教學(xué)型機械手PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計

教學(xué)型機械手PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計,教學(xué)型機械手PLC,控制系統(tǒng)的設(shè)計,教學(xué),機械手,PLC,控制系統(tǒng),設(shè)計 內(nèi)容摘要：很多國家在學(xué)校中開設(shè)了機器人技術(shù)的相關(guān)課程。為了培養(yǎng)開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、維護方面的人才，我國在大學(xué)校園也開設(shè)了機器人相關(guān)課程。教學(xué)型機械手就是針對教學(xué)研制的典型機器人設(shè)備，這對研究出良好的機械手將具有重要意義。 我做出的PLC 控制的教學(xué)型機器人具備以下特點：首先是教學(xué)適用性，符合教學(xué)使用的相關(guān)需求；其次是具有良好的性價比，特定的教學(xué)用戶群決定了其價位不能過高；再次就是它的開放性和可擴展性，可以根據(jù)需要方便地增、減功能模塊，進行自主創(chuàng)新。論文針對以上特點，對教學(xué)型機械手PLC 控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。首先介紹了可編程控制器在教學(xué)型機械手系統(tǒng)中的應(yīng)用，簡單介紹了教學(xué)型機械手總體結(jié)構(gòu)及工作原理。根據(jù)系統(tǒng)需要完成的任務(wù)，比如夾取，松放等一系列動作，詳細的介紹了教學(xué)型機械手 PLC 控制系統(tǒng)，包括PLC 的選型，電氣控制原理圖的設(shè)計，輸入輸出點數(shù)的確定，線路的連接及程序的設(shè)計。經(jīng)過多次實驗，驗證該機械手操作方便、性能穩(wěn)定。 關(guān)鍵詞：機械手；PLC；控制；編程  Abstract：Many countries offer courses in robotics in schools. In order to train talents in the fields of development, design, production and maintenance, robot related courses are also offered on campus. The teaching robot manipulator is a typical robot equipment developed for teaching, which is of great significance for the development of a good manipulator. PLC control of the teaching robot made me have the following characteristics: the first is the teaching application, in accordance with the relevant requirements of the use of teaching; second is a good price, specific teaching users decide the price is not too high; another is its openness and scalability, can be conveniently added, reducing function module according to the needs of independent innovation. In view of the above characteristics, the PLC control system of the teaching manipulator is designed. This paper introduces the application of programmable logic controller in the teaching manipulator system at first, and briefly introduces the overall structure and working principle of the teaching manipulator. According to the system needs to complete the task, such as clip, release a series of actions, detailed introduces the teaching manipulator PLC control system, including PLC selection, design of electrical control principle diagram, determine the input and output points, design and program the connection line. After many experiments, it is proved that the manipulator is easy to operate and stable in performance. Keywords: manipulator PLC control programming 學(xué)號: 20131516 開題報告 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計 二級學(xué)院: 