畢業(yè)設(shè)計(jì)---關(guān)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)書</b></p><p>　　類　別： 機(jī)電一體化</p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)電一體化工程技術(shù)</p><p>　　班 級(jí)： JJ0803</p><p>　　姓 名： </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：工業(yè)機(jī)械

2、手的應(yīng)用 </p><p><b>　　指導(dǎo)教師姓名： </b></p><p>　　2011年6月20日</p><p>　　關(guān)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按照給定程序、軌跡和要求能實(shí)現(xiàn)自

3、動(dòng)抓取、搬運(yùn)的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手叫做“工業(yè)機(jī)械手”。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境下，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機(jī)械加工、沖壓、鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)

4、用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PLC，機(jī)械手</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1緒論4</b></p><p>　　1.1機(jī)械手的概述4</p><p>　　1.1.1 機(jī)械手的簡(jiǎn)介4</p><p>　

5、　1.1.2 機(jī)械手的發(fā)展4</p><p>　　1.2 氣動(dòng)機(jī)械手的的發(fā)展?fàn)顩r5</p><p>　　2 可編程控制器7</p><p>　　2.1 可編程控制器的系統(tǒng)組成7</p><p>　　2.2 可編程控制器的工作原理9</p><p>　　2.3 SIEMENS S7-300可編程控制器9<

6、;/p><p>　　3 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 機(jī)械手的工作過程及控制要求11</p><p>　　3.1.1 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)11</p><p>　　3.1.2 機(jī)械手的控制要求13</p><p>　　3.3 機(jī)械手軟件的選擇14</p><p>　　4

7、 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1氣動(dòng)伺服閥15</p><p>　　4.2 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及選擇15</p><p>　　4.2.1 執(zhí)行氣缸15</p><p>　　4.2.2 執(zhí)行氣爪17</p><p>　　4.3 低速電機(jī)的選型18</p><p>　　4

8、.3.1低速電機(jī)結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用18</p><p>　　4.3.2低速電機(jī)選型19</p><p>　　4.4 光電開關(guān)20</p><p>　　4.4.1 光電開關(guān)的工作原理20</p><p>　　4.4.2 光電開關(guān)的分類21</p><p>　　4.4.3 光電開關(guān)的特點(diǎn)22</p>

9、<p>　　4.4.4光電開關(guān)的選型23</p><p>　　4.5 PLC模塊的選型23</p><p>　　5 PLC程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試25</p><p><b>　　致 謝27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p&g

10、t;<b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1.1機(jī)械手的概述</b></p><p>　　1.1.1 機(jī)械手的簡(jiǎn)介</p><p>　　機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按照給定程序、軌跡和要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手叫做“工業(yè)機(jī)械手”。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)

11、的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境下，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機(jī)械加工、沖壓、鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　國內(nèi)外對(duì)機(jī)器人及機(jī)械手所作的定義不盡相同。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(

12、ISO)對(duì)機(jī)器人的定義:“機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位、可控的可編程的多功能操作機(jī)。這類操作機(jī)具有幾個(gè)軸，在可編程序操作下，能處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)?！?lt;/p><p>　　美國國家標(biāo)準(zhǔn)(NBS)對(duì)機(jī)器人的定義:“一種可編程，并在自動(dòng)化控制下執(zhí)行某種特定操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置?！比毡竟I(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義:“一種裝備有記憶裝置和最終執(zhí)行裝置，能夠完成各種移動(dòng)來代替人類勞動(dòng)的通

13、用機(jī)器?！彼址譃橐韵聝煞N情況來定義:(1)工業(yè)機(jī)器人:“一種能執(zhí)行與人的上肢類似動(dòng)作的多功能機(jī)器?！?2)智能機(jī)器人:“一種具有感覺和識(shí)別能力，并能夠控制自身行為的機(jī)器?！?lt;/p><p>　　機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類。專用機(jī)械手:它作為整機(jī)的附屬部分，動(dòng)作簡(jiǎn)單，工作對(duì)象單一，具有固定(有時(shí)可調(diào))程序，使用大批量的自動(dòng)生產(chǎn)。如自動(dòng)生產(chǎn)線上的上料機(jī)械手，自動(dòng)換刀機(jī)械手，裝配焊接機(jī)械手等裝置。通用機(jī)

14、械手:它是一種具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小PLC的硬件結(jié)構(gòu)主要分單元式和模塊式兩種。將PLC的主要部分(包括CPU、 I/O系統(tǒng)、電源等) 體積小，安裝方便，全部安裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。</p><p>　　1.1.2 機(jī)械手的發(fā)展</p><p>　　工業(yè)機(jī)械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的

15、遙控機(jī)械操作手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的；1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上，又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手，命名為Unimate(即萬能自動(dòng))。1962年美國機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)，可作點(diǎn)位和軌跡控制；該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采

16、用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種Unimation-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±lmm。聯(lián)邦德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下

17、料等作業(yè)；聯(lián)邦德國Kuka公司還生產(chǎn)一</p><p>　　我國工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國第一臺(tái)機(jī)械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃(1986-1990)開始，我國政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入的大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制

18、造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器等等。這些機(jī)人的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所(SIA)和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器，DC--PWM等等。</p><p>　　我國的工業(yè)機(jī)械手(或第一代機(jī)械手)發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍；在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展

19、通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等?？梢詫C(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于更換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。</p><p>　　1.2 氣動(dòng)機(jī)械手的的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　氣動(dòng)技術(shù)——這個(gè)被譽(yù)為工業(yè)自動(dòng)化之“肌肉”的傳動(dòng)與控

20、制技術(shù)，在加工制造業(yè)領(lǐng)域越來越受到人們的重視，并獲得了廣泛應(yīng)用。目前，伴隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，氣動(dòng)技術(shù)也不斷創(chuàng)新，以工程實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，得到了前所未有的發(fā)展。另一方面，氣動(dòng)技術(shù)作為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù)”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動(dòng)化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動(dòng)系統(tǒng)。</p><p>　　機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式有氣壓傳動(dòng)、

