基于三菱PLC的自動(dòng)裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1緒論1.1自動(dòng)裝配系統(tǒng)的開展概況在裝配過程中,根底件和裝配件的傳送、給料和裝配作業(yè)可局部地或全部地實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化或自動(dòng)化。裝配自動(dòng)化的主要目的是：保證產(chǎn)品質(zhì)量及其穩(wěn)定性，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)本錢。裝配自動(dòng)化的一般要求是：產(chǎn)品的生產(chǎn)批量較大；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的自動(dòng)裝配工藝性好，如裝配工作有良好的可分性，零件容易定向、定位，零件間聯(lián)接多用膠接和焊接代替螺紋聯(lián)接，防止使用墊片等調(diào)整件；采用自動(dòng)化裝配后應(yīng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效果。裝配作業(yè)的自動(dòng)化程度往往需要經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來確定。原始的手工裝配方式一直延續(xù)很久。直到19世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)小零部件的標(biāo)準(zhǔn)化和互換性開始用于小型武器和鐘表的生產(chǎn)，隨后又應(yīng)用于汽車工業(yè)。20世紀(jì)初，美國福特汽車公司首先建立了采用運(yùn)輸帶的移動(dòng)式汽車裝配線,將工序分細(xì),在各工序上實(shí)行專業(yè)化裝配操作，使裝配周期縮短了約90％，降低了生產(chǎn)本錢。互換性生產(chǎn)和移動(dòng)式裝配線的出現(xiàn)和開展，為大批量生產(chǎn)中采用自動(dòng)化裝配開辟了道路。這對(duì)提高生產(chǎn)率帶來了革命性的變化，起到了很大作用?；Q性生產(chǎn)和移動(dòng)式裝配線的出現(xiàn)與開展，為大批量生產(chǎn)中采用自動(dòng)化裝配開辟了道路。但這種方式并沒改變操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，大量單調(diào)重復(fù)的工作仍然是手工勞動(dòng)。此后，陸續(xù)出現(xiàn)了料斗式自動(dòng)給料器和螺釘、螺母自動(dòng)擰緊機(jī)等簡單的自動(dòng)化裝置。大批量生產(chǎn)的軸承、離合器和中小型電機(jī)等零件、裝配工藝簡單的機(jī)電產(chǎn)品，以及汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、儀器儀表等產(chǎn)品小的局部簡單部件，也采用了自動(dòng)或半自動(dòng)裝配機(jī)(線)。可是由于對(duì)適合自動(dòng)化裝配的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有很大限制，自動(dòng)化裝配機(jī)投資多而對(duì)產(chǎn)品改型的適應(yīng)性小，所以當(dāng)時(shí)機(jī)械制造中的裝配自動(dòng)化僅用于大批量生產(chǎn)。目前在機(jī)械制造行業(yè)中都要使用到自動(dòng)裝配系統(tǒng)，例如電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的自動(dòng)裝配流水線；制鞋、印染等輕工和化工行業(yè)的生產(chǎn)流水線都要使用到自動(dòng)裝配系統(tǒng)。機(jī)械裝配自動(dòng)化主要包括自動(dòng)傳送、自動(dòng)給料、自動(dòng)裝配和自動(dòng)控制幾個(gè)方面。傳送：按照根底件在裝配工位間的傳送方式不同，裝配機(jī)〔線〕的結(jié)構(gòu)可分為回轉(zhuǎn)式和直進(jìn)式兩大類。①回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)較簡單，定位精度易于保證，裝配工位少，適用于裝配零件數(shù)量少的中小型部件和產(chǎn)品。根底件可連續(xù)傳送或間歇傳送，間歇傳送時(shí)，在根底件停止傳送時(shí)進(jìn)行裝配作業(yè)，間歇傳送應(yīng)用廣泛。②直進(jìn)式的結(jié)構(gòu)比回轉(zhuǎn)式復(fù)雜，裝配工位數(shù)不受限制，調(diào)整較靈活，占地面積大，根底件一般間歇傳送。按照間歇傳送的節(jié)拍又分為同步式和非同步式。同步式適用于批量大、零件少、節(jié)拍短的場合；非同步式適用于自由節(jié)拍、裝配工序復(fù)雜、手工裝配與自動(dòng)裝配相組合的裝配線上。傳送裝置主要有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、鏈?zhǔn)絺魉脱b置和非同步的夾具式鏈傳送裝置等。各種傳送裝置可供根底件直接定位或用隨行夾具定位。