傳送帶及機械手PLC控制設計

1、傳送帶及機械手plc控制設計編號： 畢業(yè)設計說明書題 目： 傳送帶及機械手plc控制設計 院 （系）： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學生姓名： 黃露丹 學 號： 01 指導教師： 郭中玲 職 稱： 高級工程師 題目類型： 理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā)2013年 6 月 5 日1摘 要在工業(yè)生產(chǎn)和其他領域內，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從機械手問世以來，相應的各種難題迎刃而解。機械手可在空間抓、放、搬運物體，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

2、自動線。機械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。機械手是工業(yè)機器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱為工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可以提高產(chǎn)品的質量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義?？删幊炭刂破魇抢^電器控制和計算機控制出上開發(fā)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展成以微器處理為核心把自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。本

3、文應用三菱公司生產(chǎn)的可編程控制器fx系列plc，實現(xiàn)機械手搬運控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了可編程控制器（plc）控制功能。使該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，時期功能范圍得到廣泛應用。關鍵詞：可編程控制器plc；plc的結構及基本配置；機械手；限位開關abstractin industrial production and other areas, as a result of the need, people often subjected to high temperature, corrosive and toxic gas hazards, increased labor intensity, and e

4、ven life-threatening. since the advent of robot, all kinds of problems solved. robot caught in the space, put, handling objects, actions flexible, applicable to transform the production of varieties in small-volume automated production, widely used in flexible automatic line. robot by the high tempe

5、rature, corrosion-resistant materials made in order to adapt to the harsh environment of the site, greatly reducing the labor intensity and improve work efficiency. the manipulator is an important part of an industrial robot, in many cases, it will be referred to as industrial robots. the industrial

6、 robot is a multidisciplinary set of mechanical, electronic, control, computers, sensors, artificial intelligence and other advanced technology in one of the important modern manufacturing automation equipment. widely used industrial robots can not only improve product quality and yield, but also to

7、 protect the personal safety, improve the working environment, reduce labor intensity, improve labor productivity, saving raw material consumption and reduce production costs, has a very important significance.the programmable controller relay control and computer control on the development of produ

8、cts, and gradually developed into a micro-processing as the core automation technology, computer technology, communication technology and integration of new industrial automatic control device. in this paper, the production of mitsubishi programmable logic controller fx series plc, robot handling co

9、ntrol system, which takes full advantage of the programmable logic controller (plc) control functions. to make the system reliable and stable, the period range of functions has been widely used.key words: manipulator conveyor belt; plc; machine hand; limit switch目 錄引言11 總體方案設計2 課題介紹2 畢業(yè)設計的內容2 畢業(yè)設計任務

10、32 plc的特點和傳送帶機械手的介紹3 可編程控制器plc3 慨況3的結構及基本配置3的類型5 機械手及傳送帶6機械手及傳送帶簡介6傳送帶機械手的基本結構6機械手的選擇7機械手的用途73 設計主體部分8 控制流程圖8 機械手的控制要求8機械手的設計方法9 i/o設備及i/o點分配表9 控制面板及說明10 傳送帶電動機組電路圖11 傳送帶plc輸入輸出接線圖11 機械手自動控制梯形圖134 電動機、電磁閥及光電傳感器的介紹13 電動機的介紹及選用13 氣缸的介紹及選用14氣動元件及雙向活塞式氣缸15氣缸工作原理15氣缸的選用16 電磁閥的介紹及選用16電磁閥簡介及分類16電磁閥工作原理圖17電

11、磁閥的選用18 光傳感器的介紹及選用19光電傳感器的分類19常用參數(shù)21 光電傳感器選用原則：225 系統(tǒng)的仿真分析22 plc的編程語言及常用語言設計簡介22 plc常用語言設計簡介25 仿真軟件介紹26程序仿真步驟26仿真結果286 傳送帶機械手的優(yōu)缺點分析29 傳送帶機械手的優(yōu)點29 傳送帶機械手的缺點307 結 論30謝 辭32參考文獻33附 錄3431引言工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)

12、境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展, 出現(xiàn)了數(shù)控加工中心，它在減輕工人的勞動強度的同時, 大大提高了勞動生產(chǎn)率。但數(shù)控加工中常見的上下料工序, 通常仍采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工、效率低；后者因設計復雜, 需較多繼電器,接線繁雜, 易受車體振動干擾，而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題?？删幊绦蚩刂破鱬lc控制的上下料機械手控制系統(tǒng)動作簡便、線路設計合理、具有較強的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運行的可靠性，降低了維修率，提高了工作效率。該控制系統(tǒng)采用可編程控制器為核心，通過對信號的采集、處理、輸出一系列的集中控制，使生產(chǎn)更安全穩(wěn)

