柔性制造系统装配单元毕业设计

陕西航空职业技术学院毕业设计（论文）

毕业设计（或毕业论文）题目：柔性制造系统中装配单元的设计

系（部）机电工程系

机电一体化技术

学生姓名***

班级学号*****

指导教师***

2012 年 4 月 2 日

毕业设计任务书

机电工程系机电一体化技术专业

学生姓名 *** 学号 *****

一、毕业设计题目：柔性制造系统中装配单元的设计

二、毕业设计时间 2012 年4月2日

三、毕业设计地点：陕西航空职业技术学院

指导教师 *** 2012 年 4 月 2 日

目录

第一章装配单元简介 (1)

1.1装配单元概述 (1)

1.2装配单元的结构组成 (2)

第二章装配单元的设计与选用 (6)

2.1机械手腕部的结构设计 (6)

2.2PLC的选用 (8)

2.2.1可编程序控制器的选型与工作过程 (8)

2.3PLC程序的实现 (11)

2.4可编程序控制器的连接 (13)

2.5可编程序控制器的工作过程 (14)

2.6可编程序控制器的使用步骤 (14)

2.7可编程序控制器的输入输出保护 (15)

第三章装配单元的系统控制设计 (17)

3.0装配单元机械手装置控制系统的设计方案 (17)

3.0.1机械手的运动 (17)

3.0.2机械手的驱动方案设计 (17)

3.0.3 机械手的坐标型式与自由度 (17)

3.0.4 机械手的控制方案设计 (18)

3.0.5 机械手的技术参数列表 (19)

3.1机械手可编程序控制器控制方案 (20)

3.2可编程控制器的抗干扰措施 (23)

3.3PLC应注意的问题与解决方法 (25)

3.3.1工作环境 (25)

3.3.2安装与布线 (25)

3.3.3外部安全 (26)

第四章电、气路的设计与调试 (27)

4.1装配单元的气路设计与连接 (27)

4.2装配单元的电路设计与接线 (29)

4.3装配单元的程序编制与系统调试 (30)

结论 (31)

致谢 (32)

参考资料 (33)

第一章装配单元简介

1.1 装配单元概述

装配单元是将生产线中分散的两个物料进行装配的过程。主要是通过对自身物料仓库的物料按按生产需要进行分配，并使用机械手将其插入来自加工单元的物料中心孔的过程。装配单元总装实物图如下。

竖直料仓中的物料在重力作用下自动下落，通过两直线气缸的共同作用，分别对底层相邻两物料加紧与松开，完成对连续下落的物料的分配，被分配的物料按指定的路径落入由气动摆台构成的物料位置转换装置，由摆台完成180度位置变换后，由前后移动气缸，上下移动气缸，气动手指所组成的机械手夹持后位移，并插入以定位的半成品工作中。

1.2 装配单元的结构组成

由于装配单元不仅要完成对分散的物料的装配过程，而且配有自身的物料仓库，因此它的结构组成包括：简易物料仓库，物料分配机构气动系统与其阀组，信号采集与其自动控制系统，以与用于电器连接的端子排组件，整条生产线状态指示灯和用于其他机构安装的铝型材支架与底板，传感安装支架等其他附件。

简易物料仓库

简易物料仓库是由塑料圆棒加工而成，它直接插装在物料分配机构的底座连接孔中，并在顶端放置加强金属环，用以防止空心塑料圆柱的破坏。物料竖直放入料仓的空心圆柱内，由于二者之间有一定的间隙，使其能在重力作用下自由下落。

