毕业设计（论文）-PLC控制机械手.doc

苏州市职业大学毕业设计（论文）说明书设计（论文）题目 plc控制机械手 系 电子信息工程系 专业班级 电子/英语（2） 姓 名 学 号 指导教师 09 年 05 月 26 日苏 州 市 职 业 大 学毕业设计（论文）任务书课 题 plc机械手控制系统 2009年3 月 5 日至2009年5 月31日共13 周系 电子信息工程系 专业班级 电子/英语（2） 姓 名 系 主 任 教研室主任 指导教师 09年05 月 26日一、 毕业设计（论文）任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求） 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。应用plc控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。图1 是机械手搬运物品示意图。图1 机械手搬物示意图 图中机械手的任务是将传送带a上的物品搬运到传送带b。为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关sq1、sq2、sq3、sq4、sq5，对机械手分别进行抓紧、左转、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。传送带a上装有光电开关sp，用于检测传送带a上物品是否到位。机械手的起、停由图中的起动按钮sb1、停止按钮sb2控制。 传送带a、b由电动机拖动。机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由液压驱动，并分别由六个电磁阀来控制。二、图纸内容及要求1.要有完整的流程图、i/o接线图、i/o分配表。2.经调试正确的梯形图。三、毕业设计（论文）进度计划起讫日期工作内容备 注2009年1月8日至14日填写毕业设计选题申报表,阐明选题的意义，设计的目标和主要的技术路线，2009年3月1日学生的课题总体设计情况2009年3月1日至5月15日讨论论文目前设计进展情况2009年3月18日至4月1日交开题报告2009年4月1日至4月15日毕业设计中期检查2009年5月18日至5月31日论文初稿修改和定稿四、其他苏州市职业大学毕业设计（论文）开题报告系部电子信息工程系专业班级05电子英语（2）班姓 名学 号题 目plc机械手控制系统题目类型应用结合型一、选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）plc的定义有许多种。国际电工委员会（iec）对plc的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。主要参考文献：1余雷声等编电气控制与plc应用北京：机械工业出版社，19982 常斗南主编可编程控制器原理应用实验北京：机械工业出版社，19983 万东梅主编电路电子电气应用实训成都：西南交通大学出版社，20044 方承远编工厂电气控制技术北京：机械工业出版社，1992二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程主要研究内容：如何应用plc控制机械手实现各种规定的工序动作。研究思想：联系生活，理论与实际相结合。工作方法：首先，观plc机械手的整个工作流程，根据所找到的资料结合实际更进一步的熟悉它的工作情况，再根据plc知识编写机械手工作的程序。其次，根据自己所写的程序进行实际操作，在操作中改进所编写程序的不完善。根据老师的指导逐步改进，从而达到理论与实际的同意结合。牢记实验中所犯的错误，更深刻的理解手动/自动不同的工作情况。最后，结合实践结合理论，根据所找到的资料写出设计论文，认真对待自己的毕业设计，顺利完成毕业答辩以及其他相关任务。三、毕业设计（论文）工作进度安排2009年1月8日至14日填写毕业设计选题申报表,阐明选题的意义，设计的目标和主要的技术路线，2009年3月1日前布置学生的课题总体设计情况2009年3月1日至5月15日，每周三与指导老师会面，讨论论文目前设计进展情况，指导老师给予相应指导。2009年3月18日至4月1日交开题报告2009年4月1日至4月15日毕业设计中期检查，2009年5月18日前毕业设计结题验收，学习独立完成设计第一稿，交指导老师审阅。指导老师提出意见后，学生进行修改直至老师认可。指 导教 师意 见指导教师签字_ 2009年3月20 日系 部毕 业设 计领 导小 组审 核意 见 系（公章）_ 2009年 3 月 20 日苏州市职业大学毕业设计中期检查表 2009届系部电子信息工程系指导教师学生姓名学 号课题名称plc机械手控制系统有无关于指导的文字记录有 无 1 指导情况（指导次数、方式；学生执行情况）：该生来办公室与我讨论过论文情况，一共指导了6次，该生在做毕业设计时态度诚恳，最后完成了编程。2对设计思想与设计方案的执行情况：设计思想合理，流程图分析明晰，整个设计方案经测试成功。3存在的问题，拟采取解决问题的方案及措施：1对捷准软件最初不太会用，后来经过试编写几个简单程序来调试，对命令集有所了解。2编程过程中对定时器、计数器编程调试不出来，后来加入起辅助功能输出线圈来解决。