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1、装订线毕业设计(论文)摘要本文将设计一台四自由度的机械手，它的主要的功用就是进行皮带轮间的物料传送。本文从介绍机械手出发，根据设计思路，完成了机械手的传动设计、驱动方式设计、控制系统设计。而在这几个大方面中，机械手的传动设计分为四个自由度的运动设计：旋转、伸缩、升降和夹放。通过对作用在机械手上的载荷力的计算，以及气动系统回路以及控制系统的设计，从而实现机械手自动工作：自动进行判断、物料传送过程、复位、单步和单周期等一系列动作。关键词 机械手，传动设计，驱动设计，控制系统设计Abstract This paper will design a four degree of freedom mani
2、pulator, the main function is to transfer material between the pulley. Starting from the instruction of the manipulator, according to the design ideas, I finished the transmission design, drive mode design and control system design. And in this several aspects, of the manipulator transmission design
3、 can be divided into four degrees of freedom movement design: rotation, adjustable, lift and clip put. Through to the effect of load in mechanical hand force calculation, and pneumatic system loop and the design of control system, so as to realize the automatic robots work: automatic judgment, mater
4、ial transfer process and reset, a single step and single cycle and a series of actions.Keywords manipulator, transmission design, drive mode design, control system design37装订线毕业设计(论文)目录1 绪论11.1机械手的历史11.2 机械手的组成21.3 机械手的分类22 物料传送机械手设计总体方案42.1 物料传送机械手设计要求42.2 基本设计思路42.2.1 系统分析42.2.2 总体设计框图52.3 物料传送机械手
5、结构设计62.3.1 物料传送机械手坐标形式的选择62.3.2 物料传送机械手的动作过程及时间分配62.3.3 物料传送机械手的基本参数72.4 物料传送机械手驱动与控制系统分析82.4.1 驱动方式的选择82.4.2 控制系统的选择83 物料传送机械手机械结构设计与计算93.1 物料传送机械手手爪设计93.1.1手爪结构及传动设计103.1.2 手爪部分必要计算113.2 物料传送机械手手臂设计143.2.1 伸缩机械臂的设计143.2.2 升降机械臂的设计153.2.3 旋转机械臂的设计173.3 物料传送机械手底座结构174 气压驱动回路设计195 物料传送机械手控制系统的设计215.1
6、 PLC简介215.2 PLC工作原理215.3 PLC机型的选择215.3.1 PLC机型的选择225.3.2 所选PCL的参数225.4 PLC控制面板的拟定245.5 机械手工艺过程和控制方案的确定245.4.1 明确工艺要求245.4.2 确定工艺流程255.4.3 传感器选择275.4.4 确定I/O点数275.5 PLC程序编写285.5.1 总体程序设计思路285.5.2手动程序的编写295.5.3 复位程序的编写305.5.4 自动控制程序的编写335.5.5 程序的调试35参考文献36致答谢词37附录38附录一：电气原理图38附录二：机械手装配图381 绪论1.1机械手的历史
7、机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美
8、国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德
9、国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环节。1.2 机械手的组成 一般来说，机械手主要有以下几部分组成： 1. 手部(或称抓取机构)：包括手爪、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。 2.
