四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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1、前 言可編程控制器是20世紀(jì)70年代以來(lái)，在集成電路，計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(guó)外已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的支柱產(chǎn)品。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在PLC技術(shù)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面發(fā)展很快，除有許多從國(guó)外引進(jìn)的設(shè)備，自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)外，國(guó)內(nèi)的機(jī)床設(shè)備已越來(lái)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)??；價(jià)格上能與繼電接觸器控制系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)；易于在現(xiàn)場(chǎng)變更程序；便于使用、維護(hù)、維修；能直接推動(dòng)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

2、。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(dòng)化技術(shù)設(shè)備，它可以代替手的繁重勞動(dòng)，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。有著廣闊的發(fā)展前途。本課題通PLC自動(dòng)控制對(duì)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)機(jī)械手規(guī)定動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、手動(dòng)方式和自動(dòng)方式三種工作方式的選擇，并對(duì)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(dòng)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(dòng)化技術(shù)設(shè)備，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作

3、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(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高 勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。通過(guò)對(duì)機(jī)械制造與自動(dòng)化大學(xué)專(zhuān)科三年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，對(duì)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(dòng)機(jī)理。設(shè)計(jì)了一種四自由度機(jī)械手，采用可編程序控制器（PLC）設(shè)計(jì)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 h

4、umane, 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 request type or holds the automation tool operation of technical equipment, industrial automation, promote the production of industrial pro

5、duction of the further development plays an important role .Manipulator noted extensively and welcome by people for it has powerful vitality. Industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce labor intensity, and improve labor productivity and automation level. Mechanical

6、manufacturing and automation through the junior college for three years to integrate the knowledge of industrial manipulator mechanical structure and function of various parts of exposition and analysis to determine the robot motion principle and mechanism. Design a four-DOF manipulator to enhance t

7、he stability of their work for using the programmable logic controller to control system.Keywords: Manipulator Ladder diagram PLC Solenoid valve目 錄前 言1摘 要2第一章 緒論.51.1 本課題設(shè)計(jì)的背景51.2本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容61.3 本課題設(shè)計(jì)的目的和意義7第二章 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)12第三章 基于PLC的機(jī)械手控制方案的確定133

8、.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(jì)內(nèi)容133.4 PLC的選型143.5 三菱FX系列的結(jié)構(gòu)功能16第4章 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(pán)19第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)215.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)215.2 PLC梯形圖中的編程元件215.3 PLC的I/O分配225.4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的外部接線(xiàn)圖235.5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)23致 謝36參 考 文 獻(xiàn)37附錄（指令表）38第一章 緒論1.1 本課題設(shè)計(jì)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(dòng)化技術(shù)越來(lái)越高，生產(chǎn)工況

9、也有趨于惡劣的態(tài)勢(shì)，這對(duì)一線(xiàn)工人的操作技能也提出了更高的要求，同時(shí)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(jiǎn)單化，對(duì)于一些往復(fù)的工作由機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)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(duì)人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。在機(jī)械制造業(yè)中，機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料以及焊接、噴漆等作業(yè)，它可以按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界的變化。如果機(jī)械手發(fā)生某些偏離時(shí)，會(huì)引起零部件甚至機(jī)械本身的損壞，但若有了傳感反饋?zhàn)詣?dòng)，機(jī)械手就可以根據(jù)反饋?zhàn)孕姓{(diào)整。應(yīng)用機(jī)械手，有利

10、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(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)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(dòng)化的步伐。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。近些年，隨著計(jì)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(lái)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(dòng)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(dòng)化?；诖怂悸吩O(shè)計(jì)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(guò)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(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)效率，

11、具有十分重要的意義。美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出世界第一臺(tái)可編程控制器，并成功地應(yīng)用在美國(guó)（GM）的生產(chǎn)線(xiàn)上。但當(dāng)時(shí)只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱(chēng)為可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC（Programmable Logic Controller）。70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，使PLC從開(kāi)關(guān)量的邏輯控制擴(kuò)展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過(guò)程控制領(lǐng)域，真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制裝置，故稱(chēng)為可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PC（Programmable Controller）。但由于PC易于個(gè)人計(jì)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(xiě)。1985年國(guó)際電工委

