基于plc機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)論文基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì) 畢 業(yè) 生 姓 名： 指導(dǎo)教師、職稱(chēng)： 學(xué) 號(hào)：專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng)： 摘 要伴隨著機(jī)電一體化在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)控制成分顯得越來(lái)越重要，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至于危機(jī)生命。因此機(jī)械手就在這樣誕生了,機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。其中的工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：它能部分地代替人工操作；能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸

2、；能制作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配從而大大改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。本設(shè)計(jì)采用三菱Q系列PLC作為控制機(jī)對(duì)工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行控制及監(jiān)控。 關(guān)鍵詞：可編程控制器PLC， 機(jī)械手，氣動(dòng) Abstract Follows the integration of machinery in each domain application, the mechanical device automatic control ingredient is appearing more and more importantly, industry manipulator

3、 is a new technology which in the modern automatic control domain appears, its development is because its positive role was knowing day by day for the people: It can the partial zones for the manual control; Can defer to the production craft the request, follows the certain procedure, the time and t

4、he position completes the work piece the transmission and loading and unloading; Can manufacture the essential machines and tools to carry on the welding and the assembly thus greatly improves workers work condition, remarkably enhances the labor productivity, speeds up realizes the industrial produ

5、ction mechanization and the auto mated step. This design uses grinds the overseas Chinese laborer industry control computer to take on the position machine, Q PLC carries on the monitoring and the performance data as the lower position machine to freedom industries manipulator files away.目 錄第一章 緒論11

6、.1 氣動(dòng)機(jī)械手概述11.2 機(jī)械手的組成和分類(lèi)11.2.1機(jī)械手的組成11.2.2機(jī)械手的分類(lèi)31.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r51.4課題的提出及主要任務(wù)61.4.1課題的提出61.4.2課題的主要任務(wù)8第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案82.1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度82.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)92.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)102.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)102.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)102.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)102.7 機(jī)械手的主要參數(shù)102.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表112.9 前法蘭式氣缸的簡(jiǎn)介12第三章 手臂伸縮、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核123.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核12

7、3.1.2 平衡裝置143.2手腕回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核143.2.1 尺寸設(shè)計(jì)143.2.2 尺寸校核15第四章 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1641 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖16第五章 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì)175.1可編程序控器的簡(jiǎn)介175.2 PLC的結(jié)構(gòu)，種類(lèi)和分類(lèi)185.3 FX2n系列三菱PLC特點(diǎn)205.4 接近開(kāi)關(guān)傳感器215.5 I/O接口簡(jiǎn)介215.6 行程開(kāi)關(guān)的介紹225.6.1 行程開(kāi)關(guān)的概念225.6.2 行程開(kāi)關(guān)的作用及原理225.7電路的總體設(shè)計(jì)235.7.1 回路的設(shè)計(jì)235.7.2 系統(tǒng)輸入/輸出分布表245.73機(jī)械手的程序設(shè)計(jì)255.7.4 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制255.7

8、.5 各模塊的程序設(shè)計(jì)26第六章 結(jié) 論35結(jié)束語(yǔ)36參考文獻(xiàn)37第一章 緒論1.1 氣動(dòng)機(jī)械手概述氣動(dòng)機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上

9、代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境

10、中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專(zhuān)用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱(chēng)通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.2 機(jī)械手的組成和分類(lèi)1.2.1機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的

11、關(guān)系如方框圖1-1所示。 圖1-1機(jī)械手組成方框圖:Pane chart of composition of manipulator(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(jié)

12、構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)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(lái)調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))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(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)

13、和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱(chēng)為可移式立柱。5、行走機(jī)構(gòu)當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無(wú)軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。6、機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)

14、機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(三)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或

15、機(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(四)位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.1.2.2機(jī)械手的分類(lèi)工業(yè)機(jī)械手的種類(lèi)很多，關(guān)于分類(lèi)的問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類(lèi)。(一)

16、按用途分機(jī)械手可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:1、專(zhuān)用機(jī)械手它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專(zhuān)用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線(xiàn)的上、下料機(jī)械手。2、通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以“開(kāi)一關(guān)”

