)械，20的紡織機(jī)械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機(jī)械，43的工業(yè)機(jī)器人裝有氣壓系統(tǒng)。日、美、德等國的氣動(dòng)元件銷售平均每年增長(zhǎng)超過10-15。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家的氣動(dòng)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，氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要使用工具。表2-1給出了各種控制

12、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(dòng)方式的比較選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，不僅能夠滿足了本設(shè)計(jì)的要求，而且節(jié)約了成本。2.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)根據(jù)物料分揀機(jī)械手的要求，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動(dòng)方式主要有兩種：（1）直線運(yùn)動(dòng)（缸體固定，活塞桿運(yùn)動(dòng)）；（2）擺動(dòng)（缸體固定）。其氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2-1所示。圖2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖氣動(dòng)系統(tǒng)包括三個(gè)三位四通電磁換向閥、兩個(gè)二位二通電磁閥、三個(gè)氣缸、一個(gè)吸盤、四個(gè)調(diào)速閥、六個(gè)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(zhǎng)和縮短、擺動(dòng)過程中的速度，防止速度過大對(duì)物料及機(jī)械手臂的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的

13、運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動(dòng)作是由二位二通電磁閥控制的。第三章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃分與巧妙實(shí)現(xiàn)，對(duì)提高機(jī)械手整體可靠性、實(shí)用性具有重要的意義，同時(shí)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(dāng)前機(jī)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。3.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般是使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)為目的，包括高性能的計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的系統(tǒng)硬件和控制軟件。機(jī)械手的控制部分可分為4個(gè)部分：機(jī)械手及其

14、感知器、環(huán)境、任務(wù)、控制器。機(jī)械手是由各種機(jī)構(gòu)組成的裝置，它通過感知器的內(nèi)部傳感器實(shí)現(xiàn)本體和環(huán)境狀態(tài)的檢測(cè)和信息交互；環(huán)境即指機(jī)械手所處的周圍環(huán)境；任務(wù)是指機(jī)械手要完成的操作，它需要適當(dāng)?shù)某绦蛘Z言描述，并把它們存入控制機(jī)中，隨著系統(tǒng)的不同，任務(wù)的輸入可能是程序方式，或文字、圖形或聲音方式；控制器包括軟件和硬件兩大部分，相當(dāng)于機(jī)械手的大腦，它以計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ每刂破鬟\(yùn)行程序的方式來完成給定的任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)的硬件一般包括3個(gè)部分：(1) 感知部分 用來收集機(jī)械手的內(nèi)部和外部的信息，如位置、速度、加速度傳感器可接受機(jī)械手的本體狀態(tài)，而視覺、觸覺、力覺等傳感器可感受機(jī)械手的工作環(huán)境的外部狀態(tài)。(2) 控制

15、裝置 用來處理各種信息，完成控制過程，產(chǎn)生必要的控制指令，它包括計(jì)算機(jī)相應(yīng)的接口等。(3) 驅(qū)動(dòng)部分 為了使機(jī)械手完成操作及移動(dòng)功能，機(jī)械手各關(guān)節(jié)可選用氣動(dòng)、液動(dòng)、電氣等方式驅(qū)動(dòng)。3.4 控制系統(tǒng)plc的選型及控制原理3.4.1 plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則一、 plc機(jī)型的選擇 plc機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭(zhēng)最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)： (1) 確定合理的結(jié)構(gòu)型式 plc主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。整體式plc的每一個(gè)io點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對(duì)較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式plc的功

16、能擴(kuò)展靈活方便,在io點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、io模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。考慮此系統(tǒng)控制比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用于小批量的生產(chǎn)線故此選擇整體試plc的結(jié)構(gòu)形式較為合適。(2) 確定合理的安裝方式 plc系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠(yuǎn)程io式以及多臺(tái)plc聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程io硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠(yuǎn)程io式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠(yuǎn)程io可以分散安裝在現(xiàn)場(chǎng)裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動(dòng)器和遠(yuǎn)程io電源；多臺(tái)plc聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺(tái)設(shè)備分別獨(dú)立控制，又要相互聯(lián)系的場(chǎng)合，可以選用小型plc，但必須要附加通訊模塊。在工

17、廠小批量生產(chǎn)中降低成本是很重要的，所以此系統(tǒng)選擇集中試的安裝方式。 （3)滿足相應(yīng)的功能要求 一般小型(低檔)plc具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，對(duì)于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。 對(duì)于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶ad和da轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔plc。 對(duì)于控制較復(fù)雜，要求實(shí)現(xiàn)pid運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔plc。但是中、高檔plc價(jià)格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場(chǎng)合。此系統(tǒng)只需用開關(guān)量控制，選用一般小型plc即可。(4)滿足響應(yīng)速度要求 plc是為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的通用