12、員會(huì)（IEC）對(duì)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(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的存儲(chǔ)器，用來(lái)在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程。PLC是繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，所以它在數(shù)學(xué)處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢(shì)。繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種作用：（1）邏輯運(yùn)算（2）弱電控制強(qiáng)電。PLC是集自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)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(dòng)化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位，可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC。它在

13、集成電路，計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)控制設(shè)備。具有1.可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 2.設(shè)計(jì)、安裝容易，維護(hù)工作量少 3.功能強(qiáng)、通訊性好 4.開(kāi)發(fā)周期短、成功率高 5.體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。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(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的支柱產(chǎn)品。與繼電接觸器系統(tǒng)相比更加可靠；占位空間比繼電接觸器控制系統(tǒng)?。粌r(jià)格上能與繼電接觸器控制系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)；易于在現(xiàn)場(chǎng)變更程序；便于使用、維護(hù)、維修；能直接推動(dòng)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

14、的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以推動(dòng)機(jī)械手行業(yè)的擴(kuò)展，擴(kuò)大PLC在自動(dòng)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(jià)值。1.2本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對(duì)機(jī)械手的控制要求越來(lái)越高，若用傳統(tǒng)的繼電器控制方式進(jìn)行控制，勢(shì)必造成控制系統(tǒng)元件多，接線(xiàn)繁雜、穩(wěn)定性差、故障率高，給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)很多不便。針對(duì)這些問(wèn)題此次設(shè)計(jì)選取性?xún)r(jià)比高的可編程控制器設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。課題以四自由度機(jī)械手的控制為研究對(duì)象，采取PLC設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手規(guī)定動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、手動(dòng)方式和自動(dòng)方式三種工作方式的選擇，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行效率分析1.3 本課題設(shè)計(jì)的目的和意義機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐

15、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(guó)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(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)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(dòng)了整個(gè)機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化，自動(dòng)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(lái)，不僅費(fèi)時(shí)而且效率不高。同時(shí)人的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的效率和自動(dòng)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

16、有以下意義：1.3.1、可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度 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(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)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(dòng)化的步伐。 1.3.2、可以改善勞動(dòng)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(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)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(dòng)條件。同時(shí)，在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)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。 第二章 P

17、LC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(duì)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(hào)，并按I/O點(diǎn)數(shù)又有若干規(guī)格。對(duì)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(wú)任哪種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的PLC，都屬于總線(xiàn)式開(kāi)放型結(jié)構(gòu)，其I/O能力可按用戶(hù)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介紹可編程控制器（Programmable Logic Controller)簡(jiǎn)稱(chēng)為PLC，它的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要控制設(shè)備之一，在工

18、業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到了廣泛的使用，在其他領(lǐng)域（例如民用和家庭自動(dòng)化）的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。國(guó)際電工委員在1985年的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第3稿中,對(duì)PLC作了如下定義:“可序控制器編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。2.2 PLC的構(gòu)成2.2.1 CPU模塊PLC中的CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺(tái)P

19、LC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶(hù)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(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。與通用計(jì)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(xiàn)構(gòu)成，還有外圍芯片、總線(xiàn)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(chǔ)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(gè)部分，但PLC中的CP

20、U芯片實(shí)際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對(duì)CPU內(nèi)部的詳細(xì)分析已無(wú)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。2.2.2 I/O模塊PLC的對(duì)外功能，主要是通過(guò)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(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。2.2.3 電源模塊有些PLC中的電源，是與CPU模塊合二為一的，有些是分開(kāi)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(shí)，有的還為輸入電路提供24V

21、的工作電源。電源以其輸入類(lèi)型有：交流電源，加的為交流220V或110V，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24V。2.2.4 底板或機(jī)架大多數(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(wèn)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(gè)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(lèi)：1編程設(shè)備：有簡(jiǎn)易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對(duì)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(kāi)發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)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(chǎng)控制運(yùn)行。2監(jiān)控設(shè)備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器

