高頻淬火機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、高頻淬火機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué) 生：專 業(yè)：班 級(jí)：指導(dǎo)教師：摘 要機(jī)械手的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)，其一，它能部分地代替人的勞動(dòng)。并能達(dá)到生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送。因?yàn)?，它能大大地改善工人的勞?dòng)條件，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因此，受到各先進(jìn)單位的重視并投入了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近代幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。本課題擬開(kāi)發(fā)高頻淬火機(jī)械手，采用的德國(guó)西門子S7-200系列PLC，對(duì)機(jī)械手的上下、左右以及抓取運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)

2、的硬件裝置，控制機(jī)械手完成各種動(dòng)作。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC控制；梯形圖ABSTRACTThe positive role of the manipulator increasingly known by people .first, it can partly replace human labor and can achieve the production requirements, follow a certain procedure, time and location to complete the artifacts transfer. Because it can greatly

3、 improve the working conditions and workers accelerate the realization of industrial production mechanization and automation pace. Therefore, by various advanced unit spent a great deal of attention and manpower to research and application. Especially in high temperature and high pressure and dust,

4、noise occasions, application is more widely. In China, the modern years also have developed quickly, and obtained a lot of results and every parts attention. This paper intends to develop sorting through the manipulator, material handling by German Siemens s7-200 PLC, the fluctuation, left and right

5、 sides of manipulator and grab motion control. We use programmable technology, combined with the corresponding hardware device, control and finish all kinds of actions.Keywords: manipulator; PLC control; ladder diagram第一章 緒論1.1 研究目的及意義1.1.1研究目的以可編程控制器為核心設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)淬火機(jī)械手控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)訂動(dòng)作，完成對(duì)淬火工件的抓取和放置作業(yè)。機(jī)械手完成此項(xiàng)

6、工作需要保持所需的速度。在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以淬火機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。也是工業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重大課題，所以設(shè)計(jì)一個(gè)基于PLC的淬火機(jī)械手。1.1.2研究意義應(yīng)用淬火機(jī)械手，有利于提高工件的搬運(yùn)、抓取以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。在高溫、高壓、有灰塵、噪聲、臭味或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。同時(shí)，在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以淬火

7、機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)，因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。對(duì)推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組

8、合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。自21世紀(jì)之后，我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。淬火機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。國(guó)內(nèi)機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。我國(guó)

9、國(guó)家“863機(jī)械手技術(shù)主題自成立以來(lái)一直重視機(jī)械手在產(chǎn)業(yè)中的推廣和應(yīng)用，以及推進(jìn)機(jī)械手技術(shù)以提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，利用機(jī)械手技術(shù)發(fā)展高新產(chǎn)業(yè)。雖然目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手的企業(yè)并不多，很多產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)還主要依靠進(jìn)口，高科技的技術(shù)主要還掌握在國(guó)際龍頭廠商手里。但政府正在使用各種辦法加大中國(guó)裝備制造業(yè)在市場(chǎng)中占據(jù)的份額，井提供優(yōu)惠措施鼓勵(lì)更多企業(yè)使用機(jī)械手及技術(shù)以提升技術(shù)水平。國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的企業(yè)在生產(chǎn)中采用了工業(yè)機(jī)械手，各種機(jī)械手生產(chǎn)廠家的銷售量都有大幅度的提高。1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指

10、定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)。重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能，目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定

11、的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。目前，機(jī)械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)，如采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等領(lǐng)域，同時(shí)也已開(kāi)始擴(kuò)大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中。1.3研究思路與主要內(nèi)容機(jī)械手控制系統(tǒng)主要采用以下三種方式：一是繼電器控制系統(tǒng)、二是PLC控制系統(tǒng)、三是微機(jī)控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高，控制方式不靈活及功率消耗大等缺點(diǎn)，目前已經(jīng)逐漸被人們所淘汰；微機(jī)控制系統(tǒng)雖然在智

