毕业设计（论文）-装配生产线液压自动搬运机械手的设计

PAGEPAGE1第1章绪论1.1工业机器人的简介工业机器人是机械技术、电子技术与计算机技术有机结合在一起形成的一种机电一体化的产品，从其诞生起就受到人们的关心与重视。经过几十年的发展，目前工业机器人技术已经很成熟。工业机器人已从最初在解决劳动密集型工业中单调、重复的体力劳动发展到满足制造业自动化规模生产需要的工作。其应用领域不断扩大，从最初主要应用于汽车工业发展到现在涉及制造业的各个行业。目前我国国民经济的快速发展，先进制造业已进入一个新的发展阶段。随着经济全球化，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题，这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。近几年来，国外著名的工业机器人制造厂商纷纷加大了在我国的投资和应用技术的投入，对我国的国产工业机器人产业的发展带来了严峻的挑战。我国政府非常重视机器人技术的发展，从“七五”科技攻关及实施863计划开始，就有计划地组织和发展工业机器人事业，经过20多年的研制和应用，目前在工业机器人的一些机种方面，如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定水平的技术队伍，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础。但是，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外九十年代中期的水平。目前工业机器人的生产规模仍然不大，多数是单件小批生产，关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态，工业机器人的性价比较低。我国整体装备制造水平不高，制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展。尽管中国工业机器人的需求在逐年增加，但要能为用户提供高质价廉的工业机器人商品，目前在我国尚有较长的路程。首先为了促进中国工业机器人产业的发展，必须在以市场需求为主的前提下，国家在政策上鼓励企业在技术投入和技术改造方面应用国产工业机器人。同时转变现有的机制，建立以适应市场经济所需的工业机器人的产业基地。其次，在国家的科技发展规划中，应继续对工业机器人的研究开发和应用关键、基础部件的研究和产品化给予支持，形成产品和自动化制造装备同步协调发展的新局面。第三，结合我国的国情，加强我国工业机器人应用工程的开发，使之与国民经济的发展密切相结合。经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业。如果说20世纪90年代机床创新的最大成就是发明并联机床的话，那么当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。机器人与机床相结合，以往主要是解决工件自动上下料搬运问题，致使机床得以无人化24小时连续运转。如擅长专机制作的意大利COMAU公司，他们比较成熟地将缸体及缸盖生产线中的零件搬运，设计成由机器人完成。当然，对工件的抛光打磨、清洗及其它脏、累活也是机器人表现的舞台。去年9月在汉诺威EMO2005展览会上，工业机器人的应用非常抢眼，而且它应用的领域也在扩大。然而在这次CCMT2006展览会上，值得一机器人应用是当今机床发展的一大趋向提的是1号馆W1-916意大利意沃乐EVOLUT公司，这个欧洲最大的机器人应用与集成公司，他们的一台DC-5机器人修边、倒角装置特别引人注目。该机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺，甚至机器人可以加装动力源用刀具对零件进行加工，因此它已将机械人传统的搬运、喷漆、焊接工作范围扩展到了金属切削及抛光领域。工作单元还可以配备各种上料方式：如带视频装置可抓取随机摆放的工件，或以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。DC-5工作单元可以处理的最大负荷为120/150kg。适宜加工的金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。可以代替至少四个工人的工作量。3D编程软件将以往8小时编程时间缩减为15分钟，为小批量多品种的工件提供最好的解决方案。意沃乐公司除此以外最常涉足的领域还有用于压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、零件抛光单元上的各种机械人应用等等。随着社会的不断发展和进步，势必劳动力的成本将越来越高，对环保及安全的要求将越来越严，所以工业机器人的应用必将与时俱进。而且，由机器人干出的工件，譬如说打磨，其零件的一致性肯定比人工来得好，因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步，规定必须由机器人来操作。由此看来，工业机器人在机床上的应用会将越来越广。1.2机械手概述机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，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）宇宙及海洋的开发。（6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。