1、物料分揀機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)物料分揀機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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)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)

2、，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。最后提出了一種簡單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: : 機(jī)械手；可編程控制器；自動(dòng)化控制；物料分揀 目 錄 第一章 前言 .1 1.1 研究的目的及意義.1 1.2 主要研究的內(nèi)容.1 第二章 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和性能要求 .2 2.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu).2 2.2 控制系統(tǒng)的性能要求.2 第三章 傳感器的選擇 .4 第四章 控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理 .6 4.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則.6 4.2 PLC 種類及型號(hào)選擇.10 4.3 I/O 點(diǎn)數(shù)分配.10

3、4.4 PLC 外部接線圖.11 4.5 機(jī)械手控制原理.12 第五章 PLC 程序設(shè)計(jì).14 5.1 總體程序框圖.14 5.2 初始化及報(bào)警程序.15 5.3 手動(dòng)控制程序.16 5.4 自動(dòng)控制程序.16 第六章 總結(jié)與展望 .19 參考文獻(xiàn) .20 謝辭 .21 第一章 前言 1.1 研究的目的及意義 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)人身安全， 被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原

4、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)

5、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)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 1.2 主要研究的內(nèi)容 本論文主要研究物料分揀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(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。 第二章 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和性能要求 2.1 控

6、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)某绦蛘Z 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)?用控制器運(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

7、： (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)。 2.2 控制系統(tǒng)的性能要求 對(duì)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(dòng)后其運(yùn)動(dòng)性能從偏離平衡點(diǎn)恢復(fù)到原平衡點(diǎn)狀態(tài)的能力。 穩(wěn)定性是一般自動(dòng)控制必須滿足的基本要求，對(duì)穩(wěn)定性的研究是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的一個(gè)基

8、 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(yùn)動(dòng)到新 的平衡狀態(tài)時(shí)具有較小的超調(diào)和震蕩性；系統(tǒng)由初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到新的平衡狀態(tài)經(jīng)歷的時(shí)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(shí)際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差?？刂葡到y(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(xiàng)重要 指標(biāo)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)允許的限制值。 第三章 傳感器的選擇 傳感器是將被檢測對(duì)象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘?hào)的一種變換器。它主要被用于檢測

9、系統(tǒng)本身與作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動(dòng)作提供信息。 根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求需要對(duì)位置檢測裝置、滑覺傳感器、視覺傳感器進(jìn)行選用。位置檢測 裝置檢測機(jī)械手動(dòng)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(jī)械手對(duì)物料的識(shí)別。 1.位置檢測裝置 在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)機(jī)械手執(zhí)行左旋/右旋，前伸/回縮，上升/下降等動(dòng)作時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的 位置檢測裝置檢測動(dòng)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(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。 本設(shè)計(jì)中采用直線接觸式行程開關(guān)檢測機(jī)械手動(dòng)作是否到位，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，碰到行

10、 程開關(guān)，終結(jié)上一個(gè)動(dòng)作，準(zhǔn)備執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作。 2.滑覺傳感器 機(jī)械手吸取物體時(shí)按吸力的大小可分為硬吸取和軟吸取。硬吸取是吸盤用最大的吸力吸 取物體，以保證可靠性；軟吸取方式是吸盤使吸力保持在能穩(wěn)固吸取物體的最小值，以避免 損傷物件。軟吸取時(shí)吸力不夠時(shí)被吸物體會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，滑覺傳感器就是為了檢測滑動(dòng)而設(shè)計(jì) 的，可以檢測垂直于吸物方向物體的位移、由重力引起的變形，以達(dá)到修正吸力，防止吸取 物的滑動(dòng)。 3.視覺傳感器 機(jī)械手視覺的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能夠?qū)Σ煌奈矬w進(jìn)行識(shí)別，本機(jī)械手 采用顏色傳感器，根據(jù)不同物料有不同的顏色，可以針對(duì)一種顏色的物料進(jìn)行揀出。 目前，用于顏色識(shí)別的傳感器有兩

11、種基本類型：（1）色標(biāo)傳感器，它使用一個(gè)白熾燈 光源或單色 LED 光源；（2）RGB（紅綠藍(lán)）顏色傳感器，它檢測物體的對(duì)三基色的反射比率， 從而鑒別物體顏色。這類裝置許多是溫反射型、光束型、光纖型的，封裝在各種金屬和聚碳 酸脂外殼中。典型的輸出有：NPN 和 PNP、繼電器和模擬輸出。 顏色傳感器有光到光電流轉(zhuǎn)換器、光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器和光到數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換器。 光到數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換器由搭配 RGB 濾波器的光電二極管陣列、模似數(shù)字轉(zhuǎn)換器及用于通信 和靈敏度控制的數(shù)字核心組成。輸出允許直接接口微控制器或其它邏輯控制通路，如 2 線串 行接口，以進(jìn)一步處理信號(hào)，而不需額外的器件。 優(yōu)點(diǎn)：提供抗噪聲干擾能

12、力，簡化外圍電路設(shè)計(jì)，改善空間利用率，降低組裝成本 。 缺點(diǎn)：只通過 2 線串行接口模塊提供到微控制器或 PC 的直接接口，響應(yīng)時(shí)間由內(nèi)置模 擬電路和數(shù)字電路預(yù)先確定，預(yù)先確定模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，光到數(shù)字轉(zhuǎn)換器適合要求抗噪 聲能力、縮短設(shè)計(jì)周期、加快產(chǎn)品開發(fā)周期及光線條件和空間利用率設(shè)計(jì)精良的應(yīng)用。 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)的簡單 化，控制系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。 第四章 控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理 4.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 PLC

