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自由度
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设计
机械
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三自由度圆柱坐标搬运机器人设计带机械图,自由度,圆柱,坐标,搬运,机器人,设计,机械
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编号： 毕业设计(论文)题 目： 三自由度圆柱坐标搬运机器人 院 （系）： 机电系 专 业： 机械设计制造及自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 应用研究2017年 5月 18日摘 要机械手是在在机械化、自动化生产过程中发展的一种新型装置,使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。机械手能代替人类、重复枯燥完成危险工作，提高劳动生产力,减轻人劳动强度。该装置涵盖了位置控制技术可编程控制技术、检测技术等。本课题拟开发的物料三自由度圆柱坐标搬运机器人可在空间抓放物体，动作灵活多样，根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数,可代替人工在高温危险区进行作业，。关键词：机械手, 三自由度圆柱坐标搬运机器人，抓取，提升49AbstractThe manipulator is a new device developed in the mechanization, automation of the production process, a grasping and moving the workpiece function automation device use. Manipulator can be boring to do dangerous work instead of humans, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device includes position control technology and programmable control technology, detection technology. This paper intends to develop material pneumatic manipulator can grasp up in space objects, flexible movement, any changes to the relevant parameters according to the changing and the movement process requirements, it may replace human work in high risk areaKeywords: manipulator, pneumatic manipulator, grab, lifting目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论11.1 课题背景及目的11.2 机械手的定义11.3 三自由度圆柱坐标搬运机器人概念11.4 三自由度圆柱坐标搬运机器人的组成11.5 三自由度圆柱坐标搬运机器人的应用21.6 课题研究的背景和意义21.7 国内外三自由度圆柱坐标搬运机器人的研究31.8 三自由度圆柱坐标搬运机器人的应用3第2章 三自由度圆柱坐标搬运机器人设计要求与方案52.1 三自由度圆柱坐标搬运机器人设计要求52.2 基本设计思路52.2.1 系统分析52.2.2 总体设计框图62.2.3 三自由度圆柱坐标搬运机器人的基本参数62.3 三自由度圆柱坐标搬运机器人结构设计72.4 机械手材料的选择72.5机械臂的运动方式72.6 三自由度圆柱坐标搬运机器人驱动方式的选择82.7 动作要求分析82.8 三自由度圆柱坐标搬运机器人结构及驱动系统选型9第3章 系统各主要组成部分设计103.1夹持器结构设计与校核103.1.1夹持器种类103.1.2夹持器设计计算113.1.3夹持器校核123.2升降方向设计计算123.2.1 初步确系统压力123.2.2 升降气缸计算133.2.3 活塞杆的计算校核153.2.4 气缸工作行程的确定163.2.5 活塞的设计173.2.6 导向套的设计与计算173.2.7 端盖和缸底的计算校核183.2.7 缸体长度的确定193.2.8 缓冲装置的设计193.2.9 气缸的选型193.3 水平方向设计计算213.3.1 水平方向计算213.3.2 气缸的选型213.4底座回转机构设计计算223.4.1 回转部位负载计算校核223.4.2 马达的选型243.5机身结构的设计校核263.5.1 马达的选择263.5.2 螺柱的设计与校核263.5.3 机座的机械结构283.6三自由度圆柱坐标搬运机器人的定位及平稳性确定293.6.1常用的定位方式293.6.2影响平稳性和定位精度的因素293.6.3三自由度圆柱坐标搬运机器人运动的缓冲装置30第4章 气动驱动系统设计324.1手部抓取缸324.2 腕部摆动气动回路334.3小臂伸缩缸气动回路344.4总体系统图35第5章 可编程控制PLC375.1 PLC 简介375.2 PLC的基本组成及各部分作用385.2.1 中央处理单元(CPU)385.2.2 存储器395.2.3 I/0单元395.2.4 电源部分395.2.5 扩展接口405.2.6 通信接口405.2.7 编程器405.3 PLC的应用领域405.4 PLC的工作原理415.5 PLC 机型的选择方法435.6 机械手 PLC选择及参数44总 结47参考文献48致 谢49 第1章 绪论1.1 课题背景及目的毕业设计是机械设计制造及其自动化专业学校的最后的一环，四年的大学学习的深化和检查，即实践性综合性，其他的单一的课程是无可替代的，通过毕业设计更高的综合训练练能力不久，对工作岗位，实际工作能力的重要作用。下次的目的达到：（1）综合运用学的基础理论，基本知识和基本技能实际分析、解决问题的能力。（2）必须接受综合培训的工程师，实际工作能力。例如，文献调査研究调查收集资料分析能力制定、设计和试制方案的能力；设计和图形，计算能力；总结写论文能力提高。（3）检查综合素质和实践能力。1.2 机械手的定义现在，工业机械手的定义，世界各国还统一，分类也不同。最近联合国国际标准化机构通过了。美国机械手协会工业机械手下的定义：工业机械手是一种再现编程的多功能的操作装置改变行动程序，各种工作，主要工作搬运材料，继电器。1.3 三自由度圆柱坐标搬运机器人概念三自由度圆柱坐标搬运机器人（机器人）自动封装的机械装置。那是高级综合控制论，机械电子计算机，材料和仿生学的产物。工业、医学、农业、建筑业也军事等领域，是重要的用途。三自由度圆柱坐标搬运机器人近50年的快速发展的是一种具有代表性的、机械、电子控制系统的结构，自动化程度高的生产工具。