基于PLC的沖壓工件位置翻轉系統(tǒng)設計說明書

PLC技術應用項目說明書基于PLC的沖壓工件位置翻轉系統(tǒng)設計學院機械工程學院專業(yè)機械電子工程班級2012級機電2班學生姓名李進輝指導老師徐文斌2015年10月30日課程設計任務書茲發(fā)給2012級機電2班學生李進輝課程設計任務書，內容如下：設計題目：基于PLC沖壓工件位置翻轉設計應完成的項目：（1）選題的背景和意義；（2）明確設計任務，擬定總體設計方案（3）硬件設計，傳感器、PLC（和電機）選型，設計信號采集、轉換電路，畫出PLC端口分配圖、接線控制端子連接圖；（4）軟件設計，編寫控制程序流程圖（或重要程序）（5）課程設計說明書1份。參考資料以及說明：[1]方承遠、張振國.工廠電氣控制技術[M].北京機械工業(yè)出版社2006

[2]湯自春.PLC原理與應用技術[M].北京高等教育出版社2006.

[3]李光飛.PLC課程設計實例指導[M].北京北京航空航天大學出版社2004.

[4]孔凡才自動控制原理與系統(tǒng)[M].北京機械工業(yè)出版社2007

[5]張萬忠.可編程控制器應用技術[M].北京化學工業(yè)出版社2005.本設計任務書于2015年10月12日發(fā)出，應于2015年10月30日前完成，然后進行答辯。指導教師簽發(fā)2015年10月30日

課程設計評語：課程設計總評成績：指導教師簽字：年月日目錄TOC\o"1-3"\h\z第一章緒論 21.1課題設計背景 21.2課題設計內容 21.3課題設計意義 3第二章系統(tǒng)總體設計方案 42.1總體方案 42.2執(zhí)行機構 42.3驅動系統(tǒng) 52.4控制系統(tǒng) 52.5位置檢測裝置 6第三章執(zhí)行機構的設計 73.1整體機構設計 73.2手部設計 93.3手腕設計 103.4手臂設計 11第四章設備的選型 124.1驅動設備的選型 124.2傳感器的選型 12第五章控制系統(tǒng)硬件設計 145.1PLC工作原理 145.2PLC系統(tǒng)選型 145.3系統(tǒng)I/O分配表 155.4PLC程序設計 165.5程序編程 175.6人機界面設置 195.7觸摸屏界面設計 20小結 22參考文獻 23

摘要本文在此介紹一種采用可編程控制器PLC，其電路結構簡單、投資少、自動化程度高、還具有在線修改功能，靈活性強。介紹它的機構和PLC控制的特點及國內外的發(fā)展狀況，對機械手進行總體方案設計，確定機械手的座標型式和自由度，確定機械手的技術參數，設計機械手的手臂結構，設計出機械手的氣動系統(tǒng)，繪制機械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖。本課題主要設計沖壓工件位置翻轉機構制系統(tǒng)中的位置翻轉控制，系統(tǒng)的梯形圖程序，需根據工作要求設計出周密完整的梯形圖程序，這是整個翻轉控制系統(tǒng)設計的核心工作也是課題的重難點。系統(tǒng)多用于實際工業(yè)生產系統(tǒng)中。關鍵詞：PLC、沖壓工件翻轉、自動化控制

第一章緒論1.1課題設計背景在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現的方式。。

由于計算機網絡技術和集成電路的迅速發(fā)展，PLC向小型化、微型化和高速化發(fā)展。在應用中，PLC可與上位機聯網，也可下掛PLC，組成分布式控制系統(tǒng)。PLC已廣泛應用于冶金、電力、石油、化工、建材、機械、輕工、食品、市政、交通和軍工等行業(yè)。

