普通機械手PLC與觸摸屏的控制系統(tǒng)設計

1、摘要在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產中，存在著各種各樣的生產環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產環(huán)境不利于人工進行操作。工業(yè)機械手就這樣誕生了。機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中任務執(zhí)行機構，是機器人的關鍵部件之一。其電氣方面有步進電機、開關電源、電磁閥等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術，位置控制技術、技術、觸摸屏技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。PLC 與觸摸屏在工業(yè)控制中正得到廣泛的應用.， 簡要介紹將P

2、LC 與觸摸屏相結合,應用于機械手的運行控制中. 其方便的人機界面,可靠的控制性能,取得了良好的效果。關鍵詞: 機械手；PLC；觸摸屏；人機界面；步進電機AbstractIn the modern industry, the mechanization of the production line, automation have become outstanding topic.Along with industry modernization of further development, automation have already become a modern business e

3、nterprise in of importance pillar, no man car, no man produce flowing water line etc., already everywhere it is thus clear that.In the meantime, the modern produce medium, existence various each kind of produce environment, like heat, radio, poisonous air, harmful air situation and underwater homewo

4、rk etc., these are bad production environment disadvantageous carry on operation at the artificial.Industry machine hand so birth.The machine hand is an industry robot the mission in the system performance the organization be one of the key partses of robot.Its electricity has a step to enter electr

5、onics spare parts, such as electrical engineering, switch power supply and electromagnetism valve.etc. to constitute.Should equip to cover programmable control technique, position control technique, spirit move a technique, touch hold technique etc., is machine electricity the integral whole turn of

6、 typical model representative one of the instruments.The PLC hold with touch in the industry the control is get extensive of application., Synopsis introduction PLC and touch hold to combine together, application at the machine hand of circulate control in. The man-machine interface of its convenien

7、ce, credibility of control function, obtained good effectKeyword： Machine hand PLC ；The touch hold ； Man-machine interface； The step enter electrical engineering目 錄摘要ABSTRACT第一章 概述11.1 工業(yè)機械手系統(tǒng)概論1 發(fā)展設計工業(yè)機械手的目的和意義11.1.2 工業(yè)機械手的應用與發(fā)展趨勢1 觸摸屏技術與PLC21.2 機械手的機能和特性21.3 本章小結4第二章 機械手的構成與控制要求52.1 機械手的工作過程概述52.2

8、技術要求62.3主要參數(shù)62.4 設計要求62.5本章小結7第三章 系統(tǒng)的硬件設計83.1設計方案83.2 PLC機型的選擇103.3 觸摸屏103.4 步進電機及驅動器11 步進電機的選型11 步進驅動器14 步進驅動器電源的參數(shù)143.5 氣缸的選擇153.6 元件清單183.7本章小結19第四章 系統(tǒng)軟件設計204.1 PLC與觸摸屏的設計204.2 觸摸屏設計20 觸摸屏界面設計20 觸摸屏與PLC的通訊234.3 I/O分配表244.4 控制流程圖264.5 梯形圖設計274.6 機械手PLC程序設計說明284.7 接線圖304.8本章小結30結論與展望31參考文獻32致謝33第一章

9、 概述1.1 工業(yè)機械手系統(tǒng)概論工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。它是工業(yè)機器人的一個重要分支。其特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因此它具有一定的智能性和適應性。 發(fā)展設計工業(yè)機械手的目的和意義機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展, 出現(xiàn)了數(shù)控加工中心,它在減輕工人的勞動強度的同時, 大大提高了勞

10、動生產率。但數(shù)控加工中常見的上下料工序, 通常仍采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工、效率低; 后者因設計復雜, 需較多繼電器,接線繁雜, 易受車體振動干擾,而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題?？删幊绦蚩刂破鱌LC控制的機械手控制系統(tǒng)動作簡便、線路設計合理、具有較強的抗干擾能力, 保證了系統(tǒng)運行的可靠性,降低了維修率, 提高了工作效率。在工資水平較低的中國，很多行業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機械手的使用已經(jīng)越來越普及。 那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們設在中國的工廠中引進了自動化生產。但現(xiàn)在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)也開始對機械手表現(xiàn)出越來越

