机械手控制装置设计论文西门子S7-200

南通职业大学 2008 届毕业设计 - 1 - 目录 第一章 概要 . .课题的意义 . .文的主要工作 .择设计方案 . . 第二章 概述 .基本知识 . .门子 编程 语言 . 7 应用与前景 . . 8第 三章 制 程序 的设计 . . 电器设备的制方式及控制要求 . 11 器元件设备的选择 12 制系统的 硬件设计 . 15 制 系统的 软 件设计 . 18 第 四 章 设计小结 . 五 章 谢辞 . .考文献 . 通职业大学 2008 届毕业设计 - 2 - 第一章 概要 课题的意义 机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。 汽车业的快速发展，车外型愈求美观流线，并由于汽车外板件要求 完美无尘的冲压生产 线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要。 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门 的重视 。 本文主要做的工作 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。机械手就在这样诞生了 。机械手的设计与操作也显得日益重要。 设计的主要内容 （ 1 ）拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据； （ 2 ）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构； （ 3 ）选定 型号； （ 4 ）编制 输入 / 输出分配表或 绘制输入 / 输出端子接线图； （ 5 ）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计； 机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置； 本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由气压 驱动，并由电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则 。 机械手需要将工件从工作台 甲 移送至工作台乙 上，其动作过程为下降，上升，右移，再下降，再上升，左移。这些动作均由电磁阀控制液压系统来驱动完成 此外，机械手在夹送工件右行到位后，如果工作台 乙 上的工件尚未移走，机械手则停止运动，待工作台 乙 上的工件被运走后，机械手才能下降。 限为位开关 别对机械手的上升 ,下降 ,左转 ,右转进行限位 ,并给出了动作到位的信号 。 而夹紧 ,放松动作的转换则由时间继电器控制 。 另外还有光电开关检测工件是否移走 南通职业大学 2008 届毕业设计 - 3 - 择设计方案 目前 机械手的 控制 有两种方式，一 单片机 ，二 对 以下优点 ： 可编程控制器（）由于其具有的高可靠性、编程 方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用。 7列 西门子公司生产的具有高性价比的小型可编程序控制器，由于它具有结构小巧、可靠性高、运行速度快等特点，在许多行业中得到了广泛的应用。 有两代产品：第一代 块为 有 4 种类型主机，它们的 214、 215、 216；第二代 块为 有 4 种类型主机，它们的 222、 224、 226,不同类型的 有不同的技术特征。 活性是指其结构配置灵活，可根据控制任务配置大小、功能不同的扩展系统，使其使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的中小控制系统，应用领域广泛；多功能性一方面指它使用 供不同的编程语言和丰富的指令集，可以充分利用这些指令编写解决复杂任务的程序，另一方面它具有丰富的通信功能，使用户很容易地进行组网，其通信和实时性方面的优点，使它成为解决复杂自动化方案的理想控制设备。 也可 选择 基于 片机的机械手控制系统的设计 主要 实现 的是机械手控制系统在 片机中的实现问题 硬件接口的设计以及软件部分 方面进行了设计的构想。 但 在机械手的设计中单片机有一些缺点 于单片机系统的自保护能力差，因而需要配置较多的保护电路，以避免系统的崩溃。 然可以实现单片机的在线编程，但是这远远满足不了机械手殊的系统对程序的增减、修改及运行中的监视等灵活性的要求。这些不灵活方便的话，会导致现场调试与维护变得很麻烦。 电 子技术的发展，使得单片机系统的抗干扰能力得到了很大的提高，但是还是很难满足一些特殊场合，尤其是恶劣的环境下的抗干扰要求。 用 于 靠、使用与维护方便。 综 上所述本设计中采用 南通职业大学 2008 届毕业设计 - 4 - 第二章 概述 本知识 在自动化控制领域， 一种重要的控制设备。目前，世界上有 200 多厂家生产 300 多品种 品，应用在汽车（ 23%）、粮食加工（ 、化学 /制药（ 、金属 /矿山（ 、纸浆 /造纸（ 等行业。为了使各位初学者更方便地了解 文对 发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，以期对各位网友有所帮助。 一、 发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。 1968 年美国 用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次 采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 个人计算机（简称 展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 现在，仍常常将称 定义有许多种。国际电工委员会（ 定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑 运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 60 年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。 1976 年正式命名，并给予定义： 使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。经过 30 多年的发展， 十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。 统中的地位似乎已被确定并无多少争论。 为一个站挂在高速总线上。充分发挥 处理开关量方面的优势。另外，火力发电厂辅助车间，例如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等，在这些车间的工艺过程多以顺序控制为主。 于顺序控制有其独特的优势。编者以为，辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的 能与 行通讯交换信息的 优选对象 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期， 处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， 渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 统。 