由于以上诸多原因，因此在装配生产线上我们用液压自动搬运机械手来完成目的。1.3液压技术的特点及发展趋势液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。随着生产自动化程度的不断提高，液压技术应用面迅速扩大，液压产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家，液压元件产值以接近液压元件的产值，而且仍以较快的速度在发展。液压工业的高速增长，进一步刺激了液压技术的发展。液压技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展。1.4液压系统传动原理液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等。其中液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。液压泵依靠容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。齿轮泵是最常见的一种液压泵，它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵，在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。液压执行元件是用来执行将液压泵提供的液压能转变成机械能的装置，主要包括液压缸和液压马达。液压马达是与液压泵做相反的工作的装置，也就是把液压的能量转换称为机械能，从而对外做功。液压控制元件用来控制液体流动的方向、压力的高低以及对流量的大小进行预期的控制，以满足特定的工作要求。正是因为液压控制元器件的灵活性，使得液压控制系统能够完成不同的活动。液压控制元件按照用途可以分成压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀。按照操作方式可以分成人力操纵阀、机械操纵法、电动操纵阀等。液压作为一个广泛应用的技术，在未来更是有广阔的前景。随着计算机的深入发展，液压控制系统可以和智能控制的技术、计算机控制的技术等技术结合起来，这样就能够在更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的控制任务。1.5本课题设计目的目前在装配生产线上应用的自动搬运机械手（上下料装置）主要采用伺服电机的驱动方式，因为电动伺服技术是一项比较成熟的技术，能够实现系统在直线运动和转动状态下的精确定位，通过与一些机械装置的结合，可以输出较大的功率。采用伺服电机虽然可以达到很高的定位精度，但价格非常昂贵，且工作效率较低，因此限制了自动装卸机械手在装配生产线上的广泛应用。制造行业提出了能否用其他技术可行、成本更低的机械手来替代采用伺服电机机械手的实际问题。本课题设计的目的就是采用低成本、抓取力量大和易于控制的液压来组成液压机械手，最终实现装配生产线上工件的自动搬运。1.6本课题设计内容本课题要设计一套3自由度液压装卸机械手，主要的设计有以下几个方面：（1）确定机械手的总体结构根据装配生产线搬运机械手的特点，确定液压搬运机械手的总体方案，保证机械手在空间有限位置的定位。然后根据考虑的总体方案确定机械手的总体结构，可采用模块化的设计，将机械手分为若干个模块，对各个模块进行设计，最后把这些模块拼装起来组成机械手。（2）设计机械手的部分零部件根据所设计的驱动系统，设计和选择机械手的部分零部件。（3）设计机械手的控制系统一般来说，设计机械手的控制系统需要考虑以下几点：1）确保机械手有足够的定位精度；2）控制机械手的运行速度，既要使时间最优化，又要考虑是否会产生惯性冲击或震动；3）考虑控制系统的成本。根据以上几点要求及机械手各部分的功能需求来设计机械手的控制系统。第2章液压式搬运机械手方案设计2.1液压式搬运机械手的组成及各部分关系概述机械手主要由执行系统、驱动系统、控制检测系统及智能系统几部分组成：(1)执行系统：执行系统是机械手完成自动搬运，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、机身、机架等。①手部：机械手为了进行作业而配置的操作机构，又称手爪或抓取机构，它直接抓取锌锭。②机身：机械手的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、位移。③机架：机身的支撑部件，其作用是使机身按其预定轨道实现Y方向的位移。(2)驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其运动的装置。常用的有液压传动、气压传动和电传动。(3)控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。(4)检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。2.2液压式搬运机械手方案设计2.2.1设计要求通过设计机械手，培养综合运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法分析能力和解决问题的能力。该机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动的操作空间，利用液压马达驱动和齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用一个液压缸，使手臂实现上下升降运动；用一个液压缸实现手臂的伸缩；末端夹持器则采用滑槽杠杆式，用小型液压缸驱动夹紧。