MPS系统机械手站单元的设计与PLC控制

1、设计题目：MPS系统机械手站单元的设计与PLC控制设计条件：要求采用西门子S7226 PLC作为控制器，以气动元件作为执行元件，设计MPS系统机械手站单元，并实现其动作控制要求。设计任务：1气动机构设计和气动元件的选型；2利用气动仿真软件设计气动回路并进行仿真调试；3机械手站的电气接线设计和通信接口设计；4PLC的I/O分配设计和编程设计；5完成对机械手站的硬件和软件的安装、连接、调试、运行；6毕业设计（论文）内容包括：1）课题的来源和意义，系统设计方案的确定及说明。2）系统硬件结构及功能说明。3）系统软件编程及功能实现。MPS系统机械手站单元的设计与PLC控制摘 要MPS(modular p

2、roduction system 模块化生产加工培训系统)是模拟实际生产加工操作过程的开放式教学系统，主要是针对学生不能经常在实际生产线上进行培训而设计的，该系统是工业自动化生产线的缩微模型，可以提供一个实际自动化制造，加工生产线的模拟教学环境，可根据I/O分配编写程序达到系统的控制，提高实际操作的能力，本文涉及的系统为上海英集斯公司生产的MPS模块化生产加工培训系统,它采用西门子公司生产的小型可编程序控制器S7-200对MPS各个工作站的运行过程进行实时控制。本次设计是以MPS系统中机械手站单元为研究，采用德国西门子公司生产的S7-226系列可编程控制器对机械手进行运动控制，根据机械手的运动

3、规律进行编程，使用传感器进行位置控制，并使用FluidSIM-P软件设计制作气动控制和仿真模拟，完成机械手站的控制任务。关键词：MPS；机械手站单元；PLC；传感器目 录1 绪 论11.1 MPS模块化加工系统简介11.2 MPS的基本组成11.3 MPS的基本功能21.4设计条件及设计任务32 机械手站单元的控制硬件42.1 可编程控制器（PLC）42.1.1 PLC的概况及特点42.1.2 PLC结构及基本配置：52.1.3 PLC的应用领域72.1.4 S7-200PLC的介绍72.2 传感器102.2.1 传感器的简介以及分类102.2.2 传感器工作原理及应用113 机械手133.1

4、机械手的简介：133.2MPS系统中机械手工作站的结构功能143.2.1 机械手站气动回路图163.2.2 气动部件的选用173.2.3气动部件的简要分析183.2.4 电器元件的简介224 机械手站单元的PLC设计254.1机械手站单元的控制要求254.2机械手站单元顺序功能流程图254.3 机械手站单元的I/O分配表264.4 梯形图274.5指令表294.6 模拟调试295 总 结30参考文献31致 谢321 绪 论1.1 MPS模块化加工系统简介模块化加工系统(MPS, Modular Production System)体现了机电一体化的技术实际应用。MPS设备是一套开放式的设备，用

5、户可根据身产需要选择设备组成单元的数量、类型，最少时一个单元亦可自成一个独立的控制系统，而由多个单元组成的生产系统可以体现自动生产线的控制特点。在由多个MPS工作单元组成的系统中，综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、电工电子技术、传感应用技术、PLC控制技术、组态控制技术、信息技术等。利用该系统可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学员在一个非常接近于实际的教学设备环境，使学员在学习过程中很自然地就将理论应用到了实际中，实现了理论与实践的完美结合，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。1.2 MPS的基本组成 多个单元组成的MPS系统可以较为真

6、实地模拟出一个自动生产加工流水线的工作过程。其中，每个工作单元都可以自成一个独立系统，同时也都是一个机电一体化的系统。各个单元的执行机构主要是气动执行机构和电机驱动机构，这些执行机构的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。图1.1 多单元组成的MPS系统在MPS设备上应用多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的通过状态、物体的颜色、物体的材质、物体的高度等。传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一，是现代工作实现高度自动化的前提之一。在控制方面，MPS设备采用PLC进行控制，用户可根据需要原则不同厂家的PLC(例如三菱公司的FX2N系列PLC、西门子公司的S7-20