有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 二、 构成 南通职业大学 2008 届毕业设计 - 5 - 从结构上分， 为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 括 、I/O 板、显示面板、内存块 、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 三、 构成 核心，起神经中枢的作用，每套 少有一个 按 扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控 制信号，去指挥有关的控制电路。 要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成， 元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析 内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。 控制器控制 作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作 。 度和内存容量是 重要参数，它们决定着 工作速度， 量及软件容量等，因此限制着控制规模。 四、 I/O 模块 电气回路的接口，是通过输入输出部分（ I/O）完成的。 I/O 模块集成了 ，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 统，输出模块相反。 I/O 分为开关量输入（ 开关量输出（ 模拟量输入（ 模拟量输出（ 模块。 开关量是指只有开和关（或 1 和 0）两种状态的信号，模拟量是指 连续变化的量。常用的 I/O 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 22011024隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（ 4电压型（ 010，按精度分，有 1246。 除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 I/O 点数确定模块规格及数量， I/O 模块可多可少，但其最大数受 能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机 架槽数限制。 按 I/O 点数分类 根据 I/O 点数的多少，可将 为小型，中型和大型三类 （ 1） I/O 点数 2048 点，多 16 位、 32 位处理器，用户存储器容量 87 德国西门子公司 司 立石公司 三菱公司 五、电源模块 源用于为 模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（ 220 110直流电源（常用的为 24 六、底板或机架 大多数模块式 用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使 访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 七、 统的其它设备 1、编程设备：编程器是 发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控 控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普 及。 3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如 入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 八、 通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出 网络就是控制器 的观点说法。 有通信联网的功能，它使 间、 上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数 有 口，还有一些内置有支持 各自通信协议的接口。 通信，还未实现互操作性， 定了多种现场总线标准， 厂家均有采用。 对于一个自动化工程 (特别是中大规模控制系统 )来讲，选择网络非常 重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准 南通职业大学 2008 届毕业设计 - 7 - 门子 编程语言 可编程控制 器的编程语言按 际标准来分主要包括图形化编程语言 文本化编程语言。图形化编程语言包括 :梯形图 (功能块图(顺序功能图 (文本化编程语言包括 :指令表 (结构化文本 (这些语言是基于 作系统的编程语言 程语言则在两类编程语言中均可使用。下面分别 来 介绍 这 几种编程语言。 不同的商家的 不同的编程语言，但就某个商家而言， 编程语言也就那么几种。下面，以西门子 编程语言为例，说明一下，各种编程语言的异同。 1、顺序功能图（ 这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：机械手控制程序）。编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。 西门子 的该编程语言是 2、梯形图 编程语言 （ 梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是 程中被最广泛使用的一种图形化语言，由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图，便于理解 ,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。而且其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右侧的电力轨线。每一个触 点代表了一个布尔变量的状态，每 一个线圈代表了一个实际设备的状态 . 这是使用使用最多的 程语言。因与继电器电路很相似，具有直观易懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握，特别适合于数字量逻辑控制。 梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。触点代表逻辑输入条件，线圈 代表逻辑运算结果，常用来控制的指示灯，开关和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或数学运算等附加指令。 在程序中，最左边是主信号流，信号流总是从左向右流动的。 不适合于编写大型控制程序。 一个简单的梯形图程序如图 示 : 图 形图表示的 序实例 梯形图的每个梯级表示一个因果关系 ,事件发生的条件表示在梯形的左面 ,事件发生的结果表示在梯级的右面。 梯形图编程语言具有如下特点 : (1) 与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性 ; 南通职业大学 2008 届毕业设计 - 8 - (2) 与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习 ; (3) 对于复杂控制系统描述 ,仍不够清晰 ; (4) 可读性仍不够好。 