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上海電機學(xué)院 本科畢業(yè)論文 設(shè)計 論文 設(shè)計 題目 球 型 工 件 氣 動 機 械 手 設(shè) 計 學(xué) 院 XXXXXXXXX 專 業(yè) XXXXXXXXXXXXXXXX 班 級 XXXXXXX 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2013 年 04 月 19 日 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 頁 目 錄 目 錄 I 摘 要 III Abstract IV 第一章 前言 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(guān)鍵問題 3 第二章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 4 2 1 執(zhí)行機構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 4 2 2 執(zhí)行機構(gòu)的組成 6 2 3 執(zhí)行機構(gòu)各部分的分析與選擇 6 2 3 1 手部的選擇 6 2 3 2 手臂結(jié)構(gòu)的選擇 8 2 4 執(zhí)行機構(gòu)的工作原理 9 第三章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 10 3 1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 10 3 2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計 11 3 3 氣動元件選取及工作原理 12 3 3 1 氣源裝置 12 3 3 2 執(zhí)行元件 13 3 3 3 控制元件 13 3 3 4 輔助元件 15 3 3 5 真空發(fā)生器 15 3 3 6 吸盤 15 第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計 17 4 1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 17 4 2 控制系統(tǒng)的性能要求 17 4 3 傳感器的選擇 18 4 3 1 位置檢測裝置 18 4 4 控制系統(tǒng) PLC的選型及控制原理 18 4 4 1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 18 4 4 2 PLC種類及型號選擇 23 4 4 3 I O點數(shù)分配 23 4 4 4 PLC外部接線圖 24 4 5 PLC程序設(shè)計 25 第五章 球型工件氣動機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 28 5 1 X軸機構(gòu)的設(shè)計 28 5 1 1導(dǎo)軌的選擇 28 5 1 2絲杠的選擇 31 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 I 頁 5 1 3 步進電機的選擇 33 5 2 Y軸傳動部分設(shè)計 34 第六章 總結(jié)與展望 35 參考文獻 36 致 謝 37 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 II 頁 摘 要 機械手在先進制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色 它可以搬運貨物 分揀物品 代替人的繁重勞動 可以實現(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 因此被廣泛應(yīng)用于機械制造 冶金 電子 輕工和原子能等部門 本文在縱觀了近年來機械手發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上 結(jié)合機械手方面的設(shè)計 對機械 手技術(shù)進行了系統(tǒng)的分析 提出了用步進電機和氣動驅(qū)動和 PLC 控制的設(shè)計方案 采 用整體化的設(shè)計思想 充分考慮了軟 硬件各自的特點并進行互補優(yōu)化 對球型工件 氣動機械手的整體結(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(shè)計 在其驅(qū) 動系統(tǒng)中采用氣動驅(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 高可靠型球型工件氣動機械手的 設(shè)計方案 對其他經(jīng)濟型 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計也有一定的借鑒價值 關(guān)鍵詞 機械手 氣動控制 可編程控制器 PLC 自動化控制 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 III 頁 Abstract Manipulator plays an extremely important role in the field of advanced manufacturing It can carry goods sort materials and do heavy works instead of the human being It also can realize mechanization and automation of the production do the jobs in harmful environment to protect the personal safety So it is widely used in metallurgy machinery manufacturing electronics light industry and atomic energy etc 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 pneumatic driven programmable logic controller PLC automatic control 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 0 頁 第一章 前言 1 1 研究的目的及意義 機械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要 可以大量代替單調(diào)往復(fù)或高 精度需求的工作 在先進制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色 它可以搬運貨物 分揀 物品 代替人的繁重勞動 可以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化 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 