MPS機械手站單元設計與PLC控制

1、封面作者：PanHongliang僅供個人學習陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院SHAANXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY畢業(yè)設計論文題目專業(yè)班級姓名學號指導教師二零一二年陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院二O二屆畢業(yè)設計（論文）任務書專業(yè)：機電一體化技術 班級： 姓名：學號：設計題目：MPS 系統(tǒng)加工檢測站單元的設計與 PLC 控制設計條件：要求采用西門子 PLC 作為控制器，以氣動元件作為執(zhí)行元件，設計 MPS 系統(tǒng)加工檢 測站單元，并實現(xiàn)其動作控制要求。設計任務：1氣動機械手的機構設計和氣動元件的選型； 2利用氣動仿真軟件設計氣動回路并進行仿真調(diào)試；3加工檢測站的電氣接線設計和通信接口設

2、計；4. PLC 的 I/O 分配設計和編程設計；5完成對加工檢測站的安裝、連接、調(diào)試、運行； 6.畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容包括：1） 課題的來源和意義，系統(tǒng)設計方案的確定及說明。2） 系統(tǒng)硬件結構及功能說明。3） 系統(tǒng)軟件編程及功能實現(xiàn)。起止日期：2011年 月 日2011年 月 日（共 周） 指導教師：劉龍江審核（教研室主任）： 批準（系主任）：設計評語：指導教師簽字： 年 月 日答 辯：考核組長：總 成 績：MPS 系統(tǒng)機械手站單元的設計與 PLC 控制摘要MPS（modular production system 模塊化生產(chǎn)加工培訓系統(tǒng) ） 是模擬實際生產(chǎn)加工操 作過程的開放式教案系統(tǒng)，主

3、要是針對學生不能經(jīng)常在實際生產(chǎn)線上進行培訓而設計 的，該系統(tǒng)是工業(yè)自動化生產(chǎn)線的縮微模型， 可以提供一個實際自動化制造， 加工生產(chǎn) 線的模擬教案環(huán)境，可根據(jù) I/O 分配編寫程序達到系統(tǒng)的控制，提高實際操作的能力， 本文涉及的系統(tǒng)為上海英集斯公司生產(chǎn)的 MPS 模塊化生產(chǎn)加工培訓系統(tǒng)，它采用西門子 公司生產(chǎn)的小型可編程序控制器S7-200 對 MPS 各個工作站的運行過程進行實時控制。本次設計是以 MPS 系統(tǒng)中機械手站單元為研究，采用德國西門子公司生產(chǎn)的 S7- 226 系列可編程控制器對機械手進行運動控制，根據(jù)機械手的運動規(guī)律進行編程，使用 傳感器進行位置控制，并使用 FluidSIM-P

4、 軟件設計制作氣動控制和仿真模擬，完成機 械手站的控制任務。關 鍵 詞 ： MPS ； 機 械 手 站 單 元 ； PLC ； 傳 感 器目錄1 緒論 11.1 MPS 模塊化加工系統(tǒng)簡介 11.2MPS 的基本組成 11.3 MPS 的基本功能 21.4 設計條件及設計任務 22 機械手站單元的控制硬件 42.1 可編程控制器（ PLC）42.1.1 PLC 的簡況及特點 42.1.2 PLC 結構及基本配置： 42.1.3 PLC 的應用領域 62.1.4 S7-200PLC 的介紹 62.2 傳感器 92.2.1 傳感器的簡介以及分類 92.2.2 傳感器工作原理及應用 103 機械手

5、123.1 機械手的簡介： 123.2MPS 系統(tǒng)中機械手工作站的結構功能3.2.1 機械手站氣動回路圖 143.2.2 氣動部件的選用 14 3.2.3 氣動部件的簡要分析 153.2.4 電器元件的簡介 164 機械手站單元的 PLC 設計 174.1 機械手站單元的控制要求 17 4.2 機械手站單元順序功能流程圖 18 4.3 機械手站單元的I/O 分配表 184.4 梯形圖 194.5 指令表 194.6 模擬調(diào)試 195 總結 20參考文獻 21致謝 22131.1 MPS模塊化加工系統(tǒng)簡介模塊化加工系統(tǒng)（MPS, Modular ProductionSysten）體現(xiàn)了機電一體化

6、的 技術實際應用。MPS 設備是一套開放式的設備，用戶可根據(jù)身產(chǎn)需要選擇 設備組成單元的數(shù)量、類型，最少時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(chǎn)系統(tǒng)可以體現(xiàn)自動生產(chǎn)線的控制特點。在由多個 MPS 工作單元組成的系統(tǒng)中，綜合應用了多種技術知識，如 氣動控制技術、機械技術（機械傳動、機械連接等）、電工電子技術、傳感 應用技術、PLC 控制技術、組態(tài)控制技術、信息技術等。利用該系統(tǒng)可以 模擬一個與實際生產(chǎn)情況十分接近的控制過程，使學員在一個非常接近于實 際的教案設備環(huán)境，使學員在學習過程中很自然地就將理論應用到了實際 中，實現(xiàn)了理論與實踐的完美結合，從而縮短了理論教案與實際應用

