自动生产线输送单元控制系统

摘 要

传统的机械设备与产品多以机械为主，是电气、液压和气动控制的机械设备，随着工业水 平的不断发展，机械设备已逐步的由手动控制改为自动控制，设备本身也发展成为机电一体化 的综合体，可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合计算机、自动化技术和通讯技术 发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过 30 多年的发展，目前可编程控制器已经成为自 动化领域中最重要、应用最多的控制装置，，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机 器人、计算机辅助设计与制造）首位。其广泛的深度和广度成为衡量一盒国家工业自动化程度 高低的标志。亚龙 YL-335B 型自动生产线实训考核装备在铝合金导轨式实训台上安装送料、 加工、装配、输送、分拣等工作单元，构成一个典型的自动生产线的机械平台，系统各机构的 采用了气动驱动、变频器驱动和步进（伺服）电机位置控制等技术。系统的控制方式采用每一 工作单元由一台 PLC 承担其控制任务，各 PLC 之间通过 RS485 串行通讯实现互连的分布式控 制方式。因此，YL-335B 综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（机械传动、 机械连接等）、传感器应用技术、PLC 控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。本文 对 YL-335B 进行了的系统介绍，详细的介绍了输送单元的基本结构、工作过程、基本功能及工 艺功能，机械手作为输送单元的重要组成部分，也对抓取机械手装置构成、工作方式及相关原 理进行了分析，并且对输送单元当中运用到的相关知识点进行阐述。 关键词：机械手、可编程控制器(PLC)

Key Words:Manipulators Extraman；Programmable Logic Controller；

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目录

第一章 绪论

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1.1 PLC 的发展历程 ……………………………………………………………………3 1.2 PLC 在现代工业生产中的作用和应用 ……………………………………………4 1.3 现代工业生产中常用到的 PLC 类型和品牌 ………………………………………4 1.4.现代工业中自动生产线的种类 ……………………………………………………4 1.5 研究本课题的重要意义、目的 ……………………………………………………5

第二章 YL-335B 的系统介绍 …………………………………………………6 2.1 YL-335B 的组成 ………………………………………………………………6 2.1.1 供料单元控制系统 ………………………………………………………………6 2.1.2 加工单元控制系统 ……………………………………………………………9 2.1.3 装配单元控制系统 ……………………………………………………………9 2.1.4 分拣单元控制系统 ……………………………………………………………11 2.1.5 输送单元控制系统 ……………………………………………………………12 2.2 YL-335B 的电气控制 …………………………………………………………12 2.2.1 工作单元的结构特点 ………………………………………………………12 2.2.2 YL-335B 的控制系统 ………………………………………………………12

第三章 YL-335B 输送单元的抓取和机械手的简介 ………………14 3.1 输送单元的基本结构与工作过程 ………………………………………………14 3.1.1 输送单元的基本功能 ……………………………………………………………14 3.1.2 输送单元工艺功能 ………………………………………………………………14 3.2.1 抓取机械手具体构成 ……………………………………………………………14 3.2.2 抓取机械手的工作过程 ………………………………………………………15 3.2.3 直线运动传动组件 ………………………………………………………………15 3.3 气动控制回路 ……………………………………………………………………16 3.3.1 相关的知识点 …………………………………………………………………17

第四章 输送单元的 PLC 控制及编程 ……………………………………18 4.1 工作任务 …………………………………………………………………………18 4.2 PLC 的地址分配……………………………………………………………………19 4.3 PLC 的顺序功能图…………………………………………………………………19 4.4 PLC 的二次接线图…………………………………………………………………20 4.5 PLC 的时序图………………………………………………………………………21 4.6 PLC 的主程序………………………………………………………………………22 4.7 自动生产线加工单元仿真符号表及仿真地址 ……………………………………27 总结与体会 ………………………………………………………………………………28 谢辞 ………………………………………………………………………………………29 参考文献 …………………………………………………………………………………30

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绪论

随着计计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高 PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑 控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着重要的作用。

作为离散控的制的首选产品，PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界 范围内的 PLC 年增长率保持为 20%～30%。随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC 市场容量基 数的不断扩大，近年来 PLC 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。综合相关资料，2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右，在自动化 领域占据着十分重要的位置。

PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量逻辑控 制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操 作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表 达了生产过程的工艺要求，并事先存入 PLC 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐 条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器，在 程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加 1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到 最终步（通常为 END 指令），然后再返回起始步循环运算。PLC 每完成一次循环操作所需的时 间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC，循环扫描周期在 1 微秒到几十微秒之间。PLC 用梯形 图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒。 它把所有的输入都当成开关量来处理，16 位（也有 32 位的）为一个模拟量。大型 PLC 使用另 外一个 CPU 来完成模拟量的运算。把计算结果送给 PLC 的控制器。

相同 I/O 点数的系统，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些（大约能省 40%左右）。PLC 没有 专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比 DCS 要低很多。

近 10 年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始 采用 PLC 进行控制，PLC 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化 水平的不断提高，今后一段时期内 PLC 在我国仍将保持高速增长势头。

通用 PLC 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但 PLC 相对一般嵌入式控 制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制 器，现在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制器。 1.1 PLC 的发展历程

1968 年，美国通用汽车公司（GM）根据市场形势与生产发展的需要，提出了“多品种、 小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。要实现这个战略决策，依靠原有的工业控制装置显 然不行，而必须有一种新的工业控制装置，它可以随着生产品种的改变，灵活方便地改变控制 方案以满足对控制的不同要求。1969 年，著名的美国数字设备公司（DEC）根据 GM 的功能 要求，研制出了这种新的工业控制装置，并在 GM 公司的一条汽车自动化生产线上首次运行取 得成功。根据这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及专门用于逻辑 控制的情况，称这种新的工业控制装置为可编程序控制器（Programmable Logic Controller）， 简称 PLC。

从 1968 年到现在，PLC 经历了四次换代：第一代 PLC 大多用一位机开发，用磁芯存储器 存储，只有逻辑控制功能。在第二代 PLC 产品中换成了 8 位微处理器及半导体存储器，PLC 产品开始系列化。第三代 PLC 产品随着高性能微处理器及位片式 CPU 在 PLC 中大量使用， PLC 的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方向发展。第四代 PLC 产品不仅 全面使用 16 位、32 位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC（Reduced instruction set computer）精简指令系统 CPU 等高级 CPU，而且在一台 PLC 中配置多个处理器，进行多通

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道处理。同时生产了大量内含微处理器的智能模板，使得第四代 PLC 产品成为具有逻辑控制 功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能 控制器。同一时期，由 PLC 组成的 PLC 网络也得到飞速发展。PLC 与 PLC 网络成为工厂企业 中首选的工业控制装置，由 PLC 组成的多级分布式 PLC 网络成为 CIMS（computer-integrated manufacturing system）系统不可或缺的基本组成部分。人们高度评价 PLC 及其网络的重要性， 认为它是现代工业自动化的三大支柱之一。 1.2 PLC 在现代工业生产中的作用和应用

随着计算机技术的飞速发展，PLC（即可编程逻辑编程器的简称）已经进入日常生产、生 活的各个方面，PLC 的应用在各行各业已成为必不可少的内容。PLC 作为通用的工业计算机， 其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。PLC 从诞生至今，仅有30年的历史， 但是得到了异常迅猛的发展，并与 CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支 柱。

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。随着工业化的进一步发展， 自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同 时，现在生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以 及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中 出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以现代机械制 造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高 产品质量和生产效率的有效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射 和污染的场合，应用更为广泛。在我国，近几年来也有较快发展，并取得一定效果，受到机械 工业和铁路部门的重视。

1.3 现代工业生产中常用到的 PLC 类型和品牌 分类方式 种类 代表机型例举 小型机 按控制规模 大型机 超大型机 按结构划分 箱体式 模块式 德国西门子公司 日本 OMRON 公 司 按生产厂家 日本三菱公司 分 美国 AB 公司 德维森公司 和利时公司

1.4.现代工业中自动生产线的种类

生产线是产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、

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中型机 德国西门子公司的 S7-200 机、德维森公司的 V80 系列 德国西门子公司的 S7300 机、德维森公司的 PPC11 系 列 德维森公司的 PPC22 系列 美国 GE 公司的 90－70 机 微型机 OMRON 公司 C20 系列、POMRON 公司 C20 系列 PLCLC S5－95U、100U、115U、135U 及 155U CPM1A 型机，P 型机，H 型机，CQM1、CVM AIS、AZC、A3A 等 PLC－5 系列 V80、PPC11、PPC22 和 PPC31 FOPLC 系列 昆明冶金高等专科学校