機械工程學(xué)院 教 學(xué) 系： 機械與包裝工程系 專業(yè)班級: 機械設(shè)計制造及其自動化1304 學(xué)生姓名: 郭珉 指導(dǎo)教師: 李連進 2017年3月  1：背景 1.1機器人在工業(yè)生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用 自從20 世紀60 年代初人類創(chuàng)造了第一臺工業(yè)機器人以后，機器人就顯示出它極大的生命力，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，工業(yè)機器人已在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機器人得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。 目前，汽車制造業(yè)是制造業(yè)所有行業(yè)中人均擁有工業(yè)機器人密度最高的行業(yè)，如，2004 年德國制造業(yè)中每1萬名工人中擁有工業(yè)機器人的數(shù)量為162 臺，而在汽車制造業(yè)中每1 萬名工人中擁有工業(yè)機器人的數(shù)量則為1140 臺；意大利的這一數(shù)值更能說明問題，2004 年意大利制造業(yè)中每1 萬名工人中擁有工業(yè)機器人的數(shù)量為123臺，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有工業(yè)機器人的數(shù)量則高達1600 臺。隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應(yīng)用范周還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。2005 年，亞洲地區(qū)電子電氣行業(yè)對工業(yè)機器人的需求僅次于汽車及汽車零部件制造業(yè)，其占所有行業(yè)總需求的比例為31%；而在歐洲地區(qū)橡膠及塑料工業(yè)對工業(yè)機器人的需求則遠遠超過電子電氣行業(yè)而排名第二位；美洲地區(qū)由于汽車及汽車零部件制造業(yè)對工業(yè)機器人的需求遙遙領(lǐng)先，所以金屬制品業(yè)(包括機械)、橡膠及塑料工業(yè)以及電子電氣行業(yè)對工業(yè)機器人的需求比例相當(dāng)，均在7% 左右。另外諸如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)維護維修機器人等各種非制造行業(yè)。此外，在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)等領(lǐng)域機器人的應(yīng)用也越來越多，如無人偵察機(飛行器)、警備機器人、醫(yī)療機器人、家政服務(wù)機器人等均有應(yīng)用實 例。機器人正在為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。而且，隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩，未來各種專業(yè)服務(wù)機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活，其市場的繁榮興旺將指日可待。 1.2工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢? 新的市場和新的需求為工業(yè)機器人的發(fā)展提供了新的機遇。敏捷制造的基本思想是企業(yè)能迅速將其組織和裝備重組,快速響應(yīng)市場變化,生產(chǎn)出滿足用戶需求的個性化產(chǎn)品。敏捷制造要求企業(yè)底層的生產(chǎn)設(shè)備具有柔性和可動態(tài)重組的能力。機器人是一種具有高度柔性的自動化生產(chǎn)設(shè)備。如果我們站在更高的層次,將機器人視為一種有“感知、思維和行動”的機器,那么,敏捷生產(chǎn)設(shè)備就應(yīng)當(dāng)是新一代機器人化的機器。這將為工業(yè)機器人的發(fā)展提出更高的要求。這要求著工業(yè)機器人朝著以下幾種方式發(fā)展。 朝著標(biāo)準化方向發(fā)展 提高運動速度和運動精度,減輕重量和減少安裝占用空間,必將導(dǎo)致工業(yè)機器人功能部件的標(biāo)準化和模塊組合化(它可以分為機械模塊、信息檢測模塊、和控制模塊等) ,降低制造成本和提高可靠性。近年來,世界各國注意發(fā)展組合式機器人。它是采用標(biāo)準化的組合件拼裝而成的。目前,國外已經(jīng)研制和生產(chǎn)了各種不同的標(biāo)準組件。除了機器人用的各種伺服電機、傳感器外,手臂、手腕和機身的結(jié)構(gòu)也已經(jīng)標(biāo)準化了,如臂伸縮軸、臂升降軸、臂俯仰軸、臂擺動軸;轉(zhuǎn)軸、擺動軸、固定臺身、機座、移動軸。 研究新型機器人結(jié)構(gòu)? 隨著工業(yè)機器人作業(yè)精度的提高和作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化,應(yīng)開發(fā)新型微動機構(gòu)保證動作;開發(fā)多關(guān)節(jié)、多自由度的手臂和手指,研制新型的行走機構(gòu)等以適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。 朝著智能化方向發(fā)展 在多品種,小批量生產(chǎn)的柔性制造自動化技術(shù)中,特別是機器人自動裝配技術(shù)中,工業(yè)機器人對外部環(huán)境和對象物體有自適應(yīng)能力,即具有一定的“智能”,是指機器人具有感覺、知覺等,即有很強的檢測功能和判斷功能。