手臂在水平方向的移动行程为，由液压缸驱动；腰部机构升降行程为，由液压缸驱动。抓取工件为圆柱形轴，外形尺寸为直径，长度。2.2.2总体方案拟定根据设计要求确定总体方案：液压机械手采用圆柱坐标型，具有3个自由度的液压搬运机械手驱动系统：液压传动控制系统：PLC控制图2-1机构简图与其他类型的机械手相比，液压机械手具有反应迅速、抓取力量大、易于控制、定位精度高等特点。本课题拟设计一套3自由度液压搬运机械手，该机械手是应用于某企业的装配生产线的搬运机械手，企业原装配生产线采用有5个自由度、伺服电机驱动的机器人来完成此工作。原机器人控制复杂、价钱昂贵、运行速度较慢，因此本次设计改用由PLC控制的3自由度液压机械手来代替原有的机器人。第3章液压搬运机械手的系统设计3.1液压机械手执行机构设计3.1.1末端操作器设计工业机器人的末端操作器设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。设计时要注意的问题：a.末端操作器应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。b.末端操作器应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。c.应能保证工件在末端执行机构内准确定位。d.结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。总体结构设计采用滑槽杠杆式回转型夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。滑槽杠杆式回转型夹持器，当驱动器推动杆6向上运动时，圆柱销5在两杆3的滑槽中移动，迫使与支架3相铰接的两手指（钳爪）产生夹紧动作和夹紧力。当杆6向下运动时，手指松开。1-V形指2-工件3-支架4-铰销5-圆柱销6-驱动杆图3-1末端操作器液压油缸的选择和夹紧力的校验a.初选油缸型号考虑到所要夹持的是比较小的零件，最大工作载荷很小，故初选液压缸型号为Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q.表3-1冶金设备标准液压油技术规格缸径/mm活塞杆直径/mm油口直径速度比通径/mm联接螺纹1.46240222810M18x1.5夹紧力校验零件的计算:根据体积公式、质量公式和重力公式可得：其中g取9.8取G=24（N）2)紧力的计算：试选活塞杆直径为22mm.要夹持住零件必须满足条件：f为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为圆柱形物件，手指为钢材，查文献［5］f=0.15，N为作用在零件内壁上压紧力，G为零件重力。所以取=80（N）由文献［5］式4-56可知驱动力的计算公式为： 取，为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，查文献［5］表2-2这里取0.85b=90.8mm,l=154.53mm。所以取p=150(N)按文献［2］公式4-15D为液压缸的内径(m)，P为工作压力（Pa）,由文献［6］表9-1表3-2负载F/N<50005000～1000010000～2000020000～3000030000～50000>50000工作压力p/MPa<0.8～11.5～22.5～33～44～5>5～7根据设计需要试取p=0.5MPa。由文献［2］附表3可查得：=0.9～0.95,所以由以上计算可知液压缸能产生的推力F=565N大于夹紧工件所需的推力P=150N。所以该液压缸能够满足要求。3.1.2手臂机构的设计手臂的设计要求手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求：a.根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。b.尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。c.要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。本设计手臂直接联接在底座升降液压缸上，结构简单，装拆方便，尾部设置导向杆，以防止活塞杆转动，确保手臂随机座一起转动。伸缩液压油缸的选择初选液压缸型号为Y-HG1-C50/36×400LE4HL1Q，它的主要技术参数如表3-2。表3-3冶金设备标准液压油技术规格缸径/mm活塞杆直径/mm油口直径速度比通径/mm联接螺纹1.46250283610M18x.3活塞杆的强度校核由表3-3，试选取活塞杆直径为28mm.末端操作器的重量约为：12Kg。工件重量为：2.38Kg。由静力平衡方ΣMB=0R1·LAB－Q·LBC=0ΣMA=0R2·LAB－Q·LAC=0求得支反力为：R1=292NR2=628.93N以A点为坐标原点，得剪力图和弯矩图如下：图3-2剪力图和弯矩图由文献［8］附表[5]查得活塞杆[τ]=140MPa,[σ]=240MPa.则在B处横截面上的剪应力为：=R2/A=安全。在B处的弯应力为：σB=MB/A=安全。3.1.3腰部和基座设计轴承的选取圆锥滚子轴承作为机座的支承原件，具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩）、装置方便等特点。