7、之間的 距離。1.2MPS的基本組成多個單元組成的 MPS 系統(tǒng)可以較為真實地模擬出一個自動生產(chǎn)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(qū)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(zhì)、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)代工作實現(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)需要原則不同 廠

8、家的 PLC（例如三菱公司的 FX2N 系列 PLC、西門子公司的 S7-200 系列 PLC 和 S7-300 系列PLC）。MPS 設備的硬件結構是相對固定的，但學員可 以根據(jù)自己對設備的理解、對生產(chǎn)加工工藝的理解，編寫一定的生產(chǎn)工藝過 程，然后再通過編寫 PLC 控制程序?qū)崿F(xiàn)該工藝過程，從而實現(xiàn)對 MPS 設備 的控制。圖1.1多單元組成的MPS系統(tǒng)1.3 MPS的基本功能MPS 設備給學員提供了一個開放式的學習環(huán)境，雖然各個組成單元的 結構已經(jīng)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(chǎn)加工控制過程、 MPS 作為

9、一條自動生產(chǎn)流水線具有怎么樣的操作運行模式等，學員都可根 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，學員可在這些基本功能的 基礎上進行流程編排設計和發(fā)揮。1）、MPS 系統(tǒng)的基本組成單元：上料件檢測單元操作手單元加工單元安裝單元安裝搬運單元立體存儲單元機械手單元（如圖 1.2 所示）2）、機械手站單元功能簡介：該單元是一個六個關節(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(chǎn)生一個完整的產(chǎn)品。手臂本體：日本莫托曼 HP3、 二菱等圖1.2機械手單元擴展模塊：控制器、變壓器。組

10、成模塊：手臂本體、手臂控制器、氣爪。圖1.3機械手單元在MPS中的應用1.4設計條件及設計任務1、設計條件：要求采用西門子 S7-226PLC 作為控制器，以氣動元件作為執(zhí)行元件, 設計 MPS 系統(tǒng)機械手戰(zhàn)單元，并實現(xiàn)其動作控制要求。2、設計任務：（1）氣動機構設計和氣動元件的選型；（2）利用氣動仿真軟件設計氣動回路并進行仿真調(diào)試；（3）機械手站的電氣接線設計和通信接口設計；（4）PLC 的 I/O 分配設計和編程設計；（ 5）完成對機械手站的硬件和軟件的安裝、連線、調(diào)試、運3、畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容包括：（1）課題的來源和意義，系統(tǒng)設計方案的確定及說明；（2）系統(tǒng)硬件結構及功能說明；（3）系

11、統(tǒng)軟件編程及功能實現(xiàn)2 機械手站單元的控制硬件2.1可編程控制器（PLC）2.1.12.1.1PLCPLC 的簡況及特點可編程序控制器（PLC）是現(xiàn)代工業(yè)自動化領域中的一門先進控制技術，它已成為 現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，其應用深度和廣度已經(jīng)成 為一個國家工業(yè)先進水平的重要標志之一。PLC 具有可靠性、邏輯功能強、體積小、可在線修改控制程序、遠程通信聯(lián)網(wǎng)、易于與計算機接口、模擬量控制、高速計數(shù)及位 控等一系列優(yōu)異性能。1 1） PLCPLC 的分類可編程序控制器（Programmable Logic Controller）簡稱 PLC，是以微處理器為基 礎

12、，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動 控制裝置?？删幊绦蚩刂破靼l(fā)展到今天，已經(jīng)有多種形式，而且功能也不盡相同。按不同的原 則可有不同的分類。a、根據(jù)結構分類（1）整體式（箱體式）整體式 PLC 的基本組成框圖如圖 2.1 所示。（2）組合式（機架模塊式）組合式 PLC 的基本組成框圖如圖 2.2 所示。b、按控制規(guī)模分類一般而言，處理的 I/O 點數(shù)愈多，則控制關系愈復雜，用戶要求的程序存儲器容量 愈加大、PLC 指令及其他功能也愈加多、指令執(zhí)行的速度也愈加快。按PLC 的 I/O 點數(shù)可將 PLC 分為以下三類：小型 PLC、中型 PLC、大型 PLC。

13、2 2） PLCPLC 的特點：抗干擾能力強，可靠性高；編程方便；使用方便；維護方便；設計、施工調(diào)試周期 短；易于實現(xiàn)機電一體化。c “口甘*亦囲圖22組合式PLC的基本組成框圖2.1.22.1.2PLCPLC 結構及基本配置一般講，PLC 分為箱體式和模塊式兩種?體式它們的組成是相同的，對箱體式 PLC，有一塊 CPU 板、I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當然按 CPU 性能分成若 干型號，并按 I/O點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式 PLC，有 CPU 模塊、I/O 模塊、內(nèi)存、 電源模塊、底板或機架。1)CPU 的構成PLC 中的 CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺 PL

