MPS系統(tǒng)機械手站單元的設計與PLC控制

1、設計題目：MPS系統(tǒng)機械手站單元的設計與PLC控制設計條件：要求采用西門子S7226 PLC作為控制器，以氣動元件作為執(zhí)行元件，設計MPS系統(tǒng)機械手站單元，并實現(xiàn)其動作控制要求。設計任務：1氣動機構(gòu)設計和氣動元件的選型；2利用氣動仿真軟件設計氣動回路并進行仿真調(diào)試；3機械手站的電氣接線設計和通信接口設計；4PLC的I/O分配設計和編程設計；5完成對機械手站的硬件和軟件的安裝、連接、調(diào)試、運行；6畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容包括：1）課題的來源和意義，系統(tǒng)設計方案的確定及說明。2）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及功能說明。3）系統(tǒng)軟件編程及功能實現(xiàn)。MPS系統(tǒng)機械手站單元的設計與PLC控制摘 要MPS(modular p

2、roduction system 模塊化生產(chǎn)加工培訓系統(tǒng))是模擬實際生產(chǎn)加工操作過程的開放式教學系統(tǒng)，主要是針對學生不能經(jīng)常在實際生產(chǎn)線上進行培訓而設計的，該系統(tǒng)是工業(yè)自動化生產(chǎn)線的縮微模型，可以提供一個實際自動化制造，加工生產(chǎn)線的模擬教學環(huán)境，可根據(jù)I/O分配編寫程序達到系統(tǒng)的控制，提高實際操作的能力，本文涉及的系統(tǒng)為上海英集斯公司生產(chǎn)的MPS模塊化生產(chǎn)加工培訓系統(tǒng),它采用西門子公司生產(chǎn)的小型可編程序控制器S7-200對MPS各個工作站的運行過程進行實時控制。本次設計是以MPS系統(tǒng)中機械手站單元為研究，采用德國西門子公司生產(chǎn)的S7-226系列可編程控制器對機械手進行運動控制，根據(jù)機械手的運動

3、規(guī)律進行編程，使用傳感器進行位置控制，并使用FluidSIM-P軟件設計制作氣動控制和仿真模擬，完成機械手站的控制任務。關鍵詞：MPS；機械手站單元；PLC；傳感器目 錄1 緒 論11.1 MPS模塊化加工系統(tǒng)簡介11.2 MPS的基本組成11.3 MPS的基本功能21.4設計條件及設計任務32 機械手站單元的控制硬件42.1 可編程控制器（PLC）42.1.1 PLC的概況及特點42.1.2 PLC結(jié)構(gòu)及基本配置：52.1.3 PLC的應用領域72.1.4 S7-200PLC的介紹72.2 傳感器102.2.1 傳感器的簡介以及分類102.2.2 傳感器工作原理及應用113 機械手133.1

4、機械手的簡介：133.2MPS系統(tǒng)中機械手工作站的結(jié)構(gòu)功能143.2.1 機械手站氣動回路圖163.2.2 氣動部件的選用173.2.3氣動部件的簡要分析183.2.4 電器元件的簡介224 機械手站單元的PLC設計254.1機械手站單元的控制要求254.2機械手站單元順序功能流程圖254.3 機械手站單元的I/O分配表264.4 梯形圖274.5指令表294.6 模擬調(diào)試295 總 結(jié)30參考文獻31致 謝321 緒 論1.1 MPS模塊化加工系統(tǒng)簡介模塊化加工系統(tǒng)(MPS, Modular Production System)體現(xiàn)了機電一體化的技術實際應用。MPS設備是一套開放式的設備，用

5、戶可根據(jù)身產(chǎn)需要選擇設備組成單元的數(shù)量、類型，最少時一個單元亦可自成一個獨立的控制系統(tǒng)，而由多個單元組成的生產(chǎn)系統(tǒng)可以體現(xiàn)自動生產(chǎn)線的控制特點。在由多個MPS工作單元組成的系統(tǒng)中，綜合應用了多種技術知識，如氣動控制技術、機械技術（機械傳動、機械連接等）、電工電子技術、傳感應用技術、PLC控制技術、組態(tài)控制技術、信息技術等。利用該系統(tǒng)可以模擬一個與實際生產(chǎn)情況十分接近的控制過程，使學員在一個非常接近于實際的教學設備環(huán)境，使學員在學習過程中很自然地就將理論應用到了實際中，實現(xiàn)了理論與實踐的完美結(jié)合，從而縮短了理論教學與實際應用之間的距離。1.2 MPS的基本組成 多個單元組成的MPS系統(tǒng)可以較為真

