某產(chǎn)線氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計

某產(chǎn)線氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計摘要在工業(yè)領(lǐng)域中氣動機(jī)械手占據(jù)著非常重要的位置。隨著自動控制系統(tǒng)越來越完善、越來越先進(jìn)，機(jī)械手能夠代替生產(chǎn)工人完成一定的分揀、搬運、裝卸等工作，減輕了高強(qiáng)度的人工勞動、降低了制造的經(jīng)濟(jì)成本。氣動機(jī)械手動作敏捷、安全可靠、節(jié)能、環(huán)境污染不嚴(yán)重，能實現(xiàn)無級調(diào)速、容易實現(xiàn)過載保護(hù)等優(yōu)點，經(jīng)常用于汽車制造、精密儀器、生物化學(xué)、軍事等工業(yè)。本設(shè)計采用PLC進(jìn)行設(shè)計了氣動機(jī)械手的操作控制系統(tǒng)，其中包括氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)由氣缸、氣爪和連接部件組成，按一定軌跡運行，實現(xiàn)對物料的抓取、卸載。關(guān)鍵詞：PLC控制；氣動機(jī)械手；梯形圖；硬件選型；軟件設(shè)計；人機(jī)界面

1前言1.1論文的研究背景及意義隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,工業(yè)中使用自動化設(shè)備來生產(chǎn)、加工得到廣泛的支持。機(jī)械手的脫穎而出是基于人們對工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的精雕細(xì)琢。它是現(xiàn)代生活與科學(xué)技術(shù)應(yīng)用相連接形成的一項完善的核心技術(shù)。工業(yè)機(jī)械手在應(yīng)用方面能夠提高生產(chǎn)效率,提高產(chǎn)品生產(chǎn)的精確性,降低危險性的生產(chǎn)。在人工操作的環(huán)節(jié)中更容易被直接實用,尤其是在高危工業(yè)的生產(chǎn)，比如有毒物質(zhì)存在過多的化工生產(chǎn)，核電站的放射性物質(zhì)場所，易燃易爆的煙花炮仗場所，都非常適合是用機(jī)械手來代替人手工生產(chǎn)。它還廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè),比如在柔性的生產(chǎn)流水線中能夠使用氣動自動結(jié)構(gòu)對組裝搬運裝卸材料進(jìn)行處理。在機(jī)械零件的裝配生產(chǎn)線過程中,機(jī)器手常用于抓取搬運汽車零件并將兩個不同的零配件裝配到一起,例如:在生產(chǎn)一瓶汽水時可以用機(jī)械手將瓶蓋緊緊壓在瓶子上等,保證了產(chǎn)品穩(wěn)定性,降低了工人勞動強(qiáng)度,進(jìn)一步加強(qiáng)了安全生產(chǎn)產(chǎn)品。適應(yīng)了現(xiàn)代社會生產(chǎn)的風(fēng)潮,具有很強(qiáng)大的生命力。機(jī)械手驅(qū)動的傳統(tǒng)方式包括氣動自動變速箱、液壓動力傳動、機(jī)械傳動和電氣傳動。廣泛應(yīng)用的氣動技術(shù)關(guān)鍵在于以環(huán)境中使用的壓縮氣體為基礎(chǔ)，具有動作靈敏、穩(wěn)定性可靠、結(jié)構(gòu)單一、質(zhì)量輕、節(jié)約資源、壽命長等獨特的特性,尤其在適合控制、容易維護(hù)、無大氣污染的地方更加適用。其次,氣動技術(shù)還經(jīng)常被作為機(jī)械手啟動系統(tǒng)里的最佳選擇。與其他的操作控制方式相比較,氣動末端執(zhí)行器各個部分具有無水污染、跟蹤能力強(qiáng)、價格便宜、整體結(jié)構(gòu)簡單等特點。在機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)過程中,更多的自動化設(shè)備都采用機(jī)器手搬運,其原因是液壓能夠更好的控制氣體傳輸方向。共有,活塞式機(jī)械手以其取之不盡、用之不竭的天然氣和低廉的生產(chǎn)成本深受用戶的熱捧。氣動機(jī)械手的系統(tǒng)的研究愈來愈受到各國的強(qiáng)調(diào),已發(fā)展成為滿足大規(guī)模生產(chǎn)不需要的重要實用技術(shù)。機(jī)器人手臂是最新、最前沿和自動化程度更新最快的產(chǎn)品，它主要替代了傳統(tǒng)的傳送帶驅(qū)動和高精確度的工作。在發(fā)展迅速過程中，許多國家的經(jīng)濟(jì)在氣動伺服系統(tǒng)做了大量專業(yè)工作，嘗試了各種控制多種方法和控制策略，以提高系統(tǒng)的厘米級和機(jī)械手的定位精度[。