基于plc的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、乙刖 百隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、 轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動化， 已愈來愈引起人們的重視。機(jī)械手是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近 年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成 為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展， 使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動 抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè) 機(jī)械手”。機(jī)械手

2、雖然目前還不如人手那樣靈活， 但它具有能不斷重復(fù)工作和勞 動、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已 受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提 高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率；可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn) 安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性 等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。本文將通過西門子 PLC控制機(jī)械手，PLC是可編程控制器(Programmable Logic Controller )的簡稱，是在繼電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以微處理器 為核心的通用的工業(yè)自動化控制裝置。

3、隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展， PLC的功能也越來越強(qiáng)大，更多地具有計(jì)算機(jī)的功能。目前PLC已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面取得了很好的發(fā)展。該系統(tǒng)利用西門子PLC在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下，完 成對機(jī)械手在搬運(yùn)過程中的下降、火緊、上升、右旋、下降、放松、上升、左 旋等全過程自動化控制，并對非正常情況實(shí)行自動報(bào)警和自動保護(hù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè) 的機(jī)電一體化，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率?；赑LC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1機(jī)械手概述1.1 機(jī)械手簡介機(jī)械手是模仿著人手的部分動作， 按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、 搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自 動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因

4、而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、 電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手是工廠企業(yè)高度自動化的標(biāo)志，它能完成 許多高技術(shù)難度和繁重的體力勞動，尤其對于高溫、高壓、高濕度、污染等不 適宜人工工作的環(huán)境中，機(jī)械手起到了不可取代的作用。1.2 機(jī)械手組成機(jī)械手主要由手部、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。結(jié)構(gòu)如圖1-1所示:青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(1)手部即與物件接觸的部件。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。(2)驅(qū)動系統(tǒng)使手部完成各種轉(zhuǎn)動(擺動)、移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被 抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)

5、構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為 機(jī)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(gè)自由度。 自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性 越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有 23個(gè)自由度。1.3機(jī)械手的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、 鍛、焊、怫、沖壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有 應(yīng)用的實(shí)例。其它部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的主要目的是：一、可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應(yīng)用機(jī)械手，有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及 機(jī)器的裝

6、配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、可以改善勞動條件、避免人身事故。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，用人手直接操作時(shí)有危險(xiǎn)或根本不可 能。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改 善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，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。三、可以減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí) 由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動 化機(jī)床和綜合加工自動線

7、上，目前幾乎都設(shè)機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控 制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏進(jìn)行生產(chǎn)。由此可見，有效地應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展工業(yè)的必然趨勢。基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2 PLC的簡介2.1 PLC的產(chǎn)生1968年美國通用汽車公司（GM）招標(biāo)要求：軟連接代替硬接線；維護(hù)方便; 可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；成本低于繼電器控制柜；有數(shù) 據(jù)通訊功能；輸入115V;可在惡劣環(huán)境下工作；擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)變更要少；用戶程序 存儲容量可擴(kuò)展到4K o核心思想：用程序代替硬接線，輸入/輸出電平可與外 部裝置直接相聯(lián)，結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展 ，這是PLC的雛形。1969年美國DEC公司研制出世界上第一臺 PLC

8、 （PDP-14）,并在GM公司 汽車生產(chǎn)線上應(yīng)用成功。2.2 PLC的定義和特點(diǎn)2.2.1 PLC的定義美國電氣協(xié)會制造商協(xié)會NEMA國際電工委員會IEC對可編程控制器分別 作了定義：可編程控制器是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開關(guān)量邏輯控制為主 的自動控制裝置。它具有存儲控制程序的存儲器，能夠按照控制程序，將輸入 的開關(guān)量（或模擬量）進(jìn)行邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等處理后，以開 關(guān)量（或模擬量）的形式輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。早期的可編程控制器，主要用于開關(guān)量邏輯控制，所以稱為可編程邏輯控 制器，簡稱PLC后來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，其功能已不僅限于開關(guān)邏輯控 制，所以被稱之為可