可以廣泛應(yīng)用于機械制造 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 機械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要 已經(jīng) 在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用 它可以搬運貨物 分揀物品 用以代替人的繁重及 單調(diào)勞動 實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化 并能在高溫 腐蝕及有毒氣體等有害環(huán)境下 操作以保護人身安全 被廣泛應(yīng)用于機械制造 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心 綜合了計算機和自動控制等先進技術(shù) 具有可靠性高 功能完善 組合靈活 編程簡單 功耗低等優(yōu)點 已成為目前在機械 手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式 使用PLC的自動控制系統(tǒng)具有體積小 可靠高 故障率低 動作精度高等優(yōu)點 1 2 機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 機械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè) 常用于焊接 噴漆 上下料和搬運 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(fù)勞動 提高勞動生產(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(yīng)用領(lǐng)域日益擴大 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 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 1 頁 我國機械手起步于 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 機械手市場份額大 部分被國外機械手企業(yè)占據(jù)著 在國際強手面前 國內(nèi)的機械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的 競爭壓力 如今我國正從一個 制造大國 向 制造強國 邁進 中國制造業(yè)面臨著 與國際接軌 參與國際分工的巨大挑戰(zhàn) 對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫 政府務(wù) 必會加大對機器人的資金投入和政策支持 將會給機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力 隨著機械手發(fā)展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高 機械手已在眾多領(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 如采礦機器人 建筑業(yè)機器 人以及水電系統(tǒng)用于維護維修的機器人等 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)將會被廣泛應(yīng)用在機械手工作 領(lǐng)域 這些技術(shù)會使機械手的應(yīng)用更為高效 高質(zhì) 運行成本低 據(jù)猜測 今后機器 人將在醫(yī)療 保健 生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè) 教育 救災(zāi) 海洋開發(fā) 機器維修 交通運輸 和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用 1 3 主要研究的內(nèi)容 隨著機械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機械手應(yīng)用領(lǐng)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 研究球型工件氣動機械手以下幾個方面的內(nèi)容 1 球型工件氣動機械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件與機械構(gòu)件組成 是機械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體 主 要包括X軸 Y軸 Z軸3部分組成 其中每一部分都可以具有若干的自由度 2 球型工件氣動機械手驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動力的裝置 通過對液壓 氣壓 電氣三種驅(qū) 動方式的比較 本設(shè)計選擇氣壓驅(qū)動的方式 內(nèi)容包括氣動元件的選擇及其工作原理 氣動回路的設(shè)計和氣動原理圖的繪制 3 球型工件氣動機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計 控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng) 它控制驅(qū)動系統(tǒng) 讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時 序進行工作 本機械手采用可編程控制器 PLC 對機械手進行控制 主要包括對PLC 的型號選擇 傳感器類型進行選擇 I O口的選擇 對控制系統(tǒng)原理圖 自動程序梯形 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 2 頁 圖的繪制等內(nèi)容 1 4 解決的關(guān)鍵問題 1 解決機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題 要求機械手結(jié)構(gòu)簡單 經(jīng)濟 具有一定的代 表性 2 執(zhí)行部件的運動精度的問題 3 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 4 元件的匹配規(guī)則和知識的獲取及其表達形式 5 傳感器的類型選擇 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 3 頁 第二章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 機器手的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是機械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體 執(zhí)行機構(gòu)的布局類型直接 影響到機械手的工作性能 2 1 執(zhí)行機構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 機械手的基本型式較多 按手臂的坐標(biāo)型式而言 