- 1 - 題題 目目 PLCPLC 控制的機(jī)械手自動(dòng)系統(tǒng)控制的機(jī)械手自動(dòng)系統(tǒng) 性性 質(zhì)：質(zhì)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文畢業(yè)論文 常州工學(xué)院成人（繼續(xù)）教育學(xué)院常州工學(xué)院成人（繼續(xù)）教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 系：電氣工程系 專業(yè)：電氣自動(dòng)化 班級(jí)：G 自動(dòng)化 50901 學(xué)生姓名職稱 課題名稱PLC 控制的機(jī)械手自動(dòng)系統(tǒng) 課 題 工 作 內(nèi) 容 1.分析機(jī)械手的工作原理。 2.設(shè)計(jì) PLC 機(jī)械手進(jìn)行改造的硬件電路。 3.設(shè)計(jì) PLC 機(jī)械手進(jìn)行控制的軟件程序。 4.進(jìn)行調(diào)試，找出問題，并進(jìn)行設(shè)計(jì)。 5.撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)書。 指 標(biāo) 目 標(biāo) 要 求 畢業(yè)設(shè)計(jì)是完成專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的一個(gè)重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué) 基礎(chǔ)理論，基本知識(shí)和基本技能，分析和解決工程及社會(huì)實(shí)踐中實(shí)際問題的能力有著 十分重要的作用。為此全體畢業(yè)生必須思想上重視，集中精力和時(shí)間在教師的指導(dǎo)下， 認(rèn)真，獨(dú)立完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。指導(dǎo)教師要加強(qiáng)指導(dǎo)，嚴(yán)格要求，確保質(zhì)量。 進(jìn) 程 安 排 2012 年 05 月 07 日-05 月 10 日 布置任務(wù)，選擇課題，明確要求。 2012 年 05 月 11 日-06 月 19 日 明確課題，學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。 2012 年 06 月 20 日-06 月 22 日 指導(dǎo)老師審核，閱卷，評(píng)定成績(jī)。 2012 年 06 月 23 日-06 月 25 日 評(píng)閱（答辯）教師審核，閱卷，評(píng)定成績(jī)。 2012 年 06 月 26 日-06 月 29 日 學(xué)生答辯。 - 2 - 主 要 參 與 文 獻(xiàn) 1袁子榮.液氣壓傳動(dòng)與控制M.重慶：重慶大學(xué)出版社 2陳懇，楊向東，劉莉，等.機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社 3陳奎生.液壓與氣壓傳動(dòng)M.武漢：武漢理工大學(xué)出版社 4張鐵，謝存禧.機(jī)器人學(xué)M.廣州：華南理工大學(xué)出版社 5費(fèi)仁元，張慧慧.機(jī)器人設(shè)計(jì)和分析M.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社 6郭愛芳，王恒迪.傳感器原理及應(yīng)用M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社 7陸祥生，楊秀蓮.機(jī)械手理論及應(yīng)用M.北京：北京鐵道出版社 地 點(diǎn) 無錫技師學(xué)院起止 日期 2012 年 5 月 07 號(hào)至 2012 年 6 月 29 日 系主任：魏寧宇 指導(dǎo)教師：鄭暉暉 年 月 日 年 月 日 說明：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)課題的具體情況填寫，經(jīng)系部審核簽字后生效。 目 錄 摘要 1 一 前言 2 (1) 研究的目的及意義 2 （二） 機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 2 （三） 主要研究的內(nèi)容 3 （四） 解決的關(guān)鍵問題 4 - 3 - 二 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選 5 （一） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 5 （二） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 5 （三） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇 5 （四） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理 6 （五） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 6 三 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 8 （一） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 8 （二） 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì) 8 （三） 氣動(dòng)回路的工作原理 9 - 4 - 四 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì) 12 （一） 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 12 （二） 傳感器的選擇 13 （三） 控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理 13 （四） PLC 程序設(shè)計(jì) 22 結(jié)束語 30 參考文獻(xiàn) 31 摘 要 機(jī)械手在先進(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)?？梢詫?shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全， 因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)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(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械手方面的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械手技 術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，提出了用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和 PLC 控制的設(shè)計(jì)方案。采用整體化的設(shè)計(jì)思想， 充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化。對(duì)物料分揀機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié) - 5 - 構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。在其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，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(jī)械手的移動(dòng)、故障報(bào)警等功能。最后提 出了一種簡(jiǎn)單、易于實(shí)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(jì)型、實(shí)用型、高可靠型物料分揀機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案， 對(duì)其他經(jīng)濟(jì)型 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒價(jià)值。 關(guān)鍵詞: 機(jī)械手，氣動(dòng)控制，可編程控制器（PLC） ，自動(dòng)化控制，物料分揀。 