9、編程控制器PC但這很容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)PC相混淆，因此, 一般把PLC作為可編程控制器的簡稱。2.2.2 PLC的特點(diǎn)可編程控制器之所以能夠得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，主要是由于它具有以下特點(diǎn)：（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 用軟件實(shí)現(xiàn)大量的開關(guān)量邏輯運(yùn)算，克服 了因繼電器觸點(diǎn)接觸不良而造成的故障；輸入采用直流低電壓，更加可靠、安 全；面向工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，采取了濾波、屏蔽、隔離等抗干擾措施，適應(yīng)各種惡 劣的工作環(huán)境，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)和一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(2)編程簡單，易于掌握 PLC采用梯形圖方式編寫程序，與繼電器控制 邏輯的設(shè)計(jì)相似，具有直觀、簡單、容易

10、掌握等優(yōu)點(diǎn)。(3)功能完善，靈活方便 隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，其功能更加完善, 不僅具有開關(guān)量邏輯控制功能和步進(jìn)、計(jì)算功能，而且還具有模擬量處理、溫 度控制、位置控制、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。既可以單機(jī)使用、也可聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，既可 集中控制、也可分布控制或者集散控制。而且在運(yùn)行過程中，可隨時(shí)修改控制 邏輯，增減系統(tǒng)的功能。(4)體積小、質(zhì)量輕、功耗低由于采用了單片機(jī)等集成芯片，體積小、質(zhì)量輕、機(jī)構(gòu)緊湊、功耗低。2.3 可編程控制器的主要性能指標(biāo)可編程控制器的性能指標(biāo)有很多，主要有以下幾項(xiàng)指標(biāo)。(1)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)(I/O) I/O點(diǎn)數(shù)是指可編程控制器外部輸入、輸出端子數(shù)的總和。它標(biāo)志著可以接多少個(gè)開關(guān)按

11、鈕和可以控制多少個(gè)負(fù)載。(2)存儲容量 存儲容量是指可編程控制器內(nèi)部用于存放用戶程序的存儲 容量。(3)掃描速度 一般以執(zhí)行1000步指令所需的時(shí)間來衡量，單位為 ms/ 千步，也有以執(zhí)行一步指令所需來計(jì)算，單位us/步。(4)功能擴(kuò)展能力 可編程控制器除了主模板塊之外， 通常都可配備一些 可擴(kuò)展模塊，以適應(yīng)各種特殊功能應(yīng)用的需要。 如A/D模塊、D/A模塊、位置控 制模塊等。(5)指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)是指一臺可編程控制器指令的總和，它是衡量可編程控制器功能強(qiáng)弱的主要指標(biāo)。2.4 可編程控制器的分類通常PLC產(chǎn)品可按結(jié)構(gòu)形式、控制規(guī)模等進(jìn)行分類。(1)按結(jié)構(gòu)形式分類 按結(jié)構(gòu)形式不同，可分為整體式

12、和模塊式兩類。整 體式的PLC是將電源、CPU存儲器、輸入/輸出單元等各個(gè)功能部件集成在一 個(gè)機(jī)殼內(nèi)，從而具有結(jié)構(gòu)經(jīng)湊、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，許多小型PLC多采用這種機(jī)構(gòu)。模塊式的PLC將各個(gè)功能部件做成獨(dú)立模塊，如電源模塊、CPU真塊、 I/O模塊等，然后進(jìn)行組合。基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2)按控制規(guī)模分類按控制規(guī)模大小，可分為小型、中型和大型 PLC三 種類型。1)小型PLC。小型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)以下，存儲容量在2KB以內(nèi)， 其中輸入輸出點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)的PLC又稱為超小型或微型PLC,具有邏輯運(yùn)算、 定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位及自診斷、監(jiān)控等基本功能。2)中型PLC 中型PLC的

13、開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)通常在256-2048點(diǎn)之間，用戶 程序存儲器的容量為2-8KB,除具有小型機(jī)的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量I/O、 數(shù)字計(jì)算、過程參數(shù)調(diào)節(jié)，如比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)傳送與比較、 數(shù)制轉(zhuǎn)換、中斷控制、遠(yuǎn)程I/O及通信聯(lián)網(wǎng)功能。3)大型PLC 大型PLC也稱為高檔PLC I/O點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上，用戶程 序存儲容量在8KB以上，其中I/O點(diǎn)數(shù)大于8192點(diǎn)的又稱為超大型PLC除具 有中型機(jī)的功能外，還具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、模擬調(diào)節(jié)、特殊功能函數(shù)運(yùn)算、 監(jiān)視、記錄、打印等功能，以及強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)、中斷控制、智能控制和遠(yuǎn)程 控制等功能。2.5 PLC系統(tǒng)的組成PLC是一種

