多自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文

1、高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 題 目考生姓名：準(zhǔn)考證號：專業(yè)層次：院（系）：指導(dǎo)教師： 職 稱：重慶科技學(xué)院三號黑體,居中二O14年8月30日重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文中 文 題 名考生姓名：準(zhǔn)考證號：專業(yè)層次：指導(dǎo)教師：院（系）：重慶科技學(xué)院二OO七年月日前言可編程控制器是20世紀(jì)70年代以來，在集成電路，計算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設(shè)備。由于具有功能強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，國外已廣泛應(yīng)用于自動化控制的各個領(lǐng)域，并已成為現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱產(chǎn)品。近年來，國內(nèi)在PLC技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用方面發(fā)展很快，除有許多從國外引進(jìn)的設(shè)備，自動

2、化生產(chǎn)線外，國內(nèi)的機(jī)床設(shè)備已越來越多采用PLC控制系統(tǒng)采用控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)?。粌r格上能與繼電接觸器控制系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維護(hù)、維修；能直接推動電磁閥，接觸器與之相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央執(zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳播數(shù)據(jù)等。本課題是基于PLC控制四自由度機(jī)械手運(yùn)行。 工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人體上肢部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，它可以代替手的繁重勞動，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平。有著廣闊的發(fā)展前途。本課題通PLC自動控制對機(jī)械手實(shí)現(xiàn)機(jī)械手規(guī)定動作并實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、手動方式和自動方式三種工作方式的選擇，并對

3、系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行效率分析。 摘要隨著工業(yè)機(jī)械手的進(jìn)一步發(fā)展，其發(fā)展將更趨向于人性化、智能化并將在更加廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。機(jī)械手是一種模仿人體上肢運(yùn)動的機(jī)器，它能按照預(yù)定要求輸送工種或握持工具進(jìn)行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，對實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用。因而具有強(qiáng)大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。 工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強(qiáng)度，提高 勞動生產(chǎn)率和自動化水平。通過對機(jī)械制造與自動化大學(xué)?？迫甑乃鶎W(xué)知識進(jìn)行整合，對工業(yè)機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，確定機(jī)械手的工作原理和運(yùn)動機(jī)理。設(shè)計了一種四自由度機(jī)械手，采用可編程序控制器（PLC）設(shè)計

4、其控制系統(tǒng),以提高其工作的穩(wěn)定性能。關(guān)鍵詞：機(jī)械手 梯形圖PLC 電磁閥AbstractWith the further development of industrial robots, and its development tends to be more humane, intelligent and in a wider range of applications. Manipulator is a kind of imitation of the upper body movement machine, it can be scheduled according to reques

5、t typeor holds the automation tool operation of technical equipment, industrial automation, promote the production of industrial production of the further development plays an important role.Manipulator noted extensively and welcome by people for it has powerful vitality. Industrial robots can repla

6、ce the hands of heavy labor, significantly reduce labor intensity, and improve labor productivity and automation level. Mechanical manufacturing and automation through the junior college for three years to integrate the knowledge of industrial manipulator mechanical structure and function of various

7、 parts of exposition and analysis to determine the robot motion principle and mechanism. Design a four-DOF manipulator to enhance the stability of their work for using the programmable logic controller to control system.Keywords: ManipulatorLadder diagram PLCSolenoid valve目 錄前言1中文摘要2英文摘要.31 緒論.51.1

8、本課題設(shè)計的背景5本課題設(shè)計的內(nèi)容61.3 本課題設(shè)計的目的和意義72 PLC的概述82.1 PLC介紹82.2 PLC的構(gòu)成92.3 PLC 的外部設(shè)備102.4 PLC的工作原理102.5 PLC的優(yōu)點(diǎn)123基于PLC的機(jī)械手控制方案的確定133.1 機(jī)械手的概述133.2 采用PLC控制機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)133.3 機(jī)械手設(shè)計內(nèi)容133.4 PLC的選型143.5 三菱FX系列的結(jié)構(gòu)功能164功能實(shí)現(xiàn)與控制方式184.1 機(jī)械手模型的機(jī)能和特性184.2 夾緊機(jī)構(gòu)184.3 軀干194.4 旋轉(zhuǎn)編碼盤195控制系統(tǒng)設(shè)計215.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計215.2 PLC梯形圖中的編程元件215.3