13、機(jī)型的選擇： 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，力爭最佳 的性能價(jià)格比。選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)： 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(gè) I/O 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?？紤]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(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 I/O 硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低。在工廠小批

14、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(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。本系統(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(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(duì)某些

15、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 I/O 處理功能的 PLC。 5.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。 6.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)，但為了方便采購和管理等我們還

16、是 要求機(jī)型要統(tǒng)一。 確定 PLC 的容量： PLC 的容量包括 I/O 點(diǎn)數(shù)和用戶存儲(chǔ)容量兩個(gè)方面。 1.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、工件檢測傳感器 PS1、系統(tǒng)的自動(dòng)/手動(dòng)控制開關(guān)

17、 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)。 2.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)。 3.確定應(yīng)選擇 PLC 的點(diǎn)數(shù) PLC 平均的 I/O 點(diǎn)的價(jià)格還比較高，因此應(yīng)該合理選用 PLC 的 I/O 點(diǎn)的數(shù)量，在滿足控 制要求的前提下力爭使用的 I/O 點(diǎn)最少，但必須留有一定的裕量。 通常 I/O 點(diǎn)數(shù)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

18、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。 4.確定系統(tǒng)同時(shí)接通輸入/輸出點(diǎn)的數(shù)量 （1）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。 （2）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) 220V/2A 的 8 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 6

19、0。 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。 5.系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的選擇 PLC 的 I/O 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 I/O 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 I/O 點(diǎn)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(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。 確定 PLC 的 I/O 模塊： 一般 I/O 模塊的價(jià)格占 PLC 價(jià)格的一半以上。PL

20、C 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(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 I/O 模塊及各種特殊功能模塊，所以只需要對(duì)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(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： （1）輸入信號(hào)的類型及電壓等級(jí) 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)

21、場輸入信號(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(jí)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(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

22、（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。 （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(qiáng)，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(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： （1）

23、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。 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

24、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(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。 （3）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

25、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(huì)降低，在實(shí)際使用中也應(yīng)注意。 4.2 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

26、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)用場合等各方面。本系統(tǒng)可選擇 PLC 型號(hào)為：FX2N64MR001，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

27、有一定的余量。 4.3I/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 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

28、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

29、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 4.4. 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 41： 圖 41 PLC 外部接線圖 4.5 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

30、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。 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，檢測正確后，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

31、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 S

32、B11 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

33、 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 出，垂直手臂下降按鈕 SB6 接通，使三位四通電磁閥 11 的電磁鐵 3YA 得電，執(zhí)行小臂的 下降運(yùn)動(dòng)。 10.放物 小臂下降到指定位置，PLC 輸入端 X006 接通輸入，輸出端 Y007 輸出，吸盤放氣按鈕 SB12 接通，真空發(fā)生器停止工作，真空消失，壓縮空氣進(jìn)入真空吸盤，將物料與吸盤吹開。 11.小臂上升 經(jīng)滑覺傳感器檢測到物料已經(jīng)放開，輸出端 Y004 輸出，

34、小臂上升按鈕 SB5 接通，使三 位四通電磁換向閥 10 的電磁鐵 2YA 得電，執(zhí)行小臂上升動(dòng)作。 12.回到初始位置 小臂上升到指定位置，PLC 輸入端 X005 接通輸入，自動(dòng)重復(fù)以上動(dòng)作。 第五章 PLC 程序設(shè)計(jì) 5.1 總體程序框圖 設(shè)備有“手動(dòng)/自動(dòng)”兩種工作方式，其控制程序可分為自動(dòng)控制程序和手動(dòng)控制程序 兩個(gè)模塊，各模塊程序分開編寫，結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和修改。 在進(jìn)行編程前，應(yīng)先繪制出整個(gè)控制程序的結(jié)構(gòu)框圖，如圖 51 所示。在該結(jié)構(gòu)圖中， 當(dāng)操作方式選擇開關(guān)置于“手動(dòng)”時(shí)，輸入點(diǎn) X012 接通，執(zhí)行手動(dòng)程序；當(dāng)操作方式選擇 開關(guān)置于“自動(dòng)”時(shí)，輸入點(diǎn) X013 接通，執(zhí)行自動(dòng)程序。 圖 51 控制程序的結(jié)構(gòu)框圖 同是為了方便操作，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手操作面板，機(jī)械手操作面板如圖 52 所示 圖 52 機(jī)械手操作面板 5.2 初始化及報(bào)警程序 初始化及報(bào)警程序如圖 53 所示 圖 53 初始化及報(bào)警程序 5.3 手動(dòng)控制程序 手動(dòng)控制程序用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手升降、伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、吸氣/放氣及復(fù)位的運(yùn)動(dòng)。在自 動(dòng)工作過程中，若將“手動(dòng)/自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“手動(dòng)”位置時(shí)，輸入 X012 接通系統(tǒng)進(jìn)入 手動(dòng)控制方式狀態(tài)。此時(shí)，按下相應(yīng)的受動(dòng)按鈕可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上升、