毕业设计（论文）瓷砖自动包装线的PLC控制

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1、 景德镇陶瓷学院毕业设计（论文）说明书中文题目：瓷砖自动包装线的PLC控制 英文题目：THE PLC CONTROL OF AUTOMATIC PACKAGING LINE OF TILES 院 系： 科技艺术学院 专 业： 07自动化(1)班 姓 名： 学 号： 指导教师： 起讫时间： 2011年3月19 5月20日 摘要本文叙述了一种基于PLC控制的五自由度应用型气动机械手的设计。文中详细介绍了机械手的整体设计、气压传动系统设计、电气控制系统设计等具体内容。气动机械手由于具有易实现直线运动、控制简便、介质便宜、传动快速、压力低、安全无污染、环境适应性强等特点,从而广泛应用于电子工业、包装机

2、械、印染机械、食品机械、农业机械等领域。可编程序控制器(即PLC)作为一种工业环境下的计算机控制装置,由于其极高的可靠性及应用极为方便,国内外正在迅速普及,并高速发展,日益成为机电控制及过程控制不可缺少的核心部件。在工业生产流水线中，利用气动机械手可以准确、快速地进行物品搬运，劳动强度大大减轻，生产的自动化程度得到提高。而气动技术与PLC技术相结合，则可以更为方便的实现机电一体化控制。关键词:五自由度机械手 可编程序控制器 气压传动 电气控制系统 顺序功能图 顺序控制 步进指令 自动控制ABSTRACTIn this paper, a PLC-based control of five deg

3、ree of freedom pneumatic robot application design. Described in detail the overall design of the robot, pneumatic drive system design, electrical control system design details. Pneumatic Manipulator with easy to achieve as a result of linear motion control is simple, inexpensive media, drive fast, l

4、ow-pressure, safe non-polluting, environment and other characteristics of adaptability, which is widely used in the electronics industry, packaging machinery, printing and dyeing machinery, food machinery, agricultural machinery and other fields. Programmable logic controller (PLC) environment as an

5、 industrial computer control devices, because of its high reliability and its application is extremely convenient, both at home and abroad is rapidly increasing, and the rapid development of increasingly mechanical and electrical control and process control can not be the lack of the core components

6、. In the industrial production line, the use of pneumatic robot can accurately, quickly and goods handling, greatly reduced labor intensity, degree of automation of production is improved. The PLC technology and aerodynamic technology, you can more easily control the realization of mechanical-electr

7、ical integration.KEYWORDS: Five degrees of freedom manipulator PLC Pneumatic Transmission Electrical Control System Sequential Function Chart Sequence Control Step instructions Automatic Control目 录第0章 绪 论- 4 -第一章瓷砖及生产介绍- 5 -1.1 陶瓷墙地砖的品种- 5 -1.2 陶瓷墙地砖性能指标及检测方法- 5 -第二章 瓷砖包装中的机械手- 7 -2.1 瓷砖包装设备的发展- 7 -

8、2.2 自动包装线的分类- 8 -2.3 机械手在自动包装中的应用- 9 -第三章 机械手控制方式的比较- 11 -3.1 继电器控制方式- 11 -3.2 单片机控制方式- 11 -3.3 微型计算机控制方式- 12 -3.4 PLC控制方式- 12 -3.5 选择PLC的原因- 13 -第四章 控制模型的设计- 14 -4.1模块式机械手及组成- 14 -4.2 总体方案的设计- 15 -4.3 机械手控制系统实例分析- 16 -第五章 PLC设计- 21 -5.1 PLC的简介- 21 -5.2 PLC的硬件组成- 21 -5.3 PLC控制I/O分配明细- 22 -5.4PLC的I/O

9、电气接线图- 25 -5.5软件的设计- 26 -第六章 典型电路- 32 -6.1 主电路设计- 32 -6.2 手动启动电磁阀电路- 32 -6.3 气动回路图- 33 -第七章 元器件的选择- 34 -7.1 PLC的选择- 34 -7.2 电磁铁的选择- 35 -7.3 电磁阀的选择- 35 -7.4 接近开关- 37 -7.5 组合开关、断路器的选择- 38 -第八章电气控制装置工艺设计- 39 -第九章 总 结- 41 -第十章 经济分析- 42 -9.1 目标成本- 42 -9.2 初步计算成本- 42 -9.3 经济分析及市场前景预算- 42 -致 谢- 43 -参考文献- 4

10、4 -附录附表1 元件清单附表2 电磁阀状态表附图1 控制面板布置示意图附图2 电气箱元件排列图0 绪 论近年来，建陶制造从华东和佛山等中高档建陶集中产区向全国迁移；优质建陶企业通过产业迁移加快产业区域布局，同时，优质建陶企业的迁移也带动新建陶产区由低档建陶生产向中高档建陶生产提升。全国范围内的建筑陶瓷转移、扩张、重新布局也带动全国建陶产业的发展。从建筑陶瓷整个行业来看，市场空间仍然很大。虽然建筑陶瓷业在欧美已属“夕阳产业”，但在中国还是“朝阳产业”，还会有很大的发展。美国金融海啸对中国建陶行业有影响，但并没有想象的那么大，也没有那么可怕。中国建陶业完全有能力轻松迈过这场经济灾难。随着我国建筑