一 前 言 （一） 研究的目的及意義 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，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)?？梢詫?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 - 6 - 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)。 （二） 機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)，機(jī)械手市場(chǎng)份額大部分 被國(guó)外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國(guó)際強(qiáng)手面前，國(guó)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(guó)正從一個(gè)“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參 與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn)，對(duì)我國(guó)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。 - 7 - 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(guó)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。 （三） 主要研究的內(nèi)容 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。 （四） 解決的關(guān)鍵問題 1 解決機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、具有一定的代表性。 2 執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)精度的問題。 3 機(jī)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) - 8 - 調(diào)問題。 4 元件的匹配規(guī)則和知識(shí)的獲取及其表達(dá)形式。 5 傳感器的類型選擇。 - 9 - 二 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。 （一） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 機(jī)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。 機(jī)械手型式的選擇首先是從滿足它的運(yùn)動(dòng)要求方面進(jìn)行考慮， 然后從機(jī)械手的復(fù)雜 程度以及經(jīng)濟(jì)情況等方面來考慮。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手主要?jiǎng)幼鳛闄C(jī)械手手臂的左右移動(dòng)， 升降移動(dòng)和機(jī)械手的整體旋轉(zhuǎn)。 直角坐標(biāo)式機(jī)械手雖然具備手臂的伸縮上下、左右直線運(yùn)動(dòng)等動(dòng)作，但是不具備機(jī)械 手整體旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，所以不考慮用直角坐標(biāo)式機(jī)械手。 球坐標(biāo)式機(jī)械手和關(guān)節(jié)式機(jī)械手對(duì)動(dòng)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(dòng)作是不必要的，顯得浪費(fèi)和增加了制造的成本和難度。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作?？梢詫⑹直刍剞D(zhuǎn) 動(dòng)作改換成機(jī)械手的整體轉(zhuǎn)動(dòng)就可以滿足本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的動(dòng)作要求。這樣的修改并沒有 改變機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)，只是進(jìn)行了局部變動(dòng)，使得整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠，所以確定用圓 柱坐標(biāo)式機(jī)械手。 （二） 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。 （三） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇 1 手部的選擇 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(jī)構(gòu)也是多種多樣。 真空式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機(jī)械手的正常工作等 優(yōu)點(diǎn)。而且滿足所設(shè)計(jì)機(jī)械手的要求，所以選用真空式吸盤。 - 10 - 2 手臂結(jié)構(gòu)的選擇 手臂是機(jī)械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。手臂一般 有三個(gè)運(yùn)動(dòng)伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。手臂的基本動(dòng)作是將手部移動(dòng)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。 本機(jī)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性和設(shè)計(jì)的經(jīng) 濟(jì)性，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動(dòng)的雙作用單活塞桿氣缸。 機(jī)座結(jié)構(gòu)的選擇 3 基座結(jié)構(gòu)的選擇 機(jī)座結(jié)構(gòu)從形式上分為落地式和懸浮式，或分為固定式、可移動(dòng)式和行走式。無論哪 一種形式，機(jī)械手工作時(shí)機(jī)座一定予以固定。可移動(dòng)式的機(jī)座在停置時(shí)能夠剎車定位，以 保證機(jī)械手工作時(shí)的位置精度。根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求選用落地固定式機(jī)座。 （四） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理 物料分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)座、立柱、水平手臂、垂直手臂、電磁閥和吸盤等組 成。其中機(jī)座采用擺動(dòng)氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手 的動(dòng)作基本有伸縮、升降、左右旋轉(zhuǎn)、吸物和放物等動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)原理如圖2.2所示。其 動(dòng)作順序?yàn)椋撼跏嘉恢?A右旋 B前伸 C氣缸下降 D吸物料 C上升 B收縮 A左旋 C氣缸下降 D放物料 C上升回到初始位置。機(jī)械手的動(dòng)作在整個(gè)過程中 都是連續(xù)可循環(huán)的。 （五） 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 2.1 所示，大圖見 CAD 圖。 - 11 - 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 2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 - 12 - 三 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)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。 （一） 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(guó)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(guó)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(guó)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。 