指导教师签字： 邬丽娜 2009年4 月20 日系部毕业设计质量监控小组意见：组长签字： 年 月 日系主任签名： 年 月 日(此表交系部存档管理)苏州市职业大学毕业论文（实习报告）中期检查表 2009 届系部电子信息工程系指导教师学生姓名学 号论文题目plc机械手控制系统有无关于指导的文字记录有 无 论文提纲1.可编程控制器的概况2.捷准可编程控制器硬件、软件3. 水塔控制系统的plc控制初稿计划完成时间修改稿计划完成时间定稿计划完成时间2009年5月18日2009年5月22日2009年5月25日1指导情况（指导次数、方式；学生执行情况）：3月至5月期间基本上每月均与导师见面，详细讨论论文目前进展情况，遇到的问题，学生能广泛的搜找相关资料，提出合理设计思想。2目前论文撰写进展情况及存在问题、拟采取解决问题的方案：目前论文已搜集到一定资料，学生也已经开始着手学习和使用命令集。指导教师签字： 邬丽娜 2009年4 月 20 日系部毕业论文质量监控小组意见：组长签字： 年 月 日系主任签名： 年 月 日(此表交系部存档管理)苏 州 职 业 大 学毕 业 设 计 （论 文）成 绩 考 核 表 课 题： 系： 专业： 班级： 学生姓名： 指导教师： 审阅意见：指导教师： 评审意见：评阅人： 答辩意见：答辩小组： 毕业设计（论文）成绩：总 分 评 级 系 主 任 二零 年 月 日1 学生毕业设计（论文）正本存学校。2 此件存入学生档案。3 此件须用钢笔书写。目 录第一章 可编程控制器（plc）的综述1、 plc的发展历程2、 plc的基本结构3、 plc的主要特点和功能4、 plc系统的其它设备、第二章 plc的阶梯图与可程控器指令1、 阶梯图设计2、 plc指令集3、 可程控器应用第三章 plc在机械手步进控制中的应用1、控制器件选型2、 机械手的设计2.1机械手的动作流程2.2 机械手的精度设计2.3 机械手的驱动系统设计3、 plc选型及其i/o点编号分配3.1 plc的选型3.2 i/o点编号分配4、编程及程序运行4.1 用步进指令编程4.2 各部分程序的设计4.3 程序运行第一章 可编程控制器（plc）的综述1、 plc的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国gm（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称programmable controller（pc）。个人计算机（简称pc）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为programmable logic controller（plc），现在，仍常常将plc简称pc。plc的定义有许多种。国际电工委员会（iec）对plc的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是plc发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，plc在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，plc逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的dcs系统。plc具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。plc在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2、 plc的基本结构从结构上分，plc分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式plc包括cpu板、i/o板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式plc包括cpu模块、i/o模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。1 cpu的构成 cpu是plc的核心，起神经中枢的作用，每套plc至少有一个cpu，它按plc的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和plc内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。cpu主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，cpu单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是plc不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析cpu的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。cpu的控制器控制cpu工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。cpu速度和内存容量是plc的重要参数，它们决定着plc的工作速度，io数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2 i/o模块 plc与电气回路的接口，是通过输入输出部分（i/o）完成的。