為了滿足工業(yè)的需要，本小課題試圖再開發(fā)一種氣動移載機(jī)，以實現(xiàn)多功能抓取品牌產(chǎn)品自動生成運輸在制品的更大自由度。此外，當(dāng)其它產(chǎn)品變更或機(jī)械手需要事先分配比例新去完成時，能夠可以輕松地更改或重新調(diào)整設(shè)計其新相關(guān)零件。當(dāng)調(diào)整位置改變自己時，還能以后編程并可以快速投入生產(chǎn)時間，一定程度降低安裝完畢和轉(zhuǎn)換成本。1.2國內(nèi)外氣動機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀自二十世紀(jì)五十年代末以來，經(jīng)過長時間的研究攻關(guān)，美國在一九五八制造出了世界最早的一臺機(jī)械手，經(jīng)過四年制造技術(shù)的發(fā)展。一九六二年，美國的機(jī)械鑄造公司開始了試驗Versatran型號的機(jī)械手，本次實驗的機(jī)械手最初旨在于操作靈活性，并且能夠用于控制點位置和軌跡。機(jī)械手的中心部件必須可以升高、旋轉(zhuǎn)和收縮，由液壓與氣壓來驅(qū)動，控制系統(tǒng)構(gòu)件需要做到示教再現(xiàn)型。雖然本次使用的機(jī)械手最早出現(xiàn)的時間在二十世紀(jì)六十年代初，但它們是外國工業(yè)革命機(jī)械手發(fā)展過程的變遷。自20世紀(jì)60年代末以來，噴漆、電弧焊、室內(nèi)粉刷為了減少工人的工作量已相繼應(yīng)用了氣動機(jī)械手。經(jīng)過時間的發(fā)展和技術(shù)的逐漸成熟機(jī)械手已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于機(jī)械制造、工業(yè)生產(chǎn)、化工、電子、航天和原子能等多個部門。它是用于實現(xiàn)人手操作功能的自動控制系統(tǒng)裝置，也是一種模仿人手操作的自動運行機(jī)械。應(yīng)用機(jī)械手設(shè)備可以減輕企業(yè)員工艱苦的勞動負(fù)擔(dān)，從生產(chǎn)中解放工人的雙手，達(dá)成生產(chǎn)的自動化和操作的機(jī)械化,減少了員工在有害的工作條件下的手工勞動，改善工作環(huán)境,保證工人的人身安全。目前,企業(yè)實際應(yīng)用到生產(chǎn)的大多是第一代氣動機(jī)械手，即由輸入程序控制的機(jī)械手,基本位置上采用了點位控制方式。一九七八年的斯坦福大學(xué)、Unimate公司與麻省理工學(xué)院等聯(lián)合設(shè)計研發(fā)了Unimation-Vic-arm型機(jī)械手臂,在現(xiàn)代制造業(yè)上使用這類型機(jī)械手時就必須通過配備一個小型的計算機(jī)用程序來自動完成控制,進(jìn)行各種制造、加工作業(yè)和自動組裝作業(yè),且精度誤差最大可在±1毫米之間。德國聯(lián)邦機(jī)械制造廠是從公元一九七零年十月開始使用機(jī)械手,主要用于機(jī)械大件設(shè)備的裝卸起重、搬運裝卸以及對一般大型機(jī)械設(shè)備的切割焊接裝配等機(jī)械作業(yè);德國聯(lián)邦Kuka集團(tuán)還自行研發(fā)和制造出另一款高精度點焊固定式機(jī)械手,應(yīng)用于關(guān)節(jié)式焊接結(jié)構(gòu)控制和計算機(jī)程序控制;日本是在世界工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計制造和發(fā)展過程中應(yīng)用最快和最多成功的一個國家,從日本一九六九年左右開始在歐洲美國開始引入世界應(yīng)用最多成功的這二種典型的機(jī)械手以后,日本率先于研發(fā)機(jī)械手,迄今為止是全球利用工業(yè)機(jī)械手最多國家之一。在前蘇聯(lián)，自20世紀(jì)60年代以來，機(jī)器手已經(jīng)被開發(fā)和使用,主要用于自動化程度低、單調(diào)和沉重的輔助工作，對健康有害的生產(chǎn)過程。我國經(jīng)過70年代的萌芽時期,大多時候為引進(jìn)其他先進(jìn)國家技術(shù)為主,替代一些人工勞動;80時代處于研發(fā)生產(chǎn)時期,如沈陽市的新松機(jī)器人制造股份公司；90時代處于技術(shù)應(yīng)用時期,如上海汽車設(shè)備公司和青島市歐地希機(jī)械公司都推出許多合適的機(jī)械手滿足用戶要求。從目前來看我國應(yīng)用的大多少機(jī)器手大多需要進(jìn)口,零一年進(jìn)口需求占50%左右,約一萬五千臺。在我國從產(chǎn)能向產(chǎn)能轉(zhuǎn)變的過程中,也存在著國際技術(shù)與環(huán)境分工的很大挑戰(zhàn),發(fā)展計算機(jī)自動化產(chǎn)業(yè)必須以政府為中心,政府應(yīng)該提供資金援助和政策幫助的重要產(chǎn)業(yè),堅信伴隨著我國國民經(jīng)濟(jì)與綜合國力的不斷提升,科學(xué)技術(shù)的不斷提高,國產(chǎn)機(jī)械手的生產(chǎn)與走向世界會更為廣泛。