生产制造业、机械工业气体动广泛应用技术。那是自动化程度高，改善劳动条件，确保产品质量的提高工作的效率，起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命1.4 三自由度圆柱坐标搬运机器人的组成执行系统一般手部、手腕、手臂部，机身机床等，其中最主要的是运动系。三自由度圆柱坐标搬运机器人主要执行系统，驱动系统及控制系统的三部分。手夹（或吸附，您持）和放松的工作和工具的零部件，是指（或吸盘），驱动元件和驱动元件等构成。时间，速度和加速度等参数。三自由度圆柱坐标搬运机器人与本体及其他相关设备之间的联系3。1.5 三自由度圆柱坐标搬运机器人的应用按气动机械安排置形式分可分为：架空式空气机械手，附件机式空气机械手，落地式空气机械手3种。另外，安装自动线费道路和费路边，工作，实现材料，传输位错，转向等用途的三自由度圆柱坐标搬运机器人，他们是运动的单一，结构简单，位置精度柔软和一般要求低的特征。三自由度圆柱坐标搬运机器人通使用机床和其他机器的附加装置等，自动机床和自动生产线的处理和传达的工作，加工中心的轮流刀等，一般是独立的控制装置3。1.6 课题研究的背景和意义现代科学技术的发展，工业生产是人类的日常生活，气动机器人技术也广泛的应用。研究智能类，人气动画的机械手是近年来科学家一致取组方向。类，人气动画的机械手是人类的模型，这是模仿人类的各种动作和人类的外部的特征。未来的三自由度圆柱坐标搬运机器人执事不是梦。按三自由度圆柱坐标搬运机器人结构的不同，三自由度圆柱坐标搬运机器人很多。轮式移动三自由度圆柱坐标搬运机器人，履带三自由度圆柱坐标搬运机器人，机械手，步行三自由度圆柱坐标搬运机器人等。顺便说一下，徒步三自由度圆柱坐标搬运机器人，他是近年来类人机器研究的重要成果。它的移动方式和大多数动物一样是人也。这是一种很复杂的自动化程度高的运动。对传统的车轮式和履带三自由度圆柱坐标搬运机器人，环境的适应能力强。很小的空间作业，不平的道路上如履平地，楼梯等。将来不久，这个技术广泛应用。气动机器人研究制作中，使用电脑设计的空气机械手的模拟是一个很重要的过程。三自由度圆柱坐标搬运机器人模拟包括零部件造型，零件装配，最后运动模拟。模拟，通过设计师直观观察各机构的运动情况？干涉，能够清楚各部件的受力时，各种模拟数据。这个方法大幅度节约时间和成本的开发。 1.7 国内外三自由度圆柱坐标搬运机器人的研究工业三自由度圆柱坐标搬运机器人在日本应用的历史非常悠久。年代工业三自由度圆柱坐标搬运机器人首先使用，十年的发展，80年代的时候工业三自由度圆柱坐标搬运机器人已经得到普及。相应的他们的工业产值也得到了迅速提高年。1980年一千亿日元，达到了1990年至六千亿円。2004年1万日元，达到了八千五百亿。可见工业三自由度圆柱坐标搬运机器人的重要性，提高生产效率。在国际上，各国意识工业三自由度圆柱坐标搬运机器人的重要性。所以工业三自由度圆柱坐标搬运机器人的订单急剧上升。2003年的订货量是2002年相比增加了百分之10。气动此后工业机械手的需求量上升。2001年至2006年世界的订单90000多台。年平均增长7 %。国际气动机器人的发展方向：三自由度圆柱坐标搬运机器人触到非常多学科的知识和领域。电脑、电子、控制，人工智能，传感器，通信网络，控制、机械等。气动机器人的发展离不开上述的学科的发展。正因为如此，各学科相互影响和综合集成，正是制造自动化程度高的人。随着科学技术的进步，三自由度圆柱坐标搬运机器人应用范围越来越大，技术也越来越高，功能更加强大。现在是气动机器人的研究也小型化的发展。三自由度圆柱坐标搬运机器人更多的人们的日常生活中去。整体的发展趋势是模块化、标准化，更加智能化。机械工业气体地动手的广泛应用，提高产品质量和生产能力，安全保障者，劳动环境的改善，劳动强度，提高生产效率，节约降耗和降低生产成本，非常重要的作用。机械工业气体地动手的广泛应用体现以人为本的原则，但人们的生活方便与美丽。1.8 三自由度圆柱坐标搬运机器人的应用三自由度圆柱坐标搬运机器人，汽车产业之后出现的是一种大型高新技术产业。现代，气动机械产业市场前景良好的发展手。从20世纪世界的房地产业机械手一直在稳步增加。20世纪90年代，三自由度圆柱坐标搬运机器人产品发展快速增长，年平均增长率10%。2004年的记录达成的百分之20。在亚洲航空机械手的需求量很多，年增长率为百分之四十三。40年的发展，机械工业气体地动手到很多领域的应用。三自由度圆柱坐标搬运机器人制造业中应用最广泛。如果焊接、热处理、涂料、机械加工、组装、检测和仓库沉积毛，坯制造（五金，压铸、锻造等）等的作业中，气动机器二掌柜结束手工生产效率提高。第2章 三自由度圆柱坐标搬运机器人设计要求与方案2.1 三自由度圆柱坐标搬运机器人设计要求打字出来2.2 基本设计思路2.2.1 系统分析机械手是生产过程自动化，实现提高劳动生产率的一种强有力的工具。同样在生产过程中自动化，各种机械化，自动化的经济和技术的综合分析，机械手是否合适判断。所以完成机械手的设计，一般是先这样的工作：（1）造成机械手的使用情况，明确机械手的目的和任务。（2）分析机械手所在的系统的工作环境。（3）仔细分析系统的工作的要求，机械手的基本功能和方案，例如机械手的自由度数，动作速度，定位精度，自由泳重量等。并且，气动抓取物体的质量，形状和尺寸及生产乐途等状况确认手手爪形式和机械的抓取工件的部位和握力尺寸。对此，我做了如下分析：（1）本设计课题物质三自由度圆柱坐标搬运机器人设计，机械两物输送机械手。机械手，在使用时，非常宽广，相关物质的状态，运营线的环境等因素中，我所拥有的理论知识和能力，我选择非量产的小型物体加工线上的材料的三自由度圆柱坐标搬运机器人。我选择（2）的机械手是非量产的小型物体加工线上的材料的三自由度圆柱坐标搬运机器人，机械手所在的系统的工作环境一定会寻求工厂，精度高，FT率低、速度快。2.2.2 总体设计框图图2 总体设计框图图2总设计图，说明如下：(1) 控制系统：任务是手的工作而机械指令程序和传感器归还的信号，控制机械手的执行机关，完成规定的运动和功能。主要设计目标的CPU的选择，CPU的程序编制调试等。(2) 驱动传动系统：系统工作的驱动装置。(3) 机械系统：包括实体，机器人扶手、手腕、手手爪。需要确定其自由度、坐标形式计算具体结构。(4) 也就是说传感器检测系统的选择及具体作用。2.2.3 三自由度圆柱坐标搬运机器人的基本参数1 .机械手的最大气物质的重量是它的主要参数。本论文物质三自由度圆柱坐标搬运机器人空气的材料的品质可以设定1吨。2 .运动速度直接影响机械手的动作速度和机械手的动作的稳定性，所以运动速度也材料三自由度圆柱坐标搬运机器人的主要基本参数。设计速度太低的话，无法满足的机械手的动作的功能限制机械手的使用范围。设计速度增强机械手的高负荷的机械手动作的稳定性的影响。三点伸缩日程决定工作半径是机械手工的范围及机械尺寸的钥匙，手也机械设计的基本参数。3 .定位精度机械手的主要基本参数的一个。机械手精度低，完成不了的功能，精度高成本的增加。综合考虑，这种物质三自由度圆柱坐标搬运机器人的定位精度，设定为0.1毫米之间士士。材料的三自由度圆柱坐标搬运机器人的各部分基本参数上面已经知道物质三自由度圆柱坐标搬运机器人各关节的日程和时间决定分配。