i/o模块集成了plc的i/o电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入plc系统，输出模块相反。i/o分为开关量输入（di），开关量输出（do），模拟量输入（ai），模拟量输出（ao）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的i/o分类如下：开关量：按电压水平分，有220vac、110vac、24vdc，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20ma,0-20ma）、电压型（0-10v,0-5v,-10-10v）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用io外，还有特殊io模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按i/o点数确定模块规格及数量，i/o模块可多可少，但其最大数受cpu所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3 电源模块 plc电源用于为plc各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24v的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220vac或110vac），直流电源（常用的为24vac）。4 底板或机架大多数模块式plc使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使cpu能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。3、 plc的主要特点和功能plc的主要特点1.可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的f系列plc平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余cpu的plc的平均无故障工作时间则更长。从plc的机外电路来说，使用plc构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，plc带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除plc以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.配套齐全，功能完善，适用性强plc发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代plc大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来plc的功能单元大量涌现，使plc渗透到了位置控制、温度控制、cnc等各种工业控制中。加上plc通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用plc组成各种控制系统变得非常容易。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎plc作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用plc的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5.体积小，重量轻，能耗低以超小型plc为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 plc的主要功能1）顺序逻辑控制 2）运动控制 3）定时控制4）计数控制5）步进控制6）数据处理7）模/数和数/模转换8）通信及联网4、 plc系统的其它设备1、编程设备：编程器是plc开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控plc及plc所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器plc一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如eprom、eeprom写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。第二章 plc的阶梯图与可程控器指令本论文主要以捷准科技股份有限公司发展出之winleader应用程序中阶梯图设计ladder diagram editor程序为应用例。1. 阶梯图设计：我们可以依下列几个范例说明阶梯图设计之重点：1.不应该有无作用的回路或线段部分：plc循环中，多余的回路造成如同电路上的短路情形，是不被允许的；若有此情形发生，则产生错误讯息如下：图12.不应该有开回路或断线的部分：未完成的线段则如同电路上的开路情形，同样也是不被允许；若有此情形发生，则产生错误讯息如下：图23.