毕业设计（论文）柔性生产线—操作手单元

1、天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书1天津理工大学毕业设计论文柔性生产线操作手单元天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书2柔性生产线操作手单元摘 要随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，操作手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。模块化生产培训系统（modular production training system，mps）是由上海英集斯自动化技术有限公司研制的教学设备。mps 体现了机电一体化技术的实际应用。

2、目前最多可由 9 个单元组成，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。操作手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。本文应用西门子公司的 s7-200plc，通过其硬件结构、编程指令和 step 7软件的操作实现机械手搬运控制系统，该系统充分利用了可编程控制器（plc）控制功能。使该系统可靠稳定，时期功能范围得到广泛应用。关键词：mps, 操作手，可编程控制器（plc） ，气动

3、控制天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书3flexible production line - gunner unitabstractwith the popularity of industrial automation and development, the demand for year-on-year increase of controller, handling the application of robot gradually popularity, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing

4、, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, we can be more good to save energy and improve the transport efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation and inadequate to meet the requirements of modern economic development

5、.modular production training system（mps）is by the shanghai ying set is developed, automation technology co. ltd. of teaching equipment. mps embodies the practical application of mechatronics technology. currently up by nine unit, a unit of its an independent control also by more than one unit system

6、, composed of production system can reflect the automatic production line control characteristics. gunner is an important part of the industrial robot, and in many cases it can be called industrial robots. industrial robot is set machinery, electronics, control, computer, sensors, artificial intelli

7、gence science advanced technology in the integration of modern manufacturing important automation equipment. widely used industrial robots, not only can improve the quality of products and production, and to safeguard the personal safety and improve working environment, reduce labor intensity and im

8、prove labor productivity, save materials consumption and reduce the production cost, has the extremely vital significance. make the system reliable, stable and functional range widely used period. key words:： mps ， gunner ， plc ， pneumatic control目 录第一章 绪论 .11.1 柔性生产线概论.11.2 柔性生产线的一般组成.11.3 mps 的基本功

9、能.11.4 mps 的公共模块和器件.31.5 mps 的发展前景.41.6 simatic s7200plc 简介.4第二章 操作手单元的结构与控制 .62.1 操作手单元的结构.62.1.1 操作手单元的功能.62.1.2 操作手单元的结构组成.62.1.3 操作手结构示意图，.62.2 操作手单元的控制.72.3 控制系统硬件的设计.82.3.1 气压传动的选择.82.3.2 气动控制回路.92.3.3 传感器的选择：.102.3.4 电源的选择.102.4 plc 的 i/o 接线.102.5 操作手单元的编程：.112.5.1 控制任务.112.5.2 编写程序.122.5.3 下

10、载调试.13第三章 plc 选型及程序的编写.153.1 plc 的选型.153.2 程序的编写.16参考文献 .21致谢 .22天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书1第一章 绪论1.1 柔性生产线概论随着科学技术的发展，人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新换代的周期越来越短，产品的复杂程度也随之增高，传统的大批量生产方式受到了挑战。为了同时提高制造工业的柔性和生产效率，使之在保证产品质量的前提下，缩短产品生产周期，降低产品成本，是终使中小批量生产能与大批量生产抗衡，柔性自动化系统便应运而生。 模块化柔性加工系统是用来学习自动控制技术、人工智能、计算机网络控制等先进技术的

11、开放式的实验系统。该系统集成了现场通讯技术（ profibus ）以及以太网通讯技术。它使得学生方便地了解这套先进技术如同在工业上的应用，使学生能近距离地学习这些技术。该系统具有多种驱动形式：有气压传动、传送带、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、变频调速电机等工业常见的传动。系统为方便学生进行电气控制的自由组合和创新性学习，每个单元均配置 smt 智能教学实训台，这解决了“生产线教学学生不能亲自设计控制系统”的难题，是国内唯一也是最领先技术产品。1.2 柔性生产线的一般组成多个单元组成的 mps 系统可以较为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的