2.3 三自由度圆柱坐标搬运机器人结构设计根据所设计的机械手的运动方式：机械臂的转动，机械臂的升降。根据上文所说的，机械手按照坐标的分类情况，选择圆柱坐标式机械手更为妥当。2.4 机械手材料的选择机械手而手臂的材料手臂的工作情况选择，满足机械手的设计和制作的要求。设计的思想出发，机械的才干完成各种运动。所以，对材料的要求作为运动的零件，应有的轻型材料。另一方面，手臂运动过程中经常振动必然大幅降低其运动精度。所以选择材料的时候，质量，刚度，衰减综合考虑，从而有效手臂的动态性能提升。另外，机械手腕材料和一般的构造材料不同。机械的手腕，是一种抑制伺服机构，必须考虑其控制性。手臂材料，控制性和材料的加工性、结构、品质等的性质一起考虑。总之，选择机器手腕的材料的综合考虑，强度，刚度，重量和弹性，耐震性和外观和价格等的要素。一些常用的手腕介绍机械材料：（1）的碳合金钢结构钢结构等高张力钢：这些材料的强度好，尤其是合金钢结构强度增加了45倍，弹性模量E大，抗变形力很高，最广泛的材料，（2）铝、铝合金及其他轻合金材料：其共同的特点是重量轻、弹性模量E不大，但是小材料的密度，E / p的比例钢材相比，（3）陶瓷器：陶瓷材料的优秀的质量，但是脆性很大，加工型是不好的，金属等部件连接的接合部特殊设计。但是，日本己试制的小型高速机械手使用陶瓷机械手腕的样品，本文从设计的机械手的角度来看，选用材料不需要大负荷能力也不需要的高弹性率和抗变形能力考虑，另外材料的成本，加工性等因素。评价了各种因素结合工作状况的条件下，预备选举铝合金材料和机器臂。2.5机械臂的运动方式常见的机械手运动形式的5种：SCARA型，直角坐标型极坐标型，关节型圆柱座标型。主要的运动中的参数选择的运动形式结构设计的基础。同一种类的运动形态分类生产工艺的必要为了适应不同的结构，采用。具体是什么位置，选择使用必须根据形状不同，作业要求，工作现场和空气动力学前后工作中心线方向的变化等的情况，分析比较优秀者选择。这个机器的手，两肩关节和一个肘关节进行定位，两个或三腕关节取向。其中，肩关节垂直轴旋转，另一个肩膀关节实现间距。这两个肩膀关节轴线直角。肘关节平行第二肩关节轴线，考虑到机械手的工作的特点，即要求其动作灵活，大工作的空间，且紧凑的结构，要求占用空间等特征选用小，所以关节型机器人。如图所示。这个形状动作敏捷，工作空间大作业时空间内的手臂的干涉，是最小，紧凑，占地面积小，关节相对运动部密封防尘容易。可是这些机器手运动学复杂，运动学的反解难；确定基层轴的身影直观的，并且控制时，计算量大。图3 常见的运动方式2.6 三自由度圆柱坐标搬运机器人驱动方式的选择机械手常用的驱动方式主要是气动驱动，气动驱动马达驱动和4种基本形式。但是和气动驱动相比，电力小，气动驱动的能源，构造相对简单速度不易控制，精度高。马达驱动能源简单，速度与位置的高精度的，使用方便，噪音低，机关速度变化范围大，效率高，控制柔软。气动驱动的特点是输出大省，结构简单，减速装置，响应速度快，高精度的。但是有空气源，而且容易发生气体泄漏。最初，我先选择马达驱动构造，经常机械手的升降运动运用纯机械结构是理想的螺桨效应。机械臂旋转的话使用气动和气动驱动必须旋转气动和回转油缸，相对复杂的构造不同设计。所以方案，分成两个部分驱动方式。其中，机器人臂旋转驱动的驱动方式，通过旋转驱动马达驱动齿轮连锁，机器人扶手的伸缩，升降和机械手的抓取，气动驱动方式。2.7 动作要求分析动作一：送 料动作二：预夹紧动作三：手臂上升动作四：手臂旋转动作五：小臂伸长动作六：手腕旋转 预夹紧 手臂上升 手臂旋转 手臂伸长 手臂转回 手腕旋转 图2.2 三自由度圆柱坐标搬运机器人动作简易图2.8 三自由度圆柱坐标搬运机器人结构及驱动系统选型本课题设计的空气机械手上通用的三自由度圆柱坐标搬运机器人的时候，坐标系圆柱座标系统结构。驱动系统马达驱动和气传动皮带驱动用，电动机驱动的旋转和手臂上下移动，气动驱动用手臂的伸缩和气动手夹取机器和反转3。第3章 系统各主要组成部分设计3.1夹持器结构设计与校核3.1.1夹持器种类1 .连杆杠杆式手手爪这手用手爪活塞的推力下，连杆和杆的手手爪发生夹紧（放松）的运动，杠杆力量的放大作用可能产生这双手，手爪较大的夹紧力。通常和弹簧共同使用。楔杠杆式手手爪2。利用楔和杠杆实现手手爪的松，打开，实现自由泳。齿条和amp；小齿轮式手手爪3。这手手爪活塞推进架，架驱动齿轮旋转，手手爪夹紧和放松动作。射门式手手爪4。前活塞运动时，射门销推进手手爪合并，夹紧动作和夹紧力在后面，活塞运动时，手爪放开手。这手手爪开闭行程较大，适应大小不同的物体爬行。平行杠杆式手手爪5。不需要导游保证手手爪的两手指平行运动平行四边形机构采用，因此，轨道的平行移动手手爪带有更多的摩擦小结合的具体的工作情况，采用连杆杠杆式手手爪。驱动活塞来回移动，活塞杆端部架，中间架和扇形机架扩大或手指悬挂。手指的最小的开度是加工工作的直径调整定。这个设计的东西用绳索捆绑最大直径50mm的设计。a .适当夹紧力手的工作的时候，应该拥有适当的夹紧力，以确保稳定性和可靠性高的支持，变形小，工作是损坏加工面。刚性拙劣的工作夹紧力的大小是设计可以调节，沉重的工作应该考虑采用自锁安全装置。b .充分的开关范围工作时，手指的开关位置最大是量的变化称为开关范围。支持类手的手指张开和关闭装置。操作开关角度和手指夹紧边长度表示。手的手指回转型开关范围，手指开关范围的要求和许多因素关于c .追求结构简单，小型轻量运动状态作时变化，其结构，重量和体积的直接影响整个三自由度圆柱坐标搬运机器人的构造重，定位精度，运动速度等的性能。手手前端，工设计、手追求时，需结构简单，小型轻量。d .手指应该一定的强度和刚度所以送，采用最常用外盒式两手指钳手爪，夹紧方式时期结束仪式弹簧式离合器、夹紧三自由度圆柱坐标搬运机器人，使工件的形状，松开，单作用式缸。这个构造简单，制造方便。气缸右腔停止进时，气缸右腔进时松开工件。3.1.2夹持器设计计算手爪要能抓起工件必须满足： （3-6）式中，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，为重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 10；带入数据，计算得： ；理论驱动力的计算： （3-7）式中，-为柱塞缸所需理论驱动力；-为夹紧力至回转支点的垂直距离；-为扇形齿轮分度圆半径；-为手指夹紧力；-齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （3-8）式中，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-工作条件系数，此处选1.1； 而气缸的工作驱动力是由缸内压提供的，故有 （3-9）式中，-为柱塞缸工作压；-为柱塞截面积；选取缸内径为50mm3.1.3夹持器校核活塞杆直径查气动传动与控制手册根据杆径比d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。本设计选择d/D=0.7，d=35 mm=9616N377N计算所得的力远远大于实际所需要的力，所以满足要求。