11、濃厚的興趣，因為他們要面對工人流失率高，以及經(jīng)濟效益帶來的挑戰(zhàn)。隨著我國工業(yè)生產的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉向、輸送或操持焊槍、分揀流程越來越節(jié)約勞動力,可見機械手的大力開展有著很重要的意義。1.1.2 工業(yè)機械手的應用與發(fā)展趨勢生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率；可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產；工業(yè)機械手在工業(yè)生產中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作，以及輕

12、工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。 觸摸屏技術與PLC隨著計算機技術的普及，在20世紀90年代初，出現(xiàn)了一種新的人機交互作用技術-觸摸屏技術。利用觸摸屏技術用戶只需用手指輕輕觸碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對主機的操作，擺脫了鍵盤和鼠標的操作，使人機交互更為直截了當。觸摸屏技術使界面能夠訪問計算機的數(shù)據(jù)庫，而不依賴于傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標界面。因此，觸摸屏應用已發(fā)展成為顯示器市場的一支生力軍。 可編程序控制器(簡稱PLC) 已成為工業(yè)控制領域中最主要的自動化裝置之一,它是當前電氣程控技術的主要實現(xiàn)手段，結合人機界面技術的飛速發(fā)展，大中型計算機控制在這一領域的應用帶來了更大的挑戰(zhàn)。機械

13、手是代替人在特殊環(huán)境下搬運工件的機械裝置，他比人力搬運具有力量大、速度快、工作不受環(huán)境和時間限制、控制簡單等優(yōu)點，本設計中將PLC與觸摸屏聯(lián)合應用與機械手的自動控制中，可以使機械手在不適合宜人直接控制的特殊環(huán)境下工作，PLC控制機械手的自動運行，并把采集到的各工作狀態(tài)信息送到觸摸屏顯示，操作員可以通過觸摸屏對機械手的運行進行設定和選擇。1.2 機械手的機能和特性根據(jù)古典力學觀點，物體在三維空間內的靜止位置時由三個坐標和繞三軸旋轉的角度來決定。因此，抓握物體的位置和方向（即關節(jié)的角度）能從理論上得。根據(jù)資料介紹，如果采用的機械手，其機能要接近人的上肢，則需要27個自由度，而每一個自由度至少需要一

14、個“人造肌肉”。這樣就需要安裝27根重量輕、小型和高輸出力的“人造肌肉”。就目前的技術狀況而言還是很難做得到的。而且把機械手搞那么復雜，動作彼此重疊也是完全沒有必要的。如果機械手要求具有完全通用的程度，那么它的整機、本體、手臂和手指都得由三個直線運動和三個旋轉運動，總共就需要24個自由度。這在實際上也是不需要的，這樣會使機械手結構復雜，費用增多。因此,不應盲目模仿人手的動作,增加過度的自由度,而應根據(jù)實際需要的動作,設計出最少的自由度就能完成作業(yè)所需要的動作。所以一般專用的機械手（不包括握緊動作）通常具有二到三個自由度。而通用機械手則一般取四到五個自由度。本次設計的是普通的機械手，因此共有3個

15、自由度：手臂左右伸縮、手臂上下擺動、手指抓握。1.夾緊機構機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、準確可靠的要求。設計制造夾緊機構手爪時，首先要從機械手的坐標形式，運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，以適應被抓物體的尺寸變化為擴大機械手的應用范圍，還需備有多種抓取機構，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并鑲有軟質墊片、彈性襯墊或自動定心結構。為防止突然斷電造成被抓物體落下，還可以有自鎖結構。夾緊機構本身則結構簡單、體積小、重量輕、動作靈活和工作可靠。夾緊結構

16、形式多樣、有機械式、吸盤式和電磁式等。有的夾緊機構還帶有傳感裝置和攜帶工具進行操作的裝置。本設計采用機械式夾緊裝置。機械式夾緊是最基本的一種，應用廣泛，種類繁多。如可以按手指運動的方式和模仿人手的動作；按夾持的方式分；按手指的數(shù)目分；按使用的動力原則分。在本次的設計中，要設計的手爪時二指式為氣動控制。由可編程控制器控制電磁閥動作，從而控制手爪的開閉。手爪的回轉則用一個步進電動機完成，同時通過兩個限位開關完成回轉角度的限位，設置為180度。2.軀干軀干由底盤和手臂兩在部分組成。底盤是支撐機械手全部重量并能帶動手臂旋轉的機構。手臂是機械手的主要部分，它是支撐手爪、工件并使它們運動的機構。本設計中手

