基于PLC的物料分揀操縱器控制系統(tǒng)的設(shè)計

VII1.2物料分揀機械手國內(nèi)外研究現(xiàn)狀無論是在國內(nèi)還是國外，機械手都得到了重視和很多公司的青睞，機械手之所以炙手可熱的原因是其能夠達到很高程度的自動化，并且也真正的得到了大量的采用。可以看出，很多發(fā)達國家掌握的物料分揀系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，并且在應(yīng)用的過程中也變得越來越精密。物料分揀系統(tǒng)最普遍的應(yīng)用在化妝品制造業(yè)，醫(yī)療業(yè)等行業(yè)。目前，世界很多發(fā)達的國家在機械手的應(yīng)用方面達到了成熟的程度，并且運用到了物流方面即自動化和計算機化。德國西門子公司在物流設(shè)備系統(tǒng)的研發(fā)，自動分揀設(shè)備的推陳出新過程中顯示出了重要的地位。雖然物料分揀系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，但是對用戶的技術(shù)要求和經(jīng)濟條件都有著一定程度的要求和限制。因此，在世界上的很多國家的某些行業(yè)不運用自動分揀系統(tǒng)是常見的現(xiàn)象。主要原因如下：一是整個系統(tǒng)和設(shè)備復雜，需要有大量資本投入，要有可靠的保證。此外，有必要一次投入大量資金，早期資本投資回收相對較慢。很多因素讓小型企業(yè)沒有辦法使用整套的物料分揀系統(tǒng)，有能力對物料分揀系統(tǒng)進行投資的只有一些大型制造公司和物流公司。此外，該系統(tǒng)對商品包裝也有較高的要求。標準化包裝和定制分揀機等二次措施的采用可以使大多數(shù)物料可以根據(jù)分揀貨物的統(tǒng)一包裝特點進行自動分揀，難點就在于國家允許的包裝標準統(tǒng)一很難和分揀機的定制會是硬件的成本增加，特定產(chǎn)品的分揀系統(tǒng)設(shè)計可能會受到多功能性的影響。但在這個需要高效率和快速技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)代社會中，物料分揀系統(tǒng)的發(fā)展與創(chuàng)新受到了高度重視。本課題以PLC為基礎(chǔ)，對機械手的物料分揀系統(tǒng)進行設(shè)計，提高了在實際生產(chǎn)中的效率。汽車制造業(yè)是最早的機器人領(lǐng)域，可以達到焊接，涂裝，裝卸，搬運的目的。在擴展和擴展人類手足腦功能的同時，它還可以替代大量極端環(huán)境中的人，例如在，有毒有害，低溫高溫等惡劣環(huán)境中工作;使生產(chǎn)效率得到了很大提高，同時確保產(chǎn)品質(zhì)量而不是人們單調(diào)地重復無聊的工作和勞動。如今，機器人在人們的生活，工業(yè)生產(chǎn)等各個方面都有應(yīng)用，隨著技術(shù)的提高，功能和性能都有長足的進步。目前，外國的公司占據(jù)了國內(nèi)市場的很大一部分。在全球眾多競爭對手中，國內(nèi)機器人公司面臨巨大的競爭壓力。從“制造強國”轉(zhuǎn)向“制造強國”是中國目前正在經(jīng)歷的重要發(fā)展階段。追趕國際發(fā)展水平，在國際市場有發(fā)言權(quán)是中國制造業(yè)面臨的艱巨挑戰(zhàn)。當務(wù)之急是改善中國的工業(yè)自動化。政府在機器人領(lǐng)域的資本投入和支持將為機器人行業(yè)的發(fā)展注入新鮮血液。如今，機器人領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到更深層次和更廣泛的范圍。機器人技術(shù)的日趨成熟使機器人能夠在很多方便得到應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域擴展到非制造領(lǐng)域。為了滿足機械手產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于中國物流業(yè)起步較晚，物料分揀系統(tǒng)在人工操作中占有很高的比例。中國最早使用自動分揀系統(tǒng)的領(lǐng)域是物流方面。物料分揀系統(tǒng)的使用改變了人工對物料進行分揀的方式，降低了成本，大大減少了繁重的手工勞動，更重要的是提高了分揀操作的準確性。最近幾年，我國將物料分揀系統(tǒng)的性能和結(jié)構(gòu)，控制方式不斷加以完善和改進，并且把這項技術(shù)運用到了工業(yè)實際中。設(shè)備的主腦和運行通道能夠達到相應(yīng)的控制效果。對于很多同類型產(chǎn)品來說PLC有著很大優(yōu)勢。例如直接驅(qū)動執(zhí)行器或者翻轉(zhuǎn)電磁鐵和電磁離合器。簡化了編程的同時，也省去了驅(qū)動電路，給制造方帶來了很多便利。因為程序易于修改，使得控制系統(tǒng)更加可靠和穩(wěn)定，對于系統(tǒng)的維護也更加容易。機械手的發(fā)展趨勢：目前在很大范圍范圍內(nèi)，機械手領(lǐng)域正在朝向重復高精度，模塊化，無給油化，機電一體化的趨勢發(fā)展，重復高精度能夠使機器人的到達位置更加準確，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測錯誤，并且減少錯誤，使得實際操作過程中的誤差大大減少，模塊化能夠使機器人更加靈活，無給油化即達到了無油潤滑，改善了環(huán)境的同時也能使成本減少，因此在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，機電一體化仍然是典型控制系統(tǒng)的重要組成，提高了控制精度，使得簡化了操作流程。