14、以微處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，具結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相似，也是有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。2.5.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)一套PLC系統(tǒng)在硬件上由以下幾部分組成：(1)中央處理器(CPU)與計(jì)算機(jī)一樣，是PLC的核心部件。(2)存儲器PLC配有兩種存儲器：系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。(3)輸入/輸出(I/O )接口電路。(4)電源。(5)擴(kuò)展單元。(6)外部設(shè)備。其中，各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線 )連接 而成。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文電源圖2-1 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 2-1 PLC hardware structure微處理器運(yùn)

15、算器控制器外 部 設(shè)SI/O擴(kuò)展接口輸入?yún)s件輸出部件受控元件輸入信號I/O擴(kuò)展單元2.5.2 PLC的軟件PLC的軟件是指PLC所使用的各種程序的集合。它由系統(tǒng)程序（系統(tǒng)軟件） 和用戶程序（用戶軟件）組成。（1）系統(tǒng)程序 系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序，輸入譯碼程序及診斷程序等。（2）用戶程序 用戶程序是用戶根據(jù)控制要求，用 PLC的編程語言（如梯 形圖）編制的應(yīng)用程序。2.6 可編程控制器的工作方式可編程控制器在進(jìn)入 RUN犬態(tài)之后，采用循環(huán)掃描方式工作。從第一條指 令開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲的地址號遞增的循序逐條 執(zhí)行程序，即按順序逐條執(zhí)行程序直到程序結(jié)束。然后再從頭開始掃描，并

16、周 而復(fù)始地重復(fù)進(jìn)行?；赑LC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第6)不行摘周翱第N個(gè)打摘周期真川+1)個(gè)月捅周期!輸出刷新輸入荒樣用戶程序的行輸出刷新輸入采群圖2-2 PLC工作方式圖Fig. 2-2 PLC work way figure可編程控制器工作的掃描過程包括五個(gè)階段：內(nèi)部處理、通信處理、輸入 掃描、程序執(zhí)行、輸出處理。PLC完成一次掃描過程所需的時(shí)間成為掃描周期。 掃描周期的長短與用戶程序的長度和掃描速度有關(guān)。2.7 PLC的編程語言PLC的編程語言有梯形圖語言、助記符語言、順序功能圖語言等。其中前兩 種語言用的較多，流程圖語言也在許多場合被采用。1 .梯形圖語言(1)梯形圖從上至下編寫，每

17、一行從左至右順序編寫。PLC程序執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致。(2)圖左、右邊垂直線稱為起始母線、終止母線。每一邏輯行必須從起始 母線開始畫起，終止母線可以省略。(3)梯形圖中的觸點(diǎn)有兩種，即動合觸點(diǎn)和動斷觸點(diǎn)。(4)梯形圖的最右端必須連接輸出元素。(5)梯形圖中的觸點(diǎn)可以任意申、并聯(lián)，而輸出線圈只能并聯(lián)，不能用聯(lián)。2 .助記符語言助記符語言是PLC命令的語言表達(dá)式。用梯形圖編程雖然直觀、簡便，但 要求PLC配置較大的顯示器時(shí)可輸入圖形符號， 這在有些小型機(jī)上常難以滿足， 所以助記符語言也是一種較常用的一種編程方式。不同型號的PLC其助記符語 言也不同，但其基本原理是相近的。編程時(shí)，一般先跟

18、據(jù)要求編制梯形圖語言， 然后再根據(jù)梯形圖轉(zhuǎn)換成助記符語言。青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文3 .順序功能圖語言順序功能圖SFC是一種描述順序控制系統(tǒng)功能的圖解表示法， 主要由“步”、 “轉(zhuǎn)移”及“有限線段”等元素組成，它將一個(gè)完整的控制工程分為若干個(gè)階段（狀態(tài)），各階段具有不同的動作，階段間有一定的轉(zhuǎn)換條件，條件滿足就實(shí) 現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，上一狀態(tài)動作結(jié)束，下一動作開始。2.8 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制 造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸 納為如下幾類。1、開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它