9、PLC的I/O分配225.4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的外部接線圖235.5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計23致謝36參考文獻(xiàn)37附錄（指令表）381 緒論1.1 本課題設(shè)計的背景1969年美隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化技術(shù)越來越高，生產(chǎn)工況也有趨于惡劣的態(tài)勢，這對一線工人的操作技能也提出了更高的要求，同時操作工人的工作安全也受到了相應(yīng)的威脅。工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡單化，對于一些往復(fù)的工作由機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化程度，從而

10、可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。近些年，隨著計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用，機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。借助PLC強(qiáng)大的工業(yè)處理能力，很容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動化?；诖怂悸吩O(shè)計的機(jī)械手，在實(shí)現(xiàn)各種要求的工序前提下，大大提高了工業(yè)過程的質(zhì)量，而且大大解放了生產(chǎn)力，改善了工作環(huán)境，減輕了勞動強(qiáng)度，節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)效率，具有十分重要的意義。美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出世界第一臺可編程控制器，并成功地應(yīng)用在美國（GM）的生產(chǎn)線上。但當(dāng)時只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC（Program

11、mable Logic Controller）。70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)的迅猛發(fā)展，使PLC從開關(guān)量的邏輯控制擴(kuò)展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，真正成為一種電子計算機(jī)工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC（Programmable Controller）。但由于PC易于個人計算機(jī)（programmable computer）相混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程器的縮寫。1985年國際電工委員會（IEC）對PLC的定義如下：可編程控制器是一種進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時

12、、計算和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。PLC是繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)學(xué)處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢。繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種作用：PLC是集自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已躍居工業(yè)自動化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位，可編程控制器，簡稱PLC。它在集成電路，計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設(shè)備。具有具有功能強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動化控制的各個領(lǐng)域，并已成為現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱產(chǎn)品。與繼電接觸器系統(tǒng)相

13、比更加可靠；占位空間比繼電接觸器控制系統(tǒng)?。粌r格上能與繼電接觸器控制系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維護(hù)、維修；能直接推動電磁閥、接觸器與之相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央執(zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。因此，進(jìn)行機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以推動機(jī)械手行業(yè)的擴(kuò)展，擴(kuò)大PLC在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)和理論研究的價值?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對機(jī)械手的控制要求越來越高，若用傳統(tǒng)的繼電器控制方式進(jìn)行控制，勢必造成控制系統(tǒng)元件多，接線繁雜、穩(wěn)定性差、故障率高，給工業(yè)生產(chǎn)帶來很多不便。針對這些問題此次設(shè)計選取性價比高的可編程控制器設(shè)計其控制系統(tǒng)。課題以四自由度機(jī)械手的控制為研究對象，

14、采取PLC設(shè)計其控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手規(guī)定動作并實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、手動方式和自動方式三種工作方式的選擇，并對系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行效率分析1.3 本課題設(shè)計的目的和意義機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展帶動了整個機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展。現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化，自動化已成為突出的主題。然而在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費(fèi)時而且效率不高。同時人的勞動強(qiáng)度

15、非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機(jī)械手的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。在機(jī)械工業(yè)中在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用具有以下意義：件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本 不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地 改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操

16、作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。第2章 PLC的概述一般講，PLC分為箱體式和模塊式兩種。但它們的組成是相同的，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當(dāng)然按CPU性能分成若干型號，并按I/O點(diǎn)數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式PLC，有CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其I/O能力可按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。PLC的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1：圖 2-1 PLC基本結(jié)構(gòu)圖2.1 PLC介紹2.2 PLC的構(gòu)成PLC中的CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺PLC

17、至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。與通用計算機(jī)一樣，主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。它確定了進(jìn)行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CPU芯

18、片實(shí)際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對CPU內(nèi)部的詳細(xì)分析已無必要，我們只要弄清它在PLC中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。PLC的對外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。有些PLC中的電源，是與CPU模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源以其輸入類型有：交流電源，加的

19、為交流220V或110V，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24V。大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。2.3 PLC 的外部設(shè)備外部設(shè)備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控制運(yùn)行。：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器，直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存

20、儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如EPROM、EEPROM寫入器等。：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等。2.4 PLC的工作原理PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。PLC的掃描全過程如圖2-2所示。圖2-2 PLC的掃描全過程在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條

