【導(dǎo)讀】機(jī)械手在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分。揀物品、代替人的繁重勞動(dòng)?？梢詫?shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)。和原子能等部門。采用整體化的設(shè)計(jì)思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互補(bǔ)。在其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)中選擇PLC的控制。單元來(lái)完成系統(tǒng)功能的初始化、機(jī)械手的移動(dòng)、故障報(bào)警等功能。了一種簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。械手的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其他經(jīng)濟(jì)型PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒價(jià)值。§執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇.§氣動(dòng)元件選取及工作原理........

　　

【正文】 跨范圍使用 PLC ，或者某些功能或信號(hào)有特殊的速度要求時(shí)，則應(yīng)該慎重考慮 PLC 的響應(yīng)速度，可選用具有高速I ／ O 處理功能的 PLC ，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的 PLC等。 本系統(tǒng)不需要 跨范圍使用 PLC 對(duì)某些 功能或信號(hào) 也沒(méi)有 特殊的速度要求 ，不需要 選用具有高速 I ／ O 處理功能的 PLC 。 (5) 滿足 系統(tǒng)可靠性要求 對(duì)于一般系統(tǒng) PLC 的可靠性均能滿足。對(duì)可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng) 。 本系統(tǒng)選用 一般系統(tǒng) PLC 能夠滿足要求，不需要考慮太多此方面的問(wèn)題。 (6) 機(jī)型 盡量 統(tǒng) 一 一個(gè)企業(yè)，應(yīng)盡量做到 PLC 的機(jī)型統(tǒng)一。 以保證 其模塊可互為備用，便于備品備件的采購(gòu)和管理 ； 有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高 ； 其外部設(shè)備 可以 通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計(jì)算機(jī)后易于形成一個(gè)多級(jí)分布式控制系統(tǒng)。 本課題的要求不高，不需要考慮配備上位計(jì)算機(jī)，但為了方便采購(gòu)和管理等我們還是要求機(jī)型要統(tǒng)一。 二、 確定 PLC 的 容量 PLC的容量包括 I ／ O 點(diǎn)數(shù)和用戶存儲(chǔ)容量?jī)蓚€(gè)方面。 1 ）確定系統(tǒng)的實(shí)際輸入 點(diǎn)數(shù) 系統(tǒng)由 啟動(dòng)按鈕 SB1 、 停止按鈕 SB2 、急停按鈕 SB3 、手臂復(fù)位按紐SB4 、顏色 傳感器 ST1 、左旋極限傳感器 ST2 、右旋極限傳感器 ST3 、上升限位傳感器 ST4 、下降限位傳感器 ST5 、 手臂縮回 限位傳感器 ST6 、手臂伸出 限位傳感器 ST7 、超上升 限位傳感器 ST8 、超下降 限位傳感器 ST9 、超左旋 限位傳感器 ST超右旋 限位傳感器 ST11 、超伸出 限位傳感器 ST12 、超縮回 限位傳感器 ST1 工件檢測(cè)傳感器 PS1 、系統(tǒng)的自動(dòng) / 手動(dòng)控制開關(guān) SA以及手動(dòng)的升降、左右旋轉(zhuǎn)、伸縮、吸放按鈕（ SB5SB12 ）作為個(gè)輸 入繼電器的外部控制點(diǎn)，共有 28個(gè)輸入點(diǎn)。 2 ）確定系統(tǒng)的實(shí)際輸出點(diǎn)數(shù) 系統(tǒng)有手臂左旋、右旋、伸出、縮回、上升、下降、吸物、放物的電磁閥動(dòng)作，報(bào)警指示燈、原位指示燈及 自動(dòng) / 手動(dòng)指示燈工作，一 共 12個(gè)輸出點(diǎn)。 3 ）確定應(yīng)選擇 PLC 的點(diǎn)數(shù) PLC 平均的 I ／ O 點(diǎn)的價(jià)格還比較高，因此應(yīng)該合理選用 PLC 的 I ／O 點(diǎn)的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭(zhēng)使用的 I ／ O 點(diǎn)最少，但必須留有一定的裕量。 通常 I ／ O 點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對(duì)象的輸入、輸出信號(hào)的實(shí)際需要，再加上 10％ 到 15％的裕量來(lái)確定。 