机电一体化专业论文

机电一体化专业论文 辽宁省交通高等专科学校机电系 设计题目:物料搬运真空吸附手 专业:机电一体化 设 计物料搬运真空吸附手整体设计与PLC控制系统设计 任 务 1.真空吸附手的基本任务是完成将传送带A上的工件搬运到传送带B上。 设 计 2.采用气缸和真空发生器来实现其功能和结构设计;用PLC对其实现程序控制。 要 求 提 交第一稿(手写);第二稿(打印，按格式) 成 果 2009年12月1日至7日完成写作提纲; 设2009年12月7日至18日完成第一稿; 计2009年12月18日至12月24日完成第二稿; 进2009年12月24日至12月31日完成定稿。 程 指 导 教 师 评 语 评 阅 教 师 评 语 设计成绩 指导教师 成 评阅成绩 评阅教师 绩 答辩成绩 答辩负责人 总 评 负责人 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 摘要:本次设计是物料搬运真空吸附手整体设计与PLC控制系统设计，在设计过程中， 要求我们运用机电气的知识完成，其设计的内容主要包括:左右气缸设计，上下气缸设计， 真空吸附手设计，气压控制系统设计，PLC控制设计等内容。 由于真空吸附手使用气体真空作用原理，所以机构中的气动源都采用气缸，而且气缸的 采用也便于实现自动化控制。其中具体写了设计步骤以及对气缸性能参数的计算，其中包括 气缸的输出力，气缸的输出速度计算，计算气缸的主要结构尺寸，选用参数以及计算其 输出功率等。活塞杆直径的计算，气缸行程的确定以及对气缸结构强度计算与稳定性校核。 电气系统的设计就是运用机电传动的知识，即PLC系统进行控制，PLC控制系统有西门 子系统，欧姆龙系统等。本次设计采用的是日本三菱系统。 由于设计是机电一体化产品，要求机电气结合，电磁阀是本设计的关键，我使用双线圈 二位电磁阀对系统的控制，在安全限止上使用光电传感器控制。 关键词:气缸;真空发生器;真空吸盘;机器人传感器;PLC系统 Abstract: This time design is a material porterage the vacuum adsorb hand overall design and PLC control system design, in the design the process, request we usage machine electricity of knowledge completion, it design of contents main include: so cylinder design, top and bottom cylinder design, the vacuum adsorb a hand design, air pressure control system design, PLC control design etc. contents. Because the vacuum adsorb the hand usage function principle of the air vacuum, so organization in of spirit move a source all adoption air cylinder, and cylinder of adoption also easy to realization automation control.Among them concrete wrote a design step and to air cylinder function parameter of calculation, include air cylinder among them of output dint, air cylinder of output speed calculation, calculation air cylinder of main structure size, choose to use standard parameter and calculation it output power etc. calculation of piston pole diameter, air cylinder route of travel really settle and to air cylinder structure strength calculation and stability school pit. The design of electricity system is an usage machine fax move of knowledge, namely the PLC system carry on control, PLC control the system contain Siemens system, system. dragon system in Europe..What this time design adoption is Mitsubishi Because design is a machine electricity integral whole to turn a product, request the machine electricity combine, the electromagnetism valve be the key of this design, I usage double the electromagnetism valve with two coil control system, at safety limit top usage light fax machine control. Keyword:Air cylinder;Vacuum occurrence machine;Vacuum sucker;The robot spread a feeling machine;PLC system 第 I 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 目 录 前言 ....................................................... 