21、液壓傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。氣動(dòng)機(jī)械手與其它控制方式的機(jī)械手相比，具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)備來滿足社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐需要也越來越多的受到重視，氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要實(shí)用技術(shù)。</p><p>　　工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展至今，氣動(dòng)定位系統(tǒng)已由傳統(tǒng)的兩點(diǎn)可靠定位，發(fā)展到任意位置定位。傳統(tǒng)的氣動(dòng)系統(tǒng)只能在兩個(gè)機(jī)械調(diào)定位置可靠定位，并

22、且其運(yùn)動(dòng)速度只能靠單向節(jié)流閥單一調(diào)定的狀態(tài)，經(jīng)常無法滿足許多設(shè)備的自動(dòng)控制要求。因而電—?dú)獗壤退欧刂葡到y(tǒng)，特別是定位系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。因?yàn)椴捎秒姟獨(dú)馑欧ㄎ幌到y(tǒng)可非常方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)無極定位(柔性定位)和無極調(diào)速，此外利用伺服定位氣缸的運(yùn)動(dòng)速度連續(xù)可調(diào)性以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的節(jié)流閥和氣缸端部緩沖方式，可以達(dá)到最佳的速度和緩沖效果，大幅度降低氣缸的動(dòng)作時(shí)間，縮短工序節(jié)拍，提高生產(chǎn)率。原先要設(shè)計(jì)某一專用機(jī)械手時(shí)，由于無法做到氣缸任意位置上

23、的定位，因此氣缸的定位是靠選擇它的兩個(gè)終點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)的。如選用多位氣缸，他的定位長(zhǎng)度由氣缸的行程預(yù)先來確定。如果需要增加一個(gè)停頓位置，或者要改變其中兩個(gè)位置之間的距離，原來設(shè)計(jì)的多位氣缸便完全失去功能，如果要求停的位置越多，那么它的滑塊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)就越復(fù)雜。也有在其外部設(shè)立固定擋塊來限制位置定位的(由于受到擋塊本身尺寸的限制，兩個(gè)相鄰的位置的距離必須大于擋塊的尺寸，且擋塊也經(jīng)不起重載和高速?zèng)_擊。</p><p>

24、<b>　　2 可編程控制器</b></p><p>　　PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)

25、行業(yè)，它具有高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大、靈活，易學(xué)易用、體積小，重量輕，價(jià)格便宜的特點(diǎn)。該種技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電接觸控制技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物，其解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)內(nèi)接線復(fù)雜、可靠性低、耗能高以及靈活性較差等缺點(diǎn)，因此近年來被廣泛應(yīng)用于電氣自動(dòng)化中。</p><p>　　要正確、合理地應(yīng)用PLC去完成機(jī)械手的控制任務(wù)，首先應(yīng)了解它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，這對(duì)控制系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)設(shè)計(jì)有著非常重要的作用。<

26、/p><p>　　2.1 可編程控制器的系統(tǒng)組成</p><p>　　可編程控制器主要由中央處理單元CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口、電源、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口、編程器等幾個(gè)主要部分構(gòu)成。</p><p><b>　　(1)CPU</b></p><p>　　CPU作為整個(gè)PLC的核心起著總指揮的作用，是PLC的運(yùn)算和控

27、制中心。它的主要任務(wù)是:</p><p>　?、僭\斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯(cuò)誤。</p><p>　?、谟脪呙璺绞讲杉涩F(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存人輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。</p><p>　　③在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，按用戶程序存儲(chǔ)器中存放的先后順序逐條讀取指令，經(jīng)編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運(yùn)算和操作，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)相應(yīng)數(shù)

28、據(jù)，并更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容。</p><p><b>　　(2)存儲(chǔ)器</b></p><p>　　PLC內(nèi)部的存儲(chǔ)器有兩類:</p><p>　　一類是系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，用以存放系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序根據(jù)PLC功能的不同而不同。生產(chǎn)廠家在PLC出廠前己將其固化。在只讀存儲(chǔ)器ROM或PROM中，用戶不能更改。另一類是用戶存儲(chǔ)器，

29、包括用戶程序存儲(chǔ)區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。這類存儲(chǔ)器一般由隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM構(gòu)成，其中的存儲(chǔ)內(nèi)容可通過編程器讀出并更改。為了防止RAM中的程序和數(shù)據(jù)因電源停電而丟失，可用鋰電池作為后備電源，一旦交流電源停電，用鋰電池維持供電。PLC產(chǎn)品手冊(cè)中給出的存儲(chǔ)器類型和容量是到對(duì)用戶程序存儲(chǔ)器而言的。</p><p><b>　　(3)輸入輸出接口</b></p><p>　　輸入

30、/輸出(I/O)接口是將PLC與現(xiàn)場(chǎng)各種輸入/輸出設(shè)備連接起來的部件(有時(shí)也被稱為I/O單元或I/O模塊)。輸入接口通過PLC的輸入端子接受現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備(如限位開關(guān)、操作按鈕、光電開關(guān)、溫度開關(guān)等)的控制信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號(hào)。輸入信號(hào)是通過光電耦合器件傳送給內(nèi)部電路的，輸入信號(hào)與內(nèi)部電路之間并無電的聯(lián)系，通過這種隔離措施可以防止現(xiàn)場(chǎng)干擾串入PLC輸出接口則相反，它將經(jīng)CPU處理過的輸出數(shù)字信號(hào)(1或0)

31、傳送給輸出端的電路元件，以控制其接通或斷開，從而驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥、指示燈等輸出設(shè)備獲得或失去工作所需的電壓或電流。為適應(yīng)不同類型的輸出設(shè)備負(fù)載。</p><p><b>　　(4)電源</b></p><p>　　PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口等內(nèi)部電子電路工作需要的直流電源電路或電源模塊

32、。輸入、輸出接口電路的電源彼此相互獨(dú)立，以避免或減小電源間干擾。</p><p><b>　　(5)編程器</b></p><p>　　編程器是人與PLC聯(lián)系和對(duì)話的工具，是PLC比最重要的外圍設(shè)備。用戶可以利用編程器來輸入、讀出、檢查、修改和調(diào)試用戶程序，也可用它監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)，顯示錯(cuò)誤代碼或修改系統(tǒng)寄存器的設(shè)置參數(shù)等。除采用手持編程器編程和監(jiān)控外，還可通過P

