畢業(yè)設計（論文）柔性生產線—操作手單元

1、天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書1天津理工大學畢業(yè)設計論文柔性生產線操作手單元天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書2柔性生產線操作手單元摘 要隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，操作手的應用也逐漸普及，主要在汽車，電子，機械加工、食品、醫(yī)藥等領域的生產流水線或貨物裝卸調運, 可以更好地節(jié)約能源和提高運輸設備或產品的效率，以降低其他搬運方式的限制和不足，滿足現(xiàn)代經濟發(fā)展的要求。模塊化生產培訓系統(tǒng)（modular production training system，mps）是由上海英集斯自動化技術有限公司研制的教學設備。mps 體現(xiàn)了機電一體化技術的實際應用。

2、目前最多可由 9 個單元組成，一個單元亦可自成一個獨立的控制系統(tǒng)，而由多個單元組成的生產系統(tǒng)可以體現(xiàn)自動生產線的控制特點。操作手是工業(yè)機器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱為工業(yè)機器人。可編程控制器是繼電器控制和計算機控制出上開發(fā)的產品，逐漸發(fā)展成以微器處理為核心把自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。本文應用西門子公司的 s7-200plc，通過其硬件結構、編程指令和 step 7軟件的操作實現(xiàn)機械手搬運控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了可編程控制器（plc）控制功能。使該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，時期功能范圍得到廣泛應用。關鍵詞：mps, 操作手，可編程控制器（plc） ，氣動

3、控制天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書3flexible production line - gunner unitabstractwith the popularity of industrial automation and development, the demand for year-on-year increase of controller, handling the application of robot gradually popularity, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing

4、, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, we can be more good to save energy and improve the transport efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation and inadequate to meet the requirements of modern economic development

5、.modular production training system（mps）is by the shanghai ying set is developed, automation technology co. ltd. of teaching equipment. mps embodies the practical application of mechatronics technology. currently up by nine unit, a unit of its an independent control also by more than one unit system

6、, composed of production system can reflect the automatic production line control characteristics. gunner is an important part of the industrial robot, and in many cases it can be called industrial robots. industrial robot is set machinery, electronics, control, computer, sensors, artificial intelli

7、gence science advanced technology in the integration of modern manufacturing important automation equipment. widely used industrial robots, not only can improve the quality of products and production, and to safeguard the personal safety and improve working environment, reduce labor intensity and im

8、prove labor productivity, save materials consumption and reduce the production cost, has the extremely vital significance. make the system reliable, stable and functional range widely used period. key words:： mps ， gunner ， plc ， pneumatic control目 錄第一章 緒論 .11.1 柔性生產線概論.11.2 柔性生產線的一般組成.11.3 mps 的基本功

9、能.11.4 mps 的公共模塊和器件.31.5 mps 的發(fā)展前景.41.6 simatic s7200plc 簡介.4第二章 操作手單元的結構與控制 .62.1 操作手單元的結構.62.1.1 操作手單元的功能.62.1.2 操作手單元的結構組成.62.1.3 操作手結構示意圖，.62.2 操作手單元的控制.72.3 控制系統(tǒng)硬件的設計.82.3.1 氣壓傳動的選擇.82.3.2 氣動控制回路.92.3.3 傳感器的選擇：.102.3.4 電源的選擇.102.4 plc 的 i/o 接線.102.5 操作手單元的編程：.112.5.1 控制任務.112.5.2 編寫程序.122.5.3 下

10、載調試.13第三章 plc 選型及程序的編寫.153.1 plc 的選型.153.2 程序的編寫.16參考文獻 .21致謝 .22天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書1第一章 緒論1.1 柔性生產線概論隨著科學技術的發(fā)展，人類社會對產品的功能與質量的要求越來越高，產品更新?lián)Q代的周期越來越短，產品的復雜程度也隨之增高，傳統(tǒng)的大批量生產方式受到了挑戰(zhàn)。為了同時提高制造工業(yè)的柔性和生產效率，使之在保證產品質量的前提下，縮短產品生產周期，降低產品成本，是終使中小批量生產能與大批量生產抗衡，柔性自動化系統(tǒng)便應運而生。 模塊化柔性加工系統(tǒng)是用來學習自動控制技術、人工智能、計算機網(wǎng)絡控制等先進技術的