14、C 至少有一個 CPU， 它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn) 場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內(nèi)部 電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀 取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路， 與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制 及狀態(tài)總線構成，還有外圍芯片、總線接口及有關電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工 作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC 不可缺少的組成單元。CPU 的控制器控制

15、 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏 由震蕩信號控制。 CPU 的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。 CPU 的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU 雖然劃分為以上幾個部分，但 PLC 中的 CPU 芯片實際上就是微處理器。CPU 模塊的外 部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設定或控制開關。一般講，CPU 模塊總要有相應的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式 PLC 的主 箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接 I/O 模板或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi) 存，有外設口，用于接外部設備，有的還有

16、通訊口，用于進行通訊。CPU 模塊上還有許多設定開關，用以對 PLC 作設定，如設定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。2)I/O 模塊PLC 的對外功能，主要是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點數(shù)確定模 塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即 受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸 入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。3)電源模塊有些 PLC 中的電源，是與 CPU 模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供 2

17、4V 的工作電 源。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流 220VAC 或 110VAC ，直流電源，加 的為直流電壓，常用的為 24V。4)底板或機架大多數(shù)模塊式 PLC 使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系， 使 CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構成一個 整體5)PLC 的外部設備外部設備是 PLC 系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類a、 編程設備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、 監(jiān)控PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是 PLC 開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查 維護不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控

18、制運行。b、 監(jiān)控設備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。c、 存儲設備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用 戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如 EPROM、 EEPROM 寫入器等。d、 輸入輸出設備： 用于接收信號或輸出信號， 一般有條碼讀人器，輸入模擬量的 電位器，打印機等。6）PLC 的通信聯(lián)網(wǎng)PLC 具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使 PLC 與 PLC 之間、PLC 與上位計算機以及其他智 能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制?，F(xiàn)在幾乎所有的 PLC 新產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它和計算機一樣具有 RS-232 接口，通過雙絞線、

19、同軸 電纜或光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的范圍內(nèi)交換信息。當然，PLC 之間的通訊網(wǎng)絡是各廠家專用的， PLC 與計算機之間的通訊，一些生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標準總線， 并向標準通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機型的 PLC 之間、 PLC 與計算機之間可以方便地 進行通訊與聯(lián)網(wǎng)。2.1.32.1.3 PLCPLC 的應用領域最初， PLC 主要用于開關量的邏輯控制。隨著 PLC 技術的進步，它的應用領域不 斷擴大，主要用于開關量控制；用于模擬量控制；用于數(shù)字量控制；用于數(shù)據(jù)采集；用 于進行監(jiān)控；用于聯(lián)網(wǎng)、通訊。事實上，PLC 已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域。從行業(yè)看，冶金、機械、化 工、輕工、食品、建材

20、等等，幾乎沒有不用到它的。不僅工業(yè)生產(chǎn)用它，一些非工業(yè)過 程，如樓宇自動化、電梯控制也用到它。農(nóng)業(yè)的大棚環(huán)境參數(shù)調(diào)控，水利灌溉也用到 它。PLC 能有上述幾個范圍廣泛的應用，是 PLC 自身特點決定的，也是 PLC 技術不 斷完善的結果。2.1.42.1.4 S7-200PLCS7-200PLC 的介紹德國的西門子（SIEMENS ）公司是歐洲最大的電子和電氣設備制造商，生產(chǎn)的 SIMATIC可編程序控制器歐洲處于領先地位。其第一代可編程控制器是 1975 年投放市 場的 SIMATICS3 系列的控制系統(tǒng)。在 1979 年，微處理器技術被應用到可編程控制器 中，產(chǎn)生了 SIMATICS5 系

21、列，取代了 S3 系列，之后在二十世紀末又推出了 S7 系列產(chǎn) 品。最新的 SIMATIC 產(chǎn)品為 SIMATIC S7、M7 和 C7 等幾大系列。從 CPU 模塊的功能來看，SIMATIC S7-200 系列小型 PLC 發(fā)展經(jīng)歷了兩代：第一代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU 21X，主機都可以進行擴展，它具有四種不同結構配置的 CPU 單元：CPU212, CPU214, CPU215 和 CPU216。第二代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU 22X，是在二十一世紀初投放市場的，速度快，具 有較強的通訊能力，它具有四種不同結構配置的CPU 單元：CPU221，CPU222，CPU224 和