主要有四種基本型式 直角坐 標(biāo)式 圓柱坐標(biāo)式 球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式 下面就各型式機械手作簡單的分析對比 1 直角坐標(biāo)式機械手 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 它的手臂可作伸縮 左右和上下移動 按直角坐標(biāo)形式 X Y Z 三個方向的直線進行 運動 其工作范圍可以是一個直線運動 兩個直線運動或三個直線運動 如在 X Y Z 三個直線運動方向上個具有 A B C 三個回轉(zhuǎn)運動 即構(gòu)成六個自由度 直角坐標(biāo)式機械手的優(yōu)點 1 產(chǎn)量大 節(jié)拍短 能滿足高速的要求 2 容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機械相配合 3 適于裝箱類 多工序復(fù)雜的工作 定位容易變更 4 定位精度高 載重發(fā)生變化是不回影響精度 5 易于實行數(shù)控 可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機械配合使用 缺點 機械手的作業(yè)范圍較小 2 圓柱坐標(biāo)式機械手 圓柱坐標(biāo)式機械手是應(yīng)用最多的一種型式 它適用于搬運和測量工件 具有直觀 性好 結(jié)構(gòu)簡單 本體占用的空間較小 而動作范圍較大等優(yōu)點 圓柱坐標(biāo)式機械手的工作范圍可分為 一個旋轉(zhuǎn)運動 一個直線運動 加一個不 在直線運動所在的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動 二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動 圓柱坐標(biāo)式機械手有五個基本動作 1 手臂水平回轉(zhuǎn) 2 手臂伸縮 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 4 頁 3 手臂上下 4 手臂回轉(zhuǎn)動作 5 手爪夾緊動作 圓柱式機械手的特點是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒 手臂裝在滑動套筒上 手臂 可做上下直線運動和水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動 3 球坐標(biāo)式機械手 球坐標(biāo)式機械手是一種自由度較多 用途較廣的機械手 它的工作范圍包括 一 個旋轉(zhuǎn)運動 二個旋轉(zhuǎn)運動 二個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動 球坐標(biāo)式機械手可實現(xiàn)八個動作 1 手臂上下動作 即俯仰動作 2 手臂左右動作 即回轉(zhuǎn)動作 3 手臂前后動作 即伸縮動作 4 手腕上下彎曲 5 手腕左右擺動 6 手腕旋轉(zhuǎn)運動 7 手爪夾緊動作 8 機械手的整體移動 球坐標(biāo)式機械手的特點是將手臂裝在樞軸上 樞軸又裝在叉形架上 能在垂直面 內(nèi)作圓弧狀上下俯仰動作 它的臂可作伸縮 橫向水平擺動 還可以上下擺動 工作 范圍和人的手類似 它的特點能能自動選擇最合理的動作路線 所以工作效率高 另 外由于上下擺動 它的相對體積小 動作范圍大 4 關(guān)節(jié)式機械手 關(guān)節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作傳動型式 它像人手一樣有肘關(guān)節(jié) 可 以實現(xiàn)多個自由度 動作比較靈活 適于在狹窄的空間工作 關(guān)節(jié)式機械手 早在四 十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用 隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用 有一定的發(fā)展前途 關(guān)節(jié)式機械手有大臂和小臂的擺動 以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運動 它還具有上肢 結(jié)構(gòu) 可實現(xiàn)近似于人手操作的機能 為具有近似人手的操作機能 需要研制最合適 的結(jié)構(gòu) 機械手型式的選擇首先是從滿足它的運動要求方面進行考慮 然后從機械手的復(fù) 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 5 頁 雜程度以及經(jīng)濟情況等方面來考慮 本設(shè)計中的機械手主要動作為機械手手臂的左右 移動 升降移動和機械手的整體旋轉(zhuǎn) 球坐標(biāo)式機械手和關(guān)節(jié)式機械手對動作要求方面足夠滿足要求 但是它們的結(jié)構(gòu) 都比較復(fù)雜 有很多動作是不必要的 顯得浪費和增加了制造的成本和難度 直角坐標(biāo)式機械手具備手臂的伸縮上下 左右直線運動等動作 可以滿足本設(shè)計 中機械手的動作要求 這樣的修改并沒有改變機械手的總體結(jié)構(gòu) 只是進行了局部變 動 使得整個系統(tǒng)經(jīng)濟 實惠 所以確定用直角坐標(biāo)式機械手 2 2 執(zhí)行機構(gòu)的組成 工業(yè)機械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機械部分組成 1 手部 是機械手直接握持工件或工具的部分 2 臂部 是機械手用來支持腕部與手部實現(xiàn)較大的運動范圍的部件 3 立柱 支承手臂并帶動它升降 擺動和移動的機構(gòu) 4 機座 是機械手用來支撐臂部 并安裝驅(qū)動裝置及其他裝置的部分 2 3 執(zhí)行機構(gòu)各部分的分析與選擇 2 3 1 手部的選擇 1 手部形式的確定 手部就是用來握持工件或工具的部分 由于被握持的工件的形狀 尺寸 重量 材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同 手部機構(gòu)也是多種多樣 常用的手部結(jié)構(gòu)按其握持原理可以 分為如下兩類 1 夾持式 夾持式手部的結(jié)構(gòu)與人手類似 是工業(yè)機械廣泛應(yīng)用的一種手部形式 它主要由 手指 傳動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)組成 其又可分為內(nèi)撐式 外夾式和內(nèi)外夾持式 區(qū)別在 于夾持工件的部位不同 手爪動作方向相反 夾持式手部設(shè)計時應(yīng)注意以下事項 1 手指應(yīng)有一定的開閉范圍 2 手指應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力 3 要保證工件在手指內(nèi)的定位精度 4 結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕 效率高 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 