6、實地模擬出一個自動生產(chǎn)加工流水線的工作過程。其中，每個工作單元都可以自成一個獨立系統(tǒng)，同時也都是一個機電一體化的系統(tǒng)。各個單元的執(zhí)行機構(gòu)主要是氣動執(zhí)行機構(gòu)和電機驅(qū)動機構(gòu)，這些執(zhí)行機構(gòu)的運動位置都可以通過安裝在其上面的傳感器的信號來判斷。圖1.1 多單元組成的MPS系統(tǒng)在MPS設備上應用多種類型的傳感器，分別用于判斷物體的運動位置、物體的通過狀態(tài)、物體的顏色、物體的材質(zhì)、物體的高度等。傳感器技術是機電一體化技術中的關鍵技術之一，是現(xiàn)代工作實現(xiàn)高度自動化的前提之一。在控制方面，MPS設備采用PLC進行控制，用戶可根據(jù)需要原則不同廠家的PLC(例如三菱公司的FX2N系列PLC、西門子公司的S7-20

7、0系列PLC和S7-300系列PLC)。MPS設備的硬件結(jié)構(gòu)是相對固定的，但學員可以根據(jù)自己對設備的理解、對生產(chǎn)加工工藝的理解，編寫一定的生產(chǎn)工藝過程，然后再通過編寫PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)該工藝過程，從而實現(xiàn)對MPS設備的控制。1.3 MPS的基本功能MPS設備給學員提供了一個開放式的學習環(huán)境，雖然各個組成單元的結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，但是，設備的各個執(zhí)行機構(gòu)按照什么樣的動作順序執(zhí)行、各個單元之間如何配合、最終使MPS模擬一個什么樣的生產(chǎn)加工控制過程、MPS作為一條自動生產(chǎn)流水線具有怎么樣的操作運行模式等，學員都可根據(jù)自己的理解，運用所學理論知識，設計出PLC控制程序，使MPS設備實現(xiàn)一個最符合實際的自動控

8、制過程。MPS系統(tǒng)中每個單元都具有最基本的功能，學員可在這些基本功能的基礎上進行流程編排設計和發(fā)揮。1）、MPS系統(tǒng)的基本組成單元：上料件檢測單元操作手單元加工單元安裝單元安裝搬運單元立體存儲單元機械手單元（如圖1.2所示）2）、機械手站單元功能簡介：該單元是一個六個關節(jié)的機械手，它可以用來完成抓取動作，可以進行工件的組裝，產(chǎn)生一個完整的產(chǎn)品。圖1.2 機械手單元手臂本體：日本莫托曼HP3、三菱等擴展模塊：控制器、變壓器。組成模塊：手臂本體、手臂控制器、氣爪。圖1.3 機械手單元在MPS中的應用1.4設計條件及設計任務1、設計條件：要求采用西門子S7-226PLC作為控制器，以氣動元件作為執(zhí)行

9、元件，設計MPS系統(tǒng)機械手戰(zhàn)單元，并實現(xiàn)其動作控制要求。2、設計任務：（1）氣動機構(gòu)設計和氣動元件的選型；（2）利用氣動仿真軟件設計氣動回路并進行仿真調(diào)試；（3）機械手站的電氣接線設計和通信接口設計；（4）PLC的I/O分配設計和編程設計；（5）完成對機械手站的硬件和軟件的安裝、連線、調(diào)試、運行；3、畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容包括：（1）課題的來源和意義，系統(tǒng)設計方案的確定及說明；（2）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及功能說明；（3）系統(tǒng)軟件編程及功能實現(xiàn)。2 機械手站單元的控制硬件2.1 可編程控制器（PLC）2.1.1 PLC的概況及特點可編程序控制器（PLC）是現(xiàn)代工業(yè)自動化領域中的一門先進控制技術，它已成為現(xiàn)

10、代工業(yè)控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，其應用深度和廣度已經(jīng)成為一個國家工業(yè)先進水平的重要標志之一。PLC具有可靠性、邏輯功能強、體積小、可在線修改控制程序、遠程通信聯(lián)網(wǎng)、易于與計算機接口、模擬量控制、高速計數(shù)及位控等一系列優(yōu)異性能。1）PLC的分類可編程序控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置?？删幊绦蚩刂破靼l(fā)展到今天，已經(jīng)有多種形式，而且功能也不盡相同。按不同的原則可有不同的分類。a、根據(jù)結(jié)構(gòu)分類（1）整體式（箱體式）整體式PL