1.2PLC概況及在自動(dòng)裝配系統(tǒng)中的應(yīng)用1.2可編程序控制器〔programmablecontroller〕，現(xiàn)在一般簡稱為PLC〔programmablelogiccontroller〕，它是以微處理器為根底，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技開展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。以其顯著的優(yōu)點(diǎn)在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握、價(jià)格廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用甚廣。但是控制裝置體積大、動(dòng)作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng)，接線繁雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對(duì)象改變時(shí)，原有的接線刻控制盤〔柜〕就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。1.2PLC的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，并在迅速擴(kuò)大，對(duì)于而今的PLC幾乎可以說但凡需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要PLC，尤其近幾年來PLC的性價(jià)比不斷提高已被廣泛應(yīng)用在冶金、機(jī)械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。按PLC的控制類型，其應(yīng)用大致可分為以下幾個(gè)方面：〔1〕用于邏輯控制這是PLC最根本，也是最廣泛的應(yīng)用方面。用PLC取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機(jī)床的電氣控制、包裝機(jī)械的控制、自動(dòng)電梯控制等?！?〕用于模擬量控制PLC通過模擬量I/O模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量控制?！?〕用于機(jī)械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代PLC具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機(jī)械加工中的數(shù)字控制〔NC〕及計(jì)算機(jī)控制〔CNC〕緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制?！?〕用于工業(yè)機(jī)器人控制〔5〕用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的PLC具有較強(qiáng)的通信聯(lián)通能力，可實(shí)現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與遠(yuǎn)程I/O之間、PLC與上位機(jī)之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。1.2PLC之所以越來越受到控制界人士的重視，是和它的優(yōu)點(diǎn)分不開的：〔1〕可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時(shí)間那么更長。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了?！?〕配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC開展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的開展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易?！?〕易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡送PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制翻開了方便之門?！?〕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合?！?〕體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1裝配搬運(yùn)用機(jī)械手傳系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)用于生產(chǎn)線上機(jī)械手用于生產(chǎn)線上，將甲工件由機(jī)械手從供料站的運(yùn)輸?shù)郊庸ふ驹龠\(yùn)輸?shù)窖b配站和乙零件裝配之后再由機(jī)械手運(yùn)輸?shù)椒謷_(tái)的過程。系統(tǒng)的主要功能由搬運(yùn)機(jī)械手及直線導(dǎo)軌完成。