為此,必須開發(fā)類似人類感覺器官的傳感器(如觸覺傳感器、視覺傳感器、測距傳感器等) ,發(fā)展多傳感器的信息融合技術(shù)。通過各種傳感器得到關(guān)于工作對象和外部環(huán)境的信息,以及信息庫中存儲的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗、規(guī)劃的資料,以完成模式識別，用“專家系統(tǒng)”等智能系統(tǒng)進行問題求解,動作規(guī)劃。 研究機器人協(xié)作控制 先進制造技術(shù)的發(fā)展對協(xié)作機器人學(xué)的研究與發(fā)展起著積極的促進作用。隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)機器人已從當(dāng)初的柔性上、下料裝置正在成為高度柔性、高效率和可重組的裝配、制造和加工系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備。在這樣的生產(chǎn)線上,機器人是作為一個群體工作的,不論每個機器人在生產(chǎn)線上起什么作用,它總是作為系統(tǒng)中的一員而存的,要從組成敏捷制造生產(chǎn)系統(tǒng)的觀點出發(fā)，來研究工業(yè)機器人的進一步發(fā)展。而面向先進制造環(huán)境的機器人柔性裝配系統(tǒng)和機器人加工系統(tǒng)中,不僅有多機器人的集成,還有機器人與生產(chǎn)線、周邊設(shè)備、生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及人的集成。因此,以系統(tǒng)的觀點來發(fā)展新的機器人控制系統(tǒng)，有大量的理論與實踐的工作要做。 主要的研究內(nèi)容 此次主要研究國內(nèi)外機械手發(fā)展現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機器手的工作原理，熟悉搬運機械手的運動機型。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運機械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機械手的運動進行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機械手機械方面設(shè)計（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）和機器人的控制系統(tǒng) 2 機器人的控制 2.1、PLC的原理 PLC就相當(dāng)于機器的大腦，我們編的程序就相當(dāng)于人所撐握的知識與規(guī)則。機器就相當(dāng)于人的軀體，用來執(zhí)行PLC的各種動作。電，氣，液等就相當(dāng)于人的肌肉與神經(jīng)，PLC發(fā)出指令，通過電，氣，液等將能量傳給機器，機器就執(zhí)行。傳感器將外界情況反饋給PLC,就相當(dāng)于人的眼，鼻等，將外界事物反饋給大腦。也就是說拿一個人或者動物來打比方，PLC就是大腦，PLC跟機器的結(jié)合就相當(dāng)于人的大腦跟軀體的結(jié)合，,只是人的大腦里面的程序比PLC要復(fù)雜得多，但是人的大腦的靈敏度及準確性不及PLC。 可編程控制器( PLC) 自動控制裝置,是一種嵌入式的工控機,它以順序控制為主，調(diào)節(jié)為輔，能完成邏輯判斷、定時、計數(shù)記憶和算術(shù)運算等功能。既能進行開關(guān)量控制， 又能進行模擬量控制，還具有通信功能。在單臺設(shè)備自動化、多臺設(shè)備自動化和整個工廠的生產(chǎn)過程中，PLC 發(fā)揮著重要作用。 2.2、PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢 1可靠性高，抗干擾能力強 2配套齊全，功能完善，適用性強 3易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 4系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造 5體積小，重量輕，能耗低 3研究方法，手段和步驟 1、研究機械手的機構(gòu) 2、機械手的驅(qū)動，傳動方式的選擇 3、控制系統(tǒng)模式的選擇 4、控制系統(tǒng)軟件的選擇和操作 5、編寫PLC控制程序，要求仿真演示 5、誤差和性能提升的分析 3 目 錄 內(nèi)容摘要 I Absract II 第1章 導(dǎo)言 1 1.1 課題的研究背景與意義 1 1.2 國內(nèi)機器人發(fā)展?fàn)顩r和趨勢 1 1.3本文的主要工作 3 第2章 可編程控制器簡介 5 2.1 PLC 的基本結(jié)構(gòu) 5 2.2 PLC的特點及應(yīng)用 6 2.3三菱 FX2N 系列可編程控制器介紹 8 2.4 PLC系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟 9 2.5 PLC的工作原理 9 第3章 教學(xué)型機械手系統(tǒng)介紹 11 3.1教學(xué)型機械手系統(tǒng)的組成 11 3.2教學(xué)型機械手的工藝流程和技術(shù)參數(shù) 12 3.3教學(xué)型機械手系統(tǒng)的自由度和坐標(biāo)形式 12 3.4教學(xué)型機械手系統(tǒng)的驅(qū)動方式 13 3.5教學(xué)型機械手傳動方案的對比分析及選擇 14 3.6教學(xué)型機械手傳感器的選擇 15 第4章 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 17 4.1 PLC 控制系統(tǒng)方案 17 4.2 PLC選型 18 4.3控制要求 18 第5章 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 20 5.1系統(tǒng)資源分配 20 5.2程序的流程圖 22 5.3程序部分功能說明和梯形圖 22 5.4程序調(diào)試 25 第6章 設(shè)計小結(jié) 26 參考文獻 27 附錄：開題報告 28 致謝 31 1 導(dǎo)言 1.1 課題的研究背景與意義 在國家“十一五”規(guī)劃的指導(dǎo)下，我國機器人研究與應(yīng)用已經(jīng)取得重大進展。