南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 1 - 目錄 第一章 概要 . .課題的意義 . .文的主要工作 .擇設計方案 . . 第二章 概述 .基本知識 . .門子 編程 語言 . 7 應用與前景 . . 8第 三章 制 程序 的設計 . . 電器設備的制方式及控制要求 . 11 器元件設備的選擇 12 制系統(tǒng)的 硬件設計 . 15 制 系統(tǒng)的 軟 件設計 . 18 第 四 章 設計小結 . 五 章 謝辭 . .考文獻 . 通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 2 - 第一章 概要 課題的意義 機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代科技的一個重要組成部分。 汽車業(yè)的快速發(fā)展，車外型愈求美觀流線，并由于汽車外板件要求 完美無塵的沖壓生產(chǎn) 線也向高速化、高品質、自動化、柔性化方向發(fā)展。傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)過程中的手工操作、人工送料的生產(chǎn)方式已無法滿足該行業(yè)的需要。 機械手的積極作用正日益為人們所認識，其一，它能部分地代替人的勞動并能達到生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送。因此，它能大大地改善工人的勞動條件，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因此，受到各先進單位的重視并投入了大量的人力物力加以研究和應用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲的場合，應用得更為廣泛。在我國，近代幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門 的重視 。 本文主要做的工作 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，甚至于危機生命。機械手就在這樣誕生了 。機械手的設計與操作也顯得日益重要。 設計的主要內容 （ 1 ）擬定控制系統(tǒng)設計的技術條件。技術條件一般以設計任務書的形式來確定，它是整個設計的依據(jù)； （ 2 ）選擇電氣傳動形式和電動機、電磁閥等執(zhí)行機構； （ 3 ）選定 型號； （ 4 ）編制 輸入 / 輸出分配表或 繪制輸入 / 輸出端子接線圖； （ 5 ）根據(jù)系統(tǒng)設計的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后再用相應的編程語言（常用梯形圖）進行程序設計； 機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置； 本設計中的機械手采用關節(jié)式結構。各動作由氣壓 驅動，并由電磁閥控制。動作順序及各動作時間的間隔采用按時間原則 。 機械手需要將工件從工作臺 甲 移送至工作臺乙 上，其動作過程為下降，上升，右移，再下降，再上升，左移。這些動作均由電磁閥控制液壓系統(tǒng)來驅動完成 此外，機械手在夾送工件右行到位后，如果工作臺 乙 上的工件尚未移走，機械手則停止運動，待工作臺 乙 上的工件被運走后，機械手才能下降。 限為位開關 別對機械手的上升 ,下降 ,左轉 ,右轉進行限位 ,并給出了動作到位的信號 。 而夾緊 ,放松動作的轉換則由時間繼電器控制 。 另外還有光電開關檢測工件是否移走 南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 3 - 擇設計方案 目前 機械手的 控制 有兩種方式，一 單片機 ，二 對 以下優(yōu)點 ： 可編程控制器（）由于其具有的高可靠性、編程 方便、易于使用和修改，易于擴展和維護，環(huán)境要求低、體積小巧，安裝調試方便，在工業(yè)控制中有著廣泛的應用。 7列 西門子公司生產(chǎn)的具有高性價比的小型可編程序控制器，由于它具有結構小巧、可靠性高、運行速度快等特點，在許多行業(yè)中得到了廣泛的應用。 有兩代產(chǎn)品：第一代 塊為 有 4 種類型主機，它們的 214、 215、 216；第二代 塊為 有 4 種類型主機，它們的 222、 224、 226,不同類型的 有不同的技術特征。 活性是指其結構配置靈活，可根據(jù)控制任務配置大小、功能不同的擴展系統(tǒng)，使其使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的中小控制系統(tǒng)，應用領域廣泛；多功能性一方面指它使用 供不同的編程語言和豐富的指令集，可以充分利用這些指令編寫解決復雜任務的程序，另一方面它具有豐富的通信功能，使用戶很容易地進行組網(wǎng)，其通信和實時性方面的優(yōu)點，使它成為解決復雜自動化方案的理想控制設備。 也可 選擇 基于 片機的機械手控制系統(tǒng)的設計 主要 實現(xiàn) 的是機械手控制系統(tǒng)在 片機中的實現(xiàn)問題 硬件接口的設計以及軟件部分 方面進行了設計的構想。 但 在機械手的設計中單片機有一些缺點 于單片機系統(tǒng)的自保護能力差，因而需要配置較多的保護電路，以避免系統(tǒng)的崩潰。 