19、取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏 輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動化流 水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流 水線等。2、模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)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(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Dig計(jì)al ）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn) 配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3、運(yùn)動控制PLC可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接 用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，

20、現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控 制模塊。如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各 主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器 人、電梯等場合。4、過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì) 算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。過程控制在冶基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。5、數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（

21、含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。 這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以 利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大 型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、 冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。6、通信及聯(lián)網(wǎng)PLC®信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制 的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能, 紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 PLC都具有通信接口，通信非

22、常方便。10青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文3機(jī)械手的設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械手的控制要求本機(jī)械手的控制要求：機(jī)械手搬運(yùn)零部件動作示意圖如下圖3-1所示，該機(jī)械手可用來將工件從A工位搬到B工位，實(shí)現(xiàn)方式有手動自動兩種工作方式， 其動作過程分為10工步，即從原位開始順序經(jīng)過10個(gè)動作后完成一個(gè)周期， 并返回原位，在此，定義機(jī)械手處于左旋限位，上行限位時(shí)為原點(diǎn)。具體過程 是：橫軸下降，至下限位開關(guān)，夾緊工件，橫軸上升，至上限位開關(guān)，底盤右 旋轉(zhuǎn)，至右旋限位開關(guān)，橫軸右行，至右限位開關(guān)，橫軸下降，至下限位開關(guān)， 松開工件，橫軸上升，至上限位開關(guān)，橫軸左行，至左限位開關(guān)，底盤左旋轉(zhuǎn)， 至左旋限位開關(guān)，返回原位，完

23、成一個(gè)周期。為了便于控制系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)，本控制系統(tǒng)有手動功能和自動功能。當(dāng)手 動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“手動”位置時(shí)，按下相應(yīng)的手動按鈕，就可實(shí)現(xiàn)上升、 下降、左移、右移、夾緊、放松的手動控制。當(dāng)機(jī)械手處于原位時(shí)，將手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“自動”位置時(shí)，進(jìn)入自動工作狀態(tài)。機(jī)械手工作方式說明如 下：(1)手動工作方式即單步運(yùn)行，每按一個(gè)按鈕，執(zhí)行一步操作；(2)自動工作方式即連續(xù)運(yùn)行，按下啟動按鈕，機(jī)械手自動運(yùn)行，一個(gè)周 期后循環(huán)工作，直至完成搬運(yùn)任務(wù)；(3)運(yùn)行之前，通常對機(jī)械手進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位操作有機(jī)械手在左邊、 在右邊、在中間三種情況，要逐一考慮，使機(jī)械手在任意位置都可以完成復(fù)位， 回到原點(diǎn)

24、；(4)運(yùn)行過程中，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，要停止一切動作。11基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)左右行包機(jī)左旋轉(zhuǎn)圖3-1機(jī)械手搬運(yùn)零部件示意圖Fig. 3-1 Manipulator handling parts schemes3.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較在工業(yè)自動化生產(chǎn)中常用的控制系統(tǒng)有： 傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制系統(tǒng)、 PLC控制系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)這三種。但從使用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性出發(fā)，本 設(shè)計(jì)選用了 PLC控制系統(tǒng)。因?yàn)閺纳鲜鲈摍C(jī)械手所需完成的控制動作分析來看， 本機(jī)械手是用于在復(fù)雜的條件下工件的傳輸，主要動作是上升、下降、左移、 右移、夾緊、放松、左旋、右旋和工序延時(shí)控制等，控制動作基

25、本上是以簡單 的順序邏輯動作為主，是屬典型的繼電邏輯順序動作控制系統(tǒng)，這是 PLC最擅 長的功能，而且PLC具有體積小、重量輕、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡12青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文單、易于維護(hù)等特點(diǎn)，特別是替代繼電器控制系統(tǒng)，這更是它的優(yōu)勢。本系統(tǒng)的開關(guān)量輸入信號為數(shù)字信號， 直接連接PLC PLC®過中間繼電器 對電磁閥加以控制。系統(tǒng)框圖如圖 3-2所示。=>£右行步進(jìn)左右彳丁電機(jī)陶器尸快進(jìn)電機(jī)受松用電磁閥圖3-2系統(tǒng)框圖Fig. 3-2 The system frame13基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)4.1 PLC的選型目前，世界上

