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1、甘肃机电职业技术学院电气工程系G093402班王鑫刚,基于PLC的机械手控制与计数系统的设计,摘要,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。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。自上世纪六十年代，PLC设计的
2、机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。,第一部分 绪论,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。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，从这里看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发
3、应用也在不断发展，最典型的发展是生产者将此产品大量应用于卫生行业（全自动生化分析仪），从而实现了卫生检验中急需短时间、大量样品数据的要求，但在卫生领域的机械手因采用样品品单一酶试剂显色法，且采用滤光片结构设计，造成试剂价格昂贵，限制了产品市场的发展。 随着技术的进步，机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。比如美国 OI 公司的产品，可针对单一项目，次序加 4 种试剂，加热温度也提高到 50 ，检测器则采用二极管陈列技术，这些进步为新领域的应用提供了强大支持。有专家估计未来10 年，全自动流动分析仪的市场份额中，将有 50 被全自动化学分析机械手取代。,基于PLC控制的机械手与计数
4、系统中采用的是气动机械手，用西门子S7-200型CPU226PLC控制。在整个系统中，机械手将物件搬运到物料口，通过光电式传感器，检测到信号，将信号输入给PLC控制系统，PLC将控制变频器带动异步电动机转动，到物件进过第一个下料口，如果是金属物件，电感式传感器将检测到信号传送给PLC,控制推料杆将物件推出，在第二第三个推料口安装光纤传感器检测黑白金属物件。计数系统通过传感器将信号传给计数器进行计数。这个系统包含了气动系统，PLC控制系统，变频器。,第二部分气动系统,2.1气动技术应用现状、组成及优缺点 （一）、现状1、是指以压缩空气作为动力源，实现了各种生产控制自动化的一门技术，可以说是以压缩
5、空气为工作介质进行能量与信号传递技术。随着工业机械化和自动化的发展，气动技术越来越广泛地应用于各个领域。特别是成本低廉，结构简单的气动装置以得到的广泛的普及与应用，在工业自动化中处于重要地位。气动技术的应用历史悠久，早在公元前，埃及就开始利用风箱产生压缩空气用于助燃。18世纪的产业革命开始，气动技术渐渐的被用于产业中，实现了自动化和自动控制。 电气控制的气动系统在自动化应用中相当广泛，电气控制的特点是响应快，动作准确，在气动化系统中，电气控制的主要是电磁阀的换向。气动控制由于PLC的参与，才使庞大、复杂多变的系统控制起来简单明了，是程序的编制，修改编的容易。如今，随着工业的发展，自动化的程度越
6、来越高，再加上检测技术的发展，气动控制乃至自动化控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，使PLC在气动控制中变得更加得心应手。,2.2气动执行元件 （一）、气缸 1、在机械手中选用的气动执行元件为产生直线往复运动的气缸。 2、普通气缸（单作用气缸和双作用气缸） （1）双作用气缸的动作原理：当从无杆腔的气口输入压缩空气时，如气压作用在活塞右端面上的力克服了运动摩擦力、负载等各种反作用力，推动活塞前进，有杆腔内的空气经该端气口排入大气，是活塞杆伸出。同样，当有杆腔端气口输入压缩空气，活塞杆退回到初始位置。通过无杆腔和有杆腔的交替进气和排气，活塞杆伸出和退回，气缸实现往复直线运动。 （2）单作用气
7、缸的动作原理：压缩空气仅在气缸的一端进气，推动活塞运动。而活塞的返回是借助于弹簧力、膜片的张力及重力等。,3、气缸的结构 （1）缸筒：一般采用铝合金管、不锈钢管、铜管等。缸筒与活塞配合精度H9级，圆柱度允差0.020.03100，表面粗糙度为Ra0.20.4，缸筒两端面对内孔轴线的垂直度允差为0.050.1mm。气缸筒应能承受1.5倍最高工作压力条件下的耐压试验。 （2）活塞杆：用来传递力的重要零件。活塞杆材选用35、45碳钢。 （3）活塞：气缸活塞受气压作用产生推力并在缸筒内滑动。 （4）导向套：用作活塞杆往复运动时的导向。导向套内径尺寸允许公差一般取H8，表面粗糙度Ra0.4. 4、气缸的
8、选择与使用 （1）气缸的选择：主要考虑气缸的规格、缸径和行程 （2）气缸的使用：安装方式；安全规范；工作环境。,2.3气动检测器件传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数精心精确可靠的测量，无论是信号转换、信息处理，或者最佳数据的显示和控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测控制系统。现代电子技术和电子计算机为信息转换与处理提供了极其完善的手段，是检测与控制技术发展到崭新阶段。但是如果没有各种精确可靠的传感器去检测个原始数据并提供真实的信息，那么计算机也无法发挥应有的作用。如果把计算机比喻为人的大脑，传感器则为人的五官。 在气动自动化