PLC的應用是基于其以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，它具有可靠性高、體積小、功能強、程序設計簡單、靈活通用、維護方便等一系列優(yōu)點。因而在制造、冶金、能源、交通、化工、電力等領域有著廣泛的應用，成為現代工業(yè)控制的支柱之一。根據這些特點，可將其應用形式歸納為以下幾種：開關量邏輯控制、模擬量控制、過程控制、定時和計數控制、順序控制、數據處理、通信和聯網。1.2課題設計內容實現100*200*2（2mm厚）的不銹鋼工件的翻轉1、PLC（或其他）編程2、工件翻轉機構設計3、位置傳感器、行程開關選型4、操作面板設計（觸摸屏、文本顯示、按鈕）1.3課題設計意義可編程序控制器（PLC）因為穩(wěn)定可靠、結構簡單、成本低廉、簡單易學、功能強大和使用方便已經成為應用面最廣、最廣泛的通用工業(yè)控制裝置，成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。位置翻轉控制要求接入設備使用簡便，對應于系統(tǒng)組態(tài)的編程簡單，具有人性化的人機界面，配備應用程序庫，加快編程和調試速度。通過PLC對程序設計，提高了翻轉的控制水平。因此PLC在位置翻轉控制系統(tǒng)中的應用非常廣泛，非常有實際價值。第二章系統(tǒng)總體設計方案2.1總體方案位置檢測裝置位置檢測裝置執(zhí)行機構驅動系統(tǒng)執(zhí)行機構驅動系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)腰部底部手部手臂腰部底部手部手臂圖2-1總體方設計框圖機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令。2.2執(zhí)行機構1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。4、機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。2.3驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。2.4控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。2.5位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。

