1、基于PLC的机械手控制与计数系统的设计 摘要在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。自上世纪六十年代，PLC设计的机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，它
2、可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。关键词： PLC 系统 机械手 AbstractIn modern industry, the production process of mechanization, automation has become a prominent theme. Continuity of the chemical production process of automation has been basically resolved. Dedicated hi
3、gh-volume production automated machine tools is an effective way; controlled machine tools. However, in addition to cutting its own, there are a lot of loading and unloading, transportation, assembly, and other operations to be further mechanized. According to the data, PLC robot was designed to ach
4、ieve a product, it has been the development and application development, the most typical of this development are the producers of health products used in industry, in order to achieve the much-needed health inspection in a short period of time, a large number of sample data, but in the field of hea
5、lth as a result of the use of robot goods in a single sample-color reagent method, using filters and structural design, resulting in expensive reagents, restrictions The product market. With the advances in technology, the robot has actually broken the design of a single reagent, and heating the fil
6、ter constraints. Keyword: PLC robot system 一、引言.1二、气动系统.32.1 气动技术的现状、组成及优缺点.32.2 气动执行元件.52.3 气动检测器件 .5三、PLC控制系统 103.1 PLC的概念及组成 .103.2 PLC工作原理及其特点.113.3 PLC的应用.113.4 PLC指令.12四、PLC控制方案分析.164.1 对PLC选取.174.2 PLC的I/O接线图及分配.18五、变频器.195.1 变频器的技术发展.195.2 变频器的分类.195.3 变频调速系统的选择.195.4 变频器的主电路.205.5 变频器控制电路的主
7、要组成.20六、设计内容.216.1 系统的整体设计分析.216.2 机械结构和控制要求.21七、部分系统调试.22 7.1 使用设备.227.2 调试过程.22八、设计总结.23致谢词 .25附录.26参考文献.33 第一部分 引言在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产，金属加工生产批量中有四分之三有50件以下，零件
8、真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，最典型的发展是生产者将此产品大量应用于卫生行业（全自动生化分析仪），从而实现了卫生检验中急需短时间、大量样品数据的要求，但在卫生领域的机械手因采用样品品单一酶试剂显色法，且采用滤光片结构设计，造成试剂价格昂贵，限制了产品市场的发展。 随着技术的进步，机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。如美国 OI 公司的产品，针对单一项目，次序加 4 种试剂，加热温度也提高到 50 ，检测
9、器则采用二极管陈列技术，这些进步为新领域的应用提供了强大支持。有专家估计未来10 年，全自动流动分析仪的市场份额中，将有 50 被全自动化学分析机械手取代。 通过了解上述两类产品的技术特点我们不难看出，机械手具有微升级试剂消耗，不受模板束缚，分析中不同检测项目可穿插完成，可完成研发性波长扫描优化检测条件，用户可自行设计新的检测项目，体积小，甚至可做现场快速分析等特点。 由此也不难看出，以前流动分析中不适合的用户群，如样品检测单一种类少而样品量多的情况，为机械手的应用提供了可能性。对卫生行业的快速分析中，也因新型机械手的设计特点而使取代昂贵的试剂，降低分析成本成为可能。机械手不能完全取代流动分析
10、产品一个重要的理由是：一些特殊样品处理技术不能在线实现，如萃取、高温蒸馏，需要离线进行，相信随着技术的进步，这些方面的技术也会提高。且现代化的注塑机常常配置有机械手，以提高生产效率。注塑机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化