17、式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制；同時(shí)還可分為伺服型和一般型的機(jī)械手，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類(lèi)型。(二)按驅(qū)動(dòng)方式分1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高。2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要

18、特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專(zhuān)用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。4、電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線(xiàn)電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，

19、因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線(xiàn)電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類(lèi)機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分1、點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專(zhuān)用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類(lèi)。2、連續(xù)軌跡控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線(xiàn)，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類(lèi)工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)

20、趨勢(shì):(1) 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的65萬(wàn)美元。(2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。(3) 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4) 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊

21、接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合 配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。(6) 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。(7) 機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)

22、發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(xiàn)(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線(xiàn)上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起

23、步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求，“一客戶(hù)，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙

24、臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。1.4課題的提出及主要任務(wù)1.4.1課題的提出進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)人口老齡化的提前到來(lái)，近來(lái)在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平勢(shì)在

25、必行，將機(jī)械手，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線(xiàn)搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率?，F(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn):(1)液壓傳動(dòng)在工作過(guò)程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動(dòng)易泄漏，不僅污染工作場(chǎng)地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。(2)工作時(shí)受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn)動(dòng)特性變化。(3)因液壓脈動(dòng)和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。(4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價(jià)格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平

26、。鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動(dòng)，氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問(wèn)題.（2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過(guò)程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。(3)動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。(4)能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然

27、斷電等情況時(shí)，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。(5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。(6)成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng)機(jī)器人這

28、一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過(guò)去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。1.4.2課題的主要任務(wù)本課題將要完成的主要任務(wù)如下:(1) 進(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)；(2) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手氣路設(shè)計(jì)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；(3) 用PLC對(duì)機(jī)械手控制的總體設(shè)計(jì)；第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作

29、業(yè)工序和工藝，并滿(mǎn)足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專(zhuān)用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.2.1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱坐標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有四個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度圖2-1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)

30、示意圖2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)。2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿(mǎn)足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有四個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)由于

31、氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。2.7 機(jī)械手的主要參數(shù)1.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為1公斤。2.基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械

32、手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為0.1m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動(dòng)速度為0.08m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為。2.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途:用于自動(dòng)輸送線(xiàn)的上下料。二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、抓重1千克 2、自由度數(shù)4個(gè)自由度3、坐標(biāo)型式圓柱坐標(biāo)4、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程100mm伸縮速度40mm/s升降行程150mm升降速度100mm/s回轉(zhuǎn)范圍回轉(zhuǎn)速度 5、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度6、手指夾持范圍棒料: 10-40 9、定位方式行程開(kāi)關(guān)10、定位精度11、驅(qū)動(dòng)方式氣壓傳動(dòng)12、控制方式點(diǎn)位程序控制(采用PLC)2.9 前法蘭式氣缸的簡(jiǎn)介 氣缸是

33、使機(jī)械裝置進(jìn)行直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行元件。氣缸的類(lèi)型有很多種，根據(jù)使用的需要進(jìn)行選擇。前法蘭式氣缸的特點(diǎn)：它是用螺釘緊固，易于安裝，它的缺點(diǎn)是螺釘所承受的軸向力較大！第三章 手臂伸縮、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核3.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，手臂伸縮氣缸采用煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為63/63. (1).在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿(mǎn)足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng), 則驅(qū)動(dòng)力： （2）. 測(cè)定手腕質(zhì)量和重物的質(zhì)量之和為7kg

34、,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力 =107=70（3）.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), =700.2 =14 總受力 =70+14=84 所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求（2）活塞桿的計(jì)算1）按強(qiáng)度條件計(jì)算 當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度L較小時(shí)（L10d），可以只按強(qiáng)度條件計(jì)算活塞桿直徑d 式中 氣缸的推力（N）； 活塞桿材料的許用應(yīng)力(Pa), 材料的抗拉強(qiáng)度（Pa）； 安全系數(shù)，S1.4。按縱向彎曲極限力計(jì)算 氣缸承受軸向壓力以后，會(huì)產(chǎn)生軸向彎曲，當(dāng)縱向力達(dá)到極限力以后，活塞桿會(huì)產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。 當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 時(shí) 當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 時(shí) 式中

