上下料機械手設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

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1、武漢紡織大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 目錄 摘 要 2 第一章 緒論 4 1.1 選題背景 4 1.2 設(shè)計目的 4 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 5 1.4 設(shè)計原則 5 第二章 機械手的概述 6 2.1 機械手的組成 6 2.2 機械手的分類 6 2.3 機械手的基本動作 7 2.4 機械手的操作原理 9 2.5 機械手的應(yīng)用 9 第三章 機械手自動控制系統(tǒng) 11 3.1 控制系統(tǒng)的選擇 11 3.2 液壓控制系統(tǒng)的元件 11 3.3 液壓控制系統(tǒng)原理 12 3.4 機械手夾緊液壓系統(tǒng)的控制回路 15 3.5 液壓控制的特點 15 第四章 機械手

2、夾緊電氣控制設(shè)計 16 4.1 設(shè)計內(nèi)容 16 4.1.1 設(shè)計要求 17 4.1.2 方案的確定 17 4.2 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 17 4.2.1 機械手的機械結(jié)構(gòu) 17 4.2.2 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 18 4.3機械手夾緊工作原理圖的設(shè)計 19 4.3.1 元件的選擇 19 4.3.2 繪制原理圖 19 4.3.3 元件作用 21 4.4 主要電器元件 22 4.4.1 接觸器 22 4.4.2 熱繼電器 22 4.4.3 時間繼電器 23 4.4 機械手夾緊電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計 24 4.4.1機械手夾緊的工藝流程 24 4.4.2機械手夾緊的動作狀態(tài)表

3、25 4.4.3 機械手夾緊電氣控制電路的邏輯表達式 27 4.4.4 電路圖的描繪 27 第五章 PLC控制系統(tǒng) 29 5.1 PLC概述 29 5.1.1 PLC簡介 29 5.1.2 可編程序控制器的工作原理 29 5.1.3 三菱PLC編程語言的特點 30 5.1.4 PLC的應(yīng)用設(shè)計步驟 31 5.2機械手夾緊電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計 32 5.2.2 機械手夾緊PLC控制系統(tǒng)的I/O端點分配和I/O接線圖 32 5.2.3 程序控制的設(shè)計 33 翻譯 40 心得 46 參考文獻 48 致 謝 49

4、 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　  指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　

5、 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。 作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　  學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體

6、已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日

7、 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 摘 要 通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識進行整合，對工業(yè)機械手各部分機械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，設(shè)計了一種圓柱坐標(biāo)形式的數(shù)控機床上下料機械手。重點針對機械手的腰座、手臂、手爪等各部分機械結(jié)構(gòu)以及機械手控制系統(tǒng)進行了詳細的設(shè)計。具體進行了機械手的總體設(shè)計，腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計，機械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計，機械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計，機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計，機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。同時對液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了理論分析和計算?；赑LC對機械手的控制系統(tǒng)進行了深入細致的設(shè)計，通過對

8、機械手作業(yè)的工藝過程和控制要求的分析，設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件電路，同時編制了機械手的控制程序。設(shè)計達到了設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：機械手； PLC； 液壓伺服定位； 電液系統(tǒng) Abstract Integrate the knowledge of the past four years’ of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of mani

9、pulator; design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end effector and the control system etc. including Total design, waist’s construction design, the arm’s construction d

10、esign, the wrist’s construction design, the end effector’s construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. Deeply design the manipulator’s control system, which based on PLC. After analysis about the c

11、raft process and the requests of the manipulator, the hardware circuit and the control program of the manipulator then is designed. In a word, the design of the manipulator has come to the anticipant object. Keyways: Manipulator； PLC； Hydraulic servo control； Electrohydraulic system

12、 第一章 緒論 1.1 選題背景 機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)F

13、MS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設(shè)計是非常有意義的。 1.2 設(shè)計目的 本設(shè)計通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知

14、識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。 目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機器人技術(shù)，設(shè)計用一臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。 本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自

15、動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： A．機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機。 B．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成

16、度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 C．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)。 D．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； E．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以

17、及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 1.4 設(shè)計原則 在設(shè)計之前，必須要有一個指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為根本設(shè)計目標(biāo)，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著

18、科學(xué)經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計原則，同時也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點，將大學(xué)期間所學(xué)的知識，如機械設(shè)計、機械原理、液壓、氣動、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設(shè)計中，使得經(jīng)過本次設(shè)計對大學(xué)階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設(shè)計。 第二章 機械手的概述 2.1 機械手的組成 1. 手部（或稱抓取機構(gòu)）：包括手指、傳力機構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。 2. 傳送機構(gòu)（或稱臂部）：包括手腕、

19、手臂等，主要起改變物件方位和位置的作用。 3. 驅(qū)動部分：是驅(qū)動前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓、氣壓、電力和機械式驅(qū)動四種形式。 4. 控制部分：是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序（程序）、位置和時間（甚至速度與加速度）等。 5. 傳感裝置：其中裝有某種傳感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映受制于物件是否接觸、物件有無滑下或脫落、物件的方位是否正確、手指對物件的握緊力是否于物件的重量相適應(yīng)等。 6. 行程檢測裝置：是檢測和控制機械手各運動行程（位置）的裝置。 2.2 機械手的分類 1. 按用途分類 （1）專用機械手 專用機械手是專門為一定設(shè)備服務(wù)的，

20、簡單、實用，目前在生產(chǎn)中運用得比較廣泛。它一般只能完成一、兩種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制控制程序來獲得多種工作程序，以適應(yīng)多種作業(yè)的需要。 （2）通用機械手 通用機械手是在專用機械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能對不同物件完成多種動作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨立工作的自動化裝置，其動作程序可按照工作需要來改變，大都是采用順序控制系統(tǒng)。 2. 按控制形式分類 （1）點位控制機械手 點位控制機械手的運動軌跡是空間兩點之間的連接?？刂泣c數(shù)越多，性能愈好。它基本能滿足各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。 （2）連續(xù)軌跡控制機械手 這種機械手的運動軌跡