22、CPU226，除 CPU221 之外，其他都可以加擴展模塊。SIMATIC S7-200 系統(tǒng)由硬件和工業(yè)軟件兩大部分組成如圖 2.3 所示：1） 硬件基本單元、擴展單元、特殊功能模塊、相關設備2） 工業(yè)軟件工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設備而開發(fā)的與之配套的程序、文檔及其規(guī)則 的總和，它主要由標準工具、工程工具、運行軟件和人機接口等幾類構成。a CPU 介紹及 I/O 系統(tǒng)（如表 2.1）表 2.1 不同種類 CUP 的 I/O 對比型號主機輸出類型主機輸入點數(shù)主機輸出點數(shù)（0）可擴展模塊數(shù)CPU221DC繼電器圖$.3 S7-200PLC組成框圖無CPU222DC繼電器82CPU224D

23、C繼電器14107CPU226DC繼電器24167b、主機外形SIMATIC S7-200 系統(tǒng) CPU22X 系列 PLC 主機（CPU 模塊）的外形如圖 2.4 所示c、基本結構特點4 種 CPU 各有晶體管輸出（直流輸出）和繼電器輸出（交、直流輸出）兩種類型，具 有不同電源電壓和控制電壓。各類型的型號如下表2.2：表 2.2 各種 CPU 輸出電壓、電流的對比CPU類型電源電壓圖2.4 CPU結構輸入電壓外形圖輸出電壓輸出電流DC輸出DC輸入24VDC24VDC24VDC0.75A，晶體管CPU221繼電器輸出DC輸入85-264VAC24VDC24VDC24-230VAC2A，繼電器D

24、C輸出24VDC24VDC24VDC0.75A，晶體管CPU221CPU221CPU221繼電器輸出85-264VAC24VDC24VDC24-230VAC2A，繼電器d、S7-200 之間的 PPI 通信PPI 協(xié)議是專門為 S7-200 開發(fā)的通信協(xié)議。S7-200CPU 的通信口（ PortO、Portl） 支持 PPI 通信協(xié)議，S7-200 的一些通信模塊也支持 PPI 協(xié)議。Micro/WIN 與 CPU 進行 編輯通信也通過 PPI 協(xié)議。S7-200CPU 的 PPI 網(wǎng)絡通信是建立在 RS-485 網(wǎng)絡的硬件基礎上，因此其連接屬性 和需要的網(wǎng)絡硬件設備與其它 RS-485 網(wǎng)

25、絡一致。S7-200 CPU 之間的 PPI 網(wǎng)絡通信只需要兩條簡單的指令，它們是網(wǎng)絡讀（NETR）和網(wǎng)絡寫（NETW）指令。在網(wǎng)絡讀/寫通信中，只有主站需要調(diào)用 NETR/NETW 指 令，從站只需編輯處理數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（取用或準備數(shù)據(jù)）。在 S7-200 系統(tǒng)中，無論是組成 PPI、MPI、還是 Profibus-DP 網(wǎng)絡用到的主要部件 都是一樣的。e、擴展模塊以及功能模塊（1）功能模塊擴展當需要完成某些特殊功能的控制系統(tǒng)， CPU 主機可以擴展特殊功能模塊，一般是 特殊功能模塊有 SM253 位置控制模塊，EM241 調(diào)制解調(diào)器模塊等。輸入輸出擴展S7-200PLC 的 CPU 所提供的本

26、機 I/O 點和 I/O 地址是固定的，進行擴展時可以在 CPU 右邊連接多個擴展模塊連接。每個擴展模塊的組態(tài)地址編號取決于各模塊的類型和該模塊在I/O 鏈中所處的位置。編制方法就是同種類型輸入或輸出點的模塊在鏈中按與主機的位置而遞增，其他類 型模塊的有無及所處的位置不影響本類型模塊的編號。最大 I/O 配置的預算需考慮映像寄存器數(shù)量及電流提供能力。各CPU 能提供的最大 5VDC 電流如下表。表 2.3 各種 CPU 的最大擴展電流的對比CPU型號221222224226最大擴展電流（mA）03406601000SIMATIC S7-200 系列 PLC 適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)

27、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：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內(nèi)置集成功能； 實時特性；強勁的通訊能力；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

28、，中央空調(diào)，電梯控制， 運動系統(tǒng)。此次畢業(yè)設計選用 CPU226,CPU226 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。13 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。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，更快的運行速度和更強的內(nèi)部集成特

29、殊功能。可完全 適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)，如圖2.5 所示。圖2.5 CPU226的外形圖2.2傳感器2.2.12.2.1 傳感器的簡介以及分類人是靠視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺這些感覺器官來接受外界信息的，而一臺光 機電一體化的自動設備在運行中也有大量的信息需要準確地被“感受”，以使設備能按 照設計要求實現(xiàn)自動化控制，自動化設備用于“感受”信息的裝置就是傳感器。傳感器 是實現(xiàn)自動化的關鍵技術之一。1 1） 傳感器的組成傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件、轉換元件和轉換電路及輔助電源部分組成。a 敏感元件，是傳感器中能直接感受或響