11、C的基本組成框圖如圖2.1所示。圖2.1 整體式PLC的基本組成框圖（2）組合式（機架模塊式）組合式PLC的基本組成框圖如圖2.2所示。圖2.2 組合式PLC的基本組成框圖b、按控制規(guī)模分類一般而言，處理的I/O點數(shù)愈多，則控制關系愈復雜，用戶要求的程序存儲器容量愈加大、PLC指令及其他功能也愈加多、指令執(zhí)行的速度也愈加快。按PLC的I/O點數(shù)可將PLC分為以下三類：小型PLC、中型PLC、大型PLC。2)PLC的特點：抗干擾能力強，可靠性高；編程方便；使用方便；維護方便；設計、施工調(diào)試周期短；易于實現(xiàn)機電一體化。2.1.2 PLC結(jié)構(gòu)及基本配置一般講，PLC分為箱體式和模塊式兩種。但它們的組

12、成是相同的，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當然按CPU性能分成若干型號，并按I/O點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式PLC，有CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架。1）CPU的構(gòu)成PLC中的CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用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PLC內(nèi)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

13、電路，與通用計算機一樣，主要由運算器、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(gòu)成，還有外圍芯片、總線接口及有關電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU的控制器控制CPU工作，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。CPU的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。CPU的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CPU芯片實際上就是微處理器。CPU模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設定或控制開關。

14、一般講，CPU模塊總要有相應的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接I/O模板或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi)存，有外設口，用于接外部設備，有的還有通訊口，用于進行通訊。CPU模塊上還有許多設定開關，用以對PLC作設定，如設定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。2）I/O模塊(jPLC的對外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，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CPU所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。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，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

15、狀態(tài)。3）電源模塊有些PLC中的電源，是與CPU模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為PLC各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。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流220VAC或110VAC，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24V。4）底板或機架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能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(gòu)成一個整體5）PLC的外部設備外部設備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類a、編程設備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控PLC及

16、PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。b、監(jiān)控設備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。c、存儲設備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如EPROM、EEPROM寫入器等。d、輸入輸出設備：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，打印機等。6）PLC的通信聯(lián)網(wǎng)jPLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與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?，F(xiàn)在幾乎所有的PLC新產(chǎn)

17、品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它和計算機一樣具有RS-232接口，通過雙絞線、同軸電纜或光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的范圍內(nèi)交換信息。當然，PLC之間的通訊網(wǎng)絡是各廠家專用的，PLC與計算機之間的通訊，一些生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標準總線，并向標準通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機型的PLC之間、PLC與計算機之間可以方便地進行通訊與聯(lián)網(wǎng)。2.1.3 PLC的應用領域最初，PLC主要用于開關量的邏輯控制。隨著PLC技術的進步，它的應用領域不斷擴大，主要用于開關量控制；用于模擬量控制；用于數(shù)字量控制；用于數(shù)據(jù)采集；用于進行監(jiān)控；用于聯(lián)網(wǎng)、通訊。事實上，PLC已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域。從行業(yè)看，冶金、機械、化工、輕

18、工、食品、建材等等，幾乎沒有不用到它的。不僅工業(yè)生產(chǎn)用它，一些非工業(yè)過程，如樓宇自動化、電梯控制也用到它。農(nóng)業(yè)的大棚環(huán)境參數(shù)調(diào)控，水利灌溉也用到它。PLC能有上述幾個范圍廣泛的應用，是PLC自身特點決定的，也是PLC技術不斷完善的結(jié)果。2.1.4 S7-200PLC的介紹德國的西門子（SIEMENS）公司是歐洲最大的電子和電氣設備制造商，生產(chǎn)的SIMATIC可編程序控制器歐洲處于領先地位。其第一代可編程控制器是1975年投放市場的SIMATIC S3 系列的控制系統(tǒng)。在1979年，微處理器技術被應用到可編程控制器中，產(chǎn)生了SIMATIC S5 系列，取代了S3系列，之后在二十世紀末又推出了S7

19、系列產(chǎn)品。最新的SIMATIC產(chǎn)品為SIMATIC S7、M7和C7等幾大系列。從CPU模塊的功能來看，SIMATIC S7-200系列小型PLC發(fā)展經(jīng)歷了兩代：第一代產(chǎn)品其CPU模塊為CPU 21X，主機都可以進行擴展，它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元：CPU212，CPU214，CPU215和CPU216。第二代產(chǎn)品其CPU模塊為CPU 22X，是在二十一世紀初投放市場的，速度快，具有較強的通訊能力，它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元：CPU221，CPU222，CPU224和CPU226，除CPU221之外，其他都可以加擴展模塊。SIMATIC S7-200系統(tǒng)由硬件和工業(yè)軟件兩大部分

20、組成如圖2.3所示：圖2.3 S7-200 PLC組成框圖1)硬件基本單元、擴展單元、特殊功能模塊、相關設備2)工業(yè)軟件工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設備而開發(fā)的與之配套的程序、文檔及其規(guī)則的總和，它主要由標準工具、工程工具、運行軟件和人機接口等幾類構(gòu)成。a、 CPU介紹及I/O系統(tǒng)（如表2.1）表2.1 不同種類CUP的I/O對比型號主機輸出類型主機輸入點數(shù)(I)主機輸出點數(shù)(O)可擴展模塊數(shù)CPU221DC繼電器64無CPU222DC繼電器862CPU224DC繼電器14107CPU226DC繼電器24167b、 主機外形SIMATIC S7-200系統(tǒng)CPU22X系列PLC主機（CPU