7、0系列PLC和S7-300系列PLC)。MPS设备的硬件结构是相对固定的，但学员可以根据自己对设备的理解、对生产加工工艺的理解，编写一定的生产工艺过程，然后再通过编写PLC控制程序实现该工艺过程，从而实现对MPS设备的控制。1.3 MPS的基本功能MPS设备给学员提供了一个开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各个单元之间如何配合、最终使MPS模拟一个什么样的生产加工控制过程、MPS作为一条自动生产流水线具有怎么样的操作运行模式等，学员都可根据自己的理解，运用所学理论知识，设计出PLC控制程序，使MPS设备实现一个最符合实际的自动控

8、制过程。MPS系统中每个单元都具有最基本的功能，学员可在这些基本功能的基础上进行流程编排设计和发挥。1）、MPS系统的基本组成单元：上料件检测单元操作手单元加工单元安装单元安装搬运单元立体存储单元机械手单元（如图1.2所示）2）、机械手站单元功能简介：该单元是一个六个关节的机械手，它可以用来完成抓取动作，可以进行工件的组装，产生一个完整的产品。图1.2 机械手单元手臂本体：日本莫托曼HP3、三菱等扩展模块：控制器、变压器。组成模块：手臂本体、手臂控制器、气爪。图1.3 机械手单元在MPS中的应用1.4设计条件及设计任务1、设计条件：要求采用西门子S7-226PLC作为控制器，以气动元件作为执行

9、元件，设计MPS系统机械手战单元，并实现其动作控制要求。2、设计任务：（1）气动机构设计和气动元件的选型；（2）利用气动仿真软件设计气动回路并进行仿真调试；（3）机械手站的电气接线设计和通信接口设计；（4）PLC的I/O分配设计和编程设计；（5）完成对机械手站的硬件和软件的安装、连线、调试、运行；3、毕业设计（论文）内容包括：（1）课题的来源和意义，系统设计方案的确定及说明；（2）系统硬件结构及功能说明；（3）系统软件编程及功能实现。2 机械手站单元的控制硬件2.1 可编程控制器（PLC）2.1.1 PLC的概况及特点可编程序控制器（PLC）是现代工业自动化领域中的一门先进控制技术，它已成为现

10、代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，其应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。PLC具有可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、远程通信联网、易于与计算机接口、模拟量控制、高速计数及位控等一系列优异性能。1）PLC的分类可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。可编程序控制器发展到今天，已经有多种形式，而且功能也不尽相同。按不同的原则可有不同的分类。a、根据结构分类（1）整体式（箱体式）整体式PL

11、C的基本组成框图如图2.1所示。图2.1 整体式PLC的基本组成框图（2）组合式（机架模块式）组合式PLC的基本组成框图如图2.2所示。图2.2 组合式PLC的基本组成框图b、按控制规模分类一般而言，处理的I/O点数愈多，则控制关系愈复杂，用户要求的程序存储器容量愈加大、PLC指令及其他功能也愈加多、指令执行的速度也愈加快。按PLC的I/O点数可将PLC分为以下三类：小型PLC、中型PLC、大型PLC。2)PLC的特点：抗干扰能力强，可靠性高；编程方便；使用方便；维护方便；设计、施工调试周期短；易于实现机电一体化。2.1.2 PLC结构及基本配置一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组

12、成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。1）CPU的构成PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台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

13、电路，与通用计算机一样，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，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。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。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。

14、一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。2）I/O模块(jPLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，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。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

15、状态。3）电源模块有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为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。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。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5）PLC的外部设备外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类a、编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及

16、PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。b、监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。c、存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。d、输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。6）PLC的通信联网jPLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产

17、品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。2.1.3 PLC的应用领域最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大，主要用于开关量控制；用于模拟量控制；用于数字量控制；用于数据采集；用于进行监控；用于联网、通讯。事实上，PLC已广泛应用于工业生产的各个领域。从行业看，冶金、机械、化工、轻