11、開放式的實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了現(xiàn)場通訊技術（ profibus ）以及以太網(wǎng)通訊技術。它使得學生方便地了解這套先進技術如同在工業(yè)上的應用，使學生能近距離地學習這些技術。該系統(tǒng)具有多種驅動形式：有氣壓傳動、傳送帶、步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、變頻調速電機等工業(yè)常見的傳動。系統(tǒng)為方便學生進行電氣控制的自由組合和創(chuàng)新性學習，每個單元均配置 smt 智能教學實訓臺，這解決了“生產線教學學生不能親自設計控制系統(tǒng)”的難題，是國內唯一也是最領先技術產品。1.2 柔性生產線的一般組成多個單元組成的 mps 系統(tǒng)可以較為實地模擬出一個自動生產加工流水線的工作過程。其中，每個工作單元都可以自成一個獨立的

12、系統(tǒng)，同時也都是一個機電一體化的系統(tǒng)。各個單元的執(zhí)行機構主要是氣動執(zhí)行機構和電機驅動機構，這些執(zhí)行機構的運動位置都可以通過安裝在其上面的傳感器的信號來判斷。在 mps 設備上應用多種類型的傳感器，分別用于判斷物體的運動位置、物體的通過狀態(tài)、物體的顏色、物體的材質和物體的高度等。傳感器技術是機電一體化技術中的關鍵技術之一，是現(xiàn)代工業(yè)實現(xiàn)高度自動化的前提之一。在控制方面，mps 設備采用 plc 進行控制，用戶可根據(jù)需要選擇不同廠家的 plc（上海英集斯公司主要使用三菱公司的 fx2n 系列 plc、西門子公司的 s7-200 系列 plc 和 s7-300系列 plc）。本文所選為西門子公司的

13、s7-200 系列。mps 設備的硬件結構是相對固定的，但可以根據(jù)對設備的理解、對生產加工工藝的理解，編寫一定的生產工藝過程，然后再通過編寫 plc 控制程序實現(xiàn)該工藝過程，從而實現(xiàn)對 mps 設備的控制。一般來講，柔性生產線由上料檢測單元，供料單元，檢測單元，加工單元，搬運單元，安裝單元，安裝搬運單元，操作手單元，立體存儲單元，機械手單元，分類工作單元等單元有機組成。1.3 mps 的基本功能mps 設備提供了一個半開放式的學習環(huán)境，雖然各個組成單元的結構已經固定，但是，設備的各個執(zhí)行機構按照什么樣的動作順序執(zhí)行，各個單元之間如何配合，最終使 mps 模擬一個什么樣的生產加工控制過程，mps

14、 作為一條自動生產流水線具有怎樣的操作運行模式等，用戶都可根據(jù)自己的理解，運用所學理論知識，設計出 plc 控制程序，使 mps 設備實現(xiàn)一個最符合實際的自動控制過程。mps 系統(tǒng)中每個單元都具有最基本的功能，用戶可在這些基本功能的基礎上進行流程編排設計。天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書2(1) 上料檢測單元。功能簡介：完成整個系統(tǒng)的上料工作，將工件輸出，判斷出其顏色，并將其信息發(fā)給后一站。此站可配合觸摸屏或組態(tài)控制作為整個系統(tǒng)的主站。plc 主機：西門子 s7 系列。擴展模塊：ppi、mpi、profibus 網(wǎng)絡。組成模塊：回轉料斗、提升裝置、光電識別組件。(2) 為供料單元。

15、功能簡介：為加工過程逐一提供加工工件。由雙作用氣缸從料倉中逐一推出工件，轉換模塊上的真空吸盤將工件吸起，在旋轉缸的驅動下將工件移動至下一個工作站的傳輸位置。plc主機：西門子 s7 系列。擴展模塊：ppi、mpi、profibus 網(wǎng)絡。組成模塊：真空組件、旋轉模塊、供料模塊。(3) 檢測單元功能簡介：檢測加工工件的各種特性，如顏色、材質、高度等。plc 主機：西門子 s7 系列。擴展模塊：ppi、mpi、profibus 網(wǎng)絡。組成模塊：工件高度檢測模塊、提升模塊、工件材質及顏色識別組件。（4）加工單元。功能簡介：工件將在旋轉平臺上被檢測及加工。通過具有四個工位的加工旋轉平臺，進行加工模擬，

16、并進行加工質量的模擬檢測。plc 主機：西門子 s7 系列。擴展模塊：ppi、mpi、profibus 網(wǎng)絡。組成模塊：旋轉平臺、模擬鉆孔模塊、模擬檢測組件。（5）為搬運單元。功能簡介：該搬運單元由無桿氣缸、橢圓形活塞氣缸和夾爪等部件組成，通過移動、上下伸縮、抓取等動作，將前一單元上的工件傳入下一執(zhí)行單元。plc 主機：西門子 s7 系列。擴展模塊：ppi、mpi、profibus 網(wǎng)絡。組成模塊：提升模塊、氣動夾爪組件、直線運動無桿缸。（6）安裝單元。功能簡介：該單元提供兩色小工件，氣缸將料倉中的兩色小工件交替推出，由真空吸盤吸取，通過轉臂輸入到大工件的空腔中。plc 主機：西門子 s7 系