21世紀，制造業(yè)將進入一個嶄新的階段，各種自動化裝備、智能機器特別是機器人將在采掘、建筑、醫(yī)療、交通運輸、軍事、空間及海洋探索等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。世界各國普遍在學(xué)校中開設(shè)了機器人技術(shù)的相關(guān)課程。為了培養(yǎng)開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、維護方面的人才，我國在職業(yè)類學(xué)校也開設(shè)了機器人相關(guān)課程。教學(xué)型機械手就是針對教學(xué)所研制的典型機器人設(shè)備，其有兩個方面的要求：首先在硬件方面要求能讓學(xué)生自己組裝該設(shè)備，能正確連接電路與氣路，所以涉及的知識面要適合職業(yè)類學(xué)生；其次在軟件方面要能分模塊，分塊學(xué)習(xí)更容易接受，學(xué)后能按照要求編寫控制程序。教學(xué)型機械手的研制能使學(xué)生比較全面、綜合地了解現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計，是機械、電子、傳感器、計算機、人機交互等諸多領(lǐng)域的先進技術(shù)，并親身接觸和體驗現(xiàn)代高科技。在學(xué)生獲得科技知識和實踐能力的同時，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識和潛能，具有十分重要的現(xiàn)實意義[1]。 1.2 國內(nèi)機器人發(fā)展?fàn)顩r和趨勢 國內(nèi)開始機器人的研究，在 20 世紀 70 年代后期，當(dāng)時我們國家在北京舉辦了一個日本的工業(yè)自動化產(chǎn)品展覽會，在這個會上有兩個產(chǎn)品，一個是數(shù)控機床，一個是工業(yè)機器人，那個時候，我們國家的許多學(xué)者，看到了這樣一個方向，開始進行了機器人的研究，但是那時候研究，基本上還局限于理論的探討階段。真正進行機器人的研究是在七五、八五、九五、十五將近這二十年的發(fā)展，發(fā)展最迅速的時候，是在1986 年我們國家成立了 863 計劃，在這個高技術(shù)發(fā)展計劃中，將機器人技術(shù)作為一個重要的發(fā)展的主題，國家投入將近幾個億的資金開始進行了機器人研究，使得我們國家在機器人這一領(lǐng)域得到飛快的、迅速的發(fā)展。 目前我們國家比較有代表性的研究，有工業(yè)機器人，水下機器人，空間機器人，核工業(yè)機器人，都在國際上處于領(lǐng)先水平，總體上我們國家與發(fā)達國家相比，雖然還存在很大的差距，但是在上述這些水下、空間、核工業(yè)的特殊機器人方面，我們還是取得了很多有特色的研究成就。 現(xiàn)在機器人技術(shù)正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，我們從廣泛意義上理解所謂的智能機器人，它給人的最深刻的印象是一個具有獨特的、進行自我控制的“活物”。其實，這個自控“活物”的主要器官并沒有像真正的人那樣微妙而復(fù)雜。智能機器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感受器外，它還有效應(yīng)器，作為作用于周圍環(huán)境的手段。比如筋肉，或稱自整步電動機，它們使手、腳長鼻子、觸角等動起來。智能機器人能夠理解人類語言，用人類語言同操作者對話，在它自身的“意識”中單獨形成了一種使它得以“生存”的外界環(huán)境——實際情況的詳盡模式。 目前，人工智能的推理功能已獲突破，學(xué)習(xí)及聯(lián)想功能正在研究之中，下一步就是模仿人類右腦的模糊處理功能和整個大腦的并行化處理功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是未來人工智能應(yīng)用的新領(lǐng)域，未來智能計算機的構(gòu)成，可能就是作為主機的馮·諾依曼型機與作為智能外圍的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。人工智能一直處于計算機技術(shù)的前沿，人工智能研究的理論和發(fā)現(xiàn)在很大程度上將決定計算機技術(shù)的發(fā)展方向。 今天，已經(jīng)有很多人工智能研究的成果進入人們的日常生活。將來，人工智能技術(shù)的發(fā)展將會給人們的生活、工作和教育等帶來更大的影響。正是因為人們在認識自然改造自然過程中，需要各種各樣的機器人，所以才促進了各項關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，促進了機器人本身問題的發(fā)展，從另一個方面，由于關(guān)鍵技術(shù)的解決，以及應(yīng)用的需求，就促進了機器人學(xué)本身的一個主題的發(fā)展、智能化，由原來的示教再現(xiàn)，發(fā)展成目前局部感知功能的第二代機器人，最終的目標(biāo)，是不斷地隨著其它學(xué)科和先進技術(shù)的發(fā)展，使機器人內(nèi)涵不斷豐富，最終實現(xiàn)智能機器人這樣一個主流。 