18、工、食品、建材等等，几乎没有不用到它的。不仅工业生产用它，一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制也用到它。农业的大棚环境参数调控，水利灌溉也用到它。PLC能有上述几个范围广泛的应用，是PLC自身特点决定的，也是PLC技术不断完善的结果。2.1.4 S7-200PLC的介绍德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器欧洲处于领先地位。其第一代可编程控制器是1975年投放市场的SIMATIC S3 系列的控制系统。在1979年，微处理器技术被应用到可编程控制器中，产生了SIMATIC S5 系列，取代了S3系列，之后在二十世纪末又推出了S7

19、系列产品。最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型PLC发展经历了两代：第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可以进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU212，CPU214，CPU215和CPU216。第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在二十一世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通讯能力，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU221，CPU222，CPU224和CPU226，除CPU221之外，其他都可以加扩展模块。SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分

20、组成如图2.3所示：图2.3 S7-200 PLC组成框图1)硬件基本单元、扩展单元、特殊功能模块、相关设备2)工业软件工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几类构成。a、 CPU介绍及I/O系统（如表2.1）表2.1 不同种类CUP的I/O对比型号主机输出类型主机输入点数(I)主机输出点数(O)可扩展模块数CPU221DC继电器64无CPU222DC继电器862CPU224DC继电器14107CPU226DC继电器24167b、 主机外形SIMATIC S7-200系统CPU22X系列PLC主机（CPU

21、模块）的外形如图2.4所示。图2.4 CPU结构外形图c、基本结构特点4种CPU各有晶体管输出(直流输出)和继电器输出（交、直流输出）两种类型，具有不同电源电压和控制电压。各类型的型号如下表2.2：表2.2 各种CPU输出电压、电流的对比CPU类型电源电压输入电压输出电压输出电流CPU221DC输出DC输入24VDC24VDC24VDC0.75A，晶体管继电器输出DC输入85-264VAC24VDC24VDC24-230VAC2A，继电器CPU221CPU221CPU221DC输出24VDC24VDC24VDC0.75A，晶体管继电器输出85-264VAC24VDC24VDC24-230VAC

22、2A，继电器d、S7-200之间的PPI通信PPI协议是专门为S7-200开发的通信协议。S7-200CPU的通信口（Port0、Port1）支持PPI通信协议，S7-200的一些通信模块也支持PPI协议。Micro/WIN与CPU进行编辑通信也通过PPI协议。S7-200CPU的PPI网络通信是建立在RS-485网络的硬件基础上，因此其连接属性和需要的网络硬件设备与其它RS-485网络一致。S7-200 CPU之间的PPI网络通信只需要两条简单的指令，它们是网络读（NETR）和网络写（NETW）指令。在网络读/写通信中，只有主站需要调用NETR/NETW指令，从站只需编辑处理数据缓冲区（取用

23、或准备数据）。在S7-200系统中，无论是组成PPI、MPI、还是Profibus-DP网络用到的主要部件都是一样的。e、扩展模块以及功能模块(1)功能模块扩展当需要完成某些特殊功能的控制系统，CPU主机可以扩展特殊功能模块，一般是特殊功能模块有SM253位置控制模块，EM241调制解调器模块等。(2)输入输出扩展S7-200PLC的CPU所提供的本机I/O点和I/O地址是固定的，进行扩展时可以在CPU右边连接多个扩展模块连接。每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链中所处的位置。编制方法就是同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增，其他类型模块的有无及所处的

24、位置不影响本类型模块的编号。最大I/O配置的预算需考虑映像寄存器数量及电流提供能力。各CPU能提供的最大5VDC电流如下表。表2.3 各种CPU的最大扩展电流的对比CPU型号221222224226最大扩展电流（mA）03406601000SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富

25、的扩展模块。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。此次毕业设计选用CPU226,CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器

26、。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统，如图2.5所示。图2.5 CPU226的外形图2.2 传感器 2.2.1 传感器的简介以及分类人是靠视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这些感觉器官来接受外界信息的，而一台光机电一体化的自动设备在运行中也有大量的信息需要准确地被“感受”，以使设备能按照设计要求实现自动化控制，自动化设备用于“感受”信息的装置就是传感器。传感器是实现自动化的关键技