中國工業(yè)上的第一代機(jī)械手高速發(fā)展,并且正在逐步擴(kuò)大自身的利用范圍。除了使用專業(yè)的機(jī)械操縱手,還需要開發(fā)可以普遍使用的機(jī)械操縱手,并制作示范式機(jī)械操縱手、計算機(jī)還可控制機(jī)械操縱手和組裝式機(jī)械操縱手等?？梢钥紤]將氣動機(jī)械手常用的各種基本運動控制結(jié)構(gòu),包括伸縮臂、擺動和手抓、升降臂、左右和橫移臂等基本機(jī)構(gòu),設(shè)計改造成經(jīng)典構(gòu)件的組合通用結(jié)構(gòu),以便為滿足實際作業(yè)需要時出現(xiàn)的其他各種特殊需要,選用各種不同形式的氣動經(jīng)典結(jié)構(gòu),組成適合各種特殊用途需要的組合氣動機(jī)械手。1.3主要設(shè)計內(nèi)容及問題對氣動機(jī)械手控制裝置進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計，根據(jù)設(shè)計內(nèi)容對PLC、繼電器電動機(jī)等其他設(shè)備進(jìn)行選擇。對氣動機(jī)械手控制裝置的設(shè)計需滿足以下內(nèi)容：系統(tǒng)運行時分為手動、回原和自動運行模式,其中在設(shè)計時可以用一個轉(zhuǎn)換開關(guān)來對手動模式、回原點模式和自動模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。手動模式便于檢查維修，檢查維修無誤后切換為自動模式進(jìn)行物料運送。主要問題：電磁閥的選擇、PLC型號的選擇，I∕O端口的分配，PLC外部接線，機(jī)械手操作控制的PLC程序、人機(jī)界面的設(shè)計。1.4設(shè)計的主要結(jié)構(gòu)(1)按照要求先介紹畢業(yè)設(shè)計的目的、內(nèi)容、重要性問題等。(2)氣動機(jī)械手控制部分的氣動控制回路、傳感器技術(shù)、機(jī)械手技術(shù)、氣動技術(shù)和氣動元件的簡介。(3)系統(tǒng)設(shè)計的流程圖及所需硬件的選型,如：傳感器的選擇、電磁閥的選擇、PLC的選型。(4)設(shè)計機(jī)械手外部接線圖，手動控制、回原點控制和自動控制程序，并設(shè)計相應(yīng)的梯形圖程序。(5)程序運行監(jiān)視、程序測試、人機(jī)界面設(shè)計、仿真調(diào)試、軟件應(yīng)用等方面的研究。1.5可行性分析隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)也快速發(fā)展的時代，各種各樣的機(jī)械手在不斷增加，使得機(jī)械手對企業(yè)生產(chǎn)的需求也大大增加，所以滿足市場需求量的要求。在發(fā)展過程中PLC(可編程控制器)功能在不斷的更新?lián)Q代，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的不斷發(fā)展，自動化技術(shù)的不斷提高，傳統(tǒng)的繼電器控制方式也逐漸被PLC自動控制取代，使PLC在控制方面運用的十分廣泛。本次的氣動機(jī)械手控制裝置比較簡單運用PLC就能實現(xiàn)對裝置的控制。本次設(shè)計方案中，我們采用編程直觀易懂的三菱公司系列PLC，相對應(yīng)的PLC編程元件為GXWorks2軟件系統(tǒng)，該軟件自帶仿真系統(tǒng)是三菱公司開發(fā)發(fā)布的一款高度自動化集成的軟件。大大提高了我們對其相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)，通信，編寫程序，仿真等操作的時間。該軟件通過高效的配置，用戶可以快速直觀的執(zhí)行自動化任務(wù),大大減少了組態(tài)時間。本次的氣動機(jī)械手控制裝置采用三菱GXWorks2進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計，可通過相應(yīng)的人機(jī)界面 (HMI)變量建立與PLC的通信，減少了我們的組態(tài)操作。滿足本次控制系統(tǒng)的人機(jī)面板設(shè)計要求。該課題在市場需求量、設(shè)備技術(shù)上都滿足可行性要求，且滿足系統(tǒng)設(shè)計的意義與價值。2氣動機(jī)械手控制原理及技術(shù)要求2.1機(jī)械手的工作原理機(jī)械手由驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位置檢測裝置、控制系統(tǒng)等組成。