17、列。擴展模塊：ppi、mpi、profibus 網(wǎng)絡。組成模塊：送料模塊、旋轉模塊、真空組件。（7）安裝搬運單元。功能簡介：將工件從前一站搬運至下一站，并可在本站上完成大、小工件的組裝。plc 主機：西門子 s7 系列。擴展模塊：ppi、mpi、profibus 網(wǎng)絡。組成模塊：直線轉旋轉運動模塊、氣動夾爪裝置。（8）操作手單元。功能簡介：該單元由不同的氣動執(zhí)行部件組成，通過擺動、伸縮、氣動抓取等動作，將前一單元上的工件傳入下一執(zhí)行單元的輸入工位。plc 主機：西門子 s7 系列。擴展模塊：ppi、mpi、profibus 網(wǎng)絡。組成模塊：伸出及提升模塊、旋轉模塊、氣動夾爪組件。（9）立體存儲

18、單元。功能簡介：該單元為倉庫存儲的模擬，它將系統(tǒng)加工完成的合格產品按照不同類別進行分類立體存放。plc 主機：西門子 s7 系列。擴展模塊：ppi、mpi、profibus 網(wǎng)絡。步進電機及驅動器：start。組成模塊：步進電機控制模塊、滾珠絲桿模塊、工件推出組件、立體倉庫。 （10）為機械手單元。功能簡介：該單元是一個 6 個關節(jié)的機械手，它可以用來完成抓取動作，可以進行工件的組裝，產生一個完整的產品。手臂本體：日本莫托曼 hp3。擴展模塊：控制器、變壓器。組成模塊：手臂本體、手臂控制器、氣動夾爪。（11）分類工作單元。天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書3功能簡介：將工件從傳送帶的

19、前端輸送到后端。它帶有工件滑槽及導向裝置，能夠將工件按類別進行存儲。plc 主機：西門子 s7 系列。擴展模塊：ppi、mpi、profibus 網(wǎng)絡。組成模塊：傳送帶、阻擋裝置、工件滑槽。 1.4 mps 的公共模塊和器件（1） 供電電源模塊供電電源模塊及電路原理如圖 1-13 和圖 1-14 所示。外部供電電源為三相五線制 ac 380 v/220 v，三根相線經三相三線漏電保護開關后連接到三個安全導線插孔處，零線和接地線也連接到安全導線插孔處。另外，模塊上還提供兩個單相電源插座，為 plc 模塊和按鈕/指示燈模塊提供 ac 220 v 電源。 圖 1.1 為供電電源模塊一次回路原理圖。

20、圖 1.1（2） 氣源處理組件氣源處理組件及其回路原理圖如圖 1.2 所示。圖 1.2氣源處理組件是氣動控制系統(tǒng)中的基本組成器件，它的作用是除去壓縮空氣中所含的雜質及凝結水，以調節(jié)并保持恒定的工作壓力。在使用時，應注意經常檢查過濾器中凝結水的水位，在超過最高標線以前，必須排放，以免被重新吸入。氣源處理組件的氣路入口處安裝了一個快速氣路開關，用于啟/閉氣源，當把氣路開關向左拔出時，氣路接通氣源，反之，把氣路開關向右推入時氣路關閉。天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書4氣源處理組件的輸入氣源來自空氣壓縮機，所提供的壓力為 0.6 mpa1.0 mpa，輸出壓力為 00.8 mpa 可調。輸

21、出的壓縮空氣通過快速三通接頭和氣管輸送到各工作單元。1.5 mps 的發(fā)展前景模塊化生產培訓系統(tǒng)是先進工業(yè)自動化及制造的基本部分，將先進制造系統(tǒng)的物料供給、分揀、加工、檢測和立體倉庫等主要單元展現(xiàn)給學生，同時學生可以自己動手實踐，學習 plc 編程、生產管理、流程設計等機械設計制造及自動化的相關課程。隨著技術的發(fā)展，工控技術的不斷完善，上海英集斯自動化技術有限公司在原有的 mps 系統(tǒng)中加入了觸摸屏控制系統(tǒng)、組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和生產管理執(zhí)行系統(tǒng)，進一步提升了模塊化生產培訓系統(tǒng)的科技含量，使學生在“用最先進的技術培訓今天的學生，為未來而服務！”這樣的理念下前進。觸摸屏是一個智能化操作部件，是極富吸引力

