自動化論文基于PLC的多關(guān)節(jié)工業(yè)機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

1、第一章PLC概述1.1 PLC的定義可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，它具備了模擬量控制、過程控制以及遠程通信等強大功能，所以美國電氣制造商協(xié)會將其正式命名為可編程控制器（Programmable Controller）,簡稱PC。但是個人計算機（Personal Computer）也簡稱PC，為了避免混淆，將用于邏輯控制的可編程控制叫做PLC（Programmable Logic Controller）.PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置，它其實就是一臺計算機，它采用可以編制程序的存儲器，在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運算、

2、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，它以接入式CPU為核心，通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都是很容易與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，容易擴展其功能的?？删幊炭刂破魇且环N工業(yè)現(xiàn)場用計算機。它是為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，工業(yè)環(huán)境一般辦公環(huán)境有較大的區(qū)別。由于PLC的特殊構(gòu)造，使它能在高粉塵、高噪音、強電磁干擾和溫度變化劇烈的環(huán)境下正常工作。為了能控制機械或生產(chǎn)過程，它要能很容易的與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，這些都是個人計算機無法比擬的?？删幊炭刂破魇且环N通用的工業(yè)控制計算機。它能控制各種類型的工業(yè)設(shè)備及生產(chǎn)過程。它的功能能夠很容易地擴展

3、，它的程序是可以根據(jù)控制對象的不同，讓使用者來編制的。也就是說，可編程控制器較其以前的工業(yè)控制計算機，如單片機工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應(yīng)用在各種場合。通過以上定義還可以了解到，相對一般意義上的計算機，可編程控制器不僅具有計算機的內(nèi)核，它還配置了許多使其適用于工業(yè)控制的器件。它實質(zhì)上是經(jīng)過一次開發(fā)的工業(yè)控制計算機。從另一個方面來說，它是一種通用機，經(jīng)過二次開發(fā)，它可以在任何具體的工業(yè)設(shè)備上使用。它在很大程度上使的工業(yè)自動化設(shè)計從專業(yè)設(shè)計院走進工廠和礦山，變成了普通工程技術(shù)人員甚至普通電氣工人力所能及的工作。再加上體積小、工作可靠性高、抗干擾能力強、控制功能完善，適應(yīng)性強，安裝

4、接線簡單等眾多優(yōu)點，可編程控制器在短短的30年中獲得了突飛猛進的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用。1.2 PLC的由來及發(fā)展1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出第一臺可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC），在美國通用汽車公司的自動裝配線上使用，取得了巨大的成功。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理

5、的計算機存儲元件都以繼電器命名。因而人們稱可編程控制器為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入了實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，在世界第一臺可編程控制器的誕生地美國，1982年的統(tǒng)計數(shù)字顯示，大量應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國重點工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的82%，可編程控制器的應(yīng)用數(shù)量已位于眾多的工業(yè)自控設(shè)備之首。這個時期可編程

6、控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機及超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元，通訊單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都

7、的到了長足的發(fā)展。1.3 PLC的特點及用途 1.3.1 PLC具有以下幾個主要特點（1）可靠性高、抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設(shè)備非常關(guān)鍵的性能。PLC由于采用大規(guī)模集成電路技術(shù)、嚴格的生產(chǎn)工藝，內(nèi)部電路采取了輸入輸出信號的光電隔離、濾波、電源的屏蔽、穩(wěn)壓和保護、故障診斷等先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，它能在高粉塵、高噪音、強電磁干擾和溫暖變化劇烈的環(huán)境下正常工作。PLC的平均無故障時間可高達510萬小時以上。從PLC的機外電路來說，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)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就大大降低。（2）功能完善、應(yīng)用領(lǐng)域廣到現(xiàn)在為

8、止PLC已經(jīng)形成各種規(guī)模、系列化的產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合，并能完成決大多數(shù)的工業(yè)控制任務(wù)。PLC所具有的完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，PLC通訊能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變的非常容易。（3）編程簡單，易學(xué)易用PLC采用和繼電器電路圖接近的梯形圖語言，只用少量的開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。在工業(yè)現(xiàn)場，可以使用手持編程器或筆記本對PLC進行編程。當(dāng)PLC聯(lián)網(wǎng)后，可以在網(wǎng)絡(luò)的任一位置對PLC編程。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制提供了方便。（4）系統(tǒng)