12、能控制方面有較強(qiáng)大的功能，但也存在一定的不足之處，即抗干擾性差，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)。而PLC由于高的可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、操作方便、維修容易、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化、環(huán)境要求低、易于擴(kuò)展和維護(hù)、體積小巧等優(yōu)越性，在工業(yè)控制中有著很廣泛的運(yùn)用，所以優(yōu)先選擇PLC。本文主要完成了高頻淬火機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先第一步，分析機(jī)械手控制系統(tǒng)。包括系統(tǒng)的控制方式、機(jī)械手控制的基本工藝和控制要求、操作面板的布置。第二步，根據(jù)控制系統(tǒng)進(jìn)行高頻淬火機(jī)械手控制系統(tǒng)的PLC控制的硬件設(shè)計(jì)。包括PLC的選型、輸入輸出端的地址分配、控制系統(tǒng)的電氣原理圖。第三步，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)

13、的復(fù)雜程度，可以將程序設(shè)計(jì)分為兩個(gè)階段，即程序的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各部分程序設(shè)計(jì)。第四步，進(jìn)行程序綜合與模擬調(diào)試。1.4總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)課題設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，確定總體方案：（1）抓重：10kg（2）坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)（3）自由度：3（4）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：運(yùn)動(dòng)名稱符號(hào)行程范圍速度伸縮X300mm小于200mm/s升降Z200mm小于100mm/s回轉(zhuǎn)180小于90（）/s手指夾持范圍：棒料，半徑40mm60mm。定為方式：機(jī)械擋塊（行程開(kāi)關(guān)）。驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)?？刂品绞剑篜LC（可編程序控制）定位精度：2mm。機(jī)械手的工作原理圖如圖1-1所示手部1采用夾鉗式，具體為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾緊機(jī)構(gòu)。動(dòng)力采用單作

14、用液壓缸2驅(qū)動(dòng)夾緊，反向則由彈簧復(fù)位而松開(kāi)手指。手臂的伸縮采用雙作用液壓缸驅(qū)動(dòng)，伸縮過(guò)程采用雙導(dǎo)管導(dǎo)向，在導(dǎo)向的同時(shí)，亦起到了一定的支撐作用，大大減少活塞桿的受力。夾緊缸的壓力油經(jīng)其中一導(dǎo)管進(jìn)入缸內(nèi)，此結(jié)構(gòu)能使油管布置更加緊湊。手臂的回轉(zhuǎn)采用擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)，此擺動(dòng)缸設(shè)計(jì)成輸出軸固定不動(dòng)，而使缸體轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)整個(gè)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。雙作用液壓缸5驅(qū)動(dòng)手臂做升降運(yùn)動(dòng)。圖1-1 機(jī)械手工作原理圖第二章 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)的分析機(jī)械手控制系統(tǒng)主要采用以機(jī)械手控制系統(tǒng)主要采用以下三種方式：一是繼電器控制系統(tǒng)、二是PLC控制系統(tǒng)、三是微機(jī)控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高，控制方式

15、不靈活及功率消耗大等缺點(diǎn)，目前已經(jīng)逐漸被人們所淘汰；微機(jī)控制系統(tǒng)雖然在智能控制方面有較強(qiáng)大的功能，但也存在一定的不足之處，即抗干擾性差，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)。而PLC由于高的可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、操作方便、維修容易、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化、環(huán)境要求低、易于擴(kuò)展和維護(hù)、體積小巧等優(yōu)越性，在工業(yè)控制中有著很廣泛的運(yùn)用。所以優(yōu)先選擇PLC。2.2 機(jī)械手控制的基本工藝和控制要求圖2-1機(jī)械手動(dòng)作示意圖如圖2.1所示，是一臺(tái)工件傳送的氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作示意圖。作用是把工件從A處傳動(dòng)到B處，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的升降和左右移動(dòng)分別由2個(gè)具有雙線圈的兩位電磁閥驅(qū)動(dòng)汽缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，上升和下降

16、對(duì)應(yīng)的電磁閥線圈分別為YV1和YV2，左行和右行對(duì)應(yīng)的電磁閥線圈分別為YV3和YV4。電磁閥線圈得電，就始終保持現(xiàn)在的動(dòng)作，等到相對(duì)的另一個(gè)線圈得電為止。此機(jī)械手的的夾緊和松開(kāi)動(dòng)作由只有一個(gè)線圈的兩位電磁閥驅(qū)動(dòng)的汽缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。線圈YV5斷電的時(shí)候就夾緊工件，得電的時(shí)候就松開(kāi)工件，以防止停電時(shí)的工件跌落，機(jī)械手的工作臂都設(shè)有上下限位和左右限位的位置開(kāi)關(guān)SQ1，SQ2和SQ3，SQ4。夾緊裝置不帶限位開(kāi)關(guān)，它通過(guò)一定的延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)其夾緊動(dòng)作。此機(jī)械手在最上面、最左邊且除松開(kāi)的電磁線圈YV5通電外，其他線圈全部斷電的狀態(tài)為機(jī)械手的原位。圖2-2機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程其動(dòng)作過(guò)程分為一下八步，具體過(guò)程如圖2-2所示