21、是空間的任意曲線，它能在三維空間中做極其復(fù)雜的動作，工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜。 3. 按驅(qū)動方式分類 可分為四類： （1） 液壓驅(qū)動式； （2） 氣壓驅(qū)動式； （3） 電氣驅(qū)動式； （4） 機械驅(qū)動式。 4. 按機械手臂力大小分類 按臂力（即被傳送物件的重量）的大小，又可將機械手分成如下4類： （1） 微型機械手，臂力小于1kg。 （2） 小型機械手，臂力為1～10kg。 （3） 中型機械手，臂力為10～30kg。 （4） 大型機械手，臂力大于30kg。 2.3 機械手的基本動作 機械手形式較多，按手臂的坐標(biāo)形式而言，主要有4種基本形式——直角坐標(biāo)式、圓柱坐

22、標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。 現(xiàn)就每種形式所能完成的動作進行闡述。 1. 直角坐標(biāo)式 直角坐標(biāo)式機械手，是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它只能進行直線運動。具體動作如下： (1) 手臂伸縮； (2) 手臂左右移動； (3) 手臂上下移動。 2. 圓柱坐標(biāo)式 圓柱坐標(biāo)式機械手，是應(yīng)用最多的一種形式，它適用于搬運和測量工件。基本動作如下： (1) 手臂水平回轉(zhuǎn)； (2) 手臂伸縮； (3) 手臂上下； (4) 手臂回轉(zhuǎn)動作； (5) 手指夾緊動作。 3. 球坐標(biāo)式 球坐標(biāo)式機械手，是用途比較廣的一種機械手。它的基本動作如下： (1) 手臂

23、上下運動，即俯仰運動； (2) 手臂左右運動，即回轉(zhuǎn)運動； (3) 手臂前后運動，即伸縮運動； (4) 手腕上下彎曲； (5) 手腕左右擺動； (6) 手腕旋轉(zhuǎn)運動； (7) 手指夾緊運動； (8) 機械手整體運動。 4. 關(guān)節(jié)式 關(guān)節(jié)式機械手，是一種適用于靠近機體操作的傳動形式。它像人手一樣有肘有節(jié)，可實現(xiàn)多個動作，動作比較靈活，適于在狹小的空間工作。其動作如下： (1) 肩旋轉(zhuǎn)； (2) 上臂彎曲擺動； (3) 下臂彎曲擺動； (4) 下臂旋轉(zhuǎn)； (5) 手腕彎曲擺動； (6) 機械手整體旋轉(zhuǎn)。 2.4 機械手的操作原理 設(shè)計機械手的靈感來自人的手臂，但也

24、有些不同。例如，機器人的手臂可以通過嵌入重疊而擴展，即滑動一個套一個的圓筒使手臂延長。機器人的手臂將有待改造以便于他們能像大象鼻子那樣彎曲。抓手,或末端效應(yīng)器,被設(shè)計仿造人的手的作用和結(jié)構(gòu)。許多機器人裝備有特別的抓手以抓取特殊設(shè)備譬如試管或弧焊工機架。 機器人手臂的關(guān)節(jié)通常是電動機驅(qū)動的，大多數(shù)機器人抓手從一個地方移到另一地方改變方向。運動中計算機計算關(guān)節(jié)角度時需要將抓手移到指定位置。 一些多關(guān)節(jié)的手臂由伺服系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)，從計算機接收輸入信號的控制器構(gòu)成。手臂各關(guān)節(jié)有一個設(shè)備測量它的角度并把結(jié)果送往控制器。如果手臂的實際角度不合指定位置的計算角度，伺服控制器控制關(guān)節(jié)移動到手臂角度等于計算

25、值?？刂破骱团c之相連的計算機還必須處理從照相機收集到的確定被抓物體位置的測量信息，不然的話就會碰壞抓手上調(diào)節(jié)抓力的傳感器。 任一種機械手的設(shè)計在一個無特定結(jié)構(gòu)或未知的環(huán)境里將要求多個傳感器和控制器,例如，超音波或紅外傳感器可避免障礙。機器人，像美國航空航天局（NASA）的齒輪機器，要求有許多傳感器和強有力的機載計算機處理他們流動性的復(fù)雜信息。對于設(shè)計像人一樣準(zhǔn)確工作的機械手，例如幫助殘疾人的機械手和在醫(yī)院為病人喂食的機械手，就更是如此。安全性是設(shè)計為人類服務(wù)的機械手必備的。 2.5 機械手的應(yīng)用 機械手是一種能按給定的程序或要求，自動地完成物件（如材料、工件、零件或工具等）傳送或操作作業(yè)

26、的機械裝置，它能部分地代替人的手工勞動。較高級形式的機械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復(fù)雜的作業(yè)[3]。機械手正在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域大顯身手。它們被用于搬運物品、裝卸材料、組裝零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如：讓機械手握住焊槍，可進行焊接；握住噴槍，可進行噴漆。而且讓機械手處理高溫、有毒產(chǎn)品等，它比人手更能適應(yīng)工作。機器人技術(shù)發(fā)展到智能化階段，機械手也越來越靈巧了，它們已能完成握筆寫字、彈奏樂器、抓起雞蛋、甚至穿針引線等精細復(fù)雜的工作。機械手還可以用來裝配電子元件。機器人能很好的將芯片裝配在印刷電路板上，因為它具備人所沒有具備的能力。一旦適當(dāng)?shù)鼐幊?，機械手就不會將芯片放錯地方。這

27、種自動的精度在這種類型的工業(yè)中特別有價值，因為定位和安裝錯誤代價是很高的。 機械手的運動范圍是指機械手在平面或空間的運動圖形(軌跡的形狀)及其大小是機械手的主要技術(shù)參數(shù)之一。機械手所具有的活動度的數(shù)目及組合不同，則其運動圖形也不同，而活動度的變化范圍(即直線運動的距離和回轉(zhuǎn)角度的大小)決定著運動圖形的大小。一般情況下臂部的活動度主要是用以基本上確定手部以及工件(或工具)在空間的運動范圍和位置。因此臂部的運動也稱作機械手的主運動而腕部的活動度則主要是用來調(diào)整手部以及工件(或工具)在空間的方位。