该种轴承主要承受以径向为主的径、轴向联合载荷。轴承承载能力取决于外圈的滚道角度，角度越大承载能力越大。该类轴承属分离型轴承，根据轴承中滚动体的列数分为单列、双列和四列圆锥滚子轴承。图3-3圆锥滚子轴承表3-3轴承参数轴承代号尺寸3292613018032302齿轮的选取根据设计需要，由文献［9］附表1我们选取齿轮材料为20Cr且经渗碳淬火，接触材料系数：KHC=0.86弯曲材料系数KFC=0.97。齿轮的参数如下表所示表3-4齿轮的参数名称代号小齿轮大齿轮分度圆直径d80152齿数z2038大端模数m4节锥角27.759o62.241o锥距R85.882齿宽b26齿距p12.56工作齿高h’6.8齿高h7.552齿顶高4.5282.272齿跟高3.0245.28顶隙c0.725齿跟角2.017o3.518o齿顶角3.018o1.515o顶圆锥角30.777o63.756o跟圆锥角25.742o58.723o齿顶圆直径88.014154.116冠顶距73.89137.989大端分度圆弧齿厚s7.5834.977法向侧隙46第4章液压驱动系统的设计和PLC简述机械手的驱动系统，按动力源分为液压、气压和电动三大类。根据需要也可以是这三种基本类型组成复合式的驱动系统4.1各种驱动系统的特点（1）液压驱动系统由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机械手。（2）气动驱动系统具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等特点，适用于中、小负载的系统中。但难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手。（3）电动驱动系统由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲调制器）的广泛应用，这类驱动系统在机械手中被大量选用。4.2机械手驱动系统的选择原则设计机械手时，选择哪一类驱动系统，要根据机械手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下机械手驱动系统的选择按如下原则：（1）物料搬运用有限点位控制的程序控制机械手，重负载的可选用液压驱动系统，中等负载的可选用电动驱动系统，轻负载的可选用气动驱动系统。（2）用于点焊和弧焊及喷漆作业的机械手，要求具有任意点位和轨迹控制的功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服驱动系统才能满足要求。根据设计要求，在本设计中选用液压驱动系统。4.3液压驱动系统的设计4.3.1液压系统传动方案的确定（1）各液压缸的换向回路为了便于机械手的自动控制，如采用可编程控制器或微机进行控制，由于系统的压力和流量都不高，因此一般都选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。液压机械手一般采用单泵或双泵供油，手臂伸缩、手臂俯仰机构采用并联供油，这样可有效降低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀需采用中位“O”型换向阀。（2）调速方案整个液压系统只用单泵或双泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用液压泵的全流量工作是无法满足设计需要的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸运动的平稳运行。各缸可选择进油路或回油路节流调速，因为系统为中低系统，一般适宜选用节流阀调速。机械手的手臂伸缩和手臂升降缸采用两个单向节流阀来实现，如图4.1所示。若只用一个节流阀调速时，则进油达到最大允许速度来调节。当无杆腔进油时，其速度就小于最大允许速度，但仍符合设计需求。图4-1双向节流系统在一般情况下，机械手的各个部位是分别动作的，手臂伸缩缸及手臂升降缸所需流量较为接近，这样不但可以选择如图4.2所示的单泵供油系统，也可选择如图4.3所示的双泵供油系统。单泵供油系统要以所有液压缸所需的最大流量来选择泵的流量。优点是系统较为简单，所需的元件较少，经济性好。缺点是当需流量较少的液压缸（如手夹紧缸）动作时，系统的溢流损失较大，能源利用率较低。对于系统功率较小的场合是可取的。图4-2单泵供油系统图4-3双泵供油系统双泵供油系统，它在需要大流量动作的缸运动时，双泵同时为其供油，在需要小流量动作液压缸时，则用小流量泵供油，而大流量泵低压卸荷。双泵供油系统避免了溢损失过大，而且可以用双联泵代替双泵，其优缺点与单泵供油系统相反。（3）系统安全可靠性手臂升降缸在系统失压情况下会自由下落或超速下行，所以应在回路中增加平衡回路，方法可用单向顺序阀做平衡阀。夹紧缸在夹紧工作时，为防止夹紧缸压力受系统压力波动的影响或过高，导致夹紧力过大损坏工件，或过低无法夹紧工件，造成意外的安全事故，需在油路上增加减压阀保证夹紧缸的压力恒定不变。（4）液压系统的合成和完善在上述主要液压回路选好后，再配上其它功能的辅助油路（如卸荷、测压等油路），就可以进行合并，完善为完整的液压系统，并编制液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表。4.3.2拟订液压系统（1）换向回路：选用“O”型三位四通电磁换向阀。