機械手-氣動機械手的設(shè)計及其PLC控制系統(tǒng),機械手,氣動,設(shè)計,及其,plc,控制系統(tǒng) 河南科技學(xué)院 2012屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論文題目：氣動機械手的設(shè)計及其PLC控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名： 周文濤 所在院系： 機電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 導(dǎo)師姓名： 安愛琴 完成時間：2012年 5月 10日 摘 要 本文設(shè)計了一種氣動搬運機械手，其控制部分采用PLC控制系統(tǒng)。論文首先對氣動機械手的功能進行分析，確定了總體方案，并設(shè)計了驅(qū)動系統(tǒng)原理圖。由設(shè)計參數(shù)對機械手的主要組成部分進行選型，并對其進行三維建模，用于演示其工作原理。然后，根據(jù)控制要求，對PLC進行了選型，編寫出了控制系統(tǒng)的梯形圖程序，并繪制出了硬件接線圖。 關(guān)鍵詞：機械手，PLC，氣壓傳動 Abstract Keywords: Manipulator，PLC，Pneumatic Transmission 目 錄 1 緒論 1 1.1 設(shè)計背景 1 1.2 目前國內(nèi)外有關(guān)機械手的研究狀況 2 1.3 本文的主要研究內(nèi)容 2 2 機械手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計方案 3 2.1 機械手的功能分析 3 2.2 機械手的執(zhí)行機構(gòu)及運動分析 4 2.3 機械手的驅(qū)動系統(tǒng) 5 2.4 機械手的檢測系統(tǒng) 5 3 機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計 5 3.1 機械手的技術(shù)參數(shù) 6 3.2 氣爪的選型 6 3.3 伸縮缸的選型 7 3.4 升降缸的選型 7 3.5 擺動缸的選型 8 4 機械手的三維建模 9 4.1 零件的三維建模 9 4.1.1 氣爪的建模 10 4.1.2 伸縮缸的建模 10 4.1.3 升降缸的建模 10 4.1.4 擺動缸的建模 10 4.2 機械手的裝配 11 4.3 機械手運動仿真 11 5 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 12 5.1 PLC的介紹 12 5.1.1 PLC的定義 12 5.1.2 PLC的優(yōu)點 12 5.1.3 PLC的分類 13 5.2 PLC的選型 13 5.3 系統(tǒng)控制要求 15 5.4 程序設(shè)計 16 5.4.1 梯形圖語言介紹 16 5.4.2 梯形圖程序 16 5.5 機械手的工作分析 18 5.5.1 自動工作方式 18 5.5.2 手動工作方式 19 6 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 19 6.1 傳感器的選擇 19 6.2 PLC硬件接線圖 19 7 結(jié)束語 20 致謝 21 參考文獻 22 22 1 緒論 由于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等領(lǐng)域的需要，能代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化、，在有害環(huán)境下操作以保護人身安全的機械手得到了廣泛的應(yīng)用。機械手是自動生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線上的重要裝置之一，它可以根據(jù)各種自動化設(shè)備的工作需要，按照預(yù)定的控制程序動作。因此，在機械加工、沖壓、鍛造、鑄造、裝配和熱處理等生產(chǎn)過程中被廣泛用來搬運工件，借以減輕工人的勞動強度；也可以自動取料、上料、卸料和自動換刀的功能，氣動機械手是機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，動作迅速、平穩(wěn)、可靠和節(jié)能等優(yōu)點。 機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、液壓氣壓傳動、自動控制、傳感器和計算機等多學(xué)科領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科的綜合技術(shù)。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程的多功能機器，它有多自由度，可代替人的勞動，以便在復(fù)雜、惡劣的環(huán)境中工作。 