1.3機械手概念及基本特點機械手分類：專用機械手實現(xiàn)的動作很簡易，作用的對象也很簡單，程序固定并且可以實時進行修改，通常用于大批量的生產(chǎn)，自動化程度也很高。通用機械手在中小批量生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，它的控制系統(tǒng)是獨立的、可以對程序進行適當?shù)母淖儭幼饕彩歉魇礁鳂拥?，并且適用于可變換生產(chǎn)品種。大量應(yīng)用于柔性自動線是由于其觸及的范圍很廣，定位準確，通用于很多領(lǐng)域。機械手作為機器人的主要組成部分，在近幾十年得到了很好的發(fā)展，機高新興自動化設(shè)備。人們的目的和期望可以借由編寫程序來達成，這也是機械手受到廣泛采用的主要原因，其獨特的結(jié)構(gòu)和能力體現(xiàn)了人的優(yōu)點和機器的特點，并且將二者很好地結(jié)合，人類的適應(yīng)能力和智慧在其中得到了很好地體現(xiàn)。并且，機械手之所以發(fā)展前景廣闊，主要是因為機械手在不同的環(huán)境中都能夠很好地完成相應(yīng)的工作。手部對機械手來說非常重要，運動機構(gòu)也是機械手的一部分。機械手的手部有夾持型、托持型和吸附型等，機械手的多種形式是根據(jù)作用對象的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而產(chǎn)生的，機械手的第一個重要作用是對物料進行作用。運動機構(gòu)可以改變被作用對象的位置，造型，達到手部完成各種規(guī)定工作的目的，如轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動。自由度關(guān)系到機械手的設(shè)計過程，運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式被人們命名為自由度。自由度是判斷機械手作用的一個重要指標，是能實現(xiàn)眾多功能的機械，當編寫程序發(fā)生改變時，相應(yīng)動作也會發(fā)生改變，也能實現(xiàn)自動化定位控制，在不同環(huán)境中工作時可以用來搬運相應(yīng)環(huán)境中的作用對象。當機械手擁有6個自由度時，可以實現(xiàn)抓取工作區(qū)域里各個角度和任意方向的目標。越復雜和靈活的機械手則擁有越多的自由度，能實現(xiàn)的功能越多，能有應(yīng)用的領(lǐng)域也就越多。一般機械手有2～3個自由度。有時機械手會對一些機器起到輔助作用，并且也能夠?qū)ιa(chǎn)線上的貨物進行傳送或者對某些工作區(qū)的道具進行更換，這種情況下，我們一般不采用單獨的控制裝置對其作用。有一種機械手被人們稱為主從式機械手，用于原子能部門操持危險物品時有些操作裝置需要由人直接操縱。機械手是很多實際生產(chǎn)中會經(jīng)常遇到的一種作用對象。機械手在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，可以完成如搬運、配置、切割、噴染等等許多重要的工作。而使用PLC對機械手進行控制，并且達到人們想達到的目的時，機械手既提高勞動效率，電路回路也得到簡化，得到成本的節(jié)約目的。模塊化技術(shù)的應(yīng)用，我們大多數(shù)采用PLC對系統(tǒng)進行控制，以實現(xiàn)物料分揀的目的。并且以PLC為核心控制的系統(tǒng)要求動作精準定位以達到物料分揀的目的，能夠減少工作時長，勞動效率也能大大提升。具有堅固、高速和良好的可操作性?？蛇M行大批量產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)簡便、造型美觀、重量輕是其主要特點，不同生產(chǎn)流程的生產(chǎn)線可以根據(jù)不同功能機床與不同功能設(shè)備的組合與搭配來實現(xiàn)。1.4PLC的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢PLC技術(shù)是自動控制技術(shù)和其他很多先進技術(shù)的有機結(jié)合，以中央處理器為核心，它的性能非常可靠、也有著完備的功能、有著不同的搭配方式、容易編程、消耗率也低等優(yōu)點，PLC在物料分揀機械手系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，是一種占據(jù)空間較小，有著穩(wěn)定的性能，出現(xiàn)的故障很少，動作準確的控制方式。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)，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。使用情況大致可歸納為6類：開關(guān)量的邏輯控制、運動控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通訊及聯(lián)網(wǎng)。PLC的發(fā)展趨勢：（1）產(chǎn)品規(guī)模有兩個主要的發(fā)展方向：大：I/O點數(shù)達14336點、32位為微處理器、多CPU并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化；?。