经计算，所需的压约为： (后续章节进行介绍)3.2升降方向设计计算3.2.1 初步确系统压力表3-1 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa1.25，满足最低速度的要求。2.活塞杆强度计算： 90mm （4-4）式中 许用应力；（Q235钢的抗拉强度为375-500MPa，取400MPa，为位安全系数取5，即活塞杆的强度适中）3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动马达机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应气缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。4.活塞杆的密封与防尘活塞杆的密封形式有Y形密封圈、U形夹织物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等6。采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按H9/f9选取。薄钢片厚度为0.5mm。为方便设计和维护，本方案选择O型密封圈。3.2.4 气缸工作行程的确定 气缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表4-4选取标准值。气缸活塞行程参数优先次序按表4-4中的a、b、c选用。表4-4（a）气缸行程系列（GB 2349-80）62550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表4-4（b） 气缸行程系列（GB 2349-80）6 40 6390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4-4（c） 气缸形成系列（GB 2349-80）6240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800根据设计要求知快速接近工件，行程根据任务书要求，根据表3-8，可选取气缸的工作行程为1050mm。3.2.5 活塞的设计由于活塞在气动力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起气缸内部泄露，降低容积效率，使气缸达不到要求的设计性能。考虑选用O型密封圈。3.2.6 导向套的设计与计算1.最小导向长度H的确定 当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度1。影响气缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证气缸有一定的最小导向长度。根据经验,当气缸最大行程为L,缸筒直径为D时,最小导向长度为: （4-5）一般导向套滑动面的长度A，在缸径小于80mm时取A=(0.61.0)D，当缸径大于80mm时取A=(0.61.0)d.。活塞宽度B取B=(0.61.0)D。若导向长度H不够时,可在活塞杆上增加一个导向套K(见图4-1)来增加H值。隔套K的宽度。图4-1 气缸最小导向长度1因此:最小导向长度，取H=9cm；导向套滑动面长度A=活塞宽度B=2.导向套的结构 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适当选择。3.2.7 端盖和缸底的计算校核 在单活塞气缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受气动力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。1.端盖的设计计算端盖厚h为：式中 D1螺钉孔分布直径，cm； P气动力，； 密封环形端面平均直径，cm； 材料的许用应力，。2.缸底的设计 缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。3.2.7 缸体长度的确定 气缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度1。一般气缸缸体长度不应大于缸体内经的2030倍。取系数为5,则气缸缸体长度：L=5*10cm=50cm。3.2.8 缓冲装置的设计 气缸的活塞杆（或柱塞杆）具有一定的质量，在气动力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端，当杆头进入气缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械撞击，但冲击压力仍然存在，大约是额定工作压力的两倍，这就必然会严重影响气缸和整个气动系统的强度及正常工作。缓冲装置可以防止和减少气缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。 当气缸中活塞活塞运动速度在6m/min以下时，一般不设缓冲装置，而运动速度在12m/min以上时，不需设置缓冲装置。在该组合机床气动系统中，动力滑台的最大速度为4m/min,因此没有必要设计缓冲装置。3.2.9 气缸的选型经过比较，参考市场上的气缸类型，选择一种可靠优质的气缸产品的生产商速易可（上海）有限公司/about_us.asp。速易可气动（上海）有限公司成立于2004年，从事于空压零组件和设备研 究、生产、销售的自动化厂商，产品以TONAB品牌营销国内外市场，产品主要有空气净化组件、气动控制组件、气动执行组件、辅助组件、空压设备，产 品广泛应用于医疗器械、工业机械手、食品包装机械、纺织机械、半导体设备、轨道交通、烟草机械、机床自动控制、真空搬运、汽车制造、教学培训等行业。速易可目前主要产品有：无杆气缸、滑台气缸、止动气缸、回转气缸、机械夹、回转夹紧气（）压缸、导杆气缸、带锁气缸、双轴缸、标准型气缸、控制阀、空气控制组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。根据上节计算，在这选择YAM63.3.3 水平方向设计计算3.3.1 水平方向计算当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重8kg，长度l =100mm。如图3.4所示。工件图3.4 受力简图(1)计算扭矩4 (2)气缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 4F =10000N S =1m（最大行程时）带入公式2.9得=10000101 =100000（NM） 由于水平方向的气缸与升降方向的有些类似，在此不在一一列举3.3.2 气缸的选型速易可目前主要产品有：无杆气缸、滑台气缸、止动气缸、回转气缸、机械夹、回转夹紧气（）压缸、导杆气缸、带锁气缸、双轴缸、标准型气缸、控制阀、空气控制组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。根据上节计算，在这选择YAM63.3.4底座回转机构设计计算腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转360 角速度=45/s3.4.1 回转部位负载计算校核.