9、系统中，传感器主要用于测量设备运行中工具或工件的位置等物理参数，并将这些参数转换为相应的信号，以一定的接口形式输入控制器。在机械手与计数系统中我们用到的是电感式，光电式和光纤式传感器 （一）、电感式传感器（接近开关） （1）、电感式接近传感器工作原理：接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。它利用位移传感器对接近物体具有的敏感特性达到识别物体接近并输出开关信号的目的，因此，通常又把接近传感器称为接近开关。,电感式接近传感器是一种利用涡流感知物体接近的接近开关。它有高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如图所示。感知敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，在检测线
10、圈的工作面上存在一个交变磁场。当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使震荡减弱直至停振。振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。,（二）、光电式传感器 （1）、槽开光电开关 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。 （2）、对射式光电开光 若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组
11、成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。,（3）、反光板反射式光电开关 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。 （4）、扩散反射式光电开关 它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光
12、器发出的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关控制信号。 （5）、光纤式光电开关 把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。,3、光纤式传感器 （1）、光纤传感器的工作原理和特点光纤传感器主要由光导纤维、光源和光探测器组成。半导体光源具有体积小、重量轻、寿命长、耗电少等特点，是光纤传感器的理想光源，常用的有半导体发光二极管和半导体激光二极管。光纤传感器的中的光探测器一般均为半导体光敏元件。作为光纤传感
13、器核心部件的光导纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种煤质。光导纤维由高折射率的纤芯和低折射率的包层组成。当通过轴线的子午光线从光密物质（具有较大折射率）射向光疎物质（较小折射率），且入射角大于全反射临界角时，光线将产生全反射，即入射光不再进入包层，全部被内外层的交界面所反射。如此反复，光线将通过光导纤维很好地进行传输。根据光纤在传感器中的作用可以分为传光型和功能型两种类型。在传光型光纤传感器中，光纤仅起传输光信号的光学通路的作用，被测参数均在光纤之外，有位置敏感元件调制到光信号中去。由于光纤传输光信号效率高、损耗低、抗干扰能力强，而且光纤本身直径小、重量轻，使光学通路的设置更加灵活、可靠
14、，大大改善了传统光电检测技术的不足。,第三部分PLC控制系统,3.1PLC的概念及组成 （一）PLC的概念可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物
15、，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。,（二）PLC的组成 PLC的构成：输入部分、运算控制部分和输出部分 PLC主机的硬件电路有CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、电源等五部分组成
16、。1、CPU的构成及功能-CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。2、I/O模块- PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/
17、O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。,3 、存储器-存储器主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的存储器区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。4、电源模块-PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转换为PLC内部电路需要的工作电源（5V直流）。当输入端子为非干接点结构时，为外部输入原件提供24V直流电源（仅供输入端点使用）。 5、外设接口-用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成PLC的控制网络。 3.2PLC工作原理及其特点 PLC的工作原理：PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。,
