柔性制造系统装配单元毕业设计.doc

陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 毕业设计 论文 毕业设计 论文 毕业设计 或毕业论文 题目 毕业设计 或毕业论文 题目 柔性制造系统中装配单元的设计 系 部 系 部 机电工程系机电工程系 机电一体化技术机电一体化技术 学生姓名学生姓名 班级学号班级学号 指导教师指导教师 2012 年年 4 月月 2 日日 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 毕业设计任务书毕业设计任务书 机电工程 系 机电一体化技术 专业 学生姓名 学号 一 毕业设计题目 柔性制造系统中装配单元的设计 二 毕业设计时间 2012 年 4 月 2 日 三 毕业设计地点 陕西 航 空 职 业 技 术 学 院 指导教师 2012 年 4 月 2 日 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 目目 录录 第一章第一章 装配单元简介装配单元简介 1 1 1 装配单元概述装配单元概述 1 1 21 2 装配单元的结构组成装配单元的结构组成 2 第二章第二章 装配单元的设计与装配单元的设计与选选用用 6 2 12 1 机械手腕部的结构设计机械手腕部的结构设计 6 2 22 2PLCPLC 的选用的选用 8 2 2 12 2 1 可编程序控制器的选型及工作过程可编程序控制器的选型及工作过程 8 2 32 3 PLCPLC 程序的实现程序的实现 11 2 42 4 可编程序控制器的连接可编程序控制器的连接 13 2 52 5 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器的工作过程 14 2 62 6 可编程序控制器的使用步骤可编程序控制器的使用步骤 14 2 72 7 可编程序控制器的输入输出保护可编程序控制器的输入输出保护 15 第三章第三章 装配单装配单元元的系统控制设计的系统控制设计 17 3 03 0 装配单元机械手装置控制系统的设计方案装配单元机械手装置控制系统的设计方案 17 3 0 13 0 1 机械手的运动机械手的运动 17 3 0 23 0 2 机械手的驱动方案设计机械手的驱动方案设计 17 3 0 33 0 3 机械手的坐标型式与自由度机械手的坐标型式与自由度 17 3 0 43 0 4 机械手的控制方案设计机械手的控制方案设计 18 3 0 53 0 5 机械手的技术参数列表机械手的技术参数列表 19 3 13 1 机械手可编程序控制器控制方案机械手可编程序控制器控制方案 20 3 23 2 可编程控制器的抗干扰措施可编程控制器的抗干扰措施 23 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 3 33 3 PLCPLC 应注意的问题及解决方法应注意的问题及解决方法 25 3 3 13 3 1 工作环境工作环境 25 3 3 23 3 2 安装与布线安装与布线 25 3 3 33 3 3 外部安全外部安全 26 第四章第四章 电 气路的设电 气路的设计计与调试与调试 27 4 14 1 装配单元的气路设计与连接装配单元的气路设计与连接 27 4 24 2 装配单元的电路设计与接线装配单元的电路设计与接线 29 4 34 3 装配单元的程序编制与系统调试装配单元的程序编制与系统调试 30 结结 论论 31 致致 谢谢 32 参考资料参考资料 33 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 1 第一章 装配单元简介 1 1 装配单元装配单元概述概述 装配单元是将生产线中分散的两个物料进行装配的过程 主要是通过对自身物料 仓库的物料按按生产需要进行分配 并使用机械手将其插入来自加工单元的物料中心 孔的过程 装配单元总装实物图如下 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 2 竖直料仓中的物料在重力作用下自动下落 通过两直线气缸的共同作用 分别对 底层相邻两物料加紧与松开 完成对连续下落的物料的分配 被分配的物料按指定的 路径 落入由气动摆台构成的物料位置转换装置 由摆台完成 180 度位置变换后 由前 后移动气缸 上下移动气缸 气动手指所组成的机械手夹持后位移 并插入以定位的 半成品工作中 1 21 2 装配单元的结构组成装配单元的结构组成 由于装配单元不仅要完成对分散的物料的装配过程 而且配有自身的物料仓 库 因此它的结构组成包括 简易物料仓库 物料分配机构气动系统及其阀组 信号 采集及其自动控制系统 以及用于电器连接的端子排组件 整条生产线状态指示灯和 用于其他机构安装的铝型材支架及底板 传感安装支架等其他附件 简易物料仓库简易物料仓库 简易物料仓库是由塑料圆棒加工而成 它直接插装在物料分配机构的底座连接孔 中 并在顶端放置加强金属环 用以防止空心塑料圆柱的破坏 物料竖直放入料仓的 空心圆柱内 由于二者之间有一定的间隙 使其能在重力作用下自由下落 为了能对料仓缺料时及时报警 在料仓的外部安装漫反射光电传感器 并在料仓 塑料圆柱上纵向铣槽 以使光电传感器的红外光斑能可靠照射到被检测的物料上 如 下图 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 3 简易物料仓库中的物料外型一致 颜色分为黑色和白色 2 物料分配机构 