9、安裝簡單、體積小、價格低PLC在存儲邏輯代替接線邏輯、采用模塊化的結(jié)構(gòu)，大大地減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建設(shè)的周期大大縮短了?，F(xiàn)代集成電路技術(shù)的廣泛應(yīng)用，功耗僅數(shù)瓦。由于PLC體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。使得PLC的重量越來越輕、功耗也越來越少。在集成電路技術(shù)和生產(chǎn)廠家越來越多的情況下，PLC的價格也越來越低。1.3.2 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域PLC在鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛，主要可以歸納為以下幾類：（1）開關(guān)量的邏輯控制可編程控制器可實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，也可用于單

10、臺設(shè)備的控制，又可用于多機群控制及自動化流水線。（2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。（3）運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。（4）過程控制過程控制是指對連續(xù)變化的量進行控制。如對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各

11、樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合。1.4 PLC的主要技術(shù)指標PLC的性能指標較多，主要介紹與組成PLC控制系統(tǒng)關(guān)系較直接的幾個。（1）編程語言及指令功能用戶的PLC程序可以用梯形圖語言、指令標語言、功能塊圖編寫，梯形圖語言在PLC中較為常見，梯形圖語言一般在計算機屏幕上編輯，使用起來簡單方便?，F(xiàn)在功能圖語言的使用有上升趨勢。編程語言中還有一個內(nèi)容是指令功能。衡量指令功能強弱可看兩個方面：一是指令條數(shù)多少；二是指令中有多少綜合性指令。一條綜合性指令一般就能完成一項專門操作。用戶編制的程序完成的控制任務(wù)，取決于PLC指令的多少，指令功能越多，編程

12、越簡單和方便，完成一定的控制任務(wù)越容易。（2）輸入輸出點數(shù)輸入輸出點數(shù)是PLC可以接受的輸入開關(guān)信號和輸出開關(guān)信號的最大數(shù)量，值得注意的是輸入點數(shù)往往的大于輸出點數(shù)的，且二者不能相互替代。（3）掃描速度數(shù)掃描速度數(shù)是指PLC掃描1k（1k=1024）字用戶程序所需的時間，通常以ms/k字為單位，掃描速度越快越好。（4）存儲容量存儲容量是存放用戶程序的存儲器的容量。通常用k來表示。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在編制PLC程序時，需要用到大量的寄存器來存放變量、中間結(jié)果、保持數(shù)據(jù)、定時計數(shù)、模塊設(shè)置和各種標志位等信息。這些寄存器的多少，直接關(guān)系到程序的編制，該存儲器的容量越大，就可以編

13、制出更復(fù)雜的程序。（5）可擴展性在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中PLC的可擴展性也顯的非常重要。主要包括：輸入輸出點數(shù)的擴展；存儲容量的擴展；聯(lián)網(wǎng)功能的擴展；可擴展的模塊數(shù)；另外，可編程序控制器的可靠性、易操作性及經(jīng)濟性等功能指示也受用戶的關(guān)注。 第二章 機械手簡介它是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀中期，隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展，又為機器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)。在

14、這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手。 機械手首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人主要由類似人的手和臂組成它可代替人的

15、繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，

16、其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有23個自由度。機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。多關(guān)節(jié)機械手

17、指的是利用關(guān)節(jié)連接兩個相鄰的剛體，即連桿，關(guān)節(jié)提供連桿之間的相對運動，在這個機構(gòu)中，關(guān)節(jié)多是以其中一個特點，正是由于關(guān)節(jié)多，所以它的抓握功能遠遠強于傳統(tǒng)的夾鉗式等機械手。它可以完成對不同形狀、不規(guī)則工件的抓握。多關(guān)節(jié)機械手有多種結(jié)構(gòu)，其中最理想的也是應(yīng)用最多的就是類似于人手的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)能模擬人手抓物體時的情況。與傳統(tǒng)的機械手相比，多關(guān)節(jié)機械手具有動作靈活，運動慣性小、通用性強、能抓取靠近基座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作等優(yōu)點。2.1 控制系統(tǒng)的功能要求傳統(tǒng)的機械手采用繼電氣控制，由于其線路復(fù)雜、維護困難、可靠性差等缺點，無法滿足機械手控制的需求。可編程控制器（PLC