10、传送机构(或称臂部)：包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用。 3. 驱动部分：它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和电机四种驱动形式。 4. 控制部分：它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度与加速度)等。 5. 其它部分：如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。1.3 机械手的分类 机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为： 1. 按使用范围分类： (1) 专用机械手 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手
11、”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。 (2) 通用机械手 指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。 2. 按运动坐标型式分类： (1) 直角坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上
12、下升降(定为沿Z方向的移动)； (2) 圆柱坐标式机械手 手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动； (3) 球坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)； (4) 多关节式机械手 这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。 3. 按驱动方式分类： (1) 液压
13、驱动机械手 以压力油进行驱动； (2) 气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动； (3) 电力驱动机械手 直接用电动机进行驱动； (4) 机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。 4. 按机械手的臂力大小分类： (1) 微型机械手 臂力小于1； (2) 小型机械手 臂力为110； (3) 中型机械手 臂力为1030；(4) 大型机械手 臂力大于30。 我所设计的物料传送机械手，是以运送物料为目的的圆柱坐标式四自由度机械手。它采用气压与机械传动两种驱动方式，属于小型机械手。2 物料传送机械手设计总体方案2.1 物料传送机械手设计要求图1 机械手工作示
14、意图(1) 初始状态，按启动按钮传送带A开始传送物料，光电传感器开始工作，机械手回原点。(2) 当光电传感器检测到有物料时，传感器将信号传给机械手，机械手开始工作。(3) 机械手从初始位置开始运动，通过机械手臂的旋转，机械手抓伸出，机械臂下降，机械手抓抓紧来获得传送带A上的物料。(4) 获得物料后，通过机械臂升降，机械手抓的伸缩，机械臂旋转，机械手抓的放松，将物体运送到传送带B上。(5) 机械手完成这一系列动作后，开始重复工作。2.2 基本设计思路2.2.1 系统分析机械手是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要在一个生产过程中实现自动化，需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技
15、术和经济分析，从而判断机械手是否合适。所以要完成机械手的设计，一般要先做如下工作：(1) 根据机械手的使用场合，明确机械手的目的和任务。(2) 分析机械手所在的系统工作环境。(3) 认真分析系统的工作要求，确定机械手的基本功能和方案，如机械手的自由度数目、动作速度、定位精度、抓取重量等。进一步根据抓取、搬运物体的质量、形状、尺寸及生产批量等情况，来确定机械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。对此，我进行如下分析：(1) 本设计课题为物料传送机械手设计，是通过机械手进行两地物料运输的机械手。而机械手的使用场合，非常广泛，要涉及到物料的状态，运作流水线的环境等等因素，相较于我所掌握的理论知识和能
16、力，我选择非批量生产的小型物体加工流水线上的物料传送机械手。(2) 由于我所选择的机械手是非批量生产的小型物体加工流水线上的物料传送机械手，所以，机械手所在的系统工作环境一定是工厂，要求精度高，容错率低，速度快。(3) 再者是搬运物体的考虑，由于是小型物件，所以对机械手的抓取力量并无太高要求，而物体形状初步拟定为圆柱形，方便设计。 2.2.2 总体设计框图图2 总体设计框图如图2为总设计框图，说明如下：(1) 控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为CPU的选择，CPU程序的编写调试等。(2) 驱动系统：驱动