22、，直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過(guò)畫(huà)面監(jiān)視數(shù)據(jù)。3存儲(chǔ)設(shè)備：有存儲(chǔ)卡、存儲(chǔ)磁帶、軟磁盤(pán)或只讀存儲(chǔ)器，用于永久性地存儲(chǔ)用戶(hù)數(shù)據(jù)，使用戶(hù)程序不丟失，如EPROM、EEPROM寫(xiě)入器等。4. 輸入輸出設(shè)備：用于接收信號(hào)或輸出信號(hào)，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(duì)每個(gè)程序，CPU從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶(hù)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(gè)循環(huán)稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。PLC的掃描全過(guò)程如圖2-2所示。圖2-2 PLC的掃描全過(guò)程1 、輸

23、入刷新階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫(xiě)入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。2 、程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶(hù)輸入的控制程序，從第一條開(kāi)始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。3 、輸出刷新階段當(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(guò)一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)短主要取決與程序的長(zhǎng)短。掃描周期越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越慢。由于每一個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對(duì)輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系

24、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(jiàn)，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(huì)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，而要到下一次掃描的I/O刷新期間輸出才會(huì)發(fā)生變化。這對(duì)于一般的開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是完全允許的，不但不會(huì)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(gè)工作周期的大部分時(shí)間里實(shí)際上是外設(shè)隔離的。而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾常常是脈沖式的、短時(shí)的，由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，往往要幾個(gè)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(huì)大大減少，從而提高了系

25、統(tǒng)的抗干擾能力。但是對(duì)于控制時(shí)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(shí)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)1、靈活性：不同類(lèi)型的硬件設(shè)備采用相同的可編程序控制器，編寫(xiě)不同應(yīng)用軟件就可以了，并且可以用一臺(tái)可編程控制器控制幾臺(tái)操作方式完全不同的設(shè)備。2、便于改進(jìn)與修正：可編程序控制器為改進(jìn)和修訂原設(shè)計(jì)提供了極其方便的手段，以前也許要花費(fèi)幾周的時(shí)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。3、節(jié)點(diǎn)利用率高：在可編程序控制器中，一個(gè)輸入中的開(kāi)關(guān)量或程序中的一個(gè)“線(xiàn)圈”可提供用戶(hù)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。

26、4、成本低：可編程序控制器提供的繼電器節(jié)點(diǎn)、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器、順控器的數(shù)量比采用繼電器、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器、順控器等實(shí)際元器件要便宜的多。5、模擬調(diào)試：可編程序控制能對(duì)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(chǎng)的調(diào)試，而古典電器線(xiàn)路是無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試的，只能花費(fèi)現(xiàn)場(chǎng)大量時(shí)間。6、能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行微觀調(diào)試：在可編程序控制器系統(tǒng)中，操作人員過(guò)顯示器觀測(cè)到所控每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，隨時(shí)監(jiān)測(cè)事故發(fā)生點(diǎn)。7、快速動(dòng)作：傳統(tǒng)繼電器節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)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(jí)的。8、可靠性：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。9、系統(tǒng)購(gòu)置的簡(jiǎn)單化：可

27、編程序控制器是一個(gè)完整的系統(tǒng)，購(gòu)置了一臺(tái)可編程序控制器，就相當(dāng)于購(gòu)買(mǎi)了系統(tǒng)所需要的所有繼電器、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器等器件。10、圖紙簡(jiǎn)化：傳統(tǒng)控制電路要靠畫(huà)藍(lán)圖，而藍(lán)圖不能隨著設(shè)計(jì)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(shí)打印出更新后的電路圖。11、易于系統(tǒng)的變化：可編程序控制器可以重新編程序，所以可以滿(mǎn)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3.1 機(jī)械手的概述我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 12643-90）對(duì)機(jī)械手的定義：“具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，能在空間抓放物體，或進(jìn)行其他操作的機(jī)械裝置。”機(jī)械手可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類(lèi)。專(zhuān)用機(jī)械手：它作為整機(jī)