28、 第三章 機械手夾緊自動控制系統(tǒng) 3.1 控制系統(tǒng)的選擇 控制系統(tǒng)是機械手的一個重要組成部分，是保證機械手完成動作要求的主要手段。用它可以控制機械手的工作順序、運動軌跡、動作時間和速度等，使機械手按照作業(yè)的要求去完成各項任務(wù)。在綜合性裝配作業(yè)中，機械手不僅需要具備各項裝置的性能，還應(yīng)具有相當(dāng)?shù)淖R別能力，如視覺、聽覺和觸覺的能力等。如要具有判斷、思考能力，則還需要裝配各種傳感裝置。對于復(fù)雜的作業(yè)則需要裝配計算機來進行控制。 目前生產(chǎn)中配備的機械手主要采用液壓控制和程序控制?？刂苿幼鞅容^簡單的可采用射流控制和機械控制；控制動作較多、較復(fù)雜

29、的可采用數(shù)字控制；多臺機械手同時操作時，則可采用小型計算機控制系統(tǒng)。本次設(shè)計中，基于考慮實際應(yīng)用和機械手具體動作而采用液壓控制系統(tǒng)，然后采用PLC邏輯編程。 3.2 液壓控制系統(tǒng)的元件 液壓控制是機械手的一種主要的控制形式，機械手的運動速度和操作是根據(jù)油的流量與壓力來確定的。 1. 油缸 油缸是盛油液的主要裝置，是進行自動控制的媒介。它與手爪夾緊時所需的壓力、油缸的機械效率、機械手運行速度都有關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況而定。當(dāng)外部載荷確定后，工作壓力高，可減小活塞面積，使機械手小巧靈活。但隨著壓力增高，對液壓元件精度及密封要求也高。 2. 油泵 油泵是液壓系統(tǒng)的心

30、臟，它把電動機輸入的機械能轉(zhuǎn)變成為油壓，同時向液壓系統(tǒng)提供具有一定壓力和流量的壓力油。油泵的種類較多，目前在機械手上多數(shù)是采用齒輪泵和葉片泵。而從流量的特性看，多數(shù)是采用定量泵。機械手常用的齒輪泵CB型，一般額定工作壓力為25kg/，葉片泵（YB）型一般為63kg/。而定量泵是根據(jù)液壓系統(tǒng)所需的油泵工作壓力P和所需的流量q這兩個參數(shù)來確定的。 3. 控制閥 液壓元件主要有方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥3大類。 (1) 方向控制閥 方向控制閥能夠引導(dǎo)或阻止液流通過某選定的通道，它只起開關(guān)作用，而不能調(diào)節(jié)流量和壓力。它通常是兩通、三通和四通型的，可以采用手動和機械傳動、氣動和電動進行操

31、作。 (2) 壓力控制閥 壓力控制閥用于調(diào)節(jié)油路壓力，可分為溢流閥和減壓閥兩類，可以是單級（直接作用式），也可以是兩級（復(fù)合式）。溢流閥是常閉的，達到最大壓力時才開啟，將多余流量從旁路流掉，以保持調(diào)定的壓力；減壓閥是常開的，它的關(guān)閉是為了對管道中液流進行節(jié)制，以保持某一最低壓力。此外，與減壓閥結(jié)構(gòu)近似的壓力控制閥還有安全閥或過載溢流閥、背壓閥、卸荷閥、分載閥、順序閥、降壓閥以及沖擊抑制閥等。 (3) 流量控制閥 流量控制閥用來調(diào)節(jié)油路中流量，其結(jié)構(gòu)形式也很多。從簡單的兩通針閥、球閥、閘門閥直至固定式和可調(diào)式帶壓力補償?shù)牧髁靠刂崎y等。分流閥、減速閥也是流量控制的一種特殊形式。 總之，液

32、壓執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)緊湊，輸出功率大，作為動力元件是十分合適的。但怎樣進行反饋測量以及信號放大、信號操縱，則有賴于電子元件。 3.3 液壓控制系統(tǒng)原理 機械手的液壓系統(tǒng)是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換機械能。手臂在運動時所克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效面積有關(guān)。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運動著的壓力油的容積變化來傳遞

33、動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都是屬于容積式液壓傳動。液壓傳動系統(tǒng)框圖可概括如下： 機械能 輸出 圖3-3a 液壓傳動系統(tǒng)框圖 根據(jù)系統(tǒng)框圖繪畫出其原理圖。 圖3-3b 機械手夾緊液壓原理圖 1-油箱 2-濾油器 3-油泵 4-溢流閥 5-單向閥 6、7、8-換向閥 9-壓力表開關(guān) 10-壓力表 11-直線缸 12-活塞桿（手臂） 13-手指 14-手指動作直線缸 20-回油油 圖3-3b中換向閥8是處于中間位置的，這時手臂是不動的。換向

34、閥7處于斷電狀態(tài)（工作油路19與手指夾緊油缸14左腔斷開）。 壓力油通過單向閥5進入工作油路19后，又分成幾條油路分別進行工作。其中一條壓力油經(jīng)換向閥8（此時電磁鐵線圈左通電，而右端的電磁鐵斷電）把閥芯推向右方，使壓力油經(jīng)左邊的環(huán)槽進入手臂伸縮油缸11的左腔，活塞桿12向右移動（手臂伸出）。 油缸11右腔的油經(jīng)換向閥8右邊的環(huán)槽和回油路20流回油箱。當(dāng)換向閥8的電磁鐵線圈左斷電，而其右邊的電磁鐵線圈通電時，把閥芯推向左邊，使工作油路19與手臂伸縮油缸11的右腔接通，壓力油推動活塞桿（手臂）12向左移動，使伸縮缸11左腔的油經(jīng)換向閥8左邊的環(huán)槽和回油油路20流回油箱。另一路壓力油經(jīng)換向閥7，