18、控制器，不同檔次plc的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用plc，或者某些功能或信號(hào)有特殊的速度要求時(shí)，則應(yīng)該慎重考慮plc的響應(yīng)速度，可選用具有高速io處理功能的plc，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的plc等。 本系統(tǒng)不需要跨范圍使用plc對(duì)某些功能或信號(hào)也沒有特殊的速度要求，不需要選用具有高速io處理功能的plc。 (5)滿足系統(tǒng)可靠性要求 對(duì)于一般系統(tǒng)plc的可靠性均能滿足。對(duì)可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用一般系統(tǒng)plc能夠滿足要求，不需要考慮太多此方面的問題。6) 機(jī)型盡量統(tǒng)一一個(gè)企業(yè)，應(yīng)盡量做到plc的機(jī)型統(tǒng)一。以保

19、證其模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高；其外部設(shè)備可以通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計(jì)算機(jī)后易于形成一個(gè)多級(jí)分布式控制系統(tǒng)。本課題的要求不高，不需要考慮配備上位計(jì)算機(jī)，但為了方便采購和管理等我們還是要求機(jī)型要統(tǒng)一。二、 確定plc的容量plc的容量包括io點(diǎn)數(shù)和用戶存儲(chǔ)容量?jī)蓚€(gè)方面。1）確定系統(tǒng)的實(shí)際輸入點(diǎn)數(shù)系統(tǒng)由啟動(dòng)按鈕sb1、停止按鈕sb2、急停按鈕sb3、手臂復(fù)位按紐sb4、顏色傳感器st1、左旋極限傳感器st2、右旋極限傳感器st3、上升限位傳感器st4、下降限位傳感器st5、手臂縮回限位傳感器st6、手臂伸出限位傳感器st7、超上升

20、限位傳感器st8、超下降限位傳感器st9、超左旋限位傳感器st10、超右旋限位傳感器st11、超伸出限位傳感器st12、超縮回限位傳感器st13、工件檢測(cè)傳感器ps1、系統(tǒng)的自動(dòng)/手動(dòng)控制開關(guān)sa以及手動(dòng)的升降、左右旋轉(zhuǎn)、伸縮、吸放按鈕（sb5-sb12）作為個(gè)輸入繼電器的外部控制點(diǎn)，共有28個(gè)輸入點(diǎn)。2）確定系統(tǒng)的實(shí)際輸出點(diǎn)數(shù)系統(tǒng)有手臂左旋、右旋、伸出、縮回、上升、下降、吸物、放物的電磁閥動(dòng)作，報(bào)警指示燈、原位指示燈及自動(dòng)/手動(dòng)指示燈工作，一共12個(gè)輸出點(diǎn)。3）確定應(yīng)選擇plc的點(diǎn)數(shù)plc平均的io點(diǎn)的價(jià)格還比較高，因此應(yīng)該合理選用plc的io點(diǎn)的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭(zhēng)使用的io點(diǎn)

21、最少，但必須留有一定的裕量。 通常io點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對(duì)象的輸入、輸出信號(hào)的實(shí)際需要，再加上10到15的裕量來確定。本系統(tǒng)的輸入、輸出實(shí)際需要40個(gè)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)的plc輸入、輸出點(diǎn)數(shù)定為48點(diǎn)比較合適，但輸入和輸出各應(yīng)留有裕量。 4）確定系統(tǒng)同時(shí)接通輸入/輸出點(diǎn)的數(shù)量 a.同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)量 對(duì)于選用高密度的輸入模塊(如32點(diǎn)、48點(diǎn)等)，應(yīng)考慮該模塊同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)一般不要超過輸入點(diǎn)數(shù)的60。b.同時(shí)接通的輸出點(diǎn)數(shù)量同時(shí)接通輸出設(shè)備的累計(jì)電流值必須小于公共端所允許通過的電流值，如一個(gè)220v2a的點(diǎn)輸出模塊，每個(gè)輸出點(diǎn)可承受2a的電流，但輸出公共端允許通過的電流并不是16a(82a)，通常要