35、活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度（m） 活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑， 實(shí)心桿 空心桿 活塞桿橫截面慣性矩， 實(shí)心桿 空心桿 空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）； 活塞桿截面積 實(shí)心桿 空心桿 系數(shù)， 材料彈性模量，對(duì)鋼取 材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取 系數(shù)，對(duì)鋼取a=1/50003.1.2 平衡裝置 在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對(duì)性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。3.2手腕回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核3.2.1 尺寸設(shè)計(jì)此部分選用單片葉片式擺動(dòng)氣馬達(dá)需設(shè)計(jì)其葉片內(nèi)直徑與葉片軸

36、直徑計(jì)算公式如下： T=（R-r）bpn/8葉片寬度設(shè)計(jì)為b=9mm,氣缸內(nèi)徑為D1=53mm, 軸徑D2=13mm, ,葉片數(shù)n=1,則理論驅(qū)動(dòng)力矩 ：T=（D1-D2）bpn/83.2.2 尺寸校核1測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量m1=2kg,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑r=53mm的圓盤(pán)上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： =20.0530.053/2 =0.03（） =0.03(180/1)=5.4 N.M考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), =0.25.4=1.08 N.M總驅(qū)動(dòng)力矩 =5.4+1.08=6.48 N.M TM 設(shè)計(jì)尺寸滿(mǎn)足使用要求。第四章 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)41

37、氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖圖4-1為該機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī)（排氣壓力大于0.4-0.6MPa）通過(guò)快換接頭進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，經(jīng)分水過(guò)濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動(dòng)作。 圖4-1 機(jī)械手氣壓傳動(dòng)原理圖各執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)速。凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進(jìn)行調(diào)速，這種方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個(gè)快速排氣閥，可以加快啟動(dòng)速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進(jìn)氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來(lái)完成。氣液傳

38、送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來(lái)調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。為簡(jiǎn)化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器。這樣可以省去電磁閥和切換調(diào)節(jié)閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。電磁閥的通徑，是根據(jù)各工作氣缸的尺寸、行程、速度計(jì)算出所需壓縮空氣流量，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱(chēng)使用流量相適應(yīng)來(lái)確定的。 第五章 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。5.1可編程序控器的簡(jiǎn)介在60年代，汽車(chē)生產(chǎn)流水線(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的

39、。當(dāng)時(shí)汽車(chē)的每一次改型都直接導(dǎo)致繼電器控制裝置的重新設(shè)計(jì)和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，汽車(chē)型號(hào)更新的周期愈來(lái)愈短，這樣，繼電器控制裝置就需要經(jīng)常地重新設(shè)計(jì)和安裝，十分費(fèi)時(shí)，費(fèi)工，費(fèi)料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現(xiàn)狀，美國(guó)通用汽車(chē)公司在1969年公開(kāi)招標(biāo)，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)，即1. 編程方便，現(xiàn)場(chǎng)可修改程序；2. 維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)；3. 可靠性高于繼電器控制裝置；4. 體積小于繼電器控制裝置；5. 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)；6. 成本可與繼電器控制裝置競(jìng)爭(zhēng)；7. 輸入可以是交流115V； 8. 輸出為交流115V，2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，

40、接觸器等；9. 在擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)只要很小變更；10. 用戶(hù)程序存儲(chǔ)器容量至少能擴(kuò)展到4K。1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC) 研制出第一臺(tái)PLC，在美國(guó)通用汽車(chē)自動(dòng)裝配線(xiàn)上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡(jiǎn)單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，很快地在美國(guó)其他工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。到1971年，已經(jīng)成功地應(yīng)用于食品，飲料，冶金，造紙等工業(yè)。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國(guó)家的高度重視。1971年，日本從美國(guó)引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，很快研制出了日本第一臺(tái)PLC。1973年，西歐國(guó)家也研制出它們的第一臺(tái)PLC。我國(guó)從1974年開(kāi)始研制,于1977

41、年開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用。5.2 PLC的結(jié)構(gòu)，種類(lèi)和分類(lèi) PLC實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，如圖所示：圖5-1（一）中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶(hù)程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。 （二） 存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱(chēng)為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱(chēng)為用戶(hù)程序存儲(chǔ)器。 PLC常用的存儲(chǔ)器類(lèi)型：(1) RAM (Random Assess Memory) 這是一種讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器)，其存取速度最快，由鋰電