17、臂由橫軸和豎軸組成，可完成伸縮、升降的運動。手臂采用步進電動機帶動絲桿、螺母來實現(xiàn)伸縮和升降的運動。由可編程控制器發(fā)出脈沖信號，經(jīng)步進電動機驅動器驅動步進電動機旋轉，帶動滾珠絲桿旋轉，完成手臂的運動。改變發(fā)出脈沖的個數(shù)，可控制手臂的兩個軸運動的距離。同時在兩軸的兩端分別加限位開關限位。采用絲桿、螺母結構傳動的特點是易于自鎖，位置精度較高，傳動效率較高。1.3 本章小結本章通過對研究和發(fā)展工業(yè)機械手的目的以及意義、發(fā)展前景的闡述，充分的了解了設計工業(yè)機械手有著非常重要的意義。根據(jù)現(xiàn)代生產的需要，以及工業(yè)機械手的設計原理和工作特性，與在諸多的控制系統(tǒng)的比較下，選擇了 PLC控制系統(tǒng)作為控制的核心。

18、第二章 機械手的構成與控制要求2.1 機械手的工作過程概述機械手的構成及工作示意圖如圖1 所示. 機械手設置有五種工作方式:回原點工作方式,手動控制方式、單步運行、單周運行、連續(xù)運行. 選擇好工作方式開后按下對應開關機械手就能在指定方式下運行.機械手在最上面和最左邊且松開時為系統(tǒng)原點狀態(tài),也稱初始狀態(tài),把工件從A 點搬到B 點并返回原點的過程為機械手的一個工作周期。對機械手工作循環(huán)的要求:單周/ 連續(xù)循環(huán):按下開始按鈕后,要求自動完成一個循環(huán)周期或者連續(xù)工作.自動回原點:按下回原點起動按鈕后,機械手執(zhí)行松開、上升和左行動作,這時原點條件滿足、系統(tǒng)處于初始狀態(tài).手動:要求機械能對夾緊、松開、上升

19、、下降、左行、右行各動作執(zhí)行手動操作。設計中還要求具有遠程控制和監(jiān)視功能。根據(jù)以上要求,采用可編程序控制器和觸摸屏進行控制.設計中使用通用機械手,各控制元件和電氣線路都不變,只把四個限位開關的常開觸點以及控制機械手下降、夾緊、上升、左行和右行的電磁閥線圈與PLC 的輸入、輸出點相連. 所有控制開關在觸摸屏內模擬,簡化了控制電路,同時節(jié)約了PLC輸入點. 選用的日三菱本FX2N-48MT 可編程序控制器和MT4200T 觸摸屏,由PLC 實現(xiàn)機械手自動運行控制和工作狀態(tài)的切換,并把采集到的各工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息送到觸摸屏顯示,操作員可以通過觸摸屏對機械手的運行進行設定和選擇。圖2.1 機械手的構成及

20、工作示意圖2.2技術要求（1）輸入電壓：AC200240V（帶保護地三芯插座）或DC24V。（2）消耗功率：<250W.（3）外型尺寸： 250×180×100CM2.3主要參數(shù)（1）負荷參數(shù)：額定負荷為1kg；最大負荷為3kg。（2）臂的運動參數(shù)：橫軸方向移動范圍是450mm，速度是100/s；豎軸方向移動范圍是450mm，速度是100mm/s。（3）手爪運動參數(shù)：旋轉角度為1800。（4）機械手運動參數(shù)：旋轉角度為2700。2.4 設計要求（1）手臂上下直線運動。（2）手臂左右直線運動。（3）手爪夾緊動作。手臂和手爪采用氣動驅動，由PLC發(fā)出控制脈沖控制步進電動機

21、運轉，實現(xiàn)手臂的進給和定位。2.5本章小結在本章中，講述了機械手的工作過程、技術設計要求、以及系統(tǒng)要求所達到的參數(shù)。形成一個完善的控制和工作的設計過程。根據(jù)機械手所要達到的要求，為后續(xù)的設計提供了依據(jù)。第三章 系統(tǒng)的硬件設計3.1設計方案 從滿足機械手自動控制系統(tǒng)的安全性、擴展性、和可靠性、穩(wěn)定性方面考慮，目前常見的機械自動控制系統(tǒng)，主要有單片機控制、繼電器控制以及PLC控制類型所以設計機械手方案用的PLC有以下3種：方案一：隨著集成芯片技術的不斷提高，特別是高檔8位、16位單片機的普及，單片機在自動控制中應用非常廣泛。根據(jù)控制的要求，單片機可以控制機械手。但是由于單片機可提供電源僅是DC5V