1.1 設(shè)計背景 工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的能力，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域中有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。 在機械工業(yè)中，機械手的應(yīng)用意義可以概括如下： （1）提高生產(chǎn)過程的自動化程度。應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。 （2）改善勞動條件、避免人身事故。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險的或是根本不可能的。而應(yīng)用機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條件。在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （3）可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)。應(yīng)用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。 綜上所述，有效地應(yīng)用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。但是，目前，在一些企業(yè)中使用的氣動機械手仍然采用繼電器-接觸器控制系統(tǒng)。其弊端主要表現(xiàn)在:大量的機械觸點電弧燒蝕和機械磨損，可靠性降低且壽命短；觸點的機械動作頻率低且存在抖動現(xiàn)象，控制精度低；接線多而復(fù)雜，一旦系統(tǒng)構(gòu)成后就很難增加或改變功能。因此，靈活性和擴展性差。 隨著可編程控制器技術(shù)（PLC）的快速發(fā)展，其強大的控制功能不僅能完成復(fù)雜的繼電器控制邏輯，而且能實現(xiàn)模擬量控制，具有可靠性高、抗干擾能力強、易于擴展、易實現(xiàn)工藝連鎖和可在線修改等優(yōu)點。因此在工藝自動化領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用?；趯S控制系統(tǒng)的強大干擾能力的要求，對氣動機械手進行了PLC控制，從根本上解決了上述弊端。 1.2 目前國內(nèi)外有關(guān)機械手的研究狀況 機械手的發(fā)展歷程大體分為三代：第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設(shè)有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務(wù)，它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一個環(huán)節(jié)。 目前，日本、美國和歐盟在氣動技術(shù)和氣動機械手方面最為領(lǐng)先。我國對氣動技術(shù)和氣動機械手的研究與應(yīng)用相對較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動機械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車等行業(yè)，并為國家的發(fā)展與進步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研制出高性能的氣動機械手奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。由于氣動機械手有結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)無級調(diào)速、過載保護、復(fù)雜動作等諸多優(yōu)點，氣動機械手將會越來越廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等諸多領(lǐng)域。 1.3 本文的主要研究內(nèi)容 本文研究的主要內(nèi)容為氣動機械手的設(shè)計及其PLC控制系統(tǒng)，包含的內(nèi)容如下： 論文首先介紹了機械手的結(jié)構(gòu)功能和總體設(shè)計方案，并設(shè)計了機械手的驅(qū)動系統(tǒng)。接著是依據(jù)機械手的技術(shù)參數(shù)，對氣動機械手的主要組成部件進行了設(shè)計選型，然后又對PLC做了較為全面的介紹，對系統(tǒng)所需的PLC進行了選型，并確定了系統(tǒng)I/O點的分配，最后編寫了系統(tǒng)的梯形圖程序，并繪制出了PLC的硬件接線圖。 