28、的附屬部分，動(dòng)作簡(jiǎn)單，工作對(duì)象單一，具有固定（有時(shí)可調(diào)）程序，使用大批量的自動(dòng)生產(chǎn)。如自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上的上料機(jī)械手，自動(dòng)換刀機(jī)械手，焊接機(jī)械手等裝置。通用機(jī)械手：它是一種具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小自動(dòng)化生產(chǎn)。它的工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線(xiàn)。3.2 采用PLC控制機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)1.控制方式上看：電器控制硬接線(xiàn)，邏輯一旦確定，要改變邏輯或增加功能很是困難;而PLC軟界線(xiàn)，只需改變控制程序就可輕易改變邏輯或增加功能。2.工作方式上看：電器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制約。3.控制速度上看：電器控制速度慢，觸電易抖動(dòng)；

29、而PLC通過(guò)半導(dǎo)體來(lái)控制，速度很快，無(wú)觸點(diǎn)，故而無(wú)抖動(dòng)一說(shuō)。4.可靠、維護(hù)看：電器控制觸電多，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和電弧燒傷，接線(xiàn)也多，可靠，維護(hù)性能差；PLC無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，且有自我診斷功能，對(duì)程序執(zhí)行的監(jiān)控功能，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)方便。3.3 機(jī)械手設(shè)計(jì)內(nèi)容3.3.1.機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖圖3-1機(jī)械手示意圖1、手爪張開(kāi)閉合2、手腕旋轉(zhuǎn) 3、水平移動(dòng) 4、升降 5、立柱旋轉(zhuǎn) 6、手爪 7、手腕電動(dòng)機(jī) 8、橫軸 9、 豎軸 10、豎軸電動(dòng)機(jī) 11、橫軸電動(dòng)機(jī) 12、底盤(pán) 13、底盤(pán)電動(dòng)機(jī)3.3.2. 機(jī)械手工作流程機(jī)械手工作流程是：開(kāi)始運(yùn)行后，如果機(jī)械手不在初始位置上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)(橫軸向手抓方向移

30、動(dòng)，豎軸向上移動(dòng))。歸位后首先橫軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，橫軸前伸；前伸到位后，手爪電動(dòng)機(jī)得電帶動(dòng)手爪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到限位磁頭時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止，PLC控制電磁閥動(dòng)作，手張開(kāi)；延時(shí)一段時(shí)間，豎軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，豎軸下降；下降到位后，電磁閥復(fù)位，手爪夾緊；延時(shí)過(guò)后，豎軸上升，同時(shí)橫軸縮回、底盤(pán)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)底盤(pán)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、底盤(pán)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(dòng)作，手爪張開(kāi)；延時(shí)后豎軸上升復(fù)位，然后開(kāi)始下一周期動(dòng)作。3.3.3. 控制要求(1)手臂上下直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。(2)手臂左右直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。(3)手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(4)手爪夾緊動(dòng)作。(5)機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由PL

31、C發(fā)出控制脈沖控制步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)。3.4 PLC的選型對(duì)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(shí)還要考慮其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性以及工作環(huán)境對(duì)其的影響。3.4.1. 常用PLC介紹PLC發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號(hào)的也很多，各個(gè)廠家生產(chǎn)的也有一定區(qū)別，各個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計(jì)需要，考慮如何選擇。西門(mén)子的中國(guó)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(guó)的信息與通訊、自動(dòng)化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個(gè)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。

32、歐姆龍S7-200系列PLC 突出的特點(diǎn)：可靠性高、操作簡(jiǎn)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(jiǎn)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(gè)PC卡(對(duì)于10點(diǎn)的機(jī)型來(lái)說(shuō))，從而使安裝體積大幅度減小，同時(shí)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(chǎng)創(chuàng)造了新的環(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(jiǎn)單進(jìn)行。三菱FX系列可編程控制器是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外最新，最具特色、最