30、應被測量的部分。b、 轉換元件，是傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適用于傳輸或測 量的電信號的部分。c、轉換電路，是將轉換元件輸出的電參量轉換成電壓、電流或頻率量的電路。d、 輔助電源，是用于提供傳感器正常工作能源的電源。傳感器的組成如圖2.6 所 示2 2）常用傳感器的分類作為實現(xiàn)傳感功能的基本器件，傳感器的分類方法很多，a 按傳感器能量變換關系進行分類按能量變換關系，傳感器分為發(fā)電型傳感器和參量型傳感器。b、按傳感器輸入量（即被測參數(shù)）進行分類按輸人量分類，傳感器以被測物理量命名，如位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感 器、壓力傳感器等。C、按傳感器的輸出量進行分類按輸出量分類，傳感

31、器可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器兩類。模擬式傳感器是 指傳感器的輸出信號為模擬量，數(shù)字式傳感器是指傳感器的輸出信號為數(shù)字量。d、按傳感器工作原理進行分類按傳感器的工作原理為依據(jù)分類，可分為電阻應變式傳感器、電容式傳感器、電感 式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器等。2.2.22.2.2 傳感器工作原理及應用1 1）電感式接近開關a 電感式接近開關的基本工作原理電感式傳感器為信號發(fā)生器，它被用于在加工機械，機器人，生產(chǎn)線以及傳送帶系 統(tǒng)中檢測和功能相關的動作 ,并將檢測結果轉換成電信號。它是以非接觸的方式工作 的。當有金屬物體接近規(guī)定的感應距離時，傳感器會發(fā)出一個電信號。電感式接近開關 就是利

32、用電渦流效應制造的傳感器。（1） 高頻振蕩型電感式接近開關它以高頻振蕩器（ LC 振蕩器）中的電感線圈作為檢測元件，利用被測金屬物體接 近電感線圈時產(chǎn)生的渦流效應，引起振蕩器振幅或頻率的變化，由傳感器的信號調(diào)理電 路將該變化轉換成開關量輸出，從而達到檢測的目的。（2） 差動線圈型電感式接近開關它有兩個電感線圈，由其中一個電感線圈作為檢測線圈，另一個電感線圈作為比較 線圈；由于被測金屬物體接近檢測線圈時會產(chǎn)生渦流效應，從而引起檢測線圈中磁通的 變化，檢測線圈的磁通與比較線圈的磁通進行比較，然后利用比較后的磁通差，經(jīng)由傳 感器的信號調(diào)理電路將該磁通差轉換成電的開關量輸出，從而達到檢測的目的。b、電

33、感式接近開關的分類（1） 按工作電源的性質(zhì)進行分類1流型：采用交流電源供電，用于交流控制回路。2流型：采用直流流電源供電，用于直流控制回路。（2） 按接線方式進行分類二線制三線制四線制五線制六線制（3） 按觸點的性質(zhì)分類常開式常閉式常開與常閉混合式（4） 按輸出邏輯分類正邏輯型負邏輯型浮空邏輯型混合型（5） 按外形分類螺紋型圓柱型長方體型 U 型等（6） 按防護方式分類防水型防爆型耐高溫型耐高壓型等C、電感式接近開關的圖形符號接近開關通用符號如圖 2.7 所示，電感式接近開關如圖 2.8 所示d、電感式傳感器的特點無機械磨損和撕扯動作，因此使用壽命長；不會因灰塵或觸點焊接在一起而出現(xiàn)故障；無觸

34、點反彈，因此無切換故障；切換頻率高達3000Hz;抗震；安裝位置隨意；黃色 LED 顯示切換狀態(tài)；完全密閉，防護等級高。e、電感式傳感器在自動檢測中的應用由于電感式傳感只能對金屬起作用，在自動控制的應用可以應用在上例中進行檢測 白色的金屬或紅色的塑近開又可以應用在流水生產(chǎn)線上檢測金屬工接是否到圖形符如圖 2.9 所示。當工件到位后自動輸出一個開關量信號。用以控制計數(shù)器計數(shù)或下一個加工 步驟等。圖2.9電感式傳感器的應用3 機械手3.1機械手的簡介1 1）機械手的概念機械手是一種能模擬人的手臂的動作的部分動作，按預定的程序軌跡及其他要求， 實現(xiàn)抓取，搬運工件或操作工具的自動化裝置。在我國由于大多

35、數(shù)工業(yè)機器人所執(zhí)行的 工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機器人稱做操作機械手。機械手可分為專 用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手：它作為整機的附屬部分，動作簡單，工作 對象單一，具有固定（有時可調(diào)）程序，使用大批量的自動生產(chǎn)。如自動生產(chǎn)線上的上 料機械手，自動換刀機械手，裝配焊接機械手等裝置。通用機械手：它是一種具有獨立 的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活的機械手。它是適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自 動化生產(chǎn)。它的工作范圍大，定位精度高，通用性強，廣泛應用于柔性自動線。機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸 和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危