选电磁阀便于电控，选中位为O型使定位准确。如图4.5所示。图4-5换向回路（2）调速方案:本系统为功率较小的系统，故可选用简单的进油路节流调速。同样理由可以选用单泵供油，力求获得较好的经济性，如图4.6。图4-6进油节流调速回路（3）系统的安全可靠性:为防止手臂伸缩缸因自重而下滑，都采用单向顺序阀来平衡。（4）合成并完善液压系统:如液压系统原理图所示，原理图如图纸所示，各电磁铁的动作顺序附后。附：各元件选取见下图--液压系统原理图。图4-7液压系统原理图各电磁铁动作顺序如下表：表4-1液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表动作循环电磁铁1234567手臂伸缩伸出+缩回+手臂升降上升+下降+夹紧夹紧+松开+原位卸荷+注：电磁铁的序号见液压系统原理图。4.4PLC简述4.4.1PLC的概念可编程控制器，简称PLC(ProgrammableLogicController)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。4.4.2PLC的应用领域目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：开关量逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，他取代传统的继电器电路，可实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线和电镀流水线等。模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的A／D转换和D/A转换。PLC厂家都生产配套了A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。运动控制PLC可以用于圆周运动和直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/0模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块，可驱动液压缸或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人和电梯等场合。闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量之间的A/D，D/A转换，并对模拟量进行闭环PID控制，可用PID子程序来实现，也可使用专用的PID模块。当控制过程中任一个变量出现偏差时，PLC就按PID的算法计算出正确的输出去控制生产过程，使变量保持在定值上。PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。定时记数控制PLC具有定时记数控制功能，能保证控制系统所要求的定时和延时以及记数，它可提供十个甚至几百个计时器和计数器，其计时的时间、计数值可以由用户在编写程序时设定，也可由操作员在工业现场通过编程器进行设定。通信和联网PLC具有通信功能，因此PLC可单机控制，也可多机控制；可对远程I／O进行控制，又能实现PLC与PLC，PLC与计算机之间的通信；可实现“集中管理，分散控制”，是实现工厂自动化的理想控制器。目前PLC与PLC的通讯网络是各厂家专用的。PLC与计算机之间的通讯，一些PLC生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢。4.4.3PLC的分类PLC生产厂家及产品很多，为便于用户对一个已知应用来讲选择最合适的PLC，厂商通常通过杂志或其他途径，定期地将不同功能与特性的PLC列表进行比较，表中的内容大体有：总I/O点数，最多开关量I／O点数，最多模拟量I／O点数，继电器梯形逻辑图，高级语言，PID功能，远动控制，文件编制功能，数据总线，接口类型，扫描速度，存储器类型与容量，以及CPU类型与工艺等。为适应用户的不同应用要求，很多厂家均开发生产了相互有关连的系列产品，为区别PLC的综合特性，通常以下述两种办法分类：按I/O点数容量分类一般而言，处理的I/O点数多，则控制关席比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC指令及其他功能比较多，指令执行的过程比较快等。按PLC的输入、输出点数的多少可分为以下三类。·小型机：I／O总点数一般在256点以下，用户程序的存储量在4K字左右。现在高性能PLC还具有一定的通信能力和少量的模拟量处理能力。这类PLC的特点是价格低廉，体积小巧，适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。典型的小型机有SIEMENS公司的S7—200系列、OMRON公司的CPM2A系列和MIT-SUBISH公司的FX系列等整体式PLC产品。·中型机：I／O总点数在256～2048点之间，用户程序的存储量在8K字左右。中型PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，他的通信功能和模拟量处理能力更强大。其指令比小型机更丰富，实用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控制场合。典型的中型机有SIEMENS公司的S7—300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。