装配、检验等一系列生产活动所构成的路线。狭义的生产线是按对象原则组织起来的，完成产 品工艺过程的一种生产组织形式，即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）所需 要的各种设备和各工种的工人，负责完成某种产品（零、部件）的全部制造工作，对相同的劳 动对象进行不同工艺的加工。生产线的种类，按范围大小分为产品生产线和零部件生产线，按 节奏快慢分为流水生产线和非流水生产线，按自动化程度，分为自动化生产线和非自动化生产 线。生产线的主要产品或多数产品的工艺路线和工序劳动量比例，决定了一条生产线上拥有为 完成某几种产品的加工任务所必需的机器设备，机器设备的排列和工作地的布置等。生产线具 有较大的灵活性，能适应多品种生产的需要；在不能采用流水生产的条件下，组织生产线是一 种比较先进的生产组织形式；在产品品种规格较为复杂，零部件数目较多，每种产品产量不多， 机器设备不足的企业里，采用生产线能取得良好的经济效益。 1.5 研究本课题的重要意义、目的

毕业设计是机电一体化技术专业十分重要的实践性教学环节，是培养学生实际动手能力和 分析问题解决问题能力、理论与实践相结合的基本训练，提高综合应用《电路》、《电机与拖动》 、《电力电子技术》、《电力拖动自动控制系统》、《自动控制原理》、《传感器技术》、《计算机原 理与接口技术》、《PLC》等所学专业知识的系统应用能力，创新能力，工程开发中的协作精神； 提高分析和解决实际问题的能力，以系统性地加深对所学理论知识的理解。

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第二章 YL-335B 的系统介绍

2.1 YL-335B 的组成

亚龙 YL-335B 型自动生产线实训考核装备由安装在铝合金导轨式实训台上的送料单元、加 工单元、装配单元、输送单元和分拣单元 5 个单元组成。如图 1-1 所示。

图 2-1 YL-335B 外观图

每一工作单元既可自成一个独立的系统，同时又是一个机电一体化的系统。各个单元的执 行机构基本上以气动执行机构为主，输送单元的机械手装置整体运动则采取步进电机驱动、精 密定位的位置控制，该驱动系统具有长行程、多定位点的特点，是一个典型的一维位置控制系 统。分拣单元的传送带驱动则采用了通用变频器驱动三相交流异步电动机的传动装置。位置控 制和变频器技术是现代工业应用最为广泛的电气控制技术。

本设计中 YL-335B 应用传感器来判断物体的运动位置、物体通过的状态、物体的颜色及 材质等。传感器技术是机电一体化装备应用技术中的关键技术之一，也是现代工业实现高度自 动化的前提之一。在控制方面，YL-335B 采用基于 RS485 串行通信的 PLC 网络控制方案，每 一工作单元由一台 PLC 承担其控制任务，各 PLC 之间通过 RS485 串行通信实现互连的分布 式控制方式。用户可根据需要选择不同厂家的 PLC 型号及其所支持的 RS485 通信模式，组建 成一个小型的 PLC 网络。小型 PLC 网络以其结构简单，价格低廉的特点在小型自动生产线上 有着广泛的应用，在现代工业网络通信中占据相当的份额。

2.1.1 供料单元控制系统

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2.1.1.1 气动元件

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供料站气动控制回路采用标准双作用直线气缸作为执行元件为了使气缸的动作平稳可靠， 使用单向节流阀单对气缸的运动速度加以控制，向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量 控制阀，常用于控制气缸的运动速度，也称为速度控制阀。

单电控电磁换向阀、电磁阀组。YL-335B 所有工作单元的执行气缸都是双作用气缸， 因 此控制它们工作的电磁阀需要有二个工作口和二个排气口以及一个供气口，故使用的电磁阀均 为二位五通电磁阀。 供料单元用了两个二位五通的单电控电磁阀。两个电磁阀是集中安装在 汇流板上的。 汇流板中两个排气口末端均连接了消声器， 消声器的作用是减少压缩空气在向 大气排放时的噪声。 这种将多个阀与消声器、 汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成 称为阀组， 而每个阀的功能是彼此独立的。

2.1.1.2 气动控制回路

气动控制回路是本工作单元的执行机构，该执行机构的控制逻辑与控制功能是由 PLC 实 现的。气动控制回路的工作原理如图 2-1 所示。图中 1A 和 2A 分别为推料气缸和顶料气缸。 1B1 和 1B2 为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，2B1 和 2B2 为安装在推料 缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关。1Y1 和 2Y1 分别为控制推料缸和顶料缸的电磁阀的 电磁控制端。通常，这两个气缸的初始位置均设定在缩回状态。