12、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。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、物体的材质和物体的高度等。传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一，是现代工业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，用户可根据需要选择不同厂家的 plc（上海英集斯公司主要使用三菱公司的 fx2n 系列 plc、西门子公司的 s7-200 系列 plc 和 s7-300系列 plc）。本文所选为西门子公司的

13、s7-200 系列。mps 设备的硬件结构是相对固定的，但可以根据对设备的理解、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。一般来讲，柔性生产线由上料检测单元，供料单元，检测单元，加工单元，搬运单元，安装单元，安装搬运单元，操作手单元，立体存储单元，机械手单元，分类工作单元等单元有机组成。1.3 mps 的基本功能mps 设备提供了一个半开放式的学习环境，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

14、 作为一条自动生产流水线具有怎样的操作运行模式等，用户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制过程。mps 系统中每个单元都具有最基本的功能，用户可在这些基本功能的基础上进行流程编排设计。天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书2(1) 上料检测单元。功能简介：完成整个系统的上料工作，将工件输出，判断出其颜色，并将其信息发给后一站。此站可配合触摸屏或组态控制作为整个系统的主站。plc 主机：西门子 s7 系列。扩展模块：ppi、mpi、profibus 网络。组成模块：回转料斗、提升装置、光电识别组件。(2) 为供料单元。

15、功能简介：为加工过程逐一提供加工工件。由双作用气缸从料仓中逐一推出工件，转换模块上的真空吸盘将工件吸起，在旋转缸的驱动下将工件移动至下一个工作站的传输位置。plc主机：西门子 s7 系列。扩展模块：ppi、mpi、profibus 网络。组成模块：真空组件、旋转模块、供料模块。(3) 检测单元功能简介：检测加工工件的各种特性，如颜色、材质、高度等。plc 主机：西门子 s7 系列。扩展模块：ppi、mpi、profibus 网络。组成模块：工件高度检测模块、提升模块、工件材质及颜色识别组件。（4）加工单元。功能简介：工件将在旋转平台上被检测及加工。通过具有四个工位的加工旋转平台，进行加工模拟，

16、并进行加工质量的模拟检测。plc 主机：西门子 s7 系列。扩展模块：ppi、mpi、profibus 网络。组成模块：旋转平台、模拟钻孔模块、模拟检测组件。（5）为搬运单元。功能简介：该搬运单元由无杆气缸、椭圆形活塞气缸和夹爪等部件组成，通过移动、上下伸缩、抓取等动作，将前一单元上的工件传入下一执行单元。plc 主机：西门子 s7 系列。扩展模块：ppi、mpi、profibus 网络。组成模块：提升模块、气动夹爪组件、直线运动无杆缸。（6）安装单元。功能简介：该单元提供两色小工件，气缸将料仓中的两色小工件交替推出，由真空吸盘吸取，通过转臂输入到大工件的空腔中。plc 主机：西门子 s7 系

17、列。扩展模块：ppi、mpi、profibus 网络。组成模块：送料模块、旋转模块、真空组件。（7）安装搬运单元。功能简介：将工件从前一站搬运至下一站，并可在本站上完成大、小工件的组装。plc 主机：西门子 s7 系列。扩展模块：ppi、mpi、profibus 网络。组成模块：直线转旋转运动模块、气动夹爪装置。（8）操作手单元。功能简介：该单元由不同的气动执行部件组成，通过摆动、伸缩、气动抓取等动作，将前一单元上的工件传入下一执行单元的输入工位。plc 主机：西门子 s7 系列。扩展模块：ppi、mpi、profibus 网络。组成模块：伸出及提升模块、旋转模块、气动夹爪组件。（9）立体存储