河烧w向小型模塊化靠近，把裝配產(chǎn)品的靈活性提高，投入的成本得到降低；（2）PLC實現(xiàn)性能良好的閉環(huán)控制；（3）使通訊功能得到改善和加強；（4）新器件和模塊不斷推出高檔的PLC除了主要采用CPU以提高處理速度外，還帶有處理器的EPROM或RAM的智能I/O模塊、高速計時模塊、遠程I/O模塊等專用化模塊；（5）令更多的工具和方法能夠?qū)ζ渚幊蹋蛊湓O(shè)計功能多樣化，編程語言更加標準化，開發(fā)出更多種類的編程器及編程軟件，或簡單或復雜，完善現(xiàn)有的梯形圖、功能圖、語言表等編程語言，使PLC的指令系統(tǒng)更加高級；（6）一種多設(shè)備共同工作的工作方式被我們稱作發(fā)展容錯技術(shù)；（7）追求軟硬件的標準化。第二章機械手的工作原理2.1設(shè)計介紹物料分揀機械是自動化程度很高的機械設(shè)施，為了達到貨物的精準作用這一功能，電氣系統(tǒng)要事先把動作設(shè)定好。此次涉及的物料分揀機械手預(yù)期能實現(xiàn)的目標如下：控制系統(tǒng)能夠根據(jù)PLC輸入的指令，準確靈活的控制搬運機械手，完成搬運任務(wù)；控制系統(tǒng)能夠?qū)⑾到y(tǒng)狀態(tài)顯示出來，綠色指示燈能夠顯示系統(tǒng)的各個部分的運行狀態(tài)，即正在運行的狀態(tài)；紅色指示燈則展現(xiàn)了規(guī)定部件處于的停止狀態(tài)，停止按鈕對應(yīng)紅色指示燈，啟動按鈕對應(yīng)綠色指示燈。控制系統(tǒng)針對不同生產(chǎn)任務(wù)的要求能夠保證搬運機械手完成相應(yīng)的搬運指令，能夠準確完成貨物的搬運，保證快速性和準確性兼顧；按下急停按鈕，能夠立即停止工作，保證了生產(chǎn)的安全性。不同的設(shè)計程序，能夠使物料分揀機械手實現(xiàn)不同的功能，通過改變程序的控制方法，達到靈活的生產(chǎn)和控制。2.2機械手的工藝過程機械手由電機驅(qū)動，電機驅(qū)動螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)則完成了的它的上升、下降、左移、右移。在示意圖2-1中展示了機械手的結(jié)構(gòu)和各部分動作。原點為機械手停止的初始位置，當啟動按鈕被按下，機械手將下降——加緊工件——上升——右移——順時針旋轉(zhuǎn)——再下降——放松工件——再上升——逆時針旋轉(zhuǎn)——左移十個動作，這樣就將一個工作周期運行完畢。如圖2-2所示展示了機械手的運動過生。相應(yīng)的限位開關(guān)控制了機械手的下降、上升、右移、左移、旋轉(zhuǎn)等動作轉(zhuǎn)換，而時間控制了機械手的加緊、放松動作。圖2-1機械手的結(jié)構(gòu)和各部分動作示意圖圖2-2機械手簡單工作過程示意圖2.3本章小結(jié)在工作原理方面，本章進行了介紹，同時闡釋了設(shè)計介紹和機械手的工作原理方面，在設(shè)計介紹中說明了控制系統(tǒng)達到的功能，圖2-1展示了機械手的結(jié)構(gòu)和各部分動作示意圖，圖2-2展示了機械手的簡單工作過程。第三章機械手各部分設(shè)計方案3.1控制系統(tǒng)的方案設(shè)計本設(shè)計主要是在現(xiàn)有硬件設(shè)備條件下，通過軟件編程，對于機械手進行有序的控制，提高搬運工作的準確性、安全性。主要由S7-200PLC來進行控制，通過步進電機，直流減速電機，電磁閥來控制搬運機械手的運動?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3－1所示。圖3-1機械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖通過對機械控制，機械手能夠完成以上的工藝，電動機的轉(zhuǎn)動能夠由PLC得控制電機來控制，電動機的轉(zhuǎn)動能夠?qū)崿F(xiàn)電磁閥的開通，關(guān)閉，機械手臂的順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)，機械手的上升、下降、左移和右移能夠由步進電機的功能來實現(xiàn)，步進電機的運行，電磁閥驅(qū)機械手爪的夾緊和放松也是由此驅(qū)動。3.2電氣控制系統(tǒng)及原理圖設(shè)計3.2.1機械手電源回路如下圖，本電源回路能夠?qū)⒔涣?20V的電源轉(zhuǎn)換成24V的直流電，整體系統(tǒng)得電的前提是低壓斷路器QR1的關(guān)閉，能夠?qū)﹄娐愤M行保護是熔斷器的主要作用，防止過大電流沖擊。圖中電源G1G2G3分別為PLC電源，步進電機電源和直流減速電動機電源。圖3-2機械手電源回路3.2.2機械手輸入信號回路機械手系統(tǒng)PLC輸入信號回路（一）如下圖。SB1是伸出限位開關(guān)，接至PLC的I0.0輸入。SB2是縮回限位開關(guān)，接至PLC的I0.1輸入。SB3是上升限位開關(guān)，接至PLC的I0.2輸入。SB4是夾緊限位開關(guān)，接至PLC的I0.3輸入。SB5是左旋限位開關(guān)，接至PLC的I0.4輸入。SB6是右旋限位開關(guān)，接至PLC的I0.5輸入。圖3-3PLC輸入信號回路（一）機械手系統(tǒng)PLC輸入信號回路（二）如圖3-4所示。SB7是移動到位限位開關(guān)，接至PLC的I0.7輸入。