图 2-2 供料单元气动控制回路工作原理

2.1.1.3 传感器

YL-335B 各工作单元所使用的传感器都是接近传感器， 它利用传感器对所接近的物体具 有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号。

1、磁性开关

YL-335B 所使用的气缸都是带磁性开关的气缸。这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强 的材料，如硬铝、不锈钢等。在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，这样就提供了一 个反映气缸活塞位置的磁场。而安装在气缸外侧的磁性开关则是用来检测气缸活塞位置，即检 测活塞的运动行程的。

在磁性开关上设置的 LED 显示用于显示其信号状态，供调试时使用。磁性开关动作时， 输出信号“1” ，LED 亮；磁性开关不动作时，输出信号“0” ，LED 不亮。

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磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧固定位螺栓，让磁性开关顺着气缸 滑动，到达指定位置后，再旋紧固定螺栓。

磁性开关有蓝色和棕色 2 根引出线， 使 用时蓝色引出线应连接到 PLC 输入公共 端，棕色引出线应连接到 PLC 输入端。磁 性开关的内部电路如图 2-1 中虚线框内 所示。 图 2-3 磁性开关内部电路

2、漫射式光电接近开关

漫射式光电接近开关供料单元中，用来检测工件不足或工件有无的漫射式光电接近开关选 用神视（OMRON）公司的 CX-441（E3Z-L61）型放大器内置型光电开关（细小光束型，NPN 型 晶体管集电极开路输出），。该光电开关的外形和顶端面上的调节旋钮与显示灯如图 2-2 所示。

图 2-4 CX-441（E3Z-L61）光电开关的外形和调节旋钮、显示灯

图 2-3 给出该光电开关的内部电路原理框图。

图 2-4 CX-441（E3Z-L61）光电开关电路原理图

用来检测物料台上有无物料的光电开关是一个圆柱形漫射式光电接近开关，工作时向上发 出光线，从而透过小孔检测是否有工件存在， 。该光电开关选用 SICK 公司产品 MHT15- N2317 型，其外形如图 2-5 所示。

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图 2-5

2.1.2 加工单元控制系统

加工单元的功能是完成把待加工工件在加工台加紧，并移送到加工区域冲压气缸的正下方，完 成对工件的冲压加工，然后把加工好的工件重新送出的过程。

表 2-6 加工单元装置侧的接线端口信号端子的分配

2.1.3 装配单元控制系统

2.1.3 .1 示灯、传感器

1、警示灯

本工作单元上安装有红、橙、绿三色警示灯，它是作为整个系统警示用的。警示灯有五根 引出线，其中黄绿双色线：黄绿双色线为”“地线”；红色线：红色灯控制线；黄色线：橙色灯 控制线，绿色线：绿色灯控制线；黑色线：信号灯公共控制线。接线如图 4-1 所示。

2、光纤传感器

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图 2-7

警示灯及其接线

光纤型传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两 个部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。光纤传 感器组件如图 2-8 所示。图 2-9 是放大器的安装示意图。

图 2-10 给出了放大器单元的俯视图， 调节其中部的 8 旋转灵敏度高速旋钮就能进行放大 器灵敏度调节（顺时针旋转灵敏度增大）。调节时，会看到“入光量显示灯”发光的变。

2-8 纤传感器组件图

2-9 光纤传感器组件外形

图 2-10 光纤传感器放大器单元的俯视图

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图 2-11 E3X-NA11 型光纤传感器电路框图

图 2-12 装配单元气动控制回路

2.1.4 分拣单元控制系统

分拣单元的电磁阀组使用了三个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，它们安装在汇 流板上。这三个阀分别对金属、白料和黑料推动气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。

本单元气动控制回路的工作原理如图 2-13 所示。图中 1A、2A 和 3A 分别为分拣一气缸、 分拣二气缸和分拣三气缸。1B1、2B1 和 3B1 分别为安装在各分拣气缸的前极限工作位置的磁 感应接近开关。1Y1、2Y1 和 3Y1 分别为控制 3 个分拣气缸电磁阀的电磁控制端。

