機(jī)電一體化畢業(yè)設(shè)計(jì)-柔性制造系統(tǒng)中裝配單元的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 進(jìn)制位） 真（ 1）；假（ 0） BYTE （字節(jié)） 8 （字節(jié)） 無符號整數(shù) 0 ~ 255； 0 ~ FF（ Hex） INT（整數(shù)） 16 （字） 有符號整數(shù) 32768 ~ 32767； 8000 ~ 7FFF（ Hex） WORD（字） 無符號整數(shù) 0 ~ 65535； 0 ~ FFFF（ Hex） DINT （雙整數(shù)） 32 （雙字） 有符號整數(shù) 2147483648 ~ 2147483647 8000 0000 ~ 7FFF FFFF（ Hex） DWORD （雙字） 無符號整數(shù) 0 ~ 4294967295； 0 ~ FFFF（ Hex） REAL （實(shí)數(shù)） IEEE 32位 單精度浮點(diǎn)+38 ~ （負(fù)數(shù)）； + ~++38（正陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 2021屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 數(shù) 數(shù)）； ※ ASCII 8個(gè) （字節(jié)） 字符列表 ASCII 字符、 漢字內(nèi)碼（每個(gè)漢字 2字節(jié)） STRING （字符串） 字符串 1 ~ 254 個(gè) ASCII 字符、 漢字內(nèi)碼（每個(gè)漢字 2字節(jié)） 圖 11 S7200 支持的數(shù)據(jù)格式 可編程序控制器的連接 ＰＣ機(jī)與ＰＬＣ實(shí)現(xiàn)通信的條件 帶異步通信適配器的ＰＣ機(jī)與ＰＬＣ只有滿足如下條件，才能互聯(lián)通信： （１）帶有異步通信接口的ＰＬＣ才能與帶異步通信適配器的ＰＣ機(jī)互聯(lián)。還要求雙方采用的總線標(biāo)準(zhǔn)一致，否則要通過 “ 總線標(biāo)準(zhǔn)變換單元 ” 變換之后才能互聯(lián)。 （２）雙方的初始化，使波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)都相同。 （３）要對ＰＬＣ的通信協(xié)議分析清楚，嚴(yán)格地按照協(xié)議的規(guī)定及幀格式編寫ＰＣ機(jī)的通信程序。ＰＬＣ中配有通信機(jī)制，一般不需用戶編程。 2 、ＰＣ機(jī)及與ＦＸ系列ＰＬＣ的串行通訊 2． 1 硬件連接 ＰＣ機(jī)與ＦＸ系列ＰＬＣ不能直接連接，要經(jīng)過ＦＸ－２３２ＡＷ單元進(jìn)行ＲＳ２３２Ｃ／ＲＳ－４２２的變換。 2． 2 ＦＸ系列ＰＬＣ的通信協(xié)議 在ＰＣ機(jī)中必須依據(jù)互聯(lián)的ＰＬＣ的通信協(xié)議來編寫通信程序，因此先介紹ＦＸ系列ＰＬＣ的通信協(xié)議。 （１）數(shù)據(jù)格式 ＦＸ系列ＰＬＣ采用異步格式，由１位起始位、７位數(shù)據(jù)位、１位偶校驗(yàn)位及１位停止位組成，波特率為９６００ｂｐｓ，字符為ＡＳＣＩＩ碼。 （２）通信命令 ＦＸ系列ＰＬＣ有４個(gè)通信命令，它們是讀命令、寫命令、強(qiáng)制通命令 、強(qiáng)制斷命令。 陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 2021屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 （３）通信控制字符 ＦＸ系列ＰＬＣ采用面向字符的傳輸規(guī)程，用到５個(gè)通信控制字符。 （ 4）傳輸過程 ＰＣ機(jī)與ＦＸ系列ＰＬＣ之間采用應(yīng)答方式通信，傳輸出錯(cuò)則組織重發(fā)。 可編程序控制器的工作過程 可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用 了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為 4個(gè)階段。 第一階段是初始化處理。 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連， CPU 對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為 I/0 狀態(tài)表 .該表是一個(gè)專門 存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器 。存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機(jī)時(shí)， CPU 首先使 I/0 狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。 第二階段是處理輸入信號階段。 在處理輸入信號階段， CPU 對輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入端子的狀態(tài)信息送到 I/0 狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在 I/0 狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。 第三階 段是程序處理階段。 當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入 I/0 狀態(tài)表后， CPU 工作進(jìn)入到第三個(gè)階段。在這個(gè)階段中，可編程序控制器對用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各 I/0 狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果寫入 I/0 狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。 第四階段是輸出處理階段。 CPU 對用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到 I/0 狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時(shí)將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。然后， CPU 又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。 可編程序控制器的使用 步驟 在可編程序控制器與被控對象 (機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程 )構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系 統(tǒng)時(shí)，通常以七個(gè)步驟進(jìn)行 : 陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 2021屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 (1)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 即確定被控對象的動(dòng)作及動(dòng)作順序。 (2) I/0 分配 即確定哪些信號是送到可編程序控制器的，并分配給相應(yīng)的輸入端號 。哪些信號是由可編程序控制器送到被控對象的，并分配相應(yīng)的輸出端號 .此外，對用到的可編程序控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等也要進(jìn)行分配?？删幊绦蚩刂破魇峭ㄟ^編號來識別信號的。 (3)畫梯形圖 它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達(dá)了系統(tǒng)中全部動(dòng)作的相互關(guān)系。如果使用圖形編程器 (LCD 或 CRT)，則畫出梯形圖相當(dāng)于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對簡易編程器，則往往要經(jīng)過下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過程。 (4)助記符機(jī)器程序 相當(dāng)于微機(jī)的助記符程序，是面向機(jī)器的 (即不同廠家的可編程序控制器，助記符指令形式不同 )，用簡易編程器時(shí)，應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序，才能將其輸入到可編程序控制器中。 (5)編制程序 即檢查程序中每條語法錯(cuò)誤，若有則修改。這項(xiàng)工作在編程器上進(jìn)行。 (6)調(diào)試程序 即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，可以在編程器上修 改。程序設(shè)計(jì)(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試 )也可在別的工具上進(jìn)行。如 IBMPC機(jī)，只要這個(gè)機(jī)器配有相應(yīng)的軟件。 (7)保存程序 調(diào)試通過的程序，可以固化在 EPROM 中或保存在磁盤上備用。 可編程序控制器的輸入輸出保護(hù) 類別 保護(hù)措施 直流輸入 在需要保護(hù)的輸入口反并接穩(wěn)壓二極管 ,穩(wěn)壓值低于輸入口的 電壓額定值 交流輸入 在需要保護(hù)的輸入口并接電阻與電容串聯(lián)的組合 陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 2021屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 交流感性負(fù)載 在負(fù)載兩端并聯(lián)壓敏電阻 ,或并聯(lián)電阻與電容串聯(lián)的組合(C=。R:,100200 歐 ) 直流感性負(fù)載 在負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管 (額定電流為 1 安左右 )或齊納二管 陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 2021屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 第三章 裝配單元的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì) 裝配單元機(jī)械手裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 對氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是 :充分分析作業(yè)對象 (工件 )的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件 。明確工件的結(jié)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力 特性 、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求，盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過 程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制 . 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng) 機(jī)械手以及其手部所夾持的工件（或工具）在空間的位置，由臂部、腕部等組成部件以及整機(jī)的各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的合成來確定。如圖 2所示，機(jī)械手通常可實(shí)現(xiàn)如下的基本動(dòng)作： 手臂的運(yùn)動(dòng)：伸縮運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)（即俯仰）、升降運(yùn)動(dòng)。 手腕的運(yùn)動(dòng)：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。 手部的運(yùn)動(dòng)：夾緊和松開。 整機(jī)主體的運(yùn)動(dòng)：整機(jī)行走。 機(jī)械手的每一個(gè)運(yùn) 動(dòng)，必須要配有一個(gè)原動(dòng)件，當(dāng)各原動(dòng)件按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)部件隨之作確定的運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)械手具有運(yùn)動(dòng)和位置的確定性。 所以通過上述我采取了下列設(shè)計(jì)方案。 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。 機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。 按坐標(biāo)系分類： （ 1)直角坐標(biāo)機(jī)械手 陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 2021屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 主機(jī)架由三個(gè)相互正交的平移軸組成，手臂可作 前后伸縮、上下升降和左右橫移三個(gè)動(dòng)作，具有結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高的特點(diǎn)。 (2）圓柱坐標(biāo)機(jī)械手 由立柱和一個(gè)安裝在立柱上的水平臂組成，手臂可作前后伸縮、上下升降和繞立柱轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)動(dòng)作，這種結(jié)構(gòu)占據(jù)空間位置小，活動(dòng)范圍大。 (3）球坐標(biāo)機(jī)械手 由回轉(zhuǎn)機(jī)座、俯仰鉸鏈和伸縮臂組成，手臂可作前后伸縮、上下擺動(dòng)（俯仰和左右擺動(dòng)三個(gè)動(dòng)作，該結(jié)構(gòu)能以簡單的機(jī)構(gòu)得到較大的工作范圍。 (4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)械手 由大小兩手臂和立柱等機(jī)構(gòu)組成，大小臂間的聯(lián)結(jié)為肘關(guān)節(jié)，大臂和立柱間的聯(lián)結(jié)為肩關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有動(dòng)作靈 活、運(yùn)動(dòng)慣性小、動(dòng)作范圍大等優(yōu)點(diǎn)。 由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱坐標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度。 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變 PLC 程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。 ，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模 集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無故障時(shí)間高達(dá) 30 萬小時(shí)。一些使用冗余 CPU 的 PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。從 PLC 的機(jī)外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障 自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 2021屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 ，重量輕，能耗低 以超小型 PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 根據(jù)以上特點(diǎn)， 我選擇了 PLC 作為我此次設(shè)計(jì)機(jī)械手的軟件。 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途 : 用于自動(dòng)輸送線的上下料。 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) : 抓重 10 公斤 (夾持式手部 ) 5 公斤 （ 氣流負(fù)壓式吸盤 ） 自由度數(shù) ： 3個(gè)自由度 坐 標(biāo)型式 ：圓