它的动作过程是由上下安装水平动作的两直线气缸在 PLC 的控制下完成的 当供 气压力达到规定气压后 打开气路阀门 此时分配机构底部气缸在单电控电磁阀的作 用下 恢复到初始状态 该气缸活塞杆伸出 因重力下落的物料被阻挡 系统上电 并正常运行后 当位置变换机构料盘旁的光电传感器检测到位置变换机构需要物料时 物料分配机构中的上部气缸在电磁阀的作用下活塞杆伸出 将与之对应的物料夹紧 使其不能下落 底部气缸活塞杆缩回 物料掉入位置变换机构的料盘中 底部气缸复 位伸出 上部的气缸缩回 物料连续下落 为下一次分料做好准备 在两直线气缸上 均装有检测活塞杆伸出与缩回到位的磁性开官 用于动作到位检测 当系统正常工作 并检测到活塞磁钢的时候 磁性开关的红色指示灯点亮 并将检测到的信号传送给控 制系统的 PLC 物料分配机构的底部装有用于检测有无物料的光电传感器 使控制过程 更准确可靠 3 物料位置变换机构 该机构由气动摆台和料盘构成 气动摆台驱动料盘旋转 180 度 并将摆动到位信 号通过磁性开关传给 PLC 在 PLC 的控制下 实现有序 往复循环动作 见下图 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 4 4 机械手 机械手是整个装配单元的核心 变换机构有物料的信号传送至 PLC 在半成品工件 定位机构传感器检测到该机构有工件的情况下 机械手从初始状态执行 装配操作过程 整体外型如图所示 PLC 驱动与竖直气缸相连的电磁换向阀动作 由竖直移动带导杆气缸驱动气动手指 向下移动 磁性开关检测到下移到位后 气动手指驱动手爪夹紧物料 并将加紧信号 通过磁性开关传送给 PLC 在 PLC 控制下 竖直移动气缸复位 被夹紧的物料随气动手 指一并提起 离开位置变换机构的料盘 提升到最高位后 水平移动气缸在与之对应 的换向阀的驱动下 活塞杆伸出 移动到气缸前端位置后 竖直移动气缸再次被驱动 下移 移动到最下端位置 气动手指松开 经短暂延时 竖直移动气缸和水平移动气 缸缩回 机械手恢复初始状态 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 5 在整个机械手动作过程中 除了气动手指松开到位无传感器检测外 其余动作的 到位信号检测均采用与气缸配套的磁性开关 将采集到的信号输入 PLC 由 PLC 输出信 号驱动电磁阀换向 使由气缸及手指组成的机械手按程序自动运行 5 半成品工件的定位机构 输送单元送来的半成品工件直接放置在该机构的料斗定位孔中 由定位孔与工件 之间的较小的间隙配合实现定位 从而完成准确的装配动作和定位精度 如图所示 6 电磁阀组 就是将多个阀集中在一起组成的一组阀 每一个阀的功能是彼此独立的 装配单 元的阀组 6 个二位五通单电控电磁换向阀组成 如下图所示 这些阀分别对物料分配 位置变换和装配动作气路进行控制 以改变各自的动作状态 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 6 第二章第二章 装配单元的设计与选用装配单元的设计与选用 随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用 机器人的研制和生产已成为高技术 领域内迅速发展起来的一门新兴技术 它更加促进了机械手的发展 使得机械手能更 好地实现与机械化和自动化的有机结合 机械手虽然目前还不如人手那样灵活 但它具有能不断重复工作和劳动 不知疲 劳 不怕危险 抓举重物的力量比人手大等特点 因此 机械手已受到许多部门的重 视 并越来越广泛地得到了应用 例如 1 机床加工工件的装卸 特别是在自动化车床 组合机床上使用较为普遍 2 在装配作业中应用广泛 在电子行业中它可以用来装配印制电路板 在机械行 业中 它可以用来组装零部件 3 可在劳动条件差 单调重复易子疲劳的工作环境工作 以代替人的劳动 4 可在危险场合下工作 如军工品的装卸 危险品及有害物的搬运等 5 宇宙及海 2 12 1 机械手腕部的结构设计机械手腕部的结构设计 机器人的手臂运动 包括腰座的回转运动 给出了机器人末端执行器在其工作 空间中的运动位置 而安装在机器人手臂末端的手腕 则给出了机器人末端执行器在 其工作空间中的运动姿态 机器人手腕是机器人操作机的最末端 它与机器人手臂配 合运动 实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态 完成所需要的 作业动作 1 机器人手腕的自由度数 应根据作业需要来设计 机器人手腕自由度数目愈多 各关节的运动角度愈大 则机器人腕部的灵活性愈高 机器人对对作业的适应能力也 愈强 但是 自由度的增加 也必然会使腕部结构更复杂 机器人的控制更困难 成 本也会增加 因此 手腕的自由度数 应根据实际作业要求来确定 在满足作业要求 的前提下 应使自由度数尽可能的少 一般的机器人手腕的自由度数为 2 至 3 个 有 的需要更多的自由度 而有的机器人手腕不需要自由度 仅凭受臂和腰部的运动就能 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 7 实现作业要求的任务 因此 要具体问题具体分析 考虑机器人的多种布局 运动方 案 选择满足要求的最简单的方案 2 机器人腕部安装在机器人手臂的末端 在设计机器人手腕时 应力求减少其重 量和体积 结构力求紧凑 为了减轻机器人腕部的重量 腕部机构的驱动器采用分离 传动 腕部驱动器一般安装在手臂上 而不采用直接驱动 并选用高强度的铝合金制 造 3 机器人手腕要与末端执行器相联 因此 