MPS 搬运站控制系统.docx
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MPS搬运站控制系统
第1章气动控制部分
1.1机械手单元
1.1.1机械手单元的结构及工作过程
机械手移送工件的机械系统及其结构如图1.2所示，用于将工作台A点的工件搬运到工作台B点上。
机械手的全部动作由电磁阀控制气动系统工作。
其上升/下降、左移/右移运动由电磁阀控制，其位置由磁性传感器检测，夹紧使用电磁阀控制气爪，使用压力传感器检测。
即当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手停止下降，但要保持现有的工作状态。
在上升电磁阀通电时，机械手上升；当电磁阀断电后，机械手停止上升。
夹紧电磁阀线圈通电时，机械手夹紧；线圈断电时，机械手放松。
图1.2机械手控制单元结构及移送工件的动作过程图
1.1.2机械手单元气动元件种类及结构符号
（1）导向气缸
导向气缸的外形、结构及符号如图1.3.所示，导向气缸的应用如图1.4所示。
DPZ-250双作用双活塞式气缸，行程长度250mm，用于机械手单元X轴的左右伸缩，双活塞气缸是由两个活塞进行驱动的，因此在相同高度的情况下能产生2倍于标准气缸的推力。
DPZCJ-80双作用双活塞式气缸，行程长度80mm，用于机械手单元Y轴的上下伸缩，其特点是该气缸结构简单，将导轨和气缸做于一体。
图1.3导向气缸的外形、结构及符号
图1.4导向气缸在传输系统中的应用
（2）气爪气缸（用于内抓或外抓工件）
气爪外形、结构及其符号如图1.5所示。
标准气爪是用于搬运及装配技术的系统产品。
其特点
-双作用活塞驱动、自对心；
-不同的夹紧方式:
向外夹紧，向内夹紧；
-可以以多种方式和其它驱动器进行结合；
-采用霍尔传感器或接近式传感器进行位置感应；辅件安装如图1.6所示。
-采用外部夹头，易于实现多样性。
图1.5HGD-50气爪外形、结构及其符号
图1.6HGD-50辅件的安装方法
1.2转动机械手单元
1.2.1转运机械手单元工作过程
转动机械手单元结构及动作过程如图1.7所示。
其工作是从供料站2中取出工件安装到机械手单元送来的工件上端完成装配过程。
图1.7转动机械手单元结构及动作过程图
1.2.2转运机械手单元
（1）DPZCJ-80双作用双活塞式气缸，行程长度80mm，用于机械手单元Y轴的上下伸缩，其特点是该气缸结构简单，将导轨和气缸做于一体。
（2）平行气缸（用于内抓或外抓工件）如图1.8所示。
Festo标准气爪是用于搬运及装配技术的系统产品，其特点
-双作用活塞驱动，自对心；
-不同的夹紧方式:
向外夹紧，向内夹紧；
-可以以多种方式和其它驱动器进行结合；
-采用霍尔传感器或接近式传感器进行位置感应；辅件的安装方法如图1.9所示；
-采用外部夹头，易于实现多样性
图1.8HGP-32-A气爪外形、结构及其符号图
图1.9HGP-32-A气爪的辅件的安装方法
1-标准气爪，2-气爪手指，3-安装螺钉，4-定位销，5-传感器。
（3）叶片式摆动气缸
DSM叶片式摆动气缸外形紧凑，占用空间小。
驱动力通过旋转叶片直接传送给驱动轴。
可调式止动系统和旋转叶片分离，以便于固定限位挡块或液压缓冲器来吸收所受到的力。
此外，旋转叶片还能通过终点位置的弹性垫获得辅助缓冲。
止动块不能被移去，因为旋转叶片本身不适合于作为终端位置限位挡块。
驱动器背面还有刻度以方便行程调节。
摆动气缸外形、结构及符号如图1.10所示。
图1.10DSM-10-180-P摆动气缸外形
摆动气缸的限位有两种方法，方法一：
使用传感器限位，安装方式如图1.11所示。
方法二：
使用缓冲器限位，安装方式如图1.12所示。
摆动气缸的固定安装方式有多种，如图1.13所示。
图1.11摆动气缸使用传感器限位的传感器形状及安装方式
图1.12摆动气缸使用缓冲器限位的安装形式