18、单元。功能简介：该单元为仓库存储的模拟，它将系统加工完成的合格产品按照不同类别进行分类立体存放。plc 主机：西门子 s7 系列。扩展模块：ppi、mpi、profibus 网络。步进电机及驱动器：start。组成模块：步进电机控制模块、滚珠丝杆模块、工件推出组件、立体仓库。 （10）为机械手单元。功能简介：该单元是一个 6 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。手臂本体：日本莫托曼 hp3。扩展模块：控制器、变压器。组成模块：手臂本体、手臂控制器、气动夹爪。（11）分类工作单元。天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书3功能简介：将工件从传送带的

19、前端输送到后端。它带有工件滑槽及导向装置，能够将工件按类别进行存储。plc 主机：西门子 s7 系列。扩展模块：ppi、mpi、profibus 网络。组成模块：传送带、阻挡装置、工件滑槽。 1.4 mps 的公共模块和器件（1） 供电电源模块供电电源模块及电路原理如图 1-13 和图 1-14 所示。外部供电电源为三相五线制 ac 380 v/220 v，三根相线经三相三线漏电保护开关后连接到三个安全导线插孔处，零线和接地线也连接到安全导线插孔处。另外，模块上还提供两个单相电源插座，为 plc 模块和按钮/指示灯模块提供 ac 220 v 电源。 图 1.1 为供电电源模块一次回路原理图。

20、图 1.1（2） 气源处理组件气源处理组件及其回路原理图如图 1.2 所示。图 1.2气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，以调节并保持恒定的工作压力。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。气源处理组件的气路入口处安装了一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之，把气路开关向右推入时气路关闭。天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书4气源处理组件的输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为 0.6 mpa1.0 mpa，输出压力为 00.8 mpa 可调。输

21、出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各工作单元。1.5 mps 的发展前景模块化生产培训系统是先进工业自动化及制造的基本部分，将先进制造系统的物料供给、分拣、加工、检测和立体仓库等主要单元展现给学生，同时学生可以自己动手实践，学习 plc 编程、生产管理、流程设计等机械设计制造及自动化的相关课程。随着技术的发展，工控技术的不断完善，上海英集斯自动化技术有限公司在原有的 mps 系统中加入了触摸屏控制系统、组态监控系统和生产管理执行系统，进一步提升了模块化生产培训系统的科技含量，使学生在“用最先进的技术培训今天的学生，为未来而服务！”这样的理念下前进。触摸屏是一个智能化操作部件，是极富吸引力

22、的全新多媒体操作装置，用户只要用手指轻轻地触摸显示屏上的图符或文字就能实现对设备操作，可显示设备运行状况和运行参数。 组态监控程序的应用解决了人-机界面控制中的动画显示问题，监控信息将以更加形象、生动的动画方式显示出来。尽管触摸屏和组态监控软件的出现至今只有短短的几年时间，但实际应用已经证明，触摸屏和组态监控软件可以取代设备的操作面板和仪表。生产管理执行系统（mes）的应用是模块化生产培训系统的一次飞跃，它引入了信息管理技术，真正实现了对生产的有效管理。 1.6 simatic s7200plc 简介plc在早期是一种开关逻辑控制装置，被称为可控编程控制器，简称plc。plc是一种专门用于工业

23、控制的计算机。具有可靠性高、抗干扰能力强、灵活性扩展性强、控制速度快、延时的可调性和精度高。硬件反面：a屏蔽：对电源变压器、cpu、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防止外界干扰。b隔离：在微处理器与i/o电路之间，采用光电隔离措施，有效隔离i/o接口与cpu之间电的联系，减少故障和误动作；各i/o口之间亦彼此隔离。随着微电子技术的快速发展，plc的制造成本不断下降，而功能却大大增强。应用领域以覆盖所有的工业企业，如机床电机控制、电梯运行控制、冶金系统的高炉上料、汽车装配线、以及一些自动化流水线等。本设计的柔性加工系统中采用了西门子公司 s7200 的 plc，cpu 为

24、226。s7-200 是一种小型的可编程序控制器，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：1：极高的可靠性 2:极丰富的指令集 3: 易于掌握 4:便捷的操作 5:丰富的内置集成功能 6: 实时特性 7:强劲的通讯能力 8:丰富的扩展模块 。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