本系統(tǒng)的輸入、輸出實(shí)際需要 40個(gè)點(diǎn)，所以本 系統(tǒng)的 PLC 輸入、輸出點(diǎn)數(shù)定為 48點(diǎn)比較合適，但輸入和輸出各應(yīng)留有 裕量 。 4 ）確定系統(tǒng)同時(shí)接通輸入 / 輸出點(diǎn)的數(shù)量 a. 同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)量 對(duì)于選用高密度的輸入模塊 ( 如 32點(diǎn)、 48點(diǎn)等 ) ，應(yīng)考慮該模塊同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)一般不要超過(guò)輸入點(diǎn)數(shù)的 60％。 同時(shí)接通輸出設(shè)備的累計(jì)電流值必須小于公共端所允許通過(guò)的電流值，如一個(gè) 220V／ 2A的８點(diǎn)輸出模塊，每個(gè)輸出點(diǎn)可承受 2A的電流，但輸出公共端允許通過(guò)的電流并不是 16A(8 2A) ，通常要比此值小得多。一般來(lái)講，同 時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不要超出同一公共端輸出點(diǎn)數(shù)的 60％。 對(duì)同時(shí)接通的輸 / 入輸出點(diǎn)的制約， 此系統(tǒng)是可以滿足的。 (2) 系統(tǒng) 存儲(chǔ)容量 的選擇 PLC 的 I ／ O 點(diǎn)數(shù)的多少，在很大程序上反映了 PLC 系統(tǒng)的功能要求，因此可在 I ／ O 點(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲(chǔ)容量后，再加 20％ 到30％的裕量。 存儲(chǔ)容量（字節(jié)）＝開關(guān)量 I ／ O 點(diǎn)數(shù) 10 ＋ 模擬量 I ／ O 通道數(shù) 100 A=40*10+0*100 =400 （字節(jié)） 另外，在存儲(chǔ)容量選擇的同時(shí)，注意對(duì)存儲(chǔ)器的類型的選擇。 但是 ，本課題要求的 存儲(chǔ)容量 很低，一般的 PLC 能夠滿足，所以我們不需要考慮 存儲(chǔ)容量 。 三、 確定 PLC 的 I ／ O 模塊 一般 I ／ O 模塊的價(jià)格占 PLC 價(jià)格的一半以上。 PLC 的 I ／ O 模塊有開關(guān)量 I ／ O 模塊、模擬量 I ／ O 模塊及各種特殊功能模塊等。不同的 I ／ O模塊，其電路及功能也不同，直接影響 PLC 的應(yīng)用范圍和價(jià)格，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需要加以選擇。 根據(jù)本課題要求，不需要用到 模擬量 I ／ O 模塊及各種特殊功能模塊 ，所以只需要對(duì) 開關(guān)量 I ／ O 模塊選擇 即可。 （ 1 ） 開關(guān)量輸入模塊的選擇 開關(guān)量輸入模塊是用來(lái)接收現(xiàn)場(chǎng)輸入 設(shè)備的開關(guān)信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC 內(nèi)部接受的低電壓信號(hào)，并實(shí)現(xiàn) PLC 內(nèi)、外信號(hào)的電氣隔離。選擇時(shí)主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： 1 ）輸入信號(hào)的類型及電壓等級(jí) 開關(guān)量輸入模塊有直流輸入、交流輸入和交流／直流輸入三種類型。選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)和周圍環(huán)境因素等。直流輸入模塊的延遲時(shí)間較短，還可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入設(shè)備連接；交流輸入模塊可靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。 開關(guān)量輸入模塊的輸入信號(hào)的電壓等級(jí)有：直流 5 Ｖ、 12Ｖ、 24Ｖ、 48Ｖ、 60Ｖ等；交流 110 Ｖ、 220 Ｖ等。選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來(lái)考慮。一般 5 Ｖ、 12Ｖ、 24Ｖ用于傳輸距離較近場(chǎng)合，如5 Ｖ輸入模塊最遠(yuǎn)不得超過(guò) 十米 。距離較遠(yuǎn)的應(yīng)選用輸入電壓等級(jí)較高的模塊。 本系統(tǒng) 傳輸距離較近 可選擇 24Ｖ 直流輸入。 2 ）輸入接線方式 開關(guān)量輸入模塊主要有匯點(diǎn)式和分組式兩種接線方式 。 匯點(diǎn)式的開關(guān)量輸入模塊所有輸入點(diǎn)共用一個(gè)公共端（ COM ）；而分組式的開關(guān)量輸入模塊是將輸入點(diǎn)分成若干組，每一組（幾個(gè)輸入點(diǎn)）有一個(gè)公共端，各組之間是分隔的。分組式的開關(guān)量輸入模塊價(jià)格較匯點(diǎn) 式的高，如果輸入信號(hào)之間不需要分隔，一般選用匯點(diǎn)式的。 