根據(jù)機(jī)系統(tǒng)的工藝要求及控制要求分析，直線運(yùn)動(dòng)傳送組件、機(jī)械手傳動(dòng)裝置如圖2-1、2-2所示：圖2-1直線運(yùn)動(dòng)傳送組件圖2-2機(jī)械手傳動(dòng)裝置傳動(dòng)組件由直線導(dǎo)軌底板、伺服電機(jī)及伺服放大器、同步輪、同步帶、直線導(dǎo)軌、滑動(dòng)溜板、拖鏈帶和原點(diǎn)接近開關(guān)、左、右極限開關(guān)組成。原點(diǎn)接近快關(guān)是一個(gè)無觸點(diǎn)的電感式接近傳感器，用來提供直線運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)信號(hào)。左、右極限開關(guān)均是有觸電的微動(dòng)開關(guān)，用來提供越程故障時(shí)的保護(hù)信號(hào)：當(dāng)滑動(dòng)溜板在運(yùn)動(dòng)中越過左、右極限位置時(shí)，極限開關(guān)會(huì)動(dòng)作，從而向系統(tǒng)發(fā)出越程故障信號(hào)。2.2機(jī)械手的控制過程〔1〕抓取機(jī)械手裝置將甲工件從供料站站出料臺(tái)抓取出，抓取的順序是：手臂伸出-->手爪夾緊工件-->提升臺(tái)上升-->手臂縮回?！?〕抓取動(dòng)作完成后，機(jī)械手裝置向加工站移動(dòng)，移動(dòng)速度不小于30mm/s〔3〕機(jī)械手裝置移動(dòng)到加工站物料臺(tái)的正前方后，即把甲工件放到加工站物料臺(tái)上。機(jī)械手裝置在加工站放下工件的順序是：手臂伸出-->提升臺(tái)下降-->手爪松開-->放下工件-->手臂縮回?！?〕放下工件動(dòng)作完成2秒后，機(jī)械手裝置從加工站抓取加工好的甲工件。抓取的順序與供料站抓取工件的順序相同?！?〕抓取動(dòng)作完成后，機(jī)械手裝置移動(dòng)到裝配站物料臺(tái)的正前方。然后把工件放到裝配臺(tái)物料臺(tái)上。其動(dòng)作順序與加工站放下工件的順序相同。由裝配系統(tǒng)完成甲、乙零件的裝配過程?！?〕放下工件動(dòng)作完成2秒后，機(jī)械手裝置從裝配站抓取裝配好的甲、乙零件。抓取的順序與供料站抓取工件的順序相同?！?〕機(jī)械手手臂縮回后，擺臺(tái)逆時(shí)針旋裝90度，機(jī)械手裝置從裝配站向分揀站運(yùn)送工件，到達(dá)分揀站傳送帶上方入料口后把工件放下，動(dòng)作順序與加工站放下工件的順序相同?！?〕放下工件動(dòng)作完成后，機(jī)械手手臂縮回，然后執(zhí)行以400mm/s的速度返回原點(diǎn)的操作。返回900mm后，擺臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，然后以100mm/s的速度低速返回原點(diǎn)停止。2.3系統(tǒng)硬件組成步進(jìn)電機(jī)〔驅(qū)動(dòng)器〕的簡介步進(jìn)電動(dòng)機(jī)〔steppingmotor〕是把電脈沖信號(hào)變換成角位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的微特電機(jī)。在自動(dòng)控制裝置中作為執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)一步，故又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多用于數(shù)字式計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備，以及打印機(jī)、繪圖機(jī)和磁盤等裝置。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手的位移和運(yùn)動(dòng)速度，可由電控系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號(hào)數(shù)量及脈沖信號(hào)頻率來控制。步進(jìn)電機(jī)能夠到達(dá)比擬高的重復(fù)定位精度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源由變頻脈沖信號(hào)源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，由此驅(qū)動(dòng)電源向電機(jī)繞組提供脈沖電流。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能決定于電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電源間的良好配合。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是沒有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，制造本錢低，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載慣量的能力大，適用于中小型機(jī)床和速度精度要求不高的地方，缺點(diǎn)是效率較低，發(fā)熱大，有時(shí)會(huì)“失步〞。