22、的全新多媒體操作裝置，用戶只要用手指輕輕地觸摸顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對設備操作，可顯示設備運行狀況和運行參數(shù)。 組態(tài)監(jiān)控程序的應用解決了人-機界面控制中的動畫顯示問題，監(jiān)控信息將以更加形象、生動的動畫方式顯示出來。盡管觸摸屏和組態(tài)監(jiān)控軟件的出現(xiàn)至今只有短短的幾年時間，但實際應用已經證明，觸摸屏和組態(tài)監(jiān)控軟件可以取代設備的操作面板和儀表。生產管理執(zhí)行系統(tǒng)（mes）的應用是模塊化生產培訓系統(tǒng)的一次飛躍，它引入了信息管理技術，真正實現(xiàn)了對生產的有效管理。 1.6 simatic s7200plc 簡介plc在早期是一種開關邏輯控制裝置，被稱為可控編程控制器，簡稱plc。plc是一種專門用于工業(yè)

23、控制的計算機。具有可靠性高、抗干擾能力強、靈活性擴展性強、控制速度快、延時的可調性和精度高。硬件反面：a屏蔽：對電源變壓器、cpu、編程器等主要部件，采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防止外界干擾。b隔離：在微處理器與i/o電路之間，采用光電隔離措施，有效隔離i/o接口與cpu之間電的聯(lián)系，減少故障和誤動作；各i/o口之間亦彼此隔離。隨著微電子技術的快速發(fā)展，plc的制造成本不斷下降，而功能卻大大增強。應用領域以覆蓋所有的工業(yè)企業(yè)，如機床電機控制、電梯運行控制、冶金系統(tǒng)的高爐上料、汽車裝配線、以及一些自動化流水線等。本設計的柔性加工系統(tǒng)中采用了西門子公司 s7200 的 plc，cpu 為

24、226。s7-200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。s7-200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此 s7-200 系列具有極高的性能/價格比。s7-200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：1：極高的可靠性 2:極豐富的指令集 3: 易于掌握 4:便捷的操作 5:豐富的內置集成功能 6: 實時特性 7:強勁的通訊能力 8:豐富的擴展模塊 。s7-200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工

25、業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書5央空調，電梯控制，運動系統(tǒng)。cpu 226 的 plc 集成 24 輸入/16 輸出共 40 個數(shù)字量 i/o 點?？蛇B接 7 個擴展模塊，最大擴展至 248 路數(shù)字量 i/o 點或 35 路模擬量 i/o 點。13k 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個獨立的 30khz 高速計數(shù)器，2 路獨立的 20khz 高速脈沖輸出，具有pid 控制器。2 個 rs485 通訊/編程口，具有 ppi 通訊協(xié)議、mpi 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。

26、i/o 端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能?？赏耆m應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。 simatic s7-200 系列 plc 適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。s7-200 系列的強大功能使其無論在運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此 s7-200 系列具有極高的性能/價格比。 s7-200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面： （1） 極高的可靠性 （2）極豐富的指令集（3）易于掌握（4）便捷的操作（5）豐富的內置集成功能（6）實時特性（7）強勁的通訊能力（8）豐富的

27、擴展模塊 s7-200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書6第二章 操作手單元的結構與控制2.1 操作手單元的結構2.1.1 操作手單元的功能操作手單元的功能操作手單元可以模擬提取工件，按照要求將工件分流的過程。2.1.2 操作手單元的結構組成操作手單元的結構組成操作手單元主要由提取模塊、滑槽模塊、氣源處理組件、i/o 接線端口、閥組等組成。1. 提取模塊提取模塊實際上是一個“氣動機械手” ，主要由兩個直線氣缸（提取氣缸和擺臂氣缸） 、一個轉動氣缸及氣動夾爪等組成。提取氣缸安裝在擺臂氣

28、缸的氣缸桿的前端，用于實現(xiàn)垂直方向的運動，以便于提取工件。該氣缸在結構上不同于一般的直線氣缸，它是一個桿不回轉型氣缸，它的活塞桿為六邊形，這樣活塞桿就不能隨便轉動，便于氣動手指夾取工件。擺臂氣缸構成了氣動機械手的“手臂” ，可以實現(xiàn)水平方向上的伸出、縮回動作。同時它還是一個雙聯(lián)氣缸（也叫倍力缸） ，它擁有兩個壓力腔和兩個活塞桿，在同等壓力下，雙聯(lián)氣缸的輸出力是一般氣缸的兩倍，所以有的地方亦叫它倍力缸。在氣缸的兩個極限位置上分別安裝有磁感應式接近開關，用于判斷氣缸的動作是否到位。轉動氣缸用于實現(xiàn)擺臂氣缸的轉動，其轉動角度為 180，在氣缸的兩個極限位置上分別安裝有一個阻尼缸（用于緩沖旋轉過來的沖