21、執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。顯然掃描周期的長短主要取決與程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每一個掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由此可見，若輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出會相應(yīng)地發(fā)生變化。反之，若在本次刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要

22、到下一次掃描的I/O刷新期間輸出才會發(fā)生變化。這對于一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成不利影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸觾H在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個工作周期的大部分時間里實(shí)際上是外設(shè)隔離的。而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖式的、短時的，由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，往往要幾個掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，因瞬間干擾而引起的誤操作將會大大減少，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是對于控制時間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后等不良影響2.5 PLC的優(yōu)點(diǎn)不同類型的硬件設(shè)備采用相同的可編程序控制器

23、，編寫不同應(yīng)用軟件就可以了，并且可以用一臺可編程控制器控制幾臺操作方式完全不同的設(shè)備。：可編程序控制器為改進(jìn)和修訂原設(shè)計提供了極其方便的手段，以前也許要花費(fèi)幾周的時間才能完成的工作使用可編程序控制器只要幾分鐘就可以了。：在可編程序控制器中，一個輸入中的開關(guān)量或程序中的一個“線圈”可提供用戶所需用的連鎖節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)在程序中可不受限制的使用。：可編程序控制器提供的繼電器節(jié)點(diǎn)、計數(shù)器、計時器、順控器的數(shù)量比采用繼電器、計數(shù)器、計時器、順控器等實(shí)際元器件要便宜的多。：可編程序控制能對所空功能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬調(diào)試，縮短現(xiàn)場的調(diào)試，而古典電器線路是無法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試的，只能花費(fèi)現(xiàn)場大量時間。：在可編程

24、序控制器系統(tǒng)中，操作人員過顯示器觀測到所控每一個節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，隨時監(jiān)測事故發(fā)生點(diǎn)。傳統(tǒng)繼電器節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)時間一般要幾百毫秒，而可編程序控制器里的節(jié)點(diǎn)反應(yīng)很快，內(nèi)部是微秒級的。：可編程序控制器由集成電路元件構(gòu)成，因此可靠性大大高于機(jī)械和電器繼電器。：可編程序控制器是一個完整的系統(tǒng)，購置了一臺可編程序控制器，就相當(dāng)于購買了系統(tǒng)所需要的所有繼電器、計數(shù)器、計時器等器件。：傳統(tǒng)控制電路要靠畫藍(lán)圖，而藍(lán)圖不能隨著設(shè)計的不同階段不斷更新的，采用可編程序控制器很容易做到隨時打印出更新后的電路圖。：可編程序控制器可以重新編程序，所以可以滿足所控生產(chǎn)流程頻繁變化的要求。第三章 基于PLC的機(jī)械手控制方案的確定3

25、.1 機(jī)械手的概述3.2 采用PLC控制機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)3.3 機(jī)械手設(shè)計內(nèi)容圖3-1機(jī)械手示意圖1、手爪張開閉合2、手腕旋轉(zhuǎn) 3、水平移動 4、升降 5、立柱旋轉(zhuǎn)6、手爪 7、手腕電動機(jī) 8、橫軸 9、 豎軸 10、豎軸電動機(jī) 11、橫軸電動機(jī)12、底盤 13、底盤電動機(jī)機(jī)械手工作流程是：開始運(yùn)行后，如果機(jī)械手不在初始位置上，步進(jìn)電動機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)(橫軸向手抓方向移動，豎軸向上移動)。歸位后首先橫軸步進(jìn)電動機(jī)工作，橫軸前伸；前伸到位后，手爪電動機(jī)得電帶動手爪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)傳感器檢測到限位磁頭時，電動機(jī)停止，PLC控制電磁閥動作，手張開；延時一段時間，豎軸步進(jìn)電動機(jī)工作，豎軸下降；下降到位后，電磁閥復(fù)位，手