6 頁 5 通用性和可換性 2 氣吸式 氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部 它是通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空或負(fù)壓 利用壓差 而將工件吸附 是工業(yè)機械手常用的一種吸持工件的裝置 它由吸盤 吸盤架及進排 氣系統(tǒng)組成 具有結(jié)構(gòu)簡單 質(zhì)量輕 不易損傷工件 使用方便可靠等優(yōu)點 但要求 工件上與吸盤接觸的部位光滑平整 清潔 被吸附工件材質(zhì)致密 沒有透氣空隙 主 要適應(yīng)于板材 薄壁零件 陶瓷搪瓷制品 玻璃制品 紙張及塑料等表面光滑工件的 抓取 氣吸式又可分為 負(fù)壓吸盤 真空式 噴氣式 自擠式空氣吸盤 磁力吸盤 永磁吸盤 電磁吸盤 真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空 故稱真空式 噴氣 式吸附的工作原理是當(dāng)壓縮空氣高速進入噴嘴時 由于管路的開始段截面積是逐漸收 縮的 所以氣流速度逐漸增大 在管路的最小截面處 氣流速度達到臨界速度 此時 的氣體受壓 密度加大 在排氣管路中因界面逐漸增大 氣流膨脹減壓而使密度大大 下降 致使氣流速度繼續(xù)增高 在吸氣口處形成負(fù)壓 吸附頭與吸氣口連同 故形成 真空 以吸住工件 自擠式空氣吸盤的工作原理是將軟質(zhì)吸盤按壓在工件的表面 擠 出吸盤內(nèi)的空氣 從而造成真空 吸住工件 磁吸式手是利用工件的導(dǎo)磁性 利用永 久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件 磁吸式手部不會破壞被吸附表面 質(zhì)量 但是由于被吸工件存在剩磁 吸附頭上常吸附磁性屑 影響正常工作 通過以上對手部的分析真空式具有結(jié)構(gòu)簡單 質(zhì)量輕 不損傷工件 使用方便 不影響機械手的正常工作等優(yōu)點 而且滿足所設(shè)計機械手的要求 所以選用真空式吸 盤 真空吸盤機構(gòu)如圖 2 1 所示 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 7 頁 圖 2 1 吸盤機構(gòu)圖 2 3 2 手臂結(jié)構(gòu)的選擇 手臂是機械手的主要部分 是支撐手腕 手指和工件并使它們運動的機構(gòu) 手臂 一般有三個運動 伸縮 旋轉(zhuǎn)和升降 手臂的基本動作是將手部移動到所需的位置和 承受抓取工件的最大重量 以及手臂本身的重量 1 手臂的組成 1 動作元件 如油缸 汽缸 齒條 凸輪等是驅(qū)動手臂運動的部件 2 導(dǎo)向裝置 是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力 矩 3 手臂 起著連接和承受外力的作用 2 手臂設(shè)計的要求 1 手臂承載能力大 剛性好 自重輕 2 手臂的運動速度要適當(dāng) 慣性要小 3 手臂的動作要靈活 4 位置精度要高 5 通用性要強 3 手臂的結(jié)構(gòu) 手臂的伸縮和升降運動一般采用直線油 氣 缸驅(qū)動 手臂作直線運動的結(jié)構(gòu) 基本上是由驅(qū)動機構(gòu)和導(dǎo)向裝置所組成 驅(qū)動機構(gòu)一般 用油缸 油馬達加齒輪 齒條來實現(xiàn)直線運動 往復(fù)直線油 氣 缸可以分為以下幾 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 8 頁 種 雙作用單活塞桿油缸 液壓機械手中實現(xiàn)手臂的往復(fù)運動用得最多的是雙作用單活 塞桿油缸 活塞在油壓下作雙向運動 機構(gòu)上可以是油缸體固定 活塞桿運動 也可 以是活塞桿固定 而缸體運動 雙作用雙活塞桿油缸 當(dāng)需要很大的行程時 將油缸做的很長 體積很大 則加 工上有困難 如做成伸縮式雙活塞桿油缸 既能滿足行程要求 油缸的體積又小 其 缺點是一次行程有兩種速度 絲桿螺母機構(gòu) 該機構(gòu)傳動的特點是易于自鎖 但傳動效率低 如采用滾珠絲杠 效率可以提高 但因其較長 制造比較困難 本機械手的手臂有往復(fù)的直線運動 不需要很大的行程 考慮到結(jié)構(gòu)的簡單性和 設(shè)計的經(jīng)濟性 選用缸體固定活塞桿運動的雙作用單活塞桿氣缸 2 4 執(zhí)行機構(gòu)的工作原理 球型工件氣動機械手的結(jié)構(gòu)主要由X軸方向運動 Y軸方向運動 Z軸方向運動 電磁閥和吸盤等組成 其中X Y軸采用步進電機進行驅(qū)動 Z軸采用單活塞桿雙作用 氣缸驅(qū)動 機械手的動作基本有上下 左右前后 吸物和放物等動作 其動作順序為 初始位置 X軸左移 Y軸正方向移動 Z軸氣缸下降 吸物料 Z軸上升 Y 軸反方向移動 X軸右移 Z軸氣缸下降 放物料 Z軸上升 回到初始位置 機械 手的動作在整個過程中都是連續(xù)可循環(huán)的 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 9 頁 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(yīng)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(yīng)用 因此 人們尋求其他一些 經(jīng)濟適用的驅(qū)動方式 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(yīng)用較多 另一方面 氣動技術(shù)作為 廉價的自動化技術(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)備與自動化生產(chǎn)線上 幾乎都配有氣動系統(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 裝有氣動系統(tǒng) 有 90 的包裝機械 70 的鑄造 焊接設(shè) 備 50 的自動操機 40 的鍛造設(shè)備和洗衣設(shè)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 國的氣動元件銷售平均每年增長超過 10 15 許多工業(yè)發(fā)達國家的氣動元件產(chǎn)值已接 近液壓元件的產(chǎn)值 且仍以較大速度發(fā)展 氣動機械手技術(shù)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 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 10 頁 表 3 1 各種控制方式的比較 通過以上三種驅(qū)動方式的比較選用氣動驅(qū)動的方式 不僅能夠滿足了本設(shè)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(shè)計 根據(jù)球型工件氣動機械手的要求 在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運動方式主要是直線運動 缸體固定 活塞桿運動 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 11 頁 圖 3 1 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 氣動系統(tǒng)包括一個個三位四通電磁換向閥 兩個二位二通電磁閥 一個個氣缸 一個吸盤 兩個調(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速度 防止速度過大對物料的沖擊 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 氣動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?xì)夂驼羝?