2 機械手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能和總體設(shè)計方案 氣動機械手主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)以及位置檢測系統(tǒng)4部分組成。其控制系統(tǒng)采用PLC控制。 2.1 機械手的功能分析 氣動機械手搬運工件的工作過程示意圖如圖1所示。圖中傳送帶A、B由電機驅(qū)動，光電開關(guān)用于檢測工件，當光電開關(guān)檢測到工件時，傳送帶A停止運動，同時給氣動機械手發(fā)出一個信號，氣動機械手便將工件從傳送帶A上搬運到傳送帶B上。 圖1 機械手工作過程示意圖 機械手動作過程如圖2所示。 圖2 機械手動作過程 2.2 機械手的執(zhí)行機構(gòu)及運動分析 圖3為氣動機械手的結(jié)構(gòu)示意圖，它由氣爪夾持機構(gòu)、手臂平移機構(gòu)、手臂升降機構(gòu)和手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)和各種固定支架等部分組成。該機械手具有三個自由度，在氣壓驅(qū)動下可實現(xiàn)升降、伸縮、回轉(zhuǎn)運動及氣爪的夾緊與松開動作。 圖3 氣動機械手的結(jié)構(gòu)示意圖 A—氣爪，B—伸縮缸，C——升降缸，D—齒輪齒條式擺動缸 氣爪A活塞的運動可實現(xiàn)對工件的夾緊和松開。伸縮缸B可實現(xiàn)手臂的伸出和縮回動作。升降缸C用于實現(xiàn)立柱的上升與下降。擺動缸D有兩個活塞，分別裝在帶齒條的活塞桿兩頭，齒條的往復(fù)運動帶動立柱上的齒輪旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)立柱及長臂的回轉(zhuǎn)運動。 2.3 機械手的驅(qū)動系統(tǒng) 機械手的全部執(zhí)行機構(gòu)均有氣壓驅(qū)動，主要由氣源及氣源處理裝置、氣爪、伸縮氣缸、升降氣缸、擺動氣缸及控制閥組成，如圖4所示。各種執(zhí)行氣缸均采用單向節(jié)流閥來調(diào)節(jié)機械手的運動速度。通過對單電控電磁閥通斷電的控制，使機械手執(zhí)行相應(yīng)的動作，再配合檢查系統(tǒng)，即可讓機械手按照某種控制要求實現(xiàn)自動的順序動作。 圖4 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 2.4 機械手的檢測系統(tǒng) 檢查系統(tǒng)主要由檢查工件的光電開關(guān)和設(shè)置在氣爪夾緊與松開，手臂伸縮、升降與回轉(zhuǎn)氣缸上的8各限位磁性開關(guān)組成。光電開關(guān)用來檢測是否有工件，其檢測結(jié)果作為機械手控制系統(tǒng)的輸入信息。磁性開關(guān)的作用是對機械手的行程進行檢測和判斷，其檢測結(jié)果亦作為機械手控制系統(tǒng)的輸入信息，從而控制機械手，使其按照程序規(guī)定的順序動作。 3 機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計 氣動機械手系統(tǒng)均采用標準型氣動元器件，不需要進行尺寸設(shè)計，只需根據(jù)設(shè)計要求選型即可。 論文選用SMC氣動元件，SMC公司為世界級的氣動元件研發(fā)、制造、銷售商。在日本本土更擁有龐大的市場網(wǎng)絡(luò)。SMC產(chǎn)品以其品種齊全、可靠性高、經(jīng)濟耐用、能滿足眾多領(lǐng)域不同用戶的需求而聞名于世。SMC氣動元件超過11000種基本系列，610000余種不同規(guī)格，主要包括氣動潔凈設(shè)備、電磁閥、各種氣動壓力、流量、方向控制閥、各種形式的氣缸、擺缸、真空設(shè)備、氣動儀表元件及設(shè)備，以及其他各種傳感器與工業(yè)自動化元器件等。 3.1 機械手的技術(shù)參數(shù) （1）夾取工件重量：0.5Kg； （2）工作氣壓：0.5MPa； （3）主要運動參數(shù)： 伸縮缸行程：150mm；升降缸行程100mm；回轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動角度90°。 3.2 氣爪的選型 機械手系統(tǒng)采用支點開閉型氣爪。 氣爪夾持工件的受力分析如圖5所示，由圖可知，兩個手指的總夾持力產(chǎn)生的摩擦力為2μF必須大于夾持工件的重力mg，考慮到搬運工件時加速度及沖擊力等，必須設(shè)定一個安全系數(shù)S，故應(yīng)滿足 即： 式中：F——氣爪夾持力（單位N）； S——安全系數(shù)，取S=3； 圖5 工件受力分析圖 m——夾持工件質(zhì)量，m=0.5Kg； g——重力加速度，g=9.8m/s2； μ——氣爪夾頭與工件的摩擦因數(shù)，一般μ=0.1~0.2，取μ=0.15。 