一个环流的最后一个节点不应该没有输出型式的节点(例如输出节点或mov节点等)：若有违反此原则之情形发生，则产生错误讯息如下：图34.一个环流的第一个节点不应该是输出型式的节点(例如输出节点或mov节点等)：若有违反此原则之情形发生，则产生错误讯息如下：图45.输出线圈不能是串联的型式：图56.输出线圈可以是并联的型式：图62. plc指令集：在阶梯图程序的函数部分，包括i/o逻辑(i/o logic)、模拟i/o (analog i/o)、流程控制函数(flow control function)、布尔逻辑函数(boolean logic function)、比较函数(comparison function)、算数函数(arithmetic function)、定时器函数(timer function)、计数器函数(counter function)、数学函数(mathematical)和特殊函数(special function)，如下所列： 1、接点函数 (contact)contactelementfunction*timing(80486)*codesize(byte)常开节点函数此类组件的执行时间和位大小是由它们在阶梯图中之位置所决定。常闭节点函数常开定时函数常闭定时函数接点函数的on/off状态可以决定下一个输入节点或辅助节点函数的作用与否，主要可分为常开/常闭接点函数l 常开接点函数(normal open contact): 图 7常开接点函数当常开接点函数为on时，则它将产生高电位(导通)，当常开接点是off时，则它将产生低电位(不导通)ex. 常开接点函数应用例如上图，当常开接点在输出之前时，表示电路未导通，为off的状态；若将常开接点转为on的状态时，则产生输出。反之若上图为常闭接点时，恰好相反。l 常闭接点函数(normal close contact):图8常闭接点函数当常闭接点函数为on时，则它将产生低电位(不导通)，当常闭接点是off时，则它将产生高电位(导通)l 常开定时接点函数(normal open timer-contact):图9常开定时接点函数当常开定时接点函数到达设定值时，则它将产生高电位(导通)，当常开定时接点重置(reset)时，则它将产生低电位(不导通)ex. 常开定时接点函数应用例如上图，当常开计时接点在输出之前时，表示电路未导通，为off的状态；若将常开接点bi0002转为on的状态时，则计时函数开始计时，当计时到达设定值(10s)时，常开计时接点on，电路导通，产生输出。反之若上图为常闭计时接点时，恰好相反。l 常闭定时接点函数(normal close timer contact): 图10常闭定时接点函数当常闭定时接点函数到达设定值时，则它将产生低电位(不导通)，当常闭定时接点重置(reset)时，则它将产生高电位(导通).2、线圈函数或称输出函数(coil)coilelementfunction*timing(80486)*codesize(byte)常开线圈函数此类组件的执行时间和位大小是由它们在阶梯图中之位置所决定。常闭线圈函数常开保持磁线圈函数max 20 clockmin 13 clock3860保常闭持磁线圈函数max 16 clockmin 15 clock4062l 常开线圈函数(normal open coil ):图11常开线圈函数时序图当元素a 为on时，则常开线圈函数将是on(高电位)，当元素a 为off时，则常开线圈函数将是off(低电位)ex. 常开线圈函数应用例如上图，当常开接点在输出之前时，常开线圈函数为off的状态；若将常开接点转为on的状态时，则产生输出，常开线圈函数将是on(高电位)。反之若上图为常闭线圈时，恰好相反。l 常闭线圈函数(normal close coil):图12常闭线圈函数时序图当元素a 为on时，则常闭线圈函数将是off(低电位)，当元素a为 off时，则常闭线圈函数将是on(高电位)l 自保持线圈函数(latch coil):图13 自保持线圈函数时序图当元素 a经一次on-off的脉波时，自保持线圈函数将继续保持on(高电位)的状态ex. 自保持线圈函数应用例如上图，当常开接点在输出之前时，自保持线圈函数为off的状态；若常开接点经一次on-off的脉波时，自保持线圈函数将如同字面上的定义，持续保持on(高电位)的状态。反之若上图为常闭保持线圈函数时，恰好相反。l 常闭保持线圈函数(unlatch coil):图14 常闭保磁线圈函数时序图当元素 a经一次off-on的脉波时，常闭保磁线圈函数将on(高电位)变为off(低电位)的状态。注意：如果你没有持续保磁一个未被保磁的线圈函数，则线圈函数将会被回复为原来的状态-on(高电位)或off(低电位)3. 可程控器应用：可程控器初期应用在于代替传统继电器配电盘。而随着半导体科技的进步渐渐的增加控制器的运算功能，除了加、减、乘、除之外主要的改变在于增加网络连结的功能，由于网络的功能发展也使得控制器架构由集中式走向分布式的应用。因此plc的应用范围也越来越广，包括汽车、钢铁、纺织、化工、食品制造、自动仓储、监控系统等工业。根据plc的应用方式不同可以做大致分类：1、 顺序控制可程控之研发主要功能为利用软件来代替硬件继电器之顺序控制，因此主要plc应用大多属此一类。2、 过程控制可程控器透过外增模块，如压力、温度、流量等可使做精密的闭回路控制，如pid。