17、系统工作的驱动装置。(3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。(4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用。2.3 物料传送机械手结构设计2.3.1 物料传送机械手坐标形式的选择 根据所设计的机械手的运动方式：机械臂的转动，机械臂的升降，机械臂的伸缩，得到了机械臂的三个自由度。根据上文所说的，机械手按照坐标的分类情况，选择圆柱坐标式机械手更为妥当。 2.3.2 物料传送机械手的动作过程及时间分配物料传送机械手为完成物料传送的功能，需要完成以下几个动作，而每个动作的具体时间如下表所示，合计为38S：表1 机械手动作及时间分配（自定）动作时间分配
18、水平伸出8S水平收缩8S竖直上升3S竖直下降3S正向转动5S反向转动5S手部夹紧3S手部放松3S 2.3.3 物料传送机械手的基本参数 1. 机械手的最大搬运物料的重量是它的主参数。本论文物料传送机械手所搬运的物料质量可设定为5kg。2. 运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性，所以运动速度也是是物料物料传送机械手的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机械手的动作功能，限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影响机械手动作的平稳性。该机械手的最大平移速度为1m/s。 3. 伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键，也是机械手设计的基本参
19、数。过大的工作半径和伸缩行程，会增大机械手的运动负载，使得机械手刚性降低，而工作半径过小则不能够实现机械手的功能，限制了机械手的应用和扩展性。本论文物料传送机械手设定水平反向伸缩行程200mm，回转角度范围为90。机械手竖直方向的升降行程为100mm。4. 定位精度也是机械手的主要基本参数之一。机械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味着成本的增加。综合考虑，该物料传送机械手的定位精度设定为士0.5到士1mm之间。物料传送机械手的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料传送机械手各关节的行程和时间分配来决定。表2 物料传送机械手基本参数（自定）水平机构伸出范围：0500mm垂直机构升降范
20、围：100mm伸出速度：334mm/s上升速度：200mm/s收缩速度：334mm/s下降速度：200mm/s定位精度：士1mm定位精度：士1mm回转机构回转角度：180手爪搬运范围500mm回转速度：90/s定位精度：士52.4 物料传送机械手驱动与控制系统分析2.4.1 驱动方式的选择机械手常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种基本形式。液压驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，响应快，精度较高。但是需要有液压源，而且容易发生液体泄漏。气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，功率较小，速度不易控制，精度不高。电机传动能源简单，机构速度变化范围大，效率高，速度
21、和位置精度都很高，使用方便，噪声低，控制灵活。起初，我先选择电动机的传动结构，但是考虑到机械手的升降运动运用纯机械结构并不能达到理想传动效果。而机械手臂旋转如若使用气压或者液压传动，就必须带有旋转气压或者旋转液压缸，相对来说结构较为复杂，不利于设计。故改良方案，将驱动方式分成两个部分。其中，机械臂的回转采用电机传动的驱动方式，通过电机带动齿轮链进行旋转传动；而机械臂的伸缩、升降和机械手抓的抓取，都采用气压驱动方式。2.4.2 控制系统的选择这里选择用PLC控制的控制系统。3 物料传送机械手机械结构设计与计算3.1 物料传送机械手手爪设计 设计时考虑的几个问题： 1. 具有足够的夹紧力：在确定手
22、爪的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 2. 手爪间应具有一定的开闭角：两手爪张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手爪的开闭角。手爪的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手爪只有开闭幅度的要求。3. 保证工件准确定位：为使手爪和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手爪形状。考虑被抓取对象的要求，手爪形状设计成V型。4. 具有足够的强度和刚度：手爪除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强