所以本系統(tǒng)考慮價(jià)格便宜問(wèn)題，且 輸入信號(hào)之間不需要分隔 ， 選用匯點(diǎn)式 較合適。 3 ）輸入門檻電平 為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須考慮輸入門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸距離也越遠(yuǎn)，具體可參閱 PLC 說(shuō)明書。 （ 2 ） 開關(guān)量輸出模塊的選擇 開關(guān)量輸出模塊是將 PLC 內(nèi)部低電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)外部輸出設(shè)備的開關(guān)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn) PLC 內(nèi)外信號(hào)的電氣隔離。選擇時(shí)主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： 1 ）輸出方式 開關(guān)量輸出模塊有繼電器輸出 、晶閘管輸出和晶體管輸出三種方式。 繼電器輸出的價(jià)格便宜，既可以用于驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，又可用于直流負(fù)載，而且適用的電壓大小范圍較寬、導(dǎo)通壓降小，同時(shí)承受瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強(qiáng)，但其屬于有觸點(diǎn)元件，動(dòng)作速度較慢（驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，觸點(diǎn)動(dòng)作頻率不得超過(guò) 1HZ ）、壽命較短、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場(chǎng)合。 對(duì)于頻繁通斷的負(fù)載，應(yīng)該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無(wú)觸點(diǎn)元件。但晶閘管輸出只能用于交流負(fù)載，而晶體管輸出只能用于直流負(fù)載。 本系統(tǒng)為中小型生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)，需要考慮 價(jià)格相對(duì)要便宜，而本系統(tǒng)對(duì)動(dòng)作速度要求不高，所以選擇 繼電器輸出 作為輸出方式。 2 ）輸出接線方式 開關(guān)量輸出模塊主要有分組式和分隔式兩種接線方式 。 分組式輸出是幾個(gè)輸出點(diǎn)為一組，一組有一個(gè)公共端，各組之間是分隔的，可分別用于驅(qū)動(dòng)不同電源的外部輸出設(shè)備；分隔式輸出是每一個(gè)輸出點(diǎn)就有一個(gè)公共端，各輸出點(diǎn)之間相互隔離。選擇時(shí)主要根據(jù) PLC 輸出設(shè)備的電源類型和電壓等級(jí)的多少而定。一般整體式 PLC 既有分組式輸出，也有分隔式輸出。 本系統(tǒng)選擇 分組式輸出 。 3 ）驅(qū)動(dòng)能力 開關(guān)量輸出模 塊的輸出電流 ( 驅(qū)動(dòng)能力 ) 必須大于 PLC 外接輸出設(shè)備的額定電流。用戶應(yīng)根據(jù)實(shí)際輸出設(shè)備的電流大小來(lái)選擇輸出模塊的輸出電流。如果實(shí)際輸出設(shè)備的電流較大，輸出模塊無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)，可增加中間放大環(huán)節(jié)。 4) 輸出的最大電流與負(fù)載類型、環(huán)境溫度等因素有關(guān) 開關(guān)量輸出模塊的技術(shù)指標(biāo)，它與不同的負(fù)載類型密切相關(guān)，特別是輸出的最大電流。另外，晶閘管的最大輸出電流隨環(huán)境溫度升高會(huì)降低，在實(shí)際使用中也應(yīng)注意。 PLC種類及型號(hào)選擇 PLC 種類較多，主要有西門子、三菱、 OMRON 、 FANAC 、東芝等，但能 配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱、 OMRON 的 PLC 。根據(jù)前面確定的 PLC 點(diǎn)數(shù)：實(shí)際輸入點(diǎn) 28點(diǎn)，實(shí)際輸出點(diǎn) 12點(diǎn)，綜合對(duì)比三菱 FX系列（包括 FX0S 、 FX1S、 FX0N 、 FX1N 、 FX2N等 ）、 西門子系列、 OMRON 系列中 I/O 點(diǎn)數(shù)為 48點(diǎn)各型號(hào)的 PLC 的價(jià)格、性能、實(shí)用場(chǎng)合等各方面。本系統(tǒng)可選擇 PLC 型號(hào)為： FX2N— 64MR — 001 ， 合計(jì)總數(shù) 64點(diǎn) — 32點(diǎn)輸入， DC24V， 32點(diǎn)繼電器輸出；尺寸（ mm ）： 220 87 90，其性能、價(jià)格都優(yōu)于其他 PLC 。 