29、擊）和一個電感式接近開關（用于判斷氣缸旋轉是否到位） 。氣動夾爪則用于抓取工件。2. 滑槽模塊滑槽模塊只有在帶有組態(tài)操作的 mps 系統(tǒng)上才會安裝?；勰K用于存放不合格的工件。2.1.3 操作手結構示意圖，操作手結構示意圖，如下圖 2.1：天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書7圖 2.1操作手單元的連線連 線 表 (siemens )一電源線一電源線124vna（紅）1)p0(6)-xk1(1) 5#2)p0(8)-xk1(2) 5#3)xk1(a)-1l+ ( q 側) 8#4)xk1(b)-2l+ ( q 側) 10#224v（紅）1)24v 電源-xk1(7) 3#2)24v

30、電源-l+（q 側電源） 9#3)xk1(3)-p0(12) 3#4)xk1(4)-p0(11) 3#5)xk1(5)-p0(10) 3#6)xk1(6)-p0(9) 3#7)xk1(c)-t01( 24v) 2#8)xk1(e)-c4（紅）(9,10)9)xk1(d)-c4（橙） （21,22）10) ti1( 24v)-l+ （i 側） 3# 3.地線 (0v )（藍）1)電源 0v-xk1(j) 4#2)電源 0v-m-（q 側電源） 9#3)xk1(h)-c4(黑)（11,12）4)xk1(i)-c4(綠)（23,24）天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書85)ti1(0v)-

31、m(i 側) 3#6)xk1(k)-t01(0v) 2#7)xk1 (9)-p0 (13) 3#8)ti1(0v)-m (q 側) 6#9)ti1(0v)-2m (q 側) 6#10) ti1(0v)-1m (i 側) 1 #11) t01(0v)-2m (i 側) 7#二信號線（黑）二信號線（黑）1plc 的輸入1)i0.0-c4 (13 ) (橙-)2)i0.1-c4 (14 ) (橙色)3)i0.2-c4 (15 ) (天藍-)4)i0.3-c4 (16 ) (天藍)5)i0.4-c4 (17 ) (白-)6)i0.5-c4 (18 ) (白色)7)i0.6-c4 (19 ) (黃-)8

32、)i0.7-c4 (20 ) (黃色)9)i1.0-ti1 (i0 ) 3#10) i1.1-ti1 (i1 ) 3#11) i1.2-ti1 (i2 ) 3#12) i1.3-ti1 (i3 ) 3#13) i1.4-ti1 (i4 ) 3#14) i1.5-ti1 (i5 ) 3#2. plc 的輸出1)q0.0-c4 (1 ) (紫色)2)q0.1-c4 (2 ) (紫-)3)q0.2-c4 (3 ) (咖啡)4)q0.3-c4 (4 ) (咖啡-)5)q0.4-c4 (5 ) (灰色)6)q0.5-c4 (6 ) (灰-)7)q0.6-c4 (7 ) (黑色)8)q0.7-c4 (8

33、) (黑-)9)q1.0-to1 (o0 ) 10# 10) q1.1-to1 (o1 ) 10# 三急停繼電器連線三急停繼電器連線11) ti1 (i7 )-po(14 ) 5# 紅12) to1(o6)-po( 5 ) 1# 黑13) ti1(i6)- po( 7) 4# 紅注：打陰影的線號先連線。注：打陰影的線號先連線。天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書92.2 操作手單元的控制本操作手用于柔性生產線上工件的自動搬運，其結構如上圖所示。由 1、2 兩個氣缸缸完成工件的加緊和提升的動作。1 號氣缸兩個電磁閥控制工件的夾緊、放松，2 號氣缸通過電磁閥控制工件的上升、下降，由底盤電動

34、機帶動底盤旋轉。當工件在旋轉帶上運行時，并且到旋轉帶的端部的時候，接近開關檢測到有物體存在的時候，旋轉帶停止,2 氣缸活塞縮回，帶動豎軸下降，下降到行程開關 sq3，1 氣缸的驅使手爪夾緊工件，并延時。 2 氣缸活塞伸出，帶動豎軸上升，3 氣缸活塞縮回，帶動橫軸縮回，同時底盤電動機帶動底盤旋轉。當?shù)妆P步進電機旋轉 180后，其到達 b 傳送帶的上方時，3 氣缸活塞伸出，帶動橫軸前伸，同時 2 氣缸活塞縮回，帶動豎軸下降，下降到行程開關 sq3，1 氣缸的驅使手爪放松工件，延時 2 秒 后。2 氣缸活塞伸出，帶動豎軸上升，3 氣缸活塞縮回，帶動橫軸縮回，同時底盤電動機帶動底盤旋轉。當?shù)妆P步進電機