22、，電源的抗干擾能力很弱，外部傳感器等元件的電源一般都是DC24V要如果要與單片機連接，就必須采用中間轉換電路，增加設計的難度和成本，對設計人員的要求也就更高。而且單片機不適合工業(yè)控制場所。方案二：繼電器控制裝置是采用硬邏輯的方式，一個繼電器線圈的通斷將會同時影響該繼電器的所有常開常閉觸點動作，同觸點在控制線路的位置無關。雖然繼電器控制不需要很強的軟、硬件支持。價格相對便宜，但是繼電器的接通和斷開需要一定的時間，而且性能不穩(wěn)定，精度不高，不具備自動控制功能。方案三：PLC是一種新型的具有極高可靠性的通用工業(yè)自動化控制裝置，抗干擾性強，可靠性高。它以微處理器為核心，有機地將微型計算機技術、自動化控

23、制技術及通信技術融為一體。其特點如下：高可靠性；豐富的I/O接口模塊； 采用模塊化結構； 編程簡單易學； 安裝簡單，維修方便。PLC有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如：定位控制模塊，CRT模塊。易于實現(xiàn)機電一體化。PLC的結構緊湊，體積小，重量輕，可靠性高，抗振防潮和耐熱能力強，使之易于安裝在機器設備內部，制造出機電一體化產品。而且PLC內部的電源是DC24V，因此，傳感器等用外部電源驅動時，該外部電源必須為DC24V，這樣外部元件可以不經(jīng)過電源的處理就可以直接與PLC連接，省去了中間電路的轉換。鑒于PLC的諸多優(yōu)勢，結合機械手自動控制系統(tǒng)的需要，選擇日本三菱公司的FX2N系列可

24、編程序控制器。FX2N系列PLC是日本三菱公司生產的具有高性能價格比的小型可編程控制器，由于它具有控制能力強、體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點而得到廣泛的應用控制系統(tǒng)PLC電磁換向閥氣缸手爪底盤X軸步進驅動器步進驅動器步進電機步進電機左限位上限位下限位右限位松開夾緊觸摸屏步進驅動器步進電機Y軸圖3.1 控制的系統(tǒng)框架圖根據(jù)控制的要求，機械手在電機的帶動下需要完成五個動作。而現(xiàn)在，隨著技術的進步，越來越多的電機都可以完成這些控制要求，例如：直流電機、伺服電機以及步進電機。由于這個機械手要求電機在停止時具有鎖緊功能，而且可以完成指定距離的移動或角度的旋轉。綜合以上的要求，步進電機和伺服電機都可以完成這些

25、要求，但是由于系統(tǒng)的控制精度要求不是很高，無須考慮閉環(huán)反饋，所以步進電機就完全可以滿足控制了。步進電機與普通電機的不同之處在于它是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執(zhí)行機構，它可以同時完成兩個工作：一是傳遞轉矩；二是控制轉角位置或速度。3.2 PLC機型的選擇在PLC選型時，基本原則是滿足系統(tǒng)的功能需要，同時要兼顧維修、設備的通用性?？刂聘鶕?jù)被控對象對PLC控制系統(tǒng)的功能要求，使用了4個限位開關，9個按鈕，1個轉換開關，1個工件檢測光電開關。要用到的輸入數(shù)量預計有20個；使用了2個步進電機，5個電磁換向閥，1個原點指示燈，輸出數(shù)量約有7個，在選擇機型時還要考慮以后系統(tǒng)的調整和擴充，在實際統(tǒng)計I/O

26、點數(shù)基礎上，所以預留10%-20%的數(shù)量，可以確定要選擇輸入輸出總量點數(shù)是48點的PLC。日本的三菱FX2N系列小型PLC具有性價比高，功能完善，指令豐富等優(yōu)點，能滿足對本對象各項控制性能要求，因此，本文系統(tǒng)采用三菱FX2N系列的FX2N-48MT作為基本模塊。3.3 觸摸屏按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質，把觸摸屏分為4種，它們分別為電阻式、電容感應式、紅外線式以及表面聲波式。每一類觸摸屏都有各自的優(yōu)缺點，看在哪種環(huán)境下使用，在工業(yè)環(huán)境中我們選擇電阻式觸摸屏。電阻式觸摸屏利用壓力感應進行控制。電阻觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏，這是一種多層的復合薄膜，它以一層玻璃