1 第一章 总体设计 ........................................ 2 1.1总体设计目的 ......................................... 21.2总体设计要求 ......................................... 2 1.3总体设计方案 ......................................... 2 第二章 吸附手气缸的设计 .................................... 4 2.1上下运动缸径计算 ..................................... 4 左右运动缸径计算 .................................... 5 2.2 2.3 缓冲性能 ............................................ 5 2.4耗气量 ............................................... 6 2.4.1最大耗气量 ...................................... 6 2.4.2上下运动气缸耗气量 .............................. 7 2.4.3左右运动气缸耗气量 .............................. 7 2.5气缸使用注意事项 ..................................... 7 第三章 真空发生器的设计 .................................... 8 3.1真空发生器的工作原理 ................................. 8 3.2真空发生器的分类及选择 ............................... 8 3.3真空发生器的应用 ..................................... 9 3.4真空发生器的主要性能 ................................. 9 3.4.1排气特性 ........................................ 9 3.4.2 流量特性 ....................................... 9 第 II 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 3.5真空吸盘的理论吸吊力 ................................ 10 3.6真空吸盘的材料 ...................................... 11第四章 吸附手PLC控制程序设计 ............................. 12 4.1 PLC总体概述 ........................................ 12 4.1.1 PLC的应用 ..................................... 12 4.1.2 PLC的特点 ..................................... 13 4.1.3 PLC的分类 ..................................... 13 4.1.4 梯形图的设计 .................................. 13 4.2吸附手的机械结构和运动过程 .......................... 14 4.2.1 控制要求 ...................................... 16 4.2.2 PLC输入,输出(I,O)分配及型号选择 ............ 17 4.3 吸附手PLC控制程序设计 ............................. 17 4.3.1程序整体结构框图设计 ........................... 17 4.3.2手动操作程序设计 ............................... 18 4.3.3 自动操作程序设计 .............................. 18 结束语 .................................................... 21 【参考文献】 .............................................. 22 第 III 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 物料搬运真空吸附手 前言 毕业设计是学生的最后一个教学环节，全国高教机械设计及制造专业教学指导委员会第三次会议指出，“毕业设计题目应该以产品(或工程)设计类题目为主，尤其鼓励去工厂从事高真实产品设计”。在实际工程设计中，学生可以得到所学过的理论基础，技术基础，专业课程全面的训练，为将来做好机械设计工程师的工作提供全面的锻炼。 本次设计主要完成物料搬运真空吸附手整体设计与PLC控制系统设计。本次设计是在李静老师的指导下完成的。