Kinco步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：〔1〕高性價(jià)比〔2〕使用簡單〔3〕低振動(dòng)、高轉(zhuǎn)速、大力矩〔4〕可靠的光耦輸入〔5〕自動(dòng)半流功能步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)組件的技術(shù)參數(shù)如下：根據(jù)可以算出3S57Q-04056步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8度，即在無細(xì)分的條件下200個(gè)脈沖電擊轉(zhuǎn)一圈。對(duì)于采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源的本系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器細(xì)分設(shè)置為10000步/轉(zhuǎn)。直線運(yùn)動(dòng)組件的同步輪距為5mm，共12齒，旋轉(zhuǎn)一周搬運(yùn)機(jī)械手位移60mm。即每步機(jī)械手位移0.006mm；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流為5.2A；靜態(tài)鎖定方式為靜態(tài)半流。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要專門的驅(qū)動(dòng)裝置供電，啟動(dòng)裝置和步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)有機(jī)的整體，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能是電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置二者相配合所反映的綜合效果。一幫情況下，每一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)都有其相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，例如，本文使用的Kinco三相步進(jìn)電機(jī)3S57Q-04056與之配套的驅(qū)動(dòng)器是Kinco3M458三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。Kinco3M458有以下特點(diǎn)：〔1〕采用交流伺服驅(qū)動(dòng)原理，三相正弦電流輸出；〔2〕內(nèi)部驅(qū)動(dòng)直流電壓高達(dá)40V；〔3〕具有半動(dòng)半流功能；〔4〕最高可以到達(dá)10000步/轉(zhuǎn)的細(xì)分；〔5〕無共振和爬行去區(qū)，輸出相電流可撥動(dòng)開關(guān)設(shè)定，噪聲低；〔6〕采用光耦器件隔離，降低外部噪聲干擾；〔7〕電機(jī)的空載起跳平率高?？删幊炭刂破鞯氖褂每删幊炭刂破魇且环N為工業(yè)機(jī)械控制所設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，它是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制根底上開發(fā)的產(chǎn)品，逐漸開展成為以微處理器為核心，把自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。早期的可編程控制器在功能上只能進(jìn)行邏輯控制，因而稱為可編程程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController)簡稱PLC。〔1〕PLC模塊的選擇=1\*GB3①遠(yuǎn)程I/O模塊：輸入、輸出裝置比擬分散，工作現(xiàn)場遠(yuǎn)離控制站。=2\*GB3②高速計(jì)數(shù)器模塊：當(dāng)PLC內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率不能滿足要求時(shí)，可選擇使用。=3\*GB3③定位模塊：在機(jī)械設(shè)備中，保證加工精度進(jìn)行定位。=4\*GB3④通信聯(lián)網(wǎng)模塊：PLC與PLC之間，或PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信與聯(lián)網(wǎng)。=5\*GB3⑤模擬輸入模塊、輸出模塊：把流量、速度、壓力、風(fēng)力、張力等變換成數(shù)字量，及把數(shù)字量變換成模擬量，進(jìn)行輸入、輸出?！?〕PLC系列選擇PLC機(jī)型選擇的根本原那么是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格比的最優(yōu)化機(jī)型。三菱FX系列PLC包括FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC。各型號(hào)的PLC在性能上都有所區(qū)別。根據(jù)工作任務(wù)，可使用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。這里需指出，由于有緊急停止的要求，兩者的控制過程是不同的。