11、陶瓷行业发展环境进一步改善，行业整体也将进一步提高。预计2010-2011年，我国建筑陶瓷行业增长速度将有所降低，收入年均增长率将达到32.0%，利润年均增长率将达到40.2%；2011年，行业收入将达到4798.0亿元，利润将达到287.3亿元。建筑陶瓷制品由于主要用于内墙建筑或装饰，对于产品辐射防护的安全性显得尤为重要。尽管原材料的放射性核素的含量随着产地的不同而不同，但考虑到我国经济建设的快速发展，我国原材料的使用量以及所使用原料的生产地也在不断变化，因此，为保护人体健康应对产品放射性进行控制。1 瓷砖及生产介绍1.1 陶瓷墙地砖的品种(1)功能墙地砖多孔性陶瓷坯体的利用：通过使用高温能

12、分解大量气体的原料和加入适量的化学发泡剂，制成体积密度只有0610gcm3，甚至更低的多孔性陶瓷坯体，这种比水还轻的陶瓷材料有多种用途。a保温节能砖：坯体表面施釉，具有保温节能效果，也便于清洗。不施釉的保温节能砖，表面粗糙，具有古朴典雅、返古归真的效果。b吸音砖：坯体空隙率高达4050，能起到减音效果，并有防火、保温作用，在室内音响设计中，利用吸音砖可获得最佳残音效果。c轻质屋瓦：制成屋面用瓦，可减轻房屋承重。d渗水路面砖：在砖内形成多孔连贯的气孔结构，能将地面水渗透到地下，具有普通广场砖的风格，又有透水、保水、防滑功能，是目前广场砖的替代品。抗静电砖；在人们日常工作活动中会产生静电。在安放精

13、密仪器的机房内，在存放易燃、易爆物品的仓库内，静电是非常有害的，为此，设计制造了抗静电砖。抗静电砖通常是在釉或坯中加入具有半导体性能的金属氧化物，使砖具有半导体性能，避免静电积累，达到抗静电的目的。(2)新型墙地砖微晶玻璃砖：砖的地层采用陶瓷料、面层采用微晶玻璃，成型采用二次布料技术，用辊道窑烧成。降低了生产成本，解决了微晶玻璃铺贴不便的问题。抛晶砖：又称抛釉砖、釉面抛光砖。是在坯体表面施一层烧后约15mm厚的耐磨透明釉，经烧成、抛光而成的。具有彩釉砖装饰丰富和瓷质砖吸水率低、材质性能好的特点，又克服了彩釉砖釉上装施不耐磨、抗化学腐蚀性能差和瓷质砖装饰方法简单的弊端。抛晶砖采用釉下装饰、高温烧

14、成、釉面细腻、高贵华丽，属高档产品。1.2 陶瓷墙地砖性能指标及检测方法1. 尺寸偏差：用游标卡尺或直钢尺测砖的长度、宽度及厚度（国标：指每块砖4个变长平均尺寸与工作尺寸的偏差）国标为0.6%：2. 表面质量：将不少于1的砖正面向上平铺好，并使其各部分光线达到一定标准，然后在规定距离内用眼目测；国家标准抛光砖：A、 斑点、起泡、溶洞、落脏、磕碰、麻面：相聚1m处目测不明显B、 裂纹、漏抛、漏磨、磨痕、磨划：不允许C、 色差：距砖3m处目测不明显国家标准釉面砖：A、缺釉、斑点、落脏、棕眼、熔洞、釉泡、剥边，坯粉： 相距1m处目测不明显B、裂纹：不允许C、色差：距砖3m处目测不明显3、变形：边直度

15、：测量相邻的边长并做比较，偏差国标0.5%直角度：以中线与相对应的边长作比较，偏差0.6%平整度：用对角线的长度与中心凹陷高度作比较，偏差0.5%4、吸水率：以产品在一定条件下吸收水分来表示，它表示的是坯体烧制的致密程度，吸水率越低，表示产品的致密度越好，另外吸水率还对产品的抗冻性有较大影响。5、莫氏硬度：将试样正面朝上、放平，然后手持实验用矿物质施力均匀的在试样正面刻画，再用肉眼观察其划痕情况；莫氏硬度越大，瓷砖的质量越好。6、耐磨性：产品表面抵抗外来物质研磨破坏的能力，一般用耐磨转数来表示，转数越多，耐磨性越好。7、耐急冷急热性：产品抵抗外界温度急剧变化而不被破坏的能力。8、耐酸碱性：用1