33、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(duì)應(yīng)機(jī)械動(dòng)作流程進(jìn)行順序設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器，對(duì)來(lái)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(jì)數(shù)器，可獲取最高50kHz的高速脈沖。3.4.2. 確定型號(hào)FX1N60MR綜上，對(duì)于被控對(duì)象，采用PLC系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，力求具有較好的性?xún)r(jià)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(mǎn)足被控對(duì)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

34、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(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮將來(lái)工藝的變化和擴(kuò)展，在滿(mǎn)足確定的要求外，留有一定的余量；確保整個(gè)控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對(duì)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(lái)做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年來(lái)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之后推出的超小型PLC，近幾年來(lái)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(jià)格比

35、，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(jì)算機(jī)，它的結(jié)構(gòu)原理與微型計(jì)算機(jī)相似。硬件構(gòu)成有微處理器、存儲(chǔ)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(yǔ)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(shí)器和計(jì)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(jì)采用FX系列PLC作為控制核心，所以現(xiàn)在就以它來(lái)講述PLC的應(yīng)用知識(shí)、操作技能。FX系列PLC硬件組成與其它類(lèi)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

36、源有些在CPU模塊內(nèi)，也有單獨(dú)作為一個(gè)單元的，編程器一般看作PLC的外設(shè)。PLC內(nèi)部采用總線(xiàn)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(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)以及各種傳感器檢測(cè)信號(hào)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(chǔ)器，收集和暫存被控對(duì)象實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)信號(hào)和數(shù)據(jù)；經(jīng)PLC內(nèi)部運(yùn)算與處理后，按被控對(duì)象實(shí)際動(dòng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PLC的各個(gè)部分協(xié)調(diào)一致地實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。PLC輸入輸出接口的安全保護(hù)當(dāng)輸出口連接電感類(lèi)設(shè)備時(shí)，為了防止電路關(guān)斷時(shí)刻產(chǎn)生高壓對(duì)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(duì)于

37、直流電源，應(yīng)并接續(xù)流二極管，對(duì)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(gè)坐標(biāo)和圍繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)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)能要接近于人的上肢，則需要具有27個(gè)自由度，而每一個(gè)自由度至少要有一根“人造肌肉”來(lái)控制。我們不要那么多自由度，因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)際情況而言

38、，控制的自由度越多，其各個(gè)部分也就越復(fù)雜，相應(yīng)的制造成本也就增加。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手，它共有自由度4個(gè)。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(lái)抓取工件的部件。手爪抓取工件時(shí)要滿(mǎn)足迅速、靈活、準(zhǔn)確可靠的要求。設(shè)計(jì)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(lái)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(lái)計(jì)算。則同時(shí)考慮有足夠的開(kāi)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，還需備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來(lái)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(dòng)定心結(jié)構(gòu)。為防

39、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(jiǎn)單、體積小、重量輕、動(dòng)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(pán)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(jì)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(lèi)繁多。如按手指運(yùn)動(dòng)的方式和模仿人手的動(dòng)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(dòng)力來(lái)源可分為彈簧式、氣動(dòng)式、液壓式等。本設(shè)計(jì)采用二指式手爪。由可編程控制器控制電磁閥動(dòng)作，從而控制手爪的開(kāi)閉。手爪的回轉(zhuǎn)則用一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)完成，同時(shí)通過(guò)兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)完成回轉(zhuǎn)角度的限

40、位，一般可設(shè)置在180度。4.3 軀干軀干有底盤(pán)和手臂兩部分組成。底盤(pán)是支撐機(jī)械手的全部重量并能帶動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。底盤(pán)采用一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，底盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手每旋轉(zhuǎn)三度發(fā)出一個(gè)脈沖，由傳感器檢測(cè)并送入可編程控制器，從而計(jì)算底盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角度。同時(shí)，在底盤(pán)上裝有限位開(kāi)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(dòng)的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)手臂由橫軸和豎軸組成、可完成伸縮、升降的運(yùn)動(dòng)。由可編程控制器發(fā)出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)在兩軸的兩端分別加限位開(kāi)關(guān)限位。4.4 旋轉(zhuǎn)編碼盤(pán)機(jī)械手底盤(pán)和軀干每旋轉(zhuǎn)3度發(fā)出一個(gè)脈沖，并把信號(hào)送回可編程控制器來(lái)得到轉(zhuǎn)過(guò)的