若传动负载作回转运动负载额定功率： （3-24）负载加速功率： （3-25）负载力矩（折算到马达轴）： （3-26）负载GD（折算到马达轴）： （3-27）起动时间： （3-28）制动时间： （3-29） 式中，-为额定功率，KW；-为加速功率，KW；-为负载轴回转速度，r/min；-为马达轴回转速度，r/min；-为负载的速度，m/min；-为减速机效率；-为摩擦系数；-为负载转矩（负载轴），；-为马达启动最大转矩，；-为负载转矩（折算到马达轴上），；-为负载的，；-为负载（折算到马达轴上），；-为马达的，；具体到本设计，因为步进马达是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。 因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有； （3-30）式中，-为滚动轴承摩擦系数，取0.005；-为机械手本身与负载的重量之和，取100；-为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240；带入数据，计算得 =0.12； 同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为1/120；且， 带入数据得： =10.45667。将其带入上（3-24）（3-30）式，得： 启动时间 ； 制动时间 ；折算到马达轴上的负载转矩为：。3.4.2 马达的选型 根据参数，选型为BM-R100臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。三自由度圆柱坐标搬运机器人的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了5。手臂的伸缩速度为200m/s行程L=1000mm(1)手臂右腔流量，公式（3.7）得： =100040 =1004800mm/s =0.1/10m/s =1000ml/s(2)手臂右腔工作压力，公式（3.8） 得： （3.12）式中：F 取工件重和手臂活动部件总重， F =1000kg，=10000N。 (4)由初步计算选泵所需气动最高压力 P =10Mpa所需气动最大流量 Q =1000ml/s3.5机身结构的设计校核臂部和机身的配置形式基本上反映了三自由度圆柱坐标搬运机器人的总体布局。本课题三自由度圆柱坐标搬运机器人的机身设计成机座式，这样三自由度圆柱坐标搬运机器人可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型三自由度圆柱坐标搬运机器人。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求7-9。3.5.1 马达的选择机身部使用了两个马达，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的马达安装在肋板上，带动机身回转的马达安装在混凝土地基上。带动臂部升降的马达：初选上升速度 V =100mm/s P =6KW所以转/分3.5.2 螺柱的设计与校核螺杆是三自由度圆柱坐标搬运机器人的主支承件，并传动使手臂上下运动。螺杆的材料选择：从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。螺距 P =6mm 梯形螺纹螺纹的工作高度 h =0.5P （3.17）=3mm螺纹牙底宽度 b =0.65P=0.656=3.9mm （3.18）螺杆强度11 （3.19）=3050Mpa螺纹牙剪切 =40弯曲=4555(1)当量应力 (3.20)式中 T传递转矩Nmm螺杆材料的许用应力 所以代入公式（3.20）得： 6225025d12+11236900d16101262250250.0292+112369000.02961012即16471pa535340pa合格(2)剪切强度 （旋合圈数） （3.21） （3.22） =206.8103pa =0.206Mpa=40Mpa(3)弯曲强度=0.48Mpa=45Mpa合格3.5.3 机座的机械结构带动机身回转的马达：初选转速 W =60/s N =1/6转/秒=10转/分由于齿轮 I =3减速器 I =30所以 n =10330=900转/分机座的机械结构如图3.9所示:图3.9 机座结构图3.6三自由度圆柱坐标搬运机器人的定位及平稳性确定3.6.1常用的定位方式机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当三自由度圆柱坐标搬运机器人经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于0.5mm，若定位时关闭驱动路而去掉工作压力，这时三自由度圆柱坐标搬运机器人可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低12。3.6.2影响平稳性和定位精度的因素三自由度圆柱坐标搬运机器人能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下：(1)定位方式不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。(2)定位速度定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。(3)精度三自由度圆柱坐标搬运机器人的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。(4)刚度三自由度圆柱坐标搬运机器人本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。(5)运动件的重量运动件的重量包括三自由度圆柱坐标搬运机器人本身的重量和被抓物的重量。运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。(6)驱动源气动的压力波动及电压、温的波动都会影响三自由度圆柱坐标搬运机器人的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节气动措施。(7)控制系统开关控制、电气比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关13。本课题所采用的定位精度为机械挡块定位。3.6.3三自由度圆柱坐标搬运机器人运动的缓冲装置缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有气缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和气动缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有时安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置灵活，简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。