图1.13摆动气缸的固定安装方式
1.3送出工作站
送出工作站示意图如图1.14所示。
DFM-20内置导轨双作用气缸，行程长度20mm，用于送出工作站推出工件到料槽完成任务或下站继续工作。
其特点是紧凑、坚固、导向精确度高。
驱动器和导向单元被封闭在同一外壳内，并可根据具体要求选择安装普通轴承或是滚珠轴承。
图1.14送出工作站示意图
1.4供料站1、2组成
供料站的作用是将原料从料仓中推出，被机械手及转动机械手拿出进行组装，供料站所用推出工件气缸DSAA-10-P，如图1.15所示。
长度为100mm的双作用气缸将工件自动推出，供机械手单元及转运机械手单元供料使用。
图1.15DSAA-10-P型气缸的外形及符号图
1.5控制电磁阀
全气动系统采用紧凑型CPE型电磁阀控制。
由于系统要求气动回路流量不大，所以选择集成安装紧凑型电磁阀CPE10-M1BH-5LS-M7型及CPE10-M1H-5/3G-M7型两种。
CPE型电磁阀具有以下特点：
-阀岛CPE-10由各个高强度玻璃纤维加强的聚酰胺模块组成；
-在基本组块和扩展组块中的PRS通道可被封死，因此可形成不同的压力区；
-两端都可接气源及排气通道，气口在基本块或端块上；
-可从尾端或顶端接入气源及排气通道；
-卡口式连接，安装时无需螺丝；
-安装选项:
单个安装,导轨安装或板壁式安装。
CPE10-M1BH-5LS-M7电磁阀如图1.16所示。
意义为：
CPE（紧凑型）、M1BH（24VDC，所匹配插座KMYZ-9）、5（5通）、L（单电控,气弹簧复位）、S（不带先导）、M7（接口类型M7螺纹）。
该电磁阀的特点：
流量大功耗小。
图1.16紧凑型CPE10-M1BH-5LS-M7型电磁阀外形及符号
CPE10-M1H-5/3G-M7型电磁阀如图1.17所示。
意义为：
CPE（紧凑型）、M1H:
（24VDC，所匹配插座KMYZ-6）、5（5通）、3（3位）、G（中封式）。
M7（接口类型M7螺纹）。
图1.17紧凑型CPE10-M1H-5/3G-M7型电磁阀外形及符号
CPE阀另需配合专用CPE10SC-PRS-8气路板集中安装，如图1.18所示。
该气路板可安装8个CPE电磁阀作全过程控制。
电源插座KMYZ-9如图1.19所示。
图1.18CPE10SC-PRS-8气路板图图1.19电源插座KMYZ-9图
气路板需配消声器UC-M7降低阀排气口的噪音，如图1.20所示。
配接气路接头QSML-M7-6，如图1.21所示。
图1.20消声器UC-M7外形及符号图图1.21气路接头QSML-M7-6图
1.6过滤、调压组件
过滤、调压组件型号采用LFR-1-D-5M-DI-MAXI，外形及符号如图1.22所示。
两联件由过滤器、压力表、截止阀和快插接口组成，安装在可旋转的支架上。
过滤器有分水装置，可以除去压缩空气中的冷凝水、颗粒较大的固态杂质和油滴。
减压阀可以控制系统中的工作压力，同时能对压力的波动做出补偿。
滤杯带有手动排水阀。
图1.22过滤、调压组件外形及符号
1.7气动控制回路的安装要求
1.7.1使用气动设备的注意事项：
（1）所有使用的气动配件必须为专用配件。
不符合或质量不良的配件将对气动设备及场内人士造成损害。
（2）在安装、移除、调整任何气动设备前，必须关闭气源，并将管内及设备的剩余气体排除。
这可避免误触气动开关而造成伤害。
（3）在使用气动设备前，请确认气源开关必须放在容易触及的位置。
当紧急状况发生时，便能立即关闭气源。
（4）开启气源或气动设备前，必须保证所有喉管及气动零件已经接驳良好及稳固，并肯定所有人已经离开气动设备的危险范围。
（5）气管喷出的气体可能含有油滴，应避免向人或其它可能造成伤害的物体喷射。
（6）所有气动设备必须远离火源。
（7）请勿移除制造厂商所设置的任何安全装置。
（8）气管，接头与气源设备必须能够承受至少1.5倍的最大工作压力。
（9）切勿用压缩空气对准伤口及皮肤喷射，这会使空气打进血液而引致死亡。