23、度和刚度以防折断或弯曲变形，应当尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小。如下图所示：图3为机械手爪抓取物件示意图，V型手爪能够更好地将圆形物件夹紧。而图4是由我用UG所画的手爪大致立体图。图3 V型手爪抓取物件大致俯视图 图4 机械手爪模型3.1.1手爪结构及传动设计 1. 手爪抓取形式的选择按手爪夹持工件的部位又可分为内卡式和外夹式两种。这里选择外夹式手爪。2. 手爪传动方式的设计由于两边手爪的运动是在一个波动较小的范围张开和收拢，所以我选择齿轮齿条结构进行。齿轮齿条工作原理：将齿条固定，当齿轮转动时，齿轮轴沿齿条方向作直线运动。如图5，我设计的
24、这个机构，将齿轮A固定，使其只能绕着圆心转动。同时，气压泵通过改变气压带动轴D前后运动。图示为复位状态。当需要夹紧时，电动机带动D轴向后移动，同时，D上的齿条B也向后运动，从而带动齿轮A逆时针转动，而齿轮A的转动又会带动齿条C向右运动，从而带动齿条C上的手爪向物料靠拢直到夹紧物件。图5 手爪齿轮齿条结构简图3.1.2 手爪部分必要计算图6 手爪具体结构俯视图 1. 机械手夹持力的计算 如图所示，N为两齿轮中心距，b为齿轮与物料中心距，R为齿轮的齿顶圆半径。前文假设物料质量为5kg；V形手指的角度，摩擦系数为，。(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: (3-1)(2)根据手指夹持工件的方位
25、，可得握力计算公式: (3-2) 所以 (3)实际驱动力: (3-3)因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:所以， 所以夹持工件时所需夹紧气压缸的驱动力为。2. 气压缸的直径 本气压缸属于单向作用气压缸。根据力平衡原理，单向作用气压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: (3-4)式中: - 活塞杆上的推力 - 弹簧反作用力- 摩阻力，是驱动力与摩擦系数的乘积 (3-5)- 气压缸工作压力 弹簧反作用按下式计算: (3-6) (3-7) (3-8)式中:- 弹簧刚度 弹簧预压缩量 活塞行程 弹簧钢丝直径 弹簧平均直径 弹
26、簧有效圈数 弹簧材料剪切模量，一般取 在设计中，必须考虑负载率的影响，则 (3-9) 由以上分析得单向作用气压缸的直径: (3-10) 代入有关数据，可得 (3-11) 所以， 圆整数据，得由,可得活塞杆直径:圆整后，取活塞杆直径校核，按公式有: (3-12)其中，则:满足实际设计要求。3. 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:式中:6- 缸筒壁厚，mm- 气压缸内径，mm- 实验压力，取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为: (3-13) 取，则缸筒外径为:3.2 物料传送机械手
27、手臂设计机械手臂，在我的设计中，涉及到三个自由度：升降、伸缩、旋转。水平手臂作伸缩用，而垂直手臂则有两部分组成。与底座连接部分为机械臂旋转部分，通过电机带动齿轮链使得机械臂旋转；上面部分为机械臂升降部分，通过气压驱动控制机械臂的升降。所以，我将机械手臂的设计分为三个步骤，先完成垂直臂的设计，再完成水平臂的设计。3.2.1 伸缩机械臂的设计1. 手臂伸缩气压缸的尺寸设计 2.尺寸校核 (1) 在校核尺寸时，只需校核气压缸内径=50mm,半径R=25mm的气压缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强,则驱动力： (3-14)(2) 分析计算伸缩手臂加速度： 如下图所示，,将其分为三段，分别为加速状态
28、，匀速状态和减速状态。切运动距离L为500mm，所以有公式： (3-15) 又有加速度公式 (3-16) (3) 测定手臂质量为,加速度，则惯性力： (3-17) (4) 考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数, (3-18) 总受力 (3-19) 所以气压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。3.2.2 升降机械臂的设计1. 尺寸设计气压缸运行长度设计为=80mm,气压缸内径为=80mm,半径R=40mm,压强p=0.4MPa,则驱动力： (3-20) 2. 尺寸校核(1) 测定手臂质量为,则重力： (3-21)(2) 分析计算伸缩手臂加速度： 如下图所示，,将其分为三段，分别为加速状态，匀速状态和减速
29、状态。切运动距离L为100mm，所以有公式： (3-22) 又有加速度公式 (3-23) 则惯性力为： (3-24)(3) 考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数，如图所示： 若安装时升降臂完全竖直，则摩擦力为零。但在实际操作中，不能达到此效果，所以设定偏斜角度为13。所以重力G在机械臂面上有一个分力对机械臂侧面产生压力，故产生了摩擦力。则有公式： (3-25) (3-26) 总受力 (3-27)所以设计尺寸符合实际使用要求。3.2.3 旋转机械臂的设计如图所示，旋转机械臂固定在底座上。对于其传动方式，我选择了齿形带传动。通过电动机带动齿轮O1，经由齿形带传动，达到让齿轮O2转动的效果。同时，旋转