25、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，中天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书5央空调，电梯控制，运动系统。cpu 226 的 plc 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。13k 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。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。

26、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，更快的运行速度和功能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。 simatic 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： （1） 极高的可靠性 （2）极丰富的指令集（3）易于掌握（4）便捷的操作（5）丰富的内置集成功能（6）实时特性（7）强劲的通讯能力（8）丰富的

27、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。天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书6第二章 操作手单元的结构与控制2.1 操作手单元的结构2.1.1 操作手单元的功能操作手单元的功能操作手单元可以模拟提取工件，按照要求将工件分流的过程。2.1.2 操作手单元的结构组成操作手单元的结构组成操作手单元主要由提取模块、滑槽模块、气源处理组件、i/o 接线端口、阀组等组成。1. 提取模块提取模块实际上是一个“气动机械手” ，主要由两个直线气缸（提取气缸和摆臂气缸） 、一个转动气缸及气动夹爪等组成。提取气缸安装在摆臂气

28、缸的气缸杆的前端，用于实现垂直方向的运动，以便于提取工件。该气缸在结构上不同于一般的直线气缸，它是一个杆不回转型气缸，它的活塞杆为六边形，这样活塞杆就不能随便转动，便于气动手指夹取工件。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（也叫倍力缸） ，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一个阻尼缸（用于缓冲旋转过来的冲

29、击）和一个电感式接近开关（用于判断气缸旋转是否到位） 。气动夹爪则用于抓取工件。2. 滑槽模块滑槽模块只有在带有组态操作的 mps 系统上才会安装。滑槽模块用于存放不合格的工件。2.1.3 操作手结构示意图，操作手结构示意图，如下图 2.1：天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书7图 2.1操作手单元的连线连 线 表 (siemens )一电源线一电源线124vna（红）1)p0(6)-xk1(1) 5#2)p0(8)-xk1(2) 5#3)xk1(a)-1l+ ( q 侧) 8#4)xk1(b)-2l+ ( q 侧) 10#224v（红）1)24v 电源-xk1(7) 3#2)24v

30、电源-l+（q 侧电源） 9#3)xk1(3)-p0(12) 3#4)xk1(4)-p0(11) 3#5)xk1(5)-p0(10) 3#6)xk1(6)-p0(9) 3#7)xk1(c)-t01( 24v) 2#8)xk1(e)-c4（红）(9,10)9)xk1(d)-c4（橙） （21,22）10) ti1( 24v)-l+ （i 侧） 3# 3.地线 (0v )（蓝）1)电源 0v-xk1(j) 4#2)电源 0v-m-（q 侧电源） 9#3)xk1(h)-c4(黑)（11,12）4)xk1(i)-c4(绿)（23,24）天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书85)ti1(0v)-

31、m(i 侧) 3#6)xk1(k)-t01(0v) 2#7)xk1 (9)-p0 (13) 3#8)ti1(0v)-m (q 侧) 6#9)ti1(0v)-2m (q 侧) 6#10) ti1(0v)-1m (i 侧) 1 #11) t01(0v)-2m (i 侧) 7#二信号线（黑）二信号线（黑）1plc 的输入1)i0.0-c4 (13 ) (橙-)2)i0.1-c4 (14 ) (橙色)3)i0.2-c4 (15 ) (天蓝-)4)i0.3-c4 (16 ) (天蓝)5)i0.4-c4 (17 ) (白-)6)i0.5-c4 (18 ) (白色)7)i0.6-c4 (19 ) (黄-)8