22、比此值小得多。一般來講，同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不要超出同一公共端輸出點(diǎn)數(shù)的60。 對(duì)同時(shí)接通的輸/入輸出點(diǎn)的制約，此系統(tǒng)是可以滿足的。(1) 系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的選擇 plc的io點(diǎn)數(shù)的多少，在很大程序上反映了plc系統(tǒng)的功能要求，因此可在io點(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲(chǔ)容量后，再加20到30的裕量。 存儲(chǔ)容量（字節(jié)）開關(guān)量io點(diǎn)數(shù)10 模擬量io通道數(shù)100a=40*10+0*100 =400（字節(jié)） 另外，在存儲(chǔ)容量選擇的同時(shí)，注意對(duì)存儲(chǔ)器的類型的選擇。但是，本課題要求的存儲(chǔ)容量很低，一般的plc能夠滿足，所以我們不需要考慮存儲(chǔ)容量。三、 確定plc的io模塊 一般io模塊的價(jià)格占plc價(jià)格的一半以

23、上。plc的io模塊有開關(guān)量io模塊、模擬量io模塊及各種特殊功能模塊等。不同的io模塊，其電路及功能也不同，直接影響plc的應(yīng)用范圍和價(jià)格，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需要加以選擇。根據(jù)本課題要求，不需要用到模擬量io模塊及各種特殊功能模塊，所以只需要對(duì)開關(guān)量io模塊選擇即可。 （1）開關(guān)量輸入模塊的選擇 開關(guān)量輸入模塊是用來接收現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的開關(guān)信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為plc內(nèi)部接受的低電壓信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)plc內(nèi)、外信號(hào)的電氣隔離。選擇時(shí)主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： 1）輸入信號(hào)的類型及電壓等級(jí) 開關(guān)量輸入模塊有直流輸入、交流輸入和交流直流輸入三種類型。選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)和周圍環(huán)境因素等。直流輸入模塊的延遲時(shí)

24、間較短，還可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入設(shè)備連接；交流輸入模塊可靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。 開關(guān)量輸入模塊的輸入信號(hào)的電壓等級(jí)有：直流5、12、24、48、60等；交流110、220等。選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5、12、24用于傳輸距離較近場(chǎng)合，如5輸入模塊最遠(yuǎn)不得超過十米。距離較遠(yuǎn)的應(yīng)選用輸入電壓等級(jí)較高的模塊。本系統(tǒng)傳輸距離較近可選擇24直流輸入。 2）輸入接線方式 開關(guān)量輸入模塊主要有匯點(diǎn)式和分組式兩種接線方式。 匯點(diǎn)式的開關(guān)量輸入模塊所有輸入點(diǎn)共用一個(gè)公共端（com）；而分組式的開關(guān)量輸入模塊是將輸入點(diǎn)分成若干組，每一組（幾個(gè)

25、輸入點(diǎn)）有一個(gè)公共端，各組之間是分隔的。分組式的開關(guān)量輸入模塊價(jià)格較匯點(diǎn)式的高，如果輸入信號(hào)之間不需要分隔，一般選用匯點(diǎn)式的。所以本系統(tǒng)考慮價(jià)格便宜問題，且輸入信號(hào)之間不需要分隔，選用匯點(diǎn)式較合適。 3）輸入門檻電平 為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須考慮輸入門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸距離也越遠(yuǎn)，具體可參閱plc說明書。（2）開關(guān)量輸出模塊的選擇 開關(guān)量輸出模塊是將plc內(nèi)部低電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)外部輸出設(shè)備的開關(guān)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)plc內(nèi)外信號(hào)的電氣隔離。選擇時(shí)主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： 1）輸出方式 開關(guān)量輸出模塊有繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出三種方式。 繼電器輸出的價(jià)格便宜，

26、既可以用于驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，又可用于直流負(fù)載，而且適用的電壓大小范圍較寬、導(dǎo)通壓降小，同時(shí)承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，但其屬于有觸點(diǎn)元件，動(dòng)作速度較慢（驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，觸點(diǎn)動(dòng)作頻率不得超過1hz）、壽命較短、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場(chǎng)合。 對(duì)于頻繁通斷的負(fù)載，應(yīng)該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無觸點(diǎn)元件。但晶閘管輸出只能用于交流負(fù)載，而晶體管輸出只能用于直流負(fù)載。 本系統(tǒng)為中小型生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)，需要考慮價(jià)格相對(duì)要便宜，而本系統(tǒng)對(duì)動(dòng)作速度要求不高，所以選擇繼電器輸出作為輸出方式。 2）輸出接線方式 開關(guān)量輸出模塊主要有分組式和分隔式兩種接線方式。 分組式輸出是幾個(gè)輸出點(diǎn)為一

