課程設計機械手控制系統(tǒng)設計

1、課 程 設 計 論 文題 目 機械手控制系統(tǒng)設計 院 系 機械工程學院 專業(yè) 機械電子工程 班級 0901班 學號 50 號 學生姓名 丁 超 導師姓名 譚季秋 黃中華 完成日期 2012年12月21日 目 錄第一章 緒 論- 1 -1.1機械手的概念- 1 -1.2氣動機械手的簡介- 1 -1.3氣動技術- 1 -1.4氣動機械手- 2 -1.5 氣動機械手的發(fā)展趨勢- 3 - 1.6 國內外機械手研究概況- 4 -第二章 系統(tǒng)硬件電路的設計- 5 - 2.1 plc的簡介- 6 -2.1.1 可編程控制器的概念- 6 -2.1.2 plc的應用領域- 6 -2.1.3 plc的系統(tǒng)組成-

2、7 -2.1.4 plc的工作原理- 9 -2.2 plc的選型- 11 - 2.2.1、輸入/輸出信號- 11 - 2.2.2 plc的選型- 12 -2.3 plc電路設計分配- 14 - 2.3.1 i/o地址分配- 14 - 2.4 傳感器的選型- 19 - 2.4.1 sq1的選型- 19 - 2.4.2 sq3的選型- 21 -第三章 plc程序的設計- 22 - 3.1 plc程序的設計- 22 -3.2 plc程序的調試- 25 - 3.2.1 plc控制的安裝與布線- 25 -第四章 機械部分設計- 27 -4.1 氣動搬運機械手的結構- 27 -4.2 機械手的主要部件及運

3、動- 27 -4.3 驅動機構的選擇- 28 -4.4 機械手的技術參數(shù)列表- 28 -4.5氣動回路的設計- 28 - 4.6末端執(zhí)行器的設計- 29 - 4.7升降手臂的設計- 31 - 4.8 平移手臂的設計- 33 -第五章 結 論- 35 -參考文獻- 36 -致 謝- 37 -第一章 緒 論機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。1.1機械手的概念我國國家標準(gb/t1264390

4、)對機械手的定義：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體，或進行其它操作的機械裝置?！睓C械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手：它作為整機的附屬部分，動作簡單，工作對象單一，具有固定(有時可調)程序，使用大批量的自動生產(chǎn)。如自動生產(chǎn)線上的上料機械手，自動換刀機械手，裝配焊接機械手等裝置。通用機械手：它是一種具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)。它的工作范圍大，定位精度高，通用性強，廣泛應用于柔性自動線。 機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、

5、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、單調的重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質量。目前主要應用于制造業(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)。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)(cims )，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，機械手的應用領域日益擴大。1.2氣動機械手的簡介1.3氣動技術氣動技術這個被譽為工業(yè)自動化之“肌肉”的傳動與控制技術，在加工制造業(yè)領域越來越受到人們的重視，并獲得了廣泛應用。目前，伴隨著微電子技術、通信技術和自動化控制技術的迅猛發(fā)展

6、，氣動技術也不斷創(chuàng)新，以工程實際應用為目標，得到了前所未有的發(fā)展。氣動技術(pneumatics)是以壓縮空氣為介質來傳動和控制機械的一門專業(yè)技術?！皃neumatics”一詞起源于希臘文的“pneuma”，其原義為“呼吸”，后來才一演變成“氣動技術”。氣動技術因具有節(jié)能、無污染、高效、低成本、安全可靠、結構簡單，以及防火、防爆、抗電磁干擾、抗幅射等優(yōu)點廣泛應用于汽車制造、電子、工業(yè)機械、食品等工業(yè)產(chǎn)業(yè)中。隨著新材料、新技術、新工藝的開發(fā)和應用，氣動技術己經(jīng)突破傳統(tǒng)的設計、制造理念，正在ic/lcd、微電子、生物制藥、醫(yī)療機械等高技術領域扮演著重要角色。隨著生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，氣動技術應

7、用面迅速擴大，氣動產(chǎn)品品種規(guī)格持續(xù)增多，性能、質量不斷提高，市場銷售產(chǎn)值穩(wěn)步增長。在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本等國家，氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，而且仍以較快的速度在發(fā)展。氣動工業(yè)的高速增長，進一步刺激了氣動技術的發(fā)展。氣動技術正朝著精確化、高速化、小型化、復合化和集成化的方向發(fā)展。1.4氣動機械手工業(yè)機械手使用最多的一種驅動方式是電機驅動。驅動電機一般采用步進電機、直流伺服電機以及交流伺服電機。由于電機速度高，通常須采用減速機構(如諧波傳動、rv擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機構等)。這類機械手的特點是控制精度高，驅動力較大，響應快，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的