使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，假設(shè)急停按鈕按下時(shí)，機(jī)械手裝置正在向某一目標(biāo)移動(dòng)，緊急停止將使步進(jìn)電機(jī)越不，當(dāng)前位置信息將喪失，因此急停復(fù)位后應(yīng)采取先返回原點(diǎn)重新校準(zhǔn)，在恢復(fù)原有操作的方法。而伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，急停發(fā)生時(shí)將減速停止到已發(fā)脈沖的指定為，當(dāng)前位置被保存。急停復(fù)位后就沒有必要返回原點(diǎn)。顯然前者的控制編程較為復(fù)雜。本文將著重介紹使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的編程方法和程序結(jié)構(gòu)。輸送單元所需的I/O點(diǎn)較多。其中，輸入信號(hào)包括來自按鈕/指示燈模塊的按鈕、開關(guān)等主令信號(hào)，各構(gòu)件的傳感器信號(hào)等；輸入信號(hào)包括輸出到抓取機(jī)械手裝置各電磁閥的控制信號(hào)和輸出到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)和驅(qū)動(dòng)方向信號(hào)；此外尚須考慮在需要時(shí)輸出信號(hào)到按鈕/指示燈模塊的指示燈，以顯示本單元或系統(tǒng)的工作狀態(tài)。由于需要輸出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的高速脈沖，PLC應(yīng)采用晶體管輸出型?；谝陨峡紤]，選用三菱FX1N—48MTPLC，共24點(diǎn)輸入，24點(diǎn)晶體管輸出〔3〕輸出方式PLC包括繼電器輸出和晶體管輸出兩種輸出方式。其適輸出區(qū)別如下：=1\*GB3①負(fù)載電壓、電流類型不同:負(fù)載類型：晶體管只能帶直流負(fù)載，而繼電器帶交、直流負(fù)載均可。電流：晶體管電流0.2A-0.3A，繼電器2A。電壓：晶體管可接直流24V〔繼電器可以接直流24V或交流220V〕。=2\*GB3②負(fù)載能力不同：晶體管帶負(fù)載的能力小于繼電器帶負(fù)載的能力，用晶體管時(shí)，有時(shí)候要加其他東西來帶動(dòng)大負(fù)載〔如繼電器，固態(tài)繼電器等〕。晶體管過載能力小于繼電器過載的能力：一般來說，存在沖擊電流較大的情況時(shí)，晶體管過載能力較小，需要降額更多。晶體管響應(yīng)速度快于繼電器：繼電器輸出型原理是CPU驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，令觸點(diǎn)吸合，使外部電源通過閉合的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，其開路漏電流為零，響應(yīng)時(shí)間慢〔約10ms〕，主要控制開關(guān)量。晶體管輸出型原理是CPU通過光耦合使晶體管通斷，以控制外部直流負(fù)載，響應(yīng)時(shí)間快〔約0.2ms甚至更小〕。晶體管輸出一般用于高速輸出，如伺服／步進(jìn)等，用于動(dòng)作頻率高的輸出。額定工作情況下，繼電器有動(dòng)作次數(shù)壽命，晶體管只有老化沒有使用次數(shù)限制。繼電器是機(jī)械元件所以有動(dòng)作壽命，晶體管是電子元件，只有老化，沒有使用次數(shù)限制。繼電器的每分鐘開關(guān)次數(shù)也是有限制的，而晶體管那么沒有。2.3.2氣動(dòng)控制閥是指在氣動(dòng)系統(tǒng)中控制氣流的壓力、流量和流動(dòng)方向，并保證氣動(dòng)執(zhí)行元件或機(jī)構(gòu)正常工作的各類氣動(dòng)元件。氣動(dòng)控制閥的結(jié)構(gòu)可分解成閥體(包含閥座和閥孔等)和閥心兩局部，根據(jù)兩者的相對(duì)位置，有常閉型和常開型兩種。閥從結(jié)構(gòu)上可以分為：截止式、滑柱式和滑板式三類閥。氣動(dòng)控制閥和液壓閥的比擬：〔1〕使用的能源不同氣動(dòng)元件和裝置可采用空壓站集中供氣的方法，根據(jù)使用要求和控制點(diǎn)的不同來調(diào)節(jié)各自減壓閥的工作壓力。液壓閥都設(shè)有回油管路，便于油箱收集用過的液壓油。氣動(dòng)控制閥可以通過排氣口直接把壓縮空氣向大氣排放?！?〕對(duì)泄漏的要求不同液壓閥對(duì)向外的泄漏要求嚴(yán)格，而對(duì)元件內(nèi)部的少量泄漏卻是允許的。對(duì)氣動(dòng)控制閥來說，除間隙密封的閥外，原那么上不允許內(nèi)部泄漏。氣動(dòng)閥的內(nèi)部泄漏有導(dǎo)致事故的危險(xiǎn)。對(duì)氣動(dòng)管道來說，允許有少許泄漏;而液壓管道的泄漏將造成系統(tǒng)壓力下降和對(duì)環(huán)境的污染?！?〕對(duì)潤滑的要求不同液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)為液壓油，液壓閥不存在對(duì)潤滑的要求;氣動(dòng)系統(tǒng)的工作介質(zhì)為空氣，空氣無潤滑性，因此許多氣動(dòng)閥需要油霧潤滑。閥的零件應(yīng)選擇不易受水腐蝕的材料，或者采取必要的防銹措施?！?〕壓力范圍不同氣動(dòng)閥的工作壓力范圍比液壓閥低。