則所需夾持力，由表1可知，雙作用比單作用夾持力矩要大些，故選擇雙作用動作方式。初選缸徑為25mm，可查知力臂E為27mm，計算出所需夾持力矩M=F×E=49×0.027N·m=1.32N·m，依據(jù)表1可知，選擇氣爪型號為MHC2-25D可滿足要求。 表1 標準型氣爪 動作方式 型號 缸徑mm 夾持力矩（N·m） 開閉角度(兩側(cè)) 雙作用 MHC2—10D 10 0.1 30°～-10° —16D 16 0.39 —20D 20 0.7 —25D 25 1.36 單作用 MHCM2—7S 7 0.017 20°～-7° MHC2—10S 10 0.07 30°～-10° —16S 16 0.31 —20S 20 0.54 —25S 25 1.08 3.3 伸縮缸的選型 伸縮缸行程為150mm，工件質(zhì)量0.5Kg，考慮到氣爪及連接板的重量，總質(zhì)量約為1Kg，故伸縮缸的最大橫向負載為F=mg=1×9.8N=9.8N?？紤]到一定冗余量，根據(jù)表2可選定伸縮缸型號為MGPL16—150。 表2 氣缸最大橫向負載 缸徑（mm） 軸承的種類 行程(mm) 40 50 75 100 125 150 175 200 250 12 MGPM 14 13 26 22 19 17 15 13 11 MGPL 35 30 23 18 15 12 11 10 8 16 MGPM 23 21 37 32 27 24 22 20 16 MGPL 54 47 35 28 23 20 17 15 12 20 MGPM 38 35 87 75 66 59 54 49 42 MGPL 101 90 70 58 62 54 48 43 35 25 MGPM 54 49 116 100 88 79 71 65 55 MGPL 132 118 93 77 80 70 62 55 45 3.4 升降缸的選型 機械手升降缸是支撐和驅(qū)動伸縮缸的部件，用來實現(xiàn)機械手的升降運動，這些機構(gòu)直接構(gòu)成機身軀干與地底座相連。為了設(shè)計合理的運動機構(gòu)，要和伸縮缸、氣爪、工件一起考慮。 工件、氣爪、伸縮缸及連接板總重量約為2Kg，所以，升降缸最大軸向負載為F=mg=2×9.8N=19.6N。考慮到氣壓的波動等影響，由氣缸工作氣壓為0.5MPa，結(jié)合表3，選擇氣缸缸徑為50mm。 表3 雙作用氣缸輸出力表 缸徑 負載率η為50%時氣缸允許輸出力 使用空氣壓力 Mpa 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 6 0.43 0.57 0.71 0.85 0.99 10 1.18 1.57 1.97 2.36 2.75 12 1.70 2.26 2.83 3.39 4.00 16 3.02 4.02 5.05 6.05 7.05 20 4.71 6.30 7.85 9.40 11.00 25 7.35 9.80 12.30 14.70 17.20 32 12.10 16.10 20.10 24.20 28.20 40 18.90 25.20 31.40 37.70 44.00 50 29.50 39.30 49.10 58.50 68.50 63 46.80 62.50 78 93.50 109 80 75.50 101 126 151 176 100 118 157 197 236 275 根據(jù)氣缸缸徑，結(jié)合表4選擇升降缸系列為CG1系列。由升降缸行程為100mm，故選擇氣缸型號為CDG1LN50—100。 表4 氣缸系列選擇表 氣缸系列 氣缸缸徑mm 16 20 25 32 40 50 63 80 100 CJ2系列 小型不銹鋼缸筒系列 √ CM2系列 緊湊型、輕型不銹鋼缸筒系列 √ √ √ √ CG1系列 鋁制缸筒、輕型 √ √ √ √ √ √ √ √ CA2系列 拉桿型中缸系列 √ √ √ √ √ MB系列 √ √ √ √ √ √ CQS系列 緊湊，薄型 √ √ √ 3.5 擺動缸的選型 擺動氣缸位于機械手的底部，與底座相連，它承擔著機械手的全部重量，故對擺動氣缸的承載能力要求很高。同時，擺動氣缸要帶動整個機械手的回轉(zhuǎn)，故要求其在回轉(zhuǎn)是要保證整個機械手的平穩(wěn)性。根據(jù)設(shè)計參數(shù)，機械手要實現(xiàn)90?的回轉(zhuǎn)運動， 本文采用齒輪齒條式回轉(zhuǎn)氣缸，實用CAR1系列，其特點為：該系列擺動氣缸采用含油軸承，使活塞桿無需加油潤滑；氣缸本體，前后蓋經(jīng)過陽極硬質(zhì)氧化處理，不僅具有耐腐蝕性耐磨性，而且更顯外觀小巧精美；氣缸采用耐高溫材料，使氣缸在150攝氏度高溫條件下，仍能正常工作；氣缸活塞上有一個永久磁鐵，它可觸發(fā)安裝在氣缸上的感應(yīng)開關(guān)，用來檢測氣缸的運動位置。由氣缸擺動角度選擇氣缸型號為CDRA1BS80-90。 4 機械手的三維建模 依據(jù)選擇出來的氣缸型號，查閱其相關(guān)尺寸，并考慮到建模的難度，對其進行簡單的三維建模，以演示其工作過程。