27、或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬（透明的導電電阻）導電層，上面蓋有一層外表面經(jīng)硬化處理、光滑防擦的塑料層，它的內表面也有一層涂層，在它們之間有許多細小的透明隔離點把兩層導電層隔開絕緣。當手指觸摸屏幕時，兩層導電層在觸摸點位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化，在X和Y兩個方向上產生信號，然后將這兩個信號送至觸摸屏控制器?？刂破鱾蓽y到這一接觸并計算出（X和Y）的位置，在根據(jù)模擬鼠標的方式運作，這就是電阻觸摸屏的最基本的原理。這種觸摸屏是對外界完全隔離的工作環(huán)境，不怕灰塵和水汽，它可以用任何物體來觸摸，也可以用來寫字畫畫，比較適合工業(yè)控制領域及辦公室內有限的使用。因此選用本系統(tǒng)觸摸屏硬件是用基

28、于Windows XP 操作系統(tǒng)的MT4200T型觸摸式面板, MT4200T的顯示尺寸是4.3寸，分辨率是480×272 ，顯示色彩是65536真彩，觸摸板：精密電阻網(wǎng)絡，COM0:RS232、RS485、RS422。新性的操作員控制和監(jiān)視功能,可通過以下方式下載: RS232 (串口) 、USB、通過以太網(wǎng) （IP) 圖3.2 觸摸屏與PLC的連接3.4 步進電機及驅動器 步進電機的選型系統(tǒng)要求機械手氣爪的重量根據(jù)要求初步設定為1 kg，其尺寸為50*50*50MM抓舉物體的額定負荷為1kg，最大負荷為3kg，在橫軸與豎軸之間的滑塊在滿足剛性要求的條件下，其重量為1 k

29、g。以物體的最大負荷來計算，加上機械手本身也是由一定重量的，所以在選擇步進電機的時候必須考慮步進電機的力矩和電機控制的精度?？紤]到步進電機啟動運行到所設定的速度時或停止時，會產生很大的沖擊力，所以步進電機在運轉中需要考慮電機的加減速時間。根據(jù)經(jīng)驗值并結合電機的各項性能指標，加減速時間可以設定為T= 300MS，為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定，首先設定電機的最高轉速為n=300r/min.根據(jù)電機的最高轉速計算得知，物體運動的速度是1200mm/s。根據(jù)步進電機力矩的計算公式：。其中，表示慣量力矩；由電機的轉動慣量和系統(tǒng)負載慣量組成：=+，并且1< <4；是電機的角加速度，計算=10.47；是系

30、統(tǒng)外力折算到電機上的力矩，是系統(tǒng)的機械效率，在本系統(tǒng)中，根據(jù)查表得知=0.5-0.8，為了計算的方便，在這我取=0.7。根據(jù)這個公式分別計算出兩個步進電機的力矩。電機力矩的計算如下：(1)手爪電機力矩的計算手爪部分電機力矩的計算分成兩部分進行計算。第一部分是手爪塊繞電機軸旋轉。電機轉軸通過支撐手爪塊的矩形中心,且垂直于矩形所在平面，所以其轉動慣量表示：=20.83kg.cm2=2.083*10-5kg.m2其中a、b分別表示塊的長和寬。根據(jù)計算的結果，考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配條件： =14, 根據(jù)查表得知minet公司生產的兩相混合式步進電機MT86STH60-4204A，其電機慣量約為

31、3*10-5 kg.m2，電機的力矩是2.8 N.M可以滿足設計的慣量匹配。=2.083*10-5+3*10-5=5.08310-5 kg.m2。在手爪系統(tǒng)中，抓舉的負荷就可以看成是系統(tǒng)的外力，根據(jù)電機系統(tǒng)外力的力矩計算公式：9.55=1.25 N.M因此：=1.8 N.M在計算出的力矩上再加上一個安全系數(shù)0.51，根據(jù)經(jīng)驗值本設計取的安全系數(shù)為0.8。所以電機力矩至少要滿足： =。上面選擇的型號為minet公司生產的兩相混合式步進電機MT86STH60-4204A。電機的力矩是，額定電流是1.3A，重量1kg。完全可以滿足系統(tǒng)的要求。(2)橫軸電機力矩的計算橫軸是由電機帶動絲杠運轉，可以看成