13、定高效。設計中完成了硬件和軟件的設計。實現(xiàn)了傳感器、變頻器、機械手等硬件的調配控制，實現(xiàn)傳送帶自動減速，機械手抓放等功能。plc作為控制核心的使用比原有的系統(tǒng)控制性更強，應變更靈活，操作更簡單，使系統(tǒng)擁有可靠性高，穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，維護方便等眾多優(yōu)點，為安全高效的工業(yè)生產(chǎn)提供了更好的硬件環(huán)境。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。在現(xiàn)今的中國，塑料制品行業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機械手的使用已經(jīng)

14、越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們設在中國的工廠中引進了自動化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)的中國本土塑料加工廠也開始對機械手表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，因為他們要面對工人流失率高，以及交帶來的挑戰(zhàn)。 隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉向、輸送或操持焊槍、噴槍、板手等工具進行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視，同時也要求供料機構更加靈活、柔性化。對機械手的控制系統(tǒng)提出了更高的要求，原來的繼電器控制方式已經(jīng)逐漸不能滿足生產(chǎn)的需要?？删幊炭刂破鳎╬lc）控制性更強，應變更靈活，操作更簡單，已經(jīng)逐漸取代繼電器

15、控制系統(tǒng)成為新的控制方式。本次設計正是基于plc控制系統(tǒng)，控制一個機械手傳送帶工作單元的設計。對于生產(chǎn)流水線的組成及自動化的基礎建設有著重要的意義。1 總體方案設計 課題介紹在一條自動生產(chǎn)線上，由機械手將傳送帶1上的物品傳送到傳送帶2上。機械手的上升、下降、左轉、右轉、夾緊及放松動作分別由電磁閥控制液壓傳動系統(tǒng)工作，并用限位開關及光電開關檢測機械手動作的狀態(tài)和物品的位置。傳送帶1、2均由三相鼠籠型異步電動機驅動，電動機應有相應的保護。機械手初始狀態(tài)為手臂在下限位（下限位開關sq4受壓），手在傳送帶1上（右限位開關sq2受壓）手指松開。機械手和傳送帶動作控制示意圖下如圖所示。圖 傳送帶機械手動作

16、控制示意圖 畢業(yè)設計的內容機械手搬運模擬系統(tǒng)復位：把plc置run，按下sq6和sq4,手動使機械手回到原點，手爪張開。啟動：按下啟動按鈕，傳送帶1、2起動，當傳送帶1上的物品到達前端，光電開關sq1檢測到物品時，傳送帶1停止。機械手手指夾住物品，夾緊時，夾緊開關sq2動作，位氣爪夾緊，機械手上升；當觸碰到sq3時，上升到位，機械手伸出；當觸碰到sq6，右移到位，機械手下降；觸碰到sq4下降到位，氣爪張開，放松工件，機械手上升。當觸碰到sq3時，上升到位，當觸碰sq5時，左移到位。當觸碰到sq4下降到位，機械手縮回，到達原點，一次性搬運完成。循環(huán)上述動作。停止：按下停止按鈕，結束流程。 畢業(yè)設

17、計任務（1）準備任務：調查、研究機械手運行情況，列出所設計的機械手程序運行情況，鞏固說要運用的知識。（2）畫出電氣控制原理圖和外部接線圖（3）畫出i/o分配表（4）程序設計要求（5）機械手要求有3種控制方式：手動控制方式；單周期控制方式；連續(xù)控制方式。2 plc的特點和傳送帶機械手的介紹 可編程控制器plc 慨況可編程控制器（programmable controller，簡稱pc）。與個人計算機的pc相區(qū)別，用plc表示。plc是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能

18、，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（iec）頒布了對plc的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。plc具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點?？梢灶A料：在工業(yè)控制領域中，plc控制技術的應用必將形成世界潮流plc程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序，又有用戶自己開發(fā)的應用程序，系統(tǒng)