8、控制方案。但是由于這類機械手價格昂貴，限制了在一些場合的廣泛應用。因此，人們開始尋求其它一些經(jīng)濟適用的機械手驅動方式。隨著氣動技術獲得了快速發(fā)展，其利用成本性能比低廉及同時具有許多優(yōu)點的氣動設備，在滿足社會生產(chǎn)實踐需要的同時也越來越多的受到重視。氣動機械手技術已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實踐要求的一種重要實用技術。氣動機械手與其它控制方式的機械手相比，具有價格低廉、結構簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強等特點，表1.1給出了各種控制方式的比較。表1.1 各種控制方式的比較項目氣壓傳動液壓傳動電氣傳動機械傳動系統(tǒng)結構簡單復雜復雜較復雜安裝自由度大大中小輸出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高

9、高動作速度大稍大大小響應速度慢快快中清潔度清潔可能污染清潔較清潔維護簡單比氣動復雜需要專門技術簡單價格一般稍高高一般技術要求較低較高最高較低控制自由度大大中小危險性幾乎沒問題注意火一般無問題無特殊問題氣動機械手是在己有的機械手基礎上發(fā)展起來的。二者之間的區(qū)別在于氣動機械手發(fā)展的起點頗高，它強調模塊化的形式，把專用機械手和通用機械手結合起來。現(xiàn)代氣動機械手的基本結構由感知部分、控制部分、主機部分和執(zhí)行部分四個方面組成。采集感知信號及控制信號均由智能閥島來處理，氣動伺服定位系統(tǒng)代替了伺服電機、步進馬達或液壓伺服系統(tǒng)；氣缸、擺動馬達完成原來由液壓缸或機械所作的執(zhí)行動作；主機部分采用了標準型材輔以模塊

10、化的裝配形式，使得氣動機械手能拓展成系列化、標準化的產(chǎn)品。人們根據(jù)應用情況的要求，選擇相應功能和參數(shù)的模塊，像積木一樣隨意的組合，這是一種先進的設計思想，代表氣動機械手今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著氣動機械手的發(fā)展及實用性。因此，氣動機械手可以代替一些功能不理想的工業(yè)機械手的地位，在目前的工業(yè)自動線上有著及其廣泛的應用前景。1.5 氣動機械手的發(fā)展趨勢盡管世界工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展放緩，使得氣動機械手的發(fā)展受到一定的影響，然而，作為新興科學技術的產(chǎn)物，氣動機械手的發(fā)展勢不可擋。目前，氣動機械手的發(fā)展呈現(xiàn)出了以下趨勢：1、結構模塊化2、控制智能化3、感覺功能變強4、系統(tǒng)應用與集成化5、可靠性越來越高6、易

11、操作更靈活7、向微型化方向發(fā)展1.6 國內外機械手研究概況機械手自二十世紀六十年代初問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中重要的機電設備。目前，正式投入使用的絕大部分機械手屬于第一代機械手，即程序控制機械手。這代機械手基本上采用點位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對控制程序進行校正。這代機械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應的適應性算法?，F(xiàn)在，第三代機械手正在第一、第二代機械手的基礎上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對象物，并具有對復雜信息進行準確處理，

12、對自己行為做出自主決策能力的智能化機械手。它能識別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作，具有專家知識、語音功能和自學能力等人工智能3。目前機械手技術有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機械手、微型機械手和微操作系統(tǒng)（如細小工業(yè)管道機械手移動探測系統(tǒng)、微型飛行器等）、機械手化機器、智能機械手（不僅可以進行事先設定的動作，還可按照工作狀況相應地進行動作，如回避障礙物的移動，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動態(tài)學習等）。機械手的應用領域正在向非制造業(yè)和服務業(yè)方向擴展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機械手也將越來越多地裝備部隊45。國外方面：近幾年國外工業(yè)機械手領域有如下幾個發(fā)展