本课题所采用的缓冲装置为气缸端部缓冲装置。当活塞运动到距气缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力，以使运动减速直至停止，而避免硬性冲击的装置，称为气缸端部缓冲装置12-15。在缓冲行程中，节流口恒定的，称为恒节流式气缸端部缓冲装置。设计气缸端部恒节流缓冲装置时，（最大加速度）、（缓冲腔最大冲击压力）和（残余速度）三个参数是受工作条件限制的。通常采用的办法是先选定其中一个参数，然后校验其余两个参数。步骤如下：(1)选择最大加速度通常，amax值按三自由度圆柱坐标搬运机器人类型和结构特点选取，同时要考虑速度与载荷大小。对于重载低速三自由度圆柱坐标搬运机器人，- 取5m/s2以下，对于轻载高速三自由度圆柱坐标搬运机器人，-取510 m/s2(2)计算沿运动方向作用在活塞上的外力F水平运动时： （3.23） =0.251033.62-7=138N(3)计算残余速度Vr （3.24）m/s第4章 气动驱动系统设计气动控制室自动送料机构的一种主要的控制形式。自动送料机构的运动速度和操作室根据气体的流量与压力来确定，因而只要控制气的流量和压力，就可以控制自动送料机构的运动速度和操作力，气动压力一般在5140公斤/厘米范围内，最大臂力可达160公斤以上。主要优点：(1)气动执行元件(马达和气缸)结构紧凑，重量轻，功率小。(2)可通过空气带走大量热能，保证机械的正常运行。(3)气动元件有直线位移式和旋转式二种，适用范围较广，其控制速度的区间也比较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。(4)响应速度比较快，能高速启动，制动和反向，无后滞现象。其力矩一惯量比也较大，因而其加速度能力较强。(5)气动元件于其他驱动元件相比，刚度较大，位置误差小，定位精度高，而且耐振动等。缺点:控制系统比较复杂，处理功率讯号的数学运算误差，检测，放大，测试和补偿功能不如电子，机电装置灵活简便4-6。4.1手部抓取缸图 4.5 手部抓取缸气动原理图(1)手部抓取缸气动原理图如图4.5所示(2)泵的供气动力P取1Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q =1300ml/s。因此，需装图4.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。选取采用： 2FRM5-20/102调速阀23E1-10B二位三通阀4.2 腕部摆动气动回路图 4.6 腕部摆动气动回路(1)腕部摆动缸气动原理图如图4.6所示(2)工作压力: P=1Mpa流量: Q=35ml/s选取采用:2FRM5-20/102调速阀34E1-10B 换向阀4.3小臂伸缩缸气动回路图 4.7 小臂伸缩缸气动回路(1)小臂伸缩缸气动原理图如图4.7所示(2)工作压力: P =0.25Mpa流量: Q =1000ml/s选取采用： 2FRM5-20/102 调速阀23E1-10B二位三通阀4.4总体系统图图 4.8 总体系统图(1)总体系统图如图4.8所示,(2)工作过程: 小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松(3)电磁铁动作顺序表:表4.2总体系统图元件动作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂收缩手部放松卸荷-+-+-+-+-(4)确电机规格：气动泵选取CB-D型气泵，额定压力P =1Mpa，工作流量在3270ml/r之间。选取80L/min为额定流量的泵，因此：传动功率 （4.15）式中：=0.8 （经验值）所以代入公式（4.15）得： =16.7KN第5章 可编程控制PLC5.1 PLC 简介PLC（Programmable Logic Controller），是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的 工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程 序控制器质量优良，功能强大。世界上公认的第一台PLC时1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数等功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。例如，在世界第一台可编程控制器的诞生地美国，1982年的统计数字显示，大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的82%，可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都的到了长足的发展。.5.2 PLC的基本组成及各部分作用PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。图5.1 PLC组成5.2.1 中央处理单元(CPU)CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；(2) 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;(3) 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;(4) PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解 释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。5.2.2 存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(铿电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。5.2.3 I/0单元I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.5.2.4 电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V, +12V, +24V的直流电源，使PLC能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。5.2.5 扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。5.2.6 通信接口为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。5.2.7 编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。5.3 PLC的应用领域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，同时日常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而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。