浅谈FESTO MPS机械手.docx

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浅谈FESTOMPS机械手

毕业论文

浅谈FESTOMPS搬运站控制系统

作者姓名：

戚长森

专业、班级：

电气0803班

学号：

2008110302

校内指导教师：

张鸣

校外指导教师：

常明友

完成日期：

2011-6-11

黄河水利职业技术学院自动化工程系

摘要

该文以工业生产中常用的机械手为对象,结合微机控制技术、传感器技术、PLC技术。

该系统具有实时数据采集、报表输出、预报报警分析、便于升级扩充等功能。

针对气动机械手控制系统开发应用过程中出现的精度控制难等问题,设计了种以模糊PID控制策略结合专家判断为控制手段的控制方案,阐述了该方案的控制系统组成、软件设计以及实现方法.实际运行表明本系统响应速度快,控制精度高。

为了提高机械手在工业生产中定位的精度，介绍一种基于PLC的机械手控制系统设计方案。

方案中提出了步进电机在机械手定位应用中的一种新思路，详细论述机械手控制系统的硬件结构及软件实现方法。

测试结果表明，该系统运行稳定，定位精确,具有较高的应用价值。

为了以自然、直观的方式控制仿人机械手，提高仿人机械手的操作性能,设计和实现了基于数据手套的仿人机械手控制系统。

提出了从传感器数据手套到仿真虚拟手和五指型仿人机械手的关节角度映射方案。

设计了实时仿真控制和在线控制两类控制模式,提出的借助仿真虚拟手可及时展示控制效果，解决了在线控制仿人机械手时运动时延带来的控制不直观的问题。

实验结果证明了基于数据手套的仿人机械手控制系统的正确性和实用性。

针对国内远程控制所面临的实际问题，设计了一种基于PLC远程控制系统方案，介绍该机械手的详细结构、控制系统的结构、原理及其硬件设计和控制流程。

该控制系统包括西门子S7-200226型PLC及其他扩展模块,可概括为"PLC+触摸屏+显示仪表"结构。

关键词：

机械手；MCGS（监视与控制通用系统）；PLC

引言

FESTOMPS搬运站控制系统是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去。

在综合应用这些技术时，要根据系统的功能目标和优化组合结构的目标，合理配置布局驱动机构、控制机构、传感检测机构、执行机构等，并使它们在微处理单元的控制下协调有序地工作，在机地融合在一起。

MPS主要技术特征有以下几点：

（1）机械技术、电子技术和信息技术的彼此功能交互，大多以机械系统的高级微机控制的形式出现。

（2）在一个具体的物理单元中，在不同子系统空间上的集成。

（3）一体化系统的控制功能智能化。

越来越先进的控制功能取代了许多操作人员的推理和判断。

（4）柔性化使得机电一体化产品能够灵活地满足各种要求，适应各种环境。

（5）采用微处理器控制的系统，易于增加或改变功能，无需增加硬件成本。

（6）控制功能采用电子技术、微电子技术、微机控制技术来实现，因此，对用户来说，MPS搬运站控制系统的内部运行机制是隐蔽的。

（7）在MPS技术中，设计思想方法与制造技术紧密联系在一起，它们是并行发展的。

该模块化自动生产线（MPS）在教学过程中具有以下特点：

（1）MPS系统是专为训练工业现场的自动化生产制造技术而设计的。

（2）通过本系统的训练，学生将理论与实际相结合，可以掌握自动化生产系统的设计、制造、运行、维护维修等技能。

（3）本系统采用敞开式安装、模块化形式，各模块便于教学、易于搭建、拆卸和维护。

（4）通过本系统的学习，学生可以获得气动、电气动、工程控制、传感器和电子方面的知识。

通过实训，使学生所学到的专业知识得到了充分的综合应用的同时，学生的学习能力、独立思考能力、组织能力等综合能力及创新精神和团队合作精神得到了全面的锻炼和提高。

该模块化生产加工系统（MPS）适用于《可编程控制器PLC及应用》、《传感器及应用》、《自动机与自动线》《气动控制技术》、《自动控制技术》、《机械基础》、《电气设备维修》、《接口技术》等多种课程的理论、实验、实习教学需要。

系统能自动完成自动供料、取料、装配的功能。

其外形如图0.1所示，结构如图0.2所示。

其功能是自动供料单元1、2中自动送出凹型和凸型工件，然后通过机械手单元和转运机械手单元将其在送出工作站进行组装，并通过送出工作站把工件送出到料槽完成工作，或把组装完成的工件送到与该系统配套使用的传送带分拣工作站中继续工作过程。

图0.2模块化加工生产系统（MPS）结构图

该系统在市场同类产品主要有费斯托（FESTO）公司出品模块化生产加工系统。

由于我校已购买费斯托（FESTO）系统，该系统在教学过程中有以下无可比拟的优点：

（1）制作工艺精良

（2）演示功能完善

（3）系统设计美观

1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1.1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1.1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1.2.所示，导向气缸的应用如图1.3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1.2导向气缸的外形、结构及符号

图1.3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1.4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；辅件安装如图1.5所示。