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械手中十分關(guān)鍵的部分，它直接關(guān)系到機(jī)械手能否完成預(yù)期任務(wù)的問題。因此設(shè)計一套可靠有效的機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有十分重要的意義。本設(shè)計針對機(jī)械手機(jī)構(gòu)提出了一種氣動驅(qū)動方案。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓驅(qū)動實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)部件的按順序、運動軌跡、速度和時間要求的運動。同時，根據(jù)其控制系統(tǒng)的信息向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指示。2.2機(jī)械手的工作要求依據(jù)控制模式的不同,機(jī)械手經(jīng)常被分為手動模式和自動模式。手動操作模式主要作為安裝調(diào)試和故障時維修的操作規(guī)程,使各控制單元能夠獨立運行,在設(shè)計的過程中經(jīng)常需要考慮。自動操作模式是基于PLC控制器,按照預(yù)先設(shè)計好的程序完成自動運料過程,在一般的自動運行過程中。自動模式包括自動單周期和自動單步運行模式,本次設(shè)計我們主要考慮手動、回原點、自動連續(xù)運行。即根據(jù)預(yù)先設(shè)計的程序完成一個任務(wù)停止,自動連續(xù)模式是指按要求完成多個任務(wù)，如有緊急情況或者需要停止時,按急停按鈕,使機(jī)器手停止工作,確保工作的安全。機(jī)械手工作流程如下圖所示：圖1機(jī)械手工作流程圖Figure1Workflowchartofmanipulator2.3機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)該機(jī)器手結(jié)構(gòu)主要由底座、上下伸縮臂、左右伸縮臂、夾緊/釋放空氣鉗等部件構(gòu)成；實現(xiàn)上下運動、左右運動、夾緊工件、釋放工件的執(zhí)行汽缸部件；采用PLC對電磁閥線圈，外圍按鍵，電源線，傳感器，限位開關(guān)等進(jìn)行了控制。主控系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)模塊化的設(shè)計，方便了機(jī)器人在進(jìn)行其它功能擴(kuò)充時的規(guī)范化和系列化。氣動組件的裝配和管路布置是根據(jù)其本身的引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備自己使用的，根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r將其分為立柱式、門式、滑塊式等模塊。本文所研制的氣動機(jī)械臂，其主體是用于完成物體的運輸，其主體是圓柱形。圖2氣動機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖Figure2Pneumaticmanipulatorstructurediagram按照本方案的要求：機(jī)器人的起始點處于原來的位置，從原來的地方移動，完成立柱下降，伸臂，夾緊工件，縮臂，提升立柱，松開工件，完成定位，完成人工和自動化。2.4相關(guān)技術(shù)概述2.4.1氣動技術(shù)氣動技術(shù)又稱氣壓驅(qū)動和控制技術(shù)，其動力來源是空氣壓縮機(jī)，其工作介質(zhì)是壓縮空氣。一種用于能源傳輸和信息交流的工程技術(shù)。在我國，由于其清潔、安全、高效、低成本、易于維護(hù)等特點，在輕工機(jī)械行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在食品的包裝和加工中，更是起到了舉足輕重的作用。氣動技術(shù)最典型的應(yīng)用是工業(yè)機(jī)器人，氣動技術(shù)主要利用壓縮空氣作為動力來驅(qū)動各種運動部件進(jìn)行工作。除了工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用外，氣動技術(shù)還被用于在游樂場過山車、機(jī)器人動物表演和人體形狀的時鐘內(nèi)實現(xiàn)小的運動。氣動技術(shù)回路工作原理如圖3所示：圖3氣動技術(shù)工作原理Figure3Workingprincipleofpneumatictechnology2.4.2傳感器技術(shù)傳感器的主要功能是獲得各種信息，具有不同的物理量、化學(xué)量或生物量的傳感功能。傳感器的性能和性能決定了它在獲得自然信息和信息質(zhì)量時，它是高質(zhì)量感知技術(shù)體系中的一個重要組成部分。