13、趨勢。機械手性能不斷提高，而單機價格不斷下降；機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于pc機的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實技術在機械手中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制。國內方面：目前在一些機種方面，如噴涂機械手、弧焊機械手、點焊機械手、搬運機械手、裝配機械手、特種機械手（水下、爬壁、管道、遙控等機械手）基本掌握了機械手操作機的設計制造技術，解決了控制驅動系統(tǒng)的設計和配置，軟件的設計和編制等關鍵技術，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設備的全套自動通信、協(xié)調控制技術；在基礎元件方面，諧波減速器、機械手焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術方面來

14、說，我國已經(jīng)具備了獨立自主發(fā)展中國機械手技術的基礎6。第二章 系統(tǒng)硬件電路的設計2.1 plc的簡介2.1.1 可編程控制器的概念可編程控制器(programmable logical controller)簡稱plc。國際電工委員會（iec）在1985年的plc標準草案第3稿中，對plc作了如下定義：“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儲器，用來在其內部存儲執(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)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體

15、，易于擴充其功能的原則設計?！爆F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程是復雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。plc一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術人員的歡迎。plc具有如下特點：1、編程方法簡單易學。2、功能強，性能價格比高。3、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強。4、可靠性高，抗干擾能力強。5、系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少。6、維修工作量小，維修方便。7、體積小，能耗低。2.1.2 plc的應用領域plc的初期由于其價格高于繼電器控制裝置，使得其應用受到限制。但最近十年來，plc的應用面越來越廣，其主要原因是：一方面由于處理器芯片及有關元件的價格大大下降，使得plc的成本下降；另一方面plc的功能大大增加，能解

16、決復雜的計算和通信問題。目前plc在國內外已廣泛應用于鋼鐵、采礦、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。plc的應用范圍通常分成以下5種類型：1、順序控制這是plc應用最廣泛的領域，也是最適合plc使用的領域，它用來取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。plc應用于單機控制、多機控制、生產(chǎn)自動線控制等。例如：注塑機械、印刷機械、訂書機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制。2、運動控制plc制造商目前已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，在多數(shù)情況下，plc把描述目標位置的數(shù)據(jù)送給模塊，其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標位置，每個軸移動

17、時，位置控制模塊保持適當?shù)乃俣群图铀俣龋３诌\動平滑。相對來說，位置控制模塊比cnc裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作更方便，3、過程控制plc還能控制大量的過程參數(shù)，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度等。pid模塊提供了使plc具有了閉環(huán)控制的功能，即一個具有pid控制能力的plc可用于過程控制。當過程控制中某個變量出現(xiàn)偏差時，pid控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設定值上。4、數(shù)據(jù)控制在機械加工中，plc作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于cnc和nc系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)控制。5、通信控制plc的通信包括主機與遠程i/o的通信、多臺plc之間的通信、plc和其他智能控制設備（如計

18、算機、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。plc與其他智能控制設備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。2.1.3 plc的系統(tǒng)組成plc種類繁多，但其組成和工作原理基本相同。用plc實施控制，其實質是按一定算法進行輸入/輸出變換，并將這個變換給以物理實現(xiàn)，應用于工業(yè)現(xiàn)場。plc專為工業(yè)現(xiàn)場應用而設計，采用了典型的計算機結構，它主要是由cpu、電源、存儲器和專門設計的輸入/輸出接口電路等組成。plc的結構框圖如圖3.1所示。1、中央處理單元（cpu）中央處理單元（cpu）一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內。cpu通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸

19、入/輸出接口電路連接。2、存儲器plc的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。系統(tǒng)存儲器包括用來存放由plc生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在rom內，用戶不能直接更改。它使plc具有基本的功能，能夠完成plc設計者規(guī)定的各項工作。系統(tǒng)程序質量的好壞，很大程度上決定了plc的性能，其內容主要包括三部分。第一部分為系統(tǒng)管理程序。第二部分為用戶指令解釋程序。第三部分為標準程序與系統(tǒng)調用。圖3.1 plc的結構框圖用戶存儲器包括用戶程序存儲器（程序區(qū)）和數(shù)據(jù)存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務用規(guī)定的plc編程語言編寫的各種用戶程序。用戶數(shù)據(jù)存儲器可以用來存放（記憶）用