36、險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣 環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目 前主要應用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬 加工等工業(yè)。機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系 統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功 能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。2 2）機械手的分類a、 按驅(qū)動方式分：液壓式、氣動式、機械式b、 按適用范圍分：專用機械手、通用機械手c、按運動軌跡控制方式分：點位控制、連續(xù)軌跡控制d、 按臂部的運動形式分：直角坐標式、圓柱坐標

37、式、球坐標式、關節(jié)式3 3） 機械手主要組成 機械手主要是由執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)三大部分組成。a、 執(zhí)行部分 執(zhí)行系統(tǒng)是機械手的機械傳動結構部分。它包括手、手腕、手臂和機座等部件b、 驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)的動力裝置。驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電力驅(qū)動和機 械驅(qū)動等方式。c、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定程序動作得到電氣控制裝置。控制系統(tǒng)所控制的因素包括執(zhí)行系統(tǒng)各部的動作、動作順序、位置、時間、和速度等。如圖3.1 所示：4 4）機械手的特點a、 對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險，有害的工作。在長時間工作對人體有 害的場所，機械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進行合理的設計

38、，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y 構，機械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，放射線作用下，以 及沖壓，火等危險環(huán)境中勝任工作。b、 機械手能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并擴大和延伸 人的功能。c、由于機械手的動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可以避免人 為的操作錯誤。d、 機械手的特點是通過用工業(yè)機械手的通用性，靈活性好，能很好的適應產(chǎn)品的 不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。3 2MPS系統(tǒng)中機械手工作站的結構功能機械手站單元主要由提取模塊、滑槽模塊、I/O 接線端口等組成，如圖 3.2 所示該單元主要為一氣動機械手，此站完成提取工結構靈要求將工件分流的過程

39、。1 ）提取模塊該模塊主要由兩個直線氣缸 （提取氣缸和擺臂氣缸） 、 一個轉動氣缸及手指氣動夾 爪組成。提取氣缸安裝在擺臂氣缸的氣缸桿的前端，垂直方向運動，以便于提取工件。該氣 缸是一個桿不回轉型氣缸，其活塞桿為六邊形，這樣桿就不能隨便轉動，便于氣爪夾取 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（有的地方叫倍力缸），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

40、動角度為180。，在氣缸的兩個極限位置上分別安裝有阻尼缸（用于緩沖旋轉沖擊）和電感式接近開關（用于判斷氣缸旋轉是否 到位）。氣動夾爪則用于抓取工件。2）滑槽模塊此模塊在帶有組態(tài)操作的 MPS 系統(tǒng)上才會安裝?；勰K用于存放檢測不合格的工件321 機械手站氣動回路圖1A 為旋轉氣缸；1B1 和圖B23為機械手站接近開路圖；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磁閥的兩個電

41、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。氣動回路的分析在 3.3 圖中，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 4丫1 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

42、輸出，使 1Y2 通電，橫臂實現(xiàn)旋轉，使操作手到達下 一工位。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 號汽缸活塞桿伸出，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 通電，橫臂縮回，到位后，2B2 有信號輸 出，使 1Y1 通電，橫臂轉上工位，完成本站工作。322322 氣動部件的選用表3.1機械手單元氣動部件的選用表元件名稱數(shù)量元件用途元件符號氣源1為氣動回 路提供動雙作用缸3力執(zhí)行元件可調(diào)單向 節(jié)流閥6調(diào)節(jié)氣回 路中的流二聯(lián)件1量大小過濾調(diào)壓換向閥1改變回路 氣體的流向3.2

43、.33.2.3 氣動部件的簡要分析1） 機械手站單元的結構及工作過程機械手移送工件的機械系統(tǒng)及其結構如圖所示，用于將工作臺A 點的工件搬運到工作臺 B 點上。機械手的全部動作由電磁閥控制氣動系統(tǒng)工作。其上升/下降、左移/右移運動由電磁閥控制，其位置由磁性傳感器檢測，夾緊使用電磁閥控制氣爪，使用壓力 傳感器檢測。即當下降電磁閥通電時，機械手下降；當下降電磁閥斷電時，機械手停止 下降，但要保持現(xiàn)有的工作狀態(tài)。在上升電磁閥通電時，機械手上升；當電磁閥斷電 后，機械手停止上升。夾緊電磁閥線圈通電時，機械手夾緊；線圈斷電時，機械手放 松。圖3.4機械手控制單元結構及移送工件的動作過程圖2） 機械手站單元