18、）的出現(xiàn)使得這類問題得到解決，PLC控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、可靠性高、編程簡單、功耗低和改造方便的特點，能夠完成動作要求精度高的工作。2.1.1 機械手機械結(jié)構(gòu)以軸承裝配為例：軸承裝配是軸承生產(chǎn)過程中的最后且極為重要的環(huán)節(jié)，而軸承壓蓋機則是裝配先上較為復(fù)雜的部分。本節(jié)講述的是利用機械手在軸承裝配線上，通過PLC控制機械手的動作，完成取軸承、加蓋及轉(zhuǎn)移工件，最后控制壓蓋機完成壓蓋的整個過程。圖2-1是某以生產(chǎn)線上機械手的工作示意圖。圖2-1 機械手的工作示意圖該機械手在生產(chǎn)線上的主要任務(wù)是，將軸承從傳送帶1轉(zhuǎn)移至傳送帶2上，然后將蓋放置于軸承之上，最后經(jīng)壓蓋機加工，完成軸承裝配的一部分加工

19、。整個工作過程機械手包括以下動作：手臂上升手臂下降手爪抓緊手爪放松手臂左旋手臂右旋多關(guān)節(jié)機械手完成以上動作主要是通過機械控制來實現(xiàn)的，即利用PLC控制電動機的轉(zhuǎn)動和電磁閥的通斷，電動機的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動機械手臂的左右旋轉(zhuǎn)，電磁閥驅(qū)動氣缸的升降控制機械手臂的上升和下降。多關(guān)節(jié)機械手的工作過程如圖2-2所示：啟動手爪放松傳送帶2手臂下降手臂上升手臂抓緊手臂下降傳送帶1手爪抓緊手臂右旋手臂上升圖2-2 多關(guān)節(jié)機械手簡單工作過程示意圖(1)手臂上升：使機械手相對于工作臺向上移動，提高它的高度，以滿足抓取工件的高度要求。(2)手臂下降：使機械手相對于工作臺向下移動，降低它的高度，以滿足放置工件的高度要求。(3

20、)手爪抓緊：使機械手抓緊工件，以便完成工件抓起的要求。(4)手爪放松：使機械手放松工件，以便完成工件放松的要求。(5)手臂左旋：使機械手在不改變高度的情況下，相對于工作臺向左旋轉(zhuǎn)，以便完成工件移動的要求。(6)手臂右旋：使機械手在不改變高度的情況下，相對于工作臺向右旋轉(zhuǎn)，以便完成再次抓取工件的要求。由于PLC的抗干擾能力強，所以能在惡劣的工作環(huán)境中，可靠地完成控制任務(wù)，為了使設(shè)備便于安裝、調(diào)試，以及從經(jīng)濟角度考慮，設(shè)計出如圖2-3所示的機械手控制系統(tǒng)的功能框圖。多關(guān)節(jié)工業(yè)機械手電氣控制柜2.1.2機械手工作原理在此機械手中，電動機被置于機座上，電動機啟動后，通過諧波減速器將動力傳遞給固定在大臂

21、上的齒輪，帶動大臂在內(nèi)部有圓錐齒輪和帶輪，動力通過齒輪傳到圓錐齒輪和同步帶上，再由同步帶將動力傳給各關(guān)節(jié)，從而帶動機械手爪的運動，完成對工件的操作?，F(xiàn)在研究和應(yīng)用較多的是五指十五關(guān)節(jié)手爪結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5圖5五指十五關(guān)節(jié)手爪結(jié)構(gòu)原理這個類型的多關(guān)節(jié)機械手，采用的是機器人手爪，每個手指的各關(guān)節(jié)都有一臺相互獨立的直流電動機驅(qū)動，并且每個手指都配有傳感器和控制系統(tǒng)，這樣每個手指的動作都是互不影響的，使手爪能夠模擬人手的動作可以抓取各種形狀的工件。如果抓取的工件形狀不規(guī)則，工件的中心與手爪的中心不相同，這時就可以利用五個手指相互獨立的特點。它們的彎曲程度可以不同，因此對工件的形狀具有適應(yīng)性。先接觸到工