26、爪夾緊；延時過后，豎軸上升，同時橫軸縮回、底盤電動機(jī)帶動底盤旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、底盤都到位后，橫軸前伸；到位后手爪旋轉(zhuǎn)，然后豎軸下降，電磁閥動作，手爪張開；延時后豎軸上升復(fù)位，然后開始下一周期動作。手臂采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，由PLC發(fā)出控制脈沖控制步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)手臂的進(jìn)給和定位，手爪采用氣壓驅(qū)動。3.4 PLC的選型對于PLC的選擇，我們必須考慮多方面的因素。例如輸入、輸出的最多點(diǎn)數(shù)，掃描速度，內(nèi)存容量，指令條數(shù)，功能模塊等。同時還要考慮其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性以及工作環(huán)境對其的影響。PLC發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號的也很多，各個廠家生產(chǎn)的也有一定區(qū)別，各個重點(diǎn)發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己

27、設(shè)計需要，考慮如何選擇。西門子的中國業(yè)務(wù)是其亞太地區(qū)業(yè)務(wù)的主要支柱，活躍在中國的信息與通訊、自動化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個行業(yè)中，其核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工業(yè)解決方案。歐姆龍S7-200系列PLC 突出的特點(diǎn)：可靠性高、操作簡便；豐富的內(nèi)置集成功能；強(qiáng)勁通訊能力；豐富的擴(kuò)展模塊；簡單、易用的Micro/WIN編程軟件。OMRON的可編程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小僅相當(dāng)于一個PC卡(對于10點(diǎn)的機(jī)型來說)，從而使安裝體積大幅度減小，同時也進(jìn)一步節(jié)省了控制柜的空間。它不僅具備了以往小型PLC所具備的功能，而且還可連接可編程序終端，為生產(chǎn)現(xiàn)場創(chuàng)造

28、了新的環(huán)境。編程環(huán)境與CQM1及SYSMAC A等機(jī)種相同。由于原有SYSMAC支持軟件及編程器都可繼續(xù)使用，故而系統(tǒng)的擴(kuò)展及維護(hù)都可簡單進(jìn)行。三菱FX系列可編程控制器是當(dāng)今國內(nèi)外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在FX中，除基本的指令表編程方式外，還可以采用梯形圖編程及對應(yīng)機(jī)械動作流程進(jìn)行順序設(shè)計的SFC順序功能圖編程，而且這些程序可互相轉(zhuǎn)換。在FX系列PLC中設(shè)置了高數(shù)計數(shù)器，對來自特定的輸入繼電器的高頻脈沖進(jìn)行中斷處理，擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。其FX2N PLC還可以采用作為擴(kuò)展設(shè)備的硬件計數(shù)器，可獲取最高50kHz的高速脈沖。綜上，對于被控對象，采用PLC系統(tǒng)與采用其它形式的控制

29、系統(tǒng)相比較，力求具有較好的性價比，使用和維修方便；選用的PLC主機(jī)和配置、控制功能等必須能滿足被控對象的各種控制要求；選用的PLC主機(jī)及配置必須是功能較強(qiáng)的新一代PLC機(jī)型，一般最好不要選用舊機(jī)型（若采用三菱公司的PLC，則選FX系列，不選F1系列）。同時還應(yīng)當(dāng)考慮將來工藝的變化和擴(kuò)展，在滿足確定的要求外，留有一定的余量；確保整個控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對產(chǎn)品的熟悉程度，以及編程指令的易懂性。在此，我選用三菱FX1N來做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC產(chǎn)品。其中FX2是近年推出的產(chǎn)品，F(xiàn)X0是在FX2之后推出

30、的超小型PLC，近幾年來又連續(xù)推出了將眾多功能凝集在超小型機(jī)殼內(nèi)的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有較高的性能價格比，應(yīng)用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)。3.5 三菱FX系列的結(jié)構(gòu)功能可編程控制器是一種工業(yè)控制微型計算機(jī)，它的結(jié)構(gòu)原理與微型計算機(jī)相似。硬件構(gòu)成有微處理器、存儲器和各種輸入、輸出接口。系統(tǒng)程序和接口器件又與微機(jī)不同，這使它的操作使用方法、編程語言、工作方式等與微型機(jī)有所不同。PLC是用微處理器實(shí)現(xiàn)繼電器、定時器和計數(shù)器以及A/D、D/A模擬轉(zhuǎn)換器件的組合體的功能，采用軟件編程進(jìn)行它們之間的聯(lián)系。本設(shè)計采用FX系列PLC作