SB8是復位到位限位開關(guān)，接至PLC的I1.0輸入。SB9是手動左旋開關(guān)，接至PLC的I1.1輸入。SB10是手動右旋開關(guān)，接至PLC的I1.2輸入。SB11是手動提升開關(guān)，接至PLC的I1.3輸入。SB12是手動下降開關(guān)，接至PLC的I1.4輸入。SB13是手動伸出開關(guān)，接至PLC的I1.5輸入。圖3-4PLC輸入信號回路（二）機械手系統(tǒng)PLC輸入信號回路（三）如下圖。SB14是讓機械手縮回的開關(guān)，與PLC的I1.6相連接。SB15讓手動狀態(tài)和自動狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換的裝置，接至PLC的I1.7輸入。SB16是緊急停止開關(guān)，接至PLC的I1.8輸入。圖3-5PLC輸入信號回路（三）3.2.3機械手輸出信號回路PLC輸出信號原理圖（一），如圖3-6所示。S7-200PLC的Q0.0是高速脈沖輸出口，加到橫向行走步進驅(qū)動器的PLS+，經(jīng)過PLS-流回S7-200PLC的公共端，構(gòu)成橫向行走步進驅(qū)動器的行走脈沖來控制步進電機。S7-200PLC的Q0.1也是高速脈沖輸出口，高速脈沖信號經(jīng)過2千歐的電阻限流，加到縱向升降步進驅(qū)動器的PLS+，經(jīng)過PLS-流回S7-200PLC的公共端，構(gòu)成縱向升降步進驅(qū)動器的升降脈沖來控制步進電機。S7-200PLC的Q0.2是機械手橫向行走正反轉(zhuǎn)控制端，通過2千歐的電阻限流，加到橫向行走步進驅(qū)動器的DIR+，經(jīng)過DIR-流回S7-200PLC的公共端，構(gòu)成行走步進驅(qū)動器的正驅(qū)動和反驅(qū)動，將系統(tǒng)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)進行相互的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)機械手的左移和右移的控制。S7-200PLC的Q0.3是機械手縱向上升、下降的控制端，通過2千歐的電阻限流，加到上升、下降步進驅(qū)動器的DIR+，經(jīng)過DIR-流回S7-200PLC的公共端。構(gòu)成上升、下降進驅(qū)動器的正驅(qū)動和反驅(qū)動。來實現(xiàn)對上升、下降步進電機正反轉(zhuǎn)的控制，實現(xiàn)機械手的上升、下降的控制。S7-200PLCQ0.4、Q0.5是機械手轉(zhuǎn)臺左旋，右旋的控制端。圖3-6PLC輸出信號回路（一）PLC輸出信號原理圖（二），如圖3-7所示。S7-200PLCQ0.6、Q0.7是機械手手抓抓緊放松控制端。圖3-7PLC輸出信號回路（二）3.2.4機械手轉(zhuǎn)臺控制回路機械手轉(zhuǎn)臺控制回路,如下圖。當Q0.4為“1”即繼電器KM1得電時直流減速電動機左旋。當Q0.5為“1”即繼電器KM2得電時直流減速電動機右旋。圖3-8機械手轉(zhuǎn)臺控制回路3.2.5機械手橫向運動控制電路橫向步進驅(qū)動回路如圖3-8所示。主要控制機械手橫向行走步進電機。當機械手沒有發(fā)生行走越位時，繼電器KS1線圈得電，繼電器KS1常開觸點閉合，橫向行走步進驅(qū)動器就接到直流24V電源上。PLS+接到來自S7-200PLCQ0.0發(fā)出的左右行走脈沖和DIR+接到S7-200PLCQ0.2的方向信號時，Q0.2為“1”時，行走步進電機控制機械手右移。Q0.2為“0”時，行走步進電機控制機械手左移。圖3-9機械手橫向運動控制電路3.2.6機械手縱向運動控制電路縱向步進驅(qū)動回路如圖3-10所示。主要控制機械手縱向行走步進電機。當機械手沒有發(fā)生上下越位時，繼電器KS2線圈得電，繼電器KS2常開觸點閉合，上下步進驅(qū)動器就接到直流24V電源上。PLS+接到來自S7-200PLCQ0.1發(fā)出的上升、下降脈沖和DIR+接到S7-200PLCQ0.3的方向信號時，Q0.3為“1”時，上升、下降步進電機控制機械手上升。Q0.3為“0”時，升降步進電機控制機械手下降。圖3-10機械手縱向運動控制電路3.3電器元器件的選型及參數(shù)表3-1電器元件明細表序號名稱型號數(shù)量備注1步進電機驅(qū)動器2M41222步進電機2S42Q-29402控制X、Y軸3步進電機驅(qū)動器2M86014步進電機2S86Q-30801控制D軸5M系列永磁直流電動機M28-83116制動電阻1Ω17可編程控制器S7-200系列CPU226CN1續(xù)表3－18可編程控制器S7-200系列CPU222CN1擴展I/O口9繼電器JZ-11510按鈕LA10-19啟動用綠色停止用紅色11旋鈕LA18-22X212行程開關(guān)KW-76限位開關(guān)13槽型光電開關(guān)EE-SX670A214限流電阻2kΩ6步進驅(qū)動器中15熔斷器RL1-15616熔斷器RL1-15417低壓斷路器DZ15-40/1118開關(guān)電源YL-00324V6A23.3.1步進電機的選型步進電機能夠接收由數(shù)字控制的信號，或者說電脈沖信號，步進電機有一個很大的優(yōu)點是能夠?qū)⒊杀具M行降低，相比于傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)，我們在設(shè)計時不需要對系統(tǒng)進行很大變化。