因为此次设计涉及到真空原理的问题，是我此前从来没有接触过的新领域，因此首先用了一周的时间进行这些方面的理解与学习，熟悉了真空发生器的特点及原理，并收集了许多相关资料。在十二月初开始了机构总体方案的探索性设计，在十二月下旬正式开始机构设计。在李老师的指导下，结合所学机械方面的知识，查阅许多手册，经过不断的改进，最终设计出了此次专用机构。 通过这次毕业设计，我在机械CAD、机械原理、机械设计、机械制造工艺、电气控制PLC等方面的知识都受到全面的综合训练，在机电气的结合方面更使我受益匪浅。特别是李老师在繁忙工作之余对我的耐心辅导，对科研的严谨要求，对我能够顺利完成此次设计起到了关键性的作用，同时她对学生强烈的责任感和严谨的治学态度，也给我了深刻的影响。在此表示衷心的感谢～ 由于第一次接触类似的大型课题，又有本领域外的真空知识，加之本人知识有限，经验不足，虽有李老师的细心帮助，设计中依然存在许多不足之处，错误之处，有待于进一步的完善，恳请各位老师给予批评指正。 第 1 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 第一章 总体方案设计 1.1总体设计目的 市场的饱和特别是消费品市场的饱和要求不断推出新产品以满足新的消费愿望。产品的类型增加的同时使批量减少，产品的寿命也缩短。由于这一发展要求使我们不断改进产品的设计，更新旧产品，设计新产品。随着科学技术日新月异的变化，尤其是信息技术的发展，传统的制造业及其制造系统正在发生深刻变化。制造业是创造社会财富的支柱产业。制造业的水平反映了一个国家或地区的经济实力、国防实力、科技水平和生活水准，制造业的先进与否是一个国家经济发展的重要标志。本设计是对柔性制造系统中的机器人的末端执行器进行步进控制和结构设计。机械结构采用模块化、柔性化设计。我设计的就是工业机械手的步进控制及其结构设计。设计中涉及到了先进制造技术、工业机器人技术、液压与气动技术、机电一体化技术、传感器与检测技术、机械设计知识、电路知识、PLC编程的知识。正是这些知识综合具体的应用使设计不断的完善与创新。 1.2总体设计要求 真空吸附手的基本任务是将传送带A上的工件搬运到传送带B上。当光电开关PS1检测到传送带A上有物体时，机械手从原点开始下降，吸附工件，向右移动，机械手下降，松开工件把工件放到传送带B上，机械手上升，左移回到原点。机械手可以进行手动操作和自动操作两种方式。 1.3总体设计方案 根据总体设计的要求，本次设计的真空吸附手采用两个气缸来实现其功能和结构设计;用PLC对其实现步进控制。左右运动气缸带动吸附手实现左、右移动;上下运动气缸带动吸附手完成上升和下降运动。真空发生器实现夹紧和放松。 在满足上述各项功能的前提下，应尽量采用结构简单，制造方便的零部件来组成各部分结构。 根据结构所要实现的基本功能，既将传送带A上的工件搬运到传送带B上，需要用光电开关对传送带A上是否有工件进行检验，当检测到工件存在时，将工件搬运到传送带B上。 第 2 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 为了使运动部件的运动方向、行程大小和位置保护得到控制。因此，此装备设有上、下、左、右四个限位开关，工作台的行程精度也得以实现。 根据装置的设计要求，我选用气压驱动作为该机构运动的主要动力源。气压驱动的其主要特点是;无污染、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、造价低廉，更易实现机械手的基本任务。 对于各个机构的自动控制，我采用PLC控制各动作的执行元件。 第 3 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 第二章 吸附手气缸的设计 2.1上下运动缸径计算 由气缸带动的负载，运动状态及工作压力，就可以进行气缸缸径的计算和选择。 (1) 根据气缸带动的负载，计算气缸的轴向负载F，本设计是上下运动气缸， 它的最大负载是40?，结构是气吊的结构。 图2-1汽缸带动负载图 气缸的轴向负载力F=mg=40×9.8=392.5N (2)由气缸的平均速度来选定气缸的负载β，如表1。气缸的运动速度越高，负载应选小。 表2.1 气缸的运动状态和负载率 阻性负载 阻性负载 (静负载) 〈100mm/s 100-500mm/s >500mm/s β?0.8 ?0.65 〈-0.5 〈-0.35 本设计的气缸的行程是200mm，动作时间t=2s。 根据速度公式V=s/t=200/2=100mm/s 根据速度V选择阻性负载β是0.5 (3)由气缸的理论输出力计算公式。负载率β及工作压力p即能计算缸径，由计算的缸径再圆整到缸径。 本题的理论输出力F=F/β=392.5/0.5=785N 气缸的工作压力为:p=0.4MPa 第 4 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 4.F双作用气缸缸径D= =50 ,p 故本设计取双作用气缸缸径D=50mm，活塞杆的直径为25mm。 2.2 左右运动缸径计算 由气缸带动的负载，运动状态及工作压力，就可以进行汽缸缸径的计算和选择。根据汽缸带动的负载，计算汽缸的轴向负载F，本设计是左右运动汽缸是伸出的悬臂梁水平结构，最大负载是320?。 图2-2左右气缸负载图 汽缸的轴向负载力: F=μmg=0..5×320×9.8=1570N 设计汽缸的行程为:400mm，动作时间为:3s 根据速度公式: V=s/t=400/3=134mm/s 根据速度V选择阻性负载β是0.5 本题的理论输出力F=F/β=1570/0.5=3140N 气缸的工作压力为:p=0.4MPa 4.F双作用汽缸缸径D= =100 ,p 故本设计取双作用气缸缸径D=100mm。 