32、)i0.7-c4 (20 ) (黄色)9)i1.0-ti1 (i0 ) 3#10) i1.1-ti1 (i1 ) 3#11) i1.2-ti1 (i2 ) 3#12) i1.3-ti1 (i3 ) 3#13) i1.4-ti1 (i4 ) 3#14) i1.5-ti1 (i5 ) 3#2. plc 的输出1)q0.0-c4 (1 ) (紫色)2)q0.1-c4 (2 ) (紫-)3)q0.2-c4 (3 ) (咖啡)4)q0.3-c4 (4 ) (咖啡-)5)q0.4-c4 (5 ) (灰色)6)q0.5-c4 (6 ) (灰-)7)q0.6-c4 (7 ) (黑色)8)q0.7-c4 (8

33、) (黑-)9)q1.0-to1 (o0 ) 10# 10) q1.1-to1 (o1 ) 10# 三急停继电器连线三急停继电器连线11) ti1 (i7 )-po(14 ) 5# 红12) to1(o6)-po( 5 ) 1# 黑13) ti1(i6)- po( 7) 4# 红注：打阴影的线号先连线。注：打阴影的线号先连线。天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书92.2 操作手单元的控制本操作手用于柔性生产线上工件的自动搬运，其结构如上图所示。由 1、2 两个气缸缸完成工件的加紧和提升的动作。1 号气缸两个电磁阀控制工件的夹紧、放松，2 号气缸通过电磁阀控制工件的上升、下降，由底盘电动

34、机带动底盘旋转。当工件在旋转带上运行时，并且到旋转带的端部的时候，接近开关检测到有物体存在的时候，旋转带停止,2 气缸活塞缩回，带动竖轴下降，下降到行程开关 sq3，1 气缸的驱使手爪夹紧工件，并延时。 2 气缸活塞伸出，带动竖轴上升，3 气缸活塞缩回，带动横轴缩回，同时底盘电动机带动底盘旋转。当底盘步进电机旋转 180后，其到达 b 传送带的上方时，3 气缸活塞伸出，带动横轴前伸，同时 2 气缸活塞缩回，带动竖轴下降，下降到行程开关 sq3，1 气缸的驱使手爪放松工件，延时 2 秒 后。2 气缸活塞伸出，带动竖轴上升，3 气缸活塞缩回，带动横轴缩回，同时底盘电动机带动底盘旋转。当底盘步进电机

35、旋转 180后，其到达旋转的上方时 一次的搬运过程就完成。即循环动作简图，如下图，图 2.22.3 控制系统硬件的设计2.3.1 气压传动的选择气压传动的选择气压传动简称气动，是以压缩空气为工作介质来传递和控制信号，控制和驱动各种机械设备，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。一个完整的气动自动化系统由气源装置、控制元件、执行元件、辅助元件、检测元件及控制器组成。如图 2.3 所示。天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书10图 2.3（1）气源装置：主要作用是提供清洁、干燥的压缩空气。（2）控制元件：其作用是调节和控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以便使执行元件能按要求的程序和性能工

36、作。控制元件分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等。（3）执行元件：是将气体的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。它包括实现直线往复运动的气缸和实现连续回转运动或摆动的气动马达或摆动马达。（4）辅助元件：其作用是辅助气动系统正常工作，主要由净化压缩空气的净化器、过滤器、干燥器等组成，另外还包括供给系统润滑的油雾器、消除噪声的消声器、提供给系统冷却的冷却器等。（5）检测元件：其作用是检测气缸的运动位置，判断工件有无及工件性质等。（6）控制器：其作用是对检测元件提供的信号进行逻辑运算，提供执行元件输出信号，控制系统按照预定的要求有序工作。气压传动具有以下优点：（1）以空气作为工作介质，取之不尽

37、，来源方便，且无污染、环保。（2）工作环境适应性好，可工作在易燃、易爆、多尘、强辐射等环境。 在操作手单元中，气爪有个不同的意义，气爪能实现各种抓取功能，是现代气动机械手的关键部件。气爪具有如下特点： 所有的结构都是双作用的，能实现双向抓取，可自动对中，重复精度高； 抓取力矩恒定； 在气缸两侧可安装非接触式检测开关； 有多种安装、连接方式。本文所使用的为 festo 平行气爪，平行气爪通过两个活塞工作，两个气爪对中心移动。这种气爪可以输出很大的抓取力，既可用于内抓取，也可用于外抓取。 2.3.2 气动控制回路气动控制回路操作手的全部动作由气缸驱动。该控制回路的执行机构是气动控制系统，其方向控制