19、程序提供運行平臺，同時，還為plc程序可靠運行及信息與信息轉換進行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設計。 的結構及基本配置一般講，plc分為箱體式和模塊式兩種。但它們的組成是相同的，對箱體式plc，有一塊cpu板、i/o板、顯示面板、內存塊、電源等，當然按cpu性能分成若干型號，并按i/o點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式plc，有cpu模塊、i/o模塊、內存、電源模塊、底板或機架。無任哪種結構類型的plc，都屬于總線式開放型結構，其i/o能力可按用戶需要進行擴展與組合。cpu的構成：plc中的cpu是plc的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺plc至少有一個cpu，它按plc的系統(tǒng)程序賦予的功能接

20、收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和plc內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，還有外圍芯片、總線接口及有關電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內存容量等。內存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是plc不可缺少的組成單元。cpu的控制器控制cpu工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。cpu的運

21、算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。cpu的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。cpu雖然劃分為以上幾個部分，但plc中的cpu芯片實際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對cpu內部的詳細分析已無必要，我們只要弄清它在plc中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。cpu模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設定或控制開關。一般講，cpu模塊總要有相應的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式plc的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接i/o模板或底板，有內存接口，用于安裝內存，有外設口，用于接外部設備，有的還有通訊口，用于進

22、行通訊。cpu模塊上還有許多設定開關，用以對plc作設定，如設定起始工作方式、內存區(qū)等。i/o模塊：plc的對外功能，主要是通過各種i/o接口模塊與外界聯(lián)系的，按i/o點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，i/o模塊可多可少，但其最大數(shù)受cpu所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。i/o模塊集成了plc的i/o電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。電源模塊：有些plc中的電源，是與cpu模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為plc各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24v的工作電源。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流220vac或11

23、0vac，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24v。底板或機架：大多數(shù)模塊式plc使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使cpu能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。plc 的外部設備：外部設備是plc系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類：（1）編程設備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控plc及plc所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是plc開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。（2）監(jiān)控設備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。（3）存儲設備：有存儲卡、存儲磁帶、

24、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如eprom、eeprom寫入器等。（4）輸入輸出設備：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，打印機等。plc的通信聯(lián)網(wǎng)：plc具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使plc與plc 之間、plc與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制?，F(xiàn)在幾乎所有的plc新產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它和計算機一樣具有rs-232接口，通過雙絞線、同軸電纜或光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的范圍內交換信息。當然，plc之間的通訊網(wǎng)絡是各廠家專用的，plc與計算機之間的通訊，一些生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標準總線，

25、并向標準通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機型的plc之間、plc與計算機之間可以方便地進行通訊與聯(lián)網(wǎng)。了解了plc的基本結構，我們在購買程控器時就有了一個基本配置的概念，做到既經(jīng)濟又合理，盡可能發(fā)揮plc所提供的最佳功能。的類型按plc的控制類型，其應用大致可分為以下幾個方面。(1）用于邏輯控制這是plc最基本，也是最廣泛的應用方面。用plc取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。(2）用于模擬量控制plc通過模擬量i/o模塊，可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉換，并對模擬量控制。(3）用于機械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代plc具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機械加工中的數(shù)

26、字控制（nc）及計算機控制（cnc）緊密結合，實現(xiàn)數(shù)字控制。(4）用于工業(yè)機器人控制(5）用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的plc具有較強的通信聯(lián)通能力，可實現(xiàn)plc與plc之間、plc與遠程i/o之間、plc與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網(wǎng)絡。 機械手及傳送帶機械手及傳送帶簡介mechanical hand 也被稱為自動手，auto hand能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。工業(yè)生產(chǎn)

27、上應用的機械手，由于使用場合和工作要求的不同，其結構型式亦各不相同，技術復雜程度也有很大差別。但它們都有類似人的手臂、手腕和手的部分動作及功能；一般都能按預定程序，自動地、重復循環(huán)地進行工作。此外，還有些非自動化的裝備，具有與人體上肢類似的部分動作，結構上與工業(yè)機械手是一致的，亦可歸屬于工業(yè)機械手的范疇。例如，早期就有一種由人直接用繩索牽引進行操作的隨動機械手和近期發(fā)展起來的由人工進行操縱的機械手（如平衡吊），以及一些就近按鈕控制或遙控的非全自動的單循環(huán)的機械手等。1868年，在英國出現(xiàn)了皮帶式傳送帶輸送機；1887年，在美國出現(xiàn)了螺旋輸送機；1905 年，在瑞士出現(xiàn)了鋼帶式輸送機；1906年