（10）气动设备用后记紧关闭气源。
（11）气源气压输入气压不能超过10Bar。
（12）必须安装空气过滤器，防止污染物进入系统。
（13）系统气压安装规定系统设置应在5Bar到6Bar之间，滤芯和水雾分离器根据说明书进行维护。
1.7.2安装工艺要求：
（1）气管和电线不能扎在一起。
（2）气管不能放入走线槽，移动的气管除外。
（3）气管和电线走线要求横平竖直，弯曲需尽量成半圆形。
（4）线卡子间距<50mm。
（5）相邻导线和气管间的线扎间隔必须少于40mm±5mm公差，且切口在侧面同一方向。
（6）需运动的气管及电线要给予足够的余量。
（7）线卡子的扎带头需在正中间，使用正确的扎线方法。
（8）其余扎带的扎带头需统一偏向一边。
（9）气管、导线应留有适当余量，且不能超出工作站范围用以调试。
1.8机械部件整体拆装过程
1.8.1拆卸步骤：
（1）使用斜口嵌剪断扎带，注意不要剪到气管及电线；
（2）使用一字螺丝刀，拆卸电路；
（3）从走线槽中取出所有气管及电线，气管单独放一起；
（4）使用内六角扳手拆卸元器件；
（5）元器件拆卸原则：
由小及大，由上往下，先支后主干，先模块后细分；
（6）注意：
拆卸前可先拟定拆卸步骤，并可适当做下记录和标记，尤其是气管及电线的布局及相关工艺，重点是要求正确的使用适当工具，不要损坏元器件。
1.8.2装配步骤：
（1）元器件装配原则：
由大及小，由下往上，先主干后支路；
（2）先安装机械元器件并牢靠固定位置，再链接气路和电路，最后再绑线及扎扎带。
（3）传感器的作用范围及调整余量需考虑。
1.9系统组装注意事项：
（1）拆除铝合金底板上所有零部件后应把铝合金底板清洁干净，拆下零部件应有序放好，并进行必要的清洁、整理。
（2）零部件应按图纸各元件相应的位置尺寸进行安装。
（3）使用工具应养成良好的放置习惯，工具及材料严禁放置在铝合金底板或地面上。
（4）工具及材料应轻拿轻放，以防损坏。
（5）光导纤维应最后连接，以防拆断。
（6）安装确定没有工件在工作站上才允许通电试机。
（7）符合装配安装工艺要求：
螺丝+螺母+垫片。
第二章传感器检测部分
人是靠视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这些感觉器官来接受外界信息的，而一台光机电一体化的自动设备在运行中也有大量的信息需要准确地被“感受”，以使设备能按照设计要求实现自动化控制，自动化设备用于“感受”信息的装置就是传感器。
传感器是实现自动化的关键技术之一。
2.1传感器的组成
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。
通常由敏感元件、转换元件和转换电路及辅助电源部分组成。
（1）敏感元件，是传感器中能直接感受或响应被测量的部分。
（2）转换元件，是传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适用于传输或测量的电信号的部分。
（3）转换电路，是将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量的电路。
（4）辅助电源，是用于提供传感器正常工作能源的电源。
传感器的组成如图2.1所示
图2.1传感器的组成
2.2机电一体化设备常用传感器的分类
作为实现传感功能的基本器件，传感器的分类方法很多。
2.2.1按传感器能量变换关系进行分类
按能量变换关系，传感器分为发电型传感器和参量型传感器。
发电型传感器，又称为无源型传感器。
无源传感器能将被测非电量转换为电参数的量输出，其输出端的能量是由被测对象取出的能量转换而来的。
它无能量放大作用，且要求从被测对象获取的能量越小越好。
这类传感器包括热电式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、电动式传感器等。