20、戶程序中所使用器件on/off狀態(tài)和數(shù)值、數(shù)據(jù)等。用戶存儲器的大小關系到用戶程序容量的大小，是反映plc性能的重要指標之一。plc使用的存儲器類型有三種。第一種是隨機存取存儲器（ram）；第二種是只讀存儲器（rom）；第三種是可電擦除可編程的只讀存儲器（eeprom或eprom）。3、輸入/輸出模塊輸入（input）模塊和輸出（output）模塊簡稱為i/o模塊。plc的輸入和輸出信號類型可以是開關量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出模塊從廣義上分包含兩部分：一是與控制設備相連接的接口電路；另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。輸入模塊用于處理輸入信號，對輸入信號進行濾波、隔離、電平轉換等，把輸入信號的

21、邏輯值安全可靠地傳遞到plc內部。輸出模塊用于把用戶程序的邏輯運算結果輸出到plc外部，輸出模塊具有隔離plc內部電路和外部執(zhí)行元件的作用，還具有功率放大的作用。4、電源模塊plc一般使用220v的交流電源，內部的開關電源為plc的中央處理器、存儲器等電路提供5v、12v、24v等直流電源，使plc能正常工作。5、接口模塊接口模塊用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使plc的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。6、通信接口為了實現(xiàn)“人機”或“機機”之間的對話，plc配有多種通信接口。plc通過接口可以與監(jiān)視器、打印機和其他的plc或計算機相連。7、編程器編程器的作用是供用戶進行程序的編

22、制、編輯、調試和監(jiān)視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形圖轉換為機器語言助記符（語句表）后，才能輸入。智能型的編程器又稱圖形編程器，它可以聯(lián)機編程，也可以脫機編程，具有l(wèi)cd或crt圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話8、其他部分有些plc還可配有eprom寫入器、存儲器等其他外部設備。2.1.4 plc的工作原理plc是一種工業(yè)控制計算機，故它的工作原理是建立在計算機工作原理之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的，但是 cpu是以分時操作方式來處理各項任務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應各電器的動

23、作，所以它屬于串行工作方式。plc工作的全過程可用圖2.2所示的運行框圖來表示。概括而言，plc是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進行工作的。掃描周期是控制過程中一個比較重要的技術指標。一般來說，掃描周期越大，表明掃描所需要的時間就越長，要求輸入信號的寬度就越大，控制周期就越長，控制速度就要降低。plc的過程可分為三部分。第一部分為上電處理，第二部分是掃描過程，第三部分是出錯處理。電源on內部處理輸入處理(輸入傳送遠程i/o)通信服務(外設、cpu、總線服務)更新時鐘、特殊寄存器執(zhí)行程序執(zhí)行自診斷存放自診斷錯誤結果cpu強制為stoprunstopynny輸出處理致命錯誤plc正常否

24、cpu運行方式圖3.2 plc運行框圖2.2 plc的選型2.2.1、輸入/輸出信號本控制系統(tǒng)有8個輸入開關量，分別為：系統(tǒng)啟動按鈕1個 負責整個系統(tǒng)的啟動；系統(tǒng)停止按鈕1個 負責整個系統(tǒng)的停止；物品檢測開關1個 負責檢測工作臺上是否有物品；下降限位開關1個 負責檢測機械手到達最低位置；夾放檢測開關1個 負責機械手夾放物品的檢測；上升限位開關1個 負責檢測機械手到達最高位置；縮回限位開關1個 負責檢測機械手是否縮回到位；伸出限位開關1個 負責檢測機械手是否伸出到位；建立輸入信號名稱與電氣符號表3.1。表3.1 輸入信號名稱與電氣符號表序號名稱電氣符號1總啟動按鈕sb12總停止按鈕sb23工作臺

25、物品檢測開關sq14機械手下降限位開關sq25機械手夾緊檢測開關sq36機械手上升限位開關sq47機械手伸出限位開關sq58機械手縮回限位開關sq6本控制系統(tǒng)有3個輸出電磁閥，分別為：機械手夾放電磁閥1個 負責啟動機械手夾放物品；機械手升降電磁閥1個 負責啟動機械手的下降和上升；機械手伸縮電磁閥1個 負責啟動機械手的水平伸縮；建立輸出信號名稱與電氣符號表3.2。表3.2 輸出信號名稱與電氣符號表序號名稱電氣符號12機械手夾緊電磁閥yv 12機械手下降電磁閥yv 23機械手伸出電磁閥yv 3表3.3輔助繼電器符號表序號名稱電氣符號12機械手上升輔助繼電器m02機械手下降輔助繼電器m13機械手張開