28、，在英國和德國出現(xiàn)了慣性輸送機。此后，傳送帶輸送機受到機械制造、電機、化工和冶金工業(yè)技術進步的影響，不斷完善，逐步由完成車間內部的傳送，發(fā)展到完成在企業(yè)內部、企業(yè)之間甚至城市之間的物料搬運，成為物料搬運系統(tǒng)機械化和自動化不可缺少的組成部分。傳送帶一般按有無牽引件來進行分類。傳送帶機械手的基本結構機械手包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。（1）手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造

29、容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。（2）手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)（3）手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由

30、驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。（4）立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。（5）機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。（6）傳送帶具有牽引件的傳送帶一般包括牽引件、承載構件、驅動裝置、張緊裝置、改向裝置和支承件等。牽引件用以傳遞牽引力，可采用傳送帶、牽引鏈或鋼絲繩；承載構件用以承放物料，有料斗、

31、托架或吊具等；驅動裝置給輸送機以動力，一般由電動機、減速器和制動器(停止器)等組成；張緊裝置一般有螺桿式和重錘式兩種，可使牽引件保持一定的張力和垂度，以保證傳送帶正常運轉；支承件用以承托牽引件或承載構件，可采用托輥、滾輪等。機械手的選擇由于機械手是在搬運中的應用，所以采用傳送帶加旋轉的機械手類型。此機械手易于操作，性能可靠。機械手的用途在工業(yè)自動化生產(chǎn)中，無論是單機還是組合機床，以及自動生產(chǎn)流水線，都要用到機械手來完成工件的取放。對機械手的控制主要是位置識別、運動方向控制和物料是否存在的判別。其任務是將傳送帶a上的工件或物品搬運到傳送帶b上。機械手的上升、下移、左移、右移抓緊和放松都是用雙線圈

32、三位電磁閥氣動缸完成。當某個電磁閥通電時，就保持相對應的動作，即使線圈再斷電仍然保持，直到相反方向的線圈通電，相對應的動作才結束。設備上裝有上、下、左、右、抓緊、放松六個限位開關，控制對應工步的結束。傳送帶上設有一個光點開關，監(jiān)視工件到位與否。 機械手是模仿人的手部動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運和操作的自動裝置。它特別是在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調、頻繁的操作中代替人作業(yè)，因此獲得日益廣泛的應用。機械手一般由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測裝置三大部分組成，智能機械手還具有感覺系統(tǒng)和智能系統(tǒng)。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動

33、化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。 在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。實際的機器人由帶有腕(或稱為手臂)的主機身和機身端部的工具(通常是某些類型的夾持器)組成,同時也包括一個輔助動力系統(tǒng)。本文是對整個設計工作較全面的介紹和總機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技

34、術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。3 設計主體部分 控制流程圖本機械手用于生產(chǎn)線上工件的自動搬運，根據(jù)對機械手的工藝過程及控制要求分析，機械手自動連續(xù)動作過程分為八個公步,機械手的動作過程如圖所示： 圖 機械手的動作過程圖 機械手的控制要求為了便于生產(chǎn)加工、維修、調整設置的工作方式選擇開關。分為手動和自動操作，其中自動操作中包括了：單步、單周期、連續(xù)；手動操作包括手動和回原位的操作。手動操作：供維修用，即用按鈕對機械手的每一步動作單獨控制。例如，當選擇手動操作時，按下上升/下降按鈕，機械手在滿足條件情況下即執(zhí)行相應的動作，其它動作以此類推?；卦唬寒斢捎跀嚯娀蚱渌?/p>

35、導致機械手運行中途停止時，再次通電將操作方式選擇置于回原位位置，按下復位按鈕，機械手即可按最短路徑的原則返回到原點位置。單步運行：供試用，即沒按一次啟動按鈕機械手向前執(zhí)行一個動作后停止。單周期運行：供首次檢驗用，當機械手在原點時按下啟動按鈕，機械手自動執(zhí)行一個周期后停止在原點位置連續(xù)運行：正常使用，當機械手在原點并按下啟動按鈕時，機械手周而復始的執(zhí)行各工步動作。該機械手在自動工作狀態(tài)時，應先將其工作方式選擇開關放在“返回原位”，并按下返回原位按鈕，對狀態(tài)器進行置位，然后再將工作方式選擇開關放置自動工作方式下。若自動工作狀態(tài)解除，則硬件工作方式選擇開關放置于“手從操作”位置。機械手的設計方法使用