要有标准的联接法兰 结构上要便于 装卸末端执行器 4 机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度 以保证力与运动的传递 5 要设有可靠的传动间隙调整机构 以减小空回间隙 提高传动精度 6 手腕各关节轴转动要有限位开关 并设置硬限位 以防止超限造成机械损坏 通过对数控机床上下料作业的具体分析 考虑数控机床加工的具体形式及对机械 手上下料作业时的具体要求 在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性 为使 机械手的结构尽量简单 降低控制的难度 本设计手腕不增加自由度 实践证明这是 完全能满足作业要求的 3 个自由度来实现机床的上下料完全足够 具体的手腕 手臂 手爪联结梁 结构见图 2 1 水平液压缸支承板 手臂手 爪联结 梁 执行手爪 图 2 1 手爪联结结构 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 8 图 2 2 机械手控制图 1 在传输带 A 端部 安装了光电开关 PS 用以检测洋的开发 2 机械手在原位时 按下起动按钮 系统起动 传送带 A 运转 当光电开关检测 到物品后 传送带 A 停 3 传输带 A 停止后 机械手进行一次循环动作 把物品从传送带 A 上搬到传送带 B 连续运转 上 4 机械手返回原位后 自动再起动传送带 A 运转 进行下一个循环 5 按下停止按钮后 应等到整个循环完成后 才能使机械手返回原位 停止工作 6 机械手的上升 下降和左移 右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动 液压装置实现 每个线圈完成一个动作 7 抓紧 放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成 线圈通电时执行抓紧动作 线圈断电时执行放松动作 8 机械手的上升 下降 左移 右移动作均由极限开关控制 9 抓紧动作由压力继电器控制 当抓紧时 压力继电器动合触点闭合 放松动作 为时间控制 设为 2s 2 2PLC 的选用 2 2 1 可编程序控制器的选型及工作过程 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 9 一 可编程序控制器的选型 PLC 选型的基本原则是在满足基本控制功能和容量的前提下 尽量保证工作可靠 维护使用方便以及最佳的性价比 1 对于工艺过程比较固定 环境条件较好 维修量较小 的场合 选用整体式结 构 PLC 2 PLC 一般是根据其输入输出点数及存储器容量的大小分类 在 PLC 选型之前首 先确定系统 I O 点数利存储器容量 3 PLC 一般可以通过三种方式进行编程 一种是厂家提供的普通手持式编程器编 程 一般只能用于厂家规定的语句表中的语句进行编程 另一种是在普通计算机上运 行专用的编程软件来编程 支持的编程语言多编程操作非常方便 第三种是厂家专用 图形编程器编程 这类编程器采用梯形图编程 方便直观 我们此次设计就是采用梯 形图编程 装配单元所需的 I O 点数较多 其中 输入信号包括来自按钮 指示灯模块的按 钮 开关等主令信号 单元各构件的传感器信号灯 输出信号包括输出到抓取机械手 装置各电磁阀的控制信号和输出到步进电动机驱动器的脉冲信号和驱动方向信号 此 外尚须考虑在需要时输出信号到按钮 指示灯模块的指示灯 蜂鸣器等 以显示本单 元或系统的工作状态 由于需要输出驱动步进电动机的高速脉冲 因此 PLC 应采用晶体管输出型 基于上述考虑 选用西门子 S7 226AC DC DC 型 PLC 共 24 点输入 16 点晶体 管输出 PLC 安装在模盒中 PLC 引出线连接到面板上的安全插孔处 面板上每一输入 插孔旁都设有一个钮子开关 该开关的 2 根引出线分别连接到 PLC 输入端的公共参考 点和相应的输入点 开关扳倒接通位置时 使该输入点 ON 可以用于程序调试 须注 意的是 在调试后要把开关扳回 OFF 位置 以免影响程序正常进行 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 10 除了 CPU221 外 S7 200 的其他 CPU 型号都可以附加扩展模块 以增加 I O 点数 扩展通信能力和一些特殊功能 S7 200 的扩展模块包括 数字量 I O 扩展模块 模拟量 I O 模块 通信模块 功能模块 不同类型的模块可以组合搭配 一起做 S7 200 CPU 的扩展模块 二 数字量 I O 扩展模块 数字量 I O 扩展模块有 EM221 数字量输入扩展模块 包括 8 点 x 24VDC 8 x 120 230VAC 16 x 24VDC EM222 数字量输出扩展模块 4 x 24VDC 5A 4 x 继电器 10A 8 x 24VDC 0 75A 8 x 继电器 2A 8 x 120 230VAC 0 5A EM223 数字量输入 输出混合模块 4 x 24VDC 输入 4 x 24VDC 0 75A 输出 4 x 24VDC 输入 4 x 继电器 2A 输出 8 x 24VDC 输入 8 x 24VDC 0 75A 输出 8 x 24VDC 输入 8 x 继电器 2A 输出 16 x 24VDC 输入 16 x 24VDC 0 75A 输出 16 x 24VDC 输入 16 x 继电器 2A 输出 不同类型的数字量模块可以同时连接到 CPU 后面 只要注意各自的电源连接就可 以了 