26、輔助繼電器m24機械手上升輔助繼電器m32.2.2 plc的選型目前，世界上有200多個廠家生產(chǎn)可編程控制器產(chǎn)品，比較著名的plc生產(chǎn)廠家主要有美國的ab、通用（ge）、日本的三菱（mitsbishi）、歐姆龍（omron）、德國的西門子（simens）、法國的te、韓國的三星（sumsung）、lg等。目前三菱plc已經(jīng)廣泛應用于農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、交通、食品工業(yè)，制造業(yè)，娛樂業(yè)、健康和醫(yī)療，健康和環(huán)境！plc是在繼電器控制基礎上以微處理器為核心，將自動控制技術，計算機技術和通信技術融為一體而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。目前plc已基本替代了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，成為工業(yè)自動化領域中最重要、

27、應用最多的控制裝置，居工業(yè)生產(chǎn)自動化三大支柱（可編程控制器、機器人、計算機輔助設計與制造）的首位。三菱plc系列目前主要有:fx1n系列,fx1s系列,fx1n系列,fx2n系列, fx2n系列,fx3u系列,fx3uc,q系列,a系列,l系列下面就一一來介紹這些系列型號。 三菱plc系列型號 型號 參數(shù)面價fx1n-60mr-001輸入點：36，24點繼電器輸出4680fx1n-40mr-001 輸入點：24,16點繼電器輸出 4030fx1n-24mr-001 輸入點：14,10點繼電器輸出 3330fx1n-14mr-001 輸入點：8,6點繼電器輸出2310fn1n-60mr-d輸入點

28、：36，24點繼電器輸出(直流供電)4490fn1n-40mr-d 輸入點：24,16點繼電器輸出(直流供電) 4010fn1n-24mr-d 輸入點：14,10點繼電器輸出(直流供電) 2990fx1n-60mt-001輸入點：36，24點晶體管輸出4800fx1n-40mt-001 輸入點：24,16點晶體管輸出 4130fx1n-24mt-001 輸入點：14,10點晶體管輸出 3400fx1n-14mt-001 輸入點：8,6點晶體管輸出2400fx1n-60mt-d輸入點：36，24點晶體管輸出(直流供電)4600fx1n-40mt-d 輸入點：24,16點晶體管輸出 (直流供電)4

29、100fx1n-24mt-d 輸入點：14,10點晶體管輸出(直流供電) 3100fx2n-128mr-001輸入點：64，64點繼電器輸出10120fx2n-80mr-001輸入點：40，40點繼電器輸出7030fx2n-64mr-001輸入點：32，32點繼電器輸出6280fx2n-48mr-001輸入點：24，24點繼電器輸出5490fx2n-32mr-001輸入點：16，16點繼電器輸出5180fx2n-16mr-001輸入點：8，8點繼電器輸出4150fx2n-80mr-d輸入點：40，40點繼電器輸出(直流供電)7030fx2n-64mr-d輸入點：32，32點繼電器輸出(直流供電

30、)6280fx2n-48mr-d輸入點：24，24點繼電器輸出(直流供電)5490fx2n-32mr-d輸入點：16，16點繼電器輸出(直流供電)5180fx2n-128mt-001輸入點：64，64點晶體管輸出10330fx2n-80mt-001輸入點：40，40點晶體管輸出7180fx2n-64mt-001輸入點：32，32點晶體管輸出6410fx2n-48mt-001輸入點：24，24點晶體管輸出5600fx2n-32mt-001輸入點：16，16點晶體管輸出5290fx2n-16mt-001輸入點：8，8點晶體管輸出4240fx2n-80mt-d輸入點：40，40點晶體管輸出(直流供電

31、)7180fx2n-64mt-d輸入點：32，32點晶體管輸出(直流供電)6410fx2n-48mt-d輸入點：24，24點晶體管輸出(直流供電)5600fx2n-32mt-d輸入點：16，16點晶體管輸出(直流供電)5290本次設計中共8個輸入量，共3個輸出量，共計11點，因此選用了fx2n-32mr-001輸入點16，繼電器16點輸出. 2.3 plc電路設計分配2.3.1 i/o地址分配根據(jù)機械手的輸入信號為8個，輸出信號為3個，建立i/o地址分配表。建立輸入信號地址分配表如表所示：輸入信號地址分配表序號名稱地址1sb1x02sb2x13sq1x24sq2x35sq3x46sq4x57s