2.3 缓冲性能 气缸活塞运动到行程终端位置时，为避免活塞与缸盖产生机械碰撞而造成机件变形，损害及极强的噪声，气缸必须采用缓冲装置。通常缸径小于16?的气缸采用弹性缓冲垫，缸径大于16?的气缸采用气垫缓冲结构。 从缓冲柱塞封闭柱塞孔起，到活塞停止下来为止，活塞所走的行程称为缓冲行程。缓冲装置就是利用形成的气垫(即产生背压阻力)和节流阻尼来吸收活塞运动产生的能量，到达缓冲的目的。 为了达到缓冲作用，缓冲腔室内空气绝热压缩所吸收的压缩能E必须大于活p 第 5 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 塞等运动部件所具有的动能E，即E?E。 dpd k,1，，k,,kp,,2pV,1E=„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(1-1) p,,11,,kp,1,,1,,，， 12E=„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(1-2) mvd2 式中，p-----绝热压缩开始时的缓冲腔室内的绝对压力(Pa) 1 p-----绝热压缩结束时的缓冲腔室内的绝对压力(Pa) 2 2 V-----绝热压缩开始时的缓冲腔室的容积(m) 1 m-----活塞等运动部件的总重量(kg) v-----缓冲开始前活塞的运动速度(m/s) k-----空气绝热指数k=1.4. 若E?E则认为气缸缓冲装置能起到缓冲作用。反之，则不能满足缓冲要求，pd 应采取一定措施，如在气缸外部安装液压缓冲器。 最后要特别指出，对于气缸之所以要讨论缓冲性能及其计算，是因为要防止气缸运动到行程末端时撞击缸盖，即气缸活塞具有运动速度。若活塞在末端处于静止状态时，无论加在哪的的压力都务必关心其会撞击杠盖(除强度问题外)。同时，气缸运动过程所有出现的摩擦力(能)，重力(能)等的影响，都以反映在活塞的运动速度上，也就是说，气缸运动的速度决定于作用在活塞两侧的压力差Δp产生的气压作用力克服了摩擦力(总阻力)的大小。因此，气缸缓冲计算时，只要考虑气缸运动的动能，就必计算活塞上作用的气压能，重力能及摩擦能。 2.4耗气量 耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩气体量，耗气量大小与气缸的性能无关，但是选择空压机排量的重要依据。 2.4.1最大耗气量 是指气缸活塞完成一次行程所须的耗气量，其计算式如下: p，0.112 Q= 0.047DSmax0.1t 式中，Q-----最大耗气量(L/min)(ANR) max D-----缸径(cm) S-----气缸行程(cm) t-----气缸一次往返行程所需时间(s) 第 6 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 p-----工作压力(MPa) 2.4.2上下运动气缸耗气量 缸径: D=5cm 气缸行程: S=20cm 工作压力: p=0.4MPa 气缸一次往返行程所需时间 t=4s p，0.112 最大耗气量: Q=0.047DSmax0.1t 0.40.11，2 ==29.375(L/min) (ANR) 0.047520，，，，，，0.14 2.4.3左右运动气缸耗气量 缸径: D=10cm 气缸行程: S=40cm 工作压力: p=0.4MPa 气缸一次往返行程所需时间 t=6s p，0.112最大耗气量: Q= 0.047DSmax0.1t 0.40.11，2==156.7(L/min)(ANR) 0.04710，，,,，，，，0.16 2.5气缸使用注意事项 (1) 一般气缸的正常工作条件;环境温度为-35-80?C，工作压力为 0.4-0.6MPa。 (2) 安装前，应用1.5倍工作压力条件下进行试验，不应漏气。 (3) 装配时，所有密封元件的相对运动工作表面应涂以润滑脂。 (4) 安装的气源进口处必须设置气源调节装置;过滤器-减压阀-油雾器。 (5) 安装时注意活塞杆应尽量承受拉力载荷，承受推力载荷应尽可能使载荷作 用在活塞杆轴线上，活塞杆不允许承受偏心或横向载荷。 (6) 载荷在行程中有变化时，应使用输出力足够的气缸，并附设缓冲装置。 (7) 尽量不使用满行程。 第 7 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 第三章 真空发生器的设计 3.1真空发生器的工作原理 真空发生器由工作喷嘴，负压室，接收室组成。压缩空气通过收缩的喷嘴后，从喷嘴内喷射出来的一束流动的流体称为射流。射流能卷吸周围的静止流体和它一起向前流动，称为射流的卷吸作用 ，负压室限制了射流与外界的接触，但从喷嘴射出的主射流还是要卷吸一部分周围的流体向前运动，于是在射流的周围形成一个低压区。若在喷嘴两端的压差达到一定值时，气流则为超声波流动，于是在负压室内可获得一定的负压。 对于真空发生器，若在负压室内通道接真空吸盘，当吸盘与平面工件接触，只要将吸盘腔室内的气体抽吸完并达到一定真空度，就可将平版吸持住。真空发生器可用于产生负压，也可用作喷射器 。 3.2真空发生器的分类及选择 真空发生器按其结构组合形式分为普通真空发生器，带喷射开关的真空发生器与组合真空发生器三种。真空发生器按外形分，有盒式和管式。盒式在排气口带有消音器，管式不带消音器。按性能分，有标准型和大流量型两种。标准型的最大真空度可达到88kPa，但最大吸入比大流量型小。大流量型的最大真空度为48 kPa，但最大吸入量比标准型大，可用于吸吊有透气性的瓦楞硬纸之类的物体。 普通真空发生器的供气口接正压气源，排气口接消声器，真空口接真空吸盘压缩气从真空发生器的供气口流向排气口时，在真空口产生真空。当供气口无压缩空气输入时，抽吸过程停止。 