36、起保停電路進行設計編程。因該機械手的控制有多種工作方式，所以程序上可以劃分為公共程序、手動程序、回原點程序和自動程序四部分。（1）公共程序：用于自動程序和手動程序相互切換的處理，當系統(tǒng)處于手動工作方式時，必須將初始步以外的各步對應的位存儲器復位，同時將表示連續(xù)工作狀態(tài)的復位，否則當系統(tǒng)從自動工作方式切換到手動方式，然后又返回自動工作方式時，可能會出現(xiàn)同時有兩個步同時激活的異常情況，引起錯誤的動作。（2）手動程序：為了使系統(tǒng)安全運行，在程序中應設置必要的連鎖保護。（3）會原點程序；機械手在回原點工作方式時，按下回原點起動按鈕，將會自動完成回原點操作，直到回到原點位置后停止。（4）自動程序：在用起

37、保停電路設計的自動控制程序中應用某點來表示連續(xù)工作狀態(tài)。用某點來表示步與步之間的轉換，即當該點為on時允許轉換，允許步與步之間的轉換。 i/o設備及i/o點分配表轉下一頁表1 i/o設備及i/o點分配表輸入元件輸入繼電器輸入元件輸入繼電器輸出元件輸出繼電器手動x20下限位開關x1下降電磁閥y0回原點x21上限位開關x2夾緊電磁閥y1單步x22右限位開關x3上升電磁閥y2單周期x23左限位開關x4右行電磁閥y3連續(xù)x24上升按鈕x5左行電磁閥y4回原點起動x25左行按鈕x6電機控制1y5起動x26放松按鈕x7電機控制2y6停止x27下降按鈕x10光電開關x30右行按鈕x11夾緊開關x31夾緊按鈕

38、x12 控制面板及說明圖 控制面板圖 傳送帶電動機組電路圖圖 傳送帶電動機組電路圖 傳送帶plc輸入輸出接線圖轉下一頁圖 傳送帶plc輸入輸出接線圖 機械手自動控制梯形圖圖 機械手自動控制梯形圖4 電動機、電磁閥及光電傳感器的介紹 電動機的介紹及選用 交流電動機，是將交流電的電能轉變?yōu)闄C械能的一種機器。交流電動機主要由一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉電樞或轉子組成。電動機利用通電線圈在磁場中受力轉動的現(xiàn)象而制成的。交流電動機由定子和轉子組成，并且定子和轉子是采用同一電源，所以定子和轉子中電流的方向變化總是同步的，即線圈中的電流方向變了，同時電磁鐵中的電流方向也變，根據(jù)左手

39、定則，線圈所受磁力方向不變，線圈能繼續(xù)轉下去。交流電動機就是利用這個原理而工作的。交流電動機誕生于19世紀末,由于它具有控制方便、適應性強、維護便利等一系列優(yōu)點，所以很快成為工業(yè)社會的重要核心，是傳動系統(tǒng)中的主力。同時根據(jù)不同生產(chǎn)過程的需要，孕育了各種各樣的電動機調速裝置和技術，并逐步得到打發(fā)展。本次設計的設定，電動機采用的是三相異步電動機，需求功率為1kw，轉速為900轉/分鐘。所以選擇yp2-100l-6型電動機其主要參數(shù)如下：表2 yp2-100l-6型電動機主要參數(shù)型號yp2-100l-6額定功率（kw）額定電流（a）額定轉矩（）額定轉速（r/min）910最大轉矩/額定轉矩轉動慣量（

40、kg/m2）重量（kg）27 氣缸的介紹及選用物件搬運系統(tǒng)的核心部件是機械手，為了機械手能夠準確定位及自動控制，這里機械手的行動采用了氣缸氣動控制方式。氣缸的行動方向則由plc控制的電磁閥控制完成。具體結構圖如下：由電磁閥控制氣體的進口方向，從而推動氣缸活塞的左右運動，達到控制機械手左右，上下，抓握等動作。下面將分別介紹氣缸和電磁閥的工作原理、特性及選型。轉下一頁圖 氣缸運作結構圖氣動元件及雙向活塞式氣缸將壓縮空氣的壓力能轉換為機械能，驅動機構作直線往復運動，擺動和旋轉運動的元件，稱為氣動元件。在氣動執(zhí)行元件中，使用最多的是直線運動的氣缸。按照將空氣壓力轉換成力的受壓不見的機構不同，有活塞式和