32、是工作臺折算到絲杠上的轉動慣量， =3*10-5kg.m2考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配條件： =14, 根據(jù)查表得知minet公司生產的兩相混合式步進電機MT86STH78-4204A其電機慣量為8*10-5 kg.m2，電機的力矩是4.2N.M可以滿足設計的慣量匹配。J=kg.m2=。式中各個參數(shù)代表的含義是：W表示可移動物體的重量（N），在橫軸上可移動的物體包括絲杠、手爪、負荷以及手爪電機；P表示絲杠的螺距（mm）。根據(jù)手爪步進電機的選型方法，橫軸電機力矩=2.63/0.8=3.3 N.M選擇型號為minet公司生產的兩相混合式步進電機MT86STH78-4204A。電機的力矩是4.2N

33、.M，額定電流是1.3A，重量1.5kg可以滿足系統(tǒng)的要求。(3)豎軸電機力矩的計算豎軸是也由電機帶動絲杠運轉，可以看成是工作臺折算到絲杠上的轉動慣量，轉動慣量的計算方法與橫軸電機的計算方法相同=考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配條件：=14, 根據(jù)查表得知minet公司生產的兩相混合式步進電機MT86STH117-4204A其電機慣量為10*10-5 kg.m2，電機的力矩是8.2N.M可以滿足設計的慣量匹配。 =式中各個參數(shù)代表的含義是：W表示可移動物體的重量（kg），在豎軸上可移動的物體包括手爪、負荷、支撐橫軸上下移動的滑塊以及橫軸和豎軸兩條絲杠、手爪和橫軸的步進電機；P表示絲杠的螺距（mm

34、）。豎軸電機力矩=。選擇型號為minet公司生產的兩相混合式步進電機MT86STH117-4204A。電機的力矩是8.2 N.M，額定電流1.68A，重量1.7Kg,滿足系統(tǒng)的要求。（4）兩相混合式步進電機的接線原理圖如下圖3.3表示圖3.3 步進電機接線原理圖 步進驅動器采用系minet公司生產的GMD03系列步進電動機驅動器，主要由電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。如圖1-9所示。電源輸入部分由電源模塊提供，用兩根導線連接，注意極性。電源輸入部分：信號源由FPO主機提供。由于FPO主機提供。由于FPO提供的電平為24V，而輸入部分的電平為5V，中間加了保護電路。輸出部分：與步進電動機

35、連接，注意相序。 步進驅動器電源的參數(shù)本次設計采用的步進驅動器電源是銘偉系列DM150的開關電源。其特點是輸出功率大,體積小,重量輕,可靠性高,適應寬范圍的輸入電壓波動,具有完備的過電壓、過電流保護功能。具體參數(shù)如下表1所示：表3.1 步進驅動器電源的參數(shù) 輸入交流電壓110220V/50HZ,60HZ輸出直流電壓24V最大功率156W工作環(huán)境-1040攝氏度圖3.4 步進驅動和保護電路原理圖3.5 氣缸的選擇根據(jù)設計的要求，抓取物體的重量在13Kg之間，根據(jù)牛頓力學定理，手爪必須克服物體向下的重力和靜摩擦力（其中靜摩擦力與物體的重力相等），以物體的最大重量來計，手爪至少需要60牛頓的力,計算

36、公式如下：根據(jù)設計的要求，氣源大于0.2MPa且小于0.85MPa。結合氣缸的理論計算公式，其中與是已知的，并且。所以得到如下的計算：即 ，得出其中:氣缸理論出力，單位是；：工作壓力,單位是 ；：活塞受壓面積，單位是。根據(jù)計算好的活塞受壓面積以及氣缸的工作壓力，查表得到所要的氣缸由生產的標準氣缸，復動式，型號為：SNS公司生產的QGB(SC)-40*100-S-CB。其符號代碼具體表示的含義：QGB（SC）表示標準氣缸；40*100表示氣缸的內徑*行程；S表示該氣缸是帶磁性的；CB表示后蓋固定式（雙耳型）。選擇的磁感應開關是SNS公司生產的型號為CS1-U（U表示與標準氣缸配套的向上型的磁感應