带喷射开关的真空发生器，一般真空吸盘持工件后，要放掉工件就必须使吸盘内的真空消除。若在真空发生器引射通道流入一股正压气流，就能使吸盘内压力从负压迅速变为正压，使工件脱离。带喷射开关的真空发生器就能完成这一功能。 组合真空发生器有几种形式。主要分为:按连续耗气和断续耗气两种。真空发生器常与电磁阀，压力开关和单向阀等真空元件构成组件。采用一体化设计，便于安装使用。 本次设计从经济性，寿命性，维修性，技术性等多方面考虑，决定使用普通真空发生器从经济性考虑它制造成本低，生产普遍，采购容易，从寿命考虑它使 第 8 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 用时间长，能在恶劣条件下使用，从维修方面考虑普通真空发生器结构简单，便于维修，在技术上普通真空发生器的技术成熟，应用广泛，简化设计难度。所以选用普通真空发生器。 3.3真空发生器的应用 真空系统作为实现自动化的一种手段，在电子，半导体元件组装，汽车组装，自动搬运机械，轻工机械，医疗机械，印刷机械，塑料制品机械，锻造机械，机器人等许多方面得到广泛的应用。如真空包装机械中，包装纸的吸附，送标，贴标，包装袋的启动;电视机的显象管，电子枪的加工，运输，装配及电视机的组装;印刷机械中的双张，折面的检测，印刷纸张的运输;玻璃的搬运和装运;机器人抓起重物，搬运和装配;真空成型，真空卡盘等。总之，对任何具体较光滑表面的物体，特别对于非金属且不适合夹紧的物体，如簿的柔软的纸张，塑料膜，铝簿，易碎的玻璃及其制品，集成电路等微型精密零件，都可以使用真空吸附，完成各种作业。 3.4真空发生器的主要性能 3.4.1排气特性 真空发生器的排气特性表示最大真空度，空气消耗量和最大吸入流量三者分别与供给压力之间的关系。最大真空度是指真空口被完全封闭时，真空口内的真空度。空气消耗量是通过供给喷管的流量(标准状态下)，最大吸入流量是指真空口向大气开时，从真空口吸入的流量(标准状态下)。空气消耗量是由工作喷嘴直径决定的。喷嘴直径范围一般为0.5-0.3mm。对同一喷嘴直径的真空发生器，其耗气量随着工作压力的增加而增加。真空度有最大值，当超过最大值，即使增加工作压力，真空度非但没有增加反而会下降。真空发生器产生的真空度最大可达88kPa。建议实际使用时真空度可选定在70kPa，工作压力在0.5MPa左右。 3.4.2 流量特性 流量特性是指供给压力为0.45MPa条件下，真空口处于变化的不封闭状态下，吸入量与真空度之间的关系，为了获得较大的真空度或较大的吸入流量真空发生器的供给压力应处于0.25-0.6MPa范围内，最佳使用范围为0.4-0.45MPa。真空 第 9 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 发生器的使用温度范围为5-60?，不得给油工作。 3.5真空吸盘的理论吸吊力 真空吸盘的外径称为公称直径，其吸持工件被抽空的直径称为有效直径D，真空吸盘的理论吸吊力F为; ,2 FDP,,U4 ---真空度 (kPa) ,PU D------真空吸盘的有效直径 (m) ,2 2--吸盘的有效吸着面积 (m)D4 这样，若有一个真空吸盘，只要设定真空度，就可计算吸盘的理论力吸吊力。 (a) (b) 图4-1 真空吸盘 选用时应注意吸盘的安装方式。图a是吸盘水平安装时，除了要吸持住工件负载，还应考虑吸盘移动时工件的惯性力对吸力的影响。图b是吸盘垂直安装时，吸盘的吸力必须大于工件与吸盘间的摩擦力 吸盘的理论吸吊力是吸盘内的真空度p与吸盘的有效吸着面积A的乘积。吸盘的实际吸吊力应考虑吸吊工件的重量及搬运过程中的加速度外，还应给予足够的余量，以保证吸吊安全。搬运过程中的加速度，应考虑启动加速度，停止加速度，平移加速度和转动加速度(包括摇摆)特别是面积大的板壮物的吸吊，不应忽视搬运过程中的风阻。 对面积大的，重的，有振动的吸吊物或要求快速搬运的吸吊物，为防止吸吊物脱离通常用多个吸盘进行吸吊。这些吸盘应该合理配置，以使吸吊合力作用点与被吸吊物体重心尽量靠近。 第 10 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 这次设计的极限负载为40Kg,所以吸吊物重量:W=40×9.8=392N,安全系 -3数:n=4，吸盘内的真空度:p=80×10 MPa 43924，，4Wt ,49.96,,D,3,,，，，108010np D-----吸盘直径 (mm) W-----吸吊物重量 (N) t-----安全系数，水平吊 (t?4;垂直吊t?8) p-----吸盘内的真空度 (Mpa) 使用的吸盘的直径为50mm，在安装板上有10个空，最多可以安装10个吸盘，可以根据实际情况安装。 3.6真空吸盘的材料 通常吸盘是由橡胶材料与金属骨架压制而成的。制造吸盘所使用的橡胶材料及其性能见上表。橡胶材料如长时间在高温下工作，则使用寿命变短。硅橡胶的使用温度范围较宽，但在潮热条件下工作则性能变差。吸盘的橡胶出现脆裂，是橡胶老化的表现。除过度使用的原因外，多由于受热和日光照射所致，故吸盘宜保管在冷阴的室内。 表3.1真空吸盘的材料 吸盘弹扯硬压使用透耐耐耐耐耐耐电 的橡性 断度 缩温度 气磨油酸碱溶臭气 胶材强变性 性 性 性 性 剂氧 绝搬运物体 料 度 形 型 缘 性 真丁腈良 可 良 良 -30 可 良 优 良 良 可 良 差 空橡胶 -120 硬壳纸,胶合吸聚氮优 优 良 优 -30 优 优 优 可 差 差 优 良 板，铁板及其盘酯橡-80 他一般供件 的胶 材氟橡可 可 优 良 -10 优 良 优 优 可 优 优 可 药品类 料 胶 -200 第 11 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 第四章 吸附手PLC控制程序设计 4.1 PLC总体概述 PLC是以CPU为核心的电子系统，实际上就是一种工业控制用的专用计算机，它由硬件系统和软件系统两大部分组成的，一般小型PLC的基本单元主要由CPU、存储器、输入和输出模块、电源模块、I/O扩展接口、外设I/O接口以及编程器等部分组成，PLC的软件系统也包括系统程序和用户程序。 