17、。從原點(diǎn)開(kāi)始，按下啟動(dòng)按鈕，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。下降到位時(shí)，碰到下限位開(kāi)關(guān)，下限電磁閥斷電，停止下降。同時(shí)接通夾緊電磁閥，停止下降。夾緊后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到位時(shí)，碰到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電，停止上升。同時(shí)接通右移電磁閥，機(jī)械手右移。右移到位時(shí)，碰到右限位開(kāi)關(guān)，右移電磁閥斷電，停止右移。若此時(shí)工作臺(tái)上無(wú)工件，則光電開(kāi)關(guān)接通，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。下降到位，碰到下限開(kāi)關(guān)，下降電磁閥斷電，停止下降。同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手放松。放松后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到位時(shí)，碰到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電，停止上升。同時(shí)接通左移電磁閥，機(jī)械手左移。左移到位時(shí)，碰

18、到左限位開(kāi)關(guān)，左移電磁閥斷電，停止左移。至此，機(jī)械手經(jīng)過(guò)了八步完成了一個(gè)周期的動(dòng)作。圖2-3控制盤面板布置圖機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)操作方式又分為步進(jìn)、單周期和連續(xù)操作的方式。手動(dòng)操作方式手動(dòng)操作當(dāng)時(shí)是用按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制。比如，當(dāng)選擇上/下運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別由上升/下降按鈕控制。當(dāng)選擇左/右運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別由左移/右移按鈕控制。當(dāng)選擇夾緊/放松運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別由夾緊/放松按鈕控制。自動(dòng)操作方式單步操作：每按一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止。單周期操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后就停止。連續(xù)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，

19、按一下啟動(dòng)按鈕， 機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作工程中，如按停止按鈕，則機(jī)械手將繼續(xù)完成此周期的動(dòng)作，回到原點(diǎn)后自動(dòng)停止。圖2-3所示是可編程控制器控制面板布置圖。由工作方式選擇開(kāi)關(guān)。根據(jù)不同的工作方式，包括手動(dòng)/自動(dòng)方式選擇、手動(dòng)方式的操作按鈕、自動(dòng)方式中的三種操作方式選擇和操作按鈕。另外，面板上還應(yīng)該設(shè)置電源供給按鈕、緊急停車按鈕、電源指示燈以及機(jī)械手原點(diǎn)指示燈。2.3 機(jī)械手PLC控制的硬件設(shè)計(jì)西門子的SIMATIC S7-200系列PLC是一類小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、檢測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，

20、還是相連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。因此S7-200系列具有極高的性價(jià)比。S7-200系列的出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(shí)時(shí)特性、強(qiáng)勁的通訊功能以及豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大的功能。適用范圍可以覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。運(yùn)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，橡膠化工機(jī)械，電梯控制等等。所以本課題的機(jī)械手控制系統(tǒng)的PLC選用西門子S7-200類型。2.3.1

21、PLC的選型西門子226CPU集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。可連續(xù)7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。它有13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30kHZ高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHZ高速脈沖輸出，具有PID控制器，2個(gè)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。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊化擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？梢酝耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。再考慮冗余的設(shè)計(jì)要求，I/O點(diǎn)需要10的冗余量。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析，該機(jī)械手控制共有18個(gè)輸入點(diǎn)