11、的各个行业。近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。 由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁
12、、辐射等恶劣环境下工作”。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的
13、气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床，Robod
14、oc机器人，Da Vinci外科手术机器人等。第二部分 气动系统2.1 气动技术应用现状、组成及优缺点2.1.1 现状1、是指以压缩空气作为动力源，实现了各种生产控制自动化的一门技术，可以说是以压缩空气为工作介质进行能量与信号传递技术。随着工业机械化和自动化的发展，气动技术越来越广泛地应用于各个领域。特别是成本低廉，结构简单的气动装置以得到的广泛的普及与应用，在工业自动化中处于重要地位。气动技术的应用历史悠久，早在公元前，埃及就开始利用风箱产生压缩空气用于助燃。18世纪的产业革命开始，气动技术渐渐的被用于产业中，实现了自动化和自动控制。电气控制的气动系统在自动化应用中相当广泛，电气控制的特点是
15、响应快，动作准确，在气动化系统中，电气控制的主要是电磁阀的换向。气动控制由于PLC的参与，才使庞大、复杂多变的系统控制起来简单明了，是程序的编制，修改编的容易。如今，随着工业的发展，自动化的程度越来越高，再加上检测技术的发展，气动控制乃至自动化控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，使PLC在气动控制中变得更加得心应手。2、气动控制装置在以下几个方面的应用(1) 汽车制造业 (2) 半导体电子及家电行业(3) 加工制造业(4) 介质管道运输业(5) 包装业(6) 机器人2.1.2 气动自动化系统的组成结构 图2.1 气动自动化系统框图1、气压发生器（能源元件）：它将原动机供给的机械能转化成气
16、体的压力能 2、控制元件：调节和控制压缩的空气压力，流量和流动方向，使执行机构按要求程序和性能工作。分为压力控制阀，流量控制阀和方向控制阀。3、执行元件：以压缩空气为工作介质，将气体能量转化成机械能的能量转化装置，分为实现直线运动的气缸和实现回转运动的气动马达。4、辅助元件：辅助保证气动系统的正常工作，如净化器，过滤器等5、检测装置：检测气缸的运行，判断工件的有无6、控制器：对检测装置提供的信号进行逻辑运算，提供给执行元件输出信号，控制系统按照预定的要求有序工作。2.1.3、气压传动的优缺点气压传动的优点：1、来源方便，不污染空气，气动系统管路较简单。2、与液压传动相比，反应快，动作迅速，（0
17、.020.03s）建立起需要的压力与速度，不易发生过热现象。3、空气粘度较小，流动中压力损失小，节能高效，有利于集中供气和远距离供气。4、使用安全，对环境适应性强，控制优越。5、结构简单，成本低，寿命长。6、气体的可压缩性，便于实现系统的过载保护。7、元件使用方便，维护简单。气体传动的缺点：1、压缩性大，气动系统的稳定性差，负载变化对工作速度的影响较大，给位置控制和速度控制带来了很大影响。2、工作压力低（一般为0.40.8MPa），且结构尺寸不易过大，气动系统不易获得较大输出力和力矩，不适于重载系统。3、号传递速度比光、电信号慢 ，不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路。4、有较大的排气噪声
18、。5、无润滑性能。6、气压系统有泄漏。2.1.4 气动自动化的发展前景1、功能不断增强，体积不断缩小。2、模块化和集成化。3、智能化。4、整套供应。2.2 气动执行元件 2.2.1 气缸1、在机械手中选用的气动执行元件为产生直线往复运动的气缸。2、普通气缸（单作用气缸和双作用气缸）（1）双作用气缸的动作原理： 当从无杆腔的气口输入压缩空气时，如气压作用在活塞右端面上的力克服了运动摩擦力、负载等各种反作用力，推动活塞前进，有杆腔内的空气经该端气口排入大气，是活塞杆伸出。同样，当有杆腔端气口输入压缩空气，活塞杆退回到初始位置。通过无杆腔和有杆腔的交替进气和排气，活塞杆伸出和退回，气缸实现往复直线运
19、动。（2）单作用气缸的动作原理：压缩空气仅在气缸的一端进气，推动活塞运动。而活塞的返回是借助于弹簧力、膜片的张力及重力等。3、气缸的结构（1）缸筒：一般采用铝合金管、不锈钢管、铜管等。缸筒与活塞配合精度H9级，圆柱度允差0.020.03100，表面粗糙度为Ra0.20.4，缸筒两端面对内孔轴线的垂直度允差为0.050.1mm。气缸筒应能承受1.5倍最高工作压力条件下的耐压试验。（2）活塞杆：用来传递力的重要零件。活塞杆材选用35、45碳钢。（3）活塞：气缸活塞受气压作用产生推力并在缸筒内滑动。（4）导向套：用作活塞杆往复运动时的导向。导向套内径尺寸允许公差一般取H8，表面粗糙度Ra0.4.4、
20、气缸的选择与使用（1）气缸的选择：主要考虑气缸的规格、缸径和行程（2）气缸的使用：安装方式；安全规范；工作环境。2.3 气动检测器件传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数精心精确可靠的测量，无论是信号转换、信息处理，或者最佳数据的显示和控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测控制系统。现代电子技术和电子计算机为信息转换与处理提供了极其完善的手段，是检测与控制技术发展到崭新阶段。但是如果没有各种精确可靠的传感器去检测个原始数据并提供真实的信息，那么计算机也无法发挥应有的作用。如果把计算机比喻为人的大脑，传感器则为人的五官。在气动自动化