PLC采用的是周期性循环扫描的工作方式。PLC运行工作时，CPU对用户程序作周期循环扫描，在无跳转指令的情况下CPU从第一条指令开始顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后又返回第一条指令，开始新的一轮扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采集和对输出状态的刷新等工作。PLC就是这样周而重复的扫描循环。 4.1.1 PLC的应用 可编程序控制器(Programmable Controller)简称PC，早期也称为PLC(Programmaboe Logic Controller)，区别于个人计算机的“PC”(Personal Computer)。PLC是从60年代末发展起来的一种新型的电气控制装置，它将传统的控制技术和计算机控制技术、通信技术融为一体，以其显著的优点正被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。 传统的继电器接触器控制虽具有其自身的特点，但其控制装置体积大，动作速度较慢，耗电较大，功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线和控制盘就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。 PLC的应用领域非常广，并正在迅速扩大。对早期的PLC，凡是有继电器的地方，都可采用。而对当今的PLC，几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC。尤其是近几年来，PLC的成本下降，功能又不断增强，所以，目前PLC在国内外已被广泛应用于冶金、机械、石油、化工、轻工、电力、建筑、交通运输等各行各业。一般来说，小型PLC主要用于单机自动化，而大、中型PLC则是自动生产线上不可缺少的控制部件。 PLC主要有以下几种控制类型:逻辑控制、模拟控制、机械加工中心的数字控制、工业机器人控制、多层分布式控制系统等。 第 12 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 4.1.2 PLC的特点 1 可靠性高，抗干扰能力强。 如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均无故障时间长达30万小时，这是一般微机所不能比拟的。 与继电器相比，采用PLC控制后，大量的开关动作由无触点的电子线路来完成，用软件程序代替了继电器之间的繁杂连线，既方便又灵活，可靠性也大大提高了。 2 控制系统构成简单，通用性强 PLC是一种存储程序的控制器，其输入和输出设备可直接连接在PLC的I/O端。即其输入端可接无源触点开关，其输出可直接驱动接触器和电磁阀等执行元件。 当需要改变其控制系统的功能时，只需改变相应的软件程序，而不必改变PLC的硬件设备。 3 编程简单、使用维护方便 目前，大多数的PLC均采用与实际电路接线图非常接近的梯形图编程，这种编程语言形象直观，易于掌握。而且PLC具有故障检测、自诊断等功能，能及时地查出自身的故障并报警显示，使操作人员能迅速地检查、判断、排除故障，具有较强的在线编程能力，维护十分方便。 4.1.3 PLC的分类 PLC的产品很多，型号规格也不统一，通常可按以下三种情况分类: 1(按PLC的结构形成分类可分为大、中、小三个等级。 2(按PLC的I/O点数分类可分为整体式和模块式 a.小型PLC I/O点数在256点以下为小型PLC b.中型PLC I/O点数在256点以上，2048点以下为中型PLC c.大型PLC I/O点数在2048点以上为大型PLC 此外，有时将I/O点数在64点以下的称为微超小型PLC。 3(按PLC的功能不同，又可分为高、中、低档三种。 4.1.4 梯形图的设计 PLC梯形图的设计一般分为以下几个步骤: 第 13 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 1.对实际问题进行分析，确定哪些是输入量，确定哪些是输出量。 2.根椐所需的I/O点数和控制的复杂程度进行PLC选型。 PLC的选型主要从以下几方面进行考虑: (1)结构型式的档次。 按照物理结构，PLC分为整体式和模块式两种。整体式一般价格较低，对于 单台仅需开关量控制的设备，选用小型整体PLC就可以满足要求;对于复杂 的，要求较高的系统，可考虑采用模块式大中型机，这样可灵活配置I/O 模块的点数的类型，使其具有A/D，D/A控制，运动控制和通讯联网等功能。 (2)容量。 PLC容量指用户存储器容量(程序容量)和I/O点数两方面的含义，选择 存储容量可按25,留出裕量。I/O点数要10,,15,留出裕量。 (3)输出点类型的选用。 PLC可提供3种类型的输出:继电器输出(有触点)，晶体管输出和晶闸管 输出(无触点)，其中继电器的输出的PLC价格便宜，适用的电压范围广， 交直流电压类型均可，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，对于不频繁 通电的负载应优先选用此种PLC;而对于频繁通电的负载，则应采用无触 点开关输出，即选用晶体管或晶闸管。 3.将输入量依次分配给输入继电器，输出量依次分配给输出继电器，画I/O端子分配图。 