智能機器人其現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1.機構(gòu)與材料：探索新的高強度輕質(zhì)材料，不斷提高負載／自重比，同時機器人機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 2.機電一體化機器人：研究人機耦合系統(tǒng)與復(fù)雜生物機電系統(tǒng)建模方法，探索生物信息的編碼機理和解碼機制，以及多源生物信息的融合與理解機制等。 3.多傳感系統(tǒng)和控制技術(shù)：非線性及非平穩(wěn)非正態(tài)分布的情形下有效可行的多傳感器融合算法，機器人的控制器的標(biāo)準化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于 PC 機網(wǎng)絡(luò)式控制器的研究；研究基于智能材料和仿生原理的高功率密度驅(qū)動器技術(shù)，研究仿生感知、控制機制與生物神經(jīng)系統(tǒng)建型理論與方法。 4.網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)化使機器人由個體系統(tǒng)向群體系統(tǒng)發(fā)展，使遠距離操作監(jiān)控、維護及遙控的智能型工廠成為可能。 5.機器人靈巧化和智能化發(fā)展：機器人結(jié)構(gòu)越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。 6.醫(yī)療機器人和康復(fù)機器人：醫(yī)療機器人是近年來發(fā)展比較迅速的一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，借助醫(yī)療機器人可降低醫(yī)生手術(shù)疲勞度，還可提高操作的精度?？祻?fù)機器人可對各種神經(jīng)損傷患者進行定量化的主被動康復(fù)治療，使患者的運動機能和生活自理能力得到增強和恢復(fù)。 20 世紀 80 年代以來，機器人技術(shù)不斷進步，其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達國家均把機器人技術(shù)的開發(fā)和研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計劃。世界各國普遍在高等院校為大學(xué)本科生及研究生開設(shè)機器人技術(shù)的有關(guān)課程。 1.3 本文的主要工作 教學(xué)型機械手配置了實際生產(chǎn)過程中典型的皮帶輸送機、機械手和圓盤，綜合了光電控制、氣動控制、PLC 控制、變頻器控制等技術(shù)，承載了真實的生產(chǎn)功能。該機械手能實現(xiàn)抓取工件，搬運工件和旋轉(zhuǎn)工件來完成工件的組裝。本文主要研究了教學(xué)型機械手 PLC 控制系統(tǒng)。該設(shè)計能讓學(xué)生更好的接觸實際工作的整體設(shè)備，能更快的掌握類似控制系統(tǒng)的組裝、功能修改、調(diào)試和維修。 全文共分六章，主要研究工作及章節(jié)安排如下： 第一章 概述，討論了本課題的研究背景、國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢、介紹了本課題所要做的工作。 第二章 可編程控制器簡介，介紹了可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域及三菱 FX2N 系列可編程控制器的介紹。 第三章 教學(xué)型機器手的系統(tǒng)介紹，著重介紹了教學(xué)型機械手整個系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的組成、工藝流程和技術(shù)參數(shù)、系統(tǒng)自由度和坐標(biāo)形式、系統(tǒng)的驅(qū)動方式及機械手傳動方案的對比分析及選擇。 第四章 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計，介紹了 PLC 控制系統(tǒng)方案、PLC 選型及控制要求。 第五章 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，介紹了程序流程圖、構(gòu)成和相關(guān)設(shè)置、程序部分功能說明和梯形圖、PLC 通信及界面設(shè)計。 第六章 總結(jié)和展望，對本課題研究的工作做了總結(jié)以及今后針對該系統(tǒng)的研究。  2 可編程控制器簡介 可編程控制器簡稱 PC（Programmable Controller），它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器 PMC（Programmable Matrix Controller）、可編程序順序控制器 PSC（Programmable Sequence Controller）、可編程序邏輯控制器 PLC（Programmable Logic Controller）和可編程序控制器 PC 幾個不同時期。為與個人計算機（PC）相區(qū)別，現(xiàn)在仍然沿用 PLC 這個老名字。PLC 是在繼電器控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以微處理器為核心，將自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)融為一體而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。