27、組，一組有一個(gè)公共端，各組之間是分隔的，可分別用于驅(qū)動(dòng)不同電源的外部輸出設(shè)備；分隔式輸出是每一個(gè)輸出點(diǎn)就有一個(gè)公共端，各輸出點(diǎn)之間相互隔離。選擇時(shí)主要根據(jù)plc輸出設(shè)備的電源類型和電壓等級(jí)的多少而定。一般整體式plc既有分組式輸出，也有分隔式輸出。本系統(tǒng)選擇分組式輸出。 3）驅(qū)動(dòng)能力 開關(guān)量輸出模塊的輸出電流(驅(qū)動(dòng)能力)必須大于plc外接輸出設(shè)備的額定電流。用戶應(yīng)根據(jù)實(shí)際輸出設(shè)備的電流大小來選擇輸出模塊的輸出電流。如果實(shí)際輸出設(shè)備的電流較大，輸出模塊無法直接驅(qū)動(dòng)，可增加中間放大環(huán)節(jié)。 4) 輸出的最大電流與負(fù)載類型、環(huán)境溫度等因素有關(guān)開關(guān)量輸出模塊的技術(shù)指標(biāo)，它與不同的負(fù)載類型密切相關(guān)，特別是

28、輸出的最大電流。另外，晶閘管的最大輸出電流隨環(huán)境溫度升高會(huì)降低，在實(shí)際使用中也應(yīng)注意。3.4.2 plc種類及型號(hào)選擇plc種類較多，主要有西門子、三菱、omron、fanac、東芝等，但能配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱、omron的plc。根據(jù)前面確定的plc點(diǎn)數(shù)：實(shí)際輸入點(diǎn)28點(diǎn)，實(shí)際輸出點(diǎn)12點(diǎn)，綜合對(duì)比三菱fx系列（包括fx0s、fx1s、fx0n、fx1n、fx2n等）、西門子系列、omron系列中i/o點(diǎn)數(shù)為48點(diǎn)各型號(hào)的plc的價(jià)格、性能、實(shí)用場(chǎng)合等各方面。本系統(tǒng)可選擇plc型號(hào)為：fx2n64mr001，合計(jì)總數(shù)64點(diǎn)32點(diǎn)輸入，dc2

29、4v，32點(diǎn)繼電器輸出；尺寸（mm）：2208790，其性能、價(jià)格都優(yōu)于其他plc。fx2n系列是fx系列plc家族中最先進(jìn)的系列，它能最大范圍地包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)，程式執(zhí)行更快，全面補(bǔ)充通訊功能，適合世界各國不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動(dòng)化控制應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。該型號(hào)plc有32個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，32個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)要求并留有一定的余量。3.4.3 i/o點(diǎn)數(shù)分配根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作流程分析及i/o點(diǎn)數(shù)確定，可以確定電氣控制系統(tǒng)的i/o點(diǎn)分配，如表3.1、表3.2所示：表3.1 機(jī)械手控制輸入點(diǎn)分配表輸入設(shè)備輸入點(diǎn)號(hào)輸入設(shè)備輸入點(diǎn)號(hào)啟動(dòng)按鈕sb1x000

30、手動(dòng)下降按鈕sb6x016停止按鈕sb2x001手動(dòng)左旋按鈕sb7x017急停按鈕sb3x002手動(dòng)右旋按鈕sb8x020左旋極限傳感器st2x003手動(dòng)伸出按鈕sb9x021右旋極限傳感器st3x004手動(dòng)縮回按鈕sb10x022上升限位傳感器st4x005手動(dòng)吸氣按鈕sb11x023下降限位傳感器st5x006手動(dòng)放氣按鈕sb12x024手臂縮回限位傳感器st6x007超上升限位傳感器st8x025手臂伸出限位傳感器st7x010 超下降限位傳感器st9x026工件檢測(cè)傳感器ps1x011 超左旋限位傳感器st10x027手動(dòng)sax012 超右旋限位傳感器st11x030自動(dòng)x013 超伸