26、有200多個(gè)廠家生產(chǎn)可編程控制器產(chǎn)品，比較著名的 PLC生 產(chǎn)廠家主要有美國的 AB通用（GE、日本的三菱（MITSBISHD、歐姆龍（OMR。N 德國的西門子（SIMENS、法國的TE、韓國的三星（SUMSUNGLG等。本文選擇的是德國西門子公司生產(chǎn)的 S7-200 PLC S7-200系列PLC是西門 子公司生產(chǎn)的一種小型PLC其許多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和 小型PLC的一樣，因此它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7-200CPU22* 系列PLC由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面（HMD可供選擇，所以系統(tǒng)的 集成非常方便，并且可以很容易地組成 PLC網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)它具有功

27、能齊全的編程 和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡單，其速度快，具 有極強(qiáng)的通信能力，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。根據(jù)機(jī)械手的控制要求，PLC輸入、輸出點(diǎn)分配如表所示：表4-1 PLC的I/O分配表Tab. 4-1 PLC of I/O distribution list名稱輸入名稱輸入啟動按鈕SB1I0.0夾緊按鈕SB10I1.1停止按鈕SB2I0.1松開按鈕SB11I1.2復(fù)位按鈕SB3I0.2上升限位開關(guān)SQ1I1.3上升按鈕SB4I0.3下降限位開關(guān)SQ2I1.4下降按鈕SB5I0.4左行限位開關(guān)SQ3I1.5左行按鈕SB6I0.5右行限位開關(guān)SQ4I1.6右行按鈕

28、SB7I0.6左旋限位開關(guān)SQ5I1.7左旋按鈕SB8I0.7右旋限位開關(guān)SQ6I2.0右旋按鈕SB9I1.014青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文名稱輸出名稱輸出上下行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器Q0.0Q0.4脈沖輸入左右行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器基座電機(jī)正轉(zhuǎn)脈沖輸入Q0.1基座電機(jī)反轉(zhuǎn)Q0.5上下行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器方向輸入Q0.2松緊電磁閥Q0.6左右行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器方向輸入Q0.3原位指小燈Q0.7由上表可知，該控制系統(tǒng)共需要17個(gè)輸入點(diǎn)，8個(gè)輸出點(diǎn)，此處選用西門 子公司生產(chǎn)的小型PLC S7-200系列的CPU226昧電器輸出型可編程控制器，該 控制器輸入點(diǎn)24個(gè)，輸出點(diǎn)16個(gè)。4.2 機(jī)械手驅(qū)動的選擇機(jī)械手的全部

29、動作由步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動 需要驅(qū)動器，有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電機(jī)才會動作，且每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)步進(jìn)電 機(jī)走一步；改變電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，需要加方向信號。機(jī)械手的上升 /下降、左行/右 行動作就是通過控制這兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的?；D(zhuǎn)是通過控制 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械手的放松/夾緊由一個(gè)單線圈兩位置電磁閥 控制。當(dāng)該線圈通電時(shí)，機(jī)械手放松；該線圈斷電時(shí)，機(jī)械手夾緊。4.2.1 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。通俗一 點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn) 動一個(gè)固定的角度（即步距角）。通過控制脈沖個(gè)

30、數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到 準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速 度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本系統(tǒng)采用二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)來控制機(jī)械手的動作，相比直流電機(jī) 有更好的制動效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機(jī)械手的運(yùn)動更加穩(wěn)定。 主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。此處采 用串聯(lián)型接法，其電氣接線圖如下圖 4-1所示。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動 ，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器15基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。所以

31、步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。A+黑A綠片黃BA- 橙百圖4-1步進(jìn)電機(jī)電氣接線圖Fig. 4-1 Step motor electrical hookup4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三 大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。1、步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求， 將負(fù)載的最小分 辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速） 。電機(jī) 的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 0.36度 /0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相

32、電 機(jī)）等。2、靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定 電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載 和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時(shí) （一般為低速）二種負(fù)載均要考慮，加速起動時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，包速運(yùn)行 進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍最好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）16青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文3、電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別 很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流(參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓)。4、力矩與功率換算