32、q5x68sq6x7建立輸出信號地址分配表如表所示：輸出信號地址分配表序號名稱地址1ka 1y02ka 2y13ka 3y22.3.2 plc外部接線如圖所示。fx2n-32mr外部接線圖中：工作臺物品檢測開關sq1機械手下降限位開關sq2機械手夾緊檢測開關sq3機械手上升限位開關sq4機械手伸出限位開關sq5機械手縮回限位開關sq6總啟動按鈕sb1，總停止按鈕sb2，電氣控制原理系統(tǒng)圖： 機械手夾放電磁閥連接ka1；機械手升降電磁閥連接ka2；機械手伸縮電磁閥連接ka3；電磁閥失電氣缸伸出，得電收縮。電氣連接圖如圖3.7所示。圖3.7 電氣連接圖2.3.2 閥的選擇：此閥采用二位四通電磁閥

33、8個基本操作：第1步當工作臺上有物品時，機械手下降。第2步是機械手在最低位抓緊物品。第3步是機械手夾緊物品上升。第4步是機械手夾緊物品伸出。第5步是機械手夾緊物品下降。第6步是在最低位時松開物品。第7步機械手上升。第8步是機械手縮回回到原位。yv1（氣爪）yv2（升降）yv3（水平伸縮）第1步第2步第3步第4步第5步第6步第7步第8步2.4 傳感器的選型2.4.1 sq1的選型sq1屬于存在性檢測，可以用紅外線傳感器：光電子學是一門光學和半導體電子學綜合學科。光電子元件制成的傳感器性能可靠，經(jīng)濟實惠。該系列產(chǎn)品包括：標準紅外線發(fā)射二極管（ired)，傳感器及其組件。 最佳使用環(huán)境： 存在性檢測

34、、運動傳感、位置編碼、限位傳感、運動物體的檢測和計數(shù)。經(jīng)濟型紅外光電傳感器選型表：（1）3mm 塑料封裝紅外光電傳感器 選型表型號類型波長驅動電流發(fā)光強度發(fā)光/接收角度亮電流vce(sat)上升下降時間規(guī)格書頁碼發(fā)光管sep-4216發(fā)光二極管940nm20ma0.52 1.02mw/cm220deg-sep-4216.pdf接收管sdp-4206光電三極管-3.29.6ma0.4vtyp. 20ussdp-4206.pdf（2）5mm 塑料封裝紅外光電傳感器 選型表型號類型波長驅動電流發(fā)光強度發(fā)光/接收角度亮電流vce(sat)上升下降時間規(guī)格書頁碼發(fā)光管sep-4208發(fā)光二極管940nm

35、20ma1.7 3.14mw/cm220deg-sep-4208.pdf接收管sdp-0323光電二極管900nm-typ. 13ua-typ. 100nssdp-0323.pdfsdp-3208光電三極管-2.08 3.60ma0.4vtyp. 25ussdp-3208.pdf（3）側面發(fā)光塑料封裝紅外光電傳感器 選型表型號類型波長驅動電流發(fā)光強度發(fā)光/接收角度亮電流vce(sat)上升下降時間規(guī)格書頁碼發(fā)光管sep-0322發(fā)光二極管940nm20ma1.00 1.62mw/cm240deg-sep-0322.pdf接收管sdp-0301光電三極管-2.00 3.84ma 0.4vtyp.

36、 25ussdp-0301.pdf（4）反射式紅外光電傳感器 選型表外形型號組成驅動電流亮電流vce(sat)上升下降時間規(guī)格書頁碼表貼式hoa-1550發(fā)光二極管/光電三極管20ma1.37 1.77mamg/2=29.8/(20.65)=15.1n 傳感器受力面積a=1cm2所以壓力：p=f/a=15/0.0001m2=150kpa這里選用mpx2200壓力傳感器 最大壓力范圍為200kpa。 第三章 plc程序的設計 3.1 plc程序的設計1、流程圖2、梯形圖3、指令表。3.2 plc程序的調試由于plc是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工

37、業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，都將不能保證plc正常、安全、可靠的運行。因此，討論plc設計調試就具有十分重要的意義。3.2.1 plc控制的安裝與布線1、 輸入接線（1）輸入接線一般不要超過30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。 （2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。 （3）利用普通二極管恰當?shù)拇釉趐lc輸入回路中，防止信號干擾，使plc輸入信號大大增強。2、電源接線電源是plc引入干擾的主要途徑之一，plc應盡可能取用電壓波動較小、波形畸變較小的電源，這對提高plc的可靠性有很大幫助。plc的供電線路應與其他大功