42、池支持。(2) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種可擦除的只讀存儲(chǔ)器。在斷電情況下，存儲(chǔ)器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。(在紫外線(xiàn)連續(xù)照射下可擦除存儲(chǔ)器內(nèi)容)。(3) EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器。使用編程器就能很容易地對(duì)其所存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改。（三） 電源 PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10

43、%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。常見(jiàn)的PLC的類(lèi)型挺多的，有三菱的FX系列、西門(mén)子的S7系列、臺(tái)灣的豐煒等等。 plc的分類(lèi)有：(一) 小型PLC 小型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)一般在128點(diǎn)以下，其特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個(gè)硬件融為一體，除了開(kāi)關(guān)量I/O以外，還可以連接模擬量I/O以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng)用指令。(二) 中型PLC中型PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，其I/O點(diǎn)數(shù)一般在2561024點(diǎn)之間。I/O的處理方式除了采用一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃

44、描用戶(hù)程序的過(guò)程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強(qiáng)，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。(三) 大型PLC一般I/O點(diǎn)數(shù)在1024點(diǎn)以上的稱(chēng)為大型PLC。大型PLC的軟、硬件功能極強(qiáng)。具有極強(qiáng)的自診斷功能。通訊聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊，可以構(gòu)成三級(jí)通訊網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動(dòng)化。大型PLC還可以采用三CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)，使機(jī)器的可靠性更高。5.3 FX2n系列三菱PLC特點(diǎn)：1、集成型高性能。CPU、電源、輸入輸出三為一體。 對(duì)6種基本單元，可以以最小8點(diǎn)為單元連接輸入輸出擴(kuò)展設(shè)備，最大可以擴(kuò)展輸入輸出256點(diǎn)。2、高速運(yùn)算 基本指令：0.0

45、8s/指令 應(yīng)用指令:1.52數(shù)100s/指令3、安心、寬裕的存儲(chǔ)器規(guī)格 內(nèi)置8000步RAM存貯器 安裝存儲(chǔ)盒后，最大可以擴(kuò)展到16000步。 4、豐富的軟元件范圍 輔助繼電器：3072點(diǎn)，定時(shí)器：256點(diǎn)，計(jì)數(shù)：235點(diǎn) 數(shù)據(jù)寄存器；8000點(diǎn) 5、除了具有輸入輸出16256點(diǎn)的一般速途，還有模擬量控制、定位控制等特殊控制。 6、面向海外的產(chǎn)品適合各種安全規(guī)格 為大量實(shí)際應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的特殊功能： 開(kāi)發(fā)了各個(gè)范圍的特殊功能模塊以滿(mǎn)足不同的需要-模擬I/O，高速計(jì)數(shù)器。 定位控制達(dá)到16軸，脈沖串輸出或?yàn)镴和K型熱電偶或Pt傳感器開(kāi)發(fā)了溫度模塊。對(duì)每一個(gè)FX2n主單元可配置總計(jì)達(dá)8個(gè)特殊功能模塊

46、。5.4 接近開(kāi)關(guān)傳感器1 接近開(kāi)關(guān)傳感器的概念 在各類(lèi)開(kāi)關(guān)中，有一種對(duì)接近它物件有“感知”能力的元件位移傳感器。利用位移傳感器對(duì)接近物體的敏感特性達(dá)到控制開(kāi)關(guān)通或斷的目的，這就是接近開(kāi)關(guān)。當(dāng)有物體移向接近開(kāi)關(guān)，并接近到一定距離時(shí)，位移傳感器才有“感知”，開(kāi)關(guān)才會(huì)動(dòng)作。通常把這個(gè)距離叫“檢出距離”。不同的接近開(kāi)關(guān)檢出距離也不同。2 接近傳感器的選型和檢測(cè)對(duì)于不同的材質(zhì)的檢測(cè)體和不同的檢測(cè)距離，應(yīng)選用不同類(lèi)型的接近傳感器，以使其在系統(tǒng)中具有高的性能價(jià)格比，為此在選型中應(yīng)遵循以下原則： （1）當(dāng)檢測(cè)體為金屬材料時(shí)，應(yīng)選用高頻振蕩型接近傳感器，該類(lèi)型接近傳感器對(duì)鐵鎳、A3鋼類(lèi)檢測(cè)體檢測(cè)最靈敏。對(duì)鋁、