几乎所有 商提供的 支持梯形图编程语言 ,而且都比较容易理解，只是在梯形图结构上可能稍有变化。比如西门子的 列梯形图就没有右 边的电力轨线。有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略。 3、功能块图（ 功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能，不同的功能模块具有不同的功能。功能模块用矩形来表示，每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端，右侧有不少于一个的输出端。功能模块的类型名称通常写在块内，其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方。 功能模块基本上分为两类 :基本功能模块和特殊功能模块。基本功能模块如等 N 延时，脉冲输出， 计数器等等。 功能块编程语言具有以下特点 : (1) 以功能模块为单位 ,从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变的容易 ; (2) 功能模块用图形化的方式描述功能，较直观易掌握，方便组态，易操作。是有发展前途的一种编程语言 ; (3) 对较复杂系统，由于控制功能关系能够比较清晰的描述，因此缩短了编程和调试时间 ; (4) 因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间，对功能块的执行需要一定的执行时间，因此，这种语言在大中型可编 程控制器 和 分散控制系统中应用较广泛 功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑 ，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。 图 功能图表示的 序实 例 4 语句表（ 是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语言表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。 如表 语句表表示的 序实例 应用与前景 目前，在国内外 广泛应用冶金，石油，化工，剪彩，机械制造，电力，汽车，轻工，环保及文化娱乐等各行各业，随着 能价格 的不断提高，器应用领域不断扩大，从应用类型看大致可归纳为以下几个方面： 南通职业大学 2008 届毕业设计 - 9 - 强量逻辑运算 利用 基本的逻辑运算，定时，计收等功能实现逻辑运算，科取代传统的继电器控制用于单片机控制，多机群控制，生产自 动线控制等。例：机床，注塑机印刷机械，装配生产线，电镀流水线及电梯的控制等。这是 基本的应用，也是 广泛的应用领域。 2、 运动控制 大多数 有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能广泛用于各种机械设备。例如：各种机床，装配机械。机器人等进行运动控制。 3、 过程控制 大，中型 具有多路模拟量 I/O 模块和 制功能。有的小型 具有模拟量输入输出，所以 实现模拟量控制而且具有 制功能的 构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于铝炉，反应堆 ，水处理，酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面。 4、 数据处理 现代的 具有数学运算数据传递，转换，排序和查表等功能，可进行数据的采集，分析和处理，同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置。例如： 5、 通信联网 通信包括 计算机， 其它智能设备之间的通信，统与通用计算机可直接或通过通信处理单元，通信转换单元相连构成网络，已实现信息的交换和构成。集中管理分散控制的多级分布式控制系统。满足工厂自动化（ 统发展的需要。 国外 展概况 问世以来，经过 40 多年的发展。在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有 200 多个厂家生产 多的有美国：用电气、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、欧姆龙等；德国：西门子公司；法国： 耐德公司。韩国：三星、 司等 发展前景 （ 1）产品规模向大小两个方向发展 大： I/O 点数达 14336 点， 32 位微处理器，多 行工作 ，大容量存储器， 扫描速度快高速； 小：整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本； （ 2） 闭环过程中应用日益广泛； （ 3）不断加强通讯功能； （ 4）新器件和模块不断推出 目前， 国内外都已得到了广泛的应用。利用 基本的逻辑运算 数等动能进行逻辑控制。可以取代传统的继电器控制系统，广泛用于机床，印刷机。装配生产线，电动流水线及电梯等的控制。 较高档次的 有位置控制模块，得别适用于机床控制。大。中型 有多路模拟量输出和 制，可构成模拟量输出的闭环控制系统，用于过 程控制。 随着计算机控制技术的发展，国外近几年兴起自动化网络系统， 间，上位机之间连成网络，通过光缆传送信息，构成大型的多级分布式控制系统 (集散控制系统 ) 南通职业大学 2008 届毕业设计 - 10 - 我国使用较多的 品 德国西门子的 列，日本 司的 C 系列，三菱公司的 列，美国 司的 列等。各大公司生产的的可编程序控制器都形成由小型到大型的系列产品，而且随着技术不断进步，产品更新换代很快。通过技术引进，合资生产，近年来，我国的 品有了一定的发展，生产厂家也达 30 多家，为可编程序控制器国产化奠定了 基础。 从可便程序控制器的发展来看，有小型化和大型化两个趋势。小型 两个发展方向，即小（微）型化和专业化。随着数字电路集成度的提高，元器件体积减小。质量提高，可编程序控制器结构更加紧凑，设计制造水平的功能在不断进步。微型化的 能也大有提高。过去一些大中型 有的的功能，如模拟量的处理，通信， 节运算等，均可以被移植到小型机上，同时 价格不断下降，将真正成为继电 大型化指的是大型 着大容量，智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制 ，对大规模，复杂系统进行综合性的自动控制。 南通职业大学 2008 届毕业设计 - 11 - 第三章 制 程序 的设计 电器设备的控制方式及控制要求 1 机械手的技能和特性 根据 力学观点，物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定的。因此，抓握物体的位置和方向（即关节间的角度）能从理论上求得。据资料介绍，如果采用的机械手，其机能要接近人的上肢，则需要具有 27 个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”。这样就需要安装 27 根重量轻、小型和高输出力的“人造肌肉”。就目前的技术状况而言，上述功能还 很难办到。而且把机械手的功能搞得那么复杂，动作彼此严重重叠也是完全不必要的。退一步，如果机械手要求具有完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共就要有 24 个自由度。