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(shè)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(shè)備 按結(jié)構(gòu)和工作 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 12 頁 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(shè)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(yīng)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(shè)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(fù)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(fù)式 氣缸是氣動執(zhí)行元件之一 目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸 其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列 化 標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(shè)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 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 13 頁 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 使氣動執(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 氣動控制元件按功 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)和控制壓力大小的氣動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(fù)反饋 原理設(shè)計而成的單路流量閥 調(diào)速閥一般用于執(zhí)行 元件負(fù)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(shè)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) 使氣動執(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 在氣動系統(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(dāng)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(dāng)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(dāng)正向 流動時 經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流 當(dāng)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(guān)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小 2 互不 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 14 頁 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 氣動式 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(shè)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(yīng)用廣泛 2 當(dāng)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 又稱為氣動三聯(lián)件 壓縮的空氣中含有各種雜質(zhì) 這些雜質(zhì)的存在會降低氣動元件的耐用度和性能 造成 誤動作和事故 必須清除 空氣處理單元就是用來清除壓縮空氣的雜質(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(yīng)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(dāng)于一段比排氣口徑大的管 件 當(dāng)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(shè)在消聲器內(nèi)表面的吸聲材料消聲 最后排向大氣 本設(shè)計選用膨 脹型消聲器 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 15 頁 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(dāng)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 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 16 頁 第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計是整個機械手設(shè)計的關(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(dāng)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(yīng) 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(wù) 控制器 機械手是由各種機構(gòu)組成的裝置 它通過感知器的內(nèi)部傳感器實現(xiàn)本體和環(huán)境狀態(tài)的 檢測和信息交互 環(huán)境即指機械手所處的周圍環(huán)境 任務(wù)是指機械手要完成的操作 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) 