第三章執(zhí)行機構的設計整體機構設計常用工業(yè)機械手按驅動方式分:直角座標式、圓柱座標式、球座標式、多關節(jié)式幾種類型，如圖3.1所示。其中直角座標式手臂可沿X、Y、Z座標軸作直線移動，即伸縮、升降和橫移。其特點是直觀性好，所占空間位置大。根據設計任務所需，特選定為直角座標式。圖該機械手具有3個自由度，即：手指張合；手腕回轉；手臂升降3個主要運動。根據以上參數，圖3.2是機械手整體結構示意圖。手部設計手部主要有以下幾類：手指式、吸盤式、磁吸式及其他形式。本設計抓取的零件為盤類零件，故選擇二指式來實現對工件的抓放。手指式又可分為：平移式手指當手指夾持的工件直徑變化時并不影響工件中心位置的改變，即定位誤差為零。但平移式手指結構較復雜，體積大，要求加工精度高。顯然本設計機械手不適合使用此方案。2）回轉式手指當手指夾持不同直徑的工件時則產生定位偏差。但回轉式手指結構簡單。綜上，本機械手選擇二指回轉式手指手指張合采用齒輪齒條傳動，結構簡圖如圖3.3手腕設計腕部是連接手部和臂部的部件，腕部運動主要用于改變被夾工件的方位，它動作靈活，轉動慣量小。本課題要求具有腕部回轉這一自由度如圖，可用具有一個回轉自由度的擺動回轉來實現所要求動作。圖3.4手臂設計常見的手臂伸縮機構有以下幾種：雙導桿手臂伸縮機構。2)手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構。3)雙活塞桿液壓崗結構。(2)手臂運動機構的選擇綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構。第四章設備的選型4.1驅動設備的選型換向閥電磁換向閥是用電磁鐵的推力來推動閥芯運動以變換氣體流動方向的控制閥，簡稱電磁閥。電磁換向閥有滑閥和球閥兩種結構，通常所說的電磁換向閥為滑閥結構，稱球狀或錐狀閥芯的電磁換向閥為電磁換向座閥，也稱電磁球閥。常用的換向閥閥芯在閥體內作往復滑動，成為滑閥?；y是一個有多段環(huán)形槽的圓柱體，其直徑大的部分稱凸肩,凸肩與閥體內孔相配合，閥體內孔中加工有若干段環(huán)形槽，閥體上有若干個與外部想通的油口，并與相應的環(huán)形槽相通。根據具體的工作及其原理選擇二位五通電磁換向閥。節(jié)流閥節(jié)流閥的啟閉件大多為圓錐流線型，通過它改變通道截面積而達到調節(jié)流量和壓力。節(jié)流閥供在壓力降極大的情況下作降低介質壓力之用。介質在節(jié)流閥瓣和閥座之間流速很大，以致使這些零件表面很快損壞－即所謂汽蝕現象。為了盡是減少汽蝕影響，閥瓣采用耐汽蝕材料（合金鋼制造）并制成頂尖角為140-180的流線型圓錐體，這還能使閥瓣能有較大的開啟高度，一般不推薦在小縫隙下節(jié)流。綜上所述，選擇角式節(jié)流閥。動力機選擇，該機械手在室內使用，固選用電動機較為方便且電機結構簡單，價格便宜。4.2傳感器的選型位置傳感器可用來檢測位置，反映某種狀態(tài)的開關，和位移傳感器不同，位置傳感器有接觸式和接近式兩種。接觸式傳感器的觸頭由兩個物體接觸擠壓而動作，常見的有行程開關、二維矩陣式位置傳感器等。行程開關結構簡單、動作可靠、價格低廉。當某個物體在運動過程中，碰到行程開關時，其內部觸頭會動作，從而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z軸方向兩端分別裝有行程開關，則可以控制移動范圍。二維矩陣式位置傳感器安裝于機械手掌內側，用于檢測自身與某個物體的接觸位置。接近開關是指當物體與其接近到設定距離時就可以發(fā)出“動作”信號的開關，它無需和物體直接接觸。接近開關有很多種類，主要有電磁式、光電式、差動變壓器式、電渦流式、電容式、干簧管、霍爾式等。接近開關在數控機床上的應用主要是刀架選刀控制、工作臺行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。根據實際情況所需，選擇直動式行程開關。第五章控制系統(tǒng)硬件設計5.1PLC工作原理PLC是一種工業(yè)控制計算機，它的工作原理是建立在計算機工作原理的基礎之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現的。CPU是以分時操作方式來處理各項任務的，所以它屬于串行工作方式。PLC工作的整個過程可分為三部分：第一部分是上電處理。機器上電后對PLC系統(tǒng)進行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模塊配置檢查，停電保持范圍設定。系統(tǒng)通信參數配置及其他初始化處理等。第二部分是掃描過程。PLC上電處理階段完成以后進入掃描工作過程。第三部分是出錯處理。PLC每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動作是否正常，如檢查出異常時，CPU面板上的LED及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼，當出現致命錯誤時，CPU被強制為STOP方式，所有的掃描便停止。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。每一次掃描所用的時間稱作掃描周期或工作周期。在一個掃描周期中，PLC一般將完成部分或全部的以下操作：讀輸入→處理通信請求→執(zhí)行邏輯控制程序→寫輸出執(zhí)行→CPU自診斷。