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 11 三 模拟量扩展模块 除了 CPU224 XP 外有两通道输入 1 通道输出的简单模拟量 I O 组外 其他 CPU 都 需要加模拟量扩展模块才能获得模拟量 I O 能力 EM231 4 通道电源 电流模拟量输入 EM231 RTD 2 通道热电阻温度输入模块 EM231 TC 4 通道热电偶温度输入模块 EM235 4 通道电压 电流输入 1 通道电压 电流输出模块 四 通信模块 除 CPU 本体上的通信口可以支持 PPI MPI 和自由口通信之外 S7 200 系列使用扩 展模块支持更多的通信模式 这些通信模块有 EM277 PROFIBUS DP MPI 通信模块 带 DB 9 插座 可连接到 PROFIBUS DP 和 MPI 网络上 EM277 也可以用于连接西门子的 HMI 产品 EM241 模拟音频调制解调器 Modem 模块 带 RJ11 电话插口 支持自动电话拨 号等功能 CP243 1 以太网模块 带 RJ45 接口 可连接到支持 TCP IP 标准的以太网中 与 西门子的其他 CP243 模块 CP343 CP443 模块 或西门子软件 OPC Server 通信 CP243 1 IT 带因特网功能的以太网模块 除 CP243 1 的功能外 还支持 FTP HTTP E mail 等 IT 功能 CP243 2 AS Interface 执行器 传感器接口 主站模块 AS Interface 从站可 以连接到端子上 一个完整的系统还需要 AS Interface 电源等设备 五 功能模块 S7 200 目前有一种特殊功能模块 EM253 定位处理模块 支持开环速度和定位控制 一般用于控制步进电机控制器 和伺服电机控制器 支持 RS422 RS 485 差动输出和漏极开路输出 每个模块可以控制 一个轴 使用多个模块的情况下也不能进行复杂的插补计算 2 32 3 PLCPLC 程序的实现程序的实现 S7 200 的数据主要分为 与实际输入 输出信号相关的输入 输出映象区 I 数字量输入 DI 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 12 Q 数字量输出 DO AI 模拟量输入 AQ 模拟量输出 内部数据存储区 V 变量存储区 可以按位 字节 字或双字来存取 V 区数据 M 位存储区 可以按位 字节 字或双字来存取 M 区数据 T 定时器存储区 用于时间累计 分辨率分为 1ms 10ms 100ms 三种 C 计数器存储区 用于累计其输入端脉冲电平由低到高的次数 CPU 提供了三种 类 型的计数器 一种只能增计数 一种只能减计数 另外一种既可 以增计数 又可 以减计数 寻址格式 数据长 度 二进制位 数据类型取值范围 BOOL 位 1 位 布尔数 二进制位 真 1 假 0 BYTE 字节 8 字节 无符号整 数 0 255 0 FF Hex INT 整数 有符号整 数 32768 32767 8000 7FFF Hex WORD 字 16 字 无符号整 数 0 65535 0 FFFF Hex DINT 双整数 有符号整 数 2147483648 2147483647 8000 0000 7FFF FFFF Hex DWORD 双字 无符号整 数 0 4294967295 0 FFFF Hex REAL 实数 32 双字 IEEE 32 位 单精度浮点数 3 402823E 38 1 175495E 38 负数 1 175495E 38 3 402823E 38 正 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 13 数 0 0 ASCII 字符列表 ASCII 字符 汉字内码 每个汉字 2 字节 STRING 字符串 8 个 字节 字符串 1 254 个 ASCII 字符 汉字内码 每个汉字 2 字节 图 11 S7 200 支持的数据格式 2 4 可编程序控制器的连接 1 机与 实现通信的条件 带异步通信适配器的 机与 只有满足如下条件 才能互联通信 带有异步通信接口的 才能与带异步通信适配器的 机互联 还要 求双方采用的总线标准一致 否则要通过 总线标准变换单元 变换之后才能互联 双方的初始化 使波特率 数据位数 停止位数 奇偶校验都相同 要对 的通信协议分析清楚 严格地按照协议的规定及帧格式编写 机的通信程序 中配有通信机制 一般不需用户编程 2 机及与 系列 的串行通讯 2 1 硬件连接 机与 系列 不能直接连接 要经过 单元进行 的变换 2 2 系列 的通信协议 在 机中必须依据互联的 的通信协议来编写通信程序 因此先介绍 系列 的通信协议 数据格式 系列 采用异步格式 由 位起始位 位数据位 位偶校验位及 位停止位组成 波特率为 字符为 码 通信命令 系列 有 个通信命令 它们是读命令 写命令 强制通命令 强制断 命令 通信控制字符 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 14 系列 采用面向字符的传输规程 用到 个通信控制字符 4 传输过程 机与 系列 之间采用应答方式通信 传输出错则组织重发 2 5 可编程序控制器的工作过程 可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的 为此采用 了循环扫描的工作方式 具体的工作过程可分为 4 个阶段 第一阶段是初始化处理 