21、模塊）的外形如圖2.4所示。圖2.4 CPU結(jié)構(gòu)外形圖c、基本結(jié)構(gòu)特點4種CPU各有晶體管輸出(直流輸出)和繼電器輸出（交、直流輸出）兩種類型，具有不同電源電壓和控制電壓。各類型的型號如下表2.2：表2.2 各種CPU輸出電壓、電流的對比CPU類型電源電壓輸入電壓輸出電壓輸出電流CPU221DC輸出DC輸入24VDC24VDC24VDC0.75A，晶體管繼電器輸出DC輸入85-264VAC24VDC24VDC24-230VAC2A，繼電器CPU221CPU221CPU221DC輸出24VDC24VDC24VDC0.75A，晶體管繼電器輸出85-264VAC24VDC24VDC24-230VAC

22、2A，繼電器d、S7-200之間的PPI通信PPI協(xié)議是專門為S7-200開發(fā)的通信協(xié)議。S7-200CPU的通信口（Port0、Port1）支持PPI通信協(xié)議，S7-200的一些通信模塊也支持PPI協(xié)議。Micro/WIN與CPU進行編輯通信也通過PPI協(xié)議。S7-200CPU的PPI網(wǎng)絡通信是建立在RS-485網(wǎng)絡的硬件基礎上，因此其連接屬性和需要的網(wǎng)絡硬件設備與其它RS-485網(wǎng)絡一致。S7-200 CPU之間的PPI網(wǎng)絡通信只需要兩條簡單的指令，它們是網(wǎng)絡讀（NETR）和網(wǎng)絡寫（NETW）指令。在網(wǎng)絡讀/寫通信中，只有主站需要調(diào)用NETR/NETW指令，從站只需編輯處理數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（取用

23、或準備數(shù)據(jù)）。在S7-200系統(tǒng)中，無論是組成PPI、MPI、還是Profibus-DP網(wǎng)絡用到的主要部件都是一樣的。e、擴展模塊以及功能模塊(1)功能模塊擴展當需要完成某些特殊功能的控制系統(tǒng)，CPU主機可以擴展特殊功能模塊，一般是特殊功能模塊有SM253位置控制模塊，EM241調(diào)制解調(diào)器模塊等。(2)輸入輸出擴展S7-200PLC的CPU所提供的本機I/O點和I/O地址是固定的，進行擴展時可以在CPU右邊連接多個擴展模塊連接。每個擴展模塊的組態(tài)地址編號取決于各模塊的類型和該模塊在I/O鏈中所處的位置。編制方法就是同種類型輸入或輸出點的模塊在鏈中按與主機的位置而遞增，其他類型模塊的有無及所處的

24、位置不影響本類型模塊的編號。最大I/O配置的預算需考慮映像寄存器數(shù)量及電流提供能力。各CPU能提供的最大5VDC電流如下表。表2.3 各種CPU的最大擴展電流的對比CPU型號221222224226最大擴展電流（mA）03406601000SIMATIC S7-200系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內(nèi)置集成功能；實時特性；強勁的通訊能力；豐富

25、的擴展模塊。S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。此次畢業(yè)設計選用CPU226,CPU226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。13字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器

26、。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用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，更快的運行速度和更強的內(nèi)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)，如圖2.5所示。圖2.5 CPU226的外形圖2.2 傳感器 2.2.1 傳感器的簡介以及分類人是靠視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺這些感覺器官來接受外界信息的，而一臺光機電一體化的自動設備在運行中也有大量的信息需要準確地被“感受”，以使設備能按照設計要求實現(xiàn)自動化控制，自動化設備用于“感受”信息的裝置就是傳感器。傳感器是實現(xiàn)自動化的關鍵技

27、術之一。1)傳感器的組成傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路及輔助電源部分組成。a、敏感元件，是傳感器中能直接感受或響應被測量的部分。b、轉(zhuǎn)換元件，是傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適用于傳輸或測量的電信號的部分。c、轉(zhuǎn)換電路，是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率量的電路。d、輔助電源，是用于提供傳感器正常工作能源的電源。傳感器的組成如圖2.6所示圖2.6 傳感器的組成2）常用傳感器的分類作為實現(xiàn)傳感功能的基本器件，傳感器的分類方法很多，a、按傳感器能量變換關系進行分類按能量變換關系，傳感器分為發(fā)電