PLC就是這樣周而復始的循環(huán)這些動作過程一直到關機。當PLC上電后，處于正常運行時，它將不斷重復掃描過程，并不斷循環(huán)重復下去。分析上述掃描過程，如果不考慮遠程的服務要求，這樣掃描過程就只有“輸入采樣”、“程序執(zhí)行”和“輸出刷新”三個階段了。這三個階段是PLC工作過程的中心內容，也就是PLC的工作原理。5.2PLC系統(tǒng)選型PLC產品的種類繁多。PLC的型號不同，對應著其結構形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等均各不相同，適用的場合也各有側重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經濟指標有著重要意義。μs應用指令：1.52至幾百微秒，指令編程語言邏輯梯形圖和指令清單使用步進梯形圖能生成SFC類型程序程式容量8000步內置。5.3系統(tǒng)I/O分配表根據沖壓工件翻轉系統(tǒng)的控制要求，系統(tǒng)I/O分配表如表3.2所示。表3.2系統(tǒng)I/O分配表輸入外設輸出功能X0旋轉初始位Y0左旋X1旋轉極限位Y1右旋X2前限位Y2前升X3后限位Y3后縮X4夾緊極限位Y4夾緊X5松開極限位Y5放松X11按鈕開關X12按鈕開關X13按鈕開關X14按鈕開關5.4PLC程序設計首先，要定原點，讓機械手處于原點的位置，然后根據工作要求運動（工作要求可以根據實際情況修改），最后回到原點根據沖壓工件翻轉的要求，機械手所需要完成的動作及工作流程如圖5.1所示根據圖的工作流程圖，結合I/O分配表。首先，要定原點，讓機械手處于原點的位置，然后根據工作要求運動（工作要求可以根據實際情況修改），最后回到原點機械手工作順序功能圖如圖5.2。5.5程序編程如下圖所示，X10為開機啟動按鈕，X11為急停按鈕，X0-X5分別為各位置傳感器，當開機按鈕按下后，M10線圈得電并自鎖，當檢測在原點時其計時器開始計時，沖壓工件開始進行翻轉。如下圖所示，當機械手到前極限位時，機械手停止向前運動，T2開始計時，T2閉合是機械手開始加緊，然后T3開始計時，機械手開始向后運動到極限位，開始翻轉。5.6人機界面設置觸摸屏的種類：電阻式觸摸屏：電阻式觸摸屏輸入采用層狀結構，通常用玻璃或有機玻璃作為基層，在其表面涂有一層透明的導電層，上面再蓋有一層外表面經過硬化處理、光滑防刮的塑料。其表面也涂有一層ITO，在兩層導電層之間用許多細?。ㄐ∮?/1000英寸）的透明隔離點將它們隔開。當用手指接觸屏幕時，兩層ITO發(fā)生接觸，電阻發(fā)生變化，控制器就根據檢測到的電阻變化計算接觸點的坐標，以獲取用戶輸入點。電阻式觸摸屏工作時對外界完全隔離，其優(yōu)點是不怕灰塵和水汽，可以用任何物體來觸摸，可以用來寫字畫畫，因此它比較適合在工業(yè)控制領域及辦公室內使用。電阻式觸摸共同的缺點是，因為復合膜的外層采用塑膠材料，如果觸摸時用力過大，或者尖銳的物體觸摸，都很可能劃傷整個觸摸屏并導致其整體報廢。電容式觸摸屏：電容式觸摸屏利用人體電流感應原理進行工作，電容式觸摸屏是一塊4層復合玻璃屏，玻璃屏的內表面和夾層各涂有一層ITO，最外層是一薄層矽土玻璃保護層，夾層ITO涂層作為工作面，4個角上引出4個電極，內層ITO為屏蔽層以保證良好的工作環(huán)境。當手指觸摸在玻璃保護層上時，在用戶和觸摸屏表面與觸摸屏表面開成個耦合電容，于是手指人接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分別人觸摸屏的四角上的電極中流出，并且經這4個電極的電流與手指到4個角的距離成正比，控制器通過對這個4個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置。電容屏反光嚴重，且對各波長光的透光率不廢均勻，導致屏幕出現色彩失真問題，光線在各層間反射，還造成圖像字符模糊等不利影響。此外，用圈套面積導體物靠近電容屏，天還未觸摸到時就能引起電容屏的誤動作。電容屏在用不導電物體觸摸時沒有反應，就是因為增加了更為絕緣的介質。電容屏還有一些缺點，如漂移問題，當環(huán)境溫度、濕度改變時，環(huán)境電場發(fā)生改變時，都會引起電容屏的飄移，造成不準確，電容屏漂移問題屬于技術的先天不足，電容屏的漂移是累積的，在工作現場也經常需要校準。此外，理論上許多應該線性關系實際上卻是非線性的。雖然電容觸摸屏最外支的矽土層防護玻璃防刮擦性很好，但是只要被硬物敲擊，都有可能破壞其表面形成小洞，并傷及ITO，導致電容屏不能再正常工作。3、表面聲波式觸摸屏：表面是超聲波的一種，是在介質表面涂層傳播的機械能量波。通過三角基座，可以做到定向、小角度的表面聲波能量發(fā)射，表面聲波性能穩(wěn)定，易于分析、并且在橫波傳遞過程中具有非常尖銳的頻率特性，表面聲波相關的理論研究、半導體材料、聲導材料、檢測技術等技術都已經相當成熟。表面聲波式觸摸屏具有清晰度較高，透光率好，高度耐久，抗刮傷性良好，反應靈敏，不受溫度、溫度等環(huán)境因素影響等優(yōu)點，在公共場所使用較多。表面聲波屏需要經常維護，因為灰塵、油污甚至飲料的液體沾染在屏的表面，都會阻塞觸摸屏表面導波槽，使聲波不能正常發(fā)射，或使波形改變而控制器無法正常識別，從而影響觸摸屏的正常使用。用戶需嚴格注意環(huán)境衛(wèi)生，經常擦抹屏的表面，并定期作全面徹底擦除，以確保表面聲波式觸摸屏的使用壽命和精度。紅外式觸摸屏：紅外式觸摸屏是利用x、y方向上密布的紅外線矩陣來檢