参量型传感器，又称为有源型传感器。
参量型传感器能将非电功率转换为电功率，起能量变换作用，其输出的电能量必须由外加电源供给，而不是由被测对象提供的。
这种传感器具有一定的能量放大作用。
属于这种类型的传感器包括电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、霍尔式传感器等。
2.2.2传感器输入量（即被测参数）进行分类
按输人量分类，传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等。
2.2.3按传感器的输出量进行分类
按输出量分类，传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。
模拟式传感器是指传感器的输出信号为模拟量，数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。
2.2.4按传感器工作原理进行分类
按传感器的工作原理为依据分类，可分为电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器等。
2.3电感式接近开关
2.3.1电感式接近开关的基本工作原理
电感式传感器为信号发生器，它被用于在加工机械，机器人，生产线以及传送带系统中检测和功能相关的动作,并将检测结果转换成电信号。
它是以非接触的方式工作的。
当有金属物体接近规定的感应距离时，传感器会发出一个电信号。
电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。
（1）高频振荡型电感式接近开关：
它以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，利用被测金属物体接近电感线圈时产生的涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。
（2）差动线圈型电感式接近开关：
它有两个电感线圈，由其中一个电感线圈作为检测线圈，另一个电感线圈作为比较线圈；由于被测金属物体接近检测线圈时会产生涡流效应，从而引起检测线圈中磁通的变化，检测线圈的磁通与比较线圈的磁通进行比较，然后利用比较后的磁通差，经由传感器的信号调理电路将该磁通差转换成电的开关量输出，从而达到检测的目的
2.3.2电感式接近开关的分类
（1）按工作电源的性质进行分类
①流型：
采用交流电源供电，用于交流控制回路。
②流型：
采用直流流电源供电，用于直流控制回路。
（2）按接线方式进行分类
①二线制②三线制③四线制④五线制⑤六线制
（3）按触点的性质分类
①常开式②常闭式③常开与常闭混合式
（4）按输出逻辑分类
①正逻辑型②负逻辑型③浮空逻辑型④混合型
（5）按外形分类
①螺纹型②圆柱型③长方体型④U型等
（6）按防护方式分类
①防水型②防爆型③耐高温型④耐高压型等
-无机械磨损和撕扯动作，因此使用寿命长；
-不会因灰尘或触点焊接在一起而出现故障；
-无触点反弹，因此无切换故障；
-切换频率高达3000Hz；
-抗震；
-安装位置随意；
-黄色LED显示切换状态；
-完全密闭，防护等级高。
2.4电子式行程开关位置控制装置
为了知道气缸活塞的两个绝对位置（最内端和最外端），就可以用两个磁感应传感器来检测。
如图2.2所示。
在气缸活塞环上，包有一层永久磁铁。
当活塞往外运动到最外端时，传感器A就发出信号（一般传感器上有指示灯），当活活塞往内运动到最内端时，传感器B就发出信号。
这样就可以检测气缸活塞的位置。
图2.2位置控制检测
2.5压力传感器
压力传感器用于气爪夹紧力的设定和检测控制。
压力传感器是压力开关和模块化压力传感器系统，启动压力能进行调节。
特点是：
装配更方面，启动速度更快，显示更好（采用数字式显示）。
压力传感器外形及符号如图2.1所示。
图2.3压力传感器外形及符号图
2.6传感器的连接方法