38、率用電設備或強干擾設備（如高頻爐、弧焊機等）分開。為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。隔離變壓器是初級和次級之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個接地抽頭。初級與次級之間的靜電屏蔽要聯(lián)結到零點位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點。在選用交流穩(wěn)壓器時，一般可按照實際最大需求容量的130%計算。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓器工作可靠16。plc供電電源為50hz、220v10%的交流電。由于本設計使用的是fx1n系列可編程控制器，所以

39、有直流24v輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關或接近開關）提供直流24v電源。3、接地正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是plc控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對plc控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。良好的接地是保證plc可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。第四章 機械部分設計4.1 氣動搬運機械手的結構機械手的種類很多，但按手臂坐標類型來分主要有直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標

40、式、關節(jié)坐標式、scara型。本次是一個用于傳送帶上輕型平動搬運機械手的設計。所針對的機械手屬于直角坐標式，如圖所示，機械手主要是由基座和手臂兩部分組成?；闹饕蝿帐侵巍Ｊ直垩b在基座上，作上下直線運動和伸縮運動，手部可夾緊/放松。機械手手部機械手橫臂機械手立柱機械手基座機械手原理圖本機械手的全部動作由氣缸驅動。氣缸由電磁閥控制。驅動部分有升降氣缸、擺動氣缸和手部驅動氣缸。4.2 機械手的主要部件及運動在直角坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務，為了滿足設計要求，本設計的機械手具有2個自由度：手臂伸縮；手指升降。本設計的機械手主要由3個大部件和3個氣缸組成：（1）手部，采用一個氣爪，

41、通過機構運動實現(xiàn)手爪的張合。（2）升降臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂的伸縮。（3）平移臂部，采用氣動滑臺來實現(xiàn)手臂的平移。4.3 驅動機構的選擇驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。氣動機械手因為結構簡單、成本低廉、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。因此，機械手的驅動方案選擇氣壓驅動。4.4 機械手的技術參數(shù)列表一、用途：車間皮帶機之間的搬運二、設計技術參數(shù)：1、抓重：2kg (夾持式手部)2、自由

42、度數(shù)：2個自由度3、坐標型式：圓柱坐標4、最大工作半徑：200mm5、機身最大中心高：415mm6、主要運動參數(shù)：手臂伸縮行程：400mm 手臂伸縮速度：300mm/s手指升降行程：200mm 手指升降速度：200mm/s4.5氣動回路的設計機械手氣動回路的設計主要是選用合適的控制閥，通過控制和調節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作，設計的氣動回路圖如圖所示。機械手氣動回路圖本設計的氣動機械手完成各個運動的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個氣缸的運動方向，氣缸的進出口回路各設置一個單向節(jié)流閥，通

43、過控制進出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運動速度。設計中采用plc控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的預定動作，既可以簡化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動生產(chǎn)率。4.6末端執(zhí)行器的設計由于本設計所采用標準氣爪，不需要進行設計，直接選型即可。本設計要求機械手手爪的最大持重m=2kg，根據(jù)具體的工作要求，選擇標準平行開閉型氣爪，其結構如圖所示。當a口進氣b口排氣時，氣缸活塞桿1伸出，通過杠桿2繞杠桿軸8回轉，帶動兩個手指4通過一組鋼球3在導軌5上作向外直線運動，兩手指便張開，松開工件。止動塊6限制手指張開行程，定位銷7保證直線導軌不錯位。平行開閉型氣爪結構原理圖1-活塞桿 2-杠桿 3-鋼球

44、4-手指 5-導軌 6-止動塊 7-定位銷 8-杠桿軸對夾持工件進行受力分析如圖所示， 2個手指的總夾持力產(chǎn)生的摩擦力2f必須大于夾持工件的重力mg，故應滿足 2fmg即 fmg/2式中 摩擦系數(shù)，本設計的夾持輔助件材料為硬質橡膠，一般令=0.65；由此 fmg/2=29.8/(20.65)=15.1n 夾持工件受力示意圖根據(jù)計算出的夾持力的大小和表3-1，可選擇合適的末端執(zhí)行器（手爪）的型號：mhz-10d。表3-14.7升降手臂的設計升降手臂為機械手執(zhí)行上下伸縮運動的機構，它是連接機械手末端執(zhí)行器和平移手臂的部件，它的基本作用是完成末端執(zhí)行器的伸出和縮回運動。升降手臂主要承受末端執(zhí)行器和夾