28、型傳感器和參量型傳感器。b、按傳感器輸入量(即被測參數(shù))進行分類按輸人量分類，傳感器以被測物理量命名，如位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。c、按傳感器的輸出量進行分類按輸出量分類，傳感器可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器兩類。模擬式傳感器是指傳感器的輸出信號為模擬量，數(shù)字式傳感器是指傳感器的輸出信號為數(shù)字量。d、按傳感器工作原理進行分類按傳感器的工作原理為依據(jù)分類，可分為電阻應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器等。2.2.2 傳感器工作原理及應用1）電感式接近開關a、電感式接近開關的基本工作原理 電感式傳感器為信號發(fā)生器，它被用于在加工機械，機器人

29、，生產(chǎn)線 以及傳送帶系統(tǒng)中檢測和功能相關 的動作,并將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成電信號。它是以非接觸的方式工作的。當有金屬物體接近規(guī)定的感應距離時，傳感器會發(fā)出一個電信號。電感式接近開關就是利用電渦流效應制造的傳感器。（1）高頻振蕩型電感式接近開關它以高頻振蕩器（LC振蕩器）中的電感線圈作為檢測元件，利用被測金屬物體接近電感線圈時產(chǎn)生的渦流效應，引起振蕩器振幅或頻率的變化，由傳感器的信號調(diào)理電路將該變化轉(zhuǎn)換成開關量輸出，從而達到檢測的目的。（2）差動線圈型電感式接近開關它有兩個電感線圈，由其中一個電感線圈作為檢測線圈，另一個電感線圈作為比較線圈；由于被測金屬物體接近檢測線圈時會產(chǎn)生渦流效應，從而引起檢測線

30、圈中磁通的變化，檢測線圈的磁通與比較線圈的磁通進行比較，然后利用比較后的磁通差，經(jīng)由傳感器的信號調(diào)理電路將該磁通差轉(zhuǎn)換成電的開關量輸出，從而達到檢測的目的。b、電感式接近開關的分類（1）按工作電源的性質(zhì)進行分類流型：采用交流電源供電，用于交流控制回路。流型：采用直流流電源供電，用于直流控制回路。（2）按接線方式進行分類二線制 三線制 四線制 五線制 六線制（3）按觸點的性質(zhì)分類 常開式 常閉式 常開與常閉混合式（4）按輸出邏輯分類正邏輯型 負邏輯型 浮空邏輯型 混合型（5）按外形分類 螺紋型 圓柱型 長方體型 U型等（6）按防護方式分類 防水型 防爆型 耐高溫型 耐高壓型等c、電感式接近開關的

31、圖形符號 接近開關通用符號如圖2.7所示，電感式接近開關如圖2.8所示。圖2.8 電感式接近開關圖形符號圖2.7 接近開關通用符號d、電感式傳感器的特點無機械磨損和撕扯動作，因此使用壽命長；不會因灰塵或觸點焊接在一起而出現(xiàn)故障；無觸點反彈，因此無切換故障；切換頻率高達3000Hz；抗震；安裝位置隨意；黃色LED顯示切換狀態(tài)；完全密閉，防護等級高。e、電感式傳感器在自動檢測中的應用由于電感式傳感只能對金屬起作用，在自動控制的應用可以應用在上例中進行檢測白色的金屬或紅色的塑料，又可以應用在流水生產(chǎn)線上檢測金屬工件是否到位。如圖2.9所示。當工件到位后自動輸出一個開關量信號。用以控制計數(shù)器計數(shù)或下一

32、個加工步驟等。圖2.9 電感式傳感器的應用3 機械手3.1機械手的簡介1）機械手的概念機械手是一種能模擬人的手臂的動作的部分動作，按預定的程序軌跡及其他要求，實現(xiàn)抓取，搬運工件或操作工具的自動化裝置。在我國由于大多數(shù)工業(yè)機器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機器人稱做操作機械手。機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(diào)）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、動作靈活的機械手。它是適用于可變換生產(chǎn)品

33、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。機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、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(diào)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)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。2）機械

34、手的分類a、按驅(qū)動方式分：液壓式、氣動式、機械式b、按適用范圍分：專用機械手、通用機械手c、按運動軌跡控制方式分：點位控制、連續(xù)軌跡控制d、按臂部的運動形式分：直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關節(jié)式3）機械手主要組成機械手主要是由執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)三大部分組成。a、執(zhí)行部分執(zhí)行系統(tǒng)是機械手的機械傳動結(jié)構(gòu)部分。它包括手、手腕、手臂和機座等部件b、驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)的動力裝置。驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電力驅(qū)動和機械驅(qū)動等方式。c、控制系統(tǒng)3.1 機械手的組成圖控制系統(tǒng)是支配執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定程序動作得到電氣控制裝置?？刂葡到y(tǒng)所控制的因素包括執(zhí)行系統(tǒng)各部的動作、動作順序、位置、