33、 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、 其功率是變化 的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P= QM Q=2 ttn/60 P=2mM/60其P為功率，單位為瓦；。為每秒角速度，單位為弧度；n為每分鐘 轉(zhuǎn)速；M為力矩，單位為牛頓 米；P=2fM/400(半步工作)，其中f為每秒脈沖 數(shù)(簡稱PPS)。止匕外，在選取電機(jī)時(shí)，我們應(yīng)該注意：1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過 1000轉(zhuǎn)，(0.9度時(shí) 3000PPS)最女?在1000-3000PPS(0.9度)間使用，可通過減速裝置使其在此間 工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動大。3、電

34、機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動，而采用逐漸開 頻提速，一是可以保證電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位 精度。4、電機(jī)在600PPS(0.9度)以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來 驅(qū)動。5、應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則。根據(jù)以上原則，我們選用深圳雷塞兩相 57HS13系列步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)參數(shù) 為：表4-2步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表Tab. 4-2 Step motor parameter table型號靜力 矩(NM)步距 角(0 )相電流電阻()電感(mH)長度L(mm)轉(zhuǎn)子慣 量(g.cm2)(Kg)串聯(lián)(A)并聯(lián)(A)57HS131.31.82.04.01.02.17

35、64601.0選用雷塞兩相M860系列步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，工作電流 2.4 7.2A,工作電壓2480V。4.3 PLC原理接線圖17基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)PLC的選型、輸入/輸出端口分布表以及步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器類 型，畫出PLC的外部接線圖，如下：比IV后動律此row10. 0軟.0i j. 1通2W10.310,4皿2C,510.6g00.310.7IhlIkO領(lǐng).411.2映二I】/IL4QO.G11.5IL&Tt7Il &Q0,7COM上停止$應(yīng)二鄭URL上升碼2下降5的2左行SBQk右行沏左旋液二右旋$的二莢黑部W松開郎仃上僵驛1下碾期X左限SQ3右眼典

36、4左旋限期右施限£第 111.5L1,5KPIL 所0F10上下行步進(jìn)電機(jī)D1R 驅(qū)動器PUL頌0ra .左右行步進(jìn)電機(jī)DIR驅(qū)動器v+Imr+24V .Ml基座電機(jī)KC卿 W原位西示燈電磁閥圖4-2 PLC外部接線圖Fig. 4-2 PLC external hookup18ri青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)，我們選取自動和手動兩種工作方式，手動控制方式即單步運(yùn) 行方式，手動操作不需要按工序順序動作，可以按普通繼電器接觸器控制系統(tǒng) 來設(shè)計(jì)，利用按鈕對機(jī)械手每一動作單獨(dú)進(jìn)行控制，如按“下降”按鈕，機(jī)械手下降；按“上升” 按鈕，機(jī)械手上升。而自動工作方式，按下

37、啟動按鈕 后，機(jī)械手從原點(diǎn)開始按工序自動反復(fù)連續(xù)循環(huán)工作，直到按下停止按鈕，機(jī)械手自動停機(jī)。自動控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況是：打開電源，按下起動按鈕時(shí)，開機(jī)復(fù)位。機(jī)械手的動作示意圖如圖3-1所示。機(jī)械手若不在原點(diǎn)則 PLC向上下行驅(qū)動器 輸入脈沖信號，上下行步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升。上升到底時(shí)碰到上限位開 關(guān)，然后主機(jī)向左右行驅(qū)動器同時(shí)輸入脈沖信號和電平信號，左右行步進(jìn)電機(jī) 反轉(zhuǎn)，橫軸左行。當(dāng)行進(jìn)到位時(shí)碰到左限位開關(guān)，左行停止，回到原點(diǎn)。主機(jī) 向上下行驅(qū)動器同時(shí)輸入脈沖信號和電平信號，上下行步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)械手 下降。降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手夾緊。夾緊后，主機(jī)向上下

38、行驅(qū)動器只輸入脈沖信號，上下行步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)械手 上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。PLC向基座電機(jī)輸入正轉(zhuǎn)信號， 電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)械手右旋，碰到右旋限位開關(guān)，右旋停止。主機(jī)向左右行驅(qū)動器 輸入脈沖信號電平信號，步進(jìn)電機(jī)左右行正轉(zhuǎn)，機(jī)械手右行，右行到位時(shí)，碰 到右限位開關(guān)，右行停止。主機(jī)向上下行驅(qū)動器同時(shí)輸入脈沖信號和電平信號， 上下行步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)械手下降。降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，同 時(shí)夾緊電磁閥得電，機(jī)械手放松。放松后，主機(jī)向驅(qū)動器上下行輸入脈沖信號， 上下行步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升，上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。PLC向左右行驅(qū)動器同時(shí)輸入脈沖信號和電平信號，

