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PLC在工业机械手中的应用

发布时间:2016-12-20      文章来源:未知

1 绪论

1.1 机械手的特点

        机械手就是可以模仿人体的手和臂工作的器件,和人类手臂不同的是,它只能按照固定的程序进行搬运、抓取等工作。世界上第一台机械手是由美国发明的。如今的机械手具有工作持续时间长、出错率低等特点,它能适应各种人类无法适应的环境,例如高温作业、水下作业、放射性物料的装配等等。机械手的诞生是人类劳动由繁化简的体现,更是社会文明进步的象征。

1.2 机械手的结构

        如图1.1所示为机械手的外形图。
        目前所使用的机械手主要由三个部分组成:手部、运动机构、控制系统。
        手部:用来抓取物件,根据物件的结构,手部的结构也是多元化的,可以根据被抓取物体的结构,做到夹持、吸附等动作。
        运动机构:为了改变被抓取物体的位置,可以使手部做到向各个方向旋转、延伸或复杂运动的机构。

 

                 图1.1  机械手的外形图

1.3  机械手的分类

机械手有以下三种分类方法:驱动方式、适用范围、运动轨迹控制方式。
驱动方式:液压式、气动式、电动式、机械式;
适用范围:专用机械手、通用机械手;
运动轨迹控制方式:点位控制、连续轨迹控制。

1.4  机械手的应用

        1958年,机械手被发明出来,当时的技术并不完善,机械手只适用于小范围、固定的工作环境,应用率很低。如今的机械手能够灵活的完成在空间抓取、释放、搬运物体的动作,还能适应水下作业、高温作业等各种严苛的工作环境,凭借其适用范围广、工作条件不受限制等优点,它已然成为了工业制造必不可少的器件之一。
2  控制要求

        老式的机械手操作复杂,容错率低,但如今的机械手操作方式简单易懂,所以很受机械制造业的欢迎。如图2.1为机械手传送工件系统示意图及操作面板图,操作面板上有三种工作方式:手动、自动、回原点。将旋转按钮转至回原点处,则机械手会返回初始状态待命;将旋转按钮转至手动处,如果需要机械手上升,则需按下上升按钮,需要夹紧物件,则需按下夹紧按钮,根据实际情况选择相应的按钮;将旋转按钮转至自动处,则机械手将会按程序自动进行各个步骤,一个工作循环完结后会自动进入下一个工作循环,周而复始。现如今自动的工作方式在机械制造业的使用最为广泛。

               图2.1  机械手传送工件系统示意图及操作面板图

3  元器件选择

3.1  PLC的选择

PLC是由CPU、储存器、输入输出部件、编程器等外部程序组成的,选用合适的PLC应用于此则极为重要,应选用有以下特点的PLC:
(1)有品牌质量
(2)可靠性高、控制功能强、抗干扰力强
(3)能进行全面故障检测
(4)通用性好,拓展十分方便
如图3.1为PLC外部图

                        图3.1  PLC外部图

 
根据控制要求需要18个输入点,6个输出点,所以选择三菱可编程控制器FX2N-48MR。表3.1为FX2N-48MR系列主要技术指标

                   表3.1  FX2N-48MR系列主要技术指标表

最大I/O             48点 定时/计数器                256个
基本功能指令22条, 步进指令2条 继电器输出最大负载        80VA/24V
执行速度(us/步)         0.8us 输入输出响应时间              10ms
程序容量(步)              2KB 输入光电隔离
数据寄存器  通用:        200点
锁存用:                 7800点        
输出继电器接点隔离

 

3.2  气源处理装置

如图3.2为气动原理图。
本文所研究的机械手采用的是气动控制系统,因此选用合适的气源处理组件是很重要的。选用合适的气源处理组件应注意以下几点:
(1)能充分过滤空气中的杂质、凝结水
(2)能提供可调的工作压力且具有稳定性
(3)能直观的反映出被过滤出来的凝结水的量
如图3.3所示为气源处理组件实物图,该组件由空气压缩机提供输入气源,所提供的压力大约在0.8MPa左右,输出的压力可调,大约在0—0.8MPa左右。在气源处理组件和各个工作元件之间有很多气管和三通接口,它们是输送压缩空气的管道。

                

                         图3.2  气动原理图

                 

                       图3.3  气源处理组件实物图

3.3  气缸

        本次所研究的机械手采用的是气动控制系统,气动机械手由两个气缸所组成,分别为夹紧气缸以及推料气缸,这两个气缸都是标准双作用直线气缸。
        如图3.4所示为标准双作用直线气缸版剖面图。
        标准气缸:气缸结构简单通用,市面需求量大,气缸制造厂向市面推广和供应最广泛的气缸类型。
        双作用气缸:双作用气缸的优点在于它具有持续恒定的输出力,能将压缩空气稳定地输送给各工作器件。如图3.4所示,活塞的左右两边分别为排气口和进气口,当气缸进气时,P左<P右,则活塞向左运动;当气缸排气时,P左>P右,则活塞向右运动。

              

图3.4  标准双作用直线气缸

        在日常实践时,由于种种原因,标准双作用直线气缸的稳定性远远不够,为了让气缸能够更稳定可靠,需要对压缩气体的压强做出改变,这就需要添加一个器件:单向节流阀。顾名思义,单向节流阀由两个部分组成,分别是单向阀和节流阀,这两个阀相互并联。目前市场上的单向节流阀应用最多的就是用于调节气缸的速度,如图3.5为连接了单向节流阀的油缸,节流阀A安装在进气通口上,节流阀B安装在排气通口上。将B关闭,打开A,从A端开始进气,此时PA>PB,则活塞向B端运动,一定压力下,调节B的大小,即改变了PB大小,则可控制气缸左杆的伸出速度;反之PA<PB,则可控制气缸左杆的缩回速度,原理与伸出时相同,这里不再赘述。