隨著控制系統(tǒng)數(shù)字化程度的加深，步進電機在實際生產(chǎn)中能夠發(fā)揮有很多效用。改變角位移量的方法主要是改變脈沖個數(shù)，從而實現(xiàn)精準定位；同時為了控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，可以把脈沖頻率改變，這樣便可達到對速度進行調(diào)節(jié)的目的。步進電機在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中有著很多的方便之處，所以步進電機作為系統(tǒng)之中很重要的一部分，得到了很多公司的青睞并且加以采用，步進電機也是自動控制系統(tǒng)中的重要組成部分。下面我們將對步進電機的技術(shù)參數(shù)、細分驅(qū)動以及本課題用到的步進電機精確定位進行詳細的討論。3.3.2步進電機（2S42Q-02940）的參數(shù)表3-2步進電機技術(shù)參數(shù)型號2S86Q-3080步距角1.8°±5%相電流（A）4.0保持扭矩（Nm）1.5阻尼扭矩（Nm）0.07相電阻（Ω）0.95±10%相電感（mH）3.4±20%電機慣量0.46電機長度L（mm）76引線數(shù)量4絕緣等級B耐壓等級300VAC1秒最大軸向負載（N）24最大徑向負載（N）84工作環(huán)境溫度-10℃～45℃表面溫升最高80℃（兩相接通額定電流）絕緣阻抗最小100MΩ，500VDC重量（kg）1.0引出線長度（mm）300±5本文采用兩相步進驅(qū)動器來完成的步進驅(qū)動，由于PLC無法直接驅(qū)動步進電機，所以采用了步進電機驅(qū)動器，經(jīng)過驅(qū)動器進行控制或者細分后的信號能夠使運動更加平穩(wěn)。如圖3-10展示了步進電機驅(qū)動器的主要構(gòu)成,主要組成部分一般是環(huán)形分配器、信號放大與處理、推動級、功率放大器等，為了使電機和運動過程更加穩(wěn)定，我們在系統(tǒng)中設(shè)置了保護電路，設(shè)置保護電路是達到相應(yīng)控制目的的重要一步?？刂破骱陀嬎銠C軟件的組合使用實現(xiàn)步進電機想達到的功能。軟件控制環(huán)形分配器，電機的速度也是由軟件調(diào)節(jié)的。計算機數(shù)字控制系統(tǒng)能夠看到軟件對脈沖進行配置。脈沖分配器能夠接收脈沖信號,并按照系統(tǒng)要求變換成相應(yīng)的狀態(tài)的信號，或者開通或者關(guān)斷。信號放大與處理器能夠?qū)⑾到y(tǒng)導入的信號加以處理，變成符合狀態(tài)的信號并且送入相應(yīng)裝置。而有些較小的信號則會被放大，并且送入到功率放大器中，這一過程是推動級發(fā)揮了作用。推動級能夠使電平發(fā)生變化，功率放大器直接與電機的各相繞組連接，這樣便可以收到來自推動級的信號。同時也對繞組承受的電壓和電流進行控制。在系統(tǒng)中設(shè)置具有保護作用的電路，能夠?qū)崿F(xiàn)功率放大器的穩(wěn)定作用，使系統(tǒng)能夠達到安全穩(wěn)定的運行裝態(tài)，防止電流過大，電壓過大對系統(tǒng)和電路的運行產(chǎn)生影響和安全隱患。環(huán)形分配器環(huán)形分配器信號處理與放大環(huán)形分配器功率放大器保護圖3-11步進驅(qū)動器主要構(gòu)成3.3.3直流減速電機表3-3永磁直流電動機技術(shù)參數(shù)型號額定電壓（V）額定轉(zhuǎn)速(r/min)額定轉(zhuǎn)矩(mN·m)額定電流≤(A)額定功率(W)M28-83124300050.171.543.3.4繼電器繼電器是作為能夠達到控制目的的器件，根據(jù)外界電流，電壓，時間等一系列的信號來控制具有較小電流即5V以下的電器。繼電器觸點與控制電路相接觸，并且能夠顯示各式各樣的控制信號。具體的技術(shù)參數(shù)如下表所示。表3-4JZ-11技術(shù)參數(shù)型號吸引線圈額定電壓（V）吸引線圈消耗功率（W）觸點額定電流（A）觸點數(shù)量JZ-11直流12、24、48、110、220直流7.55動合動斷6244263.3.5無觸點行程開關(guān)光電開關(guān)具有體型不大，功能穩(wěn)定，檢測值精密和反應(yīng)迅速等優(yōu)點,因為物體能夠是利用物體對光線產(chǎn)生影響，即遮擋，吸收，反射，同時也能根據(jù)物體的外部特征不通過接觸物料進行檢測，對行程，速度，大小，寬度進行控制和辨別，在人們的日常生活中或者其他的很多領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，例如自動門，成為自動控制系統(tǒng)和生產(chǎn)線中不可缺少的重要部分。光電器件是光電開關(guān)中最重要的組成部分，并且作為新型產(chǎn)品為人們所熟知，它能夠?qū)⒐饩€的強弱進行轉(zhuǎn)化，并且其傳感系統(tǒng)由發(fā)光二信號極管，光敏電阻，光電晶體管，光電耦合器等構(gòu)成。3.3.6行程開關(guān)行程開關(guān)用來檢測分揀工件的位置，也能夠進行發(fā)出指令來使其方向發(fā)生改變，也能將其稱為位置開關(guān)。行程開關(guān)能夠分為機械結(jié)構(gòu)的接觸式行程開關(guān)和電氣結(jié)構(gòu)的非接觸式接近開關(guān)，這是按照按結(jié)構(gòu)分。