41、準(zhǔn)確的角度。編碼盤(pán)的機(jī)構(gòu)如圖4-1。圖4-1 旋轉(zhuǎn)編碼盤(pán)可以通過(guò)改變程序中計(jì)數(shù)器C0的初值來(lái)確定所要轉(zhuǎn)過(guò)的角度，這里可以通過(guò)用計(jì)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(jì)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(chēng)型號(hào)或規(guī)格數(shù)量名稱(chēng)型號(hào)或規(guī)格數(shù)量PLCFX1N-60MR1限位開(kāi)關(guān)LX19-1118電磁閥VF31301轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)LW6-51按鈕LA10-1H13熔斷器RC1A-30/152連接導(dǎo)線(xiàn)若干第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(dòng)控制等操作方式。工作方式

42、的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來(lái)，在手動(dòng)方式時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)按鈕來(lái)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(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)地回到右上角位置待命。當(dāng)旋鈕打向連續(xù)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)完成各工步操作，且循環(huán)動(dòng)作。當(dāng)旋鈕打向手動(dòng)時(shí)，每一工步都要按下該工步按鈕才能實(shí)現(xiàn)。圖5-1 控制面板示意圖5.2 PLC梯形圖中的編程元件設(shè)計(jì)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(shí)器(T)256點(diǎn)，計(jì)數(shù)器(C)，數(shù)據(jù)寄存器(D)等。特殊輔助繼電器M8000運(yùn)行監(jiān)控（PLC運(yùn)行時(shí)自動(dòng)接通，停止時(shí)斷開(kāi)）；M8002初始脈沖（僅在PLC

43、運(yùn)行開(kāi)始時(shí)接通一個(gè)掃描周期）；M8005PLC后備鋰電池電壓過(guò)低時(shí)接通；M801110ms時(shí)鐘脈沖； M8013100ms時(shí)鐘脈沖；M80121s時(shí)鐘脈沖； M80141min時(shí)鐘脈沖。5.3 PLC的I/O分配根據(jù)機(jī)械手動(dòng)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(hào)輸入信號(hào)手動(dòng)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(dòng)SB2X4后退SB13X31停止SB3X5下降SB4X6上升SB5X7夾緊SB6X10輸出信號(hào)松開(kāi)SB7X11上升/下降步進(jìn)電機(jī)YA0Y0手順轉(zhuǎn)SB8X12

44、YA1Y1手逆轉(zhuǎn)SB9X13YA2Y2底盤(pán)順轉(zhuǎn)SB10X14前進(jìn)/后退步進(jìn)電機(jī)YA3Y3底盤(pán)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(pán)順限位SQ5X22底盤(pán)順轉(zhuǎn)YA 9Y11底盤(pán)逆限位SQ6X23底盤(pán)逆轉(zhuǎn)YA10Y125.4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的外部接線(xiàn)圖PLC外部電氣接線(xiàn)圖如下圖5-1 圖5-1 PLC外部電氣接線(xiàn)5.5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的程序總體結(jié)構(gòu)如圖5-2，分為公用程序、自動(dòng)程序、手動(dòng)程序和回原位程序等四部分。其中自動(dòng)程序包括單步、連續(xù)運(yùn)動(dòng)程序，

45、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(hào)PX是其操作數(shù)。該指令由于某種條件下跳過(guò)CJ指令和指針標(biāo)號(hào)之間的程序，從指針標(biāo)號(hào)處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時(shí)間。如果選擇“手動(dòng)”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(guò)自動(dòng)程序到P0處，由于X0動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)所以直接執(zhí)行“手動(dòng)程序”。由于P1處的X1的動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，所以又跳過(guò)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(dòng)程序。5.5.1 公用程序公用程序如圖5-3，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：當(dāng)Y6復(fù)位（電磁閥松開(kāi)）、