3、 位置控制可程控器可以透过高速计数器(hsc)来计算译码器回受之脉波，若配合适当之驱动器与位置控制器即可以做精密之位置控制。第三章 plc在机械手步进控制中的应用1、控制器件选型为达到精确控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：1.步进电机及其驱动器机械手纵轴（y轴）和横轴（x轴）选用的是北京四通电机技术有限公司的42byg250c型两相混合式步进电机，步距角为0.9/1.8，电流1.5a。m1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；m2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是sh-20403型，该驱动器采用1040v直流供电，h桥双极恒相电流驱动，最大3a的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在1040vdc之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3a/相（峰值），通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9a到3a以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。2.伺服电机及其驱动器机械手的旋转动作采用松下伺服电机a系列小惯量msma5aza1g，其额定输出50w、100/200v共用，旋转编码器规格为增量式（脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500hz；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品v系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有rs-485、rs-232c通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为a系列msda5a3a1a，适用于小惯量电动机。3.直流电机可回旋360的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57bl1010h1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的bl-0408驱动器，其采用2448v直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。4.旋转编码器在可回旋360的转盘机构上，安装有omron公司生产的e6a2增量型旋转编码器，编码器将信号传给plc，实现转盘机构的精确定位。5.plc的选型根据系统的设计要求，选用omron公司生产的cpm2a小型机。cpm2a在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。cpm2a的cpu单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它omronpc和omron可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。6、工艺过程和总体布局壳体是用牌号为hpb591的有色金属合金，经金属模压铸成型，毛坯精度高。为了满足设计要求，通常首先以壳体外表面为工艺基准，加工壳体端面和定位止口，然后再以止口、端面及外壳凸台为定位基准，加工在壳体圆周上呈幅射状分布的5个径向阶梯孔。径向孔系的加工需要由12个工步完成，其中孔1和孔2的加工过程为：钻孔攻丝钻小孔。孔3，孔4和孔5的加工过程为：钻孔攻丝。多工步搬运机械手是加工壳体径向孔类的专用设备。整机由框架、动力头、机械手、夹具、排屑机构，液压驱动和控制系统等七部分组成，整机呈口字型框架结构，框架上面的导轨上吊装着13个机械手，下面的工作台面上设有13个辅助定位夹具，其中第3、6、8和10号4个夹具的转位动作由转位液压缸和齿条、齿轮组成的传动副完成。除零号夹具以外，其余12个夹具后面，分别安装有12个呈线性排列的动力头，进行钻孔和攻丝，动力头的进给和后退分别由装在分配轴上的12个凸轮来控制，分配轴的动力由主电机(1.5kw，1440r/min)通过行星摆线减速器带动蜗轮和蜗杆机构提供，各动力头的初始位置可由各自的调整机构来完成。为便于排屑，在动力头和夹具下面设有由计数器控制的排屑电机，经减速后启动传送带进行排屑，可在不停机的情况下，每加工5个工件自动地清理切屑。2、机械手的设计2.1机械手的动作流程 传送带b处于连续运行状态，故不需要用plc控制。 机械手及传送带c 顺序动作的要求是： 1) 按下起动按钮sb1时机械手系统工作。