22、件的手指關(guān)節(jié)由于先收到較大的壓力而無法繼續(xù)壓緊之后，其他未接觸的手指仍然可以繼續(xù)彎曲，直到所有的手指都接觸到物體，因此可以完全抓緊工件，同時由于有傳感器的檢測，所以不會因為抓取工件的抓力太大造成對工件的損害。 多指多關(guān)節(jié)機械手爪抓規(guī)則形狀物體和不規(guī)則形狀物體的工作示意圖如圖6所示圖6抓握原理示意圖直流電動機啟動后，通過諧波減速器減速后，帶懂動絲杠旋轉(zhuǎn)使螺母在導(dǎo)向桿中上下移動，同時落幕的移動帶動連接五個手指的第一指節(jié)運動。五個手指安裝在彈性支座上，同時在彈性支座上還有五根拔桿連接第二指節(jié)上的凹槽，這樣的機械結(jié)構(gòu)可以使第一指節(jié)在運動的時候，使第二指節(jié)圍繞第一、二指節(jié)間的關(guān)節(jié)運動，實現(xiàn)了一個電動機控

23、制多指的要求。同樣在第一指節(jié)的下端裝有固定拔桿與第三指節(jié)的凹槽連接，實現(xiàn)了第三指節(jié)同時隨第一、二指節(jié)的轉(zhuǎn)動而繞第二、三指節(jié)間的關(guān)節(jié)軸運動，從而形成了指節(jié)聯(lián)動的控制結(jié)構(gòu)。第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計前面介紹了機械手的機械結(jié)構(gòu)，本節(jié)主要根據(jù)上節(jié)所述的功能要求配置需要的控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，按照控制系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計出如圖3-1所示的控制系統(tǒng)的硬件框圖。在此系統(tǒng)中僅靠PLC主機是無法完成控制要求的，因此擴展了一個I/O和兩個模擬量輸入/輸出模塊，以及兩個光電開關(guān)和一個可控電動機。控制按鈕傳感器傳送帶B電磁閥右旋限位開關(guān)左旋限位開關(guān)下降限位開關(guān)右旋限位開關(guān)光電開關(guān)抓緊電磁閥上升電磁閥下降電磁閥左旋限位開關(guān)松開

24、電磁閥上升限位開關(guān)PLC圖3-1 控制系統(tǒng)的硬件框圖3.1 PLC的選型根據(jù)系統(tǒng)控制要求并從經(jīng)濟性和可靠性等方面考慮，選擇西門子S7-200系列PLC作為此機械手控制系統(tǒng)的控制主機。在西門子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、 CPU226等之分。三自由度工業(yè)機械手PLC控制系統(tǒng)總共有15個數(shù)字量輸入，8個數(shù)字量輸出，供需23點I/O口，根據(jù)I/O點數(shù)，選用了CPU224作為主機。同時擴展一個I/O模塊，選用EM223輸入/輸出混合擴展模塊。EM223共6種模塊，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求和資源需求，采用EM223模塊中的4點輸入/4出輸出模塊。由于需要測量每個手指的

25、壓力值，需要將傳感器的值輸入到PLC中進行判斷，所以擴展兩個模擬量模塊，全部選用EM235模塊。模擬量輸入/輸出擴展模塊EM235具有4路模擬量輸入/1路模擬量輸出。 EM223和EM235與PLC的連接不需要其他設(shè)置，只需要將排線插到主機及擴展模塊的插槽上。3.2 PLC 的I/O資源配置根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，對PLC進行I/O及其他資源的分配，具體分配如下。表3-1 數(shù)字量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備I0.0高速脈沖輸入I1.1自動啟動I0.1急停按鈕I1.2上升限位開關(guān)I0.2手動/自動I1.3下降限位開關(guān)I0.3手臂上升I1.4左旋限位開關(guān)I0.4手臂下降I1.5右旋

26、限位開關(guān)I0.5手臂左旋I2.0傳送帶1光開關(guān)I0.6手臂右旋I2.1傳送帶2光開關(guān)I0.7手爪抓緊I2.2傳送帶2啟動I1.0手爪放松I2.3壓蓋機啟動表3-2 模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備ATW0傳感器1ATW0傳感器4ATW0傳感器2ATW0傳感器5ATW0傳感器3表3-3 數(shù)字量輸出地址分配輸出地址輸出設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備Q0.0高速脈沖輸出Q0.5抓緊電磁閥Q0.1上升電磁閥Q0.6松開電磁閥Q0.2下降電磁閥Q0.7傳送帶2繼電器Q0.3左旋電磁閥Q1.0壓蓋機繼電器Q0.4右旋電磁閥根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，硬件框圖及I/O分配情況，三自由度工業(yè)機械手控制系統(tǒng)PL