22、和6個(gè)輸出點(diǎn)。根據(jù)PLC選型I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量要有一定的冗余量以及通信功能較強(qiáng)的要求，本課題控制主機(jī)類型選擇德國(guó)西門子公司的S7-200 CPU226。表2-1 S7-200CPU226的主要參數(shù)輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展模擬量存儲(chǔ)空間最大負(fù)載電流241635-24813K1000mA綜上可知，CPU226的I/O點(diǎn)充足并且還有冗余，最大負(fù)載電流為1000mA以及其它功能均能滿足本機(jī)械手控制系統(tǒng)需要，故該控制系統(tǒng)不必添加擴(kuò)展模塊。其主要參數(shù)如表2-1所示，形狀圖如圖2-5所示。圖2-5 西門子公司S7-200的形狀圖2.3.2 輸入/輸出端子地址分配機(jī)械手控制系統(tǒng)共用了18個(gè)輸入量和6個(gè)輸出量。

23、其中I/O具體分配如表2-2。表2-2輸入輸出分配表輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)端子編號(hào)作用端子編號(hào)作用I0.0自動(dòng)方式下啟動(dòng)Q0.0電磁閥下降線圈I0.1下限位開(kāi)關(guān)Q0.1電磁閥上升線圈I0.2上限位開(kāi)關(guān)Q0.2電磁閥左移線圈I0.3右限位開(kāi)關(guān)Q0.3電磁閥右移線圈I0.4左限位開(kāi)關(guān)Q0.4夾緊電磁閥線圈I0.5工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)Q0.5機(jī)械手原點(diǎn)指示I0.6自動(dòng)方式下停止I0.7手動(dòng)/自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)I1.0自動(dòng)方式下步進(jìn)操作I1.1自動(dòng)方式下單周期操作I1.2自動(dòng)方式下連續(xù)操作I1.3手動(dòng)上升操作I1.4手動(dòng)下降操作I1.5手動(dòng)右移操作I1.6手動(dòng)左移操作I1.7手動(dòng)夾緊操作I2.0手動(dòng)放松操作I2.1急停按鈕2

24、.3.3 電氣元件的選擇(1) 按鈕的選擇按鈕的選擇原則：根據(jù)使用場(chǎng)合，選擇控制按鈕的種類，如開(kāi)啟式，防水式，緊急式等；根據(jù)用途，選用合適的型式，如鑰匙式，緊急式，帶燈式等；按控制回路的要求，確定不同的按鈕數(shù)，如單鈕，雙鈕，三扭，多鈕等；按工作狀態(tài)指示和工作情況的要求選擇按鈕及指示燈的顏色。按鈕的參數(shù)：一般規(guī)格為交流500V，允許持續(xù)電流為5A，紅色按鈕表示停止按鈕，綠色按鈕表示啟動(dòng)，為了區(qū)別按鈕的顏色，按鈕的選擇為L(zhǎng)A25-D,指帶指示燈的按鈕,額定電壓為24V。(2) 行程開(kāi)關(guān)的選擇行程開(kāi)關(guān)的分類：直動(dòng)式，滾動(dòng)式和微動(dòng)式三種。直動(dòng)式行程開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但容易燒蝕觸頭。滾動(dòng)式行

25、程開(kāi)關(guān)克服了直動(dòng)式行程開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格也較貴，所以選擇微動(dòng)式行程開(kāi)關(guān)，體積小，動(dòng)作靈敏，適用于小型機(jī)構(gòu)中使用。即型號(hào)為：LX32-4S(3) 接近開(kāi)關(guān)的選擇接近開(kāi)關(guān)是一種對(duì)接近它的物體有“感知”能力的元件-位移傳感器，利用傳感器對(duì)接近物體的敏感特性達(dá)到控制開(kāi)關(guān)通斷的目的，當(dāng)有物體移向接近開(kāi)關(guān)，并接近到一定距離時(shí)，位移傳感器才有“感知”，開(kāi)關(guān)才會(huì)動(dòng)作。在設(shè)計(jì)中，接近開(kāi)關(guān)SQ1-SQ4分別機(jī)械手上下左右運(yùn)動(dòng)的定位。接近開(kāi)關(guān)分為霍爾接近開(kāi)關(guān)，超聲波接近開(kāi)關(guān)，高頻振蕩接近開(kāi)關(guān)。其中霍爾接近開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)磁場(chǎng)，一般用磁場(chǎng)鋼作為被檢測(cè)體。超聲波接近開(kāi)關(guān)適用檢測(cè)不能或不可觸及的目標(biāo)，其控制功能不