首先上升电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作； 2) 左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作； 3) 下降电磁阀通电，手臂下降，至下降限位开关动作； 4) 启动传送带a运行，由光电开关sp检测传送带a上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作； 5) 手臂再次上升，至上升限位开关再次动作； 6) 右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作； 7) 手臂再次下降，至下降限位开关再次动作； 8) 放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。 9) 按下停止按钮sb2或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继续工作。 根据对机械手的顺序动作要求，可以画出时序图如图2所示。由时序图可作出图3所示的机械手动作流程图。图2 机械手佛那故作布序图图3 机械手动作流程图 整机框架的导轨上安装有一个单杆双作用液压缸，缸体固定。与活塞杆连接的滑块上刚性地吊装着13个机械手，当活塞杆运动时，可使13个机械手同步完成左右横移动，机械手的手臂是一个伸缩式复合液压缸，手臂缸的活塞杆是夹紧缸的缸体，夹紧缸的活塞杆作为传力机构驱动以销轴为铰链的内卡钳式4指抓手，完成工件的抓取和释放。为了防止手臂在上升和下降运动中，由于受力不均产生的扭转影响工件的定位精度，在手臂活塞杆上装有导向螺钉，螺钉与端盖上的弯板滑槽配合进行轴向导向。夹紧缸的下端盖的止口端面和外径分别作为工件加工时的第一和第二基准，13个机械手同时完成工件的自定位，夹紧，一起搬运工件进行工序间转换，生产率大为提高。2.2 机械手的精度设计机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。由壳体零件的设计要求知道，阶梯径向孔系与壳体端面和定位止口中心线的平行度、垂直度和同轴度均有严格的精度要求(0.1mm)。设计中我们取动力头回转中心线与夹具中心线之间的同轴度为0.06mm，动力头回转中心线与机械手中心线之间的垂直度为0.03mm，同时还对机械手的定位准确性提出了较高的要求。遵循基准重合原则，加工中以夹紧缸下端盖上的止口端面和外径作为第一和第二基准面分别清除工件的三个自由度和两个自由度，由壳体外端面凸台在夹具中清除第六个自由度。设计中选取夹具的定位元件为锥体结构，保证工件有较高的对中性，并确保工件在夹紧时能很好地进行自定位(工件外面类似球形)。工件径向阶梯孔的周向位置精度由转位夹具予以保证。工件安装在框架下工作台面的夹具中，机械手吊装在框架上面的滑轨上，每个工件都要经过机械手12次搬运才能完成全部工艺过程，所以机械手的抓取精度在设计中十分重要。影响机械手抓取精度的因素很多，例如：框架上导轨面对框架下部工作台面的平行度t1，夹具中定位元件中心线对工作台面的垂直度t2，机械手的手部中心线对导轨安装面的垂直度t3，机械手的手部中心线和夹具定位元件(略去工件中心线与定位元件中心线之间的同轴度误差)中心线的同轴度即抓手的抓取精度为封闭环t， 设计中我们取抓手抓取精度t=0.1mm，则分配给各组成环的公差为：t1=0.05/220，t2=0.03/130，t3=0.03/400，同时取夹紧缸下端止口定位端面与止口外径的垂直度为0.03mm，取止口定位外径与工件止口内径的配合尺寸44a11g8，即：孔的尺寸为44a11(+0.48+0.32)，外径即相当于轴的尺寸为44g8(-0.009-0.048）则可以计算出最大配合间隙为0.528mm，最小配合间隙为0.329mm，均能满足抓取精度要求。机械手臂部复合液压缸中配合精度的设计，全部参照液压缸的设计要求确定。由于12个机械手固定吊装在横移缸活塞杆的滑块上，各机械手之间的设计精度取0.03mm，横移缸采用传感器和机械挡块作为定位系统，机械手的运动速度不高(30cm/s)，所以重复定位精度可达0.02mm，另外横移液压缸端部由于采用缓冲装置，使机械手运动平稳性也得到了可靠的保证。机械手的抓取能力可参照钳爪式手部的有关公式，结合机械手的几何参数进行计算。由于壳体重量较轻(2kg)，夹紧缸内径d=40mm，所以在液压驱动系统中有足够大的夹紧力。2.3 机械手的驱动系统设计机械手的驱动系统采用液压方式，它具有在同等输出功率下传动装置体积小、重量轻、运动平稳、动态性能好等特点，13个机械手的左右横移，上升和下降及夹紧和松开等动作及4个自动转位夹具的回转运动，分别采用由方向阀和节流阀控制的18个液压缸驱动，全部执行元件由一个4kw的6级电动机带动一个流量为24l/min的单级叶片泵供油，使驱动系统的造价大幅度降低。在多工步搬运机械手的控制系统中，我们采用了plc技术，选用霍尔传感器作为主令检测信号，使用日本立石公司生产的c40p作为控制器主体。常用plc梯形图逻辑设计方法较多，设计中我们采用流程图法，按照零件加工过程设计出控制系统流程图。一般控制系统都是由若干个稳定工作状态组成，每个工作状态是由于接受了某个切换主令信号而建立的。各个工作状态用一个辅助继电器进行区分，辅助继电器的状态由切换主令信号来控制，这些切换主令信号分别来自按钮、传感器、定时器和计数器。辅助继电器同时又是执行元件的输入变量。当控制系统的输入主令信号和执行元件确定以后，将主令信号与各自工作状态的约束条件，分别代入相应的辅助继电器逻辑方程和执行元件的逻辑方程，即可完成自动工作循环的逻辑控制。最后再考虑手动控制系统及自动循环与手动控制之间的互锁要求，即完成了全部控制系统的逻辑设计。