45、持物件的重力，為使設計的標準化和簡便化，在本設計中，伸縮手臂采用新薄型帶導桿氣缸（如圖）。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負載能力強，耐扭矩能力強，不回轉精度高，導向桿的軸承可選擇滑動軸承或球軸承，安裝方便，二面接管位置可供選擇。新薄型帶導桿氣缸根據(jù)本機械手的設計技術參數(shù)，伸縮手臂的行程為200mm，氣爪抓重約為2kg，加上末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質量約為3kg，由此，伸縮手臂的最大負載f=mg=39.8=29.4n。根據(jù)數(shù)據(jù)要求，初步選定為缸徑為20mm型號為mgpl20200的氣缸作為機械手的升降手臂。伸縮手臂作上下直線運動時，主要克服的是摩擦阻力和慣性力，因此，氣缸所需要的驅動力應

46、由摩擦阻力,重力和慣性力來確定。 式中 摩擦阻力，應包括手臂與伸縮導軌間的摩擦阻力，活塞與密封裝置處的摩擦阻力； 手臂在啟動過程的慣性力。其大小可按以下公式計算； 其中手臂移動部件的重量（牛頓）； g重力加速度（9.8米/秒2）； 啟動或制動前后的速度差（米/秒）； 啟動或制動所需的時間（秒）。慣性力的計算：本設計要求手臂升降時v=200mm/s，在計算慣性力的時候，設置啟動時間=0.1s，啟動速度v=v=200mm/s。=6n由于升降運動，氣缸所受的摩擦力很小，可以忽略不計。所以：氣缸所需的驅動力 f驅= f摩+ f慣+f=0+6+29.4=35.4n 氣缸的理論驅動力 f=1/4d2p其中

47、 d氣缸活塞桿的直徑（米）； p氣缸的工作壓力（帕）。根據(jù)設計技術參數(shù) d=10mm，p=0.5mpa代入數(shù)據(jù)進行計算得 f=1/4d2p=1/43.14（0.01）20.5106 =39.3n由計算的結果可知 ff驅即氣缸提供的理論驅動力大于氣缸實際所需的驅動力，因此，伸縮手臂的設計符合設計要求。4.8 平移手臂的設計平移手臂為機械手執(zhí)行左右平移運動的機構，它是連接機械手升降手臂的部件，它的基本作用是完成機械手左右平移運動的。平移手臂主要承受升降手臂，末端執(zhí)行器和夾持物件的重力，為使設計的標準化和簡便化，在本設計中，平移手臂采用氣動滑臺（如圖3-4）。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負載能力強，耐

48、扭矩能力強。圖3-4 氣動滑臺根據(jù)本機械手的設計技術參數(shù)，平移手臂的行程為400mm，氣爪抓重約為2kg，加上升降手臂，末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質量約為4kg，由此，伸縮手臂的最大負載f=mg=49.8=38.2n。根據(jù)數(shù)據(jù)要求，初步選定為缸徑為12mm型號為mxy12400的氣動滑臺作為機械手的平移手臂。平移手臂做水平直線運動時，主要克服的是摩擦阻力和慣性力，因此，氣缸所需要的驅動力應由摩擦阻力,和慣性力來確定。 式中 摩擦阻力，應包括手臂與伸縮導軌間的摩擦阻力，活塞與密封裝置處的摩擦阻力； 手臂在啟動過程的慣性力。其大小可按以下公式計算； 其中手臂移動部件的重量（牛頓）； g重

49、力加速度（9.8米/秒2）； 啟動或制動前后的速度差（米/秒）； 啟動或制動所需的時間（秒）。慣性力的計算：本設計要求手臂升降時v=300mm/s，在計算慣性力的時候，設置啟動時間=0.1s，啟動速度v=v=300mm/s。=11.69n摩擦力的計算：在垂直方向，可近似認為 fn=g總=.38.2n。導桿所受到的水平方向的摩擦力 f摩=fn 其中 摩擦系數(shù)，氣缸導向桿的材料為鋼，取=0.2。 將有關數(shù)據(jù)代入進行計算f摩=fn =0.238.2=7.64n所以：氣缸所需的驅動力 f驅= f摩+ f慣+f=7.64+11.69=19.33n 氣缸的理論驅動力 f=1/4d2p其中 d氣缸活塞桿的直徑（米）； p氣缸的工