16、0%的强碱或强酸与砖面接触24小时，用酒精清洗釉面后，用HB铅笔划线，国家标准，用干布擦掉为A级用湿布擦掉为B级，擦不掉为C级。9、光泽度：将具有一定要求的黑玻璃的反光能力与被测此片的反光能力相比较，国家标准55度。2 瓷砖包装中的机械手2.1 瓷砖包装设备的发展现代化瓷砖包装的技术特点，主要表现在重视技术创新，以高新技术来推动创新。重视基础学科研究，大胆吸收其它行业科研成果，运用到新型包装设计与研制中来。现在，建筑卫生陶瓷行业，瓷砖实现了机电一体化。瓷砖包装机械设备加工精度高，定位准确，选用控制精度高的机械手依照最佳方案设计、制造出各种一体化瓷砖自动包装线方案，因而能保证瓷砖包装的质量与工作

17、效率。瓷砖自动包装线的问世是科信达在创新篇章上发出的又一强音。该设备采用模块化设计方法，分为摞砖、对齐、送纸、折纸、打包五大模块，根据用户的条件与需要合理优化配置模块，使生产效益最大化；而且摞砖模块采用的是升垛式摞砖方式，反应迅速，不损伤瓷砖的表面。同时，该设备适合塑料角支撑和泡沫支撑两种主流纸盒折叠包装方式，并通过简单的模块调整，能适用于600600800800瓷砖的包装。每分钟能达到6盒的工作频率，以每盒4块600600mm的陶瓷砖计，连续工作22小时则可包装11400。该设备采用触摸屏的人机对话界面方式，更容易、更直观地对包装线进行操作、调试及维护；并采用PLC控制方式，实时监控每个模块

18、的运行动作。高速度、高效率、易操作，使科信达的瓷砖自动包装线一经推出便得到了市场的认可，成为陶企生产中的好帮手。科信达自主研发的精明眼检测生产线，一经问世，便引发了陶机装备业的又一次轰动。用于在线检测瓷砖砖体尺寸（边长、边直度、大小头角度、对角线、对角线差值）的精明眼检测生产线，颠覆了传统的人工检测的生产工艺流程，解决了解决陶瓷企业大批量生产时人工检测速度慢，人为误差大，精度不统一，劳动量大等一系列的问题。而该公司最近又在原基础上，改进、完善，推出了第二代精明眼检测生产线，增加了人机界面设置，自动程度更高，操作更简单；测量产品的速度与精度都有进一步的提升。而且该设备达到了100在线测量，使陶企

19、可通过实时测量，报告砖体尺寸的变化，利于及时调整机器设备参数保证产品质量。同时，用户可按企业产品标准自行设定参数，设备将根据客户设定的分级尺寸范围，对产品进行分级处理，保证出厂产品尺寸完全符合设定要求。后续的困扎、缠绕包装，采用光、机、电、仪一体设计，应用了称量传感技术，采用了DSP、PLC控制，产品具有自动化程度高、高效、安全、便捷等特点，其自动化包装机单元、码垛单元及调试监控等技术有创新。具有800包/小时的生产能力，适应了我国高速发展的规模化生产和高效能现代化仓储物流业发展的需要。2.2 自动包装线的分类自动包装线是按包装的工艺过程，将各自动包装机和有关辅助设备，用输送装置连结起来，并具

20、有独立控制装置的工作系统。它能使被包装物品和包装材料按预定的包装要求和工艺顺序，经由各包装机完成包装的全过程。在自动包装线中，工人不需要直接参与操作，其主要任务不外乎是监视、调整和控制，以保证自动包装线的正常运行。自动包装线有许多突出的优点，如可提高包装质量、提高生产能力、改善劳动条件、减少占地面积、降低生产成本等。它特别适用于少品种、大批量的产品包装中。是包装工业的发展方向。自动包装线一般可按下列方式进行分类：（1） 按各包装机间的连接特征分类刚性自动包装线。各包装机间用输送装置直接连接起来，以一定的生产节拍运行。若某一台设备发生故障停车，将引起全线停车。柔性自动包装线。这种自动线在各包装机

21、间均增设储料器，由储料器对后续包装机供料，若某台机器发生故障，并不影响其它机器的工作，因此生产率较高，但投资较大。半柔性自动包装线。这种自动线把全线分成若干段，对故障少者不设储料器，使之具有“刚性”；对故障多者设置储料器，使之具有“柔性”。既保证了高生产率，投资又不过大。(2)按组合布局分类串联自动包装线。各包装机按工艺流程单台顺序连结。各单机生产节拍相同。并联自动包装线。为了平衡生产节拍，提高生产能力，将相同包装机分成数组，共同完成同一包装操作。这样的自动线称并联自动包装线。这类线中需设置一些换向或合流装置。混联自动包装线。它是在一条包装线中同时采用串联和并联两种形式。其目的是平衡各包装机的

22、生产节拍。该线一般较长，机器数量较多，故输送、换向、分流、合流装置种类多且复杂。2.3 机械手在自动包装中的应用2.3.1 机械手概况机械手是工业自动控制领域中经常用到的一种能够自动抓取、操作的装置。多用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成,主要完成移动、转动、抓取等动作。由于气动技术是以压缩空气为介质,以气源为动力的能源传递技术,其工作可靠性高、使用寿命长、对环境没有污染,所以在机械手的驱动系统中常采用气动技术。控制系统是机械手的指挥系统,它通过控制驱动系统,让执行器按照规定的要求进行工作,并检测其正确与否。可编程