35、旋轉 180后，其到達旋轉的上方時 一次的搬運過程就完成。即循環(huán)動作簡圖，如下圖，圖 2.22.3 控制系統(tǒng)硬件的設計2.3.1 氣壓傳動的選擇氣壓傳動的選擇氣壓傳動簡稱氣動，是以壓縮空氣為工作介質來傳遞和控制信號，控制和驅動各種機械設備，以實現(xiàn)生產過程機械化、自動化的一門技術。一個完整的氣動自動化系統(tǒng)由氣源裝置、控制元件、執(zhí)行元件、輔助元件、檢測元件及控制器組成。如圖 2.3 所示。天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書10圖 2.3（1）氣源裝置：主要作用是提供清潔、干燥的壓縮空氣。（2）控制元件：其作用是調節(jié)和控制壓縮空氣的壓力、流量和流動方向，以便使執(zhí)行元件能按要求的程序和性能工

36、作。控制元件分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等。（3）執(zhí)行元件：是將氣體的壓力能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。它包括實現(xiàn)直線往復運動的氣缸和實現(xiàn)連續(xù)回轉運動或擺動的氣動馬達或擺動馬達。（4）輔助元件：其作用是輔助氣動系統(tǒng)正常工作，主要由凈化壓縮空氣的凈化器、過濾器、干燥器等組成，另外還包括供給系統(tǒng)潤滑的油霧器、消除噪聲的消聲器、提供給系統(tǒng)冷卻的冷卻器等。（5）檢測元件：其作用是檢測氣缸的運動位置，判斷工件有無及工件性質等。（6）控制器：其作用是對檢測元件提供的信號進行邏輯運算，提供執(zhí)行元件輸出信號，控制系統(tǒng)按照預定的要求有序工作。氣壓傳動具有以下優(yōu)點：（1）以空氣作為工作介質，取之不盡

37、，來源方便，且無污染、環(huán)保。（2）工作環(huán)境適應性好，可工作在易燃、易爆、多塵、強輻射等環(huán)境。 在操作手單元中，氣爪有個不同的意義，氣爪能實現(xiàn)各種抓取功能，是現(xiàn)代氣動機械手的關鍵部件。氣爪具有如下特點： 所有的結構都是雙作用的，能實現(xiàn)雙向抓取，可自動對中，重復精度高； 抓取力矩恒定； 在氣缸兩側可安裝非接觸式檢測開關； 有多種安裝、連接方式。本文所使用的為 festo 平行氣爪，平行氣爪通過兩個活塞工作，兩個氣爪對中心移動。這種氣爪可以輸出很大的抓取力，既可用于內抓取，也可用于外抓取。 2.3.2 氣動控制回路氣動控制回路操作手的全部動作由氣缸驅動。該控制回路的執(zhí)行機構是氣動控制系統(tǒng)，其方向控制

38、閥的控制方式為電磁控制或手動控制。各執(zhí)行機構的邏輯控制功能是通過 plc 控制實現(xiàn)的。在操作手單元的氣動控制原理圖及 io 圖如 2.4 示，天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書11操作手單元的 in 圖天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書12操作手單元的 out 圖圖 2.41a 為旋轉氣缸；1b1 和 1b2 為電感式接近開關；2a 為擺臂雙聯(lián)氣缸；2b1、2b2 為磁感應式接近開關；3a 為氣動夾爪；3b1 為磁感應式接近開關；4a 為桿不回轉的提取氣缸；4b1、4b2 為磁感應式接近開關；1y1、1y2 為旋轉氣缸的電磁閥的兩個控制信號；2y1、2y2為控制擺臂氣缸的電

39、磁閥的兩個電磁控制信號；3y1、3y2 為控制氣動夾爪開與閉的電磁閥的兩個電磁控制信號；4y1 為提取氣缸的電磁閥的電磁控制信號。2.3.3 傳感器的選擇：傳感器的選擇：接近開關的選擇：選擇磁感應式接近開關，原理如下圖型號為 jkt09-f4a 70b具體參數(shù)：開關頻率:100 , 最大連續(xù)工作 500mah 天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書132.3.4 電源的選擇電源的選擇本系統(tǒng)需要的用電設備有：plc、繼電器、交流電機、光電傳感器等設備。通過初步計算：得出以下的結果：工作壓力 0.8mbar 最大輸出流量 300l/min電機功率 8kw 電機轉速 500 轉/min負載能力