然可以實現(xiàn)單片機的在線編程，但是這遠遠滿足不了機械手殊的系統(tǒng)對程序的增減、修改及運行中的監(jiān)視等靈活性的要求。這些不靈活方便的話，會導致現(xiàn)場調試與維護變得很麻煩。 電 子技術的發(fā)展，使得單片機系統(tǒng)的抗干擾能力得到了很大的提高，但是還是很難滿足一些特殊場合，尤其是惡劣的環(huán)境下的抗干擾要求。 用 于 靠、使用與維護方便。 綜 上所述本設計中采用 南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 4 - 第二章 概述 本知識 在自動化控制領域， 一種重要的控制設備。目前，世界上有 200 多廠家生產(chǎn) 300 多品種 品，應用在汽車（ 23%）、糧食加工（ 、化學 /制藥（ 、金屬 /礦山（ 、紙漿 /造紙（ 等行業(yè)。為了使各位初學者更方便地了解 文對 發(fā)展、基本結構、配置、應用等基本知識作一簡介，以期對各位網(wǎng)友有所幫助。 一、 發(fā)展歷程 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。 1968 年美國 用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次 采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱 個人計算機（簡稱 展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為 現(xiàn)在，仍常常將稱 定義有許多種。國際電工委員會（ 定義是：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。 60 年代末期在美國首先出現(xiàn)，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性程序控制系統(tǒng)。 1976 年正式命名，并給予定義： 使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展， 十分成熟與完善，并開發(fā)了模擬量閉環(huán)控制功能。 統(tǒng)中的地位似乎已被確定并無多少爭論。 為一個站掛在高速總線上。充分發(fā)揮 處理開關量方面的優(yōu)勢。另外，火力發(fā)電廠輔助車間，例如補給水處理車間、循環(huán)水車間、除灰除渣車間、輸煤車間等，在這些車間的工藝過程多以順序控制為主。 于順序控制有其獨特的優(yōu)勢。編者以為，輔助車間的控制系統(tǒng)應以遵循現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的 能與 行通訊交換信息的 優(yōu)選對象 上世紀 80 年代至 90 年代中期，是 展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期， 處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高， 漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的 統(tǒng)。 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。 工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。 二、 構成 南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 5 - 從結構上分， 為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 括 、I/O 板、顯示面板、內存塊 、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 塊、 I/O 模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 三、 構成 核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 少有一個 按 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 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。 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， 元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是 可缺少的組成單元。 在使用者看來，不必要詳細分析 內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。 控制器控制 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。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。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 。 