于機械手的大腦 它以計算機或?qū)Ｓ每刂破鬟\行程序的方式來完成給定的任務(wù) 控制系統(tǒng)的硬件一般包括 3 個部分 1 感知部分 用來收集機械手的內(nèi)部和外部的信息 如位置 速度 加速度傳感 器可接受機械手的本體狀態(tài) 而視覺 觸覺 力覺等傳感器可感受機械手的工作環(huán)境 的外部狀態(tài) 2 控制裝置 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 計算機相應(yīng)的接口等 3 驅(qū)動部分 為了使機械手完成操作及移動功能 機械手各關(guān)節(jié)可選用氣動 液 動 電氣等方式驅(qū)動 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 17 頁 4 2 控制系統(tǒng)的性能要求 對于一般的控制系統(tǒng)有以下控制的要求 1 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運動性能從偏離平衡點恢復(fù)到原平 衡點狀態(tài)的能力 穩(wěn)定性是一般自動控制必須滿足的基本要求 對穩(wěn)定性的研究是自 動化控制系統(tǒng)中的一個基本問題 2 過渡過程性能 描述過渡過程性能可以用平衡性和快速性加以衡量 平衡性指 系統(tǒng)由初始狀態(tài)運動到新的平衡狀態(tài)時具有較小的超調(diào)和震蕩性 系統(tǒng)由初始狀態(tài)運 動到新的平衡狀態(tài)經(jīng)歷的時間表示系統(tǒng)過渡過程的快速程度 3 穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差是在過渡過程結(jié)束后 期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實際的穩(wěn)態(tài) 輸出量之差 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越小 說明控制精度越高 因此 穩(wěn)態(tài)誤差是衡量 控制系統(tǒng)性能好壞的一項重要指標(biāo) 控制系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)之一就是在兼顧其他性能指 標(biāo)的情況下 使穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小或者小于某個允許的限制值 4 3 傳感器的選擇 傳感器是將被檢測對象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘柕囊环N變換器 它主要被用 于檢測系統(tǒng)本身與作業(yè)對象 作業(yè)環(huán)境的狀態(tài) 為有效地控制系統(tǒng)的動作提供信息 根據(jù)本設(shè)計的要求需要對位置檢測裝置 滑覺傳感器 視覺傳感器進行選用 位 置檢測裝置檢測機械手動作是否到位 滑覺傳感器是判別物料是否被穩(wěn)定吸住 視覺 傳感器是為了完成機械手對物料的識別 4 3 1 位置檢測裝置 在本設(shè)計中 當(dāng)機械手上升 下降動作時 應(yīng)有相應(yīng)的位置檢測裝置檢測動作是否 到位 常用的位置檢測裝置是行程開關(guān) 行程開關(guān)又稱限位開關(guān) 是一種根據(jù)運動部 件的行程位置而切換電路的電器 用于控制機械設(shè)備的行程及限位保護 在實際生產(chǎn) 中 將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置 當(dāng)裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程 開關(guān)時 行程開關(guān)的觸點動作 實現(xiàn)電路的切換 行程開關(guān)按其結(jié)構(gòu)可分為直動式 滾輪式 微動式和組合式 本設(shè)計中采用直線接觸式行程開關(guān)檢測機械手動作是否到位 當(dāng)運動到指定位置 時 碰到行程開關(guān) 終結(jié)上一個動作 準(zhǔn)備執(zhí)行下一個動作 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 18 頁 4 4 控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理 4 4 1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 一 PLC 機型的選擇 PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠 維護方便的前提下 力爭最 佳的性能價格比 選擇時主要考慮以下幾點 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 I O 點的平均價格比模塊式的便宜 且體積相對較小 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的功能擴展靈活方便 在 I O 點數(shù) 輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例 I O 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 I O 式以及多臺 PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式 集中式不需要設(shè)置驅(qū)動遠(yuǎn)程 I O 硬件 系統(tǒng)反應(yīng)快 成本低 遠(yuǎn)程 I O 式適用 于大型系統(tǒng) 系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣 遠(yuǎn)程 I O 可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近 連 線短 但需要增設(shè)驅(qū)動器和遠(yuǎn)程 I O 電源 多臺 PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設(shè)備分 別獨立控制 又要相互聯(lián)系的場合 可以選用小型 PLC 但必須要附加通訊模塊 在工廠小批量生產(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 具有邏輯運算 定時 計數(shù)等功能 對于只需要開關(guān)量控制的設(shè) 備都可滿足 對于以開關(guān)量控制為主 帶少量模擬量控制的系統(tǒng) 可選用能帶 A D 和 D A 轉(zhuǎn)換單 元 具有加減算術(shù)運算 數(shù)據(jù)傳送功能的增強型低檔 PLC 對于控制較復(fù)雜 要求實現(xiàn) PID運算 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)等場合 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 19 頁 