这在实际上也是不必要的，这样会使机械手结构复杂，费用增多。因此，不应盲目模仿人手的动作，增加过渡的自由度，而应根据实际需要的动作，设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作。所以一般专用的机械手（不包括握紧动作）通常具有二到三个自由度。而通用机械手一般取四到五个自由度。 本设计中设计的机械手，它共有五个自 由度。即： 手臂伸缩、 手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓握。 2 躯干和传动系统 机械手的传动分为液压、气压、电气和机械四种，本设计采用综合传动方式，即手臂采用电气传动，而手爪则采用气压传动。 (1) 夹紧机构 机械手手爪使用来抓取工件的部件。手爪抓取工件是要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。设计制造夹紧机构 手爪时，首先要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度的情况来考虑。其加紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化 ，为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力应限制一定的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然停电被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和动作可靠。 夹紧机构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式的夹紧机构。 机械式夹紧机构是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、 直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式气动手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的张闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位，一般可设置在 180 度。 (2) 躯干 躯干由底盘和手臂两大部分组成。 底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手每旋转 3 度发出一个脉冲，由传感器 检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达 270 度。 南通职业大学 2008 届毕业设计 - 12 - 手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构。本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成伸缩、升降的运动。手臂采用 气动电磁阀 带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出脉冲信号，带动滚珠丝杠旋转，完成手臂的运动。改变发出脉冲的个数，可控制手臂的两个轴运动的距离。同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁，位置精度较高，传动效率较高。 气 元 件、设备的选择 1、 输入 /输出的点数： I/O 点数可以衡量 模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计 I/O 点数基础上，一般应加上 10%备用点数。多数小型 整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的 用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。 (1) 输入设备 本设计中应包括：操作方式转换开关：该开关应有手动、单步、单周期、连续等四个位置可供选择。手动时运动选择开关：该开关应有上 /下，左 /右，夹紧 /放松等三个位置可供选择。起动、停止及复位按钮。 开关及按钮在操作屏上的布置 所示 。 位置检测元件：机械手的运动是按行进程原则进行控制的。其上限、下限、左限、右限的位置分别用限位开关来检测。 无工件检测元 件：右工作台上无工件用光电开关来检测。 (2) 输出设备 由 输出信号驱动的执行元件。 本设计中应包括下降电磁阀、上升电磁阀、右移电磁阀、 左移电磁阀、夹紧电磁阀。 为了对机械手处于原点进行指示，还可以配置一个原点的指示灯。 各输出设备的配置如图 示。 根据所确定的用户输入设备及输出设备，可画出 I/O 连接图， 由图可见，需要 19 点输入， 6 点输出。 此外，还应考虑用户储存器的容量、 处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。 本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进店动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。 列具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性 能要求，因此，本系统采用 列 输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。由于输入输出点不够，扩展一个 块。 由机械手执行机构可知 1）输入为 19 关量信号。由限位开关，按纽，光电开关组成。 2）输出为 6 个开关量信号。右 24V 电液控制，液压驱动线圈和指示灯组成。 2、 型的选择 根据被控对象对 制系统的功能要求，可进行 号的选定。 型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。 南通职业大学 2008 届毕业设计 - 13 - 在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构 的 它情况则最好选用模块式结构的 而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现 算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全 分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象， 对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的 于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量 的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台 成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。 进行 型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的 可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入 /输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的装置等。 