該系統(tǒng)的信息處理主要有預(yù)處理、預(yù)處理、后置處理、特征提取與選取等。識別對象的關(guān)鍵是對已處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和識別。該方法可以通過識別目標(biāo)和特征信息的關(guān)聯(lián)模式來識別、比較、分類和判斷輸入傳感器的特征信息。該設(shè)計是一種用于定位的傳感器，它可以精確地檢測機(jī)器人的握持、松開、水平和垂直的移動。生產(chǎn)生活中經(jīng)常用到電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器、壓電式傳感器和荷爾式傳感器等。2.4.3機(jī)械手技術(shù)模仿人手臂的某個動作，是人手臂的延長物。如因立夫注塑機(jī)機(jī)械手就是利用機(jī)電耦合的原理，通過人工簡單上手操作按固定程序去精準(zhǔn)執(zhí)行各種預(yù)定的作業(yè)，極大提高企業(yè)效能及產(chǎn)品品質(zhì)，最重要的是在特殊作業(yè)下的人員安全性得到。在當(dāng)前社會生產(chǎn)過程中，已經(jīng)能夠被大量的運用在自動生產(chǎn)流水線中。結(jié)構(gòu)簡單、動作迅速、反應(yīng)靈敏、節(jié)能等優(yōu)點已經(jīng)成為基礎(chǔ)，特別是不會對空氣造成污染，容易操作和可控是當(dāng)今中國發(fā)展的綠色生產(chǎn)趨勢。本次設(shè)計要能夠?qū)崿F(xiàn)對氣動機(jī)械手，主要用到三菱公司生產(chǎn)的FX系列PLC為控制器。3系統(tǒng)總體設(shè)計方案3.1系統(tǒng)的控制要求控制要求如下:(1)在手動模式,通過各個按鈕(上升按鈕SB0、下降按鈕SB1、左移按鈕SB13、右移按鈕SB3、夾緊按鈕SB14、松開按鈕SB13)的通斷對機(jī)械手單個機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在氣動機(jī)械手下降到工位A以時，在抓取物料塊時要進(jìn)行2s的延時，保證機(jī)械手抓取物體的可靠性與準(zhǔn)確性。(2)在回原點模式下，通過操作回原點啟動按鈕SB11，實現(xiàn)對機(jī)械手自動回原點的控制。(3)在自動運行方式下，機(jī)械手在原點位置時，按下自動啟動按鈕SB12，機(jī)械手將連續(xù)運行，運行到工位A時夾緊物料塊延時2s，同理在到達(dá)工位B松開物料時需要延時2s；當(dāng)機(jī)械手在運行過程中時需要停止時，按下停止按鈕SB13機(jī)械手將停止；在重新運行時需要回到原點位置啟動。3.2系統(tǒng)設(shè)計過程根據(jù)設(shè)計的具體要求，首先應(yīng)該對本設(shè)計的PLC控制要求和過程進(jìn)行確定，然后在PLC的電氣控制系統(tǒng)電路基礎(chǔ)之上，完成對PLC硬件部分的設(shè)計及選型；其次對PLC的輸入(I)和輸出(O)進(jìn)行地址分配，緊接著完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，軟件的設(shè)計要包含程序流程圖和程序梯形圖兩個方面的設(shè)計，在完成設(shè)計并確定梯形圖程序之后按照梯形圖進(jìn)行下一步HMI人機(jī)界面的設(shè)計，最后對系統(tǒng)整體進(jìn)行調(diào)試和檢測。4控制系統(tǒng)硬件選擇4.1傳感器的選擇傳感器是一種可以感知被測信息的檢測設(shè)備,并依據(jù)特有的規(guī)律感知信息，以電信號或其他必要的形式輸出信息,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。隨著系統(tǒng)能力的提高作為信號采集的主要器件，同時作為實施自動檢測和自動控制的一個關(guān)鍵組成部分,傳感器的作用越來越重要。傳感器通常由傳感元件、感應(yīng)元件、信號處理和傳輸裝置以及其他輔助部件構(gòu)成，如圖3所示。圖5傳感器組成原理圖Figure5Schematicdiagramofsensorcomposition本次設(shè)計選擇光電傳感器，光電傳感器在工業(yè)上利用可分為吸收式、發(fā)射式、反射式和遮光式。能夠檢測的參數(shù)有很多,傳感器的構(gòu)造簡便、運行靈敏。(1)光電效應(yīng)：光電效應(yīng)是指物體中的電子從物體表面脫離并向外輻射的現(xiàn)象，或物體導(dǎo)電性能發(fā)生改變或在光的作用下產(chǎn)生光電勢。(2)光電傳感器:通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制,光電傳感器通常為發(fā)送器、接收器和檢測電路組成。