31、出限位傳感器st12x031復(fù)位按鈕sb4x014 超縮回限位傳感器st13x032手動(dòng)上升按鈕sb5x015 表3.2 機(jī)械手控制輸出點(diǎn)分配表輸出設(shè)備輸出點(diǎn)號(hào)輸出設(shè)備輸出點(diǎn)號(hào)左旋電磁閥6yay000吸氣電磁閥7yay006右旋電磁閥5yay001放氣電磁閥8yay007縮回電磁閥2yay002報(bào)警指示燈l11y010伸出電磁閥1yay003手動(dòng)指示燈l12y011上升電磁閥4yay004自動(dòng)指示燈l13y012下降電磁閥3yay005原位指示燈l14y0133.4.4 plc外部接線圖 根據(jù)表4.1、4.2分配輸入/輸出信號(hào)與plc輸入/輸出接口分配情況及所選定的plc，得到plc的外部接線

32、圖如圖4.1： 圖3-1 plc外部接線圖3.4.5 機(jī)械手控制原理在plc的控制下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)等多種工作方式。手動(dòng)：利用按鈕對(duì)機(jī)械手每一動(dòng)作手動(dòng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)上升、下降、前伸、縮回、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、吸物、放物等操作；自動(dòng)：按下循環(huán)按鈕后機(jī)械手從原點(diǎn)位置開始連續(xù)不斷的執(zhí)行分揀物料的各步。按下啟動(dòng)按鈕sb1，系統(tǒng)初始化擺動(dòng)氣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縮回?cái)[動(dòng)氣缸左旋垂直手臂下降放物垂直手臂的上升回初始位置。(1) 系統(tǒng)程序的初始化 按下啟動(dòng)按鈕sb1，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能檢測(cè)，檢測(cè)正確后，進(jìn)入控制系統(tǒng)的軟件，開始運(yùn)行程序。(2) 擺動(dòng)氣缸右旋 初始化程序正常

33、運(yùn)行后，plc的輸入端x000接通輸入，輸出端y001輸出，右旋按鈕sb8接通，使三位四通電磁換向閥12的5ya得電，擺動(dòng)氣缸會(huì)執(zhí)行右旋的命令。(3) 水平手臂的伸出 擺動(dòng)氣缸右旋到指定位置時(shí)（90度），plc輸入端x004接通輸入，輸出端y003輸出，手臂前伸按鈕sb9接通，使三位四通電磁換向閥10的1ya得電，執(zhí)行手臂前伸動(dòng)作。(4) 垂直手臂的下降 手臂前伸到指定位置，plc輸入端x010接通輸入，輸出端y005輸出，小臂下降按鈕sb6接通，使三位四通電磁換向閥11的3ya得電，執(zhí)行垂直手臂的下降動(dòng)作。(5) 吸物 小臂下降到指定位置，plc輸入端x006接通輸入，輸出端y006輸出，吸

34、盤吸氣按鈕sb11接通，二位二通電磁閥13的7ya得電，真空發(fā)生器22開始動(dòng)作，真空吸盤26將物料吸起。(6) 垂直手臂的上升 經(jīng)滑覺傳感器檢測(cè)到物料已經(jīng)被吸起時(shí)，輸出端y004輸出，小臂上升按鈕sb5接通，使三位四通電磁閥11的電磁鐵4ya得電，執(zhí)行垂直手臂的上升動(dòng)作。(7) 水平手臂的回縮 小臂上升到指定位置，plc輸入端x005接通輸入，輸出端y002輸出，水平縮回按鈕sb10接通，使三位四通電磁換向閥10的電磁鐵2ya得電，執(zhí)行水平手臂回縮動(dòng)作。(8) 擺動(dòng)氣缸左旋水平手臂回縮到指定的位置，plc輸入端x007接通輸入，輸出端y000輸出，左旋按鈕sb7接通，三位四通電磁閥12的電磁鐵

35、6ya得電，執(zhí)行擺動(dòng)氣缸的向左旋轉(zhuǎn)。(9) 垂直手臂的下降 擺動(dòng)氣缸向左旋轉(zhuǎn)到指定位置（90度），plc輸入端x003接通輸入，輸出端y005輸出，垂直手臂下降按鈕sb6接通，使三位四通電磁閥11的電磁鐵3ya得電，執(zhí)行小臂的下降運(yùn)動(dòng)。(10) 放物 小臂下降到指定位置，plc輸入端x006接通輸入，輸出端y007輸出，吸盤放氣按鈕sb12接通，真空發(fā)生器停止工作，真空消失，壓縮空氣進(jìn)入真空吸盤，將物料與吸盤吹開。(11) 小臂上升 經(jīng)滑覺傳感器檢測(cè)到物料已經(jīng)放開，輸出端y004輸出，小臂上升按鈕sb5接通，使三位四通電磁換向閥10的電磁鐵2ya得電，執(zhí)行小臂上升動(dòng)作。(12) 回到初始位置小