本单元机械零部件及气动控制回路安装无误后，进行电气回路的安装。
电气回路由信号输入回路和输出控制回路组成。
信号输入回路主要读取运行过程中的各种位置及压力信号，由各种传感器检测并转换为相应的开关量信号，通过I/O接线端口输入端用数据电缆连接PLC相应的I端口。
输出控制回路是PLC输出端O端用数据电缆连接I/O端口再连接相应的电磁阀从而控制各种功能的实现。
I/O接线端口如图2.2所示，有8个输入端及8个输出端，每个输入、输出接线端上装有LED，可显示回路状态以及用于系统纠错。
并且，在每一个端子旁都有数字标号，以说明端子的位地址，是PLC与输入、输出设备连结的桥梁。
接线端口通过导轨固定在铝合金板上。
图2.4I/O接线端口
2.7使用电器设备的注意事项
（1）电气插座不得过荷。
（2）在修理或调试设备前，应先切断电源。
（3）不使用设备时应切断电源。
（4）所有电气设备必须接地线。
（5）切勿在手湿时接触电器设备。
2.8电气回路连接安全规则
（1）电气连接完成前不能通电。
（2）在安全电压下操作，工作电压24VDC。
2.9模拟检测
电气回路连接完毕检查无误，应使用数字量仿真盒（SIMBOX）连接I/O接线端端口模拟控制全过程进行试运行。
数字量仿真盒如图2.3所示。
数字量仿真盒具有模拟MPS工作站或PLC输入信号，显示输出信号数字的功能，可完成下列操作：
（1）测试PLC程序时，模拟输入。
（2）设定输出信号（独立24V电源供电）进一步完成MPS工作站的操作。
图2.5数字量仿真盒
使用时把数字量仿真盒与I/O模块的电缆线接头连接，首先接通电源（暂不接通气源），由于推料缸两端安装有磁感应开关在两个极限位置，在两个极限位置时，传感器上LED指示灯、I/O接线端口及数字量仿真盒相应指示亮，表示位置到达及能进行检测，磁传感器安装位置可以进行调整。
摆动气缸转位到达，I/O接线端口及数字量仿真盒相应指示灯亮，如调整微动开关的位置可使摆动气缸的转位角度改变。
接通气源，板动数字量仿真盒上相应的O输出开关，则控制相应气动动作。
例如板动O1开关，将产生真空吸力，如吸附工件则真空检测开关LED指示灯、I/O接线端口及数字量仿真盒相应指示亮，表示已达到设定的真空压力。
板动O4开关，摆动气缸摆向下一站。
如此将整个控制顺序与传感器输入信号指示模拟运行，并进行相应的调整，模拟运行如与设计一致后可接入PLC，实现全程序自动运行。
第三章可编程控制器控制部分
该系统可安装三菱、西门子、欧姆龙、松下等各种型号的PLC进行控制。
可编程序控制器PLC如图3.1所示。
是目前在自动控制领域中使用最广泛的控制装置之一。
它是以微处理器为基础，综合计算机技术与自动控制技术而发展起来的新一代工业控制器，具有逻辑判断、计数、定时、记忆、算术运算、数据处理、联网通信、PID回路调节、人工智能等功能。
PLC以其优异的性能，低廉的价格和高可靠性等优点，在机器制造、冶金、化工、煤炭、汽车、纺织、食品等诸多行业的自动化储藏中得到广泛的应用。
目前，可编程序控制器、集散控制系统和工业控制计算机这三类自动化控制装置几乎占领了所有控制装置产品的市场。
而在自动机与自动线中，可编程序控制器已成为首选的控制装置。
（a）西门子机型（b）三菱机FX2N型
图3.1可编程序控制器PLC外型图
在组装单元中机械手控制主要使用PLC控制，并配以传感器将现场状态反馈，实现全过程自动控制。
本说明书以三菱FX2N-48型作参考设计。
3.1机械手移送工件动作过程
为便于控制系统调试和维护，控制系统有手动和自动控制功能，其控制面板如图3.2所示。
当手动/自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，可实现上升、下降、左移、右称、夹紧、放松的手动控制。
机械手停在任何位置时，转换开关置于“回原点”，按下“原点”启动按钮，机械手自动返回原点位置。