为了能对料仓缺料时与时报警，在料仓的外部安装漫反射光电传感器，并在料仓塑料圆柱上纵向铣槽，以使光电传感器的红外光斑能可靠照射到被检测的物料上。如下图：

简易物料仓库中的物料外型一致，颜色分为黑色和白色。

2.物料分配机构

它的动作过程是由上下安装水平动作的两直线气缸在PLC的控制下完成的。当供气压力达到规定气压后，打开气路阀门，此时分配机构底部气缸在单电控电磁阀的作用下，恢复到初始状态-----该气缸活塞杆伸出，因重力下落的物料被阻挡，系统上电并正常运行后，当位置变换机构料盘旁的光电传感器检测到位置变换机构需要物料时，物料分配机构中的上部气缸在电磁阀的作用下活塞杆伸出，将与之对应的物料夹紧，使其不能下落，底部气缸活塞杆缩回，物料掉入位置变换机构的料盘中，底部气缸复位伸出，上部的气缸缩回，物料连续下落，为下一次分料做好准备。在两直线气缸上均装有检测活塞杆伸出与缩回到位的磁性开官，用于动作到位检测，当系统正常工作并检测到活塞磁钢的时候，磁性开关的红色指示灯点亮，并将检测到的信号传送给控制系统的PLC。物料分配机构的底部装有用于检测有无物料的光电传感器，使控制过程更准确可靠。

3. 物料位置变换机构

该机构由气动摆台和料盘构成，气动摆台驱动料盘旋转180度，并将摆动到位信号通过磁性开关传给PLC，在PLC的控制下，实现有序，往复循环动作。见下图：

4. 机械手

机械手是整个装配单元的核心，变换机构有物料的信号传送至PLC，在半成品工件定位机构传感器检测到该机构有工件的情况下，机械手从初始状态执行装配操作过程。整体外型如图所示：

PLC驱动与竖直气缸相连的电磁换向阀动作，由竖直移动带导杆气缸驱动气动手指向下移动，磁性开关检测到下移到位后，气动手指驱动手爪夹紧物料，并将加紧信号通过磁性开关传送给PLC，在PLC控制下，竖直移动气缸复位，被夹紧的物料随气动手指一并提起，离开位置变换机构的料盘，提升到最高位后，水平移动气缸在与之对应的换向阀的驱动下，活塞杆伸出，移动到气缸前端位置后，竖直移动气缸再次被驱动下移，移动到最下端位置，气动手指松开，经短暂延时，竖直移动气缸和水平移动气缸缩回，机械手恢复初始状态。

在整个机械手动作过程中，除了气动手指松开到位无传感器检测外，其余动作的到位信号检测均采用与气缸配套的磁性开关，将采集到的信号输入PLC，由PLC输出信号驱动电磁阀换向，使由气缸与手指组成的机械手按程序自动运行。

5.半成品工件的定位机构

输送单元送来的半成品工件直接放置在该机构的料斗定位孔中，由定位孔与工件之间的较小的间隙配合实现定位，从而完成准确的装配动作和定位精度。如图所示。

6.电磁阀组

就是将多个阀集中在一起组成的一组阀，每一个阀的功能是彼此独立的。装配单元的阀组6个二位五通单电控电磁换向阀组成，如下图所示。这些阀分别对物料分配，位置变换和装配动作气路进行控制，以改变各自的动作状态。

第二章装配单元的设计与选用

随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

1.机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。

2.在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中

它可以用来组装零部件。

3.可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。

4.可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品与有害物的搬运等。

5.宇宙与海

2.1 机械手腕部的结构设计

机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。

1.机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要

求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。

2.机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。

3.机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。

4.机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。

5.要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。

6.手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。

通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式与对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图2-1。