46、后限位X21和上限位X17接通時(shí)，輔助繼電器M0變?yōu)镺N，表示機(jī)械手在原位。如果開(kāi)始執(zhí)行用戶(hù)程序（M8002為ON）、系統(tǒng)處于手動(dòng)或回原位狀態(tài)（X0或X1為ON），那么初始步對(duì)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(dòng)方式轉(zhuǎn)換手動(dòng)方式，再返回自動(dòng)方式時(shí)出現(xiàn)兩種不同的活動(dòng)步。圖5-2 程序總的結(jié)構(gòu)圖 圖5-3公用程序梯形圖圖5-4 自動(dòng)的功能流程圖5.5.2 自動(dòng)操作程序 自動(dòng)操作順序功能流程圖見(jiàn)圖5-4所示。當(dāng)機(jī)械手處于原位時(shí)，按啟動(dòng)X4接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S1，驅(qū)動(dòng)前伸Y3，當(dāng)?shù)竭_(dá)前限位使行程

47、開(kāi)關(guān)X20接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S2，而S1自動(dòng)復(fù)位。驅(qū)動(dòng)手順轉(zhuǎn)Y7，X24接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S3，驅(qū)動(dòng)下降Y2，X16接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S4，S4驅(qū)動(dòng)Y6置位，延時(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)1秒。延時(shí)時(shí)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(pán)順轉(zhuǎn)是X2

48、1接通，返回初始狀態(tài)，再開(kāi)始第二次循環(huán)動(dòng)作。在編寫(xiě)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時(shí)注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅(qū)動(dòng)的線(xiàn)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(dòng)連續(xù)程序說(shuō)明：當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)連續(xù)方式時(shí)，X2為ON，它的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，在初始步時(shí)按下啟動(dòng)按鈕X4，M1得電并保持，就按照?qǐng)D4-5自動(dòng)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(huì)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(dòng)功能流程圖的順序編寫(xiě)的自動(dòng)程序梯形圖為圖5-5。 圖5-5自動(dòng)程序段梯形圖5.5.3 手動(dòng)單步操作程序如下圖所示。圖中上升/下降

49、，左移/右移都有連鎖和限位保護(hù)。手動(dòng)程序說(shuō)明：用對(duì)應(yīng)機(jī)械手的上下前后移動(dòng)和夾緊松開(kāi)按鈕。按下不同的按鈕，機(jī)械手執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。在前后移動(dòng)的程序中串聯(lián)上線(xiàn)位置開(kāi)關(guān)的動(dòng)合觸點(diǎn)是為了避免機(jī)械手在較低位置移動(dòng)時(shí)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(dòng)程序梯形圖5.5.4 回原位程序回原位程序；在系統(tǒng)處于回原位工作狀態(tài)時(shí)，按下回原位按鈕（X3），M3變?yōu)镺N，機(jī)械手松開(kāi)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(guò)檢驗(yàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤以及邏輯上的可靠性后,編譯成指令表，以便后傳入PLC中。

50、并可以運(yùn)用軟件在線(xiàn)監(jiān)測(cè)PLC的運(yùn)行情況，同時(shí)可以用手持編程器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求修改程序中的各參數(shù)，達(dá)到任意位置停止的目的。設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)PLC畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們知道：機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén)。機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、

51、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)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。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)實(shí)踐。我學(xué)會(huì)了PLC的基本編程方法，對(duì)PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對(duì)理論的運(yùn)用中，提高了我們的工程素質(zhì)，在沒(méi)有做實(shí)踐設(shè)計(jì)以前，我們對(duì)知道的撐握都是思想上的，對(duì)一些細(xì)節(jié)不加重視，當(dāng)我們把自己想出來(lái)的程序與到PLC中的時(shí)候，問(wèn)題出現(xiàn)了，不是不能運(yùn)行，就是運(yùn)行的結(jié)果和要求的結(jié)果不相符合。能過(guò)解決一個(gè)個(gè)