在達到對回路的相應(yīng)控制目的的同時，接觸式行程開關(guān)將物體移動進而接觸行程開關(guān)的操作頭使行程開關(guān)的常開觸電導通和常閉觸電關(guān)閉。在本課題中選用KW-7型行程開關(guān)。3.3.7低壓熔斷器由于課題的要求，對配電電路，電動機或其他用電設(shè)備進行不持續(xù)給電作用，線路轉(zhuǎn)換。并且低壓熔斷器又稱自動開關(guān)，低壓熔斷器能夠很好地進行滅弧，因此在系統(tǒng)中占據(jù)必不可少的地位，自動開關(guān)也能起到刀開關(guān)的目的，熔斷器，熱繼電器和欠電壓繼電器的組合能夠起到欠電壓及短路保護用。表3-5低壓斷路器的技術(shù)參數(shù)型號額定電壓殼架電流脫扣器額定電流DZ15-40/1220/380406、10、16、20、25、32、403.3.8控制按鈕控制按鈕是控制繼電器，電氣連鎖電路或者接觸器的重要元件，能夠達到對各種運動進行控制的目的，是一種短時接通或斷開小電流電路的手動主流電器。按鈕有很多形式，是為了達到不同的控制或操作要求，目前有較多應(yīng)用的有旋轉(zhuǎn)式，指示燈式，緊急式，撳鈕式，帶鎖式等。不同的按鈕有不同的作用，為了便于區(qū)分這些按，人們將按鈕賦予了不同的顏色用以區(qū)分，防止在應(yīng)用中的混淆而產(chǎn)生操作錯誤的結(jié)果。本課題中選用8個LA10-1控制按鈕。3.3.9熔斷器熔斷器在電路中處于串聯(lián)位置，當電路發(fā)生短路或嚴重過載時，因為流過熔體的電流過大會產(chǎn)生較大熱量，此時熱量會使熔體熔斷進而自動分斷電路，是低壓電路及電動機控制電路中一種最簡單而有效地短路保護電器，應(yīng)用十分廣泛。表3-6RL1-15型熔斷器技術(shù)參數(shù)型號額定電壓UN/V熔斷器額定電流IN/A熔體額定電流INR/ARL1-15直流440152,4,6,103.3.10擴展模塊為了實現(xiàn)對于物料更加準確的分類，我們在系統(tǒng)中設(shè)置了光電檢測裝置即光電傳感器，利對物體的位置，形狀和標志符號等進行無接觸檢測。并且設(shè)置了壓力傳感器，以達到將物料進行完好無損的分揀的目的。由于CPU的輸入輸出口有限，我們采用了EM221擴展模塊，以實現(xiàn)檢測裝置與主電路的良好連接。3.3.11觸摸屏本設(shè)計中我們采用了西門子人機界面觸摸屏面板TP177A，此面板操作簡便容易，減少成本，在很多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。3.4本章小結(jié)第三章所介紹的是機械手各部分設(shè)計方案，包括機械手控制方案的設(shè)計，電氣控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計，控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計中包含電源回路，輸入信號回路，輸出信號回路，轉(zhuǎn)臺控制回路，橫向運動控制電路，縱向運動控制電路的設(shè)計，同時對電器元器件的選型及參數(shù)，步進電機的選型，步進電機的參數(shù)，直流減速機，繼電器，無觸點行程開關(guān)，低壓熔斷器，控制按鈕，熔斷器也進行了介紹。第四章機械手控制系統(tǒng)用戶程序設(shè)計4.1設(shè)計任務(wù)及要求通過機器人搬運將材料從生產(chǎn)線運輸?shù)窖b配單元，以便于裝配。機器人處理的材料重量為：200g-2000g。該機器人具有180度旋轉(zhuǎn)和伸縮功能，其速度范圍為5cm-10cm/s。整個控制系統(tǒng)可以自動或手動循環(huán)。手動操作調(diào)試：當手動//自動開關(guān)I1.7為“0”時，進入手動操作模式，分別按下左鍵，右旋，升降，下降，伸出和縮回6個按鈕，實現(xiàn)相應(yīng)功能。自動運行調(diào)試：當手動//自動開關(guān)I1.7為“1”時，進入自動運行模式，下降-延伸-夾緊-上升-右轉(zhuǎn)-下降-放松-縮回-上升-左-處理行動是順序?qū)嵤┑摹Ｈ绻谧詣硬僮髌陂g按下緊急停止按鈕I2.0，則機器人立即停止。4.2PLC工作原理及I/O點數(shù)分配PLC工作原理：繼電器控制裝置使用硬邏輯并聯(lián)運行模式。換句話說，如果繼電器線圈打開或關(guān)閉，繼電器的常開觸點或常閉觸點將同時響應(yīng)繼電器的控制下。但是，PLC中的CPU使用在順序邏輯控制下掃描用戶程序的方法。如果輸出繞組或邏輯繞組打開或關(guān)閉，將不會立即響應(yīng)，觸點僅在掃描時響應(yīng)。為了減小他們之間的距離，并考慮到繼電器控制各種觸點的驅(qū)動時間一般在100ms以上，且PLC的驅(qū)動時間一直低于100ms，PLC通常使用掃描技術(shù)。因此，對于I/O響應(yīng)要求不是很高的那些位置，結(jié)果之間沒有很大差別。兩種操作模式，RUN和TOP。表4-1I/O點數(shù)分配表控制信號信號名稱地址編碼輸入信號伸限I0.0縮限I0.1上限I0.2計數(shù)I0.3夾緊I0.4旋轉(zhuǎn)左限I0.5旋轉(zhuǎn)右限I0.6移動到位I0.7移動復位I1.0左旋I1.1右旋I1.2提升I1.3下降I1.4伸出I1.5縮回I1.6手動/自動I1.7急停I2.0輸出信號橫向脈沖Q0.0縱向脈沖Q0.1橫向方向（1為左移/0為右移）Q0.2縱向方向（1為上升/0為下降）Q0.3右旋KM5Q0.4左旋KM6Q0.5放松HV1Q0.6夾緊HV2Q0.74.3設(shè)計系統(tǒng)工作流程根據(jù)機械手設(shè)計要求和想要實現(xiàn)的功能，如圖4-1所示為機械手控制系統(tǒng)流程圖。