度和內存容量是 重要參數(shù)，它們決定著 工作速度， 量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 四、 I/O 模塊 電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（ I/O）完成的。 I/O 模塊集成了 ，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)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入 統(tǒng)，輸出模塊相反。 I/O 分為開關量輸入（ 開關量輸出（ 模擬量輸入（ 模擬量輸出（ 模塊。 開關量是指只有開和關（或 1 和 0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指 連續(xù)變化的量。常用的 I/O 分類如下： 開關量：按電壓水平分，有 22011024隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分，有電流型（ 4電壓型（ 010，按精度分，有 1246。 除了上述通用 I/O 外，還有特殊 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 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 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。 按 I/O 點數(shù)分類 根據(jù) I/O 點數(shù)的多少，可將 為小型，中型和大型三類 （ 1） I/O 點數(shù) 2048 點，多 16 位、 32 位處理器，用戶存儲器容量 87 德國西門子公司 司 立石公司 三菱公司 五、電源模塊 源用于為 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。電源輸入類型有：交流電源（ 220 110直流電源（常用的為 24 六、底板或機架 大多數(shù)模塊式 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 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。 七、 統(tǒng)的其它設備 1、編程設備：編程器是 發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控 控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器 般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。 2、人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面非常普 及。 3、輸入輸出設備：用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，如 入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。 八、 通信聯(lián)網(wǎng) 依靠先進的工業(yè)網(wǎng)絡技術可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出 網(wǎng)絡就是控制器 的觀點說法。 有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使 間、 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。多數(shù) 有 口，還有一些內置有支持 各自通信協(xié)議的接口。 通信，還未實現(xiàn)互操作性， 定了多種現(xiàn)場總線標準， 廠家均有采用。 對于一個自動化工程 (特別是中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng) )來講，選擇網(wǎng)絡非常 重要的。首先，網(wǎng)絡必須是開放的，以方便不同設備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴展；其次，針對不同網(wǎng)絡層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡標準的協(xié)議、機制的前提下進行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡標準 南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 7 - 門子 編程語言 可編程控制 器的編程語言按 際標準來分主要包括圖形化編程語言 文本化編程語言。圖形化編程語言包括 :梯形圖 (功能塊圖(順序功能圖 (文本化編程語言包括 :指令表 (結構化文本 (這些語言是基于 作系統(tǒng)的編程語言 程語言則在兩類編程語言中均可使用。下面分別 來 介紹 這 幾種編程語言。 不同的商家的 不同的編程語言，但就某個商家而言， 編程語言也就那么幾種。下面，以西門子 編程語言為例，說明一下，各種編程語言的異同。 1、順序功能圖（ 這是位于其它編程語言之上的圖形語言，用來編程順序控制的程序（如：機械手控制程序）。