26、受聲、電、光等因素的干擾，檢測(cè)物體可以是固體、液體、或粉末狀態(tài)的物體，只要能反射波用的電子裝置及調(diào)節(jié)檢測(cè)范圍用的程控橋式開(kāi)關(guān)等幾部分組成，高頻振蕩式接近開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)各種金屬，主要由高頻振蕩器，集成電路晶體管放大器和輸出器三部分組成。接近開(kāi)關(guān)的產(chǎn)品種類十分豐富，常用的國(guó)產(chǎn)開(kāi)關(guān)由LJ,3SG和LX18等。LJ5系列接近開(kāi)關(guān)采用磁振蕩原理，用來(lái)檢測(cè)金屬物體的存在。它采用國(guó)際統(tǒng)一的外形及安裝尺寸，圓柱螺紋安裝，外殼防護(hù)等級(jí)為IP65，允許周圍溫度范圍為-25-30。同一產(chǎn)品適用電壓范圍為AC30200V,DC1030V（二線型）和（三線型），開(kāi)關(guān)壽命可達(dá)3000萬(wàn)次以上，接近開(kāi)關(guān)類型即為：LJ5A-1

27、0/330(4) 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的選擇轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是一種多檔位，多觸點(diǎn)，能夠控制多回路的主令電器，可以用于控制小容量電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)向、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制等，常用的萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)有LW2、LW5、LW6、LW8等系列，在此設(shè)計(jì)中機(jī)械手操作方式有手動(dòng)，單周期，連續(xù)。所以選LW5系列的萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)比較使用。(5) 刀開(kāi)關(guān)的選擇刀開(kāi)關(guān)是一種手動(dòng)電器，為了簡(jiǎn)單，方便，選擇HD型單投刀開(kāi)關(guān)，分為1級(jí)，2級(jí)，3級(jí)，其型號(hào)為HD13B-200/3(6) 時(shí)間繼電器的選擇時(shí)間繼電器在控制電路中用于時(shí)間的控制，有JS23，JS27A,JS27A,JSK,7PR,SS-18等系列的時(shí)間繼電器。經(jīng)過(guò)調(diào)查對(duì)比，JS27系列時(shí)間繼電

28、器是國(guó)內(nèi)廠家90年代針對(duì)重電控行業(yè)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，適用于交流50HZ，電壓至380V。直流電壓至220V的電路中，控制延時(shí)通斷，能在起重機(jī)工作振動(dòng)和戶外等工作，復(fù)合設(shè)計(jì)的要求，即時(shí)間繼電器型號(hào)為JS27A(7) 接觸器的選擇接觸器的選擇原則：根據(jù)敷在性質(zhì)選擇接觸器類別，一般交流負(fù)載選擇交流接觸器，直流負(fù)載選擇直流接觸器；根據(jù)被控電路電流大小和使用類別選擇接觸器的額定電流；根據(jù)被控電路電壓等級(jí)來(lái)選擇接觸器的額定電壓；根據(jù)控制電路的電壓等級(jí)選擇接觸器線圈的額定電壓。根據(jù)以上原則，選擇交流電磁式接觸器，CJ12系列接觸器適用于交流50HZ，額定工作電壓至380V，額定電流至600A的電路中。拱遠(yuǎn)距離

29、接通如分?jǐn)嚯娐芳皩?duì)電動(dòng)機(jī)頻繁進(jìn)行等設(shè)備上。其型號(hào)為CJ12-600。(8) 熔斷器的選擇熔斷器在電路中主要起短路保護(hù)的作用，用于保護(hù)線路，熔斷器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，使用維護(hù)方便，價(jià)格低廉，分段能力較高，限流能力良好等優(yōu)點(diǎn)，熔斷器有NT、RT、RL、FA4、RLS2等型式的熔斷器，RT系列為有填封實(shí)熔斷器，可在500V以下交流系統(tǒng)中作為過(guò)載及短路保護(hù)用，這種熔斷器為螺栓連接，可以直接連在母線排上，尤其適合開(kāi)關(guān)熔斷器組選用，RT15熔斷器最大額定電流400A，額定分段能力為100KA。(9) 電動(dòng)機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)是選交流的，而電動(dòng)機(jī)分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩類，異步電動(dòng)機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，