41、非活塞式（如膜片式）目前使用最多的是活塞式。此次設計中采用的活塞式單桿雙向氣缸。雙向氣缸的活塞前進或后退都能輸出動力，行程可根據(jù)需要選擇。一般氣缸兩段都帶有緩沖裝置，當活塞運動到終端時，活塞撞擊的力量很大，所以緩沖裝置可以有效的減少沖撞力。同時，氣缸的兩端還設有行程開關，用以檢測氣缸是否行駛到了極限位置。當氣缸行駛到極限位置時，行程開關閉合，電磁閥停止供氣。氣缸工作原理此次設計中，為了實現(xiàn)機械手在一個方向上的雙向移動，所以選用雙向氣缸。如下圖, 當a道進氣時，活塞帶動機械手向右移動；當b道進氣時，活塞帶動機械手向左移動。轉下一頁ba圖 雙向氣缸示意圖氣缸的選用氣缸的選用主要考慮的是氣缸直徑，氣

42、缸長度等。此次設計中，采用了smc cj2型，缸徑20mm，長度為600mm的標準型雙向氣缸。 電磁閥的介紹及選用電磁閥簡介及分類追朔電磁閥的發(fā)展史，到目前為止，國內外的電磁閥從原理上分為三大類（即：直動式、分步直動式、先導式），而從閥瓣結構和材料上的不同與原理上的區(qū)別又分為六個分支小類(直動膜片結構、分步膜片結構、先導式膜片結構、直動活塞結構、分步活塞結構、先導活塞結構) 。 （1）直動式電磁閥 原理：通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧力把關閉件壓在閥座上，閥門關閉。 特點：在真空、負壓、零壓時能正常工作，但一般通徑不超過25mm。 （2）分步

43、直動式電磁閥 原理：它是一種直動和先導式相結合的原理，當入口與出口壓差，通電時，電磁力直接把先導小閥和主閥關閉件依次向上提起，閥門打開。當入口與出口壓差>，通電時，電磁力先打開先導小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開；斷電時，先導閥和主閥利用彈簧力或介質壓力推動關閉件，向下移動，使閥門關閉。 特點：在零壓差或真空、高壓時亦能可靠工作，但功率較大，要求豎直安裝。 （3）先導式電磁閥 原理：通電時，電磁力把先導孔打開，上腔室壓力迅速下降，在關閉件周圍形成上低下高的壓差，推動關閉件向上移動，閥門打開；斷電時，彈簧力把先導孔關閉，入口壓力通過旁通孔迅速進入上腔室在關閥

44、件周圍形成下低上高的壓差，推動關閉件向下移動，關閉閥門。 特點：流體壓力范圍上限很高，但必須滿足流體壓差條件。電磁閥工作原理圖此次設計采用的是直動式電磁閥，其工作原理是電磁閥內線圈通斷電來控制閥門所在位置，以控制氣流的行駛方向，從而達到使氣缸活塞兩邊運動的目的。當需要氣缸活塞向右運動時，即氣缸左邊空間進氣。此時plc給出信號，電磁閥開關打開，線圈斷電，使彈簧處于放松狀態(tài)。氣體從a管進入氣缸。如下圖：ba 圖電磁閥打開氣流方向當需要活塞向左運動時，則電磁閥開關閉合，線圈帶電，產(chǎn)生磁力。彈簧被壓縮，氣體此時只能從b管進入氣缸，推動活塞運動。如下圖：轉下一頁ba圖 電磁閥關閉氣流方向電磁閥的選用電磁

45、閥的選用一般從以下5點考慮:（1）適用性： 管路中的流體必須和選用的電磁閥系列型號中標定的介質一致。流體的溫度必須小于選用電磁閥的標定溫度。電磁閥允許液體粘度一般在20cst以下，大于20cst應注明。工作壓差，管路最高壓差在小于時應選用如zs,2w,zqdf,zcm系列等直動式和分步直動式；最低工作壓差大于時可選用先導式（壓差式）電磁閥；最高工作壓差應小于電磁閥的最大標定壓力；一般電磁閥都是單向工作，因此要注意是否有反壓差，如有安裝止回閥。 流體清潔度不高時應在電磁閥前安裝過濾器，一般電磁閥對介質要求清潔度要好。 電源電流和消耗功率應根據(jù)輸出容量選取，電源電壓一般允許±10%左右，