23、控制器（PLC）是以微处理器为核心，集计算机技术、自动化控制技术于一体的一种新型工业控制系统。PLC一般采取易于理解和掌握的梯形图语言及面向工业控制的简单指令,形象直观，特别适合现场操作人员使用。与传统的继电接触器控制线路相比，PLC控制系统具有结构简单，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，设计、安装简单,易于操作、维修与维护等特点，现已广泛用于工业控制系统中。机械手控制系统越来越多的由可编程控制器(即PLC)来实现，用它控制机械手来完成各种规定2.3.2 机械手整体设计的基本要求对机器使用功能方面的要求:实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用

24、方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。对机器经济性的要求:机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用功能要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构2.3.3 对零件设计的基本要求机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现的，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引伸出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命期内

25、不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度、振动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足必要的条件，这些条件就是判定零件工作能力的准则。设计时应合理地选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。2.3.4 手部结构机械手手部(末端执行器)结构形式多样，但总的设计都有如下几点基本要求:一、应具有适当的夹紧力和驱动力，手指握力(夹紧力)大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏抓取物体;力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。二、手指应具有一定的开闭范围，手应具有一定

26、的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度)或开闭范围(对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离)，以便于抓取或退出物体。三、应保证抓取物体在手指内的夹持精度，应保证每个被抓取的物体，在手指内都有准确的相对位置。四、要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证自身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。3 机械手控制方式的比较目前，我国国内的控制方式有以下几种，通过它们之间的对比，我们可以发现PLC控制方式更具有独特的优越性。3.1 继电器控制方式这种方式简单直接，工作稳定可靠，成本低，但速度慢，效率低。随着生产规模的发展，机车对加工精度和生产效率及安全性有了更高的要求，

27、继电器、接触器的断续控制方式不能连续准确地反映信号。除此之外，随着工业自动化程度的不断提高，使用继电器电路构成的工业控制系统的缺陷不断暴露出来。首先表现在设计施工方面，继电器控制完成一项控制工程设计、施工、调试必须顺序进行，工作周期长、修改困难等缺点很快体现出来。工程越大其缺点就越突出，成千上万根导线连接得密如蛛网，只要有一个电器、一根导线发生故障，系统就不能工作，大大降低了可靠性。3.2 单片机控制方式单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具有生命力的机种，较适用于控制领域，通常情况下，单片机由单块集成电路芯片构成，内部含有计算机的基本功能部件：中央处理器CPU、存储

28、器和I/O接口电路等。因此，单片机只、需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是八位单片机已经成为当前单片机的主流。单片机的改善主要在以下四个方面：（1）为了提高工作速度和精度，CPU的功能有了明显的增强；（2）内部集成存储器的容量和常用的I/O接口电路的种类和数量明显增多；（3）随着芯片内部功能的增强和内部资源的丰富，单片机所需要的引脚数也要相应地增加；（4）在很多应用场合，单片机有很小的体积，只需较低的工作电压和极小的功耗。所以大多数单片机采用CMOS工艺，并增强了空闲和掉电两种工作方式。尽管如此，其硬件制作质量和抗干扰措

29、施很难达到高标准，且其环境适应能力差，难以在恶劣的工作条件下工作。3.3 微型计算机控制方式微型计算机开发系统是一种专门用途的微型计算机系统，他有齐全的硬件和丰富的软件资源，它不仅可以用来设计和调试微型计算机样机，而且也可以为微型计算机开发相对路的软件。利用微型计算机可以实现图形显示、辅助绘图与设计。但微机控制方式需要掌握难懂的汇编、BASIC、FORTRAL、PASCAL、C等语言，需要较高级的操作人员和环境要求，且不能应用于比较恶劣的工作环境。而PLC控制方式对操作人员的要求一般，不用学习专门的计算机语言，不需要用到较专业的软件知识，只是需要了解较简单的梯形图语言、操作系统等。且PLC 的

30、I/O接口多，各种配件齐全，很容易构成系统。3.4 PLC控制方式20世纪70年代末期，可编程控制器进入了实用发展阶段。计算机技术已经全面引入了可编程控制器中，使其拥有了更高的运算速度，超小型的体积，更可靠的抗工业干扰设计，使其功能发生了质的飞跃。模拟量运算PID功能及更高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪末期，可编程控制器的发展特点更加适用于现代工业控制的需求。从规模上来说，这个时期发展了大型机以及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，这些单元用于压力、温度、速度、位移等各式各样的控制场合；从产品配套上来说，生产了各种人机界面单元、通讯单元，使应用到可编程控制器