35、工作油路19中的壓力油進到握緊油缸14的左腔，推動活塞桿21向右移動，借助其端面的楔形使手指13閉合，以握緊物件。手部握緊工件時要有一定的握力，因此要求油路系統(tǒng)要保持一定的壓力，這個壓力的調(diào)節(jié)是由溢流閥4實現(xiàn)的。從油泵3打出來的壓力油，除了通向單向閥5以外，還有一條分路通向溢流閥4。當(dāng)溢流閥中的鋼球在彈簧的作用下將閥門堵死時，壓力油不能通過溢流閥。當(dāng)油液的壓力增高到一定程度時，并能克服彈簧的作用力將鋼球頂開時，壓力油就通過溢流閥及管路而流回油箱，使工作油液的壓力再不能繼續(xù)升高。 3.4 機械手夾緊液壓系統(tǒng)的控制回路 機械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機械手動作的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一

36、些基本控制回路所組成。這些基本控制回路具有各種功用，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。而任何機械運動的全局都是由它的局部構(gòu)成，掌握了實現(xiàn)這些基本功用的液壓控制回路，對于分析和設(shè)計機械手的液壓系統(tǒng)大有裨益。 3.5 液壓控制的特點 1. 液壓控制的優(yōu)點 （1）液壓執(zhí)行元件（馬達和油缸）結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率-重量比小。 （2）可通過液壓油帶走大量熱能，保證機械的正常運行，并且由于液壓油的潤滑作用，可延長元件的使用壽命。 （3）液壓元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式兩種，使用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調(diào)節(jié)就能實現(xiàn)開環(huán)與閉環(huán)的控制系統(tǒng)

37、。 （4）響應(yīng)速度比較快，能高速啟動、制動和反向，無滯后現(xiàn)象。其力矩-慣量比也較大，因而其加速能力較強。 （5）液壓元件與其他驅(qū)動元件相比，剛度較大、位置誤差小、定位精度、耐振動。 2. 液壓控制的缺點 （1）液壓控制需要一套液壓系統(tǒng)，不像電力容易獲得，而且價格較貴。 （2）油溫有上限，并難以保持不漏，比較臟，容易使閥和執(zhí)行元件堵塞。 （3）控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，處理功率信號的數(shù)字運算誤差、檢測、放大、測試與補償功能不如電子、機電裝置靈活簡便。 第四章 機械手夾緊電氣控制設(shè)計 4.1 設(shè)計內(nèi)容 機械手的設(shè)計，主要是根

38、據(jù)生產(chǎn)的具體要求進行機械手方案的設(shè)計，以便選擇和確定機械手的形式、機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式及系統(tǒng)原理圖和控制方式及線路圖等。它必須視具體情況而定。 此次設(shè)計因為要考慮到手部、大手臂、小手臂、手腕的動作狀態(tài)，根據(jù)這幾個動作要求，選擇可進行多個動作操作的關(guān)節(jié)式。目前工業(yè)生產(chǎn)中多采用液壓系統(tǒng)進行控制，故此次設(shè)計經(jīng)實用性方面考慮驅(qū)動方式和控制方式均采用液壓系統(tǒng)來進行驅(qū)動并控制。 4.1.1 設(shè)計要求 1. 被抓取對象的情況 就是被抓物件的重量、形狀、尺寸、材料、表面加工情況、易碎性及數(shù)量等，以便選擇手部的結(jié)構(gòu)及計算必要的夾緊力或吸附力大小。 2. 工作現(xiàn)場的情況 機械手所附屬于工作主

39、機或自動線的工作場地面積和空間大小，工作主機的排列情況等，決定著機械手的安裝情況。 3. 工作環(huán)境及其他特殊要求 此次設(shè)計主要是在高溫環(huán)境下作業(yè)，由于有熱的傳導(dǎo)和輻射問題，手部要采取冷卻與隔熱措施，使機械手能夠安全順利的實施自動操作。 4.1.2 方案的確定 方案的確定主要是機械手的驅(qū)動方式的確定。究竟是用液壓、氣壓、電動，還是機械傳動，要根據(jù)生產(chǎn)工藝和工作環(huán)境來定，本次設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求及實用性，采用液壓驅(qū)動方式。 4.2 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 4.2.1 機械手的機械結(jié)構(gòu) 機械手的機械結(jié)構(gòu)包括手指、手腕、手臂、機身。各結(jié)構(gòu)控制的動作各不相同。 (1) 手指：機械手中直接與工件或

40、工具接觸完成握持工件或工具的部件有些機械手直接將工具(如焊槍噴槍容器等)裝置于機械手的前端而不設(shè)置手部。 (2) 手腕：機械手中聯(lián)接手部與臂部主要用來確定手部工作時的位置并擴大臂部動作范圍的部件一些簡易的機械手也有不設(shè)手腕部件將手部直接裝在手臂部件的端部。 (3) 手臂：機械手中支承腕部和手部用來實現(xiàn)較大范圍運動的部件 (4) 機身：機械手中用來支承手臂等部件并安裝驅(qū)動裝置及其他裝置的部件。機械手的每一個活動度都相應(yīng)要配有一個原動件(如油缸氣缸或電動機等驅(qū)動裝置) ，當(dāng)原動件按一定的規(guī)律運動時，機械手各運動部件就隨之作完全確定的運動?；顒佣葦?shù)和原動件數(shù)必須相等，只有這樣才能使機械手具有運

41、動的確定性。 本次設(shè)計中，手部的動作是夾緊和松開，由雙作用式活塞油缸驅(qū)動齒條齒輪機構(gòu)實現(xiàn)。手腕的動作是左右橫移運動，由無桿活塞油缸和四個滾動軸承構(gòu)成的滾動導(dǎo)軌等組成的機構(gòu)來實現(xiàn)。小手臂的動作是上下擺動運動，由采用鉸鏈連接的雙作用活塞油缸推動杠桿支架來使其動作。大手臂的動作是上下擺動運動，與小手臂的運動分別在互相垂直的平面內(nèi)，同樣是采用鉸鏈連接的雙作用活塞油缸推動大臂杠桿使其動作。 4.2.2 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 1. 手臂設(shè)計要求 手臂的基本作用是將手爪移動到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量等。設(shè)計當(dāng)中應(yīng)該滿足以下幾點要求： (1) 手臂應(yīng)承載能力大、剛性好、