三菱plc控制系统设计范例机械手示意图如上图所示是一台工件传送的气动机械手的动作示意图，其作用是将工件从点传递到点。气动机械手的升降和左右移行作分别由两个具有双线圈的两位电磁阀驱动气缸来完成，其中上升与下降对应电磁阀的线圈分别为yv1与yv2，左行、右行对应电磁阀的线圈分别为yv3与yv4。一旦电磁阀线圈通电，就一直保持现有的动作，直到相对的另一线圈通电为止。气动机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的气缸完成，线圈(yv5)断电夹住工件，线圈(yv5)通电，松开工件，以防止停电时的工件跌落。机械手的工作臂都设有上、下限位和左、右限位的位置开关sq1、sq2和sq3、sq4，夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其夹持动作的完成。机械手在最上面、最左边且除松开的电磁线圈(yv5)通电外其它线圈全部断电的状态为机械手的原位。机械手操作面板示意图.机械手具有手动、单步、单周期、连续和回原位五种工作方式，用开关sa进行选择。手动工作方式时，用各操作按钮sb5、sb6、sb7、sb8、sb9、sb10、sb11来点动执行相应的各动作；单步工作方式时，每按一次起动按钮（sb3），向前执行一步动作；单周期工作方式时，机械手在原位，按下起动按钮sb3，自动地执行一个工作周期的动作，最后返回原位（如果在动作过程中按下停止按钮sb4，机械手停在该工序上，再按下起动按钮sb3，则又从该工序继续工作，最后停在原位）；连续工作方式时，机械手在原位，按下起动按钮（sb3），机械手就连续重复进行工作（如果按下停止按钮sb4，机械手运行到原位后停止）；返回原位工作方式时时，按下“回原位”按钮sb11，机械手自动回到原位状态。 机械手控制系统plc的i/o接线图如上图所示为plc的i/o接线图，选用fx2n-48mr的plc，系统共有18个输入设备和5个输出设备分别占用plc的18个输入点和5个输出点，请读者考虑是否可以用本章第四节介绍的方法来减少占用plc的i/o点数。为了保证在紧急情况下（包括plc发生故障时），能可靠地切断plc的负载电源，设置了交流接触器km。在plc开始运行时按下“电源”按钮sb1，使km线圈得电并自锁，km的主触点接通，给输出设备提供电源；出现紧急情况时，按下“急停”按钮sb2，km触点断开电源。机械手系统plc梯形图的总体结构如上图所示为机械手系统的plc梯形图程序的总体结构，将程序分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序四个部分，其中自动程序包括单步、单周期和连续工作的程序，这是因为它们的工作都是按照同样的顺序进行，所以将它们合在一起编程更加简单。梯形图中使用跳转指令使得自动程序、手动程序和回原位程序不会同时执行。假设选择“手动”方式，则x0为on、x1为off，此时plc执行完公用程序后，将跳过自动程序到p0处，由于x0常闭触点为断开，故执行“手动程序”，执行到p1处，由于x1常闭触点为闭合，所以又跳过回原位程序到p2处；假设选择分“回原位”方式，则x0为off、x1为on，跳过自动程序和手动程序执行回原位程序；假设选择“单步”或“单周期”或“连续”方式，则x0、x1均为off，此时执行完自动程序后，跳过手动程序和回原位程序3、plc选型及其i/o点编号分配3.1 plc的选型 由于机械手系统的输入/输出接点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对plc进行监控和管理，故选用日本omron（立石）公司生产的多功能小型c20p主机。该机输入点为12，输出点为8。内部主要有：136个辅助继电器、16个特殊功能继电器、160个保持继电器、8个暂存继电器、48个定时/计数器、64个16位数据存贮器。3.2 i/o点编号分配 根据机械手动作流程图，可以确定电气控制系统的i/o点分配，如下表所示。机械手控制i/o分配表根据图3流程图和表1的i/o分配表，可以编制出状态转移图如图4所示。机械手状态转移图4、编程及程序运行4.1 用步进指令编程根据状态转移图，编制的步进梯形图程序如下图所示图中，“全部输出禁止”部分的作用是在停止时禁止全部输出，使机械手停止在现行的工步上；重新起动时又能从停止前的工步继续动作。在状态由hr010转移至hr000的条件中，增加了保持继电器的常闭触点，其作用是：当机械手工作在某一中间工步时，若plc断电或停止运行，机械手停止在中间工步上。plc复电或重新投入运行后，由于保持继电器hr具有状态断电保护的功能，因此在重新起动时，中有某一个是断开的，使得hr000不能置位，机械手只能从停止前被置位的保持继电器的后续工步继续动作。 软件流程图流程图是plc程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，最终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图2所示。 4.2 各部分程序的设计（1）公用程序 公用程序公用程序如上图所示，左限位开关x12、上限位开关x10的常开触点和表示机械手松开的y4的常开触点的串联电路接通时，辅助继电器m0变为on，表示机械手在原位。公用程序用于自动程序和手动程序相互切换的处理，当系统