31、的工业控制设备的配套更加容易。这种控制方式的特点很多，有：可靠性高，扩展能力强，逻辑运算能力强，输入输出电路一律采用光电隔离，内部采用电磁屏蔽，从而能更好地适用于工作环境；配套齐全，功能完善，实用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC 作为通用工业控制计算机，它体积小，重量轻，能耗少；系统设计工作量小，维护方便，便于维修和改造。PLC用存储逻辑代替界限逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计以及建造的周期大大缩短，是现代工业工作控制系统的良好选择。通过上文对各种控制方式的比较，我们可以看出此次课题应该采用PLC控制方式更加合理。21世纪，可编程控制器会有更大的发展，将在工业以

32、及工业以外的众多领域发挥越来越重要的作用。3.5 选择PLC的原因次设计选择PLC是因为它有它自身的优点：(1) 好的通用性。PLC采用存储逻辑 , 其控制逻辑是以程序方式存储在内存中 , 要改变控制逻辑 , 只需改变程序即可 ,因而可通过编程来实现各种控制功能。而传统的继电控制系统要改变控制功能需重新设计和连线 , 耗时长、耗资大。(2) 高的可靠性。一方面 PLC在硬件上采用了诸如隔离、滤波、屏蔽、接地等一系列抗干扰措施 , 在模板机箱进行了完善的电磁兼容性设计 , 对元器件进行了精心的挑选; 另一方面 , 它采用了诸如数字滤波、指令复执、程序卷回、差错校验等一系列软件抗干扰措施及故障诊断

33、技术 , 以及在系统一级的冗余配置等。因而它的可靠性很高 , 其平均无故障时间可达 25万小时以上。(3) 强的功能。PLC不仅具有逻辑运算和控制 , 以及顺序控制等功能 , 而且还具有模拟转换、数模转换、高速计数、速度控制、位置控制、模拟量调节 (如 PID 控制 )以及远程通讯、生产监控等功能。 (4) 编程简单,使用方便。PLC编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图 , 它是一种面向控制过程、面向问题的 “自然语言”编程方式 , 容易掌握。对于企业中一般的电气技术人员和技术工人 , 这种面向生产、面向用户的编程方式 , 与常用的微机语言相比更容易接受。在PLC出现之前，大多数控制设备是

34、用硬接线逻辑设备。由于他们的逻辑性比较强，所以要对他们改动会比较困难，在更新机械设备的同时，只能研究新的控制设备，这不仅延长了生产周期，而且也提高了生产成本，在产品更新很快的今天，这些不足之处会大大限制企业的发展，降低企业的竞争力。而PLC的出现解决了以上的难题。它替代了硬接线控制设备，实现了软件编程，用程序来描述控制过程，要更改生成过程只需要改变程序就可以了。这大大缩短了生产周期，效率得到了明显的改善。4 控制模型的设计机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用于按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因

35、而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和自动包装等方面。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有（23）个自由度。设计的是一个五自由度工件搬运气动机械手。4.1

36、模块式机械手及组成模块式机械手是将一些通用部件，根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以底座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。通过模块选择与组合以构成一定范围内的不同功能或同功能不同性能、不同规格的系列产品。并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。各模块划分，如图4-1所示。图4-1 机械手各模块的组成4.2 总体方案的设计本课题目标是实现生产瓷砖连续自动包装,为5个自由度机械手控制系统.执行件作循环往复的直线水平运动和旋转运动,并且运动中速度要调节,运

37、动总体方框图见图4-2。因此,采用气动元件构成所需驱动系统。PLC控制器手指吸瓷砖面砖竖放检测瓷砖系统小臂对瓷砖分组（五个一组）瓷砖合格输入检测信号到控制器分析大臂放下合格瓷砖打包机完成封装和打包至生产线图 4-2 瓷砖自动包装机械手运动框图4.3 机械手控制系统实例分析4.3.1 机械手的结构该气动机械手具有五自由度（手指运动不计入自由度数），结构示意图，如图4-3 所示。臂部有3个自由度，即大臂45旋转、小臂五个位置的伸缩、手腕90旋转；手指有1个自由度，即手指的吸合和断开；还有腰关节180的旋转。该气动机械手具有五自由度（手指运动不计入自由度数），结构示意图，如图 所示。臂部有3个自由度

38、，即大臂45旋转、小臂五个位置的伸缩、手腕90旋转；手指有1个自由度，即手指的吸合和断开；还有腰关节180的旋转。图4-3 机械手的机构组成4.3.2 机械手的动作流程机械手的动作如图4-4所示，它是一个水平/垂直位移和旋转的机械设备，用来将瓷砖由右工作台搬到左工作台。左工作台是一个传送带,有步进电机控制(M1),手指每取走一块瓷砖传送带就步进一个位置,为下一块瓷砖做好准备.同时在机械手动作之前,光电开关检测传送带是否有瓷砖,以防止误动作,损坏机构.它的动作循环是：原位手腕旋转90光电检测信号手指吸盘吸合瓷砖手腕旋转90大臂旋转45腰关节旋转180大臂旋转45小臂伸出一个位置手腕旋转90手指吸