              

                    图3.5  单向节流阀连接气缸

如图3.6为安装上单向节流阀的气缸外部图

               

图3.6  安装上单向节流阀的气缸

3.4  电磁阀

        根据上文气缸的工作原理,气缸内活塞之所以会运动是因为气缸进气端和排气端的压强差,P左>P右,活塞向右运动,P左<P右,活塞向左运动。现在的工业文明对自动化的要求越来越高,所以需要为机械手安装电磁阀组,如图3.7所示。图3.7中的电磁阀组是由单线圈电磁阀和双线圈电磁阀所组成,两个电磁阀是集中安装在汇流板上的。汇流板中两个排气口末端均连接了消声器,消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。这种将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成称为阀组,而每个阀的功能是彼此独立的。

               

 图3.8  电磁阀组 

3.5  传感器

        机械手上的传感器一般使用的是接近传感器,传感器又叫接近开关,本文所使用的传感器为磁感应式接近开关。如图3.9为安装了磁感应式接近开关的气缸。
 
图3.9  安装磁感应式接近开关的气缸
        磁感应式接近开关内有两片磁簧管组成的舌簧开关,如图3.10所示为舌簧开关,当气缸中有磁环的活塞靠近开关时,舌簧开关的两根磁簧管受到磁力作用而相互吸引,触点闭合;当磁环远离开关后,舌簧开关的两根磁簧管由于不受力的作用而上下分离,触点断开。
 
图3.10  舌簧开关

3.6  气动手指

        气动手指又叫气爪,它主要是用来完成抓取物体和夹紧物体的工作。如图3.11(a)、(b)所示为气爪的夹紧和松开示意图。
           
    图3.11a 气动手指松开                   图3.11b 气动手指夹紧
 
         如图3.11a 所示,由于P进气端口>P排气端口,则气动手指向上运动,气动手指松开,夹紧原理亦同。

4  软件设计

4.1  I/O分配表

如表4.1所示为机械手I/O分配表。

表4.1  机械手I/O分配表

输入信号  
名称 代号 输入  
启动 SB1 X0  
下限行程 SQ1 X1  
上线行程 SQ2 X2  
右限行程 SQ3 X3  
左限行程 SQ4 X4  
停止 SB2 X5  
手动操作 SB3 X6  
连续操作 SB4 X7  
夹紧 SB5 X10  
放松 SB6 X11  
单步上升 SB7 X12  
单步下降 SB8 X13  
单步左移 SB9 X14  
单步右移 SB10 X15  
回原点 SB11 X16  
工件检测 SQ5 X17  
  输出信号
  名称 代号 输出
  电磁阀下降 YV1 Y0
  电磁阀夹紧 YV2 Y1
  电磁阀上升 YV3 Y2
  电磁阀右行 YV4 Y3
  电磁阀左行 YV5 Y4
  原点指示 EL Y5

4.2  机械手的外部接线图

机械手的外部接线图如图4.1所示,装接线图如图4.2图4.3所示:
  
                           图4.1  外部接线图
                           图4.2  装接线图
                           图4.3  装接线图

4.3 机械手操作系统的程序

操作系统由三种操作程序组成:回原点、手动、自动,如图4.4为操作系统的程序  
 
                    图4.4  操作系统的程序
图中X6、X7、Y1为常闭触点,X16、X2、X4、X0为常开触点,CJ是一种跳转指令
将旋转按钮旋至回原点,则Y5灯亮;
将旋转按钮旋至手动,常闭触点X6中有电流经过,则指表盘显示为P0,程序不变,一段时间后,常闭触点X7通电,则指表盘显示为P1;
将旋转按钮旋至自动,则常闭触点X6有电流经过,常闭触点X7不带电。
 

4.3.1  回原位程序

回原位程序如图4.5所示。
4.3.2  手动单步操作程序

手动单步操作程序如图4.6所示。
 
                      图4.6 手动单步操作程序图
 
4.3.3  自动操作程序

自动操作程序如图4.7所示。
4.4  程序图

如图4.8为机械手程序图。

  

 图4.8  机械手程序图

 4.5  指令表

表4.2为程序指令表

表4.2  程序指令表

致谢

        本论文是在**老师热情关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和鼓励着我。从论文题的开题到最终完成,马老师始终给予我细心的指导和不懈的支持,不仅使我的知识面拓宽,概念理解更为深入透彻,而且还学到了许多做人的道理。从选题以来,导师的为人师表、渊博的知识、宽广的胸怀让终生受益;在此,谨向马老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意!
        感谢**学院给予我四年的教育和培养,感谢全体老师在四年里给予的关爱和帮助。还要感谢陪伴我一起愉快度过大学生活的各位同学,正是由于你们的帮助和支持,我才能克服一个又一个的困难,直至本次论文的顺利完成。
        在论文撰写即将完成之际,我的心情很感激,从开始选课题到任务的如期完成,期间还有许多可敬的老师、友善的同学、热心的校友,给予我莫大的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意!
 

参考文献

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[2] 王勇华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京航空航天大学出版社.2007.
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[4] 陈立定.电气控制与可编程控制器技术[M].北京人民邮电出版社,2007.3.5.
[5] 李国厚.PLC原理及应用设计[M].化学工业出版社,2005.10.


注:整篇word中有不少图片因为尺寸较大,不一一上传。稿件经Ucheck检测合格,结果为15%。

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