33、LC的RS232C外設(shè)通訊口(或S422口配以適配器)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，并利用PLC生產(chǎn)廠家提供的專用工具軟件，來對(duì)PLC進(jìn)行編程和監(jiān)控。相比起來，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程和監(jiān)控往往比手持編程工具更加直觀和方便。</p><p>　　(6) I/O擴(kuò)展接口</p><p>　　若主機(jī)(基本單元)的I/O點(diǎn)數(shù)不能滿足輸入輸出設(shè)備點(diǎn)數(shù)需要時(shí)，可通過此接口用扁平電細(xì)線將I/O擴(kuò)展單元與基本單元相連，以增加

34、I/O點(diǎn)數(shù)。</p><p><b>　　(7)外部設(shè)備接口</b></p><p>　　外部設(shè)備接口可將編程器、上位計(jì)算機(jī)、圖形監(jiān)控系統(tǒng)、打印機(jī)、條碼判讀器等外部設(shè)備于主機(jī)CPU連接，以完成相應(yīng)的操作。</p><p>　　2.2 可編程控制器的工作原理</p><p>　　當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階

35、段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 </p><p>　　(1) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元

36、的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 </p><p>　　(2) 用戶程序執(zhí)行階段 </p><p>　　在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控

37、制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反

38、，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。 </p><p>　　(3) 輸出刷新階段 </p><p>　　當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出 </p><p>　　

39、2.3 SIEMENS S7-300可編程控制器</p><p>　　S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。SIMATIC S7-300可編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。</p><p>　　S7-300主要由以下幾個(gè)部分組成:(1)中央處理單元(CPU)各種CPU有各種不同的性能，例如，有的CPU上集成有輸入/輸出點(diǎn)，有的

40、CPU上集成有PROFIBUS-DP通訊接口等。(2)信號(hào)模塊(SM)用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出。(3)通訊處理器(CP)用于連接網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。(4)功能模塊(FM)用于高速計(jì)數(shù)，定位操作(開環(huán)或閉環(huán)定位)和閉環(huán)控制。(5)負(fù)載電源模塊(PS)用于將SIMATIC S7-300連接到120/230 伏交流電源，或24/48/60/110伏直流電源。(6)接口模塊(IM)用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架(CR)和擴(kuò)展機(jī)架(ER)。S7-3

41、00通過分布式的主機(jī)架(CR)和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架(ER),可以操作多達(dá)32個(gè)模塊。運(yùn)行時(shí)無需風(fēng)扇。(7)SIMATIC S7-300適用于通用領(lǐng)域。(8)高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動(dòng)，沖擊性，使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。 </p><p>　　S7-300有兩種類型:(1)標(biāo)準(zhǔn)型:溫度范圍從 0℃到 60℃。(2)環(huán)境條件擴(kuò)展型:溫度范圍從 -25℃ 到 +60℃ 更強(qiáng)的耐受振動(dòng)和污染特性。 </p>&l

42、t;p>　　SIMATIC S7-300 的大量功能支持和幫助用戶進(jìn)行編程、啟動(dòng)和維護(hù)、高速的指令處理。人機(jī)界面 (HMI)方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在 S7-300 操作系統(tǒng)內(nèi)。因此人機(jī)對(duì)話的編程要求大大減少。SIMATIC人機(jī)界面 (HMI)從 S7-300 中取得數(shù)據(jù)，S7-300 按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300 操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送。診斷功能 CPU 的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記

43、錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件 (例如 ：超時(shí)，模塊更換，等等)。 操作方式選擇開關(guān) </p><p>　　操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時(shí)，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫用戶程序。通訊 這是一個(gè)經(jīng)濟(jì)而有效的解決方案；方便用戶的STEP7的用戶界面提供了通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡(jiǎn)單。</p><p>　　3 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)</p><

44、;p>　　3.1 機(jī)械手的工作過程及控制要求</p><p>　　3.1.1 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　機(jī)械手是一個(gè)水平、垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用來將工件由左工作臺(tái)搬到右工作臺(tái)。有上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制。簡(jiǎn)易機(jī)械手在各類全自動(dòng)和半自動(dòng)生產(chǎn)線上應(yīng)用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動(dòng)，替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)中的機(jī)

45、械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來控制，電磁閥由PLC控制。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。圖3.1為機(jī)械手簡(jiǎn)圖,其中 1-豎直氣缸，2-執(zhí)行氣爪，3-工件，4-水平氣缸，5-旋轉(zhuǎn)軸，6-支架，7-底座。</p><p>　　這個(gè)機(jī)械手具有二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度用于將源工作臺(tái)上的物品搬到其左側(cè)或右側(cè)目的工作臺(tái)上。機(jī)械手的直線動(dòng)作由氣缸

46、驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，整個(gè)機(jī)械手在工作中能實(shí)現(xiàn)上升/下降、左傳/右轉(zhuǎn)、夾緊/放松功能，是目前較為簡(jiǎn)單的、應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械手。其升降運(yùn)動(dòng)通過升降氣缸、垂直導(dǎo)柱、滑動(dòng)導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)軌及升降位置微動(dòng)開關(guān)相互配合完成，升降工作行程為0~1500mm;轉(zhuǎn)動(dòng)是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承、轉(zhuǎn)動(dòng)工作行程為0~180°；手爪是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量來調(diào)整。</p><p>　　機(jī)械手的基

47、本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個(gè)方面組成。采集感知信號(hào)及控制信號(hào)均由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)。主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動(dòng)機(jī)械手能拓展成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。人們根據(jù)應(yīng)用工況的要求，選擇相應(yīng)功能和參數(shù)的模塊，像積木一樣隨意的組合，這是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，代表氣動(dòng)技術(shù)今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著機(jī)械手的發(fā)展及實(shí)用性模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向裝置更具有靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝

48、置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于采用了模塊化拼裝結(jié)構(gòu)，可組成立柱型氣動(dòng)機(jī)械手、門架型氣動(dòng)機(jī)械手及滑塊型氣動(dòng)機(jī)械手，及其它各種類型的機(jī)械手。這些模塊化機(jī)械手組裝方便，動(dòng)作靈活，具有較高的定位精度，但工作空間比較小，主要應(yīng)用于一般的送料自動(dòng)線上。氣動(dòng)機(jī)械手具有三個(gè)自由度，即水平(Z)方向自由度、垂直(Y)方向自由度和旋轉(zhuǎn)自由度，并可以采用多種靈活的控制方案。</p><p>　　圖3-1 機(jī)械手簡(jiǎn)圖</p>

49、<p>　　圖3.1中工件所處位置為原點(diǎn)位置，根據(jù)課題設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求：機(jī)械手初始位置在原點(diǎn)位置，每次循環(huán)動(dòng)作都從原點(diǎn)位置開始，完成上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)位置下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，左傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)檢測(cè)到物品后，左傳送帶停止運(yùn)行。</p><p>　　根據(jù)分析可得出機(jī)械手的工作流程圖，如圖3.2所示。</p&g

50、t;<p>　　圖3-2 機(jī)械手工作流程圖</p><p>　　可見，實(shí)現(xiàn)要求功能需要如下條件：</p><p>　　(1)底座與橫梁之間需要旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動(dòng)由電機(jī)來完成，普通電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，需要考慮安裝減速機(jī)，在這種頻繁啟動(dòng)制動(dòng)的場(chǎng)合下，選用低速電機(jī)會(huì)更方便。</p><p>　　(2)橫梁在普通情況下，長(zhǎng)度是固定的，如果工作臺(tái)不進(jìn)行調(diào)整，橫梁長(zhǎng)度

51、可永遠(yuǎn)不變。課題任務(wù)也未作橫梁要求，但在實(shí)際應(yīng)用中，可能出現(xiàn)工作臺(tái)距離調(diào)整的情況，為增加機(jī)械手的通用性，本設(shè)計(jì)中在橫梁上安裝了執(zhí)行氣缸，可使用手動(dòng)按鈕調(diào)整橫梁長(zhǎng)度。</p><p>　　(3)豎直方向上是頻繁上下工作的機(jī)構(gòu)，可選用電機(jī)傳動(dòng)的齒輪齒條嚙合機(jī)構(gòu)，也可選用執(zhí)行氣缸，后者是新技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、噪音低，也更符合課題要求。</p><p>　　(4)抓緊機(jī)構(gòu)也可選用氣動(dòng)執(zhí)行爪和執(zhí)行氣缸

52、并用組成氣動(dòng)執(zhí)行模塊。 </p><p>　　(5)光電開關(guān)在控制方面是作為輸入量的信號(hào)源之一，它可以選擇模擬輸入和數(shù)字輸入，根據(jù)課題要求和后面PLC的各輸入量的情況，選用數(shù)字輸送式的光電開關(guān)更方便簡(jiǎn)捷。</p><p>　　根據(jù)以上分析，機(jī)械構(gòu)造方案基本固定。整個(gè)機(jī)械手一共用到三個(gè)氣缸，PLC需要控制每個(gè)氣缸的動(dòng)作：橫梁長(zhǎng)氣缸的內(nèi)外調(diào)，執(zhí)行氣爪的夾持與放松、豎導(dǎo)桿氣缸的升降和各氣缸的定位

53、控制上面所述的橫梁調(diào)整功能是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之一，另外兩個(gè)是工件計(jì)數(shù)和故障報(bào)警。</p><p>　　3.1.2 機(jī)械手的控制要求</p><p>　　機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作，自動(dòng)操作又分為單周期操作和連續(xù)操作方式。手動(dòng)操作是指用按鈕對(duì)機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制；單周期操作指機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成1個(gè)周期的動(dòng)作后停止；連續(xù)操作指機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按啟動(dòng)

54、按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作中若按停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成1個(gè)周期的動(dòng)作后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止。</p><p>　　（1）機(jī)械手的自動(dòng)運(yùn)行：</p><p>　?、?下降：當(dāng)機(jī)械手檢測(cè)到傳送帶A上有工件時(shí)，有原點(diǎn)位置開始下降，下降到位時(shí)，碰到下極限開關(guān)，機(jī)械手停止下降，同時(shí)接通加緊電磁閥線圈。</p><p>　?、?加緊工件：當(dāng)機(jī)械手

55、加緊到位時(shí)，壓力繼電器動(dòng)合觸電閉合，接通上升電磁閥線圈。</p><p>　　③ 上升：當(dāng)機(jī)械手夾緊到位時(shí)，機(jī)械手開始上升，上升到位時(shí)，碰到上極限開關(guān)，機(jī)械手停止上升，同時(shí)接通右移電磁閥線圈。</p><p>　?、?右移：當(dāng)機(jī)械手上升到位時(shí)，機(jī)械手開始右移，右移到位時(shí)，碰到有極限開關(guān)，機(jī)械手停止右移，同時(shí)接通下降電磁閥線圈。</p><p>　?、?下降：當(dāng)機(jī)械手

56、右移到位時(shí)，機(jī)械手重新開始下降，下降到位時(shí)，碰到下極限開關(guān)，機(jī)械手停止下降，同時(shí)釋放加緊電磁閥線圈。</p><p>　　⑥ 放松工件：放松動(dòng)作為時(shí)間控制，設(shè)為2秒。</p><p>　　⑦ 上升：工件放松后，機(jī)械手開始上升，上升到位時(shí)，碰到上極限開關(guān)，機(jī)械手停止上升，同時(shí)接通左移電磁閥線圈。</p><p>　　⑧ 左移：機(jī)械手上升到位后，開始左移，左移到位時(shí)，碰

57、到左極限開關(guān)，機(jī)械手停止左移。</p><p>　?、?回到原位：機(jī)械手左移到位后，回到原點(diǎn)位置，再次自動(dòng)啟動(dòng)傳送帶A，當(dāng)光電開關(guān)檢測(cè)到工件后，又開始新的工作循環(huán)周期。</p><p><b>　　機(jī)械手的手動(dòng)運(yùn)行</b></p><p>　?。?）手動(dòng)運(yùn)行是指機(jī)械手的上升、下降、左移、右移及夾緊操作通過對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕控制，與操作順序無關(guān)。