氣動(dòng)閥的工作壓力通常為10bar以內(nèi)，少數(shù)可到達(dá)40bar以內(nèi)。但液壓閥的工作壓力都很高(通常在50Mpa以內(nèi))。假設(shè)氣動(dòng)閥在超過最高容許壓力下使用。往往會(huì)發(fā)生嚴(yán)重事故?！?〕使用特點(diǎn)不同一般氣動(dòng)閥比液壓閥結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，易于集成安裝，閥的工作頻率高、使用壽命長。氣動(dòng)閥正向低功率、小型化方向開展，已出現(xiàn)功率只有0.5W的低功率電磁閥?？膳c微機(jī)和PLC可編程控制器直接連接，也可與電子器件一起安裝在印刷線路板上，通過標(biāo)準(zhǔn)板接通氣電回路，省卻了大量配線，適用于氣開工業(yè)機(jī)械手、復(fù)雜的生產(chǎn)制造裝配線等場合。本系統(tǒng)的氣動(dòng)控制回路中，驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)氣缸的氣動(dòng)手指氣缸的電磁閥采用的是二位五通雙電控電磁閥。雙電控電磁閥與單電控電磁閥的區(qū)別在于，對(duì)于單電控電磁閥，在無電控信號(hào)時(shí)，閥芯在彈簧力的作用下會(huì)被復(fù)位，而對(duì)于雙電控電磁閥，在兩端都無電控信號(hào)時(shí)，閥芯的位置是取決于前一個(gè)電控信號(hào)。氣動(dòng)控制回路原理圖如圖2-3所示。圖2-3氣動(dòng)控制回路原理圖3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1PLC選擇及I/O口分配3.1.1〔1〕滿足被控對(duì)象的控制要求考慮將來開展的需要，PLC選用功能較強(qiáng)的新產(chǎn)品，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔??！?〕系統(tǒng)平安、可靠。〔3〕盡可能簡單、經(jīng)濟(jì)、使用與維修方便?！?〕具有高的性能價(jià)格比。3.1.2〔1〕分析被控對(duì)象，提出控制要求。〔2〕確定輸入、輸出設(shè)備?！?〕確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，選擇PLC機(jī)型?！?〕分配I/O點(diǎn)數(shù)，繪制PLC控制系統(tǒng)輸入、輸出端子接線圖?！?〕程序設(shè)計(jì)，繪制工作循環(huán)圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。〔6〕程序調(diào)試。先進(jìn)行模擬調(diào)試，再進(jìn)行現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試；先進(jìn)行局部、分段調(diào)試，再進(jìn)行整體、系統(tǒng)調(diào)試。〔7〕調(diào)試過程結(jié)束，整理技術(shù)資料，投入使用。3.1.3本控制系統(tǒng)的PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)確實(shí)定是根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和所需控制的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量加以確定?！?〕PLC的輸入端口包括工作按鈕、上升、下降按鈕、總停按鈕、小車前進(jìn)、速度、工件到位等?！?〕PLC的輸出端口包括運(yùn)行指示燈、繼電器、外部接口、伺服電機(jī)接口等。PLC輸入、輸出分配表如表3-1、表3-2所示。3.1.4此方案對(duì)超程保護(hù)所使用的行程開關(guān)合運(yùn)動(dòng)方向指示燈，獨(dú)立分配I/O。優(yōu)點(diǎn)：〔1〕獨(dú)立控制，互不干擾?！?〕程序簡單，無需添置編碼、解碼張芯片及其抗干擾設(shè)施?！?〕良好的穩(wěn)定性?！?〕預(yù)留足夠的I/O點(diǎn)數(shù)，大于10~20%。方便以后的擴(kuò)展升級(jí)。表3-1I/O分配輸入端一覽表輸入功能(設(shè)備)輸入功能(設(shè)備)X000原點(diǎn)傳感器檢測X014X001右限位保護(hù)X015X002左限位保護(hù)X016X003機(jī)械手抬升下限檢測X017X004機(jī)械手抬升上限檢測X020X005機(jī)械手旋轉(zhuǎn)左限檢測X021X006機(jī)械手旋轉(zhuǎn)右限檢測X022X007機(jī)械手伸出檢測X023X010機(jī)械手縮回檢測X024啟動(dòng)按鈕X011機(jī)械手夾緊檢測X025復(fù)位按鈕X012X026即停按鈕X013X027方式按鈕表3-2I/O分配輸出端一覽表輸出功能(設(shè)備)輸出功能(設(shè)備)Y000脈沖Y014Y001Y015報(bào)警指示Y002方向Y016運(yùn)行指示Y003提升臺(tái)上升電磁閥Y017停止指示Y004回轉(zhuǎn)氣缸左旋電磁閥Y020Y005回轉(zhuǎn)氣缸右旋電磁閥Y021Y006手爪伸出電磁閥Y022Y007手爪夾緊電磁閥Y023Y010手爪放松電磁閥Y024Y011Y025Y012Y026Y013Y0273.2主程序編寫的思想從工作任務(wù)可以看到，輸送單元傳送工件的過程是一個(gè)步進(jìn)順序控制的過程，包括兩個(gè)方面，一是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)抓取機(jī)械手的定位控制，二是機(jī)械手到各工作單元物料臺(tái)上抓取或放下工件，其中前者是關(guān)鍵。