[信息与通信]PLC在工业机械手中的应用.doc
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1、南通纺织职业技术学院毕业设计(论文) PLC在工业机械手中的应用南通纺织职业技术学院(论文) PLC在工业机械手中的应用沈凡班 级: 09 电气一 专 业:电气自动 化教 学 系: 机电系 指导老师: 马文静 完成时间 年 月 日至 年 月 日30摘要机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构,是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成;电气方面有电磁继电器、传感器、等电子器件组成。本文介绍的机械手是由PLC输出脉冲,分别驱动横轴、竖轴,控制机械手横轴和竖轴的精确定位,限位开关将位置信号传给PLC主机;位置信号由接近开关反馈给PLC主机,通过气缸的伸缩来控制机械
2、手手爪的张合,从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,可代替人工在高温和危险的作业区进行作业。近年来,日本三菱公司的FX2N系列PLC在我国已经广泛使用,并在各行各业的生产过程的自动控制担任着重要角色。本课题以FX2N48MR为例,讲述了小型可编程控制器的的构成、原理、指令系统、应用以及系统的设置、调试方法。关键字:PLC机械手指令系统目 录摘要I引言31 机械手的简介41.1 概述41.2 机械手的组成41.3 机械手的分类41.4 机械手的应用52 可编程控制器的选型62.1 I/O总点数的确定62.2 I/O点信号性质分析62.3 用户存
3、储器容量的估算63 气动机械手常用的气动元件73.1 气源处理装置73.2 标准双作用直线气缸73.3 单电控电磁换向阀、电磁阀组94 材料清单115机械手的PLC控制115.1 控制要求115.2 机械手的控制系统设计方案的比较125.3 输入和输出点分配表及原理接线图135.3.1输入和输出点分配表135.3.2接线图145.4 指令程序165.4.1操作系统程序165.4.2回原位程序165.4.3手动单步操作程序175.4.4自动操作程序185.5梯形图及指令表215.5.1 梯形图215.5.2指令表246 仿真与调试256.1仿真256.2 调试27设计总结28致谢29参考文献30
4、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。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等,已经随处可见。同时,现代生产中,存在着各种各样的生产环境,如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等,这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物,并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合,应用得更
5、为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重视。本课题拟开发物料搬运机械手,采用日本三菱公司的FX2N系列PLC,对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等;电气方面由PLC、熔断器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术,结合相应的硬件装置,控制机械手完成各种动作。1 机械手的简介1.1 概述机械手首先是由美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、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
6、有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。1.2 机械手的组成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。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、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
7、有23个自由度。1.3 机械手的分类按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。1.4 机械手的应用机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。另外,机械手在锻造工业中的应用不仅能进一步发展锻造设备的生产能力,而且还能改善热、累等劳动条件。2 可编程控制器的选型2.1 I/O总点数的确定由I/O分配表知,输入共18