編寫時，工藝過程被劃分為若干個順序出現(xiàn)的步，每步中包括控制輸出的動作，從一步到另一步的轉換由轉換條件來控制，特別適合于生產(chǎn)制造過程。 西門子 的該編程語言是 2、梯形圖 編程語言 （ 梯形圖來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述，是 程中被最廣泛使用的一種圖形化語言，由于梯形圖類似于繼電器控制的電氣接線圖，便于理解 ,因此許多編程人員和維護人員都選擇了這一編程方式。而且其圖形結構類似于登高用的梯子，故名梯形圖。梯形圖程序的左右兩側有兩垂直的電力軌線，左側的電力軌線名義上為功率流從左向右沿著水平梯級通過各個觸點、功能、功能塊、線圈等提供能量，功率流的終點是右側的電力軌線。每一個觸 點代表了一個布爾變量的狀態(tài)，每 一個線圈代表了一個實際設備的狀態(tài) . 這是使用使用最多的 程語言。因與繼電器電路很相似，具有直觀易懂的特點，很容易被熟悉繼電器控制的電氣人員所掌握，特別適合于數(shù)字量邏輯控制。 梯形圖由觸點、線圈和用方框表示的指令構成。觸點代表邏輯輸入條件，線圈 代表邏輯運算結果，常用來控制的指示燈，開關和內部的標志位等。指令框用來表示定時器、計數(shù)器或數(shù)學運算等附加指令。 在程序中，最左邊是主信號流，信號流總是從左向右流動的。 不適合于編寫大型控制程序。 一個簡單的梯形圖程序如圖 示 : 圖 形圖表示的 序實例 梯形圖的每個梯級表示一個因果關系 ,事件發(fā)生的條件表示在梯形的左面 ,事件發(fā)生的結果表示在梯級的右面。 梯形圖編程語言具有如下特點 : (1) 與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性 ; 南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 8 - (2) 與原有繼電器邏輯控制技術相一致，易于掌握和學習 ; (3) 對于復雜控制系統(tǒng)描述 ,仍不夠清晰 ; (4) 可讀性仍不夠好。 幾乎所有 商提供的 支持梯形圖編程語言 ,而且都比較容易理解，只是在梯形圖結構上可能稍有變化。比如西門子的 列梯形圖就沒有右 邊的電力軌線。有時在有此參考書中右邊的電力軌線也常常被省略。 3、功能塊圖（ 功能塊圖編程語言采用功能模塊表示所具有的功能，不同的功能模塊具有不同的功能。功能模塊用矩形來表示，每一個功能模塊的左側有不少于一個的輸入端，右側有不少于一個的輸出端。功能模塊的類型名稱通常寫在塊內，其輸入輸出名稱寫在塊內的輸入輸出點對應的地方。 功能模塊基本上分為兩類 :基本功能模塊和特殊功能模塊?；竟δ苣K如等 N 延時，脈沖輸出， 計數(shù)器等等。 功能塊編程語言具有以下特點 : (1) 以功能模塊為單位 ,從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變的容易 ; (2) 功能模塊用圖形化的方式描述功能，較直觀易掌握，方便組態(tài)，易操作。是有發(fā)展前途的一種編程語言 ; (3) 對較復雜系統(tǒng)，由于控制功能關系能夠比較清晰的描述，因此縮短了編程和調試時間 ; (4) 因為每一個功能模塊要占用一定程序存儲空間，對功能塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時間，因此，這種語言在大中型可編 程控制器 和 分散控制系統(tǒng)中應用較廣泛 功能塊圖使用類似于布爾代數(shù)的圖形邏輯符號來表示控制邏輯 ，一些復雜的功能用指令框表示，適合于有數(shù)字電路基礎的編程人員使用。功能塊圖用類似于與門、或門的框圖來表示邏輯運算關系，方框的左側為邏輯運算的輸入變量，右側為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運算，方框用“導線”連在一起，信號自左向右。 圖 功能圖表示的 序實 例 4 語句表（ 是一種類似于微機匯編語言的一種文本編程語言，由多條語句組成一個程序段。語言表適合于經(jīng)驗豐富的程序員使用，可以實現(xiàn)某些梯形圖不能實現(xiàn)的功能。 如表 語句表表示的 序實例 應用與前景 目前，在國內外 廣泛應用冶金，石油，化工，剪彩，機械制造，電力，汽車，輕工，環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)，隨著 能價格 的不斷提高，器應用領域不斷擴大，從應用類型看大致可歸納為以下幾個方面： 南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 9 - 強量邏輯運算 利用 基本的邏輯運算，定時，計收等功能實現(xiàn)邏輯運算，科取代傳統(tǒng)的繼電器控制用于單片機控制，多機群控制，生產(chǎn)自 動線控制等。例：機床，注塑機印刷機械，裝配生產(chǎn)線，電鍍流水線及電梯的控制等。這是 基本的應用，也是 廣泛的應用領域。 2、 運動控制 大多數(shù) 有拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，這一功能廣泛用于各種機械設備。例如：各種機床，裝配機械。機器人等進行運動控制。 3、 過程控制 大，中型 具有多路模擬量 I/O 模塊和 制功能。有的小型 具有模擬量輸入輸出，所以 實現(xiàn)模擬量控制而且具有 制功能的 構成閉環(huán)控制，用于過程控制。這一功能已廣泛用于鋁爐，反應堆 ，水處理，釀酒及閉環(huán)位置控制和速度控制等方面。 