可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连 CPU 对输入输出状态的询问是针 对输入输出状态暂存器而言的 输入输出状态暂存器也称为 I 0 状态表 该表是一个专 门存放输入输出状态信息的存储区 其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存 器 存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器 开机时 CPU 首先使 I 0 状态表清 零 然后进行自诊断 当确认其硬件工作正常后 进入下一阶段 第二阶段是处理输入信号阶段 在处理输入信号阶段 CPU 对输入状态进行扫描 将获得的各个输入端子的状态信 息送到 I 0 状态表中存放 在同一扫描周期内 各个输入点的状态在 I 0 状态表中一 直保持不变 不会受到各个输入端子信号变化的影响 因此不能造成运算结果混乱 保证了本周期内用户程序的正确执行 第三阶段是程序处理阶段 当输入状态信息全部进入 I 0 状态表后 CPU 工作进入到第三个阶段 在这个阶段 中 可编程序控制器对用户程序进行依次扫描 并根据各 I 0 状态和有关指令进行运 算和处理 最后将结果写入 I 0 状态表的输出状态暂存器中 第四阶段是输出处理阶段 CPU 对用户程序已扫描处理完毕 并将运算结果写入到 I 0 状态表状态暂存器中 此时将输入信号从输出状态暂存器中取出 送到输出锁存电路 驱动输出继电器线圈 控制被控设备进行各种相应的动作 然后 CPU 又返回执行下一个循环的扫描周期 2 6 可编程序控制器的使用步骤 在可编程序控制器与被控对象 机器 设备或生产过程 构成一个自动控制系 统时 通常以七个步骤进行 1 系统设计 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 15 即确定被控对象的动作及动作顺序 2 I 0 分配 即确定哪些信号是送到可编程序控制器的 并分配给相应的输入端号 哪些信号 是由可编程序控制器送到被控对象的 并分配相应的输出端号 此外 对用到的可编程 序控制器内部的计数器 定时器等也要进行分配 可编程序控制器是通过编号来识别 信号的 3 画梯形图 它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同 表达了系统中全部动作的相互关系 如 果使用图形编程器 LCD 或 CRT 则画出梯形图相当于编制出了程序 可将梯形图直接 送入可编程序控制器 对简易编程器 则往往要经过下一步的助记符程序转换过程 4 助记符机器程序 相当于微机的助记符程序 是面向机器的 即不同厂家的可编程序控制器 助记 符指令形式不同 用简易编程器时 应将梯形图转化成助记符程序 才能将其输入到 可编程序控制器中 5 编制程序 即检查程序中每条语法错误 若有则修改 这项工作在编程器上进行 6 调试程序 即检查程序是否能正确完成逻辑要求 不合要求 可以在编程器上修改 程序设 计 包括画梯形图 助记符程序 编辑 甚至调试 也可在别的工具上进行 如 IBM PC 机 只要这个机器配有相应的软件 7 保存程序 调试通过的程序 可以固化在 EPROM 中或保存在磁盘上备用 2 7 可编程序控制器的输入输出保护 类别保护措施 直流输入 在需要保护的输入口反并接稳压二极管 稳压值低于输入 口的 电压额定值 交流输入在需要保护的输入口并接电阻与电容串联的组合 交流感性负 载 在负载两端并联压敏电阻 或并联电阻与电容串联的组合 C 0 1UF R 0 5W 100 200 欧 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 16 直流感性负 载 在负载两端并联续流二极管 额定电流为 1 安左右 或齐 纳二管 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 17 第三章 装配单元的系统控制设计 3 0 装配单元机械手装置控制系统的设计方案 对气动机械手的基本要求是能快速 准确地拾一放和搬运物件 这就要求它们 具有高精度 快速反应 一定的承载能力 足够的工作空间和灵活的自由度及在任意 位置都能自动定位等特性 设计气动机械手的原则是 充分分析作业对象 工件 的作业 技术要求 拟定最合理的作业工序和工艺 并满足系统功能要求和环境条件 明确工件 的结形状和材料特性 定位精度要求 抓取 搬运时的受力特性 尺寸和质量参数等 从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求 尽量选用定型的标准组件 简化设 计制造过程 兼顾通用性和专用性 并能实柔性转换和编程控制 3 0 1 机械手的运动 机械手以及其手部所夹持的工件 或工具 在空间的位置 由臂部 腕部等组成 部件以及整机的各自独立运动的合成来确定 如图 2 所示 机械手通常可实现如下的 基本动作 手臂的运动 伸缩运动 回转运动 上下摆动 即俯仰 升降运动 手腕的运动 回转运动 上下摆动 左右摆动 手部的运动 夹紧和松开 整机主体的运动 整机行走 机械手的每一个运动 必须要配有一个原动件 当各原动件按一定的规律运动时 机械手各运动部件随之作确定的运动 从而使机械手具有运动和位置的确定性 所以通过上述我采取了下列设计方案 3 0 2 机械手的驱动方案设计 由于气压传动系统的动作迅速 反应灵敏 阻力损失和泄漏较小 成本低廉因此 本机械手采用气压传动方式 3 0 3 机械手的坐标型式与自由度 