31、為控制核心，所以現(xiàn)在就以它來講述PLC的應(yīng)用知識、操作技能。FX系列PLC硬件組成與其它類型PLC基本相同，主體由三部分組成，其PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖3-2系統(tǒng)電源有些在CPU模塊內(nèi)，也有單獨(dú)作為一個單元的，編程器一般看作PLC的外設(shè)。PLC內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。圖3-2 PLC 的組成框圖外部開關(guān)信號、模擬信號以及各種傳感器檢測信號作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC的輸入端子進(jìn)入PLC的輸入存儲器，收集和暫存被控對象實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)信號和數(shù)據(jù)；經(jīng)PLC內(nèi)部運(yùn)算與處理后，按被控對象實(shí)際動作要求產(chǎn)生輸出結(jié)果；輸出結(jié)果送到輸出端子作為輸出變量，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PLC的各個部分協(xié)調(diào)一致地

32、實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。當(dāng)輸出口連接電感類設(shè)備時，為了防止電路關(guān)斷時刻產(chǎn)生高壓對輸入、輸出口造成破壞，應(yīng)在感性元件兩端加保護(hù)元件。對于直流電源，應(yīng)并接續(xù)流二極管，對于交流電路應(yīng)并接阻容電路。阻容電路中電阻可取51120，電容取0.10.47F，電容的額定電壓應(yīng)大于電源的峰值電壓。續(xù)流二極管可選1A的管子，其額定電壓應(yīng)大于電源電壓的3倍。圖3-3為輸入輸出口的保護(hù)環(huán)節(jié)示意圖。圖3-3輸入輸出口的保護(hù)第4章 功能實(shí)現(xiàn)與控制方式4.1 機(jī)械手模型的機(jī)能和特性物體在三維空間內(nèi)的靜止位置是由三個坐標(biāo)和圍繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定的，因此，抓握物體的位置和方向能從理論上求得。根據(jù)資料的介紹，如果采用機(jī)械手，其機(jī)

33、能要接近于人的上肢，則需要具有27個自由度，而每一個自由度至少要有一根“人造肌肉”來控制。我們不要那么多自由度，因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)際情況而言，控制的自由度越多，其各個部分也就越復(fù)雜，相應(yīng)的制造成本也就增加。本設(shè)計的機(jī)械手，它共有自由度4個。即：手臂前后伸縮、手臂上下伸縮、手臂左右旋轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)。4.2 夾緊機(jī)構(gòu)機(jī)械手手爪是用來抓取工件的部件。手爪抓取工件時要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確可靠的要求。設(shè)計制造夾緊機(jī)構(gòu)機(jī)械手，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式，運(yùn)行速度和加速度的情況來考慮。其夾緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力來計算。則同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，還需

34、備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內(nèi)并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動定心結(jié)構(gòu)。為防止突然斷電造成被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、動作靈活、和工作可靠。夾緊結(jié)構(gòu)形式多樣、有機(jī)械式、吸盤式和電磁式等。有的夾緊機(jī)構(gòu)還帶有傳感裝置和攜帶工具進(jìn)行操作的裝置。本設(shè)計采用機(jī)械式夾緊裝置。機(jī)械式夾緊是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運(yùn)動的方式和模仿人手的動作，可分為回轉(zhuǎn)型、直進(jìn)型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式、外撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動力來源可分為彈簧式、氣動式、液壓式等。本設(shè)計采用

35、二指式手爪。由可編程控制器控制電磁閥動作，從而控制手爪的開閉。手爪的回轉(zhuǎn)則用一個直流電動機(jī)完成，同時通過兩個限位開關(guān)完成回轉(zhuǎn)角度的限位，一般可設(shè)置在180度。4.3 軀干軀干有底盤和手臂兩部分組成。底盤是支撐機(jī)械手的全部重量并能帶動手臂旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。底盤采用一個直流電動機(jī)驅(qū)動，底盤旋轉(zhuǎn)時帶動一個旋轉(zhuǎn)編碼盤旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手每旋轉(zhuǎn)三度發(fā)出一個脈沖，由傳感器檢測并送入可編程控制器，從而計算底盤旋轉(zhuǎn)的角度。同時，在底盤上裝有限位開關(guān)，最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)180度。手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐手爪、工件使它們運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計手臂由橫軸和豎軸組成、可完成伸縮、升降的運(yùn)動。由可編程控制器發(fā)出信號控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