4、 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的 具有數(shù)學運算數(shù)據(jù)傳遞，轉換，排序和查表等功能，可進行數(shù)據(jù)的采集，分析和處理，同時的通過通信接口將這些數(shù)據(jù)傳送給其電智能裝置。例如： 5、 通信聯(lián)網(wǎng) 通信包括 計算機， 其它智能設備之間的通信，統(tǒng)與通用計算機可直接或通過通信處理單元，通信轉換單元相連構成網(wǎng)絡，已實現(xiàn)信息的交換和構成。集中管理分散控制的多級分布式控制系統(tǒng)。滿足工廠自動化（ 統(tǒng)發(fā)展的需要。 國外 展概況 問世以來，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展。在美、德國等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一，世界總銷售額不斷上升，生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)，品種不斷翻新，產(chǎn)量產(chǎn)值大幅度上升而價格則不斷下降。目前，世界上有 200 多個廠家生產(chǎn) 多的有美國：用電氣、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、歐姆龍等；德國：西門子公司；法國： 耐德公司。韓國：三星、 司等 發(fā)展前景 （ 1）產(chǎn)品規(guī)模向大小兩個方向發(fā)展 大： I/O 點數(shù)達 14336 點， 32 位微處理器，多 行工作 ，大容量存儲器， 掃描速度快高速； ?。赫w結構向小型模塊化結構發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本； （ 2） 閉環(huán)過程中應用日益廣泛； （ 3）不斷加強通訊功能； （ 4）新器件和模塊不斷推出 目前， 國內外都已得到了廣泛的應用。利用 基本的邏輯運算 數(shù)等動能進行邏輯控制?？梢匀〈鷤鹘y(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，廣泛用于機床，印刷機。裝配生產(chǎn)線，電動流水線及電梯等的控制。 較高檔次的 有位置控制模塊，得別適用于機床控制。大。中型 有多路模擬量輸出和 制，可構成模擬量輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于過 程控制。 隨著計算機控制技術的發(fā)展，國外近幾年興起自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)， 間，上位機之間連成網(wǎng)絡，通過光纜傳送信息，構成大型的多級分布式控制系統(tǒng) (集散控制系統(tǒng) ) 南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 10 - 我國使用較多的 品 德國西門子的 列，日本 司的 C 系列，三菱公司的 列，美國 司的 列等。各大公司生產(chǎn)的的可編程序控制器都形成由小型到大型的系列產(chǎn)品，而且隨著技術不斷進步，產(chǎn)品更新?lián)Q代很快。通過技術引進，合資生產(chǎn)，近年來，我國的 品有了一定的發(fā)展，生產(chǎn)廠家也達 30 多家，為可編程序控制器國產(chǎn)化奠定了 基礎。 從可便程序控制器的發(fā)展來看，有小型化和大型化兩個趨勢。小型 兩個發(fā)展方向，即?。ㄎⅲ┬突蛯I(yè)化。隨著數(shù)字電路集成度的提高，元器件體積減小。質量提高，可編程序控制器結構更加緊湊，設計制造水平的功能在不斷進步。微型化的 能也大有提高。過去一些大中型 有的的功能，如模擬量的處理，通信， 節(jié)運算等，均可以被移植到小型機上，同時 價格不斷下降，將真正成為繼電 大型化指的是大型 著大容量，智能化和網(wǎng)絡化發(fā)展，使之能與計算機組成集成控制 ，對大規(guī)模，復雜系統(tǒng)進行綜合性的自動控制。 南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 11 - 第三章 制 程序 的設計 電器設備的控制方式及控制要求 1 機械手的技能和特性 根據(jù) 力學觀點，物體在三維空間的靜止位置是由三個坐標和繞三軸旋轉的角度來決定的。因此，抓握物體的位置和方向（即關節(jié)間的角度）能從理論上求得。據(jù)資料介紹，如果采用的機械手，其機能要接近人的上肢，則需要具有 27 個自由度，而每一個自由度至少要有一根“人造肌肉”。這樣就需要安裝 27 根重量輕、小型和高輸出力的“人造肌肉”。就目前的技術狀況而言，上述功能還 很難辦到。而且把機械手的功能搞得那么復雜，動作彼此嚴重重疊也是完全不必要的。退一步，如果機械手要求具有完全通用的程度，那么它的整機、本體、手臂和手指都得有三個直線運動和三個旋轉運動，總共就要有 24 個自由度。這在實際上也是不必要的，這樣會使機械手結構復雜，費用增多。因此，不應盲目模仿人手的動作，增加過渡的自由度，而應根據(jù)實際需要的動作，設計出最少的自由度就能完成作業(yè)所要求的動作。所以一般專用的機械手（不包括握緊動作）通常具有二到三個自由度。而通用機械手一般取四到五個自由度。 本設計中設計的機械手，它共有五個自 由度。