-采用外部夹头，易于实现多样性。

图1.4HGD-50气爪外形、结构及其符号

图1.5HGD-50辅件的安装方法

1-标准气爪，2-气爪手指，3-安装螺钉，4-传感器。

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1.6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1.6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1.7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1.8所示；

-采用外部夹头，易于实现多样性

图1.7HGP-32-A气爪外形、结构及其符号图

图1.8HGP-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1.9所示。

图1.9DSM-10-180-P摆动气缸外形、结构及符号图

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1.10所示。

方法二：

使用缓冲器限位，安装方式如图1.11所示。

摆动气缸的固定安装方式有多种，如图1.12所示。

图1.10摆动气缸使用传感器限位的传感器形状及安装方式

图1.11摆动气缸使用缓冲器限位的安装形式

图1.12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1.13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1.13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1.14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1.14DSAA-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1.15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1.15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1.16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1.16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1.17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1.18所示。

图1.17CPE10SC-PRS-8气路板图图1.18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1.19所示。

配接气路接头QSML-M7-6，如图1.20所示。

图1.19消声器UC-M7外形及符号图图1.20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1.21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1.21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。

2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。

传感器的组成如图所示

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

2.3.3电感式接近开关的图形符号

接近开关通用符号如图2.2所示，电感式接近开关如图2.3所示。

图2.2接近开关通用符号图2.3电感式接按开关图形符号

2.3.4电感式传感器的特点

-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。

2.3.5电感式传感器在自动检测中的应用

由于电感式传感只能对金属起作用，在自动控制的应用可以应用在上例中进行检测白色的金属或红色的塑料，又可以应用在流水生产线上检测金属工件是否到位。

如图2.4所示。

当工件到位后自动输出一个开关量信号。

用以控制计数器计数或下一个加工步骤等。

图2.4电感式传感器应用

2.4电容式传感器

2.4.1电容式接近开关的基本工作原理

在高频振荡型电容式接近开关中，以高频振荡器（LC振荡器）中的电容作为检测元件，利用被测物体接近该电容时由于电容器的介质发生变化导致电容量C的变化，从而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。

电容式接近开关能检测大部分的物质，如金属、橡胶等。

2.4.2电容式接近开关的图形符号

电容式接近开关图形符号如图2.5所示。

图2.6电容式传感器应用图2.5电容式接近开关图形符号

2.4.3电容式传感器在自动检测中的应用

由于电容传感器根据其感应灵敏度可以检测不同材质的工件。

如图2.6所示，在自动生产线上可以检测出工件是否金属或塑料、塑料或瓷器等等，用以控制计数器计数或下一个加工步骤等。

2.5光电式接近开关

光电式传感器是用光电转换器件作敏感元件、将光信号转换为电信号的装置。

光电式传感器的种类很多，按照其输出信号的形式，可以分为模拟式、数字式、开关量输出式。

以开关量形式输出的光电传感器，即为光电式接近开关。

2.5.1光电式接近开关

利用光电效应制成的传感器称为光电式传感器。

光电式传感器的种类很多，其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。

（1）光电式接近开关主要由光发射器和光接收器组成。

（2）光发射器用于发射红外光或可见光。

（3）光接收器用于接收发射器发射的光，并将光信号转换成电信号以开关量形式输出。

（4）按照接收器接收光的方式不同，光电式接近开关可以分为对射式、反射式和漫射式三种。

光发射器和光接收器也有一体式和分体式两种。

2.5.2对射式光电接近开关

对射式光电接近开关是指光发射器（光发射器探头或光源探头）与光接收器（光接收器探头）处于相对的位置工作的光电接近开关。

其原理和外形如图2.7、图2.8所示。

图2.7对射式接近开关的工作原理

图2.8对射式接近开关外形图

2.5.3反射式光电接近开关

反射式光电接近开关的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且光发射器与光接收器为一体化的结构，在其相对的位置上安置一个反光镜，光发射器发出的光经反光镜反射回来后由光接收器接收。

其原理和外形如图2.9所示。

图2.9反射式光电接近开关的工作原理及其外形图

2.5.4漫射式（漫反射式）光电接近开关

漫射式光电接近开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故该种传感器称为漫射式光电接近开关。

其原理和外形如图所示。

图2.10漫射式光电接近开关的工作原理及其外形图

2.5.5光纤式传感器

光纤电缆由一束玻璃纤维或由一条或几条合成纤维组成。

光纤能将光从一处传导到另一处,甚至绕过拐角处。

其工作原理是通过内部反射介质传递光线。

光线通过具有高折射率的光纤材料和低折射率护套内表面,由此形成的光纤在光纤内的反射式传递。

光纤由芯部（高折射率）和护套（低折射率）组成。

在光纤内,光被不断来回反射,产生全内反射,因而光能通过曲线路径。

光纤式传感器外形如图2.11所示。

图2.11光纤式传感器外形图

2.5.6光电式接近开关的图形符号如图2.12所示。

图2.12光电式接近开关的图形符号

2.5.7光电传感器在自动检测中的应用

（1）对射式光电传感器应用

用两个对射式光电传感器检测传送带的