36、，同時在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位。4.4 旋轉(zhuǎn)編碼盤機(jī)械手底盤和軀干每旋轉(zhuǎn)3度發(fā)出一個脈沖，并把信號送回可編程控制器來得到轉(zhuǎn)過的準(zhǔn)確的角度。編碼盤的機(jī)構(gòu)如圖4-1。圖4-1 旋轉(zhuǎn)編碼盤可以通過改變程序中計數(shù)器C0的初值來確定所要轉(zhuǎn)過的角度，這里可以通過用計算機(jī)讀出指令表，然后修改得到不同的控制角度。綜上所述，根據(jù)機(jī)械手的各部分要求條件可確定本設(shè)計機(jī)械手控制系統(tǒng)所選器材列表如表4-1。表4-1所選器材列表名稱型號或規(guī)格數(shù)量名稱型號或規(guī)格數(shù)量PLCFX1N-60MR1限位開關(guān)LX19-1118電磁閥VF31301轉(zhuǎn)換開關(guān)LW6-51按鈕LA10-1H13熔斷器RC1A-30/152連接導(dǎo)線若干

37、第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計5.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點(diǎn)之外，還要求有連續(xù)控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來，在手動方式時可以通過手動按鈕來實(shí)現(xiàn)，其控制面板如下圖5-1。當(dāng)旋鈕打向回原點(diǎn)時，系統(tǒng)自動地回到右上角位置待命。當(dāng)旋鈕打向連續(xù)時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當(dāng)旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實(shí)現(xiàn)。5-15.2 PLC梯形圖中的編程元件設(shè)計選用FX1N60MR，其輸入繼電器（X）36點(diǎn)，輸出繼電器(Y)24點(diǎn)，輔助繼電器(M)384點(diǎn)，狀態(tài)繼電器(S)1000點(diǎn)，定時器(T)256點(diǎn)，計數(shù)器(C)，數(shù)據(jù)寄

38、存器(D)等。特殊輔助繼電器M8000運(yùn)行監(jiān)控（PLC運(yùn)行時自動接通，停止時斷開）；M8002初始脈沖（僅在PLC運(yùn)行開始時接通一個掃描周期）；M8005PLC后備鋰電池電壓過低時接通；M801110ms時鐘脈沖； M8013100ms時鐘脈沖；M80121s時鐘脈沖；M80141min時鐘脈沖。5.3 PLC的I/O分配根據(jù)機(jī)械手動作的要求，輸入、輸出分配如表5-1所示。表5-1 PLC輸入/輸出分配表輸入信號輸入信號手動SAX0手順限位SQ7X24回原位SAX1手逆限位SQ8X25連續(xù)SAX2底旋轉(zhuǎn)脈沖X26回原位SB1X3前行SB12X30啟動SB2X4后退SB13X31停止SB3X5下

39、降SB4X6上升SB5X7夾緊SB6X10輸出信號松開SB7X11上升/下降步進(jìn)電機(jī)YA0Y0手順轉(zhuǎn)SB8X12YA1Y1手逆轉(zhuǎn)SB9X13YA2Y2底盤順轉(zhuǎn)SB10X14前進(jìn)/后退步進(jìn)電機(jī)YA3Y3底盤逆轉(zhuǎn)SB11X15YA4Y4下限位SQ1X16YA5Y5上限位SQ2X17夾緊YA6Y6前限位SQ3X20手順轉(zhuǎn)YA 7Y7后限位SQ4X21手逆轉(zhuǎn)YA 8Y10底盤順限位SQ5X22底盤順轉(zhuǎn)YA 9Y11底盤逆限位SQ6X23底盤逆轉(zhuǎn)YA10Y125.4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的外部接線圖PLC外部電氣接線圖如下圖5-15.5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的程序總體結(jié)構(gòu)如圖5-2，分為公用