35、時間、和速度等。如圖3.1所示：4) 機械手的特點a、對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險，有害的工作。在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進行合理的設計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，放射線作用下，以及沖壓，火等危險環(huán)境中勝任工作。b、機械手能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并擴大和延伸人的功能。c、由于機械手的動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可以避免人為的操作錯誤。d、機械手的特點是通過用工業(yè)機械手的通用性，靈活性好，能很好的適應產(chǎn)品的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。3.2MPS系統(tǒng)中機械

36、手工作站的結(jié)構(gòu)功能機械手站單元主要由提取模塊、滑槽模塊、I/O接線端口等組成，如圖3.2所示。圖3.2 機械手站結(jié)構(gòu)圖該單元主要為一氣動機械手，此站完成提取工件、按要求將工件分流的過程。1）提取模塊該模塊主要由兩個直線氣缸（提取氣缸和擺臂氣缸）、一個轉(zhuǎn)動氣缸及手指氣動夾爪組成。提取氣缸安裝在擺臂氣缸的氣缸桿的前端，垂直方向運動，以便于提取工件。該氣缸是一個桿不回轉(zhuǎn)型氣缸，其活塞桿為六邊形，這樣桿就不能隨便轉(zhuǎn)動，便于氣爪夾取工件。擺臂氣缸構(gòu)成了氣動機械手的“手臂”，可以實現(xiàn)水平方向上的伸出、縮回動作。同時它還是一個雙聯(lián)氣缸（有的地方叫倍力缸），它擁有兩個壓力腔和兩個活塞桿，在同等壓力下，雙聯(lián)氣缸

37、的輸出力是一般氣缸的兩倍，所以有的地方亦叫它倍力缸。在氣缸的兩個極限位置上分別安裝有磁感應式接近開關，用于判斷氣缸的動作是否到位。轉(zhuǎn)動氣缸用于實現(xiàn)擺臂氣缸的轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動角度為180，在氣缸的兩個極限位置上分別安裝有阻尼缸（用于緩沖旋轉(zhuǎn)沖擊）和電感式接近開關（用于判斷氣缸旋轉(zhuǎn)是否到位）。氣動夾爪則用于抓取工件。2）滑槽模塊此模塊在帶有組態(tài)操作的MPS系統(tǒng)上才會安裝。滑槽模塊用于存放檢測不合格的工件。3.2.1 機械手站氣動回路圖圖3.3 機械手站氣動回路圖1A為旋轉(zhuǎn)氣缸；1B1和1B2為電感式接近開關；2A為擺臂雙聯(lián)氣缸；2B1、2B2為磁感應式接近開關；3A為氣動夾爪；3B1為磁感應式接近開關

38、；4A為桿不回轉(zhuǎn)的提取氣缸；4B1、4B2為磁感應式接近開關；1Y1、1Y2為旋轉(zhuǎn)氣缸的電磁閥的兩個控制信號；2Y1、2Y2為控制擺臂氣缸的電磁閥的兩個電磁控制信號；3Y1、3Y2為控制氣動夾爪開與閉的電磁閥的兩個電磁控制信號；4Y1為提取氣缸的電磁閥的電磁控制信號。氣動回路的分析在3.3圖中，本站開始工作時，進行夾爪打開、橫臂縮回和轉(zhuǎn)上工位復位動作，均靠氣缸復位來完成。等上站工作完成信號來后，首先使電磁閥線圈2Y2通電，使2號氣缸動作，橫臂縮回。當檢測開關2B2有信號輸出后，使控制4號氣缸的電磁閥線圈4Y1通電，實現(xiàn)夾爪下降動作，準備抓工件，下降到位后，4B2輸出，此時使3Y2通電，實現(xiàn)夾緊

39、動作，延時后，使4Y1斷電，夾爪上升，直到4B1有信號輸出，此時令2Y1通電，橫臂縮回；縮回到位后，2B1輸出，使1Y2通電，橫臂實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，使操作手到達下一工位。等下工位有工件后，使2Y2通電，橫臂伸出，到位后2B2輸出，使4Y1得電，4號汽缸活塞桿伸出，夾爪下降，到位后，使3Y1通電，夾爪釋放工件，完成后，使4Y1斷電，夾爪上升，到最高位后，使2Y1通電，橫臂縮回，到位后，2B2有信號輸出，使1Y1通電，橫臂轉(zhuǎn)上工位，完成本站工作。3.2.2 氣動部件的選用元件名稱數(shù)量元件用途元件符號氣源1為氣動回路提供動力雙作用缸3執(zhí)行元件可調(diào)單向節(jié)流閥6調(diào)節(jié)氣回路中的流量大小二聯(lián)件1過濾調(diào)壓換向閥1改變