47、黃銅和不銹鋼類(lèi)檢測(cè)體，其檢測(cè)靈敏度就低。 （2）當(dāng)檢測(cè)體為非金屬材料時(shí)，如；木材、紙張、塑料、玻璃和水等，應(yīng)選用電容型接近傳感器。 （3）金屬體和非金屬要進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)和控制時(shí)，應(yīng)選用光電型接近傳感器或超聲波型接近傳感器。 （4）對(duì)于檢測(cè)體為金屬時(shí)，若檢測(cè)靈敏度要求不高時(shí)，可選用價(jià)格低廉的磁性接近式傳感器或霍爾式接近傳感器。 3 接近開(kāi)關(guān)傳感器的原理圖: 5.5 I/O接口簡(jiǎn)介（1）I/O接口的概念 CPU與外部設(shè)備、存儲(chǔ)器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過(guò)接口設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者被稱(chēng)為I/O接口，而后者則被稱(chēng)為存儲(chǔ)器接口。存儲(chǔ)器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡(jiǎn)單；而I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)

48、的接口電路也各不相同，因此，習(xí)慣上說(shuō)到接口只是指I/O接口。(2）接口的分類(lèi) I/O接口的功能是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)CPU通過(guò)系統(tǒng)總線(xiàn)把I/O電路和 外圍設(shè)備聯(lián)系在一起，按照電路和設(shè)備的復(fù)雜程度，I/O接口的硬件主要分為兩大類(lèi)： 1）I/O接口芯片 這些芯片大都是集成電路，通過(guò)CPU輸入不同的命令和參數(shù)，并控制相關(guān)的I/O電路和簡(jiǎn)單的外設(shè)作相應(yīng)的操作，常見(jiàn)的接口芯片如定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。 2）I/O接口控制卡 有若干個(gè)集成電路按一定的邏輯組成為一個(gè)部件，或者直接與CPU同在主板上，或是一個(gè)插件插在系統(tǒng)總線(xiàn)插槽上。 按照接口的連接對(duì)象來(lái)分，又可以將他們分為串行接口、并行接口、鍵

49、盤(pán)接口和磁盤(pán)接口等。 5.6 行程開(kāi)關(guān)的介紹5.6.1 行程開(kāi)關(guān)的概念 行程開(kāi)關(guān)就是一種由物體的位移來(lái)決定電路通斷的開(kāi)關(guān) 。行程開(kāi)關(guān)又稱(chēng)限位開(kāi)關(guān),可以安裝在相對(duì)靜止的物體(如固定架、門(mén)框等，簡(jiǎn)稱(chēng)靜物)上或者運(yùn)動(dòng)的物體（如行車(chē)、門(mén)等，簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)物）上。當(dāng)物體接近靜物時(shí)，開(kāi)關(guān)的連桿驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)引起閉合的接點(diǎn)分?jǐn)嗷蛘邤嚅_(kāi)的接點(diǎn)閉合。由開(kāi)關(guān)接點(diǎn)開(kāi)、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛蜋C(jī)構(gòu)的動(dòng)作。5.6.2 行程開(kāi)關(guān)的作用及原理 行程開(kāi)關(guān)用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開(kāi)關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開(kāi)關(guān)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此，行程開(kāi)關(guān)是一種

50、根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類(lèi)似。行程開(kāi)關(guān)廣泛用于各類(lèi)機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制開(kāi)關(guān)轎門(mén)的速度、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)。5.7電路的總體設(shè)計(jì)5.7.1 回路的設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)的回路設(shè)計(jì)如下: 機(jī)械手右旋轉(zhuǎn)機(jī)械手上升機(jī)械手手臂伸長(zhǎng)機(jī)械手下降機(jī)械手手腕右旋機(jī)械手加緊機(jī)械手上升機(jī)械手手腕左旋機(jī)械手手臂收縮 機(jī)械手左旋機(jī)械手下降機(jī)械手手臂伸長(zhǎng)機(jī)械手手腕右旋機(jī)械手下降機(jī)械手松開(kāi)機(jī)械手手臂收縮5.7.2 系統(tǒng)輸入/輸出分布表 輸入輸出X0SQ1右旋限位開(kāi)關(guān)Y0YA1右旋電磁閥X1SQ2上升限位開(kāi)關(guān)Y