圖4-1機械手控制系統(tǒng)流程圖4.4編程設(shè)計思路根據(jù)以上的控制系統(tǒng)流程圖，我們采用了順序控制的方法來進行編程。在設(shè)計過程中我們遇到的困難是如何用PLC對步進電機進行控制。因為步進電機是對脈沖信號進行控制，并且能夠?qū)⒚}沖信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或者直線位移。因此，想要控制步進電機，我們可以采用PLC的PLUS命令。西門子S7-200系列PLC的PLUS命令可以通過三種方法生成，即由軟件向?qū)ё詣由傻腜TO程序。西門子提供的技術(shù)支持MAP庫程序并使用EM253模塊。這三種方法都提供的絕對位置和相對位置都比較精準。脈沖串（PTO）提供方波輸出（50%占空比），用戶控制周期和脈沖數(shù)。脈沖寬度可調(diào)制（PWM）能提供連續(xù)、變占空比輸出，用戶控制周期和脈沖寬度。4.4.1（PTO）功能在完成向?qū)渲煤?，增加如圖4-2所示子程序?？捎眠@些子程序來編寫程序完成定位應(yīng)用。圖4-2PTO庫函數(shù)列表4.4.2“MAPSERV”指令庫的功能塊打開STEP7Micro/WIN，新建項目，在項目樹下可看到如圖4-3所示的庫函數(shù)列表。圖4-3“MAPSERV”指令庫函數(shù)列表然后，插入Q0_x_CTRL子程序并使用SM0.0作為EN輸入的輸入，以確保在每個掃描周期執(zhí)行子程序。調(diào)用Q0_x_MoveVelocity子程序使軸以恒定的速度和方向運行。您可以調(diào)用Q0_x_Stop子例程來停止。如果要實現(xiàn)相對運動或絕對運動，則調(diào)用Q0_x_MoveRelative子程序和Q0_x_MoveAbsolute子程序。在絕對運動之前，必須調(diào)用Q0_x_Home子程序來找到參考點，這樣每個點都可以對應(yīng)一個絕對位置值，絕對運動是可行的。此外，Q0_x_LoadPos子程序可以改變脈沖計數(shù)器的當前位置值。Scale_EU_Pulse子程序和Scale_Pulse_EU子程序可以將工程單位值和脈沖值相互轉(zhuǎn)換，便于編程。4.4.3使用EM253定位模塊在向?qū)е敢峦瓿蒃M253位控模塊配置后向STEP7Micro/WIN中添加如圖4-4所示子程序。圖4-4EM253定位模塊庫函數(shù)列表調(diào)用EM253定位子程序?qū)崿F(xiàn)定位時，首先調(diào)用子程序POSx_DIS啟用伺服驅(qū)動器，POSx_CTRL啟用位置控制功能。然后，調(diào)用POSx_MAN子程序手動控制電機旋轉(zhuǎn)，調(diào)用POSx_RSEEK查找參數(shù)，并調(diào)用POSx_GOTO移動到指定位置。PTO模式和EM253是向?qū)лo助的，因此使用相對簡單。MAP_SERV庫函數(shù)使用較低的硬件成本來實現(xiàn)更多功能，但需要編寫更多程序。PTO模式硬件成本低，功能實現(xiàn)簡單，但功能很少。EM253的硬件成本相對較高，功能實現(xiàn)簡單，功能最多。根據(jù)系統(tǒng)的需要，硬件設(shè)備和編程難度，我們使用MAP庫指令實現(xiàn)步進電機的PLUS控制。在解決了步進電機的PLC控制問題后，我們需要考慮具體的脈沖數(shù)計算問題。4.5模擬調(diào)試4.5.1程序說明我們可以通過很多方式對PLC。的控制程序進行編寫，通常使用的方法有：圖形編程，經(jīng)驗編程和計算機輔助設(shè)計編程。圖形方法就是通過畫圖來表達PLC程序。常用的有梯形圖法，邏輯流程圖法，時間序列流程圖法和步序控制法。在自動操作過程中，由于機器人的控制可以分為一個步驟，因此更容易實現(xiàn)逐步方法。在手動操作過程中，程序簡潔明了，輸入和輸出之間的因果關(guān)系鏈清晰，因此采用邏輯流程圖方法實現(xiàn)。最后，在S7-200PLC編程軟件“STEP7-Micro/WIN32”3.2版編程軟件上執(zhí)行輸入編程和調(diào)試。接下來，簡要介紹該程序的功能。手動運行該過程：手動執(zhí)行機器人刀塔的左手和右手旋轉(zhuǎn)，并且聯(lián)鎖確保刀塔不執(zhí)行左手和右手動作。該程序如圖4-5所示。圖4-5左右旋轉(zhuǎn)控制程序地址位VD200表示最小運動速度，VD204表示最大運動速度，VD208表示步進電機從啟動到勻速所需的加速度，程序如圖4－6所示圖4-6賦值程序Q0.0CTRL模塊為MAP庫指令中對橫向脈沖的控制模塊。該塊用于傳遞全局參數(shù)，每個掃描周期都需要被調(diào)用。程序如圖4-7所示圖4-7Q0.0CTRL模塊程序Q0.0STOP模塊為MAP庫指令中的停止模塊，用來保護電機安全不會出現(xiàn)過沖或者飛車的問題。當伸出限位開關(guān)或者縮回限位開關(guān)得到信號后立即停止機械手的橫向移動。程序如圖4－8所示。圖4-8Q0.0STOP模塊圖Q0.0MoveVelocity模塊是MAP庫指令中的速度模塊。它只能根據(jù)給定的速度和方向以恒定速度運行。按伸展或縮進按鈕以恒定速度水平移動機器人。速度結(jié)束是移動速度。當擴展按鈕設(shè)置為“1”時，步進電機向前旋轉(zhuǎn)，即機器人伸出。