27、术之一。1)传感器的组成传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件、转换元件和转换电路及辅助电源部分组成。a、敏感元件，是传感器中能直接感受或响应被测量的部分。b、转换元件，是传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适用于传输或测量的电信号的部分。c、转换电路，是将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量的电路。d、辅助电源，是用于提供传感器正常工作能源的电源。传感器的组成如图2.6所示图2.6 传感器的组成2）常用传感器的分类作为实现传感功能的基本器件，传感器的分类方法很多，a、按传感器能量变换关系进行分类按能量变换关系，传感器分为发电

28、型传感器和参量型传感器。b、按传感器输入量(即被测参数)进行分类按输人量分类，传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等。c、按传感器的输出量进行分类按输出量分类，传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。模拟式传感器是指传感器的输出信号为模拟量，数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。d、按传感器工作原理进行分类按传感器的工作原理为依据分类，可分为电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器等。2.2.2 传感器工作原理及应用1）电感式接近开关a、电感式接近开关的基本工作原理 电感式传感器为信号发生器，它被用于在加工机械，机器人

29、，生产线 以及传送带系统中检测和功能相关 的动作,并将检测结果转换成电信号。它是以非接触的方式工作的。当有金属物体接近规定的感应距离时，传感器会发出一个电信号。电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。（1）高频振荡型电感式接近开关它以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，利用被测金属物体接近电感线圈时产生的涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。（2）差动线圈型电感式接近开关它有两个电感线圈，由其中一个电感线圈作为检测线圈，另一个电感线圈作为比较线圈；由于被测金属物体接近检测线圈时会产生涡流效应，从而引起检测线

30、圈中磁通的变化，检测线圈的磁通与比较线圈的磁通进行比较，然后利用比较后的磁通差，经由传感器的信号调理电路将该磁通差转换成电的开关量输出，从而达到检测的目的。b、电感式接近开关的分类（1）按工作电源的性质进行分类流型：采用交流电源供电，用于交流控制回路。流型：采用直流流电源供电，用于直流控制回路。（2）按接线方式进行分类二线制 三线制 四线制 五线制 六线制（3）按触点的性质分类 常开式 常闭式 常开与常闭混合式（4）按输出逻辑分类正逻辑型 负逻辑型 浮空逻辑型 混合型（5）按外形分类 螺纹型 圆柱型 长方体型 U型等（6）按防护方式分类 防水型 防爆型 耐高温型 耐高压型等c、电感式接近开关的

31、图形符号 接近开关通用符号如图2.7所示，电感式接近开关如图2.8所示。图2.8 电感式接近开关图形符号图2.7 接近开关通用符号d、电感式传感器的特点无机械磨损和撕扯动作，因此使用寿命长；不会因灰尘或触点焊接在一起而出现故障；无触点反弹，因此无切换故障；切换频率高达3000Hz；抗震；安装位置随意；黄色LED显示切换状态；完全密闭，防护等级高。e、电感式传感器在自动检测中的应用由于电感式传感只能对金属起作用，在自动控制的应用可以应用在上例中进行检测白色的金属或红色的塑料，又可以应用在流水生产线上检测金属工件是否到位。如图2.9所示。当工件到位后自动输出一个开关量信号。用以控制计数器计数或下一

32、个加工步骤等。图2.9 电感式传感器的应用3 机械手3.1机械手的简介1）机械手的概念机械手是一种能模拟人的手臂的动作的部分动作，按预定的程序轨迹及其他要求，实现抓取，搬运工件或操作工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手：它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定（有时可调）程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手：它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活的机械手。它是适用于可变换生产品

33、种的中小批量自动化生产。它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS），实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。2）机械