图 2-13 分拣单元气动控制回路工作原理图

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2.1.5 输送单元的气动系统

输送单元的气动系统由：气动手爪、伸缩气缸、回转气缸、提升气缸、2 个二位五通双向 控阀、2 个二位五通单向电控阀电组成。 2.2 YL-335B 的电气控制

2.2.1 YL-335B 工作单元的结构特点

图 2-14 装置侧接线端口 图 2-15 PLC 侧接线端口

YL-335B 设备中的各工作单元的结构特点是机械装置和电气控制部分的相对分离。每

一工作单元机械装置整体安装在底板上，而控制工作单元生产过程的 PLC 装置则安装在工作 台两侧的抽屉板上。因此，工作单元机械装置与 PLC 装置之间的信息交换是一个关键的问题。 YL-335B 的解决方案是：机械装置上的各电磁阀和传感器的引线均连接到装置侧的接线端口上。 PLC 的 I/O 引出线则连接到 PLC 侧的接线端口上。两个接线端口间通过多芯信号电缆互连。 图 2-14 和图 2-15 分别是装置侧的接线端口和 PLC 侧的接线端口。

装置侧的接线端口的接线端子采用三层端子结构，上层端子用以连接 DC24V 电源的+24V 端，底层端子用以连接 DC24V 电源的 0V 端，中间层端子用以连接各信号线。 PLC 侧的接线端 口的接线端子采用两层端子结构，上层端子用以连接各信号线,其端子号与装置侧的接线端口 的接线端子相对应。底层端子用以连接 DC24V 电源的+24V 端和 0V 端。 装置侧的接线端口和 PLC 侧的接线端口之间通过专用电缆连结。其中 25 针接头电缆连接 PLC 的输入信号，15 针接 头电缆连接 PLC 的输出信号。

2.2.2 YL-335B 的控制系统

YL-335B 的每一工作单元都可自成一个独立的系统， 同时也可以通过网络互连构成一个 分布式的控制系统。

1、当工作单元自成一个独立的系统时，其设备运行的主令信号以及运行过程中的状态显 示信号，来源于该工作单元按钮指示灯模块。模块上的指示灯和按钮的端脚全部引到端子排上。 模块盒上器件包括： ⑴指示灯（24VDC） ：黄色（HL1）、绿色（HL2）、红色（HL3）各一个。 ⑵主令器件：绿色常开按钮 SB1 一个、红色常开按钮 SB2 一个、选择开关 SA（一对转换触点）、 急停按钮 QS（一个常闭触点）

2、当各工作单元通过网络互连构成一个分布式的控制系统时，对于采用西门子 S7-200 系列 PLC 的设备，YL-335B 的标准配置是采用 PPI 协议的通信方式。设备出厂的控制方案如 图 2-16 所示。

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图 2-16

各工作站 PLC 配置如下：

⑴输送单元：S7-226 DC/DC/DC 主单元，共 24 点输入，16 点晶体管输出。 ⑵供料单元：S7-224 AC/DC/RLY 主单元，共 14 点输入和 10 点继电器输出。 ⑶加工单元：S7-224 AC/DC/RLY 主单元，共 14 点输入和 10 点继电器输出。 ⑷装配单元：S7-226 AC/DC/RLY 主单元，共 24 点输入，16 点继电器输出。 ⑸分拣单元：S7-224 XP AC/DC/RLY 主单元，共 14 点输入和 10 点继电器输出。 3、人机界面

系统运行的主令信号（复位、启动、停止等）通过触模屏人机界面给出。同时，人机界面 上也显示系统运行的各种状态信息。

人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁。使用人机界面能够明确指示并 告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是 新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化， 同时也能减少 PLC 控制器所需的 I/O 点数，降低生产成本，同时由于面板控制的小型化及高 性能，相对的提高了整套设备的附加价值。

YL-335B 采用了昆仑通态 （MCGS） TPC7062KS 触摸屏作为它的人机界面。 TPC7062KS 是一款以嵌入式低功耗 CPU 为核心（主频 400MHz）的高性能嵌入式一体化工控机。该产品设 计采用了 7 英寸高亮度 TFT 液晶显示屏（分辨率 800×480），四线电阻式触摸屏（分辨率

4096×4096），同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统 WinCE.NET（中文版）和 MCGS 嵌 入式组态软件（运行版）。

下面我们以输送单元作为主要研究对象进行研究

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第三章 YL-335B 输送单元的抓取和机械手的简介

3.1 输送单元的结构与工作过程

3.1.1 输送单元的基本功能

该单元通过直线运动传动机构驱动抓取机械手装置到指 定单元的物料台上精确定位，并 在该物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到指定 地点然后放下，实现传送工件的功能。 3.1.2 输送单元工艺功能是