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，使用情况主要分为如下几类:(1)开关量逻辑控制取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，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、电镀流水线等。(2)工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(3)运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4)数据处理PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(5)通信及联网PLC通信包括PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。5.4 PLC的工作原理可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP） 状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制 功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户 程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或 切换到 STOP 工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完 成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段。可编程序控制器的 这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极 高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常， 将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应 编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP） 状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另 外 3 个阶段的操作。在可编程序控制器的存储器中，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。可编程序控制器梯 形图中别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，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态 读入输入寄存器。外接的输入触点电路接通时，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。外接的输入触点电路断开， 对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断 开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，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。可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺 序排列。在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。体 型图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。 信号经输出模块隔离 和功率放大后，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。若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输 出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点 断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态 时，称该编程元件为 ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为 OFF。（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入 I/O 映象区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新 阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化 I/O 映象区的相应单元的 数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描 周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC 的 CPU 总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系 统 RAM 存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能 指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。（3）输出刷新阶段在输出刷新阶段，CPU 按照 I/O 映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据 锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是 PLC 真正的输出。(4)输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号,发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间 三部分组成。输入模块的 CPU 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输 入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波 时间的长短，其典型值为 10ms 左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般 在 10ms 左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为 1ms，负载 由导通到断开时的最大滞后时间为 10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为1ms。