34、手的分类a、按驱动方式分：液压式、气动式、机械式b、按适用范围分：专用机械手、通用机械手c、按运动轨迹控制方式分：点位控制、连续轨迹控制d、按臂部的运动形式分：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节式3）机械手主要组成机械手主要是由执行系统，驱动系统，控制系统三大部分组成。a、执行部分执行系统是机械手的机械传动结构部分。它包括手、手腕、手臂和机座等部件b、驱动系统驱动系统是驱动系统的动力装置。驱动系统有液压驱动，气压驱动，电力驱动和机械驱动等方式。c、控制系统3.1 机械手的组成图控制系统是支配执行系统按规定程序动作得到电气控制装置。控制系统所控制的因素包括执行系统各部的动作、动作顺序、位置、

35、时间、和速度等。如图3.1所示：4) 机械手的特点a、对环境的适应性强，能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，火等危险环境中胜任工作。b、机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并扩大和延伸人的功能。c、由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。d、机械手的特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。3.2MPS系统中机械

36、手工作站的结构功能机械手站单元主要由提取模块、滑槽模块、I/O接线端口等组成，如图3.2所示。图3.2 机械手站结构图该单元主要为一气动机械手，此站完成提取工件、按要求将工件分流的过程。1）提取模块该模块主要由两个直线气缸（提取气缸和摆臂气缸）、一个转动气缸及手指气动夹爪组成。提取气缸安装在摆臂气缸的气缸杆的前端，垂直方向运动，以便于提取工件。该气缸是一个杆不回转型气缸，其活塞杆为六边形，这样杆就不能随便转动，便于气爪夹取工件。摆臂气缸构成了气动机械手的“手臂”，可以实现水平方向上的伸出、缩回动作。同时它还是一个双联气缸（有的地方叫倍力缸），它拥有两个压力腔和两个活塞杆，在同等压力下，双联气缸

37、的输出力是一般气缸的两倍，所以有的地方亦叫它倍力缸。在气缸的两个极限位置上分别安装有磁感应式接近开关，用于判断气缸的动作是否到位。转动气缸用于实现摆臂气缸的转动，其转动角度为180，在气缸的两个极限位置上分别安装有阻尼缸（用于缓冲旋转冲击）和电感式接近开关（用于判断气缸旋转是否到位）。气动夹爪则用于抓取工件。2）滑槽模块此模块在带有组态操作的MPS系统上才会安装。滑槽模块用于存放检测不合格的工件。3.2.1 机械手站气动回路图图3.3 机械手站气动回路图1A为旋转气缸；1B1和1B2为电感式接近开关；2A为摆臂双联气缸；2B1、2B2为磁感应式接近开关；3A为气动夹爪；3B1为磁感应式接近开关

38、；4A为杆不回转的提取气缸；4B1、4B2为磁感应式接近开关；1Y1、1Y2为旋转气缸的电磁阀的两个控制信号；2Y1、2Y2为控制摆臂气缸的电磁阀的两个电磁控制信号；3Y1、3Y2为控制气动夹爪开与闭的电磁阀的两个电磁控制信号；4Y1为提取气缸的电磁阀的电磁控制信号。气动回路的分析在3.3图中，本站开始工作时，进行夹爪打开、横臂缩回和转上工位复位动作，均靠气缸复位来完成。等上站工作完成信号来后，首先使电磁阀线圈2Y2通电，使2号气缸动作，横臂缩回。当检测开关2B2有信号输出后，使控制4号气缸的电磁阀线圈4Y1通电，实现夹爪下降动作，准备抓工件，下降到位后，4B2输出，此时使3Y2通电，实现夹紧

39、动作，延时后，使4Y1断电，夹爪上升，直到4B1有信号输出，此时令2Y1通电，横臂缩回；缩回到位后，2B1输出，使1Y2通电，横臂实现旋转，使操作手到达下一工位。等下工位有工件后，使2Y2通电，横臂伸出，到位后2B2输出，使4Y1得电，4号汽缸活塞杆伸出，夹爪下降，到位后，使3Y1通电，夹爪释放工件，完成后，使4Y1断电，夹爪上升，到最高位后，使2Y1通电，横臂缩回，到位后，2B2有信号输出，使1Y1通电，横臂转上工位，完成本站工作。3.2.2 气动部件的选用元件名称数量元件用途元件符号气源1为气动回路提供动力双作用缸3执行元件可调单向节流阀6调节气回路中的流量大小二联件1过滤调压换向阀1改变