46、必須注意交流起動時va值較高。（2）可靠性： 電磁閥分為常閉和常開二種；一般選用常閉型，通電打開，斷電關閉；但在開啟時間很長關閉時很短時要選用常開型了。壽命試驗，工廠一般屬于型式試驗項目，確切地說我國還沒有電磁閥的專業(yè)標準，因此選用電磁閥廠家時慎重。 動作時間很短頻率較高時一般選取直動式，大口徑選用快速系列。（3）安全性：一般電磁閥不防水，在條件不允許時請選用防水型，工廠可以定做。電磁閥的最高標定公稱壓力一定要超過管路內的最高壓力，否則使用壽命會縮短或產(chǎn)生其它意外情況。有腐蝕性液體的應選用全不銹鋼型，強腐蝕性流體宜選用塑料王（slf）電磁閥。爆炸性環(huán)境必須選用相應的防爆產(chǎn)品。（4）經(jīng)濟性： 有

47、很多電磁閥可以通用，但在能滿足以上三點的基礎上應選用最經(jīng)濟的產(chǎn)品。（5）根據(jù)持續(xù)工作時間長短來選擇：常閉、常開、或可持續(xù)通電。 當電磁閥需要長時間開啟，并且持續(xù)的時間多余關閉的時間應選用常開型。 要是開啟的時間短或開和關的時間不多時，則選常閉型。鑒于以上特點，此次設計選擇電磁閥型號為：sy3120-5ld-c6×3 光傳感器的介紹及選用傳感器是現(xiàn)在及將來在自動化控制系統(tǒng)中最為重要的一個單元，其可以將外界模擬量的變化轉化為電信號的輸出，從而實現(xiàn)了一個工作系統(tǒng)針對外界的變化而做出相應控制動作的功能。光電開關（光電傳感器）是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路

48、選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。在本次設計中，由于需要采集的信息是物體的移動，所以采用的是光電傳感器，光電傳感器是一種小型電子設備，它可以檢測出其接收到的光強的變化。在機械手和傳送帶自動控制系統(tǒng)中實現(xiàn)自動控制的信息采集作用。光電傳感器的分類反射光電傳感器對射距離漫反射回歸反射圖(1)漫反射型影響檢測的因素：安裝角度；測量物體的顏色； 振動優(yōu)點：安裝最簡單，方便 缺點：漫反射光電傳感器是檢測最不穩(wěn)定的。被測物體tr傳感器圖 漫反射型傳感器(2)回歸反

49、射型影響檢測的因素：被測物的光主亮度；反光鏡的安裝角度97年前，以上兩方面確實是回歸型傳感器存在的影響因素。但后來該類型傳感器增加了功能：即該功能的一個重要特點就是：反光鏡可以把縱波轉換為橫波。發(fā)射器發(fā)射的是縱波，而接收器只能接收橫波。發(fā)射器發(fā)射的縱波經(jīng)過反光鏡把縱波轉變成橫波，由接收器接收。由于物體沒有把縱波轉變?yōu)闄M波的功能，因此，無論物體光亮度如何，只能把發(fā)射器發(fā)射的縱波返回，接收器不能接收到橫波信號，這樣，就可以準確地檢測物體的有無。優(yōu)點：可檢測透明物體和光亮度高的物體；檢測穩(wěn)定，安裝方便缺點：當反光鏡或傳感器表面有灰塵時，檢測精度降低。可以改變安裝方式，經(jīng)常擦拭灰塵來消除此影響。反光鏡

50、角度影響檢測精度反光鏡tr傳感器圖 回歸反射型傳感器(3)對射型影響檢測的因素：被測物的透光性；被測物的大小優(yōu)點：檢測精度最高缺點：安裝不方便，占用較大安裝空間；能檢測透明和體積小的物體t發(fā)射器r接收器圖對射型傳感器(4)距離型傳感器原理：該傳感器的檢測距離是一定的，因此，檢測的發(fā)射光和反射光間的角度也是一定值。當傳感器檢測被測物時，檢測到發(fā)射光和由被檢測物返回的反射光之間的角度和設定的角度不同，此時，傳感器就認為檢測到物體。 另外，該傳感器發(fā)射器是點發(fā)射，而接收器是面接收。這樣，就允許被測物有一個更大的偏轉角度。優(yōu)點：和物體的顏色無關；被測物可以偏轉更大的角度；有灰塵擋住時，自動增