40、程序、自動程序、手動程序和回原位程序等四部分。其中自動程序包括單步、連續(xù)運(yùn)動程序，因它們的工作順序相同所以可將它們和編在一起。CJ（FNC00）是條件跳轉(zhuǎn)應(yīng)用指令，指針標(biāo)號PX是其操作數(shù)。該指令由于某種條件下跳過CJ指令和指針標(biāo)號之間的程序，從指針標(biāo)號處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時間。如果選擇“手動”工作方式，即X0為ON，X1為OFF則PLC執(zhí)行完公用程序后將跳過自動程序到P0處，由于X0動斷觸點(diǎn)斷開所以直接執(zhí)行“手動程序”。由于P1處的X1的動斷觸點(diǎn)閉合，所以又跳過回原位程序到P2處。如果選擇“回原位”工作方式，同樣只執(zhí)行公用程序和回原位程序，如果選擇“連續(xù)”方式，則只執(zhí)行公用程序和自動程序

41、。公用程序如圖5-3，簡要說明如下：當(dāng)Y6復(fù)位（電磁閥松開）、后限位X21和上限位X17接通時，輔助繼電器M0變?yōu)镺N，表示機(jī)械手在原位。如果開始執(zhí)行用戶程序（M8002為ON）、系統(tǒng)處于手動或回原位狀態(tài)（X0或X1為ON），那么初始步對應(yīng)的M10被置位，連續(xù)工作方式做好準(zhǔn)備。如果M0為OFF，M10被復(fù)位，系統(tǒng)不能進(jìn)入連續(xù)工作方式。指令ZRST是成批復(fù)位應(yīng)用指令，以防止系統(tǒng)從自動方式轉(zhuǎn)換手動方式，再返回自動方式時出現(xiàn)兩種不同的活動步。 自動操作順序功能流程圖見圖5-4所示。當(dāng)機(jī)械手處于原位時，按啟動X4接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S1，驅(qū)動前伸Y3，當(dāng)?shù)竭_(dá)前限位使行程開關(guān)X20接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S2，而S

42、1自動復(fù)位。驅(qū)動手順轉(zhuǎn)Y7，X24接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S3，驅(qū)動下降Y2，X16接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S4，S4驅(qū)動Y6置位，延時1秒，以使電磁力達(dá)到最大夾緊力。當(dāng)T0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S5，驅(qū)動Y0上升，當(dāng)上升到達(dá)最高位，X17接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S6。S6驅(qū)動Y4后退。移到后限位，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S7底逆轉(zhuǎn)Y12，狀態(tài)到S8，X20接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S9下降。下降到最低位，X16接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時1秒。延時時間到，T1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S11上升。上升到最高位，X25接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S13后退。后退到后限位，使X21接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S14，底盤順轉(zhuǎn)是X21接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循

43、環(huán)動作。在編寫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅(qū)動的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步進(jìn)順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強(qiáng)。自動連續(xù)程序說明：當(dāng)系統(tǒng)處于自動連續(xù)方式時，X2為ON，它的動合觸點(diǎn)閉合，在初始步時按下啟動按鈕X4，M1得電并保持，就按照圖4-5自動功能圖進(jìn)行工作。按下停止按鈕X7后，M1變?yōu)镺FF，系統(tǒng)不會立即停止，而是完成當(dāng)前的工作周期后，機(jī)械手最終停止在原位。根據(jù)自動功能流程圖的順序編寫的自動程序梯形圖為圖5-5。圖5-5自動程序段梯形圖如下圖所示。圖中上升/下降，左移/右移都有連鎖和限位保護(hù)。手動程序說明：用對應(yīng)機(jī)械手的上下前后移動和夾緊松開按鈕。按下不同的按鈕，機(jī)械手執(zhí)行相應(yīng)的動作。在前后移動的程序中串聯(lián)上線位置開關(guān)的動合觸點(diǎn)是為了避免機(jī)械手在較低位置移動時碰撞其他工件。為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，程序之間還進(jìn)行必要的連鎖。圖5-6手動程序梯形圖回原位程序；在系統(tǒng)處于回原位工作狀態(tài)時，按下回原位按鈕（X3），M3變?yōu)镺N，機(jī)械手松開和上升，當(dāng)升到上限位（X17變?yōu)镺N），機(jī)械手后退，直到后限位（X21為ON）才停止，并且M3復(fù)位。圖5-7回原位程序梯形圖梯形圖程序經(jīng)過檢驗(yàn)語法錯誤以及邏輯上的可靠性后,編譯成指令表，以便后傳入PLC中。并可以運(yùn)用軟件在線監(jiān)測PLC的運(yùn)行情況，同時可以用手持編程器