58、</p><p>　　PLC模塊選擇：電源模塊，CPU模塊，輸入模塊，輸出模塊。其中輸入和輸出模塊都選用數(shù)字量的類型，輸入量較多，選擇32路模塊，輸出量較少選擇16路的模塊。</p><p>　　3.3 機(jī)械手軟件的選擇</p><p>　　與S7-300相配套的系統(tǒng)軟件是STEP 7編程軟件，界面如下圖所示：</p><p>　　圖3-3

59、STEP編程軟件</p><p>　　4 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) </p><p><b>　　4.1氣動(dòng)伺服閥</b></p><p>　　圖4-1伺服閥閉環(huán)控制系統(tǒng)，閥是作為控制氣缸的元件，直接由電動(dòng)作和控制。它也是信號(hào)轉(zhuǎn)換器。三位閥能用于控制氣缸反向運(yùn)動(dòng)，其可在中位關(guān)閉，因此允許氣缸定位在任意要求停止的位置。閥必須能連續(xù)可調(diào)以允許控制流

60、量且動(dòng)作迅速以快速地把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換，得到要求的空氣壓力值。壓力值必須能很精確被調(diào)整，基于這原因，閥可以算是一個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。在這環(huán)節(jié)中，閥滑柱位移被測(cè)量和參考位移作比較。</p><p>　　圖4-1 伺服閥閉環(huán)控制系統(tǒng)</p><p>　　4.2 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及選擇</p><p>　　4.2.1 執(zhí)行氣缸</p><p>　　

61、執(zhí)行氣缸是以壓縮空氣作為源動(dòng)力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有薄膜式、活塞式和齒輪齒條式。氣源的開閉由電磁閥控制,從而改變執(zhí)行部件的位置。它具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、低噪音等特點(diǎn)。執(zhí)行氣缸有缸徑（mm）、動(dòng)作方式、制動(dòng)器類型、使用壓力范圍、活塞速度、行程公差、環(huán)境及流體溫度、氣缸耐壓試驗(yàn)壓力、制動(dòng)器使用壓力范圍等指標(biāo)。</p><p>　　本機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動(dòng)，使用的是壓力為0.6MPa，最高可達(dá)1MPa。氣壓驅(qū)動(dòng)主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便(一般工

62、廠都由壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低;便于維修。缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，定位精度不高。適用于易燃、易爆和灰塵大的場(chǎng)合。根據(jù)課題情況選擇合適的產(chǎn)品系列。這里選擇了機(jī)械式無桿氣缸帶制動(dòng)器及行程可讀出傳感器ML2B系列。</p><p>　　ML2B系列具有以下特點(diǎn)：①采用雙活塞式齒輪、齒條結(jié)構(gòu)，效率高、體積小、重量輕。②單氣控型采用多彈簧結(jié)構(gòu)，使雙氣控型和單氣控型外形尺寸相同

63、，達(dá)到零件完全互換的目的。③在需電磁閥控制時(shí)，電磁閥可在氣缸外壁直接安裝，無需外接氣管。④單氣控型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧預(yù)壓至設(shè)定的位置后，安裝在氣缸蓋內(nèi)，可方便、安全的增減彈簧 數(shù)量。⑤氣缸采用鋁合金拉制成型，內(nèi)表面經(jīng)特殊工藝處理；活塞多導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用低摩擦非金屬材料做滑動(dòng)軸承，避免氣缸內(nèi)壁與金屬材料直接接觸；齒輪精確加工；齒條精密鑄造；確保整機(jī)動(dòng)作靈敏可靠和長(zhǎng)久的使用壽命。⑥允許中間停止，多點(diǎn)定位及保持位置。采用行程可讀出傳感器并配以特別

64、為ML2而設(shè)計(jì)的控制器CEU2，令重復(fù)精度提高（±0.5mm）。⑦制動(dòng)器采用氣釋放式，不動(dòng)作時(shí)被彈簧鎖緊，供氣時(shí)才把制動(dòng)器釋放。⑧最小量度單位：0.1mm。</p><p>　　ML2B系列執(zhí)行氣缸的選型標(biāo)號(hào)如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 ML2B系列執(zhí)行氣缸的選型標(biāo)號(hào)</p><p>　　執(zhí)行氣缸型號(hào)根據(jù)參數(shù)要求選擇為ML2B 25 S5

65、00L，數(shù)據(jù)如表4-1所示：</p><p>　　表4-1氣缸參數(shù)數(shù)據(jù)</p><p>　　4.2.2 執(zhí)行氣爪</p><p>　　氣缸與氣爪在氣動(dòng)元件領(lǐng)域內(nèi)，都稱呼為執(zhí)行元件。他們通過不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來達(dá)到不同的使用效果。氣缸的主要?jiǎng)澐质歉鶕?jù)結(jié)構(gòu)：有桿、無桿，然后根據(jù)輸出力的大小，對(duì)應(yīng)的活塞直徑，行程各不相同，同時(shí)還有單作用，雙作用，行程可調(diào)等等各種規(guī)格。氣爪簡(jiǎn)

66、單的理解其實(shí)也是氣缸，都是通過壓縮空氣來推動(dòng)活塞動(dòng)作，氣爪的開頭一般情氣爪選擇方面使用了MHL系列型號(hào)表示方法如圖4-3所示：</p><p>　　圖4-3 MHL系列執(zhí)行氣爪的選型標(biāo)號(hào)</p><p>　　況下分為兩片，通過推動(dòng)活塞，完成夾緊和收放的動(dòng)作。 氣缸與氣爪的相同點(diǎn)一般在于，都是使用壓縮空氣作動(dòng)力源，都是使用電磁閥來完成換向?；谶@樣的分析和實(shí)際要求，再考慮氣動(dòng)執(zhí)行元件