由于 PLC 采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性[2]。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。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(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)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計[3]。 2.1 PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 主要有 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器等模塊組成，模塊式結(jié)構(gòu)框圖見圖 2-1。PLC 的特殊功能模塊用來完成某些特殊的任務(wù)。 圖2-1結(jié)構(gòu)框圖 1. CPU 模塊(中央處理器) CPU 模塊是 PLC 的核心部分[4]。在 CPU 控制系統(tǒng)中，CPU 模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲器用來儲存程序和數(shù)據(jù)。 2.I/O模塊 輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡稱為 I/O 模塊，它們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場設(shè)備和 CPU 模塊的橋梁。 輸入模塊用來收集和采集輸入信號，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、繼電器等開關(guān)量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓。開關(guān)量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設(shè)備模擬量輸出模塊用來控制調(diào)節(jié)閥變頻器等執(zhí)行裝置。 CPU 模塊的工作電壓一般是 5V，而 PLC 的輸入/輸出信號電壓較高，例如 DC 24V和 AC 220V。從外部引入的尖鋒電壓和干擾噪聲可能會損壞 CPU 模塊中的元器件，或使 PLC 不能正常工作。在 I/O 摸塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離內(nèi)部電路和外部的 I/O 電路。I/O 模塊除了傳遞信號外還有電平轉(zhuǎn)換和隔離的作用。 3.編程器 編程器用來生成用戶程序，并用它進行編輯、檢查、修改和監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。 使用編程軟件可以在計算機的屏幕上直接生成和編輯體形圖或指令表程序，并可以實現(xiàn)不同語言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到 PLC，也可以將 PLC 中的程序上傳到計算機。程序可存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)還可以實現(xiàn)遠程編輯和傳送。 4.電源 PLC 一般使用 AC 220V 和 DC 24V 電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供 DC 5V、DC 12V 和 DC 24V 等電源。小型 PLC 可以為輸入電路和外部電子傳感器提供 DC 24V電源，驅(qū)動 PLC 負載的直流電源一般由用戶提供。 2.2 PLC的特點及應(yīng)用 PLC是實現(xiàn)工業(yè)自動化控制的重要支柱之一，其主要特點為： 1.可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無故障時間高達 30 萬小時。一些使用冗余 CPU的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。從 PLC 的機外電路來說，使用 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，故障也就大大降低。此外，PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性了。 2．配套齊全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(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)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信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)變得非常容易。 3．易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(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。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)控制打開了方便之門。 4．系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 5．