42、自重輕 (2) 手臂的運動速度要適當(dāng)，慣性要小 (3) 手臂動作要靈活 (4) 位置精度高 (5) 通用性強，能適應(yīng)多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調(diào)整 2. 手部設(shè)計要求 手部除了要滿足手指抓取機能的要求外，還應(yīng)滿足以下幾點要求： (1) 握力的大小要適宜。握力過大，則需要較大的動力源和較大的結(jié)構(gòu)，不經(jīng)濟，并可能損壞物件；握力過小，會由于物件的自重以及傳送過程中的慣性和振動等而抓不住物件。在通常情況下，所需的握力是物件重量的2～3倍。 (2) 有足夠的加緊距離。無論哪種類型的手部，抓取物件時，要使物件能夠順利地進入手指；而放置物件時，物件又應(yīng)易于擺脫手指的約束。 3. 手腕設(shè)計

43、要求 手腕是連接手臂和手指的中間部分，所以對它的要求也很簡單，只要能夠靈活的移動及運轉(zhuǎn)即可。 4.3機械手夾緊工作原理圖的設(shè)計 液壓系統(tǒng)工作原理圖的繪制時設(shè)計液壓機械手的主要內(nèi)容之一。液壓原理圖是各種液壓元件為滿足機械手動作要求的有機聯(lián)系圖。繪制液壓原理圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖圖形符號，畫出液壓原理圖。 4.3.1 元件的選擇 1. 油泵的選擇 此次設(shè)計中，機械手的動作共有八個，即手指夾緊零件、手指松開零件、大手臂上移、小手臂上移、大手臂下移、小手臂下移、手腕左移、手腕右移。單靠一個

44、油泵無法達到供油的目的，所以采用雙聯(lián)泵共同控油。 2. 電磁換向閥的選擇 設(shè)計中，機械手的動作都是相對的，即上下擺動、抓緊松開、左右橫移，鑒于此可采用一個換向閥控制手臂的相對動作，節(jié)省財力和能源。而又因為每個電磁換向閥均控制兩個動作，故采用三位四通形式。 3. 調(diào)速閥的選擇 調(diào)速閥的選擇首先應(yīng)該具有調(diào)速的功能，同時為了避免油泵停止工作時，液壓系統(tǒng)中的油液流空和進入空氣，可選擇具有單向調(diào)速閥。 4.3.2 繪制原理圖 鑒于以上所作的分析，此次八動作機械手的原理圖的繪制如圖4-3-2所示。 圖4-3-2 機械手夾緊液壓系統(tǒng) 4.3.3 元件作用 1. 原理圖中采用34D-

45、25B三位四通電磁換向閥來控制油缸的動作。大、小手臂上下擺動工作油路，采用QI-25B單向調(diào)速閥分別調(diào)節(jié)大、小手臂上下擺動的速度。大、小手臂油缸的下端進油腔分別接入1Y-25液控單向閥，以防止突然斷電時大、小手臂倒下來。在系統(tǒng)的回油路設(shè)置了單向閥I-25，使系統(tǒng)在油缸停止工作時不致因油液流空而進入空氣，以保證啟動平穩(wěn)。手指夾緊需要一定的握力，所以單獨用一油泵控制其動作。換向閥采用34D-10B，單向閥采用型號為1Y-10，避免突然斷電時手指松開。 2. 37-100L為網(wǎng)式濾油器。油泵從油箱中吸進的油液先經(jīng)過濾油器，將油液過濾，以防止碎屑等雜質(zhì)進入工作油路而損壞工作機械。 3. 單向閥用來

46、保證該油路只能單方向工作。當(dāng)油泵停止工作時，借以防止液壓系統(tǒng)中的油液流空和進入空氣而影響液壓驅(qū)動的性能。 4. Y-25B和Y-10B均為溢流閥，其調(diào)節(jié)液油壓力作用。 應(yīng)當(dāng)注意的是在液壓系統(tǒng)中由于液壓要流經(jīng)溢流閥、節(jié)流閥、減壓閥和調(diào)速閥等，以及液壓元件的自身泄漏和油液流經(jīng)長而曲折的管道時均有壓力損失，這些壓力損失都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽\動部件之間的互相摩擦也產(chǎn)生熱量，致使液壓系統(tǒng)的油液溫度升高。 在高溫環(huán)境下工作的機械手（如在鍛造、熱處理和壓鑄生產(chǎn)中使用的機械手），其手部和手臂要伸入到加熱爐內(nèi)抓取工件或舀取金屬溶液，或是在爐外抓取灼熱的工件等，并將工件或金屬溶液送至工作機械處。機械手在高溫下工作

47、，由于熱的傳導(dǎo)和輻射作用。會使機械手的手部和手臂本身溫度升高，并將熱量傳給液壓系統(tǒng)，使油液溫度升高。 為使液壓機械手能正常工作，對油溫要進行控制。首先在液壓系統(tǒng)設(shè)計時要考慮卸荷，減少功率損耗，同時油箱的容量與系統(tǒng)所需流量相匹配，使油液在油箱中有一散熱的機會（自然冷卻）。另外減少液壓元件的泄漏，提高運動件的加工精度和表面光潔度，以減少摩擦產(chǎn)生的熱量等。 4.4 主要電器元件 4.4.1 接觸器 接觸器是用來接通或切斷電動機或其它負載主電路（如電阻爐）的一種控制元件。它是利用電磁力來使開關(guān)打開或閉合的電器，適用于頻繁操作（高過每小時1500次），遠距離控制大電流電路。 接觸器的動作過