40、 115kg其中，交流電機連線圖如下，2.4plc 的 i/o 接線mps 中的每個部件上的輸入、輸出信號與 plc 之間的通信電路連接是通過 i/o 接線端口實現(xiàn)的。各接口地址已經固定。各單元中需要與 plc 進行通信連接的線路（包括各個傳感器的線路、各個電磁閥的控制線路及電源線路）都已事先連接到了各自的 i/o 接線端口上，在與 plc 連接時，只需使用一根專用電纜即可實現(xiàn)快速連接。操作手單元 i/o 設備符號與說明見表 2.1。序號設備符號設備名稱設備用途信號特征11b1電感式傳感器判斷擺臂的左右位置信號為 1：擺臂在最左端21b2電感式傳感器判斷擺臂的左右位置信號為 1：擺臂在最右端3

41、2b1磁感應式接近開關判斷擺臂伸縮情況信號為 1：擺臂縮回到位42b2磁感應式接近開關判斷擺臂伸縮情況信號為 1：擺臂伸出到位53b1磁感應式接近開關判斷夾爪開閉情況信號為 1：夾爪已打開信號為 0：夾爪夾緊64b1磁感應式接近開關判斷夾爪上下的位置信號為 1：夾爪上升返回到位74b2磁感應式接近開關判斷夾爪上下的位置信號為 1：夾爪下降到位81y1電磁閥控制旋轉氣缸左右動作信號為 1：旋轉缸左轉91y2電磁閥控制旋轉氣缸左右動作信號為 1：旋轉缸右轉102y1電磁閥控制擺臂氣缸伸縮動作信號為 1：擺臂縮回112y2電磁閥控制擺臂氣缸伸縮動作信號為 1：擺臂伸出123y1電磁閥控制夾爪開閉的動

42、作信號為 1：夾爪打開天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書14133y2電磁閥控制夾爪開閉的動作信號為 1：夾爪閉合144y1電磁閥控制提取缸上下的動作信號為 1：夾爪下降信號為 0：夾爪上升表表 2.12.5 操作手單元的編程：2.5.1 控制任務控制任務當設備接通電源與氣源、plc 運行后，首先執(zhí)行復位動作，旋轉氣缸驅動的擺臂左轉到最左端，擺臂縮回到位，夾爪打開，提取氣缸上升到位。然后進入工作運行模式，按啟動按鈕，操作手單元先擺臂氣缸后提取氣缸依次伸出，提取氣缸伸出到達下端后夾爪夾取工件，夾緊工件后，再按照先提取氣缸后擺臂氣缸的順序依次縮回，然后擺臂氣缸擺到右端，等待工件送出信號。

43、再次按下啟動按鈕，工件送出，擺臂氣缸、提取氣缸依次伸出，然后放下工件，再按照逆過程返回到初始位置。2.5.2 編寫程序編寫程序操作手單元程序框圖如下所示： 上電m4.0 復位燈閃(s2) q1.1 閃 (s2)i1.1=1 m4.1 復位 1(上下缸縮回,夾爪打開) (3y1) q0.4=1 (4b1) i0.5=1 & (3b1) i0.4=1m4.2 復位 2 (橫臂縮回) 2y1(q0.2)=1 (2b1) i0.2=1m4.3 復位 3 (1 缸轉上工位) 1y1(q0.0)=1 (1b1) i0.0=1& (2b1) i0.2=1 & (4b1) i0.5=1天津理工大學 2011

44、屆本科畢業(yè)設計說明書15m4.4 開始燈閃 （l1）q1.0 閃 (s1) i1.0=1m4.5 等工作信號i1.2=1m4.6 2 缸出 ( 2y2) q0.3=1 (2b2) i0.3=1m4.7 延時 t40=0.5s t40=1m3.0 4 缸下 (4y1) q0.6=1 (4b2) i0.6=1m3.1 3 夾緊 (3y2) q0.5=1 , t1=1s ( i0.4) 3b1=0 & t1=1m3.2 4 缸上升 (4y1) q0.6=0 (4b1) i0.5=1m3.3 2 缸回 (2y1) q0.2=1 (2b1) i0.2=1m3.4 1 缸轉下工位 (1y2) q0.1=1

45、 (1b2) i0.1=1&i1.2=1m3.5 2 缸出 (2y2) q0.3=1 2b2=1 (i0.3)m3.6 4 缸下 (4y1) q0.6=1 (4b2) i0.6=1m3.7 3 缸放工件 (3y1) q0.4=1天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書16 (3b1) i0.4=1m2.0 4 缸升 (4y1) q0.6=0 (4b1) i0.5=1 m2.1 2 缸回 (2y1) q0.2=1 (2b1) i0.2=1m2.2 轉上工位（1y1）q0.0=1 (1b1) i0.0=1m2.3 返回 m4.52.5.3 下載調試下載調試系統(tǒng)調試分模擬調試和聯(lián)機調試，硬件部分