水平液压缸支承板

手臂手

爪联结

梁

执行手爪

图2-1手爪联结结构

图2-2 机械手控制图

1．在传输带A端部，安装了光电开关PS，用以检测洋的开发。

2.机械手在原位时，按下起动按钮，系统起动，传送带A运转。当光电开关检测到物品后，传送带A停。

3．传输带A停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带A上搬到传送带B(连续运转）上。

4.机械手返回原位后，自动再起动传送带A运转，进行下一个循环。

5．按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返回原位，停止工作。

6.机械手的上升／下降和左移／右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动

液压装置实现，每个线圈完成一个动作。

7.抓紧／放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作，线圈断电时执行放松动作。

8.机械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制。

9.抓紧动作由压力继电器控制，当抓紧时，压力继电器动合触点闭合。放松动作为时间控制（设为2s）。

2.2PLC的选用

2.2.1可编程序控制器的选型与工作过程

一、可编程序控制器的选型

PLC选型的基本原则是在满足基本控制功能和容量的前提下，尽量保证工作可靠、维护使用方便以与最佳的性价比。

1、对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构PLC；

2、PLC一般是根据其输入输出点数与存储器容量的大小分类，在PLC选型之前首先确定系统I/O点数利存储器容量。

3、PLC一般可以通过三种方式进行编程。一种是厂家提供的普通手持式编程器编程，一般只能用于厂家规定的语句表中的语句进行编程；另一种是在普通计算机上运行专用的编程软件来编程，支持的编程语言多编程操作非常方便；第三种是厂家专用图形编程器编程，这类编程器采用梯形图编程，方便直观，我们此次设计就是采用梯形图编程。

装配单元所需的I/O点数较多。其中，输入信号包括来自按钮／指示灯模块的按钮、开关等主令信号，单元各构件的传感器信号灯；输出信号包括输出到抓取机械手装置各电磁阀的控制信号和输出到步进电动机驱动器的脉冲信号和驱动方向信号。此外尚须考虑在需要时输出信号到按钮／指示灯模块的指示灯、蜂鸣器等，以显示本单元或系统的工作状态。

由于需要输出驱动步进电动机的高速脉冲，因此PLC应采用晶体管输出型。

基于上述考虑，选用西门子S7-226AC／DC／DC型PLC，共24点输入，16点晶体管输出。PLC安装在模盒中。PLC引出线连接到面板上的安全插孔处。面板上每一输入插孔旁都设有一个钮子开关，该开关的 2根引出线分别连接到PLC输入端的公共参考点和相应的输入点，开关扳倒接通位置时，使该输入点ON，可以用于程序调试。须注意的是，在调试后要把开关扳回OFF位置，以免影响程序正常进行。

除了CPU221外，S7-200的其他CPU型号都可以附加扩展模块，以增加I/O点数、扩展通信能力和一些特殊功能。

S7-200的扩展模块包括：

数字量I/O扩展模块

模拟量I/O模块

通信模块

功能模块

不同类型的模块可以组合搭配，一起做S7-200 CPU的扩展模块。

二、数字量I/O扩展模块

数字量I/O扩展模块有：

EM221：数字量输入扩展模块。包括

8点 x 24VDC

8 x 120/230VAC

16 x 24VDC

EM222：数字量输出扩展模块

4 x 24VDC/5A

4 x 继电器/10A

8 x 24VDC/0.75A

8 x 继电器/2A

8 x 120/230VAC/0.5A

EM223：数字量输入/输出混合模块

4 x 24VDC输入；4 x 24VDC/0.75A输出

4 x 24VDC输入；4 x 继电器/2A输出

8 x 24VDC输入；8 x 24VDC/0.75A输出

8 x 24VDC输入；8 x 继电器/2A输出

16 x 24VDC输入；16 x 24VDC/0.75A输出

16 x 24VDC输入；16 x 继电器/2A输出

不同类型的数字量模块可以同时连接到CPU后面，只要注意各自的电源连接就可以了。

三、模拟量扩展模块

除了CPU224 XP外有两通道输入/1通道输出的简单模拟量I/O组外，其他CPU都需要加模拟量扩展模块才能获得模拟量I/O能力。

EM231：4通道电源/电流模拟量输入

EM231 RTD：2通道热电阻温度输入模块

EM231 TC：4通道热电偶温度输入模块

EM235：4通道电压、电流输入/1通道电压、电流输出模块

四、通信模块

除CPU本体上的通信口可以支持PPI/MPI和自由口通信之外，S7-200系列使用扩展模块支持更多的通信模式。

这些通信模块有：

EM277：PROFIBUS-DP/MPI通信模块。带DB-9插座，可连接到PROFIBUS-DP和MPI 网络上。EM277也可以用于连接西门子的HMI产品

EM241：模拟音频调制解调器（Modem）模块，带RJ11电话插口。支持自动电话拨号等功能

CP243-1：以太网模块，带RJ45接口，可连接到支持TCP/IP标准的以太网中，与西门子的其他CP243模块、CP343/CP443模块，或西门子软件（OPC Server）通信CP243-1 IT：带因特网功能的以太网模块，除CP243-1的功能外，还支持、E-mail等IT功能