44、氣動元件種類及結構符號a 導向氣缸導向氣缸的外形、結構及符號如圖所示，導向氣缸的應用如圖所示。雙作用雙活塞式氣缸，行程長度 250mm,用于機械手單元 X 軸的左右伸縮，雙活 塞氣缸是由兩個活塞進行驅(qū)動的，因此在相同高度的情況下能產(chǎn)生 2 倍于標準氣缸的推 力。雙作用雙活塞式氣缸，行程長度 80mm,用于機械手單元丫軸的上下伸縮，其特點 是該氣缸結構簡單，將導軌和氣缸做于一體。圖3.5導向氣缸的外形、結構及符號b、 氣爪氣缸（用于內(nèi)抓或外抓工件）氣爪外形、結構及其符號如圖3.7 所示。 標準氣爪是用于搬運及裝配技術的系統(tǒng)產(chǎn)品。其特點如下：雙作用活塞驅(qū)動、自對心；不同的夾緊方式向外夾緊，向內(nèi)夾緊

45、；可以以多種方 式和其它驅(qū)動器進行結合；采用霍爾傳感器或接近式傳感器進行位置感應。輔件安裝如圖 3.8 所示。采用外部夾頭，易于實現(xiàn)多樣性。圖3.6導向氣缸在傳輸系統(tǒng)中的應用圖3.7氣爪外形、結構及其符號1-標準氣爪，2-氣爪手指，3-安裝螺釘，4-傳感器。c、 平行氣缸（用于內(nèi)抓或外抓工件）如圖 3.9 所示。Festo 標準氣爪是用于搬運及裝配技術的系統(tǒng)產(chǎn)品，其特點如下：雙作用活塞驅(qū)動，自對心；不同的夾緊方式向外夾緊，向內(nèi)夾緊；可以以多種方式 和其它驅(qū)動器進行結合；采用霍爾傳感器或接近式傳感器進行位置感應。輔件的安裝方法如圖 3.10 所示；采用外部夾頭，易于實現(xiàn)多樣性1-標準氣爪，2-氣

46、爪手指，3-安裝螺釘，4-定位銷，5-傳感器。d、葉片式擺動氣缸DSM 葉片式擺動氣缸外形緊湊，占用空間小。驅(qū)動力通過旋轉葉片直接傳送給驅(qū) 動軸?？烧{(diào)式止動系統(tǒng)和旋轉葉片分離， 以便于固定限位擋塊或液壓緩沖器來吸收所受 到的力。 此外，旋轉葉片還能通過終點位置的彈性墊獲得輔助緩沖。止動塊不能被移 去，因為旋轉葉片本身不適合于作為終端位置限位擋塊。驅(qū)動器背面還有刻度以方便行 程調(diào)節(jié)。擺動氣缸外形、結構及符號如圖 3.11 所示。圖3.9氣爪外形、結構及其符號圖圖3.11擺動氣缸外形、結構及符號圖擺動氣缸的限位有兩種方法，方法一：使用傳感器限位，安裝方式如圖3.12 所示。方法二：使用緩沖器限位，

47、安裝.方式如爪的輔件勺擺裝方氣缸的固定安裝方式有多種， 如圖3.13 所示。圖3.12擺動氣缸使用傳感器限位的傳感器形狀及安裝方式圖3.14擺動氣缸的固定安裝方式3）過濾、調(diào)壓組件過濾、調(diào)壓組件型號采用LFR-1-D-5M-DI-MAXI，外形及符號如圖所示。兩聯(lián)件由過濾器、壓力表、截止閥和快插接口組成，安裝在可旋轉的支架上。過濾器有分水裝 置，可以除去壓縮空氣中的冷凝水、 顆粒較大的固態(tài)雜質(zhì)和油滴。 減壓閥可以控制系統(tǒng) 中的工作壓力，同時能對壓力的波動做出補償。濾杯帶有手動排水閥。3.2.43.2.4 電器元件的簡介1）、控制電磁閥全氣動系統(tǒng)采用緊湊型 CPE 型電磁閥控制。由于系統(tǒng)要求氣動

48、回路流量不大，所以選擇集成安裝緊湊型電磁閥 CPE10-M1BH-5LS-M7 型及 CPE10-M1H-5/3G-M7 型兩種。CPE 型電磁閥具有以下特點：閥島 CPE-10 由各個高強度玻璃纖維加強的聚酰胺模塊組成；在基本組塊和擴展組塊中的 PRS 通道可被封死，因此可形成不同的壓力區(qū)；兩端都可接氣源及排氣通道，氣口在基本塊或端塊上；可從尾端或頂端接入氣源及排氣通道；卡口式連接，安裝時無需螺絲；安裝選項：單個安裝，導軌安裝或板壁式安裝。CPE10-M1BH-5LS-M7 電磁閥如圖所示。意義為： CPE（緊湊型）、M1BH（24 V DC，所匹配插座 KMYZ-9 ）、5（ 5 通）、L