46、的模擬調試可在斷開主電路的情況下，主要試一試手動控制部分的可靠性。軟件部分的模擬調試可借助于模擬開關和 plc 輸出端的指示燈進行。需要模擬量信號i/o 時，可用電位器和萬用表進行。調試時，可利用上述外部設備模擬各種現(xiàn)場開關和傳感器的狀態(tài)，然后觀察 plc 的輸出邏輯是否正確。如果有錯誤則修改程序后反復調試。現(xiàn)在plc 的主流產品都可在 pc 上編程，并可在 pc 上進行模擬調試。連機調試時，可把編制好的程序下載到現(xiàn)場的 plc 中。有時 plc 也許只有一臺，這時就要把 plc 安裝到控制柜相應的位置上。調試時一定要先將主電路斷開，只對控制電路進行連機調試。將編輯好的程序下載到 plc 中運

47、行，調試通過，完成控制任務。氣動控制回路分析及仿真（1） 氣動控制回路分析在圖 2.3 中，本站開始工作時，進行夾爪打開、橫臂縮回和轉上工位復位動作，均靠氣缸復位來完成。等上站工作完成信號來后，首先使電磁閥線圈 2y2 通電，使 2 號氣缸動作，橫臂縮回。當檢測開關 2b2 有信號輸出后，使控制 4 號氣缸的電磁閥線圈 4y1通電，實現(xiàn)夾爪下降動作，準備抓工件，下降到位后，4b2 輸出，此時使 3y2 通電，實現(xiàn)夾緊動作，延時后，使 4y1 斷電，夾爪上升，直到 4b1 有信號輸出，此時令 2y1 通電，橫臂縮回；縮回到位后，2b1 輸出，使 1y2 通電，橫臂實現(xiàn)旋轉，使操作手達到下一工位。

48、等下工位有工件后，使 2y2 通電，橫臂伸出，到位后 2b2 輸出，使 4y1 得電，4 號氣缸活塞桿伸出，夾爪下降，到位后，使 3y1 通電，夾爪釋放工件，完成后，使 4y1 斷電，夾爪上升，到最高位后，使 2y1 通天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書17電，橫臂縮回，到位后，2b1 有信號輸出，使 1y1 通電，橫臂轉上工位，完成本站工作。（2） 氣動控制回路仿真用 fluidsim-p 軟件設計制作氣動控制和仿真模擬。通過該軟件，在計算機上分別畫出氣動回路圖 2.3 和根據(jù)程序框圖設計電氣控制回路，然后進行測試和模擬仿真。通過仿真的實時顯示與軟件連接的實際控制回路的動作，逐步解

49、決控制回路中的問題，直到最后實現(xiàn)程序框圖要求的控制過程。天津理工大學 2011 屆本科畢業(yè)設計說明書18第三章 plc 選型及程序的編寫3.1 plc 的選型考慮到操作手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元器件連接的靈活性和方便性，采用plc 作為核心控制器，各控制對象都必須在 plc 的統(tǒng)一控制下協(xié)同工作，同時考慮到工作流程和造價。所以我們采用西門子公司的 s7-200 型 plc(16 點輸入、16 點輸出)。德國西門子（siemens）公司生產的可編程序控制器在我國的應用相當廣泛，在冶金、化工、印刷生產線等領域都有應用。西門子（siemens）公司的 plc 產品包括 logo，s7-20

50、0，s7-300，s7-400，工業(yè)網(wǎng)絡，hmi 人機界面，工業(yè)軟件等。 西門子 s7 系列 plc 體積小、速度快、標準化，具有網(wǎng)絡通信能力，功能更強，可靠性更高。s7 系列 plc 產品可分為微型 plc（如 s7-200） ，小規(guī)模性能要求的 plc（如 s7-300）和中、高性能要求的 plc（如 s7-400）等。plc 的選擇主要應從 plc 的機型、容量、i/o 模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力、廠家的選擇等方面加以綜合考慮。plc 機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點： (一) 合理的結構型式 plc 主要有整體式和模塊式兩種結構型式。 整體式 plc 的每一個 io 點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式 plc 的功能擴展靈活方便,在 io 點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、io 模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復雜的控制系統(tǒng)。(二) 安裝方式的選擇 plc 系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程 io 式以及多臺 plc 聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設置驅動遠程 io 硬件，系統(tǒng)反應快、成本低；遠程