FX2N系列是 FX系列 PLC 家族中最先進(jìn)的系列，它能最大范圍地包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)，程式執(zhí)行更快，全面補(bǔ)充通訊功能，適合世界各國(guó)不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動(dòng)化控制應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。 該型號(hào) PLC 有 32個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)， 32個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)要求并留有一定的余量。 I/O 點(diǎn)數(shù)分配 根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作流程分析及 I/O 點(diǎn)數(shù)確定，可以確定電氣控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)分配，如表 、表 所示： 表 機(jī)械手控制輸入點(diǎn)分配表 輸入設(shè)備 輸入點(diǎn)號(hào) 輸入設(shè)備 輸入點(diǎn)號(hào) 啟動(dòng)按鈕 SB1 X000 手動(dòng)下降按鈕 SB6 X016 停止按鈕 SB2 X001 手動(dòng)左旋按鈕 SB7 X017 急停按鈕 SB3 X002 手動(dòng)右旋按鈕 SB8 X020 左旋極限傳感器 ST2 X003 手動(dòng)伸出按鈕 SB9 X021 右旋極限傳感器 ST3 X004 手動(dòng)縮回按鈕 SB10 X022 上升限位傳感器 ST4 X005 手動(dòng)吸氣按鈕 SB11 X023 下降限位傳感器 ST5 X006 手動(dòng)放氣按鈕 SB12 X024 手臂縮回限位傳感器ST6 X007 超上升限位傳感器ST8 X025 手 臂伸出限位傳感器ST7 X010 超下降限位傳感器ST9 X026 工件檢測(cè)傳感器 PS1 X011 超左旋限位傳感器ST10 X027 手動(dòng) SA X012 超右旋限位傳感器ST11 X030 自動(dòng) X013 超伸出限位傳感器ST12 X031 復(fù)位按鈕 SB4 X014 超縮回限位傳感器ST13 X032 手動(dòng)上升按鈕 SB5 X015 表 機(jī)械手控制輸出點(diǎn)分配表 輸出設(shè)備 輸出點(diǎn)號(hào) 輸出設(shè)備 輸出點(diǎn)號(hào) 左旋電磁閥 6YA Y000 吸氣電磁閥 7YA Y006 右旋電磁閥 5YA Y001 放氣電磁閥 8YA Y007 縮回電磁閥 2YA Y002 報(bào)警指示燈 L11 Y010 伸出電磁閥 1YA Y003 手動(dòng)指示燈 L12 Y011 上升電磁閥 4YA Y004 自動(dòng)指示燈 L13 Y012 下降電磁閥 3YA Y005 原位指示燈 L14 Y013 PLC 外部接線圖 根據(jù)表 、 分配輸入 / 輸出信號(hào)與 PLC 輸入 / 輸出接口分配情況及 所 選定的 PLC ，得到 PLC 的外部接線 圖 如圖 ： 圖 31 PLC 外部接線圖 機(jī)械手控制原理 在 PLC 的控制下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)等多種工作方式。手動(dòng)：利用按鈕對(duì)機(jī)械手每一動(dòng)作手動(dòng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)上升、下降、前伸、縮回、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、吸物、放物等操作；自動(dòng)：按下循環(huán)按鈕后機(jī)械手從原點(diǎn)位置開始連續(xù)不斷的執(zhí)行分揀物料的各步。 按下啟動(dòng)按鈕 SB1 ，系統(tǒng)初始化→擺動(dòng)氣缸右旋→水平手臂伸出→垂直手臂下降→吸物→垂直手臂上升→水平手臂縮回→擺動(dòng)氣缸左旋→垂直手臂下降→放物→垂直手臂的上升→回初始位置。 (1) 系統(tǒng)程序的初始化 按下啟動(dòng)按鈕 SB1 ，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能檢測(cè)，檢測(cè)正確后，進(jìn)入 控制系統(tǒng)的軟件，開始運(yùn)行程序。 (2) 擺動(dòng)氣缸右旋 初始化程序正常運(yùn)行后， PLC 的輸入端 X000接通輸入，輸出端 Y001輸出，右旋按鈕 SB8 接通，使三位四通電磁換向閥 12的 5YA 得電，擺動(dòng)氣缸會(huì)執(zhí)行右旋的命令。 (3) 水平手臂的伸出 擺動(dòng)氣缸右旋到指定位置時(shí)（ 90度 ）， PLC 輸入端 X004接通輸入，輸出端 Y003輸出，手臂前伸按鈕 SB9 接通，使三位四通電磁換向閥 10的 1YA 得電，執(zhí)行手臂前伸動(dòng)作。 (4) 垂直手臂的下降