该机械手的控制为纯开关量控制，且所要的 I/O 点数不多，因此选择一般小型抵挡机即可。 在设计中 三种选择模块即 22， 26 22 本机集成 8 输入 /6 输出共 14 个数字量 I/O 点。可连接 2 个扩展模块。 6K 字节程序和数据存储空间。 4 个独立的 30速计数器， 2 路独立的 20速脉冲输出。 1 个 讯 /编程口，具有 讯协议、 讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。 本机集成 14 输入 /10 输出共 24 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。 13K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的 30速计数器， 2 路独立的 20速脉冲输出，具有 制器。 1个 讯 /编程口，具有 讯协议、 讯协议和自由方式通讯能力。 I/具有较强控制能力的控制器 。 26 本机集成 24 输入 /16 输出共 40 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。 13K 字节程序和数据存 储空间。6 个独立的 30速计数器， 2 路独立的 20速脉冲输出，具有 制器。 2个 讯 /编程口，具有 讯协议、 讯协议和自由方式通讯能力。 I/于较高要求的控制系统，具有更多的输入 /输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。 由于所要的 I/O 点数为 19/6 点，考虑到机械手操作的工艺固定， I/O 点基本上可不留裕量。根据资料的机型，根据控制要求， 制系统选用 司列 因为此次设计 I/O 为 19/，另外选择扩展模块 规格 路数字量 入 3、 电源模块的选择： 采用 列开关电源。其特点是输出功率大，体积小，重量轻，可靠性高，适应宽范围的输入电压波动，具有完备的过电压、过电流保护功能。 主要参数： 输入交流电压： 110220V/5060通职业大学 2008 届毕业设计 - 14 - 输出直流电压： 24V/大功率： 156W 工作环境： 0 度 4、 电气元件 的选择 选择 用户输入设 备 (按钮、操作开关、限位开关、传感器等 )、输出设备 (继电器、接触器、信号灯等执行元件 )以及由输出设备驱动的控制对象 (电动机、电磁阀等 )。这些设备属于一般的电气元件。 （ 1） 在设计中用到了行程开关 ， 行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行 程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。 行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。 在本次设计中采用 直动式行程开关 直动式行程开关 其动作原理与按钮开关相同，但其触点的分合速度取决于生产机械的运行速度，不宜用于速度低于 0 4m 场所。 直动式行程开关 包扩 1 推杆 2 3 4 在设计中为限制机械手的上行限制位置，采用上限行程开关。限制机械手的下行限制位置，采用下限行程开关。同样 的也选择了左限，右限行程开关。 （ 2） 电磁阀里 有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。 电磁阀是用来控制 流体 的 自动化基础 元件 ，属于 执行器 ；并不限于液压，气动 。 电磁阀 分为 直动式电磁阀 ,分布 直动式电磁阀 ,先导式电磁阀 在设计中采用 直动式电磁阀 直动式电磁阀 原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过 25 ( 3) 传感器 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 ”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、 显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理 (传感器工作的基本物理或化学效应 )；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ： 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 南通职业大学 2008 届毕业设计 - 15 - 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ： 在设计中 采用 红外传感器 利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外系统的组成、主要光学系统和辅助光学系统红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。 红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温 度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。 红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类 1、 辐射计，用于辐射和光谱测量； 2、 搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪； 3、 热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像； 4、 红外测距和通信系统； 5、 混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。 （ 4）在自动控制系统中，有时需 要继电器得到信号后不立即工作，而是延顺一段时间后再动作并输出控制信号，以达到按时间顺序进行控制的目的。时间继电器就可以满足这种要求。 间继电器 是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型等。 时间继电器原理 在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器 ,它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。 时间继电器类型 时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。 时间继电器：当加上或除去输入信号时，输出部分需延时或限时到规定的时间才闭合或断开其被控线路的继电器。 a,电磁时间继电器：当线圈加上信号后，通过减缓电磁铁的磁场变化而后的延时的时间继电器。 b,电子时间继电器：由分立元件组成的电子延时线路所构成的时间继电器，或由固体延时线路构 成的时间继电器。 c,混合式时间继电器：由电子或固体延时线路和电磁继电器组合构成的时间继电器。 制系统的 硬件设计 1. 控制要求 机械手移动工作动作示意图 示。机械手需要将工件从工作台 A 移送至工作台 动作过程为下降，上升，右移，