51、強入射光和反射光的強度，保證檢測精度不受灰塵的影響；安裝方便常用參數(shù)(1)應差距離當物體移到傳感器臨界檢測距離時，傳感器有輸出；而當物體向右移動時，傳感器并不隨之就沒有輸出了，而是移動一段距離后，傳感器才沒有輸出。這段距離就是應差距離。應差距離越小越好，現(xiàn)在應差距離一般在1mm6mm間。(2)檢測距離指傳感器最大檢測的距離。對于漫反射型傳感器來說，是可以檢測到物體的最大距離；回歸反射型傳感器是傳感器和反光鏡間的距離；對射型傳感器是發(fā)射器和接收器間距離。(3)ip等級ip等級指傳感器的防塵防水的等級(前一數(shù)字是防塵等級，后一數(shù)字是防水等級)。如：ip68：完全防塵，可以長時間在水中工作；ip67

52、：完全防塵，可以在水中工作90分鐘；ip65：完全防塵，防水噴濺。（4) l(ight)-on/d(ark)on模式l(ight)-on：沒有檢測物時，傳感器有輸出d(ark)-on：有檢測物時，傳感器有輸出 光電傳感器選用原則：（1）能用對射，用對射。不能用對射時再考慮其它方式(2）光點直徑被測物的大小由于生產(chǎn)線上的物件有外形上的不規(guī)則性，直反式的光電傳感器可能不能及時發(fā)出相應的信息，或者效果不明顯。并且由于機械手必須準確抓握物件，防止物件的損傷，所以對時間反應上要求較為嚴格。同時傳送帶寬度為1m，所以此次設計選用對射式光傳感器。5 系統(tǒng)的仿真分析 plc的編程語言及常用語言設計簡介（1）順

53、序功能流程圖語言（sfc）順序功能流程圖語言是為了滿足順序邏輯控制而設計的編程語言。編程時將順序流程動作的過程分成步和轉換條件，根據(jù)轉移條件對控制系統(tǒng)的功能流程順序進行分配，一步一步的按照順序動作。每一步代表一個控制功能任務，用方框表示。在方框內含有用于完成相應控制功能任務的梯形圖邏輯。這種編程語言使程序結構清晰，易于閱讀及維護，大大減輕編程的工作量，縮短編程和調試時間。用于系統(tǒng)的規(guī)模校大，程序關系較復雜的場合。圖是一個簡單的功能流程編程語言的示意圖。 轉下一頁圖功能流程編程語言示意圖順序功能流程圖編程語言的特點：以功能為主線，按照功能流程的順序分配，條理清楚，便于對用戶程序理解；避免梯形圖或

54、其他語言不能順序動作的缺陷，同時也避免了用梯形圖語言對順序動作編程時，由于機械互鎖造成用戶程序結構復雜、難以理解的缺陷；用戶程序掃描時間也大大縮短。（2）指令表語言（il） 指令表編程語言是與匯編語言類似的一種助記符編程語言，和匯編語言一樣由操作碼和操作數(shù)組成。在無計算機的情況下，適合采用plc手持編程器對用戶程序進行編制。同時，指令表編程語言與梯形圖編程語言圖一一對應，在plc編程軟件下可以相互轉換。圖就是與圖2plc梯形圖對應的指令表。 圖 指令表指令表表編程語言的特點是：采用助記符來表示操作功能，具有容易記憶，便于掌握；在手持編程器的鍵盤上采用助記符表示，便于操作，可在無計算機的場合進行

55、編程設計；與梯形圖有一一對應關系。其特點與梯形圖語言基本一致。(3)梯形圖語言（ld） 梯形圖語言是plc程序設計中最常用的編程語言。它是與繼電器線路類似的一種編程語言。由于電氣設計人員對繼電器控制較為熟悉，因此，梯形圖編程語言得到了廣泛的歡迎和應用。梯形圖編程語言的特點是：與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；與原有繼電器控制相一致，電氣設計人員易于掌握。梯形圖編程語言與原有的繼電器控制的不同點是，梯形圖中的能流不是實際意義的電流，內部的繼電器也不是實際存在的繼電器，應用時，需要與原有繼電器控制的概念區(qū)別對待。圖是典型的交流異步電動機直接啟動控制電路圖。圖是采用plc控制的程序梯形圖。 圖 交流異步電動機直接啟動電路圖圖 plc梯形圖(4)功能模塊圖語言（fbd）功能模塊圖語言是與數(shù)字邏輯電路類似的一種plc編程語言。采用功能模塊圖的形式來表示模塊所具有的功能，不同的功能模塊有不同的功能。圖是對應圖1交流異步電動機直接啟動的功能模塊圖編程語言的表達方式。圖功能模塊圖功能模塊圖編程語言的特點：功能模塊圖程序設計語言的特點是：以功能模塊為單位，分析理解控制方案簡單容易；功能模塊是用圖形的形式