驱动其抓取机械手装置精确定位到指定单元的物料台，在 物料台上抓取工件，把抓取到 的工件输送到指定地点然后放下的功能。

YL—335B 出厂配置时，输送单元在网络系统中担任着主站的角色，它接收来自触 摸屏的 系统主令信号，读取网络上各从站的状态信息，加以综合后，向各从站发送控制要求，协调整 个系统的工作。

输送单元由抓取机械手装置、直线运动传动组件、拖链装置、PLC 模块和接线端 口以及 按钮/指示灯模块等部件组成。下图是安装在工作台面上的输送单元装置侧部分。

3.2.1 抓取机械手具体构成

抓取机械手装置是一个能实现三自由度运动（即升降、伸缩、气动手指夹紧/松开和沿垂 直轴旋转的四维运动）的工作单元，该装置整体安装在直线运动传动组件的滑动溜板上，在传 动组件带动下整体作直线往复运动，定位到其他各工作单元的物料台，然后完成抓取和放下工 件的功能。图7-2 是该装置实物图。

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具体构成如下：

⑴气动手爪：用于在各个工作站物料台上抓取/放下工件。由一个二位五通双向电 控阀控制。

⑵伸缩气缸：用于驱动手臂伸出缩回。由一个二位五通单向电控阀控制。

⑶回转气缸：用于驱动手臂正反向90 度旋转，由一个二位五通单向电控阀控制。 ⑷提升气缸：用于驱动整个机械手提升与下降。由一个二位五通单向电控阀控制。 3.2.2 抓取机械手工作过程

⑴输送单元在通电后，按下复位按钮 SB1，执行复位操作，机械手处于初始位置，在复位 过程中，“正常工作”指示灯 HL1 以 1Hz 的频率闪烁。

⑵抓取机械手装置从供料站出料台抓取工件，抓取的顺序是：手臂伸出→手爪夹紧抓取工 件→提升台上升→手臂缩回。

⑶机械手臂缩回后，摆台逆时针旋转 90°。

⑷工件放到加工站物料台上，抓取机械手装置在加工站放下工件的顺序是：手臂伸出→提 升台下降→手爪松开放下工件→手臂缩回。 3.2.3 直线运动传动组件

直线运动传动组件用以拖动抓取机械手装置作往复直线运动，完成精确定位的功 能。图7-3 是该组件的俯视图。

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传动组件由直线导轨底板、伺服电机及伺服放大器、同步轮、同步带、直线导轨、滑动溜 板、拖链和原点接近开关、左、右极限开关组成。

伺服电机由伺服电机放大器驱动，通过同步轮和同步带带动滑动溜板沿直线导轨作往复直 线运动。从而带动固定在滑动溜板上的抓取机械手装置作往复直线运动。同步轮齿距为5mm， 共12 个齿即旋转一周搬运机械手位移60mm。

抓取机械手装置上所有气管和导线沿拖链敷设，进入线槽后分别连接到电磁阀组和接线端 口上。

原点接近开关和左、右极限开关安装在直线导轨底板上，如图7-4 所示。

原点接近开关是一个无触点的电感式接近传感器，用来提供直线运动的起始点信号。关于 电感式接近传感器的工作原理及选用、安装注意事项请参阅项目一（供料单元控制系统实训）。

左、右极限开关均是有触点的微动开关，用来提供越程故障时的保护信号：当滑动溜板在 运动中越过左或右极限位置时，极限开关会动作，从而向系统发出越程故障信号。 3.3 气动控制回路

输送单元的抓取机械手装置上的所有气缸连接的气管沿拖链敷设，插接到电磁阀组上，其气动 控制回路如图7-5 所示。

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在气动控制回路中，驱动摆动气缸和气动手指气缸的电磁阀采用的是二位五通双电控电磁 阀，电磁阀外形如图7-6 所示。

双电控电磁阀与单电控电磁阀的区别在于，对于单电控电磁阀，在无电控信号时，阀芯在 弹簧力的作用下会被复位，而对于双电控电磁阀，在两端都无电控信号时，阀芯的位置是取决 于前一个电控信号。

注意：双电控电磁阀的两个电控信号不能同时为“1”，即在控制过程中不允许两个线圈同时 得电，否则，可能会造成电磁线圈烧毁，当然，在这种情况下阀芯的位置是不确定的。 3.3.1 相关的知识点