三維建模主要包含三部分：零件的建模、機械手的裝配和運動仿真。 論文采用SolidWorks軟件進行三維建模，SolidWorks公司是專業(yè)從事三維機械設(shè)計，工程分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)與營銷的跨國公司。其軟件產(chǎn)品SolidWorks自1995年問世以來，以其優(yōu)異的性能，易用性和創(chuàng)新性，極大地提高了機械設(shè)計工程師的設(shè)計效率。在于同類軟件的激烈競爭中已經(jīng)確立了它的市場地位，成為三維機械設(shè)計軟件的標準。自1996年以來，SolidWorks公司已為數(shù)千家中國制造企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)提高完整的信息化解決方案及服務(wù)。并在CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/ERP等領(lǐng)域為企業(yè)的信息化建設(shè)提供了完整的，使用的解決方案，在航空、航天、鐵道、兵器、電子、機械等領(lǐng)域擁有廣泛的用戶。 SolidWorks軟件包含零件建模、裝配設(shè)計、工程圖與鈑金等模塊，還與高級圖形渲染軟件Photoworks,高級有限元分析軟件Comos,機構(gòu)運動學(xué)分析軟件Motionworks,產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)軟件Smarteam，以及數(shù)控加工等軟件無縫集成。SolidWorks還首創(chuàng)了自上而下的全相關(guān)設(shè)計，并憑借高效運行的裝配設(shè)計使之成為實作技術(shù)[5]。 4.1 零件的三維建模 對機械手的主要組成部分：氣爪、伸縮缸、伸縮缸和擺動缸進行簡單的三維建模，用來仿真氣動機械手的工作過程。主要零件的尺寸參考SMC氣動元件的尺寸。 4.1.1 氣爪的建模 夾緊機構(gòu)的模型如圖6所示，桿3的往復(fù)移動通過桿2帶動桿1擺動，從而實現(xiàn)對工件的夾緊與放松。氣缸活塞的運動可實現(xiàn)桿3的運動。 在氣爪零部件的建模過程中，主要用到的操作有拉伸、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)等常用命令，這些命令在后面伸縮缸和升降缸的建模過程中也常用到。 氣爪的三維模型圖如圖7所示。 圖6 氣爪模型圖 圖7 氣爪三維模型圖 4.1.2 伸縮缸的建模 伸縮缸的三維裝配圖如圖8所示。 4.1.3 升降缸的建模 升降缸的三維裝配圖如圖9所示。 圖8升降缸三維模型圖 圖9 伸縮缸三維模型圖 4.1.4 擺動缸的建模 擺動缸采用齒輪齒條式，通過齒條的線性移動帶動齒輪的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)整個機械手臂的回轉(zhuǎn)。 齒輪的設(shè)計是通過SolidWorks軟件的插件生成的，在插件中給定齒輪的參數(shù)（模數(shù)m、齒數(shù)z、齒寬B）便可直接生成齒輪。軸承是在插件的標準庫中直接調(diào)用的，亦不需繪制。 擺動缸的三維模型圖如圖10所示。 圖10 擺動氣缸三維模型圖 4.2 機械手的裝配 對機械手的各主要組成部分進行裝配，以底座為首要基準，遵循從下往上、從左往右的原則進行裝配。裝配的主要的順序為：先擺動缸，在升降缸，最后為氣爪部分。氣動機械手的三維裝配圖如圖11所示。 圖11 機械手三維模型圖 4.3 機械手運動仿真 根據(jù)機械手的動作過程對機械手的裝配圖進行三維仿真，從而演示氣動機械手的工作原理及工作過程。 機械手的動作順序為：手臂伸出→夾緊工件→手臂縮回→手臂上升→手臂順時針轉(zhuǎn)動→手臂伸出→松開工件→手臂縮回→手臂逆時針轉(zhuǎn)動→手臂下降。 該氣動機械手具有四個自由度，在運動仿真時，每一步仿真，都只能有一個自由度。故在仿真時，每一步都應(yīng)限定三個自由度，留下一個自由度，否則，將得不得理想的仿真效果。 5 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是指程序的設(shè)計，在設(shè)計程序之前，對PLC做了簡單介紹，包括定義、優(yōu)點和分類，其次是根據(jù)控制系統(tǒng)所需要的I/O點數(shù)，選擇PLC的型號，最后編寫了控制系統(tǒng)的梯形圖程序。 5.1 PLC的介紹 隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，PLC的制造成本不斷下降，而其功能大大增強。