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况 其坐标型式可分为直角坐标式 圆 柱坐标式 球坐标式和关节式 按坐标系分类 1 直角坐标机械手 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 18 主机架由三个相互正交的平移轴组成 手臂可作前后伸缩 上下升降和左右横移 三个动作 具有结构简单 定位精度高的特点 2 圆柱坐标机械手 由立柱和一个安装在立柱上的水平臂组成 手臂可作前后伸缩 上下升降和绕立 柱转动三个动作 这种结构占据空间位置小 活动范围大 3 球坐标机械手 由回转机座 俯仰铰链和伸缩臂组成 手臂可作前后伸缩 上下摆动 俯仰和左 右摆动三个动作 该结构能以简单的机构得到较大的工作范围 4 关节坐标机械手 由大小两手臂和立柱等机构组成 大小臂间的联结为肘关节 大臂和立柱间的联 结为肩关节 可实现三个方向的旋转运动 具有动作灵活 运动惯性小 动作范围大 等优点 由于本机械手在上下料时手臂具有升降 收缩及回转运动 因此 采用圆柱坐标 型式 相应的机械手具有三个自由度 为了弥补升降运动行程较小的缺点 增加手臂 摆动机构 从而增加一个手臂上下摆动的自由度 3 0 4 机械手的控制方案设计 考虑到机械手的通用性 同时使用点位控制 因此我们采用可编程序控制器 PLC 对机械手进行控制 当机械手的动作流程改变时 只需改变 PLC 程序即可实现 非常 方便快捷 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术 采 用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很高的可靠性 例 如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时 一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长 从 PLC 的机外电路来说 使用 PLC 构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统相比 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之 一 故障也就大大降低 此外 PLC 带有硬件故障自我检测功能 出现故障时可及时发 出警报信息 在应用软件中 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 使系统 中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护 这样 整个系统具有极高的可靠 性也就不奇怪了 2 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 19 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制系统设计及建 造的周期大为缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的是使同一设备经过改变程序 改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小批量的生产场合 3 体积小 重量轻 能耗低 以超小型 PLC 为例 新近出产的品种底部尺寸小于 100mm 重量小于 150g 功耗 仅数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机电一体化的理想控制设备 根据以上特点 我选择了 PLC 作为我此次设计机械手的软件 3 0 5 机械手的技术参数列表 一 用途 用于自动输送线的上下料 二 设计技术参数 1 抓重 10 公斤 夹持式手部 5 公斤 气流负压式吸盘 2 自由度数 3 个自由度 3 坐标型式 圆柱坐标 4 最大工作半径 1500mm 5 手臂最大中心高 1380mm 6 手臂运动参数 升降行程 200mm 升降速度 300mm s 回转范围 0 180 回转速度 90 7 手腕运动参数 回转范围 0 180 回转速度 180 s 8 手指夹持范围 棒料 80 150mm 片料 面 积不大于 0 5m Z 9 定位方式 行程开关或可调机械挡块等 10 定位精度 士 0 5mm l1 缓冲方式 液压缓冲器 12 驱动方式 气压传动 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 20 13 控制方式 点位程序控制 3 1 机械手可编程序控制器控制方案 1 系统简介 控制对象为圆柱坐标气动机械手 它的手臂具有两个自由度 即竖直方向的上 下 绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转 另外 其末端执行装置机械手 还 可完成抓 放功能 以上动作均采用气动方式驱动 即用五个二位五通电磁阀 每个阀有两个线圈 对 应两个相反动作 分别控制五个气缸 使机械手完成伸 缩 上 下 旋转及机械手抓 放动作 其中旋转运动用一组齿轮齿条 使气缸的直线运动转化为旋转运动 这样 可用 PLC 的 8 个输出端与电磁阀的 8 个线圈相连 通过编程 使电磁阀各 线圈按一定序列激励 从而使机械手按预先安排的动作序列工作 如果欲改变机械手的 动作 不需改变接线 只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可 