48、程是：當(dāng)勵磁線圈通電，在鐵心中產(chǎn)生磁通，將銜鐵吸合，主觸點在銜鐵的帶動下閉合，于是接通了主電路。與此同時，輔助觸點的動合觸點閉合，而動斷觸點斷開。當(dāng)勵磁線圈失電或電壓顯著降低時，由于反力彈簧的作用，銜鐵被釋放，所有觸點恢復(fù)常態(tài)。 4.4.2 熱繼電器 熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的電器，廣泛用于三相異步電動機的長期過載保護。 電動機在實際運行中，常會遇到過載情況，但只要過載不嚴重、時間短，繞組不超過允許的溫升，這種過載是允許的。但如果過載情況嚴重、時間長，則會加速電動機絕緣的老化，甚至燒毀電動機，因此必須對電動機進行長期過載保護。但須指出的是，由于熱繼電器中發(fā)熱元件有熱慣性，在電路

49、中不能用于瞬時過載保護，更不能用于短路保護。 熱繼電器主要由熱元件、雙金屬片和觸頭組成。熱元件由發(fā)熱電阻絲做成。雙金屬片由兩種熱膨脹系數(shù)不同的金屬碾壓而成，當(dāng)雙金屬片受熱時，會出現(xiàn)彎曲變形。使用時，把熱元件串接于電動機的主電路中，而常閉觸頭串接于電動機的控制電路中。當(dāng)電動機正常運行時，熱元件產(chǎn)生的熱量雖能使雙金屬片彎曲，但還不足以使熱繼電器的觸頭動作。當(dāng)電動機過載時，雙金屬片彎曲位移增大，推動導(dǎo)板使常閉觸頭斷開，從而切斷電動機控制電路以起保護作用。熱繼電器動作后，經(jīng)過一段時間的冷卻即能自動或手動復(fù)位。 4.4.3 時間繼電器 從得到輸入信號（線圈的通電或斷電）開始，經(jīng)過一定的延時后才輸出

50、信號（觸頭的閉合或斷開）的繼電器，稱為時間繼電器。 時間繼電器可以有三種工作方式：①瞬動觸點，即觸點不延時，當(dāng)繼電器線圈得電時，其動合觸點即時閉合，動斷觸點即時打開；繼電器線圈失電時，觸點恢復(fù)常態(tài)。②得電延時，即當(dāng)線圈得電時，動合觸點延時閉合，動斷觸點延時打開；繼電器線圈失電時，觸點即時恢復(fù)常態(tài)。③失電延時，即當(dāng)繼電器線圈得電時，動合觸點同時閉合，動斷觸點斷開，一直維持到當(dāng)繼電器線圈失電時，延時一段時間觸點才恢復(fù)常態(tài)，即動合觸點打開，動斷觸點閉合。電路中的延時元件是時間繼電器。時間繼電器有兩個作用，一是在一個工序（即延時工序）中，它是執(zhí)行此延時工序的控制元件；二是其延時觸點動作發(fā)出的信號又是

51、下一工序繼續(xù)進行的指令，起著如行程開關(guān)一樣的信號元件的作用。而時間繼電器的電磁線圈帶電或失電仍然由已知的信號元件發(fā)出的信號進行控制，它何時帶電或失電便要根據(jù)工藝要求進行設(shè)計。因此，在元件動作狀態(tài)表中表示時，時間繼電器的電磁線圈在得電狀態(tài)時相當(dāng)于控制元件，任務(wù)是執(zhí)行延時工序；其延時觸點相當(dāng)于信號元件， 4.4 機械手夾緊電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計 4.4.1機械手夾緊的工藝流程 機械手夾緊采用時間繼電器實現(xiàn)自動程序動作。按壓SB按鈕啟動油泵電動機后，選擇SA按鈕的工作位置。若將SA扳到手動位置時，分別按下按鈕各點動開關(guān)，使換向閥的電磁鐵分別得電，便可控制各個油缸的動作；若將SA扳到自動位置時，按一

52、下啟動按鈕，機械手就能按順序自動工作。其自動控制的工藝流程如圖4-4-1所示。 圖4-4-1 4.4.2機械手夾緊的動作狀態(tài)表 根據(jù)圖4-3-2和圖4-4-1，制作機械手夾緊動作狀態(tài)表，如圖4-4-2 4.4.3 機械手夾緊電氣控制電路的邏輯表達式 KM1：接觸器KM1是控制油泵電動機。其啟動信號為SB，復(fù)信號為SB14.考慮介入熱續(xù)電器FR1.。則其自動控制電路的邏輯表達式為：KM1=(SB+KM1) KA1：運算元件。由執(zhí)行機構(gòu)的動作狀態(tài)圖形可見，8線磕作為所有的執(zhí)行機構(gòu)的對稱中線，因而其信號設(shè)在1先，1~2~3~4~5~6~7

53、~8區(qū)間。啟動信號為SB12,撫慰信號為kt7。啟動與撫慰信號沒有出現(xiàn)同時動作。其邏輯表達式為：KA1=（SB12+KA1) 換向閥的電磁鐵YA1~YA11可以從圖4-4-2中直接的找出它們與時間續(xù)電器的瞬時蓄點的關(guān)系。其邏輯表達式為：YA2=KT1;YA3=KT2;YA5=KT3;YA8=KT4;YA1=KT5;YA10=KT6;YA11=KT7;YA9=KT8;YA7=KT9; YA6=KT10;YA4=KT11. 從圖4-4-2中可見，所有的時間續(xù)電器的啟動信號與其復(fù)位信號均不出現(xiàn)同時動作，故都可用它們的瞬時觸點實現(xiàn)“起~停~保”電路。其邏輯表達式為： 上述的邏輯表達式要考慮下面的