40、回路气体的流向表3.1 机械手单元气动部件的选用表3.2.3气动部件的简要分析1）机械手站单元的结构及工作过程机械手移送工件的机械系统及其结构如图所示，用于将工作台A点的工件搬运到工作台B点上。机械手的全部动作由电磁阀控制气动系统工作。其上升/下降、左移/右移运动由电磁阀控制，其位置由磁性传感器检测，夹紧使用电磁阀控制气爪，使用压力传感器检测。即当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手停止下降，但要保持现有的工作状态。在上升电磁阀通电时，机械手上升；当电磁阀断电后，机械手停止上升。夹紧电磁阀线圈通电时，机械手夹紧；线圈断电时，机械手放松。图3.4 机械手控制单元结构及移送工件

41、的动作过程图2）机械手站单元气动元件种类及结构符号a、导向气缸导向气缸的外形、结构及符号如图所示，导向气缸的应用如图所示。双作用双活塞式气缸，行程长度250mm，用于机械手单元X轴的左右伸缩，双活塞气缸是由两个活塞进行驱动的，因此在相同高度的情况下能产生2倍于标准气缸的推力。双作用双活塞式气缸，行程长度80mm，用于机械手单元Y轴的上下伸缩，其特点是该气缸结构简单，将导轨和气缸做于一体。图3.5 导向气缸的外形、结构及符号图3.6 导向气缸在传输系统中的应用b、气爪气缸（用于内抓或外抓工件）气爪外形、结构及其符号如图3.7所示。标准气爪是用于搬运及装配技术的系统产品。其特点如下：双作用活塞驱动

42、、自对心；不同的夹紧方式向外夹紧，向内夹紧；可以以多种方式和其它驱动器进行结合；采用霍尔传感器或接近式传感器进行位置感应。辅件安装如图3.8所示。采用外部夹头，易于实现多样性。图3.7 气爪外形、结构及其符号图3.8 辅件的安装方法1-标准气爪，2-气爪手指，3-安装螺钉，4-传感器。c、平行气缸（用于内抓或外抓工件）如图3.9所示。Festo标准气爪是用于搬运及装配技术的系统产品，其特点如下：双作用活塞驱动，自对心；不同的夹紧方式向外夹紧，向内夹紧；可以以多种方式和其它驱动器进行结合；采用霍尔传感器或接近式传感器进行位置感应。辅件的安装方法如图3.10所示；采用外部夹头，易于实现多样性图3.

43、9 气爪外形、结构及其符号图 图3.10 气爪的辅件的安装方法 1-标准气爪，2-气爪手指，3-安装螺钉，4-定位销，5-传感器。d、叶片式摆动气缸DSM叶片式摆动气缸外形紧凑，占用空间小。驱动力通过旋转叶片直接传送给驱动轴。可调式止动系统和旋转叶片分离，以便于固定限位挡块或液压缓冲器来吸收所受到的力。此外，旋转叶片 还能通过终点位置的弹性垫获得辅助缓冲。止动块不能被移去，因为旋转叶片本身不适合于作为终端位置限位挡块。驱动器背面还有刻度以方便行程调节。摆动气缸外形、结构及符号如图3.11所示。 图3.11 摆动气缸外形、结构及符号图摆动气缸的限位有两种方法，方法一：使用传感器限位，安装方式如图

44、3.12所示。方法二：使用缓冲器限位，安装方式如图所示。摆动气缸的固定安装方式有多种，如图3.13所示。图3.12 摆动气缸使用传感器限位的传感器形状及安装方式图3.13 摆动气缸使用缓冲器限位的安装形式图3.14 摆动气缸的固定安装方式3)过滤、调压组件过滤、调压组件型号采用LFR-1-D-5M-DI-MAXI，外形及符号如图所示。两联件由过滤器、压力表、截止阀和快插接口组成，安装在可旋转的支架上。过滤器有分水装置，可以除去压缩空气中的冷凝水、颗粒较大的固态杂质和油滴。减压阀可以控制系统中的工作压力，同时能对压力的波动做出补偿。滤杯带有手动排水阀。图3.15 过滤、调压组件外形及符号3.2.