39、盘断开放下第一块瓷砖大臂旋转90手腕旋转90小臂缩回一个位置腰关节旋转180回到原位手腕旋转90手指吸盘吸合手腕旋转90大臂旋转45腰关节旋转180大臂旋转45小臂伸出一个位置手腕旋转90手指吸盘断开放下第二块瓷砖大臂旋转90手腕旋转90小臂缩回一个位置原位手腕旋转90手指吸盘吸合手腕旋转90大臂旋转45腰关节旋转180大臂旋转45小臂伸出一个位置手腕旋转90手指吸盘断开放下第三块瓷砖大臂旋转90手腕旋转90小臂缩回一个位置腰关节旋转180回到原位原位手腕旋转90手指吸盘吸合手腕旋转90大臂旋转45腰关节旋转180大臂旋转45小臂伸出一个位置手腕旋转90手指吸盘断开放下第四块瓷砖大臂旋转90手

40、腕旋转90小臂缩回一个位置腰关节旋转180回到原位原位手腕旋转90手指吸盘吸合手腕旋转90大臂旋转45腰关节旋转180大臂旋转45小臂伸出一个位置手腕旋转90手指吸盘断开放下第五块瓷砖大臂旋转90手腕旋转90小臂缩回一个位置腰关节旋转180回到原位。一个包装箱五块瓷砖包装完成,通信系统通知下一级系统进行打包、运走,一个循环过程结束.图4-4 机械手的动作模型4.3.3 机械手的工作过程分析本论文机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。其中，手腕的旋转由单线圈两位电磁阀控制。例如，当手腕向下旋转电磁阀通电时，手腕旋转，当碰到限位开关SQ2时停止。而当线圈断电时，手腕向上旋转而当碰

41、到限位开关SQ1时停止。当腰旋转电磁阀得电时，腰部旋转，碰限位开关SQ4停止，而断电时复位。机械手的工作过程如下：1） 原位状态下（机械手大臂在右限位、手腕在上限位SQ1、小臂在左限位SQ9动作），按启动按钮，机械手手腕开始动作。2） 手腕旋转90，当碰到限位开关SQ2动作，手腕旋转结束，机械手手指吸盘吸瓷砖。3） 吸合瓷砖延时1S，手指动作结束，机械手大臂开始旋转。4） 大臂旋转45碰限位开关SQ3动作，旋转结束，机械手腰开始动作。5） 腰旋转180碰限位开关SQ4动作，旋转结束，大臂开始动作。6） 大臂旋转180将第一块瓷砖放入包装箱1中。7） 手指吸盘断开，放下瓷砖延时1S。同时，向PL

42、C发出信号，小臂收缩一个位置。8） 小臂收缩到行程开关SQ8受压动作，收缩停止，腰旋转180。9） 重复步骤1）5）。10） 大臂旋转180将第二块瓷砖放入包装箱1中。11） 手指吸盘断开，放下瓷砖延时1S。同时，向PLC发出信号，小臂收缩一个位置。12） 小臂收缩到行程开关SQ7受压动作，收缩停止，腰旋转180。13） 重复步骤1）5）。14） 大臂旋转180，将第三块瓷砖放入包装箱3中。15） 手指吸盘断开，放下瓷砖延时1S。同时，向PLC发出信号，小臂收缩一个位置。16） 小臂收缩到行程开关SQ6受压动作，收缩停止，腰旋转180。17） 重复步骤1）5）。18） 大臂旋转180将第四块瓷

43、砖放入包装箱4中。19） 手指吸盘断开，放下瓷砖延时1S。同时，向PLC发出信号，小臂收缩一个位置。20） 小臂收缩到行程开关SQ6受压动作，收缩停止，腰旋转180。21） 重复步骤1）5）。22） 大臂旋转180将第五块瓷砖放入包装箱5中。23） 手指吸盘断开，放下瓷砖延时1S。同时，向PLC发出信号，小臂收缩一个位置。24） 小臂收缩到行程开关SQ5受压动作，收缩停止，腰旋转180。25） 完成五块瓷砖的包装，一个工作循环完毕。转入下一次循环。机械手按上述顺序周而复始地包瓷砖。即为瓷砖自动包装线。瓷砖通过传送带送到机械手，传送带为步进式控制。每当机械手从传送带上取走一块瓷砖时，该传送带向前

44、步进一个步距，将使机械手在下一个工作循环取走瓷砖。当机械手准备下降时，为了确保安全，必须在工作台无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到工作台上的工件尚未过来，机械手应自动停止下降，用光电开关X008进行无工件检测。传送带由电动机M1驱动，机械手腰部的回转运动由气动阀Y1、Y2控制，大臂的旋转运动由气动阀Y3、Y4控制，机械手的手指吸合与断开由气动阀Y5控制，小臂的伸缩运动分别有气动阀Y6、Y7、Y8、Y9、Y10控制。机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。手动操作：及时用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制。例如当选择大臂

45、旋转运动时，按下按钮，机械手大臂旋转。当选择吸合/断开运动是，按下启动按钮，手指吸合；按下停止按钮，手指断开。步进操作：每按下一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。单周期操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。5 PLC设计5.1 PLC的简介随着微电子技术、计算机技术、通信技术、容错控制技术、数字控制技术的飞速发展，可编程序控制器的数量、型号、品种以异乎寻常的速度发展。目前，可变程序控