67、的特點(diǎn)和當(dāng)前的技術(shù)性能，可以獲得這樣的認(rèn)識(shí)：(1)一般來說，氣缸可以保證起點(diǎn)和終點(diǎn)的定位精度，因此，對(duì)于豎直方向的定位應(yīng)該可以保證；(2)現(xiàn)在SMC的ML2B系列機(jī)械式無桿氣缸(帶制動(dòng)器及行程可讀出傳感器)能夠?qū)崿F(xiàn)中間若干位置的定位，定位精度可以在0.5mm內(nèi)，因此，可以滿足水平方向的多個(gè)位置定位及精度要求。這就是采用氣動(dòng)技術(shù)可望替代伺服電機(jī)控制方式的可行性和技術(shù)基礎(chǔ)。而且，采用氣動(dòng)技術(shù)可以顯著地降低機(jī)械手的成本。</p>

68、<p>　　4.3 低速電機(jī)的選型</p><p>　　低速電機(jī)是近幾年出現(xiàn)的專利產(chǎn)品,內(nèi)置諧波發(fā)生器和高低速轉(zhuǎn)子。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，它具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、低能耗、低噪音、體積小、精度高、安裝簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。它無需配減速機(jī)，可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備，并且可實(shí)現(xiàn)0.01秒左右的快速制動(dòng)效果，適用于頻繁制動(dòng)啟動(dòng)場(chǎng)合。低速電機(jī)的外觀圖如上圖所示。</p><p>　　4.3.1低速電

69、機(jī)結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用</p><p>　　目前現(xiàn)有工業(yè)上大量使用的電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般為2880r/min、1440r/min、960r/min等等，具有上述轉(zhuǎn)速的電機(jī)，欲用于工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行，一般需要與減速機(jī)配套使用。這一傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，仍保留至今，人們總試圖發(fā)明一種電機(jī)能滿足不同轉(zhuǎn)速需要并能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備，但總沒有根本性的突破，雖然近幾年出現(xiàn)了一些新原理的低速電機(jī)，但這種電機(jī)效率和功率因素極低，整機(jī)效率＜35%，功率因

70、素僅為0.3～0.5，能力指標(biāo)較差，是一個(gè)耗能產(chǎn)品，并且體積龐大，因此，僅適合于小于300瓦的場(chǎng)合，無法驅(qū)動(dòng)動(dòng)力設(shè)備。　　本低速電機(jī)的目的在于提供一種能直接驅(qū)動(dòng)工業(yè)設(shè)備，特點(diǎn)為（1）輸出扭矩大，能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備，（2）轉(zhuǎn)速低，最低為2.2轉(zhuǎn)/分，（3）體積小，重量輕，（4）效率高，噪音低，節(jié)省能源。它克服了已有技術(shù)轉(zhuǎn)速高，扭矩小，效率和功率因數(shù)低體積龐大，耗能源的缺點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備，電子設(shè)備，生產(chǎn)自動(dòng)線，化工設(shè)備等領(lǐng)域。&l

71、t;/p><p>　　圖4-4是低速電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。其各部分名稱如下：</p><p>　　圖4-4 低速電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　1.輸出軸 2.低速轉(zhuǎn)子 3.柔輪 4.剛輪 5.諧波發(fā)生器 6.定子7.高速轉(zhuǎn)子 8.風(fēng)罩 9.風(fēng)葉 10.機(jī)體</p><p>　　現(xiàn)結(jié)合圖3-4作進(jìn)一步描述。本系列產(chǎn)品是供驅(qū)動(dòng)工業(yè)設(shè)備用的低速電機(jī)，它

72、包括有輸出軸(1)、低速轉(zhuǎn)子(2)、高速轉(zhuǎn)子(7)、定子(6)、風(fēng)葉(9)、機(jī)體(10)和風(fēng)罩(8)，還包括有剛輪（5）和諧波發(fā)生器（6）。輸出軸、低速轉(zhuǎn)子、定子、剛輪和諧波發(fā)生器置于機(jī)體內(nèi)，用DR510-50硅鋼片制成的定子與用30CrMnSiA結(jié)構(gòu)合金鋼制成的低速轉(zhuǎn)子剛性聯(lián)接，并一起作低速轉(zhuǎn)動(dòng)，用DR510-50硅鋼片制成的高速轉(zhuǎn)子置于定子中，高速轉(zhuǎn)子一端通過軸承與低速轉(zhuǎn)子相聯(lián)，之間又能保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)，高速轉(zhuǎn)子與用45號(hào)鋼制成的諧波發(fā)

73、生器固聯(lián)，高速轉(zhuǎn)子另一端又通過一軸承與HT20-40鑄鐵制成的機(jī)體相聯(lián)，其端尾還轉(zhuǎn)有一只用尼龍或鑄鋁制成的風(fēng)葉，風(fēng)葉外還裝有用A3鋼板制成的風(fēng)罩，諧波發(fā)生器放置在低速轉(zhuǎn)子內(nèi)，能夠自由旋轉(zhuǎn)，并使用低速轉(zhuǎn)子上的齒與用45號(hào)鋼制成的剛輪上的齒相嚙合，剛輪與機(jī)體固聯(lián)。值此低速電機(jī)做出。</p><p>　　本低速電機(jī)是由下列措施實(shí)現(xiàn)的，它包括有輸出軸，低速轉(zhuǎn)子，高速轉(zhuǎn)子，定子，風(fēng)葉和機(jī)體，它還包括剛輪和諧波發(fā)生器。 輸出

74、軸，低速轉(zhuǎn)子，定子，剛輪和諧波發(fā)生器置于機(jī)體內(nèi)，定子與低速轉(zhuǎn)子剛性聯(lián)接，并一起作低速轉(zhuǎn)動(dòng)，定子中又放置高速轉(zhuǎn)子，高速轉(zhuǎn)子一端通過軸承與低速轉(zhuǎn)子相聯(lián)，之間又能保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)，高速轉(zhuǎn)子另一端又通過一軸承與機(jī)體固聯(lián)，高速轉(zhuǎn)子還與諧波發(fā)生器固聯(lián)，諧波發(fā)生器放置在低速轉(zhuǎn)子內(nèi)，能自由旋轉(zhuǎn)，并使低速轉(zhuǎn)子上的齒與剛輪上的齒相嚙合；剛輪與機(jī)體固聯(lián)。高速轉(zhuǎn)子端尾還裝有一只風(fēng)葉，風(fēng)葉外還裝有風(fēng)罩，風(fēng)罩與機(jī)體固聯(lián)。　　低速電機(jī)工作原理：定子通以三相電或單相電產(chǎn)