45、4 电器元件的简介1)、控制电磁阀全气动系统采用紧凑型CPE型电磁阀控制。由于系统要求气动回路流量不大，所以选择集成安装紧凑型电磁阀CPE10-M1BH-5LS-M7型及CPE10-M1H-5/3G-M7型两种。CPE型电磁阀具有以下特点：阀岛 CPE-10由各个高强度玻璃纤维加强的聚酰胺模块组成；在基本组块和扩展组块中的PRS 通 道可被封死，因此可形成不同的压力区；两端都可接气源及排气通道，气口在 基本块或端块上；可从尾端或顶端接入气源及排气通道；卡口式连接，安装时无需螺丝；安装选项: 单个安装, 导轨安装或板 壁式安装。CPE10-M1BH-5LS-M7电磁阀如图所示。意义为：CPE（紧

46、凑型）、M1BH（24 V DC ，所匹配插座 KMYZ-9）、5（5通）、L（单电控, 气弹簧复位）、S（不带先导）、M7（接口类型M7 螺纹）。该电磁阀的特点：流量大功耗小。图3.16 紧凑型CPE10-M1BH-5LS-M7型电磁阀外形及符号CPE10-M1H-5/3G-M7型电磁阀如图所示。意义为：CPE（紧凑型）、M1H: （24 V DC ，所匹配插座KMYZ-6）、5（5通）、3（3位）、G（中封式）。M7（接口类型M7 螺纹）。图3.17 紧凑型CPE10-M1H-5/3G-M7型电磁阀外形及符号CPE阀另需配合专用CPE10SC-PRS-8气路板集中安装，如图3.18所示。该

47、气路板可安装8个CPE电磁阀作全过程控制。电源插座 KMYZ-9如图3.19所示。图3.19 电源插座 KMYZ-9图图3.18 CPE10SC-PRS-8气路板图 气路板需配消声器UC-M7降低阀排气口的噪音，如图3.20所示。配接气路接头QSML-M7-6，如图3.21所示。图3.21 气路接头QSML-M7-6图图3.20 消声器UC-M7外形及符号图 2)、双电控二位五通阀图为双电控二位五通阀的工作原理图。它有两个电磁铁，当右线圈通电、左线圈断电时，阀芯被推向右端，其通路状态是P与A、B与T2相通，A口进气、B口排气。当右线圈断电时，阀芯仍处于原有状态，即具有记忆性。当电磁左线圈通电、

48、右断电时，阀芯被推向左端，其通路状态是P与B、A与T1相通，B口进气、A口排气。若电磁线圈断电，气流通路仍保持原状态。图3.22 双电控二位五通阀工作原理图图3.23 双电控二位五通阀实物图4 机械手站单元的PLC设计4.1机械手站单元的控制要求当设备接通电源与气源、PLC运行后，首先执行复位动作，旋转气缸驱动的摆臂左转到最左端，摆臂缩回到位，夹爪打开，提取气缸上升到位。然后进入工作运行模式，按启动按钮，操作手单元先摆臂气缸后提取气缸依次伸出，提取气缸伸出到达下端后夹爪夹取工件，夹紧工件后，再按照先提取气缸后摆臂气缸的顺序依次缩回，然后摆臂气缸摆到右端，等待工件送出信号。再次按下启动按钮，工件送出，摆臂气缸、提取气缸依次伸出，然后放下工件，再按照逆过程返回到初始位置。机械手的动作过程分为8步：从原点下降夹紧（T）上升右移下降放松（T）上升左移到原点结束一个动作循环。4.2机械手站单元顺序功能流程图图4.1机械手站顺序功能流程图4.3 机械手站单元的I/O分配表机械手站单元I/O端口分配说明表序号设备符号设备名称设备用途信