49、 （單電控,氣彈簧復位）、S （不帶先 導）、M7 （接口類型 M7 螺紋）。該電磁閥的特點：流量大功耗小。圖3.16緊湊型CPE10-M1BH-5LS-M7型電磁閥外形及符號CPE10-M1H-5/3G-M7 型電磁閥如圖所示。意義為：CPE（緊湊型）、M1H:（24 V DC，所匹配插座 KMYZ-6 ）、5 （5 通）、3 （3 位）、G （中封式）。M7 （接口類型 M7 螺紋）。CPE 閥另需配合專用 CPE10SC-PRS-8 氣路板集中安裝，如圖 3.18 所示。該氣路板 可安裝 8 個 CPE 電磁閥作全過程控制。電源插座 KMYZ-9 如圖 3.19 所示。氣路板需配消聲器

50、UC-M7 降低閥排氣口的噪音，如圖 3.20 所示。配接氣路接頭QSML-M7-6，如圖 3.21 所示。2）、雙電控二位五通閥圖為雙電控二位五通閥的工作原理圖。它有兩個電磁鐵，當右線圈通電、左線圈斷 電時，閥芯被推向右端，其通路狀態(tài)是 P 與 A、B 與 T2 相通，A 口進氣、B 口排氣。當右線 被推向左端，其通路狀態(tài)勝與及、符牖相卽鬻進氣電源口路外氣及若電磁線圈斷電， 氣流通路仍保持原狀態(tài)。圖3.22雙電控二位五通閥工作原理圖圖3.23雙電控二位五通閥實物圖4 機械手站單元的 PLC 設計4.1機械手站單元的控制要求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(qū)動的

51、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。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。機械手的動作過程分為 8 步：從原點一下降一夾緊（T）-上升一右移一下降-放松（T）-上升-左移到原點結束一個動作循環(huán)。4.2機械手站單元順序功能流程圖圖4.1機械手站順序功能流程圖4.3機械手站單元的I/O分配表機械手站單元I/

52、O端口分配說明表4.4梯形圖設備符號設備名稱1B1電感式傳感器1B2電感式傳感器2B1磁感應式接近開關2B2磁感應式接近開關3B1磁感應式接近開關4B1磁感應式接近開關4B2磁感應式接近開關1Y1電磁閥1Y2電磁閥2Y1電磁閥2Y2電磁閥3Y1電磁閥3Y2電磁閥4Y1電磁閥設備用途判斷擺臂的左右位置判斷擺臂的左右位置判斷擺臂伸縮情況判斷擺臂伸縮情況判斷夾爪開閉情況判斷夾爪上下的位置判斷夾爪上下的位置控制旋轉氣缸左右動作控制旋轉氣缸左右動作機械手站程序梯形圖 控制擺臂氣缸伸縮動作 控制擺臂氣缸伸縮動作 控制夾爪開閉的動作控制夾爪開閉的動作控制提取氣缸上下的動作信號特征地址分配4.5信號為1:擺臂

53、在I0.0最左端指信號為1:擺臂在I0.1最右端令信號為1:擺臂縮回到位I0.2信號為1:擺臂伸表出到位10.3信號為1:夾爪已打開I0.4信號為0:夾爪夾緊信號為1:夾爪下降到位I0.5信號為1:夾爪上 升返回到位信號為1:旋轉缸I0.64.6左轉Q0.0模信號為1:旋轉缸右轉Q0.1擬信號為1:擺臂縮回Q0.2信號為1:擺臂伸調(diào)出Q0.3信號為1:夾爪打 開信號為1:夾爪閉Q0.4試合Q0.5信號為1:夾爪下 降信號為0:夾爪上Q0.6用升FluidSIM-P 軟件設計制作氣動控制回路和模擬仿真，采用西門子S7-226PLC 進行實際模擬檢查，不斷完善設計內(nèi)容。序號123456789101

54、1121314這次畢業(yè)論文， 對我來說很有意義， 在寫論文的過程中我學到很多的關于機械手和 PLC 方面的知識，我以后會加強對它們的學習和應用。通過這一次設計，讓我對MPS系統(tǒng)以及機械手站單元的功能和在系統(tǒng)中的作用都有了進一步的了解，同時讓我熟悉了 PLC的運作，對機械手的發(fā)展和應用有了很多認識。特別是對于機械手的控制，通過 采用 PLC 控制機械手可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低工人的工作量。由于PLC 控制具有機構簡單、組合靈活、編程簡單、功耗低和改造方便的特點，可以根據(jù)控制流程的不同，方 便地改變控制順序來滿足工藝要求。采用電磁式感應開關對機械手的位置進行檢測，使 機械手在動作過程中實現(xiàn)精確定位。本次設計詳細講解了機械手站單元的控制系統(tǒng)設計過程。 采用西門子 S7-200 系列 的 PLC作為控制器，進行編程，并采用氣動裝置進行氣動設計，使用電感式接近開關 對 位 置 進 行監(jiān) 控 ， 實 現(xiàn) 機 械 手 站 單 元 的 控 制 要 求 。參考文獻1張俊勇模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)應用技術 M 西安：陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學 院，2010 2章國華、蘇東典型生產(chǎn)線原理、