75、生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，高速轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下高速旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)諧波發(fā)生器在低速轉(zhuǎn)子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，剛輪上的齒與低速轉(zhuǎn)子上的齒相嚙合，由于諧波發(fā)生器產(chǎn)生一雙波變形波，使低速轉(zhuǎn)子產(chǎn)生波動(dòng)變形，而剛齒數(shù)為Z1，低速轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z2，當(dāng)高速轉(zhuǎn)子速為N1時(shí)，則低速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速N2=（2N1）/Z2。例如：N1=1400轉(zhuǎn)/分，Z2=200,則N2=（2×1400）/200=14轉(zhuǎn)/分，由此得到電機(jī)的低速運(yùn)行。</p><p>　　低

76、速電機(jī)與普通電機(jī)相比有如下特點(diǎn)：(1)輸出扭矩大，這樣就可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備；(2)轉(zhuǎn)速低，最低可達(dá)2.2轉(zhuǎn)/分；(3)體積小，重量輕，僅為普通電機(jī)同減速機(jī)之和的1/2左右；(4)簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)，由于直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備，不再用減速機(jī)，因而簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)；(5)效率高達(dá)65%左右，功率因素達(dá)0.65~0.85，因此節(jié)省能源，并且噪音低，工作平穩(wěn)等等。該實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于紡織機(jī)械，輕工機(jī)械，建材機(jī)械，礦山冶金，起重運(yùn)輸，電子設(shè)備，儀器儀表，醫(yī)療

77、器械，生產(chǎn)自動(dòng)線，家用電器和化工設(shè)備等領(lǐng)域。</p><p>　　4.3.2低速電機(jī)選型</p><p>　　YDS-II系列低速電機(jī)選型，要根據(jù)多種參數(shù)，表4-2列出了參數(shù)指標(biāo)，將型號(hào)最終選為了YDS-II-56。</p><p>　　表4-2低速電機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)</p><p><b>　　4.4 光電開關(guān)</b><

78、;/p><p>　　光電開關(guān)是傳感器大家族中的成員，它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。由于光電開關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的（即電緣絕），所以它可以在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用。</p><p><b>　　圖4-5 光電開關(guān)</b></p><p>　　4.4.1 光電開關(guān)的工作原理</p><p&g

79、t;　　光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。</p><p>　　圖4-6 所示是反射式光電開關(guān)的工作原理框圖。圖中，由振蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)反射電路后，由發(fā)光管GL輻射出光脈沖。

80、當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入受光器作用范圍時(shí)，被反射回來的光脈沖進(jìn)入光敏三極管DU。并在接收電路中將光脈沖解調(diào)為電脈沖信號(hào)，再經(jīng)放大器放大和同步選通整形，然后用數(shù)字積分或RC積分方式排除干擾，最后經(jīng)延時(shí)（或不延時(shí)）觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器輸出光電開關(guān)控制信號(hào)。</p><p>　　圖4-6光電開關(guān)原理圖</p><p>　　光電開關(guān)一般都具有良好的回差特性，因而即使被檢測(cè)物在小范圍內(nèi)晃動(dòng)也不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的輸出狀態(tài)，從

81、而可使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)。同時(shí)，自診斷系統(tǒng)還可以顯示受光狀態(tài)和穩(wěn)定工作區(qū)，以隨時(shí)監(jiān)視光電開關(guān)的工作。</p><p>　　4.4.2 光電開關(guān)的分類</p><p>　　光電開關(guān)的分類方法一般有兩種：</p><p>　?。?）按檢測(cè)方式分　　常用光電開關(guān)的分類方法：按檢測(cè)方式可分為反射式、對(duì)射式和鏡面反射式三種類型。對(duì)射式檢測(cè)距離遠(yuǎn)，可檢測(cè)半透明物體的密度（透光

82、度）。反射式的工作距離被限定在光束的交點(diǎn)附近，以避免背景影響。鏡面反射式的反射距離較遠(yuǎn)，適宜作遠(yuǎn)距離檢測(cè)，也可檢測(cè)透明或半透明物體?！　。?）按結(jié)構(gòu)分類　　光電開關(guān)按結(jié)構(gòu)可分為放大器分離型、放大器內(nèi)藏型和電源內(nèi)藏型三類?！　》糯笃鞣蛛x型是將放大器與傳感器分離，并采用專用集成電路和混合安裝工藝制成，由于傳感器具有超小型和多品種的特點(diǎn)，而放大器的功能較多。因此，該類型采用端子臺(tái)連接方式，并可交、直流電源通用。具有接通和斷開延時(shí)功能，可

83、設(shè)置亮、音動(dòng)切換開關(guān)，能控制6種輸出狀態(tài)，兼有接點(diǎn)和電平兩種輸出方式?！　》糯笃鲀?nèi)藏型是將放大器與傳感一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成，使用直流電源工作。其響應(yīng)速度局面（有0.1ms和1ms兩種），能檢測(cè)狹小和高速運(yùn)動(dòng)的物體。改變電源極性可轉(zhuǎn)換亮、暗動(dòng)，并可設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈。兼有電壓和電流兩種輸出方式，能防止相互干擾，在系統(tǒng)安裝中十分方便?！　‰娫磧?nèi)藏型是將放大器、傳感器與電源裝置一體化</p>&

84、lt;p>　　4.4.3 光電開關(guān)的特點(diǎn)</p><p>　　光電開關(guān)有以下特點(diǎn)：　　（1）檢測(cè)距離長(zhǎng)：與電感式接近開關(guān)相比，可以獲得很長(zhǎng)的檢測(cè)距離，例如：對(duì)射型開關(guān)檢測(cè)距離可達(dá)數(shù)十米，反射已從幾厘米到幾米，由于是非接觸檢測(cè)，所以不損傷被測(cè)物，也不受其影響?！　。?）檢測(cè)對(duì)象廣泛：因?yàn)槭歉鶕?jù)檢測(cè)對(duì)象的反射和透光檢測(cè)，所以不管是金屬、即使是玻璃、橡膠、木材、液體、氣體等幾乎都可以檢測(cè)?！　。?）響應(yīng)速度