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)自動化設(shè)計的通用控制器 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有特殊的速度要求時 則應(yīng)該慎重考慮 PLC的響應(yīng)速度 可選用具有高速 I O 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對某些功能或信號也沒有特殊的速度要求 不需要 選用具有高速 I O 處理功能的 PLC 5 滿足系統(tǒng)可靠性要求 對于一般系統(tǒng) PLC的可靠性均能滿足 對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 機型盡量統(tǒng)一 一個企業(yè) 應(yīng)盡量做到 PLC的機型統(tǒng)一 以保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 配上位計算機后易于形成一個多級分布式控制系統(tǒng) 本課題的要求不高 不需要考慮配備上位計算機 但為了方便采購和管理等我們 還是要求機型要統(tǒng)一 二 確定 PLC的容量 PLC的容量包括 I O 點數(shù)和用戶存儲容量兩個方面 1 確定系統(tǒng)的實際輸入點數(shù) 2 確定系統(tǒng)的實際輸出點數(shù) 3 確定應(yīng)選擇 PLC的點數(shù) PLC平均的 I O 點的價格還比較高 因此應(yīng)該合理選用 PLC的 I O 點的數(shù)量 在 滿足控制要求的前提下力爭使用的 I O 點最少 但必須留有一定的裕量 通常 I O 點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入 輸出信號的實際需要 再加上 10 到 15 的裕量來確定 本系統(tǒng)的輸入 輸出實際需要 23個點 所以本系統(tǒng)的 PLC輸入 輸出點數(shù)定為 32點 比較合適 但輸入和輸出各應(yīng)留有裕量 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 20 頁 4 確定系統(tǒng)同時接通輸入 輸出點的數(shù)量 a 同時接通的輸入點數(shù)量 對于選用高密度的輸入模塊 如 32點 48 點等 應(yīng)考慮該模塊同時接通的點數(shù)一般 不要超過輸入點數(shù)的 60 b 同時接通的輸出點數(shù)量 同時接通輸出設(shè)備的累計電流值必須小于公共端所允許通過的電流值 如一個 220V 2A 的 點輸出模塊 每個輸出點可承受 2A的電流 但輸出公共端允許通過的電 流并不是 16A 8 2A 通常要比此值小得多 一般來講 同時接通的點數(shù)不要超出同 一公共端輸出點數(shù)的 60 對同時接通的輸 入輸出點的制約 此系統(tǒng)是可以滿足的 2 系統(tǒng)存儲容量的選擇 PLC的 I O 點數(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 I O 點數(shù)確定的基礎(chǔ)上 按下式估算存儲容量后 再加 20 到 30 的裕量 存儲容量 字節(jié) 開關(guān)量 I O 點數(shù) 10 模擬量 I O 通道數(shù) 100 A 40 10 0 100 400 字節(jié) 另外 在存儲容量選擇的同時 注意對存儲器的類型的選擇 但是 本課題要求的存 儲容量很低 一般的 PLC能夠滿足 所以我們不需要考慮存儲容量 三 確定 PLC的 I O 模塊 一般 I O 模塊的價格占 PLC價格的一半以上 PLC 的 I O 模塊有開關(guān)量 I O 模塊 模擬量 I O 模塊及各種特殊功能模塊等 不同的 I O 模塊 其電路及功能也不同 直接影響 PLC的應(yīng)用范圍和價格 應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際需要加以選擇 根據(jù)本課題要求 不 需要用到模擬量 I O 模塊及各種特殊功能模塊 所以只需要對開關(guān)量 I O 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)場輸入設(shè)備的開關(guān)信號 將信號轉(zhuǎn)換為 PLC內(nèi)部接受的 低電壓信號 并實現(xiàn) PLC內(nèi) 外信號的電氣隔離 選擇時主要應(yīng)考慮以下幾個方面 1 輸入信號的類型及電壓等級 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 21 頁 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 選擇時主要根據(jù) 現(xiàn)場輸入信號和周圍環(huán)境因素等 直流輸入模塊的延遲時間較短 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的電壓等級有 直流 5 12 24 48 60 等 交流 110 220 等 選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設(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式和分組式兩種接線方式 匯點式的開關(guān)量輸入模塊所有輸入點共用一個公共端 COM 而分組式的開關(guān)量輸 入模塊是將輸入點分成若干組 每一組 幾個輸入點 有一個公共端 各組之間是分 隔的 分組式的開關(guān)量輸入模塊價格較匯點式的高 如果輸入信號之間不需要分隔 一般選用匯點式的 所以本系統(tǒng)考慮價格便宜問題 且輸入信號之間不需要分隔 選 用匯點式較合適 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 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)部低電壓信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動外部輸出設(shè)備的開關(guān)信號 并實 現(xiàn) PLC內(nèi)外信號的電氣隔離 選擇時主要應(yīng)考慮以下幾個方面 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 繼電器輸出的價格便宜 既可以用于驅(qū)動交流負(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 同時承受瞬時過電壓和過電流的能力較強 但其屬 于有觸點元件 動作速度較慢 驅(qū)動感性負(fù)載時 觸點動作頻率不得超過 1HZ 壽命 較短 可靠性較差 只能適用于不頻繁通斷的場合 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 22 頁 對于頻繁通斷的負(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)線自動控制系統(tǒng) 需要考慮價格相對要便宜 而本系統(tǒng)對動 