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。可编程序控 制器总的响应延迟时间一般只有几十 ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求 输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序 控制器或采取其他措施。5.5 PLC 机型的选择方法1.PLC 的类型PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两 类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出 发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型 PLC 的 I/O 点数固定，因此 用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 2输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信 号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应 考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、 寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率 因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出 和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输 出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程 I/O 机架等。3.电源的选择PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计 和选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。 重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身带有可使用 电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防 止外部高压电源因误操作而引入 PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时 也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。4.存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目 的正常投运，一般要求 PLC 的存储器容量，按 256 个 I/O 点至少选 8K 存储器选 择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。5.冗余功能的选择a控制单元的冗余（1）重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应 1B1 冗余。（2）在需要时也可选用 PLC 硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2 重化或 3 重化冗余容错系统等。b I/O 接口单元的冗余（1）控制回路的多点 I/O 卡应冗余配置。（2）重要检测点的多点 I/O 卡可冗余配置。3）根据需要对重要的 I/O 信号，可选用 2 重化或 3 重化的 I/O 接口单元。6.经济性的考虑选择 PLC 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展 性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费 用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加， 估因此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响， 在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。5.6 机械手 PLC选择及参数综合上述原则机械手控制系统主机为三菱的 FX2N-48MR。主要技术数据如下： 工作电源：24VDC输入点数：24输出点数：24 输入信号类型：直流或开关量 输入电流：24VDC5mA模拟输入：-10V10V（-20mA+20mA） 输出晶体管允许电流 0.3A/点（1.2A/COM） 输出电压规格：30VDC最大负载：9W输出反应时间：OffOn 20sOnOff30s 基本指令执行时间：数个s 程序语言：指令+梯形图+SFC程序容量：3792STEPS基本顺序指令：32 个（含步进梯形指令） 应用指令：100 种初始步进点：S0S9 一般步进点：118 点，S10S127辅助继电器：一般用 512+232 点（M000M511+M768M999）停电保持用 256 点（M512M767） 特殊用 280 点（M1000M1279）定时器：100ms 时基 64 点（T0T63）10ms 时基 63 点（T64T126，M1028 为 ON 时）1ms 时基 1 点（T127）计数器：一般用 112 点（C000C111，16 位计数器） 停电保持用 16 点（C112C127，16 位计数器）高速用 13 点 1 相 5kHz，2 相 2kHz（C235C254，全部为停电保持32 位计数器）数据寄存器：一般用 408 点（D000D407） 停电保持用 192 点（D408D599） 特殊用 144 点（D1000D1143）指针/中断：P64 点；I4 点（P0P63/I001、I101、I201、I301） 串联通信口：程序写入/读出通讯口：RS232一般功能通讯口：RS485 主机电源 220V AC2.PLC 主机的组成1、输入单元输入单元由 8 个按扭、8 个开关和 16 个接插件组成，它们分别与 PLC 的 16 个输入点相接。改变这些开关或按扭的通断状态，即可对主机输入所需要的开关 量。16 个接插件可外接其它直流或开关量输入信号。2、输出单元输出单元由 24 个二极管和 24 个接插件组成，它们分别与 PLC 的 24 个输出点 相连。发光二极管是否发光，即可表示输出点的状态，使用者可得到主机的输出 信息。24 个输出接插件可外接其它需要控制的设备。输出单元的 4 个地端，分 别引出到面板，其中只有 C4 与 3
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