54、幾點而進行修改： （a） SB12在KA1與KT1都用它做啟動信號，但又不能共用，因而增加中間繼電器KA2； （b） KT1和KT5在一個循環(huán)中出現(xiàn)兩次動作，用中間繼電器KA1進行邏輯組合來區(qū)分它們； （c） KT2和KT9都是由kt1作為啟動信號，用中間繼電器KA1進行邏輯組合來區(qū)分它們； （d） KT1和KT5瞬間觸點在多處使用，又不能合并使用，則分別以中間繼電器KA3與KA4來增加它們的觸點； （e） 增設(shè)手動按鈕。 機械手夾緊自動控制電路邏輯表達式經(jīng)修改后如下所示： 4.4.4 電路圖的描繪 根據(jù)機械手夾緊液壓系統(tǒng)的原理圖繪制其自動控制的電路圖如

55、圖4-4-3所示。 圖4-4-4 機械手夾緊自動控制電路圖 圖中，手動控制各換向閥得電均由起動按鈕直接控制。自動控制時，換向閥的電磁鐵由時間繼電器控制，因其延時的作用，可使其動作自動行進下去，直到完成。 第五章 PLC控制系統(tǒng) 5.1 PLC概述 5.1.1 PLC簡介 可編程序控制器(PLC) 是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型自動化控制置。最早是用于替代傳統(tǒng)的繼電器控制裝置，功能上只有邏輯運算、定時、計數(shù)以及順序控制等，而且只能進行開關(guān)量控制。此種控制器英文名為“Progra

56、mmable Logic Controller”，簡稱PLC，中文稱為“可編程序邏輯控制器”。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，在PLC的基礎(chǔ)上，與先進的微機控制技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種嶄新的工業(yè)控制器，其控制功能己遠遠超出了邏輯控制的范疇。如今，可編程序控制器己廣泛地應(yīng)用在自動化領(lǐng)域。比如，在機電一體化系統(tǒng)中成為了電子信息處理系統(tǒng)中的主要組成部分。在本文中所敘述組合機床系統(tǒng)中PLC就是控制系統(tǒng)中的一個組成部分，主要實現(xiàn)各種開關(guān)量的控制。 5.1.2 可編程序控制器的工作原理 PLC采用循環(huán)(巡回)掃描工作方式，而中大型PLC還增加了中斷工作方式。循環(huán)掃描既可按固定順序，也可按

57、用戶程序所規(guī)定二級順序(高級和低級順序)或可變順序等進行。因為有的用戶程序不需要每掃描一次執(zhí)行一次，也有的是在控制系統(tǒng)需要處理的I/O點數(shù)較多時，通過不同的模塊組合的安排，采用分時分批掃描執(zhí)行的辦法，可縮短循環(huán)掃描周期和增加控制的實時性。用戶將用戶程序設(shè)計、調(diào)試后，用編程器鍵入PLC的存貯器中，并將現(xiàn)場的輸入信號和被驅(qū)動的執(zhí)行元件相應(yīng)地接在輸入模板的輸入端和輸出模板的輸出端上，然后用PLC的控制開關(guān)使其處于運行工作方式，PLC就以循環(huán)掃描的工作方式進行工作。在輸入信號、用戶程序的控制下，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號，完成預(yù)期的控制任務(wù)。PLC的典型的循環(huán)順序掃描工作過程如圖5-1-2所示。從圖4-1可以

58、看出，一個典型的可編程序控制器在一個掃描周期中要完成六個掃描過程。在系統(tǒng)軟件的指揮下，按下圖所示的程序流程順序地執(zhí)行，這種工作方式成為順序掃描方式。從掃描過程中的某個掃描過程開始，順序掃描后又回到該過程成為一個掃描周期。進行一個掃描周期所需的時間稱為一個掃描周期。 圖5-1-2：PLC掃描周期圖 5.1.3 三菱PLC編程語言的特點 F1系列的PLC是三菱公司生產(chǎn)的一種低檔小型機，是較早進入我國市場的PLC機型之一，在我國市場上占有較大的比例。三菱PLC的編程語言與一般計算機語言相比，具有明顯的特點，它既不同于高級語言，也不同與一般的匯編語言，它既要滿足易于編寫，又要滿足易于調(diào)試的要

59、求。其編程語言具有以下特點： (1). 圖形式指令結(jié)構(gòu)：程序由圖形方式表達，指令由不同的圖形符號組成，易于理解和記憶。系統(tǒng)的軟件開發(fā)者已把工業(yè)控制中所需的獨立運算功能編制成象征性圖形，用戶根據(jù)自己的需要把這些圖形進行組合，并填入適當(dāng)?shù)膮?shù)。在邏輯運算部分，幾乎所有的廠家都采用類似于繼電器控制電路的梯形圖，很容易接受。如西門子公司還采用控制系統(tǒng)流程圖來表示，它沿用二進制邏輯元件圖形符號來表達控制關(guān)系，很直觀易懂。較復(fù)雜的算術(shù)運算、定時計數(shù)等，一般也參照梯形圖或邏輯元件圖給于表示，雖然象征性不如邏輯運算部分，也受用戶歡迎。 (2). 明確的變量常數(shù)：圖形符相當(dāng)于操作碼，規(guī)定了運算功

60、能，操作數(shù)由用戶填人，如：K400，T120等。PLC中的變量和常數(shù)以及其取值范圍有明確規(guī)定，由產(chǎn)品型號決定，可查閱產(chǎn)品目錄手冊。 (3). 簡化的程序結(jié)構(gòu)：PLC的程序結(jié)構(gòu)通常很簡單，典型的為塊式結(jié)構(gòu)，不同塊完成不同的功能，使程序的調(diào)試者對整個程序的控制功能和控制順序有清晰的概念。 (4). 簡化應(yīng)用軟件生成過程：使用匯編語言和高級語言編寫程序，要完成編輯、編譯和連接三個過程，而使用編程語言，只需要編輯一個過程，其余由系統(tǒng)軟件自動完成，整個編輯過程都在人機對話下進行的，不要求用戶有高深的軟件設(shè)計能力。 (5). 強化調(diào)試手段：無論是匯編程序，還是高級語言程序調(diào)試，都是