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 分組式輸出是幾個輸出點為一組 一組有一個公共端 各組之間是分隔的 可分別用 于驅(qū)動不同電源的外部輸出設(shè)備 分隔式輸出是每一個輸出點就有一個公共端 各輸 出點之間相互隔離 選擇時主要根據(jù) PLC輸出設(shè)備的電源類型和電壓等級的多少而定 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)動能力 開關(guān)量輸出模塊的輸出電流 驅(qū)動能力 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 如果實際輸出設(shè)備的 電流較大 輸出模塊無法直接驅(qū)動 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)境溫度升高會降低 在實際使用中也應(yīng)注意 4 4 2 PLC 種類及型號選擇 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點數(shù) 實際輸入點 28點 實際輸出點 12點 綜合對比三菱 FX系列 包括 FX0S FX1S FX0N FX1N FX2N 等 西門子系列 OMRON 系列中 I O點數(shù)為 48點各型號的 PLC的價格 性能 實用場合等各方面 本系統(tǒng)可選擇 PLC型號為 FX2N 64MR 001 合計總數(shù) 64 點 32 點輸入 DC24V 32 點繼電器輸出 尺寸 mm 220 87 90 其性能 價格都優(yōu)于其他 PLC FX2N系列是 FX系列 PLC家族中最先進的系列 它能最大范圍地包容了標(biāo)準(zhǔn)特點 程式執(zhí)行更快 全面補充通訊功能 適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大 量特殊功能模塊 它可以為工廠自動化控制應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 23 頁 該型號 PLC有 32個輸入節(jié)點 32 個輸出節(jié)點 能夠滿足系統(tǒng)要求并留有一定的余 量 4 4 3 I O 點數(shù)分配 根據(jù)機械手動作流程分析及 I O點數(shù)確定 可以確定電氣控制系統(tǒng)的 I O點分配 如 表 4 1 表 4 2所示 表 4 1 機械手控制輸入點分配表 輸入設(shè)備 輸入點號 輸入設(shè)備 輸入點號 啟動按鈕 SB1 X000 氣缸手動下降 X012 停止按鈕 SB2 X001 X軸機械原點 X013 急停按鈕 SB3 X002 Y軸機械原點 X014 手動 X003 氣缸上行程到位 X015 自動 X004 氣缸下行程到位 X016 X軸手動正轉(zhuǎn) X005 X軸手動反轉(zhuǎn) X006 Y軸手動正轉(zhuǎn) X007 Y軸手動反轉(zhuǎn) X010 氣缸手動上升 X011 表 4 2 機械手控制輸出點分配表 輸出設(shè)備 輸出點號 輸出設(shè)備 輸出點號 X軸脈沖端 Y000 吸氣電磁閥 1 Y006 Y軸脈沖端 Y001 放氣電磁閥 2 Y007 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 24 頁 X軸脈沖方向 Y002 Y軸脈沖方向 Y003 Z軸氣缸上升 Y004 Z軸氣缸下降 Y005 4 4 4 PLC 外部接線圖 根據(jù)表 4 1 4 2 分配輸入 輸出信號與 PLC輸入 輸出接口分配情況及所選定的 PLC 得到 PLC的外部接線圖如圖 4 1 圖 4 1 PLC 外部接線圖 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 25 頁 4 5 PLC 程序設(shè)計 工程設(shè)計中 可編程控制器應(yīng)用程序的設(shè)計大體上有三種方法 也是使用最多的 方法 這些方法的應(yīng)用 也因不同設(shè)計人員有著不同的技術(shù)水平和習(xí)慣存在著差異 下面介紹一下常用的幾種應(yīng)用程序的設(shè)計方法 以便對下面的設(shè)計更有一個清晰的認(rèn) 識 也使讀者更加明白可編程控制器的設(shè)計方法和技巧 1 經(jīng)驗設(shè)計法 經(jīng)驗設(shè)計法也叫湊試法 在掌握一些典型控制環(huán)節(jié)和電路設(shè)計的基礎(chǔ)上 根據(jù)被控對 象對控制系統(tǒng)的具體要求 憑經(jīng)驗進行選擇 組合 這種方法對于一些簡單的控制系 統(tǒng)的設(shè)計是比較湊效的 可以收到快速 簡單的效果 但是它沒有一個普遍的規(guī)律可 遵循 具有一定的試探性和隨意性 最后得到的結(jié)果也不是唯一的 設(shè)計所用的時間 設(shè)計的質(zhì)量與設(shè)計者的經(jīng)驗的多少有關(guān) 經(jīng)驗設(shè)計法的具體步驟如下 1 確定輸入 輸出電器 2 確定輸入和輸出點的個數(shù) 選擇 PLC機型 進行 I O分配 3 做出系統(tǒng)動作工程流程圖 4 選擇 PLC指令并編寫程序 5 編寫其它控制控制要求的程序 6 將各個環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來 即得到一個滿足控制要求的程序 2 邏輯設(shè)計法 工業(yè)電氣控制線路中 有很多是通過繼電器等電器組件來實現(xiàn)的 而繼電器 交 流接觸器的觸點都只有兩種狀態(tài)即 斷開和閉合 因此用 0 和 1 兩種取值的邏 輯代數(shù)設(shè)計電氣控制線路是完全可以的 該方法法是根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)中的邏輯設(shè)計 法進行 PLC程序的設(shè)計 它使用邏輯表達式描述問題 在得出邏輯表達式后 根據(jù)邏 輯表達式畫出梯形圖 因此用邏輯設(shè)計法也可以適用于 PLC應(yīng)用程序的設(shè)計 順序控制法 對那些按動作的先后順序進行控制的系統(tǒng) 非常適合使用順序控制設(shè)計法進行編 程 順序控制法規(guī)律性很強 雖然編程相當(dāng)長 但程序結(jié)構(gòu)清晰 可讀性 在用順序 控制設(shè)計法編程時 功能圖是很重要的工具 功能圖能夠清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步 的功能 步與步之間的轉(zhuǎn)換順序及其轉(zhuǎn)換條件 上海電機學(xué)院本科畢業(yè)論文 設(shè)計 第 26 頁 功能圖由流程步 有向線段 轉(zhuǎn)移和動作組成 在使用時它有一些使用規(guī)則 具 體如下 1 步與步之間必須用轉(zhuǎn)移隔開 2 轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)移之間必須用步隔開 3 轉(zhuǎn)移和步之間用有向線段連接 正常畫順序功能圖的方向是從上向下或則從 左向右 按照正常順序畫圖時 有向線段可以不加箭頭 否則必須加箭頭 4 一個順序功能圖中至少有一