30、臂与齿轮O2通过键连接达到旋转臂转动效果。图7 齿轮链传动原理图齿轮带的传动比计算公式为 (3-21) 齿轮带的平均速度为 (3-22)3.3 物料传送机械手底座结构底座通常起到支撑和固定机械手及其他机构以及与外界机构连接的作用，其结构的设计应当根据机械手的功能特点和具体要求来决定。本任务中，物料传送机械手底座起着定位的作用，要求其有一定的刚性，所以机械手底座采用固定式，出于经济性的要求考虑，本机械手的底座采用落地固定式。对于通用机械手，控制部分则多布置在底座的后上方，或者单独布置一个控制箱，传动部分常常布置在机架内部或上方。我所设计的这款机械手，是放置在工厂内做物料输送的，所以对其有一定的通
31、用性要求。所以我采用分散式布置的方式，分开机械手的控制部分和传动部分。这样做还可以避免机械手因受到振动而影响其使用寿命。很明显，根据物料传送的功能需求，物料传送机械手手臂需要一个能使电动机固定于底座上的装置。 图8 物料传送机械手底座示意图4 气压驱动回路设计 本文设计的物料传送机械手部分驱动方式为气压传动，故需要设计气压回路。下图为我设计的气动回路简易系统：图9 气动回路控制图表3 气路各部分元件表序号型号规格名称数量1单向阀12分水过滤器13减压阀14油雾器15压力继电器16二位四通电磁滑阀37单向节流阀6 如图，气压泵输出空气经过单向阀，储存在气罐里。系统启动时，气罐输出空气通过气源处理
32、装置。气源处理装置由分水过滤器、减压阀和油雾器组成。分水过滤器是为了滤去空气中的灰尘、杂质、并将空气中的水分离出来。减压阀的作用就是减小气压。而油雾器是一种特殊的注油装置。它将润滑油以雾状形式喷于压缩空气中，随压缩空气一起流进需要润滑的部件，达到润滑的目的。经过气源处理，气体流经压力继电器。压力继电器通过内部的微动开关，自动联通或断开电气线路，实现执行元件的顺序控制或者安全保护。最后通过各继电器进行工作。为了调节各个通行机构的速度，在这里我选用单向节流阀的节流方式。单向节流阀正向流动起节流阀作用，反向流动起单向阀作用。选择单向节流阀的原因，是因为：(1) 其构造较为简单，便于制造和维修，成本较
33、低；(2) 此物料传送机械手的精度调节不高；(3) 由于是气压传动，密封性能要求也不需要很高。 电磁阀的通径，是根据各工作液压缸的尺寸，行程，速度计算出所需压缩空气流量，与选用的电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。5 物料传送机械手控制系统的设计5.1 PLC简介 PLC(Programmable Logic Controller)，是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算
34、机相同，基本构成为：(1)电源；(2)中央处理单元(CPU)；(3)存储器；(4)输入输出接口电路；(5)功能模块；(6)通信模块。5.2 PLC工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1. 输入采样阶段2. 用户程序执行阶段3. 输出刷新阶段5.3 PLC机型的选择 我选择使用三菱PLC。原因如下：首先是语言方面。西门子的编程语言相当复杂。不仅有我们学过的LAD(梯型图)，FBD(功能图)，STL(语句表)，还有我们没有接触到的许多
35、编程方式。对于我们这些大学生来说，西门子编程语言太过繁琐，不适合我们短时间的设计理解。在程序结构上，西门子采用结构化设计，而且在用户界面上，将数据和程序代码严格分开。而三菱就相对比较简单，方便我们快速掌握。综上，因为本次工艺流程设计的语言较为简单，只需要简单的指令编程即可实现，三菱可以对整体的I/O进行预先设置是直接方式还是刷新方式，而且有指令可以实现对局部I/O的立即刷新执行。有利于程序的设计，所以故选用三菱PLC。5.3.1 PLC机型的选择因每种品牌配置不一样，所以它的选型方式也有所差异。三菱PLC的型号有多种多样，FR-FX1N、FR-FX1S、FR-FX2N、FR-FX3U、FR-F
36、X2NC、FR-A FR-Q要选择相对应的机型，就要分析被控对象：此次PLC需要控制的对象为物料传送机械手，由于用途比较固定，I/O点数并不复杂，所以选择小型PLC即可。故选择三菱PCL中FX1N系列的PLC。5.3.2 所选PCL的参数表4 FS1S系列PLC的参数项目规格备注运转控制方式通过储存的程序周期运转I/O控制方法批次处理方法I/O指令可以刷新运转处理时间基本指令：0.55至0.7s应用指令：3.7至几百s编程语言逻辑梯形图和指令清单使用步进梯形图生成SFC类型程序程式容量内置2K步EEPROM存储盒(FX1n-EEPROM-8L)可选I/O配置最大总I/O由主处理单元设置指令数目