36、臂上升到指定位置，plc輸入端x005接通輸入，自動(dòng)重復(fù)以上動(dòng)作。3.5 plc程序設(shè)計(jì)3.5.1 總體程序框圖設(shè)備有“手動(dòng)/自動(dòng)”兩種工作方式，其控制程序可分為自動(dòng)控制程序和手動(dòng)控制程序兩個(gè)模塊，各模塊程序分開編寫，結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和修改。在進(jìn)行編程前，應(yīng)先繪制出整個(gè)控制程序的結(jié)構(gòu)框圖，如圖4.2所示。在該結(jié)構(gòu)圖中，當(dāng)操作方式選擇開關(guān)置于“手動(dòng)”時(shí)，輸入點(diǎn)x012接通，執(zhí)行手動(dòng)程序；當(dāng)操作方式選擇開關(guān)置于“自動(dòng)”時(shí)，輸入點(diǎn)x013接通，執(zhí)行自動(dòng)程序。圖3-2 控制程序的結(jié)構(gòu)框圖同是為了方便操作，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手操作面板，機(jī)械手操作面板如圖3-3所示圖3-3 機(jī)械手操作面板3.5.2 初始化

37、及報(bào)警程序初始化及報(bào)警程序如圖3-4所示圖3-4 初始化及報(bào)警程序在自動(dòng)工作過程中，若將“手動(dòng)/自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“手動(dòng)”位置時(shí)，輸入x012接通系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)控制方式狀態(tài)。此時(shí)，按下相應(yīng)的受動(dòng)按鈕可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上升、下降、左旋、右旋、伸出、縮回、吸氣、放氣及復(fù)位動(dòng)作，手動(dòng)操作程序如圖3.5所示。圖3-5 手動(dòng)操作程序3.5.3 自動(dòng)控制程序分析知，在“自動(dòng)”工作方式下，本機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是以開關(guān)量作為轉(zhuǎn)移信號(hào)，按所設(shè)計(jì)的工藝流程一步一步地進(jìn)行工作，其控制過程為順序循環(huán)控制。當(dāng)機(jī)械手完成一次物料的吸放任務(wù)后返回原位為下一個(gè)任務(wù)做好準(zhǔn)備。自動(dòng)控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3-6所示。圖3-6 自動(dòng)控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖根據(jù)

38、自動(dòng)控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖就可設(shè)計(jì)出自動(dòng)控制的步進(jìn)梯形圖如圖4.7所示。圖3-7 自動(dòng)控制步進(jìn)梯形圖結(jié) 論 機(jī)械手的出現(xiàn)延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、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(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和plc在工業(yè)生產(chǎn)過程中的廣泛應(yīng)用，機(jī)械手技術(shù)方面的研究不斷得到創(chuàng)新，促使成果不斷涌現(xiàn)。本論文的設(shè)計(jì)主要取得了以下成果：(1) 對(duì)物料分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)等各組成部分進(jìn)行了較為全面的分析，最后得出其總體設(shè)計(jì)方案。(2) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是強(qiáng)的非線性系統(tǒng)，其根本原因是空氣具有可壓縮性，使得系統(tǒng)中存在

39、流量飽和效應(yīng)，非線性摩擦力等因素，實(shí)現(xiàn)氣缸的精度定位非常困難。因此在其應(yīng)用中，要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)定，以達(dá)到比較理想狀態(tài)。(3) 機(jī)械手的控制系統(tǒng)采用了技術(shù)性、可靠性非常高的plc進(jìn)行控制。這使得機(jī)械設(shè)備更加靈活，動(dòng)作準(zhǔn)確，易于維護(hù)，勞動(dòng)生產(chǎn)率大大得到了提高。各種操作方式自由切換，滿足了各種生產(chǎn)要求。本課題在完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)物料分揀機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。由于時(shí)間的限制以及機(jī)械手的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有些問題需要進(jìn)一步的研究：(1) 對(duì)機(jī)械手各部分連接方式的改進(jìn)。本機(jī)械手結(jié)構(gòu)具有模塊式的特點(diǎn)，但由于考慮節(jié)約成本等因素，采用標(biāo)準(zhǔn)的單活塞桿雙作用氣缸，加導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)。各部分不能實(shí)現(xiàn)任意方式拼裝，通過各種過渡連接件，使各個(gè)部分可以自由拼裝。(2) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)改進(jìn)在氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)