本程序采用FX1N絕對(duì)位置控制指令來定位。因此需要知道各工位的絕對(duì)位置脈沖數(shù)。假設(shè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分設(shè)置為10000步/轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)如表3-3所示。表3-3步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)位置序號(hào)站點(diǎn)脈沖量移動(dòng)方向0低速回零1零位-->供料站22mm36672供料站-->加工站430mm71667DIR3供料站-->裝配站780mm130000DIR4供料站-->分揀站1040mm173333DIR傳送工件的順控過程是否進(jìn)行，取決于系統(tǒng)是否在運(yùn)行狀態(tài)、急停按鈕是否正常以及急停復(fù)位后的處理是否結(jié)束。為此，須建立一個(gè)主控過程允許執(zhí)行的標(biāo)志M20，只有當(dāng)M20被置位時(shí)，才能運(yùn)行步進(jìn)順控過程由此可見，系統(tǒng)主程序應(yīng)包括上位電初始化、復(fù)位過程〔子程序〕、準(zhǔn)備就緒后投入運(yùn)行、檢查及處理急停等階段，最后判斷M20是否為ON。在主程序清單中，先后調(diào)用初態(tài)檢查子程序P1和急停處理子程序P2，前者的功能是檢查系統(tǒng)上電后是否在初始狀態(tài)，如不在初始狀態(tài)那么運(yùn)行復(fù)位操作。后者的功能是：當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，檢查急停按鈕是否按下和進(jìn)行急停復(fù)位的處理，以確定M20的狀態(tài)。在緊急停止?fàn)顟B(tài)或系統(tǒng)正處于急停復(fù)位后的處理的過程，M20OFF，這時(shí)主控過程不能進(jìn)行。僅當(dāng)急停按鈕沒有按下或急停復(fù)位后的出力已經(jīng)完成，M20ON，啟動(dòng)一個(gè)主控快，塊中的傳送工件順控過程可以執(zhí)行。傳送工件過程是一個(gè)單序列的步進(jìn)數(shù)控過程。傳送功能流程圖如圖3-1所示。圖3-1傳動(dòng)功能過程及流程說明其中圖3-1中的第S11、S15、S20、S22步都是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的過程，以S15步為例，梯形圖如圖3-2所示。圖3-2機(jī)械手從加工單元移動(dòng)到裝配單元梯形圖程序中使用絕對(duì)位置控制指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，指定目標(biāo)位置為+130000脈沖〔裝配單元對(duì)原點(diǎn)的坐標(biāo)，見表4-1〕，運(yùn)行速度為60KHz。指令執(zhí)行前的當(dāng)前位置〔加工單元加工臺(tái)中心線〕為71667脈沖。指令執(zhí)行時(shí)，自動(dòng)計(jì)算出輸出的脈沖數(shù)〔13000-71667=58333〕為正值，故旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)輸出Y002ON，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)為反向旋轉(zhuǎn)。因此，在安裝和調(diào)試步進(jìn)電機(jī)是應(yīng)予以注意。3.3初態(tài)檢查復(fù)位子程序和回原點(diǎn)子程序系統(tǒng)上電且按下復(fù)位按鈕后，就調(diào)用初態(tài)檢查復(fù)位子程序，進(jìn)入初始狀態(tài)檢查和復(fù)位操作階段，目標(biāo)是確定系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒，假設(shè)未準(zhǔn)備就緒，那么系統(tǒng)不能啟動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。該子程序的內(nèi)容是檢查各氣動(dòng)執(zhí)行元件是否處在初始位置，抓取機(jī)械手裝置是否在原點(diǎn)位置，如否那么進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)位操作，直到系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒。在子程序中，將嵌套調(diào)用回原點(diǎn)子程序，并完成一些簡單的邏輯運(yùn)算。