37、開關）。氣缸具體參數(shù)表如表1所示：表3.2 氣缸具體參數(shù)表 型號QGB(SC)-40*100-S-CB內徑40mm動作形式復動型使用流體空氣固定形式CB型使用壓力范圍0.40.9MPa保證耐壓力13.5 MPa使用溫度范圍070使用速度范圍50-800mm/s緩動形式20mm接管口徑G1/8為了準確的對手爪抓緊松開的控制,我采用了電磁換向閥。換向閥是利用閥芯在閥體孔內做相對運動，使空氣路線接通或切斷而改變空氣流向的閥。根據(jù)氣缸的理論出力的大小，結合電磁閥的工作方式，我選擇了型號是：SNS公司生產的4V130C-06的二位五通的電磁換向閥。符號代碼：4V代表規(guī)格代號，表示二位五通電磁閥；1代表系

38、列代號，表示1：100系列；30C代表線圈及位數(shù)，表示雙頭三位置封閉型；06代表接管口徑。具體參數(shù)表如表2所示：表3.3 電磁換向閥具體參數(shù)表 型號4V130C-06工作介質空氣（經(jīng)40毫米濾網(wǎng)過濾）動作方式內部先導式位置數(shù)二位五通有效截面積9平方毫米（CV=0.50）接管口徑進氣=出氣=排氣=1/8潤滑不需要使用壓力1.58Kgf/cm(21114Psi)最大耐壓力10.5 Kgf/cm（150 Psi）工作溫度560電壓范圍±10%耗電量AC：1.3VA DC：1.5W絕緣性F級保護等級IP65（DIN40050）接電形式直接出線式或端子式最高動作頻率每秒5次最短勵磁時間0.05

39、秒圖3.5 氣動工作原理圖3.6 元件清單表3.4 元件清單元件名型號數(shù)量PLC三菱FX2N-48MT1臺觸摸屏Eview MT4200T 1臺步進電機MT86STH78-4204A1臺MT86STH117-4204A1臺步進驅動器GMD032個氣缸SNS QGB(SC)-40*100-S-CB1個電磁換向閥4V130C-065個開關電源銘偉系列DM1501個熔斷器RL1-151個機械機構1套限位開關4個按鈕9個選擇開關1個關電開關1個配電箱1個導線若干3.7本章小結本章中，重點介紹了系統(tǒng)的硬件選擇。根據(jù)提出的設計方案，PLC的選型根據(jù)控制的要求計算出IO口數(shù)量，考慮到需要脈沖控制步進電機的運

40、轉，故應采用晶體管形式輸出的PLC，型號是三菱FX2N系列的FX2N-48M。步進電機作為整個機械機構的執(zhí)行元件，在整個系統(tǒng)中占有非常重要的地位，在選擇時必須要滿足物體運動時電機的力矩。在本章中分別計算出了四個不同型號的步進電機。機械手手爪的抓緊或松開都是靠電磁換向閥來控制氣缸的動作。氣缸的選擇主要是根據(jù)抓握負荷的大小來確定氣缸的推力第四章 系統(tǒng)軟件設計4.1 PLC與觸摸屏的設計日本的三菱FX2N-48MT系列PLC 具有豐富的編程指令,軟件設計環(huán)境良好,可采用梯形圖、功能指令 和指令表等基本的編程語言.在安裝好了編程軟件STEP 7 MicroWIN 的個人計算機上,使用PC/ PPI 電

41、纜把CPU226 模塊連接到計算機的串口上,把波特率設置為19. 2k ,并在軟件中設置好通訊參數(shù),使計算機與PLC 建立在線聯(lián)機,便可根據(jù)設計要求進行梯形圖(LAD) 程序的編寫. 程序中使用了位邏輯指令、定時器指令、計數(shù)器指令、程序控制指令,程序包括一個主程序、四個子程序(分別實現(xiàn)手動、自動、自動回原點等) 。4.2 觸摸屏設計觸摸屏的基本原理是用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏,所觸摸的位置由觸摸屏控制器檢測,并通過接口(如RS - 232 串行口) 送到CPU。 從而確定輸入的信息。 觸摸屏系統(tǒng)一般包括兩個部分:觸摸屏控制器(卡) 和觸摸檢測裝置。MT4200T 使用基于Wi