27、C控制部分的硬件接線如圖3-2所示。高速脈沖輸出上升電磁閥下降電磁閥左旋電磁閥右旋電磁閥抓緊電磁閥松開電磁閥傳送帶2繼電器壓蓋機電磁閥I0.0I0.1 Q0.0 Q0.1I0.2I0.3 Q0.2I0.4I0.5 Q0.3 S7-200I0.6 CPU224 Q0.4I0.7 + EM223 Q0.5I1.0 I1.1 Q0.6I1.2 Q0.7 I1.3 I1.4 Q1.0I1.5 I2.0I2.1I2.2I2.3高速脈沖輸入急停按鈕手動/自動手臂上升手臂下降手臂右旋手臂左旋手爪抓緊手爪松開自動啟動上升限位開關(guān)下降限位開關(guān)左旋限位開關(guān)右旋限位開關(guān)傳送帶1光電開關(guān)傳送帶2啟動壓蓋機啟動圖3-2

28、 多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)PLC控制部分硬件連接圖3.3 其他資源設(shè)置要完成系統(tǒng)的功能除了PLC及其擴展模塊之外，還需要各種限位開關(guān)、光電開關(guān)、傳感器及編碼盤等儀器設(shè)備。（1）各種限位開關(guān)在此系統(tǒng)中，共用了4個限位開關(guān)：上升限位開關(guān)、下降限位開關(guān)、左旋限位開關(guān)和右旋限位開關(guān)。限位開關(guān)主要是來控制機械手在運動過程中的停止時刻和位置。（2）光電開關(guān)在傳送帶1和傳送帶2上各有一個光電開關(guān)，此開關(guān)的作用主要是指示工件是否到位。傳送帶1上的光電開關(guān)用于檢測工件是否已到機械手可操作的工位，若到位則傳送帶1停止，等待工件被取走；傳送帶2上的光電開關(guān)則置于壓蓋機處，當(dāng)工件到達壓蓋機時，傳送帶2停止，對工件進行壓蓋

29、操作，操作結(jié)束后等待下一個工作。(3)傳感器在此系統(tǒng)采用的是多關(guān)節(jié)機械手，由于要適應(yīng)各種形狀的工件，所以要在手指受力的部分安裝壓力傳感器，將壓力值轉(zhuǎn)換為電壓值傳入PLC，然后進行判斷，防止抓緊時壓力過大對工件造成損壞。(4)各種電磁閥此系統(tǒng)中機械手手臂的上升和下降是用氣缸來實現(xiàn)的，使用一個氣缸、一個電磁閥就能實現(xiàn)手臂的上升和下降，相對于利用電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)升降，氣缸控制簡單方便。多關(guān)節(jié)機械手手爪的抓緊和松開共用了4個電磁閥。(5)各種繼電器此系統(tǒng)中，傳送帶2并不需要時刻連續(xù)地運轉(zhuǎn)傳送，并且也不可能一直連續(xù)地傳送物品，而是根據(jù)機械手的當(dāng)前工作情況有控制機械手的控制系統(tǒng)來控制傳送帶2的工作與否，

30、該在什么時候啟動傳送帶，該在什么時候停止傳送帶。因此，就必須在傳送帶2的電動機部分裝一個可以控制電動機運轉(zhuǎn)和停止的繼電器，再連接到PLC以控制接觸器，最后達到控制目的。壓蓋機同樣也不需要時時刻刻工作，因此在壓蓋機附近放置的光電開關(guān)，可以將工件到位的信號傳至PLC，從而控制傳送帶2的停止，并且控制壓蓋機在工件到位的情況下工作。(6)編碼器在此系統(tǒng)中，需要對機械手進行精確定位，所以在手臂左右轉(zhuǎn)動的時候，要將電動機反饋的信號同PLC發(fā)出的信號做比較，以檢測是否手臂準確到位。(7)各種按鈕急停按鈕采用帶鎖的，常閉觸點，按下后旋轉(zhuǎn)復(fù)位；手動/自動按鈕采用旋鈕，一邊常閉，一邊常通；其余按鈕均采用觸點觸發(fā)方