目前在先進工業(yè)國家中PLC已成為工業(yè)控制的標準設(shè)備，應(yīng)用面幾乎覆蓋了所有工業(yè)領(lǐng)域，例如鋼鐵、冶金、采礦、水泥、石油、化工、輕工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保、交通、建筑、食品、娛樂等各行各業(yè)。特別是在輕工行業(yè)中，因生產(chǎn)門類多，加工方式多變，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，所以PLC廣泛應(yīng)用在組合機床生產(chǎn)線、專用機床、塑料機械、包裝機械、灌裝機械、電鍍自動線、電梯等電器設(shè)備中。PLC日益躍居工業(yè)生產(chǎn)自動化三大支柱[即PLC機器人（robot）和計算機輔助設(shè)計/制造（CAD/CAM）]的首位[3]。 5.1.1 PLC的定義 可編程邏輯控制器是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充的原則設(shè)計[3]。 5.1.2 PLC的優(yōu)點 （1）編程簡單 PLC用于編程的梯形圖與傳統(tǒng)的繼電器接觸控制線路圖有許多相似之處，對于具有一定電工知識和文化水平的人員，都可以在較短的時間內(nèi)學(xué)會編制程序的步驟和方法。 （2）可靠性高 PLC是專門為工業(yè)控制而設(shè)計的，在設(shè)計與制造過程中均采用了諸如屏蔽、濾波、隔離、無觸點、精選元器件等多層次有效的抗干擾措施，因此可靠性很高，平均無故障時間間隔為2萬小時以上。此外PLC還具有很強的自診斷功能，可以迅速方便地檢查、判定出故障，縮短檢修時間。 （3）通用性好 PLC品種多，檔次也多，可由各種組件靈活組合成不同的控制系統(tǒng)，以滿足不同的控制要求。同一臺PLC只要改變軟件則可實現(xiàn)控制不同的對象或不同的控制要求。 （4）功能強大 PLC能進行邏輯、定時、計數(shù)、和步進等控制，能完成A/D與D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等任務(wù)，具有很強的功能。隨著PLC技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種新的功能模塊不斷得到開發(fā)，使PLC的功能日益齊全，應(yīng)用領(lǐng)域也得到進一步拓展。 （5）體積小、重量輕、易于實現(xiàn)機電一體化 由于PLC采用半導(dǎo)體集成電路，因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點。 （6）設(shè)計、施工和調(diào)試周期短 PLC以軟件編程來取代硬件接線，使其構(gòu)成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝、使用方便，而且商品化的PLC模塊功能齊全，程序的編制、調(diào)試和修改也很方便，因此可大大縮短PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計、施工、和投產(chǎn)周期[1]。 5.1.3 PLC的分類 目前PLC生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品種類眾多，型號規(guī)格也不統(tǒng)一，其分類也沒有統(tǒng)一的標準，通?？捎?種形式分類。 （1）按結(jié)構(gòu)形式分類 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同PLC可分為整體式、模塊式和單板式三種。 （2）按功能分類 按PLC所具有的功能不同，可分為低檔機、中檔機、高檔機三檔。 （3）按I/O點數(shù)和程序容量分類 PLC按I/O點數(shù)和內(nèi)存容量可分為超小型機、小型機、中型機和大型機4類，見表5[3]。 表5 PLC分類 分類 I/O點數(shù) 程序容量 超小型機 <64 256～1000B 小型機 64～256 1～3.6KB 中型機 256～2048 3.6～13KB 大型機 >2048 13KB以上 5.2 PLC的選型 本文選擇松下電工FP0系列PLC，F(xiàn)P0是日本松下電工株式會社繼小型機FP1系列之后又開放的小型PLC產(chǎn)品。它集CPU、I/O、通信等諸多功能模塊與一體，具有體積小、功能強和性能價格比高等特點，適用單機、小規(guī)?？刂?，在機床、紡織、電梯控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別適合在我國的中小企業(yè)推廣應(yīng)用。 