40、回路氣體的流向表3.1 機械手單元氣動部件的選用表3.2.3氣動部件的簡要分析1）機械手站單元的結(jié)構(gòu)及工作過程機械手移送工件的機械系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)如圖所示，用于將工作臺A點的工件搬運到工作臺B點上。機械手的全部動作由電磁閥控制氣動系統(tǒng)工作。其上升/下降、左移/右移運動由電磁閥控制，其位置由磁性傳感器檢測，夾緊使用電磁閥控制氣爪，使用壓力傳感器檢測。即當下降電磁閥通電時，機械手下降；當下降電磁閥斷電時，機械手停止下降，但要保持現(xiàn)有的工作狀態(tài)。在上升電磁閥通電時，機械手上升；當電磁閥斷電后，機械手停止上升。夾緊電磁閥線圈通電時，機械手夾緊；線圈斷電時，機械手放松。圖3.4 機械手控制單元結(jié)構(gòu)及移送工件

41、的動作過程圖2）機械手站單元氣動元件種類及結(jié)構(gòu)符號a、導向氣缸導向氣缸的外形、結(jié)構(gòu)及符號如圖所示，導向氣缸的應用如圖所示。雙作用雙活塞式氣缸，行程長度250mm，用于機械手單元X軸的左右伸縮，雙活塞氣缸是由兩個活塞進行驅(qū)動的，因此在相同高度的情況下能產(chǎn)生2倍于標準氣缸的推力。雙作用雙活塞式氣缸，行程長度80mm，用于機械手單元Y軸的上下伸縮，其特點是該氣缸結(jié)構(gòu)簡單，將導軌和氣缸做于一體。圖3.5 導向氣缸的外形、結(jié)構(gòu)及符號圖3.6 導向氣缸在傳輸系統(tǒng)中的應用b、氣爪氣缸（用于內(nèi)抓或外抓工件）氣爪外形、結(jié)構(gòu)及其符號如圖3.7所示。標準氣爪是用于搬運及裝配技術的系統(tǒng)產(chǎn)品。其特點如下：雙作用活塞驅(qū)動

42、、自對心；不同的夾緊方式向外夾緊，向內(nèi)夾緊；可以以多種方式和其它驅(qū)動器進行結(jié)合；采用霍爾傳感器或接近式傳感器進行位置感應。輔件安裝如圖3.8所示。采用外部夾頭，易于實現(xiàn)多樣性。圖3.7 氣爪外形、結(jié)構(gòu)及其符號圖3.8 輔件的安裝方法1-標準氣爪，2-氣爪手指，3-安裝螺釘，4-傳感器。c、平行氣缸（用于內(nèi)抓或外抓工件）如圖3.9所示。Festo標準氣爪是用于搬運及裝配技術的系統(tǒng)產(chǎn)品，其特點如下：雙作用活塞驅(qū)動，自對心；不同的夾緊方式向外夾緊，向內(nèi)夾緊；可以以多種方式和其它驅(qū)動器進行結(jié)合；采用霍爾傳感器或接近式傳感器進行位置感應。輔件的安裝方法如圖3.10所示；采用外部夾頭，易于實現(xiàn)多樣性圖3.

43、9 氣爪外形、結(jié)構(gòu)及其符號圖 圖3.10 氣爪的輔件的安裝方法 1-標準氣爪，2-氣爪手指，3-安裝螺釘，4-定位銷，5-傳感器。d、葉片式擺動氣缸DSM葉片式擺動氣缸外形緊湊，占用空間小。驅(qū)動力通過旋轉(zhuǎn)葉片直接傳送給驅(qū)動軸。可調(diào)式止動系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)葉片分離，以便于固定限位擋塊或液壓緩沖器來吸收所受到的力。此外，旋轉(zhuǎn)葉片 還能通過終點位置的彈性墊獲得輔助緩沖。止動塊不能被移去，因為旋轉(zhuǎn)葉片本身不適合于作為終端位置限位擋塊。驅(qū)動器背面還有刻度以方便行程調(diào)節(jié)。擺動氣缸外形、結(jié)構(gòu)及符號如圖3.11所示。 圖3.11 擺動氣缸外形、結(jié)構(gòu)及符號圖擺動氣缸的限位有兩種方法，方法一：使用傳感器限位，安裝方式如圖

44、3.12所示。方法二：使用緩沖器限位，安裝方式如圖所示。擺動氣缸的固定安裝方式有多種，如圖3.13所示。圖3.12 擺動氣缸使用傳感器限位的傳感器形狀及安裝方式圖3.13 擺動氣缸使用緩沖器限位的安裝形式圖3.14 擺動氣缸的固定安裝方式3)過濾、調(diào)壓組件過濾、調(diào)壓組件型號采用LFR-1-D-5M-DI-MAXI，外形及符號如圖所示。兩聯(lián)件由過濾器、壓力表、截止閥和快插接口組成，安裝在可旋轉(zhuǎn)的支架上。過濾器有分水裝置，可以除去壓縮空氣中的冷凝水、顆粒較大的固態(tài)雜質(zhì)和油滴。減壓閥可以控制系統(tǒng)中的工作壓力，同時能對壓力的波動做出補償。濾杯帶有手動排水閥。圖3.15 過濾、調(diào)壓組件外形及符號3.2.