输送单元中，驱动抓取机械手装置沿直线导轨作往复运动的动力源，可以是步进

电机，也可以是伺服电机，视实训的内容而定。变更实训项目时，由于所选用的步进 电机和伺服电机，它们的安装孔大小及孔距相同，更换是十分容易的。

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第四章 输送单元的 PLC 控制及编程

4.1工作任务

输送单元单站运行的目标是测试设备传送工件的功能。要求其他各工作单元已经 就位，并且在供料单元的出料台上放置了工件。具体测试要求如下： 1、正常功能测试

⑴ 抓取机械手装置从供料单元出料台抓取工件，抓取的顺序是：手臂伸出→手爪夹 紧抓取工件→提升台上升→手臂缩回。

⑵ 放下工件动作完成2 秒后，机械手向左旋转90°，伺服电机驱动机械手装置向分拣单元移 动。

⑶ 机械手装置移动到分拣单元物料台的正前方后，即把工件放到加工站物料台上。 抓取机械手装置在加工站放下工件的顺序是：手臂伸出→提升台下降→手爪松开放下 工件→手臂缩回。

（4） 放下工件动作完成后，机械手手臂缩回，然后执行返回供料单元的操作。伺服电机 驱动机械手返回供料单元停止，机械手向右旋转90°

当抓取机械手装置返回供料单元后，一个测试周期结束。当供料单元的出料台上放置了 工件时开始新一轮的测试。 4.2 PLC 的地址分配

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I0.8 元件 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 说明 物料台上检测器 机械手抬升下限检测 机械手抬升上限检测 机械手旋转右限检测 机械手旋转左限检测 机械手伸出检测 机械手缩回检测 机械手加紧检测 启动按钮 18

昆明冶金高等专科学校 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 I0.9 I1.0 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7

A9 A10 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 停止按钮 复位按钮 提升台下降电磁阀 提升台上升电磁阀 回转气缸右旋电磁阀 回转气缸左旋电磁阀 手爪伸出电磁阀 手爪缩回电磁阀 手爪加紧电磁阀 手爪放松电磁阀

4.3 PLC 的顺序功能图

4.4 二次接线图

4.5 PLC 的时序图

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4.6 PLC 的主程序

4.7 自动生产线加工单元仿真符号表及仿真地址

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总结与体会

随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成 了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次 做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也 是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学 习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次 毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习， 努力提高自己知识和综合素质。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间 互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这 里非常感谢帮助我的同学。我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得 困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外， 还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值!有些东西以为学会了，但真正到用的时 候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在此要感谢我的指导 老师王娜对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料， 与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛， 但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自 己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的 能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太 好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。推荐 阅读：大学三年就会在这最后的毕业设计总结划上一个圆满的句号.我曾经以为时间是一个不 快不慢的东西,但现在我感到时间过的是多么的飞快,三年了,感觉就在一眨眼之间结束了我的 大学生涯.毕业,最重要的一个过程,最能把理论知识运用到实践当中的过程就数毕业设计了.这 也是我们从一个学生走向社会的一个转折.另一个生命历程的开始.

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致谢

在本论文完成的过程中，首先我必须感谢我们的指导老师王娜，王老师严格要求的治学态 度深深的影响了我们。在论文初期，我们感觉整个工作都毫无头绪，自己也查了很多的资料， 可是还是不知道如何去开展工作，王老师耐心的为我们讲解整个论文的切入点，同时还给我们 提了许多宝贵的意见和要求。正是因为这样我们才能顺利的完成论文。在写论文的过程中，我 们也非常感谢我们的同学。在学习过程中我们遇到很多的问题，很多都是在同学的指导下得到 解决，有了他们的帮助，使我学会了很多的东西，非常感谢他们。

最后，非常感谢电气学院的所有老师们，感谢您们的精心教育!

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主要参考文献

［1］ 陶权，韦瑞录.PLC 控制系统设计、安装与调试. 北京理工大学出版社.2009 ［2］ 岳庆来．变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术[m]．北京:机械工业出版 社,2006,

［3］手册编委．机电工程手册基础卷(二)[z]．北京:机械工业出版社,2002,1 ［4］自动化生产线安装与调试．吕景泉

［5］李增国，易运池 齐玉强.传感器与检测技术.北京航空航天大学出版社

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