46、制器的生产厂家众多，产品型号、规格不可胜数，但主要分为欧、日、美三大块。在中国市场上，欧洲的代表是西门子公司，日本的代表是三菱和欧姆龙公司，美国的代表是AB与GE公司。各大公司在中国均推出自己的从微型到大型的系列化产品。令人感到遗憾的是，国产PLC始终没有突破性的发展，占有市场份额很小。目前，在中国市场上最具竞争力的西门子公司、三菱公司、欧姆龙公司、AB公司所推出的PLC均为从小到大全系列的产品，可以满足各种各样的要求。5.2 PLC的硬件组成 PLC的硬件组成与微型计算机相似，其主机由CPU板、存储器、输入输出（IO）接口、电源等几大部分组成；可配备如编程器、图形显示器、通信接口等外部设备C

47、PU也称中央处理器，是由一片或几片大规模集成电路芯片组成的，相当于人的大脑，是PLC的核心部分；CPU的作用是可通过接口及软件向系统的各个部分发出各种命令，同时对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制运算、报警处理及逻辑判断等，实现对整个PLC的工作过程进行控制；目前大多数小型PLC都用8位或者16位单片机作CPU。 RAM为随机存储器，一般都是CMOS型的，耗电极微，在PLC中通常用锂电池作后备，失电时也不会丢失程序；ROM为只读存储器，系统程序固化在其中，用户不可更改，失电不受影响；EPROM为可擦除存储器，其写入和擦除时都必须要用专用的写入器和擦除器，用户很不方便；EEPROM为电可擦除只

48、读存储器，其内部的程序可通过编程器的写入和擦除。 IO接口是输入（IN）输出（OUT）接口的简称，是PLC主机与被控对象进行信息交换的纽带；PLC通过IO接口与外部设备进行数据交换，PLC的输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种类型，所有的输入输出信号均经过光电等隔离，大大增强了PLC的抗干扰能力。 常见的输出形式有继电器输出、晶闸管（SSR）输出、晶体管输出。特点是：继电器输出型：CPU驱动继电器线圈，令触点吸合，使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢（约10ms），可带较大的外部负载；晶体管输出型：CPU通过光耦合使晶体管通断，以控制外部直流负载，响应时间快（

49、约0.2ms），可带外部负载小；可控硅输出型：CPU通过光耦合使三端双向可控硅通断，以控制外部交流负载,开路漏电流大,响应时间较快(约1ms)。 可编程控制系统指以可编程控制器为核心单元的控制系统，一般由控制器（PLC）、编程器、信号输入部件、输出执行部件等组成，见PLC控制系统组成图（以FX2型PLC为例）。可编程控制系统可在不改变系统硬件接线的情况下，通过改变PLC的用户程序来改变被控对象的运行方式，大大地提高了控制系统的灵活性。5.3 PLC控制I/O分配明细概括地讲，PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式，每一次扫描所用的时间成为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，顺

50、序逐条地执行用户程序知道用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。执行用户程序时，需要各种现场信息，这些现场信息已接到PLC的输入端。PLC采集现场信息即采集输入信号有两种方式：1） 集中采样输入方式。2） 立即输入方式。5.3.1 输入/输出分析 分析系统信号输入/输出要求，系统I/O信号全部为开关量，其中：1）输入信号为12个开关量信号，它们分别为：起动、停止、连续/单循环选择、手指下限位、手指上限位、大臂左限位、腰右限位、小臂五个限位、吸合瓷砖。2）输出信号为12 个开关量控制信号它们分别为：瓷砖进料传送带A、手腕旋转、小臂收缩、小臂伸

51、张、小臂复位、大臂旋转、腰旋转、抓瓷砖和放瓷砖。5.3.2 用户程序容量估计 分析系统控制要求，一个工作循环分为11个工步，每一工步完成一些简单动作。因此，控制用的程序估计较短，约在三百步之内。综合分析系统要求，考虑系统的经济性和技术指标，选用三菱公司微型PLC，本文选用FX1S32MR001型号。5.3.3 安排I/O端口及所用内部元件地址 机械手控制系统I/O地址表见表 51表51 机械手PLC控制I/O地址表输入输出器件代号地址号功能说明器件代号地址号功能说明SQ0X0无瓷砖检测开关KM1Y1手腕气缸下旋转SQ1X1手腕旋转上限位KM2Y2手腕气缸上旋转SQ2X2手腕旋转下限位KM3Y3

52、大臂气缸外旋转SQ3X3大臂旋转外限位KM4Y4大臂气缸内旋转SQ4X4大臂旋转内限位KM5Y5腰气缸左旋转SQ5X5腰旋转左限位KM6Y6腰气缸右旋转SQ6X6腰旋转右限位KM7Y7小臂收缩2位置SQ7X7小臂1限位开关KM8Y8小臂收缩3位置SQ8X8小臂2限位开关KM9Y9小臂收缩4位置SQ9X9小臂3限位开关KM10Y10小臂收缩5位置SQ10X10小臂4限位开关KM11Y11吸瓷砖SQ11X11小臂5限位开关KM12Y12小臂复位到1位置开关0X12启动按钮M1(KM13)Y13传送带A运行开关1X13单步执行HLY14报警灯指示开关2X14循环执行开关3X15紧急停止5.4 PLC