4(明确控制对象的控制要求，根据控制的特点和复杂程度选用前面介绍的经验设计法，状态分析法和状态转移图等四种设计方法中的一种进行PLC梯形图的设计。 4.2吸附手的机械结构和运动过程 图4-1所示为物料搬运真空吸附手作用示意图，作用于生产线上将工件从左工作台搬到右工作台。 真空吸附手的全部动作由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀控制。例如当下降电磁阀通电时，真空吸附手下降;当下降电磁阀断电时，真空吸附手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，真空吸附手才上升;当上升电磁阀断电时，真空吸附手上升停止。同样，左移,右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。真空吸附手的放松夹紧由电磁控制电路控制吸附手内部的线圈。当该线圈通电时，真空吸附手产生电磁吸附力，该线圈断电时，真空吸附手的电磁吸附力消失。 当真空吸附手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上 第 14 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 无工件时才允许真空吸附手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，真空吸附手应自动停止下降。 真空吸附手的动作过程分解如图4-1所示。从原点开始，按下起动按钮时，下降电磁阀通电，真空吸附手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，真空吸附手下降停止;同时接通电磁控制电路控制吸附手内部的线圈，真空吸附手吸附工件。吸附工件，上升电磁阀通电，真空吸附手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止;同时接通右移电磁阀，真空吸附手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，真空吸附手右移停止。若此时工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，真空吸附手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，真空吸附手下降停止。同时夹紧电磁阀断电，真空吸附手放松:放松后，上升电磁阀通电，真空吸附手上升。上升到顶时，碰到上限位开关， 上升电磁阀断电，上升停止;同时接通左移电磁阀，真空吸附手左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，真空吸附手经过8个动作完成了一个周期。 图4-1 物料搬运真空吸附手工作图 第 15 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 4.2.1 控制要求 真空吸附手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。自动操作又分为单步、单周期(主要用于调试)和连续操作方式。 图4-2 机械手动作过程输入/输出检测元件布置图 手动操作:就是用按钮操作对真空吸附手的每一种运动单独进行控制。例如，当选择上,下运动时，按下起动按钮，真空吸附手上升;按下停止按钮，真空吸附手下降。当选择左,右运动时，按下起动按钮，真空吸附手左移;按下停止按钮，真空吸附手右移。当选择夹紧/放松运动时，按下起动按钮，真空吸附手夹紧;按下停止按钮，真空吸附手放松。 单步操作:每按—次起动按钮，真空吸附手完成一步动作后自动停止。 单周期操作:真空吸附手从原点开始，按一下起动按钮，真空吸附手将自动完成一个周期的动作，然后停止在原起始点位置。 连续操作:真空吸附手从原点开始，按一下起动按钮，真空吸附手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。 在工作中若按一下停止按钮，则真空吸附手动作停止。重新起动时，须用手动操作方式将真空吸附手移回原点，然后按一下起动按钮，真空吸附手又重 第 16 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 新开始连续操作。 在工作中若按一下复位按钮，则真空吸附手将继续完成一个周期的动作后，回到原点，自动停止。 4.2.2 PLC输入,输出(I,O)分配及型号选择 1((I,O)点的分配与编号 如图4-3所示为(I,O)点的分配与编号 2(PLC型号选择 根据所需的(I,O)点数为18/6，考虑留有一定的余量，可选用一般小型PLC。本例选用Fx2-48MR型PLC。 4.3 吸附手PLC控制程序设计 4.3.1程序整体结构框图设计 因为手动操作时，各种动作都是用按钮控制，其程序可独立于自动操作程序而单独设计，因此，总程序可分为两段独立的部分:手动操作程序和自动操作程序。自动操作程序中包括单步、单周期及连续运行方式，如图4-4。 图4-4 程序整体结构安排 第 17 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 当选择手动操作方式时，X07接通，其动断触点断开，执行手动程序，并由于Xl0、X11和X12的动断触点为闭合，则跳过自动程序段。若选择单步、单周期或连续运动的任一种方式都将跳过手动程序段而执行自动程序。 4.3.2手动操作程序设计 手动操作控制简单，不需要进行过程的步进控制，可按照一般继电器控制的经验设计法来设计，如图4-5所示，程序中设置了连锁保护，以避免误动作，由于机械手只有处于上限位置时才允许左右移动。