發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束,發(fā)射的光束通常來自半導(dǎo)線照明源,發(fā)光二極體(LED)、激光輻射二極體及紅外線輻射二極體。接收器有電光二極管、電光三極管、光電池構(gòu)成。在其背后是檢測電路,它可以過濾出有效信號和使用此信號。(3)光電開關(guān)工作原理:光電開關(guān)指利用光敏器件對入射光線進(jìn)行改變接收和光電轉(zhuǎn)換同時進(jìn)行某種形式的放大和控制,從而得到最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號的裝置。機(jī)械工業(yè)中常用來檢測物料是否到位，通過光對物體的反射條件來判斷。本設(shè)計選擇紅外線感應(yīng)光電傳感器為滬工牌的E3F-DS30C4，數(shù)量為1個，該開關(guān)的額定電壓為DC24V，額定電流為20A，類型為光電式接近開關(guān)，照片如圖4所示:圖6E3F-DS30C4光電開關(guān)Figure6E3F-DS30C4photoelectricswitch限位開關(guān)又稱行程開關(guān)，用字符SQ來表示，具有一定保護(hù)功能。常見的類型右觸須型、滾珠型、擺桿型與柱塞型。限位開關(guān)可以是兩種不同的組合，如：滾珠擺桿型。限位開關(guān)是一種機(jī)電設(shè)備通過物體施加的力來操作，這些開關(guān)最初用于定義物體的行程極限，因此，被稱為限位開關(guān)。限位開關(guān)是將制動器與機(jī)械連接到電氣開關(guān)的設(shè)備，當(dāng)物體接觸到制動器時，電氣開關(guān)將工作導(dǎo)致電氣連接或斷開，限位開關(guān)有幾種開關(guān)配置，如：常開型限位開關(guān)、常閉型限位開關(guān)、常開/常閉型限位開關(guān)。限位開關(guān)的應(yīng)用十分廣泛，在集裝箱的檢測、液壓缸的位置、冰箱門的開合、機(jī)械手的左右、上下移動等都用到了限位開關(guān)的位置檢測。右觸須型限位開關(guān)性能相比滾珠型較差，擺桿型與柱塞型性能較好，但不適用于本次機(jī)械手的氣缸，綜合考慮選用滾珠型的限位開關(guān)4個。該限位開關(guān)型號為松下的3SE3100系列，額定電壓為DC24V，額定電流為36A，開關(guān)類型為常閉型，照片如圖7所示：圖73SE3100限位開關(guān)Figure73SE3100limitswitch4.2電磁閥的選擇電磁閥從工作原理上看主要有直動式、分步直動式和先導(dǎo)式電磁閥。電磁閥作為電磁控制的工業(yè)設(shè)備，主要用來控制流體的流通與關(guān)斷。電磁閥的工作過程為，接通電源時，電磁線圈用過產(chǎn)生的磁力將關(guān)閉件從閥的底座向上提起，此時閥門打開；斷開電源時，電磁吸力消失，彈簧將關(guān)閉件壓在閥座上，閥門將由于壓力的作用關(guān)閉。當(dāng)PLC控制電磁線圈的接通時，電磁力將推動閥芯，從而擠壓另一側(cè)的彈簧，然后氣壓推動氣缸活塞實現(xiàn)對機(jī)械手的控制。在設(shè)計氣動機(jī)械手的時候，我主要考慮的電磁閥為二位三通與二位五通式，在選擇電磁閥的時候應(yīng)該遵循經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、適用性的原則，同時還要根據(jù)機(jī)械手的現(xiàn)場運行情況，進(jìn)行參數(shù)、運行方式、特殊性進(jìn)行選擇。圖8二位五通電磁閥結(jié)構(gòu)Figure8two-positionfive-waysolenoidvalvestructure二位五通電磁閥按工作原理又可以分為：單線圈控制和雙線圈控制。本次設(shè)計綜合考慮使用單線圈控制的電磁閥。該設(shè)計選用的電磁閥為亞德克牌子的單線圈二位五通式，型號為4V210-08，額定電壓為AC220，功率為3W，流動方向為單向，實物如圖9所示：圖9二位五通電磁閥Figure9twopositionfivewaysolenoidvalve4.3PLC的選型4.3.1PLC技術(shù)簡介從1969年美國數(shù)字設(shè)備有限公司研發(fā)了第一臺PLC,根據(jù)當(dāng)時的生產(chǎn)以分立器件及中小型的集成化工作電路為主,實現(xiàn)一系列簡易的功用。70年代微處理器的現(xiàn)世后引用到PLC技術(shù)讓其增加了很多的功用。條形圖與繼電器接觸器的條形圖類似，被用作PLC的基本編程語言。儲存每個組件操作和處理的單元被稱為繼電器。中國于1970年-1979年中期引入PLC技術(shù),發(fā)展至今能夠制造一些小中型產(chǎn)品,如上海東屋電氣有限公可生產(chǎn)的CF系列,已經(jīng)擁有定量生產(chǎn)與使用。