對(duì)抓取機(jī)械手進(jìn)行夾緊檢測，置位放松；對(duì)抓取機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)功能進(jìn)行檢測置位右旋；重置計(jì)時(shí)器；對(duì)抓取機(jī)械手進(jìn)行原點(diǎn)檢測，急停功能檢測，檢測完成沒有問題后，提示檢測完成，系統(tǒng)已經(jīng)就緒。初態(tài)檢測復(fù)位子程序見附錄B。歸零子程序見附錄C。圖3-3系統(tǒng)就緒梯形圖圖3-4歸零完成梯形圖3.4急停處理子程序當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，在每一掃描周期都調(diào)用急停處理子程序。急停動(dòng)作時(shí)，主控位M20復(fù)位，主控制停止執(zhí)行，急停復(fù)位后，有以下兩種情形：1、假設(shè)急停前抓取機(jī)械手沒有在運(yùn)行中，傳送功能測試過程繼續(xù)運(yùn)行。2、假設(shè)急停前抓取機(jī)械手正在前進(jìn)中〔從供料往加工，或從加工往裝配，或從裝配往分揀〕，那么當(dāng)急停復(fù)位的上升沿到來時(shí)，需要啟動(dòng)使機(jī)械手回原點(diǎn)過程。到達(dá)原點(diǎn)后，傳送功能測試過程繼續(xù)運(yùn)行。急停處理子程序見附錄D。圖3-5急停歸零完成梯形圖3.5機(jī)械手的抓取和放下工件子程序機(jī)械手在不同的階段抓取工件或放下工件的動(dòng)作順序是相同的。抓取工件的動(dòng)作順序?yàn)椋菏直凵斐?->手爪夾緊工件-->提升臺(tái)上升-->手臂縮回。放下工件的動(dòng)作順序?yàn)椋菏直凵斐?->提升臺(tái)下降-->手爪松開-->放下工件-->手臂縮回。采用子程序調(diào)用的方法來實(shí)現(xiàn)抓取和放下工件的動(dòng)作控制使程序編寫得以簡化。在機(jī)械手執(zhí)行放下工作時(shí)，調(diào)用“放下工件〞子程序，在執(zhí)行抓取工作時(shí)，調(diào)用“抓取工件〞子程序。當(dāng)抓取或放下工作完成時(shí)，“放料完成〞標(biāo)志M5或“抓取完成〞M4，作為順序控制程序中的步轉(zhuǎn)移的條件。雖然抓取工件或放下工件都是順序控制過程，但在編制子程序時(shí)不能使用STL/RET指令，否那么會(huì)發(fā)生代號(hào)為6606的錯(cuò)誤。實(shí)際上，抓取工件和放下工件過程比擬簡單，直接使用根本指令即可容易實(shí)現(xiàn)。抓取機(jī)械手到達(dá)制定位置時(shí)，伸出抓手，伸出到位，夾取工件，提升抓手縮回，抓取工件工作完成。抓取工件子程序見附錄E。抓取機(jī)械手到達(dá)制定位置時(shí)，伸出抓手，伸出到位，放下工件，抓手夾緊縮回。放下工件工作完成。放下工件子程序見附錄F。圖3-6抓料完成梯形圖圖3-6放料完成梯形圖4系統(tǒng)調(diào)試在系統(tǒng)的調(diào)試過程中發(fā)生如下幾個(gè)故障:故障一：步進(jìn)電機(jī)只響不轉(zhuǎn)分析是步進(jìn)電機(jī)的線路問題，檢查電機(jī)的相位線，發(fā)現(xiàn)沒有接錯(cuò)；查閱資料之后發(fā)現(xiàn)是步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖的頻率過高，在降低步進(jìn)電機(jī)的輸入頻率之后步進(jìn)電機(jī)正常工作。故障一：機(jī)械手行走位置不對(duì)經(jīng)過仔細(xì)的排查之后，得出結(jié)果：是由于步進(jìn)電機(jī)失步引起的。查閱資料后得知是由于步進(jìn)電機(jī)的電能缺乏，在步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法令轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起失步。故障三：氣動(dòng)抓手動(dòng)作不到位經(jīng)過仔細(xì)的排查之后發(fā)現(xiàn)是其內(nèi)部的墊圈磨損導(dǎo)致漏氣，在更換了墊圈之后設(shè)備正常工作。結(jié)論1研究價(jià)值本研究設(shè)備用于少批量多批次柔性生產(chǎn)企業(yè)工作臺(tái)間的工件搬運(yùn)、裝配。擴(kuò)展之后也可以實(shí)現(xiàn)流水線合攏或分發(fā)、產(chǎn)品定位拿取與堆放、裝箱等工作。適應(yīng)隨時(shí)根據(jù)具體要求更改的生產(chǎn)要求。2特色本研究方到達(dá)設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在恒溫環(huán)境、不適合人直接接觸工作的危險(xiǎn)環(huán)境〔如：高溫、放射、劇毒、無氧、高空等惡劣環(huán)境〕下工作。設(shè)計(jì)設(shè)備以柔性生產(chǎn)為核心，秉承多功能多用途的特點(diǎn)、融入人性化控制的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行穩(wěn)定，多重保護(hù)平安可靠。多工作臺(tái)間的準(zhǔn)確定位搬移，可擴(kuò)展用于流水線合攏與分發(fā)、產(chǎn)品的定位拿取與堆放、裝箱等功能。3繼續(xù)改良方向設(shè)備采用點(diǎn)位控制，對(duì)點(diǎn)位間的