61、令編輯人員頭疼的事，而PLC的程序調(diào)試提供了完備的條件，使用編程器，利用PLC和編程器上的按鍵、顯示和內(nèi)部編輯、調(diào)試、監(jiān)控等，并在軟件支持下，診斷和調(diào)試操作都很簡單。 (6). F1系列PLC步進指令 STL（step ladder）：步進接點指令；RET（return）：步進返回指令。 STL/RET步進指令使用狀態(tài)繼電器S600～S647共40個，狀態(tài)繼電器均由電池支持。 使用步進指令時，用狀態(tài)轉(zhuǎn)換（移）圖設(shè)計步進梯形圖。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中的每個狀態(tài)表示順序工作的一個操作，因此步進指令常用于控制時間和位移等順序的操作過程。使用步進指令不但可以直觀地表示順序操作的流程，而且可以減少指令程序

62、的條數(shù)和容易被人們理解。 步進指令只有常開接點，而沒有常閉接點，指令用STL表示，連接步進接點的其它繼電器接點用LD或LDI指令表示。 步進接點須與梯形圖左母線連接。使用STL指令后，凡是以步進接點為主體地程序，最后必須用RET指令返回母線。由此可見，步進指令具有主控功能。 使用S指令后的狀態(tài)繼電器（有時亦稱步進繼電器），才具有步進控制功能。這時除了提供步進常開接點外，還可提供普通的常開接點與常閉接點，但STL指令只適用于步進接點。 只有步進接點閉合時，它后面的電路才能動作。如果步進接點斷開，則其后面的電路將全部斷開。當(dāng)需保持輸出結(jié)果時，可用S和R指令來實現(xiàn)。 　總之，三菱PLC的編

63、程語言是面向用戶的，對使用者不要求具備高深的知識、不需要長時間的專門訓(xùn)練。三菱公司的F1系列產(chǎn)品的一些編程元件及其功能。 5.1.4 PLC的應(yīng)用設(shè)計步驟 PLC控制系統(tǒng)是以程序形式來體現(xiàn)其控制功能的，大量的工作時間將用在軟件設(shè)計，也就是程序設(shè)計上。由于PLC內(nèi)部繼電器數(shù)量大，其接點在內(nèi)存允許的情況下可重復(fù)使用，具有存儲數(shù)量大、執(zhí)行速度快等特點，所以采用此設(shè)計方法可縮短設(shè)計周期。PLC程序設(shè)計可遵循以下六步進行： (1) 確定被控系統(tǒng)必須完成的動作及完成這些動作的順序。 (2) 分配輸入輸出設(shè)備，即確定哪些外圍設(shè)備是發(fā)送信號到PLC，哪些信號是接收來自PLC信

64、號的，并將PLC的輸入、輸出口與之對應(yīng)進行分配。 (3) 設(shè)計PLC程序畫出梯形圖。梯形圖體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關(guān)系。 (4) 實現(xiàn)用計算機對PLC的梯形圖直接編程。 (5) 對程序進行調(diào)試(模擬和現(xiàn)場)。 (6) 保存已完成的程序。 顯然，在建立一個PLC控制系統(tǒng)時，必須首先把系統(tǒng)需要的輸入、輸出數(shù)量確定下來。然后按需要確定各種控制動作的順序和各個控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。確定控制上的相互關(guān)系之后，就可進行編程的第二步——分配輸入輸出設(shè)備，在分配了PLC的輸入輸出點的內(nèi)部輔助繼電器、定時器、計數(shù)器之后，就可以設(shè)計PLC程序畫出

65、梯形圖。之后便可以使用相應(yīng)PLC的編程工具寫入PLC進行調(diào)試，直到符合控制要求。這便是程序設(shè)計的整個過程。 5.2機械手夾緊電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計 5.2.1機械手夾緊電氣控制系統(tǒng)的流程圖 圖5-2-1夾緊工件流程圖 5.2.2 機械手夾緊PLC控制系統(tǒng)的I/O端點分配和I/O接線圖 輸入設(shè)備是輸入控制信號和被控制設(shè)備連接起來的部件，輸入部件接收從開關(guān)、按鈕、繼電器觸點和傳感器等輸入的現(xiàn)場控制信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能接收和處理的數(shù)字信號。輸出部件接收經(jīng)過中央處理器處理過的輸出數(shù)字信號，并把它轉(zhuǎn)換成被控制設(shè)備或顯示裝置所能接收的電壓或電流信號，以驅(qū)動接觸器、電磁閥和指示器件

66、等。中央處理單元的主要任務(wù)是按一定的規(guī)律和要求讀入被控對象的各種工作狀態(tài)，然后根據(jù)用戶所編制的應(yīng)用程序的要求去處理有關(guān)數(shù)據(jù)，最后再向被控對象送出相應(yīng)的控制（驅(qū)動）信號。PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖5-2-2. 圖5-2-2 PLC的基本結(jié)構(gòu) PLC的輸入信號有26個，包括油泵電動機啟動、停止按鈕，組合機床自動啟動按鈕，轉(zhuǎn)換開關(guān)手動、自動信號，熱繼電器的觸點及每一個動作的點動按鈕。 PLC的輸出信號有21個，包括控制油泵電動機的信號和控制電磁閥動作及其對應(yīng)顯示燈的信號。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)扳到自動位置時，手動控制線路被切除，組合機床由PLC控制并顯示組合機床各個動作。當(dāng)選擇開關(guān)扳到手動位置時，在油泵電動機已啟動的條件下，不再由PLC控制組合機床動作，而是由按鈕直接操縱。 5.2.3 程序控制的設(shè)計 本次設(shè)計當(dāng)中涉及到兩種工作方式：點動操作和自動控制。點動操作時，用按鈕單獨操作機構(gòu)上升或下降、右移或左移、夾緊或放松。自動控制工作時，按下啟動按鈕，機構(gòu)從“原點”開始，自動完成一個工作循環(huán)過程，即將工件夾緊后，從A點移動到B點放下工件，然后返回“原點”，等待下一次操作。設(shè)計當(dāng)中可選用F1-3