CP243-2：AS-Interface（执行器－传感器接口）主站模块。AS-Interface从站可以连接到端子上。一个完整的系统还需要AS-Interface电源等设备

五、功能模块

S7-200目前有一种特殊功能模块：

EM253：定位处理模块，支持开环速度和定位控制。一般用于控制步进电机控制器和伺服电机控制器。支持RS422/RS-485差动输出和漏极开路输出。每个模块可以控制一个轴。使用多个模块的情况下也不能进行复杂的插补计算

2.3 PLC程序的实现

S7-200的数据主要分为：

与实际输入/输出信号相关的输入/输出映象区：

I：数字量输入（DI）

Q：数字量输出（DO）

AI：模拟量输入

AQ：模拟量输出

内部数据存储区

V：变量存储区，可以按位、字节、字或双字来存取V 区数据

M：位存储区，可以按位、字节、字或双字来存取M区数据

T：定时器存储区，用于时间累计，分辨率分为1ms、10ms、100ms三种

C：计数器存储区，用于累计其输入端脉冲电平由低到高的次数。CPU提供了三种类型的计数器：一种只能增计数；一种只能减计数；另外一种既可以增计数，又可以减计数

图11 S7-200支持的数据格式

2.4可编程序控制器的连接

1、ＰＣ机与ＰＬＣ实现通信的条件

带异步通信适配器的ＰＣ机与ＰＬＣ只有满足如下条件，才能互联通信：

（１）带有异步通信接口的ＰＬＣ才能与带异步通信适配器的ＰＣ机互联。还要求双方采用的总线标准一致，否则要通过“总线标准变换单元”变换之后才能互联。

（２）双方的初始化，使波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验都相同。

（３）要对ＰＬＣ的通信协议分析清楚，严格地按照协议的规定与帧格式编写ＰＣ机的通信程序。ＰＬＣ中配有通信机制，一般不需用户编程。

2 、ＰＣ机与与ＦＸ系列ＰＬＣ的串行通讯

2．1 硬件连接

ＰＣ机与ＦＸ系列ＰＬＣ不能直接连接，要经过ＦＸ－２３２ＡＷ单元进行ＲＳ２３２Ｃ／ＲＳ－４２２的变换。

2．2 ＦＸ系列ＰＬＣ的通信协议

在ＰＣ机中必须依据互联的ＰＬＣ的通信协议来编写通信程序，因此先介绍ＦＸ系列ＰＬＣ的通信协议。

（１）数据格式

ＦＸ系列ＰＬＣ采用异步格式，由１位起始位、７位数据位、１位偶校验位与１位停止位组成，波特率为９６００ｂｐｓ，字符为ＡＳＣＩＩ码。

（２）通信命令

ＦＸ系列ＰＬＣ有４个通信命令，它们是读命令、写命令、强制通命令、强制断命令。

（３）通信控制字符

ＦＸ系列ＰＬＣ采用面向字符的传输规程，用到５个通信控制字符。

（4）传输过程

ＰＣ机与ＦＸ系列ＰＬＣ之间采用应答方式通信，传输出错则组织重发。

2.5可编程序控制器的工作过程

可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用

了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。

第一阶段是初始化处理。

可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时， CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。

第二阶段是处理输入信号阶段。

在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。

第三阶段是程序处理阶段。

当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。

第四阶段是输出处理阶段。

CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。

2.6可编程序控制器的使用步骤

在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系

统时，通常以七个步骤进行:

(1)系统设计

即确定被控对象的动作与动作顺序。

(2) I/0分配

即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。

(3)画梯形图

它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。

(4)助记符机器程序

相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。

(5)编制程序

即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。

(6)调试程序

即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件。

(7)保存程序

调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。

2.7可编程序控制器的输入输出保护