53、的I/O电气接线图机械手的PLC I/O电气接线图如图51所示。SQ0SQ11十二个接近开关、开关03分别接X0X11、X12、 X13 、X14、 X15的16个输入，输出Y1y10、Y12分别接中间继电器的KM1KM10、KM12；Y11接电磁铁YC；报警指示灯接Y14。PLC输出信号通过中间继电器控制电磁阀的通断，从而控制气流回路来控制机械手的位置动作。手指的吸合/断开瓷砖由电磁铁控制。同时，当发生误动作时，发出报警信号，输出报警灯HL。图5-1 PLC电气接线图5.5 软件的设计5.5.1 控制流程图由系统的控制要求，设计控制程序流程图（见图5-1）。图5-1 控制程序流程图5.5.2

54、 机械手顺序控制梯形图图5-2 程序控制步进图5.5.3 指令表根据梯形图可得控制指令表（如表5-2所示）步数操作数操作码步数操作数操作码步数操作数操作码1LDM800234SETS2474LDIX52SETS036STLS2475OUTY54STLS037LDIX276ANDX55LDX138ANIY277OUTT7K106ANDX539OUTY280LDT77ANDX240ORIX281SETS298ANDX441OUTT3K1083STLS299ANDX944LDT384SETY410SETS2045SETS2585LDIX00012STLS2046LDIX386OUTT8K1013SE

55、TY1047ANIY389LDT814SETY448ORIX390SETS3015LDX149OUTT4K1092STLS3016SETS2152LDT493LDIX617LDIX053SETS2694OUTY618OUTY154LDIX295OUTT9K1019ORX055ANIY296LDT920OUTT0K1056OUTY297SETS3123SETS2257ORIX2100STLS3124SETY458OUTT5K10101SETY425LDIX061LDT5102LDIX00026OUTT1K1062SETS27103OUTT10K1027LDT164STLS27106LDT1028

56、SETS2365SETY4107SETS3229LDX066LDIX000109STLS3230OUTY167OUTT6K10110LDIX731ORX070LDT6111OUTY732OUTT2K1071SETS28112LDX733LDT273STLS28113OUTT11K10114LDT11135STLS35155LDIX0115SETS33136SETY4156OUTY1117STLS33137LDIX000157ORX0118SETY4138OUTT14K10158OUTT16K10119LDIX000141LDT14161SETS38120OUTT12K10142SETS3416

57、3STLS38123SETS34144STLS34164LDIX3125STLS34145LDIX9165ANIY3126LDIX8146OUTY9166OUTY3127OUTY8147LDX9167ORIX3128LDX8148OUTT15K10168OUTT17K10129OUTT13K10151LDT15171SETS39132LDT13152SETS37172RSTX13133SETS35154STLS37173OUTT18K10176LDT18177ANDX11178SETS20179ANDX10180SETS0181END6 典型电路6.1 主电路设计主电路电磁阀、接触器、自动空气

58、开关和热继电器控制，电路图如图6-1。图6-1 电磁阀驱动电路6.2 手动启动电磁阀电路点动按钮、接触器线圈、热继电器触头和可能用到的辅助继电器、熔断器控制，电路如图6-2所示。图6-2 点动控制电路6.3 气动回路图双电控换向阀可以保证电气系统发生故障时，机械手的动作不变。气缸靠电磁阀得电而动作，左移和右移分别为进气节流调速和排气节流调速。三位五通阀可以使手臂回转实现多点定位。减压阀可以精确调整手指的夹持力，防止夹持时工件或手指受损。两个快速排气阀，既可加快气缸起动速度，又可全程调速。各气缸的到位信号由磁性开关产生，PC控制器检测到信号后控制电磁阀做出下一步动作。其回路图如图6-3所示：图6

59、-3 气压控制机械手回路图7 元器件的选择7.1 PLC的选择近年来, PLC生产厂商不断推出功能更强的小型PLC, 更新换代的周期越来越短。如三菱公司的小型PLC FX 系列先后推出了FX2 、FX0S、FX0N、FX2C、FX2N、FX2NC、FX1S和FX1N等系列, 它们的性能价格比越来越高。本设计对压坯机的线路的PLC运用中我选用的是以FX2系列为主的产品。FX2系列产品的单元式的特点是非常紧凑，它将所有的电路都装入到一个模块中，构成了一个整体。这样的产品体积小巧、成本低、安装方便。由于一个单体内集中了CPU板、输入板、输出板、电源板等，对于一个单体内的输入和输出就有了一定的比例关系，FX2系列的主单元的输入和输出为1：1，在后面我们也可以看到，在本人选用的三菱F