31、式，按下即接通，松開即復(fù)位。 第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1總體流程設(shè)計根據(jù)機械手動作和要實現(xiàn)的功能，設(shè)計出如圖4-1所示的多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)流程圖。4.2各個模塊梯形圖設(shè)計當(dāng)軟件總體流程圖設(shè)計完成后，就需要對各個控制過程進行分解細化，這樣在程序便攜式就會簡潔明了，最后聯(lián)合起來調(diào)試也便于發(fā)現(xiàn)問題。當(dāng)控制過程特別復(fù)雜的時候，采用模塊化設(shè)計，就顯得尤為重要。采用模塊化的設(shè)計，調(diào)試時先調(diào)試摸個模塊的功能，可以及早發(fā)現(xiàn)問題，到最后聯(lián)調(diào)試若出現(xiàn)問題就可以很快找出原因及時解決。程序中用到的元件及設(shè)置如表4-2所示。表4-2 元件設(shè)置編號意義內(nèi)容備注M0.0急停標志on有效M0.1手動標志on有效M0.2自動

32、標志on有效M1.0機械手上升標志on有效M1.1手臂左旋標志on有效M1.2機械手下降標志on有效M1.3手爪抓緊工件標志on有效M1.4機械手上升標志on有效M1.5手臂右旋標志on有效M1.6機械手下降標志on有效M1.7手爪松開標志on有效M2.0機械手上升標志on有效M2.1手爪抓緊工件標志on有效M2.2機械手下降標志on有效M2.3手爪松開端蓋標志on有效M2.4傳送帶2啟動標志on有效M2.5壓蓋機啟動標志on有效T37一個循環(huán)結(jié)束后等待的時間101sVW01#傳感器值存儲單元VW22#傳感器置存儲單元VW43#傳感器置存儲單元VW64#傳感器置存儲單元VW85#傳感器置存儲單

33、元VW10抓取工件的標志壓力值存儲單元VW20抓取蓋端的標準壓力值由于機械手的控制過程是按順序執(zhí)行的，所以在程序編寫的時候采用順序控制指令。多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖如圖4-3所示。圖4-3 多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖如圖4-3所示的是控制系統(tǒng)的主程序，如圖4-3（a）所示中主要是對高速計數(shù)器和高速脈沖輸出進行初始化。對于高速計數(shù)器，選用高速計數(shù)器HSC0，工作方式為模式0，輸入口為I0.0。設(shè)置HSC0的功能為：復(fù)位與啟動輸入信號都是高電位有效、4倍計數(shù)頻率、計數(shù)方向為增計數(shù)、預(yù)設(shè)脈沖為10000個、允許更新雙子和執(zhí)行HSC指令。對于高速脈沖輸出控制，設(shè)置為脈沖輸出方式，輸出口為Q0.0。脈

34、沖的輸出設(shè)置為多段管線輸出，本例中采用3段輸出，寫控制字到特定存儲器中，完成設(shè)置的功能為：時間基準為s級、不允許更新周期和脈沖數(shù)。由于是多段輸出，所以還需要簡歷包絡(luò)表，對3段脈沖周期、數(shù)量進行設(shè)置，多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖如圖4-4所示。圖4-4 多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖手臂的左右旋轉(zhuǎn)采用步進電機進行控制是為了提高定位的精度，所以需要用到高速計數(shù)器和高速脈沖輸出，對發(fā)出的脈沖數(shù)和接收到的脈沖數(shù)進行比較，如果相等，則定位準確，如果兩者有偏差，則補發(fā)脈沖，最后達到設(shè)定的位置上。如圖4-4表示的是對步進電機的脈沖輸出控制，本例采用3段脈沖輸出，由于步進電機本身的特性，啟動頻率不宜太高，所以在啟動階段輸出的脈沖周期為500ms，且周期逐步減少，緩慢提高其輸出脈沖頻率；在第二階段，輸出脈沖周期為50ms，在這個階段手臂的移動是最快的，當(dāng)達到設(shè)定位置的時候，同樣不可以突然是頻率降低到0，需要逐漸降低脈沖的頻率值，所以第三階段的脈沖周期為200ms，電