其特點如下： （1）超小型尺寸，具有世界上最小的安裝面積，寬25mm×高90mm×長60mm； （2）輕松擴展，擴展單元可直接連接到控制單元上、不需任何電纜； （3）從I/O 10點到最大I/O 128點的選擇空間； （4）擁有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 控制系統(tǒng)有自動工作方式啟動按鈕1個，手動工作方式啟動按鈕1個，自動方式停止按鈕1個，1個光電開關(guān)，自動工作方式的8個傳感器，手動工作方式的8個單步工作方式按鈕，2個繼電器，4個電磁閥，共需20個輸入點和6個輸出點。根據(jù)系統(tǒng)的I/O點數(shù)要求，選擇FP0系列PLC的C32型主機。其輸入點數(shù)為16，輸出點數(shù)為16，不能滿足控制要求，故需要對控制單元進行擴展，根據(jù)控制要求選擇E8型擴展單元。 擴展后I/O口的地址編號如下： C32型主機：輸入端X0～XF,輸出端Y0～YF； E8型擴展單元：輸入端X30～X37。 PLC的I/O點分配如表6所示。 表6 PLC的I/O點分配表 PLC點名稱 連接的外部設(shè)備 功能說明 X0 自動工作方式按鈕SB1 啟動自動工作方式命令 X1 手動工作方式按鈕SB2 啟動手動工作方式命令 X2 停止按鈕SB3 停止命令 X3 光電開關(guān)SE1 檢測有無工件 X4 電磁開關(guān)SE2 檢測氣爪A夾緊工件到位 X5 電磁開關(guān)SE3 檢測氣爪A松開工件到位 X6 電磁開關(guān)SE4 檢測伸縮缸B退回到位 X7 電磁開關(guān)SE5 檢測伸縮缸B伸出到位 X8 電磁開關(guān)SE6 檢測立柱下降到位 X9 電磁開關(guān)SE7 檢測立柱上升到位 XA 電磁開關(guān)SE8 檢測齒輪缸D順時針轉(zhuǎn)動到位 XB 電磁開關(guān)SE9 檢測齒輪缸D逆時針轉(zhuǎn)動到位 XC 夾緊按鈕SB4 夾緊工件 XD 松開按鈕SB5 松開工件 XE 縮臂按鈕SB6 手臂縮回 XF 伸臂按鈕SB7 手臂伸出 X30 下降按鈕SB8 立柱下降 X31 上升按鈕SB9 立柱上升 X32 順時針轉(zhuǎn)動按鈕SB10 立柱順時針轉(zhuǎn)動 X33 逆時針轉(zhuǎn)動按鈕SB11 立柱逆時針轉(zhuǎn)動 Y0 繼電器KM1 控制電機M1 Y1 繼電器KM2 控制電機M2 Y2 電磁閥YA 控制氣爪A夾緊工件 Y3 電磁閥YB 控制伸縮缸B伸出 Y4 電磁閥YC 控制升降缸C上升 Y5 電磁閥YD 控制齒輪缸D轉(zhuǎn)動 5.3 系統(tǒng)控制要求 機械手控制系統(tǒng)的要求： （1）按下啟動按鈕，傳送帶A、B運動，當光電開關(guān)檢測到工件時，傳送帶A停止，同時，機械手動作； （2）機械手有自動和手動工作方式兩種； （3）自動工作方式設(shè)有停止按鈕，當按下停止按鈕，機械手完成當前工作循環(huán)便停止工作； （4）若啟動手動工作方式，待結(jié)束時應(yīng)使各氣缸回到原位，方可再次按下自動按鈕。 5.4 程序設(shè)計 梯形圖是PLC常用的編程語言，采用梯形圖氣動對機械手的控制系統(tǒng)進行編程，實現(xiàn)其控制要求。 5.4.1 梯形圖語言介紹 PLC的梯形圖在形式上沿襲了傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制圖，是在原繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎(chǔ)上演變而來的一種圖形語言。它將PLC內(nèi)部的各種編程元件（如繼電器的觸點、線圈、定時器、計數(shù)器等）和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號、標號定義，并按邏輯要求及連接規(guī)律組合和排列，從而構(gòu)成了表示PLC輸入、輸出之間控制關(guān)系的圖形。由于它在繼電器接觸器的基礎(chǔ)上加進了許多功能強大、使用靈活的指令，并將計算機的特點結(jié)合進去，使邏輯關(guān)系清晰直觀、編程容易、可讀性強，所實現(xiàn)的功能大大超過了傳統(tǒng)的繼電接觸控制電路，所以很受用戶歡迎。它是目前用的最多的PLC編程語言[3]。 5.4.2 梯形圖程序 根據(jù)控制要求，編寫機械手控制系統(tǒng)的PLC梯形圖程序，如圖12所示。 圖12 PLC梯形圖程序 5.5 機械手的工作分析 機械手具有手動/自動兩種工作方式，兩種工作方式的運動情況分析如下。 5.5.1 自動工作方式 （1）按下自動工作方式按鈕SB1，繼電器KM1、KM2得電，傳送帶A、B運動；當光電開關(guān)檢測到有工件到來時，傳送帶A停止運動，同時，電磁閥YB得電，使B缸的主控閥處于左位，手臂伸出。 （2）當手臂伸出到位時，傳感器SE5檢測到，電磁閥YA得電，使A缸的主控閥處于左位，氣爪夾緊工件。 （3）當夾緊工件到位時，傳感器SE2檢測到，電磁閥YB失電，使B缸的主控閥處于右位，手臂縮回，同時，傳送帶A運動，待檢測到下一個工件時才會停止運動。 （4）當手臂縮回到位后，傳感器SE4檢測到，電磁閥YC得電，使C缸的主控閥處于左位，立柱上升。 （5）當立柱上升到位時，傳感器SE7檢測到，電磁閥YD得電，使D缸的主控閥處于左位，擺動氣缸順時針轉(zhuǎn)動。 （6）當順時針轉(zhuǎn)動到位時，傳感器SE8檢測到，電磁閥YB再次得電，使B缸的主控閥處于右位，手臂伸出。 （7）當手臂伸出到位時，傳感器SE5再次檢測到，電磁閥YA失電，使A缸的主控閥處于右位，氣爪松開工件。 （8）當氣爪松開工件到位時，傳感器SE3檢測到，電磁閥YB失電，使B缸的主控閥處于右位，手臂縮回。 （9）當手臂縮回到位時，傳感器SE4檢測到，電磁閥YD失電，使D缸的主控閥處于右位，擺動氣缸逆時針轉(zhuǎn)動。 （10）當逆時針轉(zhuǎn)動到位時，傳感器SE9檢測到，電磁閥YC失電，使C缸的主控閥處于由位，立柱下降，一個工作循環(huán)介紹。 （11）若在上一個循環(huán)結(jié)束之前，光電開關(guān)已檢測到工件，機械手會接著重新開始下一個工作循環(huán)；若在上一個循環(huán)介紹時，還未檢測到工件，機械手便會停止工作，直至檢測到下一個工件時才開始新的循環(huán)。 （12）當按下停止按鈕SB3時，機械手在完成當前工作循環(huán)后，停止工作，并使繼電器KM1、KM2失電，傳送帶A、B均停止工作；當再次按下自動工作方式啟動按鈕SB1時，系統(tǒng)又會開始新的工作。 5.5.2 手動工作方式 當按下手動工作方式按鈕SB2時，就可利用按鈕可對機械手的每一個動作單獨進行控制，例如，按下伸臂按鈕SB7，手臂伸出；按下順時針轉(zhuǎn)動按鈕SB10機械手順時針轉(zhuǎn)動。這種工作方式便于機械手在維修時的調(diào)整，結(jié)束手動工作方式時，應(yīng)是機械手回到初始位置，之后方可按下自動工作方式，否則，可能出錯。 6 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要是指PLC的外部接線圖首先繪出了系統(tǒng)所用到的兩種傳感器的接線圖，然后繪出了PLC的外部接線圖。 6.1 傳感器的選擇 氣動機械手的控制系統(tǒng)采用光電開關(guān)用來檢測工件的有無，其接線方法如圖13所示；采用兩線式磁性開關(guān)來檢測氣缸活塞是否移動到位，其接線方法如圖14所示。 圖13 磁性開關(guān)接線圖 圖14 光電開關(guān)接線圖 6.2 PLC硬件接線圖 繪制出PLC的硬件接線圖，如圖15所示。 圖15 PLC的硬件接線圖 7 結(jié)束語 對機械手系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，與教材采用的行程程序控制相比，有以下優(yōu)點： （1）整個氣動機械手氣壓傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，減少許多氣控元器件，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性； （2）當機械手動作順序改變時，硬件系統(tǒng)無需改變，只需修改梯形圖程序，即容易實現(xiàn)機械手動作的多樣化，以滿足現(xiàn)實的需要； （3）控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單可靠。 對于其它的氣壓傳動系統(tǒng)，甚至是夜壓傳動系統(tǒng)，如氣動鉆床、氣液動力滑臺、組合機床系統(tǒng)、磨床系統(tǒng)、液壓機系統(tǒng)等，均可采用PLC控制，同樣具有以上優(yōu)點。正如前面開頭所述的那樣，用PLC設(shè)計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。 致謝 本論文是在我的指導(dǎo)老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴肅的科學(xué)態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，她始終給予我細心的指導(dǎo)和不懈的支持。向我的導(dǎo)師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在此，我還要感謝在這四年間教過我的所有老師，你們不僅教會了我文化知識，也教會了我如何做一個對社會有用的人。還要感謝我的朋友們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 參考文獻 [1] 王曉芳.液壓與氣動技術(shù)[M].中國輕工業(yè)出版社，2006 [2] 田勇，高長銀.液壓與氣壓傳動技術(shù)及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2011 [3] 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