30、去拖動(dòng)各類生產(chǎn)機(jī)械。由于異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造使用方便，運(yùn)行可靠，成本低，效率高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的運(yùn)用。例如，在工業(yè)生產(chǎn)中，異步電動(dòng)機(jī)用于拖動(dòng)中小型軋鋼設(shè)備，各種金屬切削機(jī)床，輕工機(jī)械和礦山機(jī)械等；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，異步電動(dòng)機(jī)用于拖動(dòng)水泵，粉碎機(jī)以及其他農(nóng)副產(chǎn)品的加工機(jī)械；在農(nóng)用電器方面的電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)等也都是用異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的。所以電動(dòng)機(jī)選擇交流異步電動(dòng)機(jī)為好，即選擇YZ系列的三相異步電動(dòng)機(jī)，為籠型異步電動(dòng)機(jī)。(10) 電磁閥的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇2個(gè)雙線圈電磁閥和單線圈電磁閥1個(gè)，根據(jù)電磁閥選擇原則決定型號(hào)為VF3230和型號(hào)為VF3130。綜上分析，電氣元件清單如表2-

31、3所示。表2-3 電氣元件清單項(xiàng)目代號(hào)型號(hào)名稱規(guī)格數(shù)量M1YZ三相交流異步電動(dòng)機(jī)AC380V 4KW 1410r/min1SBLA25-D按鈕10SQLX32-4S接近開(kāi)關(guān)AC1000VA/3805SA選擇開(kāi)關(guān)1FURT15熔斷器2YVVF3230雙線圈電磁閥AC220V2YVVF3130單線圈電磁閥DC24V12.3.4 控制系統(tǒng)的電氣原理圖圖2-6 電氣原理圖如圖2-6所示為機(jī)械手控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)輸入/輸出電氣原理圖。由表2-2分析可知，該系統(tǒng)共18個(gè)輸入和6個(gè)輸出。結(jié)合圖2-3控制面板布置圖和該圖一起使用，先選定工作方式(自動(dòng)和手動(dòng))。自動(dòng)工作方式下啟動(dòng)后，再設(shè)置相應(yīng)運(yùn)行模式，即自動(dòng)方式下

32、步進(jìn)操作、自動(dòng)方式下連續(xù)操作。手動(dòng)工作方式下啟動(dòng)后，只需要操作面板上相應(yīng)動(dòng)作的按鈕即可實(shí)現(xiàn)所需的機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程。另外，為了保證在緊急情況下能及時(shí)停車，設(shè)置一個(gè)急停按鈕I2.1。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按急停按鈕，切斷了各個(gè)動(dòng)作的控制線圈回路。而此時(shí)PLC仍然可以正常工作，以保證系統(tǒng)的可靠性控制。當(dāng)緊急情況解除后，再按一下急停按鈕，線圈通電，系統(tǒng)又恢復(fù)正常。2.4 程序設(shè)計(jì)2.4.1 PLC的程序設(shè)計(jì)思想根據(jù)控制過(guò)程要求的復(fù)雜程度的差異，可以把程序結(jié)構(gòu)形式分為基本程序和模塊化程序?；境绦颍杭瓤梢宰鳛楠?dú)立程序控制簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝過(guò)程，又可以作為組合中的單元程序。依據(jù)計(jì)算機(jī)程序的設(shè)計(jì)思想，基本程序的結(jié)構(gòu)

33、只有三種，即順序結(jié)構(gòu)、條件分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。模塊化程序：把一個(gè)總的控制目標(biāo)程序分成多個(gè)具有明確控制任務(wù)的程序模塊，分別對(duì)其編寫和調(diào)試，最后組合成一個(gè)完成總?cè)蝿?wù)的完整程序。這種設(shè)計(jì)方法叫做哦快畫程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)時(shí)常采用這種設(shè)計(jì)思想，因?yàn)楦髂K具有相對(duì)獨(dú)立性，相互連接關(guān)系簡(jiǎn)單，程序易于調(diào)試修改，特別是用于復(fù)雜控制要求的生產(chǎn)過(guò)程。根據(jù)機(jī)械手控制分析可以知道，在每一種工作方式下機(jī)械手的動(dòng)作是按原點(diǎn)-下降-夾緊-上升-右移-下降-放松-上升-左移-原點(diǎn)這一過(guò)程來(lái)完成的，系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)判斷是否完成相應(yīng)的動(dòng)作，完全是按照動(dòng)作先后順序來(lái)控制機(jī)械手。因此，每種工作方式下的機(jī)械手的動(dòng)作選用順序機(jī)構(gòu)控