当机械手处于原位时，将手动/自动转换开关置于“自动”位置时，进入自动状态。
手动按钮无效。
自动运行动作顺序如图3.3所示。
动作过程分为8步：
从原点→①下降→②夹紧（T）→③上升→④右移→⑤下降→⑥放松（T）→⑦上升→⑧左移到原点结束一个动作循环，时间（T）为可自定，本例为1秒。
图3.2机械手移动工件系统操作面板
图3.3机械手移动工件系统自动运行动作示意图
3.2操作方式概念
设备的操作方式大致分为手动方式和自动方式，它们又可再分为其他运行方式，控制要求如表1所示。
另运行及紧急停止的按钮与PLC程序无关。
用两个按钮使PLC与外部负载电源接通（ON）或分断（OFF）。
各区域如图3.4所示。
表1运行方式及控制要求
手动
手动
用各自的按钮使各个负载单独接通或断开的方式。
回原点
该方式按动回原点按钮时，机械自动向原点回归
自动
单步运行
按动一次启动按钮，前进一个工步（或工序）
单周期运行
在原点位置按动启动按钮，自动运行一遍再在原点停止。
若在中途按动停止按钮就停止运行；再按启动按钮，从断点处开始继续运行，回到原点自动停止。
连续运行
在原点位置按动启动按钮，开始连续的反复运行。
若中途按动停止按钮，动作将继续到原点为止才停止。
图3.4操作面板控制区域
（1）根据机械手控制设定PLC的I/0（输入/输出端口），如表2所示。
表2PLC的I/0（输入/输出端口）分配表
输入
输入
输出
输入继电器
作用
输入继电器
作用
输出继电器
控制对象
X001
下限位行程开关
X020
手动启动按钮
Y000
下降电磁阀
X002
上限位行程开关
X021
回归原点
Y001
夹紧电磁阀
X003
右移限位行程开关
X022
单步运行
Y002
上升电磁阀
X004
左移限位行程开关
X023
单周期运行
Y003
右行电磁阀
X005
上升操作按钮
X024
自动启动按钮
Y004
左行电磁阀
X006
左移操作按钮
X025
返原点启动
Y005
原点指示灯
X007
放松操作按钮
X026
自动连续运行
X010
下降操作按钮
X027
停止按钮
X011
右移操作按钮
X012
夹紧操作按钮
（2）根据图3.5所示控制过程画出PLC状态转移图如图3.6所示
图3.6机械手状态转移图
（3）根据状态转移图画出梯形图见附录一。
3.3机械手与PLC的I/0（输入/输出端口）接线图如图3.7所示
图3.7机械手与PLC输入/输出端子接线图
结论
经过我的不断努力，毕业论文终于完成了。
这意味着我的大学三年即将结束，也意味着新的生活即将开始。
毕业设计是在教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。
它是一种对几年大学生活的一种检测。
能使我们综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。
使我们能够更好的充实自己、完善自己。
能够让我们在今后的工作中拥有更多的经验。
在毕业设计中，理论和实践首次有机结合在一起，让我受益匪浅。
我也充分认识到自己的不足，在以后的日子里，我将更加努力的补充各种知识，完善自我！
参考文献
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4.李振胜.在工业自动化生产过程中PLC控制系统的设计方法.工业仪表与自动化装置,2007年
5.三浦宏文.机电一体化实用手册.科学出版社.OHM.社，2001
6.陈国林,王建华,夏建生.电子技术.西安交通大学出版社，2002
7.郭洪红,贺继林,田宏宇.工业机器人技术.西安电子科技大学出版社，2006
致谢
本毕业论文是在我的指导老师的亲切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
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