另外 除抓放外 其余六个动作末端均放置一个限位开关 以检测动作是否到位 如果某动作没有到位 则出错指示灯亮 2 工业机械手的工作流程 此机械手用于 AB 传送带之间的取放货物 当按下启动按钮之后 有如下动作 按启动后 传送带 A 运行 直到触动光电开关才停止 同时机械手下降 下降到 位触动行程开关 机械手夹紧物体 2s 后开始上升 面机械手保持夹紧 上升到位触 动行程开关后左转 左转到位后下降 下降到位机械手松开 2s 后机械手上升 上升 到位后 传送带 B 开始运动 同时机械手右转 右转到位 传送带 B 停止 此时传送 带 A 开始运行直到按下光电开关才停止 再次循环 3 I 0 分配 根据系统输入输出点的数目 选用 OMRONC 28P 型 PC 它有 16 个输入点 标号为 0000 0015 12 个输出点 标号为 0500 0511 I 0 分配 输入输出 启动 X0 A 带运动 Y1 停止 X6 B 带运动 Y2 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 21 A 带限位开关 X1 机械手下降 Y3 上升到位左限 位开关 X2 机械手上升 Y4 上升到位右限 位开关 X4 机械手右转 Y5 下降到位左限 位开关 X3 机械手左转 Y6 下降到位右限 位开关 X5 夹紧 松开 Y7 夹紧延时开关 T0 松开延时开关 T1 机械手 I O 接线图 5 梯形图设计 根据机械手的逻辑时序图及 1 0 分配可看出 1 手臂下降的条件 带触动限位开关 Y1 为 OFF X1 为 ON 或机械手右转到位 X4 为 ON 并且机械手保持夹紧状态 Y7 为 ON 2 手臂上升的条件 机械手处于下限位开关处 X3 或 X5 任意一个为 ON 延时开 关接通 T0 或 T1 任意一个为 ON 3 手臂夹紧或松开的条件 机械手处于下限位开关处 X3 或 X5 任意一个为 ON 延时开关闭合 T0 或 T1 为 OFF 4 手臂右转的条件 机械手上升到位触动左限位开关 X2 为 ON 5 手臂左转的条件 机械手上升到位触动右限位开关 X4 为 ON 6 机械手控制程序 来源 毕业设计机械 手的 PLC 自动控制 续 欧阳若无 新浪博客地址 指令 数据 0 LD M8002 1 AND X006 2 SET S0 3 STL S0 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 22 4 LD X000 5 SET S20 6 STL S20 7 OUT Y001 8 LD X001 9 SET S21 10 STL S21 11 OUT Y003 12 LD X003 13 SET S22 14 STL S22 15 OUT Y007 16 OUT T0 K20 17 LD T0 18 SET S23 19 STL S23 20 OUT Y004 21 OUT Y007 22 LD X002 23 SET S24 24 STL S24 25 OUT Y005 26 OUT Y007 27 LD X004 28 SET S25 29 STL S25 30 OUT Y003 31 OUT Y007 32 LD X005 33 SET S26 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 23 34 STL S26 35 OUT T1 K20 36 NOP 37 LD T1 38 SET S27 39 STL S27 40 OUT Y004 41 LD X004 42 SET S28 43 STL S28 44 OUT Y006 45 OUT Y002 46 LD X002 47 OUT S20 48 RET 49 END 3 2 可编程控制器的抗干扰措施 自动化系统中所使用的各种类型 PLC 有的是集中安装在控制室 有的是分散安装 在生产现场的各单机设备上 虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电 磁环境中 但 PLC 是专门为工业生产环境而设计的控制装置 在设计和制造过程中采 用了多层次抗干扰和精选元件措施 故具有较强的适应恶劣工业环境的能力 运行稳 定性和较高的可靠性 因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用 但是由于它直接和现场的 I O 设备相连 外来干扰很容易通过电源线或 I O 传输线侵 入 从而引起控制系统的误动作 PLC 受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰 在实际 的生产环境下 外部干扰是随机的 与系统结构无关 且干扰源是无法消除的 只能 针对具体情况加以限制 内部干扰与系统结构有关 主要通过系统内交流主电路 模 拟量输入信号等引起 可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰 要提高 PLC 控制系统的可靠性 就要从多方面提高系统的抗干扰能力 分析硬件电路 提出硬件抗干扰措施 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 24 1 PLC 控制系统的安装和使用环境 PLC 是专为工业控制设计的 一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用 但是在 PLC 