37、基本顺序指令：27步进梯形指令：2应用指令：85 最大可用167条应用指令，包括所有的变化辅助继电器(M)一般384点M0至M383锁定128点（子系统）M384至M511特殊256点M8000至M8255状态继电器(S)一般128点S0至S127初始10点（子系统）S0至S9定时器(T)100毫秒范围：0至3276.7秒63点T0至T5510毫秒范围：0至327.67秒31点当特殊M线圈工作时T32至T621毫秒范围：0.001至32.767秒1点T63计数器(C)一般范围：1至32767数16点C0至C15类型：16位增计数器锁定范围：1至32767数16点C16至C31类型：16位增计数
38、器 数据寄存器(D)一般128点D0至D12732位元件的16位数据存储寄存器对锁定128点D128至D25532位元件的16位数据存储寄存器对外部调节范围：0至255 2点通过外部设置电位计间接输入D8013或D8030&D803114数据特殊256点（包含D8030，D8031）从D8000至D825516位数据存储寄存器 变址16点V和Z16位数据存储寄存器 指标(P)用于CALL64点P0至P64用于中断6点100*至130*（上升触发*=1，下降触发*=0） 常数十进位K16位：-32768至+3276832位：-2147483648至+2147483647 十六进位H16位：000
39、0至FFFF32位：00000000至FFFFFFFF5.4 PLC控制面板的拟定 我初步设想的机械手工作，有三种工作状态：第一种是自动工作，用于批量物料搬运，使用时间长，普遍；第二种是单步工作，就是机械手只运送一次工件就停止运行，用于个别物料的搬运，使用时间不长；第三种为手动操作，是根据实际情况人为操作的控制方式。 图10 建议控制面板的设计5.5 机械手工艺过程和控制方案的确定5.4.1 明确工艺要求(1) 初始状态，按启动按钮传送带A开始传送物料，光电传感器开始工作，机械手回原点。(2) 当光电传感器检测到有物料时，传感器将信号传给机械手，机械手开始工作。(3) 机械手从初始位置开始运动
40、，通过机械手臂的旋转，机械手抓伸出，机械臂下降，机械手抓抓紧来获得传送带A上的物料。(4) 获得物料后，通过机械臂升降，机械手抓的伸缩，机械臂旋转，机械手抓的放松，将物体运送到传送带B上。(5) 机械手完成这一系列动作后，自行复位，开始重复工作。(6) 传送带B获得物体后，通过光电传感器测定是否有物体在传送带B上，来控制传送带B的工作。5.4.2 确定工艺流程确认工艺要求后，开始着手思考工艺流程。根据我的设计思路，完成一次物料传送动作需要完成如下几个步骤：判断物料；机械手准备(其中包括机械臂的上升旋转、机械手抓张开)；机械臂旋转到指定位置；机械臂下降；机械手抓取；运输过程(其中包括机械臂上升、
41、旋转、下降到指定位置，此期间机械手不放松)；机械手放松。在执行这个过程前，考虑到机械手在工厂中使用，不排除机器被误开状况，所以加入若20s内无物料信号则系统自动停止这条指令。执行中，分析整个流程，发下如下问题：(1) 如何设置机械臂运动限位，设置值为多少合适。为了最快速有效的完成传送工作，并且简化程序，我想为机械臂直接设计限位，而机械臂的每次运动都直接运动至限位，这样方便编程，并且方便操作。(2) 在整个过程中，无疑需要涉及到传感器。现在已知需要光电传感器来判断是否有物料，需要判断机械臂旋转的磁性传感器。那是否还需要其他传感器来完善整个系统也成为了一个需要思考改进的地方。 确定工艺流程后，就需
42、要制作工艺流程图，来更清晰的表现机械臂系统的运行情况。工艺流程图如下：图11 工艺流程图 根据工艺流程，可知此物料传送机械手工作的步骤，也能比较清晰的了解整个系统的运行情况。根据流程图，我们可以开始展开接下去的工作：根据工艺流程确定控制方案、选择传感器以及确定I/O分配点数。然后再根据流程图编写单步程序、总程序，调试，改进，最后的出设计成果。5.4.3 传感器选择从工艺流程的先后来看，传感器基本上可分为：上料机构用于检测物料有无的光电传感器；机械手机构上用到感应机械手旋转的电感传感器和磁性传感器。其中，光电传感器为光电漫反射型传感器，检测到有物料在皮带轮上时为PLC提供一个输入信号。电感传感器
43、是测定机械手旋转到位后，提供输出信号。磁性传感器是用于检测机械手与运货皮带轮的相对位置，当位置达到要求，传感器提供输出信号。表5 选定的各类传感器名称型号数量光电传感器E3Z-LS632电磁传感器D-A736电感传感器LE4-1K1 5.4.4 确定I/O点数表6 PLC的I/O点数分配序号PLC地址名称及功能说明序号PLC地址名称及功能说明1X1启动按钮1Y1上升电磁阀2X2停止按钮2Y2下降电磁阀3X3回原点开关3Y3伸长电磁阀4X4上升限位开关4Y4缩短电磁阀5X5下降限位开关5Y5步进电动机正转6X6伸长限位开关6Y6步进电动机反转7X7缩短限位开关7Y7抓紧电磁阀8X10左旋转限位开关23X31单周期运行9X11右旋转限位开关22X30单步运行10X12急停按钮21X27手动放松11X13手动操作20X26手动夹紧12X14光电传感器19X25