42、ndows 的軟件GT Designer Vision,進行既簡單又高效的組態(tài),其特點有:1 可在不同顯示分辨率下縮放組態(tài)2 使用矢量圖可快速而容易地創(chuàng)建和修改圖形3 使用預繪圖象對象擴展圖形庫4 標準Windows 字體,動畫,精確定位.如同安裝其它計算機軟件一樣,按提示操作把Pro Tool Pro CS 和Pro Tool Pro RT 安裝到組態(tài)計算機上. 通過通訊電纜把組態(tài)計算機和觸摸屏連接起來. 觸摸屏界面設計根據(jù)系統(tǒng)的控制與操作要求,設計了人機交互界面,該界面直觀、方便,有關部件的工作 狀態(tài)、運行參數(shù)都可在觸摸屏上動態(tài)顯示.如圖所示圖4.1 手動方式人機界面圖4.2 回原點方式人

43、機界面圖4.3 單步方式人機界面圖圖4.4 單周方式人機界面圖圖4.5 自動方式人機界面圖 觸摸屏與PLC的通訊1.觸摸屏的串口設計2.PLC的串口設計4.3 I/O分配表輸入（I）地址分配序號名稱符號編號1上限位行程開關ST1X02下限位行程開關ST2X13左限位行程開關ST3X24右限位行程開關ST4X35下降點動按鈕SB1X46上升點動按鈕SB2X57左移點動按鈕SB3X68右移點動按鈕SB4X79手動選擇開關SA1-1X1010回原點選擇開關SA1-2X1111單步選擇開關SA1-3X1212單周期選擇開關SA1-4X1313自動循環(huán)操作方式SA1-5X1414回原點啟動按鈕SB5X1

44、515全自動啟動按鈕SB6X1616全自動停止按鈕SB7X1717工件檢測光電開關ST5X2018夾緊工件點動按鈕SB8X2119放松工件點動按鈕SB9X22輸出（O）地址分配序號名稱符號編號1上升電磁閥YV1Y02下降電磁閥YV2Y13右移電磁閥YV3Y24左移電磁閥YV4Y35夾緊電磁閥YV5Y46原點指示燈HLY5下降上升下降上升夾緊工件右移左移松開工件原點4.4 控制流程圖下限位行程開關工件檢測光電開關 上限位行程開關右限位行程開關下限位行程開關工件檢測光電開關上限位行程開關左限位行程開關 圖4.6 機械手工作的流程圖4.5 梯形圖設計圖4.7 機械手PLC控制初始化程序梯形圖圖4.8

45、 機械手PLC手動操作梯形圖圖4.9 機械手PLC回原點控制梯形圖圖4.10 機械手PLC自動循環(huán)控制梯形圖4.6 機械手PLC程序設計說明機械手用PLC控制，接通PLC電源，特殊輔助繼電器M8000閉合。如果機械手不在原點，X0和X2不能同時閉合，特殊輔助繼電器M8044和Y5不動作，原點指示燈HL亮，表示機械手處于原點位置。（1） 將選擇開關SA1扳至手動方式，S0為ON, 由程序梯形圖2可知，按下下降點動按鈕SB1，X4閉合，Y1接通，機械手下降；同理，分別按下按鈕SB2、SB3、SB4、SB8、SB9，機械手分別執(zhí)行上升、左移、右移、工件夾緊、工件放松等動作。（2） 將選擇開關SA1扳

46、至回原點方式，S1為ON。從程序梯形圖3可知，當按下回原點啟動按鈕SB5時，X15閉合，轉移到狀態(tài)S10，機械手上升；上升到位后壓合上限位行程開關ST1，X0閉合，轉移到狀態(tài)S11,機械手左移，左移到位后壓合左限位行程開關ST3，X2閉合，轉移到狀態(tài)S12，完成特殊輔助繼電器M8043的置位和機械手回原點的動作。（3） 選擇開關SA1扳至單步運行方式，初始狀態(tài)IST指令使M8040接通，禁止所有狀態(tài)轉移。但當按下全自動啟動按鈕SB6時，X16閉合，特殊輔助繼電器M8042閉合，使得M8040為OFF，使狀態(tài)按順序轉移一步。每按一次SB6，按程序梯形圖4所示的狀態(tài)向前完成一步動作。（4） 選擇開關扳至單周期運行方式，初始狀態(tài)IST指令使轉移開始輔助繼電器M8041僅在按下SB6時接通（即按下SB6時，M8041=ON;松開SB6時，M8041=OFF）。由程序梯形圖4可知，當完成一個循環(huán)后，由狀態(tài)S28轉移到狀態(tài)S2時，因轉移條件之一特殊輔助繼電器M8041=OFF，所以狀態(tài)S2不能再轉移到狀態(tài)S21,故9只能完成一個單周