相關(guān)規(guī)范性的技術(shù)定義在1987年通過正式審議，工業(yè)用的PLC控制器系統(tǒng)是可以大部分的數(shù)字運算和編制操作的專用系統(tǒng)，專門用在各種各樣的工業(yè)環(huán)境中，使之運用于開發(fā)和生產(chǎn)的設(shè)計來體現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用。這個系統(tǒng)主要采用可編程性能比較高的數(shù)據(jù)存儲器，用在系統(tǒng)內(nèi)部，用來處理程序，執(zhí)行邏輯的運算與其他的算術(shù)綜合的一系列面向用戶的操作指令，并且通過數(shù)字的模擬和輸入/輸出的模擬控制方式來控制工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)械的過程。PLC控制器與外部設(shè)施的連接為了功能擴(kuò)充時的方便應(yīng)按照有易于與其他工業(yè)的控制系統(tǒng)相互連接的方式連接?？删幊炭刂破?PLC)擁有較高的可靠性，而且不受外界干擾影響；編程簡單，第一次使人們學(xué)習(xí)和上手操作快，使用方便，接受人群廣；系統(tǒng)的設(shè)計施工建造量小，維護(hù)方便，并且容易改造等優(yōu)點。在應(yīng)用PLC技術(shù)編程時注意以下幾點:(1)對氣動機(jī)械手的控制需求進(jìn)行仔細(xì)的分析，將程序的設(shè)計思路以流程圖的形式表達(dá)出來，以便進(jìn)行編程；(2)按照PLC的外部線路和流程圖，按現(xiàn)場信號編程；(3)嚴(yán)格遵循梯形圖格式規(guī)則，指令語句表，編寫程序；4.3.2PLC的系統(tǒng)組成PLC是為滿足各種應(yīng)用要求而開發(fā)的，它使用了典型的電腦架構(gòu)，其硬件部分包括CPU、電源、存儲器、專用I/O接口、編程器等外部設(shè)備。如圖10所示為典型PLC基本結(jié)構(gòu)簡圖。圖10PLC基本結(jié)構(gòu)簡圖Figure10PLCbasicstructurediagram4.3.3PLC選型本次設(shè)計主要采用的三菱系列的PLC(可編程控制器)。在選擇PLC時，要考慮通訊方式、供電要求、I/O點數(shù)是否足夠，后期運行和維修是否便利等。三菱公司對PLC編程軟件從以前的GXDeveloper老版軟件不帶仿真型號使用到現(xiàn)在非常實用的GXWorks2、GXWorks3，本次使用的編程軟件為GXWorks2，此款軟件自帶仿真。三菱PLC有Q系列、L系列、FX系列，主要推出的系列有-10MR、-14MT、-24MR、-32MR、-48MR、-64MR，盡管FX系列PLC中、、在外形上相差不大，但是在性能上有較大的差別，其中和子系列在FX系列PLC中功能最強(qiáng)、性能最好。系列PLC是用于小規(guī)模系統(tǒng)的小型PLC，這種型號的PLC只有4種基本單元，10-30個I/O點數(shù)、50個功能指令，沒有模擬量和通信能力。系列的有12種基本單元，24-128個I/O點數(shù)、55個功能指令，有模擬模塊量，還有較強(qiáng)的通信能力。系列的有16種基本單元，16-256個I/O點數(shù)、298個功能指令，有模擬模塊量，還有很強(qiáng)的通信能力。有很強(qiáng)的設(shè)計靈活擴(kuò)展性，它有嵌入式的接口，超強(qiáng)的集成技術(shù)，安裝擴(kuò)展方便，性價比高等優(yōu)點。它實現(xiàn)了簡單的通信，具有高效的技術(shù)任務(wù)解決方案能在低性能范圍內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)，完全可以滿足一系列獨立的自動化要。PLC，是FX系列PLC中最常用的一種。深受廣大客戶喜愛。列PLC為一體和模塊化的組合。本次氣動機(jī)械手控制裝置共有輸入點17，輸出為6點，考慮適量留有裕量原則、設(shè)計要求、PLC性價比的考慮，此次設(shè)計選用的是三菱的-48MR。4.3.4-48MR主要參數(shù)-48MRPLC參數(shù)含義，2N：系列名稱，48：I/O總點數(shù)為48，M：單元類型，R：繼電器輸出，輸入繼電器(X)24點，輸出繼電器(Y)24點。部分性能指標(biāo)如表1所示：表1-48MRPLC部分性能參數(shù)Table1PartialperformanceparametersofFX_2N-48MRPLC項目 性能參數(shù)輸入/輸出點數(shù) 24/24點擴(kuò)展模塊點數(shù) 48~64點輸入信號類型 直流或開關(guān)量基本順序指令 32個(含步進(jìn)梯形圖指令)一般步進(jìn)點 118點，S10~S127定時器 100ms時基64點(T0~T63)FX系列的擴(kuò)展單元和模塊擴(kuò)充和擴(kuò)充組件須與基礎(chǔ)組件相連接，方可供選擇。