38、阀的控制方式为电磁控制或手动控制。各执行机构的逻辑控制功能是通过 plc 控制实现的。在操作手单元的气动控制原理图及 io 图如 2.4 示，天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书11操作手单元的 in 图天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书12操作手单元的 out 图图 2.41a 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；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

39、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。2.3.3 传感器的选择：传感器的选择：接近开关的选择：选择磁感应式接近开关，原理如下图型号为 jkt09-f4a 70b具体参数：开关频率:100 , 最大连续工作 500mah 天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书132.3.4 电源的选择电源的选择本系统需要的用电设备有：plc、继电器、交流电机、光电传感器等设备。通过初步计算：得出以下的结果：工作压力 0.8mbar 最大输出流量 300l/min电机功率 8kw 电机转速 500 转/min负载能力

40、 115kg其中，交流电机连线图如下，2.4plc 的 i/o 接线mps 中的每个部件上的输入、输出信号与 plc 之间的通信电路连接是通过 i/o 接线端口实现的。各接口地址已经固定。各单元中需要与 plc 进行通信连接的线路（包括各个传感器的线路、各个电磁阀的控制线路及电源线路）都已事先连接到了各自的 i/o 接线端口上，在与 plc 连接时，只需使用一根专用电缆即可实现快速连接。操作手单元 i/o 设备符号与说明见表 2.1。序号设备符号设备名称设备用途信号特征11b1电感式传感器判断摆臂的左右位置信号为 1：摆臂在最左端21b2电感式传感器判断摆臂的左右位置信号为 1：摆臂在最右端3

41、2b1磁感应式接近开关判断摆臂伸缩情况信号为 1：摆臂缩回到位42b2磁感应式接近开关判断摆臂伸缩情况信号为 1：摆臂伸出到位53b1磁感应式接近开关判断夹爪开闭情况信号为 1：夹爪已打开信号为 0：夹爪夹紧64b1磁感应式接近开关判断夹爪上下的位置信号为 1：夹爪上升返回到位74b2磁感应式接近开关判断夹爪上下的位置信号为 1：夹爪下降到位81y1电磁阀控制旋转气缸左右动作信号为 1：旋转缸左转91y2电磁阀控制旋转气缸左右动作信号为 1：旋转缸右转102y1电磁阀控制摆臂气缸伸缩动作信号为 1：摆臂缩回112y2电磁阀控制摆臂气缸伸缩动作信号为 1：摆臂伸出123y1电磁阀控制夹爪开闭的动

42、作信号为 1：夹爪打开天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书14133y2电磁阀控制夹爪开闭的动作信号为 1：夹爪闭合144y1电磁阀控制提取缸上下的动作信号为 1：夹爪下降信号为 0：夹爪上升表表 2.12.5 操作手单元的编程：2.5.1 控制任务控制任务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。

43、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。2.5.2 编写程序编写程序操作手单元程序框图如下所示： 上电m4.0 复位灯闪(s2) q1.1 闪 (s2)i1.1=1 m4.1 复位 1(上下缸缩回,夹爪打开) (3y1) q0.4=1 (4b1) i0.5=1 & (3b1) i0.4=1m4.2 复位 2 (横臂缩回) 2y1(q0.2)=1 (2b1) i0.2=1m4.3 复位 3 (1 缸转上工位) 1y1(q0.0)=1 (1b1) i0.0=1& (2b1) i0.2=1 & (4b1) i0.5=1天津理工大学 2011