34、制，將各個(gè)工作方式下的控制動(dòng)作模塊組合在一起就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。由此可見(jiàn)，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用了基本程序中的順序結(jié)構(gòu)和模塊化程序來(lái)編寫系統(tǒng)軟件。這樣設(shè)計(jì)系統(tǒng)能較簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。2.4.2系統(tǒng)的程序流程圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖是PLC程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。只有設(shè)計(jì)出系統(tǒng)流程圖，才可能順利而便捷的寫出梯形圖或者語(yǔ)句表，最終完成程序的設(shè)計(jì)。所以繪制流程圖是非常關(guān)鍵也是程序設(shè)計(jì)首先要做的任務(wù)。根據(jù)機(jī)械手順序的動(dòng)作過(guò)程，設(shè)計(jì)出機(jī)械手動(dòng)作的流程圖，如圖2-7所示。圖2-7機(jī)械手動(dòng)作流程圖軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)要求將系統(tǒng)流程圖轉(zhuǎn)換為梯形圖，這是PLC應(yīng)用最關(guān)鍵的問(wèn)題。程序的編寫是軟件設(shè)計(jì)的具體表現(xiàn)，簡(jiǎn)

35、單合理的流程能使系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行，而且便于系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，一個(gè)良好的軟件設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)者控制程序的生科理解和把握，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者豐富的軟件設(shè)計(jì)技巧和方法。在控制工程的運(yùn)用中，良好的軟件設(shè)計(jì)更方便工程設(shè)計(jì)人員理解、掌握、調(diào)試系統(tǒng)與日常系統(tǒng)維護(hù)。圖2-8 機(jī)械手控制系統(tǒng)主程序2.4.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)主程序機(jī)械手控制系統(tǒng)由四個(gè)部分組成，即自動(dòng)方式步進(jìn)控制子程序、自動(dòng)方式單周期控制子程序、自動(dòng)方式連續(xù)控制子程序、手動(dòng)控制子程序。如圖2-8所示為該機(jī)械手控制系統(tǒng)主程序。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)/手動(dòng)方式的切換，本課題設(shè)置了一個(gè)I0.7，不對(duì)其動(dòng)作時(shí)為手動(dòng)操作，按下時(shí)為自動(dòng)操作。自動(dòng)方式子啊操作是通過(guò)按鈕I1.

36、0、I1.1、I1.2分別選擇步進(jìn)控制、單周期控制、連續(xù)控制。在主程序中還分別設(shè)計(jì)了上升、下降、夾緊、左移、右移的線圈，分別由子程序中相應(yīng)動(dòng)作的中間繼電器來(lái)控制。只要這些繼電器中一個(gè)有信號(hào)都能使相應(yīng)的線圈帶電，進(jìn)而使機(jī)械手執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作?？刂茩C(jī)械手下降操作的中間繼電器有M1.1、M2.0、M2.4、M3.0、M3.4、M4.0、M4.4只要其中一個(gè)有輸入信號(hào)，都會(huì)使控制下降操作的線圈Q0.0通電，使得對(duì)應(yīng)的電機(jī)推動(dòng)汽缸運(yùn)動(dòng)，最終完成機(jī)械手的下降動(dòng)作。另外，為了保證在緊急情況下能及時(shí)停車，在主程序各個(gè)控制動(dòng)作的線圈處設(shè)置了一個(gè)急停按鈕I2.1，此按鈕為手動(dòng)復(fù)位常閉按鈕。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按急停按