即： 手臂伸縮、 手臂上下擺動、手臂左右擺動、手腕回轉、手指抓握。 2 軀干和傳動系統(tǒng) 機械手的傳動分為液壓、氣壓、電氣和機械四種，本設計采用綜合傳動方式，即手臂采用電氣傳動，而手爪則采用氣壓傳動。 (1) 夾緊機構 機械手手爪使用來抓取工件的部件。手爪抓取工件是要滿足迅速、靈活、準確和可靠的要求。設計制造夾緊機構 手爪時，首先要從機械手的坐標形式、運行速度和加速度的情況來考慮。其加緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小來計算。同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應被抓物體的尺寸變化 ，為擴大機械手的應用范圍，還需備有多種抓取機構，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物體，夾緊力應限制一定的范圍內，并鑲有軟質墊片、彈性襯墊或自動定心結構。為防止突然停電被抓物體落下，還可以有自鎖結構。夾緊機構本身則應結構簡單、體積小、重量輕、動作靈活和動作可靠。 夾緊機構形式多樣，有機械式、吸盤式和電磁式等。有的夾緊機構還帶有傳感裝置和攜帶工具進行操作的裝置。本設計采用機械式的夾緊機構。 機械式夾緊機構是最基本的一種，應用廣泛，種類繁多。如按手指運動的方式和模仿人手的動作，可分為回轉型、 直進型；按夾持方式可分為內撐式、外撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動力來源可分為彈簧式、氣動式、液壓式等。本設計采用二指式氣動手爪。由可編程控制器控制電磁閥動作，從而控制手爪的張閉。手爪的回轉則用一個直流電動機完成，同時通過兩個限位磁頭完成回轉角度的限位，一般可設置在 180 度。 (2) 軀干 軀干由底盤和手臂兩大部分組成。 底盤是支撐機械手全部重量并能帶動手臂旋轉的機構。底盤采用一個直流電動機驅動，底盤旋轉時帶動一個旋轉碼盤旋轉，機械手每旋轉 3 度發(fā)出一個脈沖，由傳感器 檢測并送入可編程控制器，從而計算底盤旋轉的角度。同時，在底盤上裝有限位磁頭，最大旋轉角度可達 270 度。 南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 12 - 手臂是機械手的主要部分，它是支撐手爪、工件并使它們運動的機構。本設計中手臂由橫軸和豎軸組成，可完成伸縮、升降的運動。手臂采用 氣動電磁閥 帶動絲杠、螺母來實現(xiàn)伸縮和升降運動。由可編程控制器發(fā)出脈沖信號，帶動滾珠絲杠旋轉，完成手臂的運動。改變發(fā)出脈沖的個數(shù)，可控制手臂的兩個軸運動的距離。同時在兩軸的兩端分別加限位開關限位。采用絲杠、螺母結構傳動的特點是易于自鎖，位置精度較高，傳動效率較高。 氣 元 件、設備的選擇 1、 輸入 /輸出的點數(shù)： I/O 點數(shù)可以衡量 模的大小。準確統(tǒng)計被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)并考慮今后系統(tǒng)的調整和擴充，在實際統(tǒng)計 I/O 點數(shù)基礎上，一般應加上 10%備用點數(shù)。多數(shù)小型 整體式，具有體積小、價格便宜等優(yōu)點，適于工藝過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡單的系統(tǒng)。模塊式結構的 用主機模塊與輸入模塊、功能模式塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊、判斷與處理故障快速方便，適用于工藝變化較多、控制要求復雜的系統(tǒng)。 (1) 輸入設備 本設計中應包括：操作方式轉換開關：該開關應有手動、單步、單周期、連續(xù)等四個位置可供選擇。手動時運動選擇開關：該開關應有上 /下，左 /右，夾緊 /放松等三個位置可供選擇。起動、停止及復位按鈕。 開關及按鈕在操作屏上的布置 所示 。 位置檢測元件：機械手的運動是按行進程原則進行控制的。其上限、下限、左限、右限的位置分別用限位開關來檢測。 無工件檢測元 件：右工作臺上無工件用光電開關來檢測。 (2) 輸出設備 由 輸出信號驅動的執(zhí)行元件。 本設計中應包括下降電磁閥、上升電磁閥、右移電磁閥、 左移電磁閥、夾緊電磁閥。 為了對機械手處于原點進行指示，還可以配置一個原點的指示燈。 各輸出設備的配置如圖 示。 根據(jù)所確定的用戶輸入設備及輸出設備，可畫出 I/O 連接圖， 由圖可見，需要 19 點輸入， 6 點輸出。 此外，還應考慮用戶儲存器的容量、 處理速度是否能滿足實時控制的要求、編程器與外圍設備的選擇等。 本設備控制的對象是一個開關量控制的系統(tǒng)，同時利用脈沖控制步進店動機的運轉，故應采用晶體管形式的輸出。 列具有性價比高、功能完善、指令豐富等優(yōu)點，能滿足本對象各項控制性 能要求，因此，本系統(tǒng)采用 列 輸出兩路脈沖信號進行步進電動機的控制。由于輸入輸出點不夠，擴展一個 塊。 由機械手執(zhí)行機構可知 1）輸入為 19 關量信號。由限位開關，按紐，光電開關組成。 2）輸出為 6 個開關量信號。右 24V 電液控制，液壓驅動線圈和指示燈組成。 2、 型的選擇 根據(jù)被控對象對 制系統(tǒng)的功能要求，可進行 號的選定。 型選擇的基本原則是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格比的最優(yōu)化機型。 