控制系统中 如果环境过于恶劣 或安装使用不当 会降低系统的可靠性 PLC 使用环境温度通常在 0 55 范围内 应避免太阳光直接照射 安装位置应远 离发热量大的器件 同时应保证有足够大的散热空间和通风条件 环境湿度一般应小 于 85 以保证 PLC 有良好的绝缘 在含有腐蚀性气体 浓雾或粉尘的场合 需将 PLC 封闭安装 此外 如果 PLC 安装位置有强烈的振动源 系统的可靠性也会降低 所以 应采取相应的减振措施 2 PLC 的电源与接地 PLC 本身的抗干扰能力一般都很强 通常 只能将 PLC 的电源与系统的动力设备电源分 开配线 对于电源线来的干扰 一般都有足够强的抑制能力 但是 如果遇上特殊情 况 电源干扰特别严重 可加接一个带屏蔽层的隔离变压器以减少设备与地之间的干 扰 提高系统的可靠性 如果一个系统中含有扩展单元 则其电源必须与基本单元共 用一个开关控制 也就是说 它们的上电与断电必须同时进行 良好的接地是保证 PLC 安全可靠运行的重要条件 为了抑制附加在电源及输入端 输出端的干扰 应给 PLC 接专用地线 并且接地点要与其它设备分开 若达不到这种要求 也可采用公共接地 方式 但是禁止采用串联接地方式 因为它会使各设备间产生电位差而引入干扰 此 外 接地线要足够粗 接地电阻要小 接地点应尽可能靠近 PLC 接地的目的通常有两个 其一为了安全 其二是为了抑制干扰 完善的接地系统 是 PLC 控制系统抗干扰的重要措施之一 接地在消除干扰上起很大的作用 这里的接 地是指决定系统电位的地 而不是信号系统归路的接地 在 PLC 控制系统中有许多悬 浮的金属架 它们是惧空中干扰的空中线 需要有决定电位的地线 交流地是 PLC 控 制系统供电所必需的 它通过变压器中心点构成供电两条回路之一 这条回路上的电 流 各种谐波电流等是个严重的干扰源 因此交流地线 直流地线 模拟地和数字地 等必须分开 数字地和模拟地的共点地最好置悬浮方式 地线各点之间的电位差尽可 能小 尽量加粗地线 有条件可采用环形地线 系统地端子 LG 是抗干扰的中性端子 通常不需要接地 可是 当电磁干扰比较严重时 这个端子需与接大地的端子 GR 连 接 3 PLC 的输入 输出设备 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 25 输入电路是 PLC 接受开关量 模拟量等输入信号的端口 其元器件质量的优劣 接线方式及是否牢靠也是影响控制系统可靠性的重要因素 以开关量输入为例 按钮 行程开关的触点接触要保持在良好状态 接线要牢固可靠 机械限位开关是容易产生 故障的元件 设计时 应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关 此外 按 钮触点的选择也影响到系统的可靠性 在设计电路时 应尽量选用可靠性高的元器件 对于模拟量输入信号来说 常用的有 4 20mA 0 20mA 直流电流信号 0 5V 0 10V 直流电压信号 电源为直流 24V 对于开关量输出来说 PLC 的输出有继电器输出 晶闸管输出 晶体管输出三种形 式 具体选择哪种形式的输出应根据负载要求来决定 选择不当会使系统可靠性降低 严重时导致系统不能正常工作 如晶闸管输出只能用于交流负载 晶体管输出只能用 于直流负载 此外 PLC 的输出端子带负载能力是有限的 如果超过了规定的最大限值 必须外接继电器或接触器 才能正常工作 外接继电器 接触器 电磁阀等执行元件 的质量 是影响系统可靠性的重要因素 常见的故障有线圈短路 机械故障造成触点 不动或接触不良 这一方面可以通过选用高质量的元器件来提高可靠性 另一方面 在对系统可靠性及智能化要求较高的场合 可以根据电路中电流异常的情况对输出单 元的一些重点部位进行诊断 当检测到异常信号时 系统按程序自动转入故障处理 从而提高系统工作的可靠性 若 PLC 输出端子接有感性元件 则应采取相应的保护措 施 以保护 PLC 的输出触点 3 3 PLC 应注意的问题及解决方法 3 3 1 工作环境 1 温度 PLC 要求温度在 0 55 安装时不能放在发热量大的元件下面 四周通风散热的 空间应足够大 2 湿度 为了保证 PLC 的绝缘性 空气的相对湿度应小于 85 3 震动 应使 PLC 远离强烈的震动源 防止震动频率为 10 55Hz 的频繁和连续震动 4 空气 陕西航空职业技术学院机电工程系陕西航空职业技术学院机电工程系 20122012 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 26 避免有腐蚀和易燃的气体 可将 PLC 安装在封闭性较好的控制室或控制柜中 并 安装空气净化装置 3 3 2 安装与布线 1 PLC 应远离干扰源 不能与高压电器安装在同一个开关柜内 2 PLC 的输入输出最好分开走线 开关量与模拟量也要分开敷设 模拟量信号的 传送应采用屏蔽线 屏蔽层应一端或两端接地 接地电阻应小于屏蔽层的 1 10 3 交流输出线和直流输出线不要同一根电缆 输出线应尽量远离高压线和动力线 避免并行 3 3 3 外部安全 为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作 避免由于外部电源发生故障 PLC 出 现异常 误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故 PLC 外部应安装必要 的保护电路 1 急停电路 使 PLC 在发生故障时能将引起伤害的负载电源可靠切断 2 保护电路 正反向运转等可逆操作的控制系