44、届本科毕业设计说明书15m4.4 开始灯闪 （l1）q1.0 闪 (s1) i1.0=1m4.5 等工作信号i1.2=1m4.6 2 缸出 ( 2y2) q0.3=1 (2b2) i0.3=1m4.7 延时 t40=0.5s t40=1m3.0 4 缸下 (4y1) q0.6=1 (4b2) i0.6=1m3.1 3 夹紧 (3y2) q0.5=1 , t1=1s ( i0.4) 3b1=0 & t1=1m3.2 4 缸上升 (4y1) q0.6=0 (4b1) i0.5=1m3.3 2 缸回 (2y1) q0.2=1 (2b1) i0.2=1m3.4 1 缸转下工位 (1y2) q0.1=1

45、 (1b2) i0.1=1&i1.2=1m3.5 2 缸出 (2y2) q0.3=1 2b2=1 (i0.3)m3.6 4 缸下 (4y1) q0.6=1 (4b2) i0.6=1m3.7 3 缸放工件 (3y1) q0.4=1天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书16 (3b1) i0.4=1m2.0 4 缸升 (4y1) q0.6=0 (4b1) i0.5=1 m2.1 2 缸回 (2y1) q0.2=1 (2b1) i0.2=1m2.2 转上工位（1y1）q0.0=1 (1b1) i0.0=1m2.3 返回 m4.52.5.3 下载调试下载调试系统调试分模拟调试和联机调试，硬件部分

46、的模拟调试可在断开主电路的情况下，主要试一试手动控制部分的可靠性。软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和 plc 输出端的指示灯进行。需要模拟量信号i/o 时，可用电位器和万用表进行。调试时，可利用上述外部设备模拟各种现场开关和传感器的状态，然后观察 plc 的输出逻辑是否正确。如果有错误则修改程序后反复调试。现在plc 的主流产品都可在 pc 上编程，并可在 pc 上进行模拟调试。连机调试时，可把编制好的程序下载到现场的 plc 中。有时 plc 也许只有一台，这时就要把 plc 安装到控制柜相应的位置上。调试时一定要先将主电路断开，只对控制电路进行连机调试。将编辑好的程序下载到 plc 中运

47、行，调试通过，完成控制任务。气动控制回路分析及仿真（1） 气动控制回路分析在图 2.3 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，使操作手达到下一工位。

48、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 号气缸活塞杆伸出，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 通天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书17电，横臂缩回，到位后，2b1 有信号输出，使 1y1 通电，横臂转上工位，完成本站工作。（2） 气动控制回路仿真用 fluidsim-p 软件设计制作气动控制和仿真模拟。通过该软件，在计算机上分别画出气动回路图 2.3 和根据程序框图设计电气控制回路，然后进行测试和模拟仿真。通过仿真的实时显示与软件连接的实际控制回路的动作，逐步解

49、决控制回路中的问题，直到最后实现程序框图要求的控制过程。天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书18第三章 plc 选型及程序的编写3.1 plc 的选型考虑到操作手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，采用plc 作为核心控制器，各控制对象都必须在 plc 的统一控制下协同工作，同时考虑到工作流程和造价。所以我们采用西门子公司的 s7-200 型 plc(16 点输入、16 点输出)。德国西门子（siemens）公司生产的可编程序控制器在我国的应用相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（siemens）公司的 plc 产品包括 logo，s7-20

50、0，s7-300，s7-400，工业网络，hmi 人机界面，工业软件等。 西门子 s7 系列 plc 体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。s7 系列 plc 产品可分为微型 plc（如 s7-200） ，小规模性能要求的 plc（如 s7-300）和中、高性能要求的 plc（如 s7-400）等。plc 的选择主要应从 plc 的机型、容量、i/o 模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力、厂家的选择等方面加以综合考虑。plc 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点： (一) 合理的结构型式 plc 主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体式 plc 的每一个 io 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式 plc 的功能扩展灵活方便,在 io 点数、输入点数与输出点数的比例、io 模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。(二) 安装方式的选择 plc 系统的安装方式分为集中式、远程 io 式以及多台 plc 联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程 io 硬件，系统反应快、成本低；远程