南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 13 - 在工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好（維修量較小）的場合，建議選用整體式結構 的 它情況則最好選用模塊式結構的 而在控制比較復雜，控制功能要求比較高的工程項目中（如要實現(xiàn) 算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等），可視控制規(guī)模及復雜程度來選用中檔或高檔機。其中高檔機主要用于大規(guī)模過程控制、全 分布式控制系統(tǒng)以及整個工廠的自動化等。根據(jù)不同的應用對象， 對于一個大型企業(yè)系統(tǒng)，應盡量做到機型統(tǒng)一。這樣，同一機型的 于備品備件的采購和管理；同時，其統(tǒng)一的功能及編程方法也有利于技術力量 的培訓、技術水平的提高和功能的開發(fā)；此外，由于其外部設備通用，資源可以共享，因此，配以上位計算機后即可把控制各獨立系統(tǒng)的多臺 成一個多級分布式控制系統(tǒng)，這樣便于相互通信，集中管理。 進行 型時，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要，同時要兼顧維修、備件的通用性。對開關量控制的系統(tǒng)，當控制速度要求不高時，一般的 可以滿足要求，如對小型泵的順序控制、單臺機械的自動控制等。當控制速度要求較高、輸出有高速脈沖信號等情況時，要考慮輸入 /輸出點的形式，最好采用晶體管形式輸出。對帶有部分模擬量控制的裝置等。 該機械手的控制為純開關量控制，且所要的 I/O 點數(shù)不多，因此選擇一般小型抵擋機即可。 在設計中 三種選擇模塊即 22， 26 22 本機集成 8 輸入 /6 輸出共 14 個數(shù)字量 I/O 點。可連接 2 個擴展模塊。 6K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 4 個獨立的 30速計數(shù)器， 2 路獨立的 20速脈沖輸出。 1 個 訊 /編程口，具有 訊協(xié)議、 訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點數(shù)控制的微型控制器。 本機集成 14 輸入 /10 輸出共 24 個數(shù)字量 I/O 點?？蛇B接 7 個擴展模塊，最大擴展至 168 路數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點。 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個獨立的 30速計數(shù)器， 2 路獨立的 20速脈沖輸出，具有 制器。 1個 訊 /編程口，具有 訊協(xié)議、 訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/具有較強控制能力的控制器 。 26 本機集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個數(shù)字量 I/O 點?？蛇B接 7 個擴展模塊，最大擴展至 248 路數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點。 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存 儲空間。6 個獨立的 30速計數(shù)器， 2 路獨立的 20速脈沖輸出，具有 制器。 2個 訊 /編程口，具有 訊協(xié)議、 訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入 /輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能?？赏耆m應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。 由于所要的 I/O 點數(shù)為 19/6 點，考慮到機械手操作的工藝固定， I/O 點基本上可不留裕量。根據(jù)資料的機型，根據(jù)控制要求， 制系統(tǒng)選用 司列 因為此次設計 I/O 為 19/，另外選擇擴展模塊 規(guī)格 路數(shù)字量 入 3、 電源模塊的選擇： 采用 列開關電源。其特點是輸出功率大，體積小，重量輕，可靠性高，適應寬范圍的輸入電壓波動，具有完備的過電壓、過電流保護功能。 主要參數(shù)： 輸入交流電壓： 110220V/5060通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 14 - 輸出直流電壓： 24V/大功率： 156W 工作環(huán)境： 0 度 4、 電氣元件 的選擇 選擇 用戶輸入設 備 (按鈕、操作開關、限位開關、傳感器等 )、輸出設備 (繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件 )以及由輸出設備驅動的控制對象 (電動機、電磁閥等 )。這些設備屬于一般的電氣元件。 （ 1） 在設計中用到了行程開關 ， 行程開關又稱限位開關，用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產(chǎn)中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行 程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關來控制開關轎門的速度、自動開關門的限位，轎廂的上、下限位保護。 行程開關按其結構可分為直動式、滾輪式、微動式和組合式。 在本次設計中采用 直動式行程開關 直動式行程開關 其動作原理與按鈕開關相同，但其觸點的分合速度取決于生產(chǎn)機械的運行速度，不宜用于速度低于 0 4m 場所。 直動式行程開關 包擴 1 推桿 2 3 4 在設計中為限制機械手的上行限制位置，采用上限行程開關。限制機械手的下行限制位置，采用下限行程開關。同樣 的也選擇了左限，右限行程開關。 （ 2） 電磁閥里 有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。 電磁閥是用來控制 流體 的 自動化基礎 元件 ，屬于 執(zhí)行器 ；并不限于液壓，氣動 。 電磁閥 分為 直動式電磁閥 ,分布 直動式電磁閥 ,先導式電磁閥 在設計中采用 直動式電磁閥 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，但通徑一般不超過 25 ( 3) 傳感器 能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成 ”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、 顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。 可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉換原理 (傳感器工作的基本物理或化學效應 )；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。 根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類 ： 傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。 南通職業(yè)大學 2008 屆畢業(yè)設計 - 15 - 根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類 ： 在設計中 采用 紅外傳感器 利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器。紅外系統(tǒng)的組成、主要光學系統(tǒng)和輔助光學系統(tǒng)紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質。任何物質，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應快等優(yōu)點。 紅外線傳感器包括光學系統(tǒng)、檢測元件和轉換電路。光學系統(tǒng)按結構不同可分為透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。熱敏元件應用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫 度升高，電阻發(fā)生變化，通過轉換電路變成電信號輸出。光電檢測元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。 紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類 1、 輻射計，用于輻射和光譜測量； 2、 搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤； 3、 熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像； 4、 紅外測距和通信系統(tǒng)； 5、 混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。 （ 4）在自動控制系統(tǒng)中，有時需 要繼電器得到信號后不立即工作，而是延順一段時間后再動作并輸出控制信號，以達到按時間順序進行控制的目的。時間繼電器就可以滿足這種要求。 間繼電器 是一種利用電磁原理或機械原理實現(xiàn)延時控制的控制電器。它的種類很多，有空氣阻尼型、電動型和電子型等。 時間繼電器原理 在交流電路中常采用空氣阻尼型時間繼電器 ,它是利用空氣通過小孔節(jié)流的原理來獲得延時動作的。它由電磁系統(tǒng)、延時機構和觸點三部分組成。 時間繼電器類型 時間繼電器可分為通電延時型和斷電延時型兩種類型。 時間繼電器：當加上或除去輸入信號時，輸出部分需延時或限時到規(guī)定的時間才閉合或斷開其被控線路的繼電器。 a,電磁時間繼電器：當線圈加上信號后，通過減緩電磁鐵的磁場變化而后的延時的時間繼電器。 b,電子時間繼電器：由分立元件組成的電子延時線路所構成的時間繼電器，或由固體延時線路構 成的時間繼電器。 c,混合式時間繼電器：由電子或固體延時線路和電磁繼電器組合構成的時間繼電器。 制系統(tǒng)的 硬件設計 1. 控制要求 機械手移動工作動作示意圖 示。機械手需要將工件從工作臺 A 移送至工作臺 動作過程為下降，上升，右移，