因此在左右移动中，加入了X02作上限连锁。机械手的夹紧/放松动作由一个电磁阀控制，所以用SET使Y00置位(夹紧)，用RST使Y00复位(放松)。 图4-5 机器手手动程序梯行图 4.3.3 自动操作程序设计 图中S00是初始步，S101-S108代表机械手动作的八步。在初始状态时，上限位开关X02和左限位开关X04被压下接通，状态S101—S108均被复位，原位指示灯亮。 当选择连续工作方式时，X12接通，按下启动按钮，X00接通，步S101置位，Y01接通，机械手下降，到位后下限位开关X01被接通。转移到步S102接通，同 第 18 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 时系统程序将步Sl01复位。Sl02的STL触点驱动YOO置位，T00开始计时，机械手夹紧工件。延时3s后，T00常开触头接通，使步S103接通。S103接通后驱动Y02接通，机械手上升。到位后压下X02，机械手开始右移，就这样一步一步地执行下去。最后一步Sl08接通后，机械手左移回原位。压下X04，因X12已接通。 ，开始下一个循环，当选择开关位于复位时，X13接通，机所示程序转入步S101 械手完成最后一个循环后返回初始步停下。 当选择单周期时，X11接通，机械手按连续运行的过程循环—次后返回初始步S00，并停止在原位，若需继续工作，需再一次启动按钮。 当选择单步时，X10接通，M8040接通，禁止状态步的自动转换，每按一次启动按钮(X00接通一次)，M8040解除禁止一次，机械手顺序完成一个动作后停止。 按下停止按钮，则X06接通，状态S101一S108全部复位，机械手就地停止，但若不是在原位，指示灯不亮，若X13接通，机械手完成最后一个循环后返回初始步停下。 图4-6 机器手自动操作功能图 第 19 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 图4-3 (I,O)点的分配与编号 第 20 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 结束语 在本次毕业设计的过程中，我更加熟练的掌握了相关制图软件的应用。回顾本次设计，我对气压缸的设计,PLC的设计,机械结构的设计有了深刻的理解。 其中，机械手应用于现代化制造业中也是大势所趋。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。目前，机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动、不知疲倦、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此机械手受到很多部门的重视，并越来越广泛的得到了应用。 还有就是PLC可编程序控制器(Programmable Logic Controller)，它是以微处理器为核心，综合了微电子技术、自动化技术、网络通讯技术于一体的通用工业控制装置。英文缩写为PC或PLC。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，更使其得到拥护和好评，因而在各种领域中得到了广泛的应用。 本次毕业设计缺少了去工厂实习这一环节，我们也就缺少了对现场机械手工作过程的认识和理解，设计机构给我们带来了一定的难度。 最后设计机构时，采用双作用气缸驱动，使用真空吸附手抓取，传感器设计使用光电传感器对物体测位，控制设计部分大多采用FX2-48MR(三菱)型PLC，对机构所要求的功能进行控制，并注意急停、保护部分。 最后，将以上机构和组合机构合成一个完整的机构，从而使工件从工作台1移动到工作台2，完成整个过程。 第 21 页 共 27 页 辽宁省交通高等专科学校机电系毕业论文 【参考文献】 [1] 巩云鹏,田万禄，张祖立主编.《机械设计课程设计》.第一版.沈阳:东北大学出版 社,2000 [2]《工业机械手图册》编写组编.《工业机械手图册》.北京:机械工业出版社,1993 [3] 吴宗泽,罗圣国主编.《机械设计课程设计手册》.北京:高等教育出版社,1996 [4] 汪志峰,主编.《可编程序控制器原理与应用》. 北京:高等教育出版社,2002 [6] 洪英发,程国珩主编.《液压与气动技术》.沈阳:东北大学出版社,2000 [7] 左健民主编.《液压与气压传动》.第二版.北京:机械工业出版社，1999. 10 [8] 孙恒，陈作模主编.《机械原理》.第六版.北京:高等教育出版社，2001 [9] 陈白宁,段智敏,刘文波主编.《机电传动控制》.沈阳:东北大学出版社,2002 [10] 邓则名主编.《电器与可编程控制器应用技术》.北京:机械工业出版社,2002 [11] 王炳实主编.《机床电气控制》.北京:机械工业出版社,2001 [12] 钟肇新主编.《可编程控制器原理及应用》.广州:华南理工大学出版社,2000 [13] 张秉荣,章剑青主编.《工程力学》.北京:机械工业出版社,2000 [14] 吴孝先主编.《机械制图》.沈阳:辽宁大学出版社,1995 [15] 温松明主编. 《互换性与测量技术基础》.长沙:湖南大学出版社,1998 [16] 许德珠主编. 《金属工艺学》.北京:高等教育出版社,1999 [17] 孙志礼，冷兴聚，魏延刚主编. 《机械设计》.沈阳:东北大学出版社,2000 [18] 巩云鹏,田万禄，张祖立主编. 《机械设计课程设计》.第一版.沈阳:东北大学出 版社,2000 [19] 哈尔滨工业大学 强锡富主编. 《传感器》.第三版.北京:机械工业出版社，2001.5 [20] 黄长艺，严普强主编. 《机械工程测试技术基础》.第二版.北京:机械工业出版社， 2001.1 第 22 页 共 27 页