8、个点,输出共6个点,I/O实际需24点。为留有今后工艺改进与功能扩充余地,在实际统计I/O点数基础上,一般加10-20余量,再考虑PLC产品本身规格,可取PLC的I/O总点数为48点。2.2 I/O点信号性质分析从机械手控制信号分析可知,机械手输入是位置开关信号,上/下限位开关、左/右限位开关等它们都是开关量,而输出主要是5个电磁阀线圈,以控制机械手的左移、右移、上移、下移、夹紧、放松的气路的通断。2.3 用户存储器容量的估算(1) I/O口总点数为48点且均为开关量,以每个I/O点需1O个字节估算则所需存储器字节数为:48*10=480B(2) 定时器有两个:一个夹紧延时、一个放松延时,以每
9、个定时器需2个字节估算则所需存储器字节数为:定时器/计数器数量*2=2*2=4B共需存储器字节数为:480+4=484B介于I/O输入接口为16个及技术和成本方面因素综合考虑,本设计选取日本三菱公司FX2N-48MR型PLC产品。FX2N-48MR型产品主要技术指标如下:表5.1 FX2N-48MR型产品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 气动
10、机械手常用的气动元件3.1 气源处理装置气源处理组件及其回路原理图分别如图3.1(a)(b)所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件,它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水,调节并保持恒定的工作压力。在使用时,应注意经常检查过滤器中凝结水的水位,在超过最高标线以前,必须排放,以免被重新吸入。气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关,用于启/闭气源,当把气路开关向左拔出时,气路接通气源,反之把气路开关向右推入时气路关闭。图3.1 气源处理组件气源处理组件输入气源来自空气压缩机,所提供的压力为0.61.0MPa, 输出压力为00.8MPa可调。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输
11、送到各工作单元。3.2 标准双作用直线气缸气动机械手的夹紧气缸和推料气缸都是标准双作用直线气缸。标准气缸是指气缸的功能和规格是普遍使用的、结构容易制造的、制造厂通常作为通用产品供应市场的气缸。双作用气缸是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动。图3.2是标准双作用直线气缸的半剖面图。图3.2中气缸的两个端盖上都设有进排气通口,从无杆侧端盖气口进气时,推动活塞向前运动;反之,从杆侧端盖气口进气时,推动活塞向后运动。双作用气缸具有结构简单,输出力稳定,行程可根据需要选择的优点,但由于是利用压缩空气交替作用于活塞上实现伸缩运动的,回缩时压缩空气的有效作用面积较小,所以产生的力要小于伸出时产生的推力。图3
12、.2 标准双作用直线气缸为了使气缸的动作平稳可靠,应对气缸的运动速度加以控制,常用的方法是使用单向节阀来实现。单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀,常用于控制气缸的运动速度,所以也称为速度控制阀。 图3.3给出了在双作用气缸装上两个单向节流阀的连接示意图,这种连接方式称为排气节流方式。即,当压缩空气从A端进气从B端排气时,单向节流阀A的单向阀开启,向气缸无杆腔快速充气;由于单向节流阀B的单向阀关闭,有杆腔的气体只能经节流阀排气,调节节流阀B的开度,便可改变气缸伸出时的运动速度。反之,调节节流阀A的开度则可改变气缸缩回时的运动速度。这种控制方式,活塞运行稳定,是最常用的方式。图3.3
13、 节流阀连接和调整原理示意单向节流阀上带有气管的快速接头,只要将合适外径的气管往快速接头上一插就可以将管连接好了,使用时十分方便。图3.4是安装了带快速接头的限出型气缸节流阀的气缸外观。图3.4 安装上气缸节流阀的气缸3.3 单电控电磁换向阀、电磁阀组如前所述,气动机械手中的气缸,其活塞的运动是依靠向气缸一端进气,并从另一端排气,再反过来,从另一端进气,一端排气来实现的。气体流动方向的改变则由能改变气体流动方向或通断的控制阀即方向控制阀加以控制。在自动控制中,方向控制阀常采用电磁控制方式实现方向控制,称为电磁换向阀。电磁换向阀是利用其电磁线圈通电时,静铁芯对动铁芯产生电磁吸力使阀芯切换,达到改
14、变气流方向的目的。图3.5所示是一个单电控二位三通电磁换向阀的工作原理示意。图3.5 单电控电磁换向阀的工作原理所谓“位”指的是为了改变气体方向,阀芯相对于阀体所具有的不同的工作位置。“通”的含义则指换向阀与系统相连的通口,有几个通口即为几通。图3.6(a)中,只有两个工作位置,具有供气口P、工作口A和排气口R,故为二位三通阀。图3.6(a)(b)(c)分别给出二位三通、二位四通和二位五通单控电磁换向阀的图形符号,图形中有几个方格就是几位,方格中的“”和“”符号表示各接口互不相通。图3.6 部分单电控电磁换向阀的图形符号机械手的执行气缸有单线圈电磁阀和双线圈电磁阀构成,上升下降动作由双线圈电磁
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- 信息与通信 信息 通信 PLC 工业 机械手 中的 应用
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