·大型机：I／O总点数在2048点以上，用户程序的存储量在16K字以上。大型PLC与工业控制计算机性能相当，它具有计算、控制和调节的功能，还具有强大的网络结构和通信联网能力。它的监视系统采用CRT显示，能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，PID调节参数等；它配备多种智能板，构成仪态多功能系统。典型的中型机有SIEMENS公司的S7—400系列、OMRON公司的CVMI系列、AB公司的SLC5/05等系列PLC产品。下述两个方面应注意：一是微型PLC的产量增长迅速，占领了整PLC市场的25％。主要使用于不连续I／O状况，不需在通信与其它先进功能，如应用于单台机床控制等场所；二是随着PLC技术的不断发展，划分PLC规模的I／O点数的界限不断向上增移。这是由于PLC的结构没计是为了适应各种用户需要，通常是设计成可扩展性的，并且随着微电子技术与通信技术的发展，处理机的性能及其通信能力也在不断扩大所造成的。4.5PLC的工作原理PLC有两种基本的工作状态，即运行状态（RUN）与停止状态（STOP）状态。PLC在运行(RUN)工作模式时，反复不停地重复执行图所示的5个阶段的任务；在停止(STOP)工作模式时，只执行上面两个阶段任务。PLC这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式，或称为扫描循环(ScanCYc1e)。在内部处理阶段，PLC完成硬件自检测和将监控定时器复位等内部工作。在通信服务阶段，PLC处理与计算机、编程器和别的智能装置的通信。响应通信命令，更新编程器的显示内容。在PLC的存储器中设置了一片区域，用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器(见图2)。PLC梯形图中其他的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，PLC将外部输入电路的接通／断开状态读入并输入映像寄存器。外部输入电路接通时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开，反之亦反。在程序执行阶段，即使外部输入电路的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。在输出处理阶段，CPU将所有输出映像寄存器的值送到输出模块。梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作，反之亦反。PLC的梯形图程序就是这样通过输入、输出映象寄存器与外部输入电路和外部负载联系起来的。扫描过程PLC的外部接线图与梯形图图4-8执行程序时，读写的是输入／输出映象寄存器的值，而不是直接对实际的I／O点进行操作，这样做有以下好处：1、程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出映象寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。2、用户程序读写I／O映象寄存器比读写I／O点快得多，这样可以提高程序的执行速度。3、扫描工作方式具有较好的抗干扰能力，在一个扫描周期中，输入处理仅占极少部分时间，在大部分时间内，干扰信号不会被采集进PLC。可编程控制器是专为工业控制而开发的装置。PLC多采用下列适合其领域的编程语言表达式。各个厂家的编程语言(包括梯形图、命令语句等)的表达形式虽不一致，但其原理大同小异。4.6PLC控制系统的选型4.6.1I/O地址分配由于CPU模块有12点数字量输入，8点数字量输出，所以不再需要输入／输出模块。采用I/O分配采用自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是00000-00011，输出端子对应的输出地址是01000-01007。4.6.2模块功能概述由于该模块采用交流２２０V供电，并且自带12个数字输入点和8个数字输出点，完全能满足机械手移动工件控制系统得要求，所以不再需要另外的电源模块，数字量输入／输出模块其硬件接线图如图：SB1:启动SB2：停止SB3：急停SB4：上限位SB5：下限位SB6：左限位SB7：右限位SB8：夹紧工件图4-9硬件接线图此机械手在一个工作循环中需要按顺序依次完成以下动作：旋转，升降，手爪夹紧，抓工件，手臂伸缩，松开手爪，下降这几个工步，需要设置检测各步动作是否到位的传感器，并确定从一个工步转到下一个工步的转步条件。PLC的I/O地址分配表如下表：其中SQ1-SQ6是各工步的到位行程开关。表4-2PLC的I/O定义序号输入输出地址定义地址定义10000启动（SB1）0500松手爪20001停止（SB2）0501闭手爪30002抓工件限位（SQ1）0502左旋转40003左旋限位（SQ2）0503右旋转50004右旋限位（SQ3）0504下降60005上升限位（SQ4）0505升降70006下降限位（SQ5）0506抓工件80007物体检测（SQ6）0507放工件90008连续/单步（SA）总结机械设计制造及其自动化设计是我们学完了大学的全部基础课，技术基础课以及专业基础课之后进行的。这是我们对所学课程的一次深入的综合性总复习，也是一次理论联系实际的训练。因此，它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。在这次设计中，我