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。 （二） 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 3.1 所示。 - 13 - 圖 3.1 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。 （三） 氣動(dòng)回路的工作原理 物料分揀機(jī)械手的工作循環(huán)是：擺動(dòng)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?cái)[動(dòng)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(guān)，實(shí)現(xiàn)氣缸的往復(fù)運(yùn) 動(dòng)。二位二通電磁閥實(shí)現(xiàn)吸盤的吸物和放物。實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)的工作原理如下： 1 擺動(dòng)氣缸的右旋 按下啟動(dòng)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(dòng)氣缸會(huì)執(zhí)行右旋的命令。這時(shí)的氣路是： - 14 - 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲(chǔ)氣罐 3三位四通電磁換向閥 12 左端單向調(diào)速閥 19擺動(dòng)氣缸 C 的 D 口。 排氣路線：擺動(dòng)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(dāng)擺動(dòng)氣缸 C 右旋到指定位置時(shí)（90 度） ，就會(huì)碰到右旋限位開關(guān)，使二位五通電磁 換向閥 12 的 5YA 斷電，擺動(dòng)氣缸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)停止，經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，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(dòng)作。這時(shí)的氣路是: 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲(chǔ)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(dāng)水平伸縮氣缸 A 伸出到指定位置時(shí)，就會(huì)碰到前限開關(guān)，使三位四通電磁換向閥 10 的 1YA 斷電，手臂伸出動(dòng)作會(huì)停止。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，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(dòng)作。這時(shí)的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲(chǔ)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(shí)，撞到下限位開關(guān)，使三位四通電磁換向閥 11 的 3YA 斷 電，小臂下降動(dòng)作停止。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，二位二通電磁閥 13 的 7YA 得電，真空發(fā)生 器 22 開始動(dòng)作，經(jīng)真空開關(guān) 24 檢測(cè)真空度，并發(fā)出訊號(hào)給控制器，真空吸盤 26 將物料 吸起。這時(shí)的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲(chǔ)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(chǔ)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 - 15 - 經(jīng)傳感器檢測(cè)到物料已經(jīng)被吸起時(shí)，發(fā)出訊號(hào)，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(dòng)作。這時(shí)的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲(chǔ)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(shí)，撞到上限位開關(guān)，使三位四通電磁閥 11 的電磁鐵 4YA 斷電，小臂上升動(dòng)作停止。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，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(dòng)作。這時(shí)的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲(chǔ)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(dòng)氣缸的左旋 水平手臂氣缸回縮到指定位置時(shí)，撞到后限位開關(guān)，使三位四通電磁閥 10 的電磁鐵 4YA 斷電，水平手臂的回縮動(dòng)作停止。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，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(dòng)氣缸的向左旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。這時(shí)的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲(chǔ)氣罐 3三位四通電磁換向閥 12 右端單向調(diào)速閥 20擺動(dòng)氣缸 C 的 E 口。 排氣路線：擺動(dòng)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(dòng)氣缸左旋到指定位置（90 度） ，撞到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)，使三位四通電磁閥 12 的電磁 鐵 6YA 斷電，擺動(dòng)氣缸的左旋運(yùn)動(dòng)停止。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，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(yùn)動(dòng)。這時(shí)的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲(chǔ)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。 - 16 - 9 放物 小臂氣缸下降到指定位置時(shí)，撞到下限位開關(guān)，使三位四通電磁閥 11 的電磁鐵 3YA 斷電，垂直手臂的下降運(yùn)動(dòng)停止。經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，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(yùn)動(dòng)，真空消失，壓縮空氣進(jìn)入吸盤 26，將物料與吸 盤吹開，這時(shí)氣路為： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲(chǔ)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(chǔ)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(cè)到物料已脫離吸盤，發(fā)出訊號(hào)，經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，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(dòng)作。這時(shí)的氣路是： 進(jìn)氣路線：2 空氣處理單元儲(chǔ)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(guān)，接通復(fù)位按鈕，回到初始位置，重復(fù)以 上動(dòng)作。 - 17 - 四 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。 （一） 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)?程序語言描述，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)。 控制系統(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)。 （二） 傳感器的選擇 為了便于 PCL 控制程序的編寫，利于公司企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，綜合其各種情況，在本設(shè) 計(jì)，選擇 RGB 顏色傳感器著為識(shí)別物料顏色的裝置，繼電器輸出方式，便于 PLC 控制系統(tǒng) 的簡(jiǎn)單化，控制系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。 （三） 控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理 1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 （1） PLC 機(jī)型的選擇 - 18 - 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)： a 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。 b 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。 c 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。 d 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 - 19 - 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。 e 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。 f 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。以保證其模塊可互為備用，便于備品備件的 采購(gòu)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(gòu)和管理等我們還是 要求機(jī)型要統(tǒng)一。 (2) 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。 a 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)。 b 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)。 c 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)最少，但必須留有一定的裕量。 通常 IO 點(diǎn)數(shù) - 20 - 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。 d 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。 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)100 A=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。 (3)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。 a 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： (a)輸入信號(hào)的類型及電壓等級(jí) - 21 - 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)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。 (b)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)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。 (c)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。 b 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： (a)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，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。 - 22 - 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。 (b)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。 (c)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)。 (d)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(huì)降低，在實(shí)際使用中也應(yīng)注意。 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：FX2N64MR 001，合計(jì)總數(shù) 64 點(diǎn)32 點(diǎn)輸入，DC24V，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(guó)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 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 - 23 - 4.1、表 4.2 所示： 表 4.1 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 SB1 X000 手動(dòng)下降按鈕 SB6 X016 停止按鈕 SB2 X001 手動(dòng)左旋按鈕 SB7 X017 急停按鈕 SB3 X002 手動(dòng)右旋按鈕 SB8 X020 左旋極限傳感器 ST2 X003 手動(dòng)伸出按鈕 SB9 X021 右旋極限傳感器 ST3 X004 手動(dòng)縮回按鈕 SB10 X022 上升限位傳感器 ST4 X005 手動(dòng)吸氣按鈕 SB11 X023 下降限位傳感器 ST5 X006 手動(dòng)放氣按鈕 SB12 X024 手臂縮回限位傳感器 ST6 X007 超上升限位傳感器 ST8 X025 手臂伸出限位傳感器 ST7 X010 超下降限位傳感器 ST9 X026 工件檢測(cè)傳感器 PS1 X011 超左旋限位傳感器 ST10 X027 手動(dòng) X012 超右旋限位傳感器 ST11 X030 自動(dòng) SA X013 超伸出限位傳感器 ST12 X031 復(fù)位按鈕 SB4 X014 超縮回限位傳感器 ST13 X032 手動(dòng)上升按鈕 SB5 X015 表 4.2 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 6YA Y000 吸氣電磁閥 7YA Y006 右旋電磁閥 5YA Y001 放氣電磁閥 8YA Y007 縮回電磁閥 2YA Y002 報(bào)警指示燈 L11 Y010 伸出電磁閥 1YA Y003 手動(dòng)指示燈 L12 Y011 上升電磁閥 4YA Y004 自動(dòng)指示燈 L13 Y012 下降電磁閥 3YA Y005 原位指示燈 L14 Y013 - 24 - 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 的外部接線圖如圖 4.3： 圖 4.3 PLC 外部接線圖 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。 - 25 - 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 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 - 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