39、左右行步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，橫軸左行，當(dāng)左行到底時(shí)碰到左限位開關(guān)，然后主機(jī)向基座電機(jī)同時(shí)輸入反轉(zhuǎn)信號， 電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)械手左旋，碰到左旋限位開關(guān)左旋停止，回到原點(diǎn)。至此，機(jī)械 手經(jīng)過十步動作完成一個(gè)循環(huán)。就此給出自動控制系統(tǒng)的功能流程圖和系統(tǒng)整體的 PLC程序。5.1 控制系統(tǒng)功能流程19基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上電后原位指示燈亮下降抓緊延時(shí)10S上升右旋右行下降松開延時(shí)10s上升左行左旋圖5-1控制系統(tǒng)功能流程圖Fig. 5-1 Control system function flow chart20青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文5.2 PLC編程與調(diào)試5.2.1 手動控制程序手動控制即單步運(yùn)行，

40、當(dāng)按下一個(gè)按鈕，比如說上升按鈕，機(jī)械手自動上 開，什么時(shí)候停下來則由限位開關(guān)來決定。根據(jù)這一思路，編寫如下程序：21基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)22青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文5.2.2 復(fù)位控制程序復(fù)位程序比較復(fù)雜，因?yàn)闄C(jī)械手為三自由度，十個(gè)工步，所以有三種情況: 在左邊任意位置，在右邊任意位置，既不在左邊又不在右邊而是在中間的任意 位置。所以按下復(fù)位按鈕時(shí)我們需要首先判斷機(jī)械手的確切位置。在這里，我 們可以通過限位開關(guān)和松緊電磁閥的狀態(tài)明確的判斷出來。找到機(jī)械手的具體 位置，就可以驅(qū)動機(jī)械手進(jìn)行下一步動作。比如機(jī)械手在右邊，而且手部沒有 貨物，那么右行限位開關(guān)和電磁閥都應(yīng)該是閉合的，機(jī)械

41、手下一步要完成的動 作是放松上升，左移至左行限位開關(guān)再左旋，然后回到原點(diǎn)，完成復(fù)位工作。 在左邊和在中間時(shí)，也是如此。根據(jù)這一思路，編寫如下程序：23基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)NHwvik 5右油 51.tWT 513伸M1.3Q0C z ICcni）Nolmik ?I加蝦五中間 了旗般左移 司5荻空通ki.j二畸9 克案上升SI 3 TenNelwuik 10上升Nclwvik 11上方兔應(yīng)日動天航海51.5（SCRT）24青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文25基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Network 20Htwork 21|下下到M枚開 廂眈1¥口114irooiI 111，I

42、（）n?iii ioii4-TOO piHfriwoik 22用詞烈啟燈而松上升T37G1.0T I0時(shí)）UeiA&fk 23（5ERF）Ne4work 24斗SI - CR-Network 25311 3QOONMAAtk 26I上升小位慰肢左掙一II 3MT 2$11-II1，I（的26青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文Nelwovk j|IH曲創(chuàng)匣左可型1ST管MOOII ?ip30. <MinN«lwvik 德（5CRE）1啟前京於上痂-I Sfflhl面加Rk 34 l ui里電占DO.O。1 JR : 1Network 3b5CRt27基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2.3自動控制程序自動控制即連續(xù)控制，按下啟動按鈕，檢測機(jī)械手是否在原點(diǎn)，若不在, 首先復(fù)位，若在則依次完成十個(gè)工步，直到按下停止按鈕。程序如下：Mrfwoifc 1 自超運(yùn)二荏序隹酯片IT5I1QQENQ7NcHtwnrk ?|三千E師點(diǎn)G動顯位于花序H071BF_D-II1 / IEHHelwvik 3|宜枇后啟璇行理事一100MOl?n.iHQ 2MO.；Nefwwk 4小勖下津程序HQ2$2-1Nefwrwk 7| 丁薛至IfT國工界程序IdS27I