85、快：檢測(cè)介質(zhì)本身是高速的，因?yàn)閹缀醪话瑱C(jī)械動(dòng)作，因而可以獲得非常高的檢測(cè)速度。　?。?）分辨能力高：因?yàn)楣馐侵本€傳播，且波長(zhǎng)短，因而分辨率高，適用于微小物體和高精度位置檢測(cè)?！　。?）容易取得規(guī)則的檢測(cè)區(qū)：采用了透鏡等光學(xué)系統(tǒng)，可以比較容易的聚光、擴(kuò)散和折射，對(duì)應(yīng)不同的檢測(cè)對(duì)象和不同的使用環(huán)境，可以適當(dāng)?shù)倪x取具有某種檢測(cè)區(qū)域的產(chǎn)品?！　。?）不受磁場(chǎng)和振動(dòng)的影響：檢測(cè)開關(guān)一般較多地安裝在具有較強(qiáng)磁場(chǎng)和振動(dòng)的場(chǎng)所，從本質(zhì)上說，光電

86、開關(guān)受其影響很少，因而能夠可靠的動(dòng)作?！　。?）利用光的特性檢測(cè)：可以做色標(biāo)、形狀特征的選擇檢測(cè)。　?。?）壽命長(zhǎng)：由于是非接觸檢測(cè)，所以壽命長(zhǎng)，特別是用發(fā)光二極管做為光源，控制輸出采用無接點(diǎn)方式，壽命就更長(zhǎng)</p><p>　　4.4.4光電開關(guān)的選型</p><p>　　根據(jù)課題中工件的物理性質(zhì)，將參數(shù)一一確定，最終選擇型號(hào)為HG-M18-M的光電開關(guān)。表4-3列出了型號(hào)為HG-M

87、18-M的光電開關(guān)的多種參數(shù).</p><p>　　表4-3 HG-M18-M的光電開關(guān)參數(shù)</p><p>　　4.5 PLC模塊的選型</p><p>　　插槽號(hào)1：電源模塊。電源的選擇根據(jù)整個(gè)PLC需要的電量，并且要留出一些裕量，它的選型要在所有模塊完成之后計(jì)算確定。</p><p>　　插槽號(hào)2：CPU模塊，選擇CPU314，提供背板

88、總線電流1200mA，功耗8W。</p><p>　　插槽號(hào)4：數(shù)字量輸入模塊，用到18路數(shù)字量輸入，需要選擇數(shù)字量模版：32×24V DC。從背板總線吸入電流25mA,功耗6.5W。</p><p>　　插槽號(hào)5：數(shù)字量輸出模塊，用到10路輸出。選擇數(shù)字量輸出摸板16×24V DC 0.5A，從背板總線吸入電流80mA,功耗5W。</p><p&g

89、t;　　可見:所有信號(hào)摸板和功能模板從背板總線吸收的電流為:</p><p>　　25+120=145mA</p><p>　　沒有超過CPU314能提供的最大電流1200mA,所有模板從電源吸收的電流為：</p><p>　　1000+145=1145 mA</p><p>　　所有模板的功耗為： 8+3.5+5=16.5W&

90、lt;/p><p>　　通過計(jì)算可知：所有模板從背版總線吸收的電流為0.145A，沒有超過CPU314所能提供的最大電流1.2A。所有模板從電源吸收的電流為1.145A，在考慮裕量的基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇PS307 5A的電源模板。因?yàn)镻S307 5A的功耗為18W，所以系統(tǒng)的總功耗為：</p><p>　　16.5+18=34.5W</p><p>　　PLC的模板分配如表4

91、-4所示：</p><p>　　表4-4 PLC模板分配表</p><p>　　5 PLC程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試</p><p>　　表5-1 STEP7編程</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　大學(xué)三年的時(shí)光已經(jīng)接近尾聲，在此，我想對(duì)我的父母，我的母校，我的親人們，我的老

92、師和同學(xué)們表達(dá)我由衷的感謝。感謝我的家人對(duì)我大學(xué)三年學(xué)習(xí)生活的默默支持;感謝我的母校給了我在大學(xué)三年的深造機(jī)會(huì)，讓我能夠繼續(xù)學(xué)習(xí)和提高；感謝我的老師和同學(xué)們這三年來對(duì)我的支持和關(guān)心；謝謝你們。</p><p>　　我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從選題到查閱資料，論文提綱的設(shè)定，中期論文的修改，后期論文格式調(diào)整等各個(gè)環(huán)節(jié)中給予我悉心的指導(dǎo)。這幾個(gè)月來，xx老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心的指導(dǎo)，同時(shí)還在思想上給我無微不至的關(guān)懷

93、，在此，我衷心的向xx老師表示感謝和敬意。同時(shí)，我也向其他同學(xué)請(qǐng)教了一些相關(guān)的問題，謝謝他們。</p><p>　　最后，我再一次真誠的感謝我的家人、老師、同學(xué)、朋友們，謝謝你們。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 《工廠常用電氣設(shè)備手冊(cè)》編寫組．工廠常用電氣設(shè)備手冊(cè)．2版 [M]．北京: 中國電力出版社

94、，1998.</p><p>　　[2]史國生．電氣控制與可編程控制器技術(shù) [M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2003．</p><p>　　[3] 王曉暉.自動(dòng)化立體倉庫堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2002.</p><p>　　[4] 濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)（第7版）.北京.高等教育出版社，2001.</p><p>　　[5] 鐘

95、毅芳.機(jī)械設(shè)計(jì)（第1版）.武漢.華中理工大學(xué)出版社，1999.</p><p>　　[6] 陳鐵鳴.機(jī)械設(shè)計(jì)（第3版）.哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.</p><p>　　[7] 楊明忠.機(jī)械設(shè)計(jì)（第1版）.武漢.武漢理工大學(xué)出版社，2001.</p><p>　　[8] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)（第1版）.北京.人民交通出版社，2003.</p>