51、1YA2左旋電磁閥X2SQ3手臂伸長(zhǎng)限位開(kāi)關(guān)Y2YA3手臂伸長(zhǎng)電磁閥X3SQ4手腕右轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)Y3YA4手臂收縮電磁閥X4SQ5下降限位開(kāi)關(guān)Y4YA5上升電磁閥X5SQ6工件光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)Y5YA6下降電磁閥X6SQ7手腕左轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)Y6YA7手腕右轉(zhuǎn)電磁閥X7SQ8手臂收縮限位開(kāi)關(guān)Y7KA1手腕左轉(zhuǎn)電磁閥X10SQ9左轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)Y10YA8加緊電磁閥X11SQ10機(jī)械手光電限位開(kāi)關(guān)Y112YA9松開(kāi)電磁閥X12SB5停止按鈕Y12YA10急停電磁閥X13SB6復(fù)位按鈕Y30YA11步進(jìn)電機(jī)X14SB7步進(jìn)電機(jī)手動(dòng)啟動(dòng)Y31YA15空氣壓縮機(jī)繼電器X15YJ2步進(jìn)電機(jī)停止按鈕X16SB8暫停按鈕

52、X17SB8急停按鈕X26YJ4接近傳感器X27K1空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)X30K2系統(tǒng)啟動(dòng)5.73機(jī)械手的程序設(shè)計(jì)自動(dòng)線(xiàn)的輸送動(dòng)作由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)間隔輸送，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的輸送狀況。其工作的過(guò)程是：機(jī)械手首先處于初始位置，然后經(jīng)過(guò)一系列的動(dòng)作將斷續(xù)傳送帶上的工件拿走，此時(shí)傳送帶上的光電檢測(cè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到工件被取走。然后傳送帶開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到下一個(gè)工件時(shí)傳送帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)等待機(jī)械手來(lái)取工件，當(dāng)然只要機(jī)械手取走工件傳送帶就開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)是為了節(jié)省工作時(shí)間從而不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械手等待傳送帶的時(shí)間。對(duì)程序的要求如下：(1)首先啟動(dòng)機(jī)械手時(shí)機(jī)械手自動(dòng)復(fù)位處于初始位置；(2)在機(jī)械手工作前還要對(duì)其進(jìn)行設(shè)備的檢測(cè)即

53、機(jī)械手空運(yùn)行一次而且機(jī)械手的每一個(gè)動(dòng)作都有相應(yīng)的定時(shí)器進(jìn)行監(jiān)控若超出規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間則認(rèn)為是設(shè)備出現(xiàn)故障。(3)機(jī)械手設(shè)有急停按鈕（一般情況下是不被允許使用的）只有出現(xiàn)緊急情況時(shí)才允許按此按鈕，按下此按鈕將切斷儲(chǔ)氣罐與各汽缸的聯(lián)系將被切斷各汽缸處于無(wú)動(dòng)力狀態(tài)。5.7.4 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制 由于傳送帶的速度要求不高且精度也不是太高所以本設(shè)計(jì)選擇三相步進(jìn)電機(jī)通電方式為三相雙三拍，利用PLC中的M8014特殊功能繼電器向環(huán)形脈沖分配器中發(fā)送脈沖然后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和功放電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。環(huán)形脈沖分配器選擇YB013芯片此芯片為專(zhuān)用三相步進(jìn)電機(jī)環(huán)形脈沖分配器此芯片工作穩(wěn)定性能優(yōu)良在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。1.步數(shù)控制當(dāng)對(duì)射式光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到共建的位置時(shí)此時(shí)停止向脈沖分配器中發(fā)送脈沖步進(jìn)電機(jī)將停在此位置不動(dòng)。 2手動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)當(dāng)按下手動(dòng)啟動(dòng)步