37、鈕，可以切斷各個(gè)動(dòng)作的控制線圈回路，而此時(shí)PLC仍能正常工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的可靠性控制。當(dāng)緊急情況解除后，再按下急停按鈕復(fù)位。線圈又通電，系統(tǒng)恢復(fù)正常。2.4.3 自動(dòng)方式下步進(jìn)控制子程序當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)撥到步進(jìn)控制位置時(shí)進(jìn)入步進(jìn)控制子程序，完成機(jī)械手一步一步的動(dòng)作。輸入端I0.0為每一步的啟動(dòng)，由啟動(dòng)操作按鈕來(lái)完成，I0.1為每一步的停止，由停止按鈕來(lái)完成。按下I0.0，M2.0置位上電，會(huì)使主程序中的線圈Q0.0通電進(jìn)而使控制機(jī)械手下降操作的電機(jī)完成下降動(dòng)作；按下I0.1會(huì)使M2.0復(fù)位失電，機(jī)械手停止下降。然后進(jìn)入夾緊動(dòng)作的操作，其分析痛下降操作。程序完全是按照原點(diǎn)-下降-夾緊-上升-右移-放

38、松-上升-左移-原點(diǎn)這一過(guò)程來(lái)編寫的。自動(dòng)方式下步進(jìn)控制子程序如圖2-9所示。圖2-9自動(dòng)方式下步進(jìn)控制子程序 2.4.4 自動(dòng)方式下單周期控制子程序圖2-10自動(dòng)方式下單周期控制子程序當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)撥到單周期控制位置時(shí)，進(jìn)入單周期控制子程序，完機(jī)械手一個(gè)周期的連續(xù)動(dòng)作。輸入端I0.0為單周期的啟動(dòng)，每接通一次，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期連續(xù)操作，再回到原點(diǎn)后自動(dòng)停止。各種動(dòng)作的執(zhí)行都是通過(guò)內(nèi)部的繼電器在主程序中完成。當(dāng)需呀停止操作時(shí)，按下I0.1就可以結(jié)束操作?？刂谱映绦蛉鐖D2-10所示。2.4.5 自動(dòng)方式下連續(xù)控制子程序當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)撥到連續(xù)控制位置時(shí)，進(jìn)入連續(xù)控制子程序，完成機(jī)械手一個(gè)周期接著一個(gè)

39、周期循環(huán)的連續(xù)動(dòng)作。輸入端I0.0為連續(xù)控制的啟動(dòng)，I0.6為連續(xù)控制的停止輸入端。當(dāng)按下停止按鈕后，機(jī)械手自動(dòng)停止?？刂谱映绦蛉鐖D2-11所示。圖2-11自動(dòng)方式下連續(xù)控制子程序2.4.6 手動(dòng)操作控制子系統(tǒng)通過(guò)操作方式選擇開(kāi)關(guān)，將操作方式開(kāi)關(guān)撥到手動(dòng)方式，進(jìn)入手動(dòng)操作控制子程序（SBR-0）。通過(guò)6個(gè)按鈕，即上升按鈕、下降按鈕、左移按鈕、右移按鈕、夾緊按鈕、放松按鈕，來(lái)完成對(duì)機(jī)械手手動(dòng)控制。具體程序如圖2-12所示，上升、下降、右移、左移、夾緊/放松6種操作由內(nèi)部繼電器M1.0M1.4完成邏輯控制，通過(guò)內(nèi)部繼電器M1.0M1.4在主程序中完成控制。圖2-12手動(dòng)操作控制子系統(tǒng)2.5 本章小

40、結(jié)本章完成了機(jī)械手一的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先，對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到機(jī)械手控制的基本工藝和基本的控制要求。其次，根據(jù)基本工藝和控制要求進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。第一步，根據(jù)I/O接口數(shù)等對(duì)PLC的選型（西門子226CPU）；第二步，根據(jù)控制要求等對(duì)電氣元件進(jìn)行選擇，得到控制系統(tǒng)的電氣原理圖。最后，進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)。第一步，表達(dá)PLC的程序設(shè)計(jì)思想；第二步，設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)的主程序；繼而分別設(shè)計(jì)出自動(dòng)方式下步進(jìn)控制程序、單周期控制子程序、連續(xù)控制子程序和手動(dòng)操作控制子程序。第三章 結(jié)論本次設(shè)計(jì)第一章主要先闡述了本次設(shè)計(jì)問(wèn)題的的提出和研究現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)，通過(guò)分析當(dāng)前機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)確定研究思路和主要內(nèi)容。在第二章和第三章中分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)常用機(jī)械手的控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)中，通過(guò)闡述本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的工作原理，對(duì)PLC的選型以及輸入輸出端口和電