21、系统中，传感器主要用于测量设备运行中工具或工件的位置等物理参数，并将这些参数转换为相应的信号，以一定的接口形式输入控制器。在机械手与计数系统中我们用到的是电感式，光电式和光纤式传感器。2.3.1 电感式传感器（接近开关）1、电感式接近传感器工作原理：接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。它利用位移传感器对接近物体具有的敏感特性达到识别物体接近并输出开关信号的目的，因此，通常又把接近传感器称为接近开关。 电感式接近传感器是一种利用涡流感知物体接近的接近开关。它有高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如图所示。感知敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，在检测线圈
22、的工作面上存在一个交变磁场。当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使震荡减弱直至停振。振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。图2.2 电感式传感器的工作框图 电感式接近传感器只对金属对象敏感，因此电感式接近传感器不能应用于非金属对象检测。同时，由于高频振荡线圈产生的交变磁场是散射的，这样当金属对象不断接近传感器的前端时，会触发传感器状态的变化，而在传感器的周围出现金属对象时传感器也会发出讯号。对检测正确性要求较高的场合或传感器安装周围有金属对象的情况下，需要选用屏蔽式电感性接近传感器，因为这种内型的传感器事先已经将振荡线圈周围的磁场进行了屏蔽，只有当金属对象
23、处于传感器前端时才触发传感器状态变化。另外，电感式接近传感器的检测距离会因被检测对象的尺寸、金属材料，甚至金属材料表面度层的种类和厚度不同而不同；因此，使用时应查阅相关的参考手册。2.3.2 光电式传感器1、光电式传感器的组成光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件组成。框图如下： 图2.3 光电式传感器组成框图光电式传感器是把被测量的变化转化成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光电信号转换成电信号。2、光电式传感器的分类：基于外光电效应的光电敏感器件有光电管和光电倍增管。基于光电导效应的有光敏电阻。基于势垒效应的有光电二极管和光电三极管(见半导体光敏元件)。基于侧向光电效应的有反转光敏二
24、极管。光电式传感器还可按信号形式分为模拟式光电传感器(见位移传感器)和数字式光电传感器（见转速传感器、光栅式传感器、数字式传感器）。 （1）光电传感器的构成 光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。 光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和检测电路。 图2.4 光电传感器发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电传感器的结构元件中
25、还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴025的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。光纤（又称光导纤维LWL），它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。分类和工作方式 （1）槽开光电开关 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从
26、槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。 （2）对射式光电开光 若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。 （3）反光板反射式光电开关 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式
27、）光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。 （4）扩散反射式光电开关 它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关控制信号。 （5）光纤式光电开关 把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。 3、光纤式传感器（1）光纤传感器
28、的工作原理和特点光纤传感器主要由光导纤维、光源和光探测器组成。半导体光源具有体积小、重量轻、寿命长、耗电少等特点，是光纤传感器的理想光源，常用的有半导体发光二极管和半导体激光二极管。光纤传感器的中的光探测器一般均为半导体光敏元件。作为光纤传感器核心部件的光导纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种煤质。光导纤维由高折射率的纤芯和低折射率的包层组成。当通过轴线的子午光线从光密物质（具有较大折射率）射向光疎物质（较小折射率），且入射角大于全反射临界角时，光线将产生全反射，即入射光不再进入包层，全部被内外层的交界面所反射。如此反复，光线将通过光导纤维很好地进行传输。根据光纤在传感器中的作用可以分为传光型和功能型两种类型。在传光型光纤传感器中，光纤仅起传输光信号的光学通路的作用，被测参数均在光纤之外，有位置敏感元件调制到光信号中去。由于光纤传输光信号效率高、损耗低、抗干扰能力强，而且光纤本身直径小、重量轻，使光学通路的设置更加灵活、可靠，大大改善了传统光电检测技术的不足。第三部分 PLC控制系统3.1 PLC的概念及组成3.1.1 PLC的概念可编程序控制器（Programmable Controller）简称PC。但由于PC容易和个人计算机（Personal Compu