45、4 電器元件的簡介1)、控制電磁閥全氣動系統(tǒng)采用緊湊型CPE型電磁閥控制。由于系統(tǒng)要求氣動回路流量不大，所以選擇集成安裝緊湊型電磁閥CPE10-M1BH-5LS-M7型及CPE10-M1H-5/3G-M7型兩種。CPE型電磁閥具有以下特點：閥島 CPE-10由各個高強度玻璃纖維加強的聚酰胺模塊組成；在基本組塊和擴展組塊中的PRS 通 道可被封死，因此可形成不同的壓力區(qū)；兩端都可接氣源及排氣通道，氣口在 基本塊或端塊上；可從尾端或頂端接入氣源及排氣通道；卡口式連接，安裝時無需螺絲；安裝選項: 單個安裝, 導軌安裝或板 壁式安裝。CPE10-M1BH-5LS-M7電磁閥如圖所示。意義為：CPE（緊

46、湊型）、M1BH（24 V DC ，所匹配插座 KMYZ-9）、5（5通）、L（單電控, 氣彈簧復位）、S（不帶先導）、M7（接口類型M7 螺紋）。該電磁閥的特點：流量大功耗小。圖3.16 緊湊型CPE10-M1BH-5LS-M7型電磁閥外形及符號CPE10-M1H-5/3G-M7型電磁閥如圖所示。意義為：CPE（緊湊型）、M1H: （24 V DC ，所匹配插座KMYZ-6）、5（5通）、3（3位）、G（中封式）。M7（接口類型M7 螺紋）。圖3.17 緊湊型CPE10-M1H-5/3G-M7型電磁閥外形及符號CPE閥另需配合專用CPE10SC-PRS-8氣路板集中安裝，如圖3.18所示。該

47、氣路板可安裝8個CPE電磁閥作全過程控制。電源插座 KMYZ-9如圖3.19所示。圖3.19 電源插座 KMYZ-9圖圖3.18 CPE10SC-PRS-8氣路板圖 氣路板需配消聲器UC-M7降低閥排氣口的噪音，如圖3.20所示。配接氣路接頭QSML-M7-6，如圖3.21所示。圖3.21 氣路接頭QSML-M7-6圖圖3.20 消聲器UC-M7外形及符號圖 2)、雙電控二位五通閥圖為雙電控二位五通閥的工作原理圖。它有兩個電磁鐵，當右線圈通電、左線圈斷電時，閥芯被推向右端，其通路狀態(tài)是P與A、B與T2相通，A口進氣、B口排氣。當右線圈斷電時，閥芯仍處于原有狀態(tài)，即具有記憶性。當電磁左線圈通電、

48、右斷電時，閥芯被推向左端，其通路狀態(tài)是P與B、A與T1相通，B口進氣、A口排氣。若電磁線圈斷電，氣流通路仍保持原狀態(tài)。圖3.22 雙電控二位五通閥工作原理圖圖3.23 雙電控二位五通閥實物圖4 機械手站單元的PLC設計4.1機械手站單元的控制要求當設備接通電源與氣源、PLC運行后，首先執(zhí)行復位動作，旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動的擺臂左轉(zhuǎn)到最左端，擺臂縮回到位，夾爪打開，提取氣缸上升到位。然后進入工作運行模式，按啟動按鈕，操作手單元先擺臂氣缸后提取氣缸依次伸出，提取氣缸伸出到達下端后夾爪夾取工件，夾緊工件后，再按照先提取氣缸后擺臂氣缸的順序依次縮回，然后擺臂氣缸擺到右端，等待工件送出信號。再次按下啟動按鈕，工件送出，擺臂氣缸、提取氣缸依次伸出，然后放下工件，再按照逆過程返回到初始位置。機械手的動作過程分為8步：從原點下降夾緊（T）上升右移下降放松（T）上升左移到原點結(jié)束一個動作循環(huán)。4.2機械手站單元順序功能流程圖圖4.1機械手站順序功能流程圖4.3 機械手站單元的I/O分配表機械手站單元I/O端口分配說明表序號設備符號設備名稱設備用途信