擴(kuò)充裝置是為了擴(kuò)充輸入/輸出點，為擴(kuò)充模組提供一個可擴(kuò)充的標(biāo)準(zhǔn)功率。該擴(kuò)充模組被用來進(jìn)一步提高輸入/輸出的數(shù)目，并通過使用來自基礎(chǔ)裝置或擴(kuò)充裝置的供電來更改I/O的性能，擴(kuò)充單位包含CPU，擴(kuò)充模組。如圖11所示為本設(shè)計所用PLC，其擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊滿足設(shè)計的整體需求：圖11-48MRPLCFigure11FX2N-48MRPLC5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1氣動機(jī)械手程序流程圖流程圖說明：本次設(shè)計的控制流程分為自動和手動兩部分進(jìn)行設(shè)計。手動操作模式用于自動模式前的系統(tǒng)調(diào)整和發(fā)生故障時的系統(tǒng)故障排查和檢修。5.1.1手動模式(1)打開選擇開關(guān)SA1將選擇開關(guān)置于手動操作模式下；(2)按下下降按鈕SB1，使機(jī)械手向下運行；(3)機(jī)械手是否到達(dá)工位A，到達(dá)工位A以后延時2秒，保證氣爪在夾緊物體時物體不會脫落；(4)夾緊物料塊后機(jī)械手向上運行，到達(dá)上限位開關(guān)時向右移動，到達(dá)右限位開關(guān)時向下移動;(5)機(jī)械手是否到達(dá)工位B，到達(dá)工位B以后松開物料件；(6)松開物料件后按下回原點按鈕，使機(jī)械手回到原點位置，結(jié)束程序的運行；圖12手動控制程序流程圖Figure12Flowchartofmanualcontrolprogram5.1.2自動模式(1)把轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1打到手動操作模式下，按下自動啟動按鈕SB12，機(jī)械手向下運行；(2)機(jī)械手是否到達(dá)工位A，到達(dá)工位A以后夾緊物料塊，延時2秒；(3)機(jī)械手向上運行，接著右移，最后下降到工位臺B后松開物料塊；(4)松開后回到原點，按下停止按鈕SB13，結(jié)束運行；圖13自動控制程序流程圖Figure13Flowchartofautomaticcontrolprogram5.2I/O分配在進(jìn)行梯形設(shè)計之前，我們先把I/O的地址分配給每個PLC的輸入點，把PLC的每個輸出點對應(yīng)一個相應(yīng)的輸出裝置。然后進(jìn)行程序相應(yīng)的輸入寫入和輸出讀出。在編寫程序的過程中嚴(yán)格按照I/O分配表進(jìn)行程序編寫。在對I/O地址進(jìn)行分配時按照自己的習(xí)慣集中分配，這樣不僅不會弄亂自己還好記憶。5.2PLC外部接線圖PLC的外部接線原理就是用來方便電線的連接。實際上就是一塊金屬薄板，上面有一個洞，可以把電線插進(jìn)去，然后用來擰緊和松。例如，兩條電線，有時候要連在一起，有時候要分開，這個時候再用一個終端來接。而且可以在任何時候拆散，不用焊接，也不用卷繞，非常的簡單和快速。其外部接線圖如圖14所示：圖14PLC外部接線圖Figure14PLCexternalwiringdiagram5.3PLC程序設(shè)計GXWorks的程序設(shè)計，是專門為機(jī)器設(shè)計的，它可以根據(jù)程序的特性，進(jìn)行程序的設(shè)定和控制，實現(xiàn)機(jī)器的邏輯操作，順序控制，定時等等。通過該程序?qū)崿F(xiàn)了在機(jī)器制造中的自動錄入程序，使得機(jī)器在出廠后就可以直接投入使用。軟件可以為使用者設(shè)計兩種程序，分別是Simple項目和StructuredProject，可以根據(jù)自己的喜好來編寫程序。(1)編寫程序前的準(zhǔn)備工作打開提前安裝好的GXWorks2，點擊工具欄里面的工程新建一個工程，選擇PLC的型號FXCPU，機(jī)型選擇，工程類型選擇我們一般的簡單工程，程序語言有梯形圖和SFC圖我們選擇梯形圖動模式運行時，回原位、自動連續(xù)運行必須關(guān)閉。在回原位模式運行時，手動、自動連續(xù)運行必須關(guān)閉。在自動連續(xù)運行模式下，手動、回原點運行必須關(guān)閉。如圖17、圖18、圖19所示：圖17手動互鎖程序Figure17manualinterlockingprogram圖18回原點互鎖Figure18Returntoorigininterlocking圖19連續(xù)運行互鎖Figure19Continuousinterlocking

6結(jié)論本次設(shè)計選用三菱-48MRPLC,完成硬件選型、軟件設(shè)計、PLC和HMI程序的編程，這樣就完成了PLC控制的氣動機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計。在設(shè)計的