52、在調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們對(duì)PLC 的理解得到加強(qiáng)，看到了實(shí)踐與理論的差距。并從中學(xué)到知識(shí)，豐富自己的知識(shí)層面。致 謝在這三年大學(xué)生涯中我學(xué)到了許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高了理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，提高了自學(xué)能力，這都得感謝老師的細(xì)心教導(dǎo)和培養(yǎng)，在此，我向給予我教育和幫助的老師說(shuō)聲謝謝。在校期間所學(xué)到的東西應(yīng)該對(duì)我以后工作和生活有很大幫助。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力我終于完成了這篇論文，PLC課程是我們的主要課程，自從接觸了這門(mén)課程我便對(duì)她產(chǎn)生了濃厚的興趣，所以在做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)我毅然的選擇了PLC設(shè)計(jì)。本篇論文雖然凝聚著自己的汗水，但卻不是個(gè)人智慧的產(chǎn)品，沒(méi)有老師的指引和贈(zèng)予，沒(méi)有同學(xué)和朋友的幫助和支持，我得畢業(yè)設(shè)計(jì)

53、也不會(huì)完成。當(dāng)打完畢業(yè)論文的最后一個(gè)字符，涌上心頭的不是長(zhǎng)途跋涉后抵達(dá)終點(diǎn)的欣喜，而是源自心底的誠(chéng)摯謝意?；厥走@幾個(gè)月來(lái)的設(shè)計(jì)過(guò)程，可以說(shuō)是收獲良多，也付出了不少心力。它檢驗(yàn)了我對(duì)PLC這門(mén)課程的掌握程度，通過(guò)老師們和同學(xué)們的幫助今天我的設(shè)計(jì)終于完成了。雖然在畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到很多困難，但在做的過(guò)程中我真正掌握和領(lǐng)會(huì)了各項(xiàng)知識(shí)。面對(duì)問(wèn)題仔細(xì)揣摩，查閱各方文件資料，也得到老師和同學(xué)的幫助。最后感謝培育我三年的母校！參 考 文 獻(xiàn)1 吳明亮，蔡夕忠.可編程控制實(shí)訓(xùn)教材M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.82 張桂香.機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指南J.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.13 瞿大中. 可編程控制與

54、實(shí)驗(yàn)P.華中科技大學(xué)出版社,2002.12.4 殷建國(guó).工廠電氣控制技術(shù)M.北京:經(jīng)濟(jì)管理出版社,2006.9.5 齊占慶.機(jī)床電氣控制技術(shù)G.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.16 余雷聲. 電器控制與PLC應(yīng)用M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19967 程周. 可編程控制器技術(shù)與應(yīng)用M. 北京：電子工業(yè)出版社，2002.88 郁漢琪，郭健. 可編程序控制器原理及應(yīng)用M. 北京：中國(guó)電力出版社，20049 黃凈. 電氣及PLC控制技術(shù)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社：7210 張萬(wàn)忠，孫晉. 可編程控制器入門(mén)與應(yīng)用實(shí)例（三菱FX1N系列）M. 北京：中國(guó)電力出版社，200511 高欽和. 可編程控制器應(yīng)

55、用技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)例M. 北京：人民郵電出版社，2004.712 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)J.北京：1999.7.第二版 13 梁耀光、余文休.電工新技術(shù)教程.北京:中國(guó)社會(huì)勞動(dòng)保障出版社.200714 吳曉梅、鐘福金.可編程序控制器.南京:東南大學(xué)出版社.200515 張鳳珊主編.電氣控制及可編程控制器.第2版.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社.200316 常斗南主編.可編程序控制器原理、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.199717 廖常初主編.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用.第2版.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社.200818 陳建明.電氣控制與PLC應(yīng)用. 北京: 電子工業(yè)出版社.2006.820 徐益清.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù).西安: 西安電子科技大學(xué)出版社.200920 http:/ (PLC之家)附錄（指令表）圖5-3公用程序梯形圖指令表圖5-5自動(dòng)程序段梯形圖指令表圖5-6手動(dòng)程序梯形圖指令表圖5-7回原位程序梯形圖指令表46