圖4-9Q0.0MoveVelocity模塊程序自動運行：以上電后的第一個動作為例，說明如何在自動操作期間實現(xiàn)下降。機器人的自動下降過程在狀態(tài)S0.0中實現(xiàn)。地址位V140.1確定機器人縱向移動的方向。S0.0上電后，Q0.1MoveRelative模塊開始工作100ms。NUMPLUSE結(jié)束是與移動距離對應(yīng)的脈沖數(shù)。速度結(jié)束是移動速度。當方向端將地址位V140.1設(shè)置為“1”時，步進電機向前旋轉(zhuǎn)，即機器人降低。該程序如圖4-10所示。圖4-10自動運行下降程序當走完給定脈沖數(shù)以后完成為V145.1置“1”,之后跳入狀態(tài)S0.1，即伸出功能。同時復位地址位和計數(shù)器。程序如圖4－11所示圖4-11自動運行下降跳轉(zhuǎn)程序狀態(tài)S0.1（伸出）：將方向地址位V140.2置“1”，等電100ms后，步進電機按照給定距離，給定速度橫向移動實現(xiàn)伸出功能。走完給定距離以后完成為V145.2置“1”之后跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S0.2，即夾緊功能，同時將方向地址位和完成位復位。狀態(tài)S0.2（夾緊）：實現(xiàn)夾緊功能，在完成夾緊動作之后跳轉(zhuǎn)到S0.3，即上升功能。狀態(tài)S0.3（上升）：將方向地址位V140.1置“0”，等電100ms后，步進電機按照給定距離，給定速度縱向移動實現(xiàn)上升功能。走完給定距離以后完成為V145.1置“1”之后跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S0.4，即右旋功能，同時將方向地址位和完成位復位。狀態(tài)S0.4（右旋）：實現(xiàn)右旋功能。由于每計一個數(shù)轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)6度，因此轉(zhuǎn)180度需要計數(shù)30次。在計數(shù)器計數(shù)到30后跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S0.5，即下降功能，同時停止旋轉(zhuǎn)復位中間繼電器。狀態(tài)S0.5(下降)：將方向地址位V140.1置“1”，等電100ms后，步進電機按照給定距離，給定速度縱向移動實現(xiàn)下降功能。走完給定距離以后完成為V145.1置“1”之后跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S0.6，即放松功能，同時將方向地址位和完成位復位。狀態(tài)S0.6（放松）：實現(xiàn)放松功能，在完成放松動作之后跳轉(zhuǎn)到S0.7，即縮回功能。狀態(tài)S0.7（縮回）：將方向地址位V140.2置“0”，等電100ms后，步進電機按照給定距離，給定速度橫向移動實現(xiàn)縮回功能。走完給定距離以后完成為V145.2置“1”之后跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S1.0，即上升功能，同時將方向地址位和完成位復位。狀態(tài)S1.0(上升)：將方向地址位V140.1置“0”，等電100ms后，步進電機按照給定距離，給定速度縱向移動實現(xiàn)上升功能。走完給定距離以后完成為V145.1置“1”之后跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S1.1，即左旋功能，同時將方向地址位和完成位復位。狀態(tài)S1.1（左旋）：實現(xiàn)右旋功能。由于每計一個數(shù)轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)6度，因此轉(zhuǎn)180度需要計數(shù)30次。在計數(shù)器計數(shù)到30后停止旋轉(zhuǎn)功能。在自動運行過程中若按下急停按鈕I2.0，機械手立即停止工作。若沒有按下急停按鈕在完成左旋功能后自動回到初始狀態(tài)，進行第二個周期的自動運行。4.5.2故障及其解決方案首先，將之前編寫完成的梯形圖放置到STEP-7-Micro/WIN編程軟件的軟件中，然后單擊運行并修改其指示的錯誤。最終運行正確后，將其下載到可編程控制儀表。在第二;按照設(shè)計要求連接線路，確定誤差后的過程。在開始調(diào)試后，發(fā)現(xiàn)手動控制基本滿足設(shè)計要求。但是，在自動操作期間無法實現(xiàn)整個工作流程，需要進行糾正。在這種情況下，我采取了以下場景：方案一：在沒有確定設(shè)備是否曾在問題的情況下，首先我們對設(shè)備進行了檢測，沒有發(fā)現(xiàn)問題，因此我對之前的步驟重新操作，以判斷之前的接線過程是否存在問題，結(jié)果出現(xiàn)的問題與之前如出一轍。因此我否定了此方案。方案二：仔細檢查自動控制所在的子程序是否存在語法錯誤或邏輯錯誤。在確認沒有語法錯誤后，我使用實時監(jiān)控方法逐步檢查子程序。最后，我發(fā)現(xiàn)在上升和下降兩個動作的編程中，我沒有使用互鎖，這導致上升和下降的兩個動作同時通過，因此整個動作過程無法完成。在發(fā)現(xiàn)問題后，我及時重新編程了上下動作，添加了互鎖功能。這樣，通過使用第二方案實現(xiàn)了機械手的整個運動過程。設(shè)計總結(jié)現(xiàn)如今自動化程度