體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于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。 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)，使用情況主要分為如下幾類： 1）開關(guān)量邏輯控制 取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 2）工業(yè)過程控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量（即模擬量），PLC 采用相應(yīng)的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 3）運動控制 PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控制。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，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 4）數(shù)據(jù)處理 PLC 具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、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。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 5）通信及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)在的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 2.3 三菱 FX2N 系列可編程控制器介紹[5] FX2N 系列 PLC 是三菱推出的端子排型高性能標(biāo)準規(guī)格機器,具有高速、高功能等基本性能，適用于從普通順控開始的廣泛領(lǐng)域，并具有適用于各種各樣領(lǐng)域的充實的擴展設(shè)備，包括數(shù)字量輸入輸出擴展、模擬量輸入輸出擴展、溫度控制、脈沖定位控制、高速計數(shù)控制、通信控制、現(xiàn)場總線控制、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。 它的主要性能如下： 1. 控制規(guī)模：16～256 點。 2. 內(nèi)置 8K 容量的 EEPROM 存儲器,最大可以擴展到 16K 3. CPU 運算處理速度 0.55～0.7μS/基本指令。 4. 在 FX2N 系列右側(cè)可連接輸入輸出擴展模塊和特殊功能模塊。 5. 可以連接模擬量、定位、通信、網(wǎng)絡(luò)等各種特殊擴展設(shè)備。 6. 輔助繼電器：3072 點，定時器：256 點，計數(shù)器：235 點，數(shù)據(jù)寄存器：8000點。 7. 基本單元：16/32/48/64/80/128 點，有繼電器輸出型和晶體管輸出型。 2.4 PLC系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟[6] PLC系統(tǒng)設(shè)計主要根據(jù)生產(chǎn)的工藝過程分析控制要求，如完成的動作和操作方式。 根據(jù)控制要求確定所需要的IO設(shè)備，確定PLC的IO點數(shù)。然后再根據(jù)設(shè)計IO點數(shù)和控制系統(tǒng)的要求Ｗ及還要考慮其他的外圍設(shè)備進斤PLC的選型。根據(jù)設(shè)汁系統(tǒng)確定各個IO的名稱，并分配PLC的IO地址，然后再設(shè)計系統(tǒng)的IO連接圖。最后綜合考慮PLC所要完成的任務(wù)完成控制程序的設(shè)計 2.5 PLC的工作原理[7] 運行時是以“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。也就是說，在工作時，實行的是一種順序的掃描，按照操作者通過編輯器輸入的指令依次執(zhí)行，如果執(zhí)行中遇到跳轉(zhuǎn)指令，則按指令要求跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)單元，否則處理器將從第一條指令開始順序的執(zhí)行用戶程序，執(zhí)行到最后一條，完成一次掃描，接著又自動返回到第一條指令，開始新一周期的掃描，在完成順序掃描的同時，還要處理輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等任務(wù)。如圖2-2所示。 圖2-2 PLC工作原理 需要注意的是，雖然在梯形圖中經(jīng)常看到有些繼電器或者計時器與計數(shù)器等名稱，但是不是真正的擁有它，或者說真的有繼電器或者計時器與計數(shù)器，它們只是為了完成某些功能而虛擬假設(shè)的，這樣可以大大縮小了硬件空間。事實上在執(zhí)行階梯圖程式時的運作方式首先是釆用逐行掃描的方式把階梯圖的程式碼讀入到中，最后再執(zhí)行控制動作。在系統(tǒng)完成一個掃描周期的過程中，主要進行了三項工作，“輸入采樣階段”、“程式執(zhí)行階段”和“刷新輸出階段”，  3 教學(xué)型機械手系統(tǒng)介紹 3.1 教學(xué)型機械手系統(tǒng)的組成 教學(xué)型機械手系統(tǒng)主要由水平皮帶輸送機，變頻器、垂直固定于機架上的機械手和個人電腦構(gòu)成。 1．個人電腦選用通信接口為 RS-232C 規(guī)格的計算機，用于寫入 PLC 程序，針對不同的需要編寫程序。 2．PLC 選用三菱 FX2N-32MT 系列。可編程控制器的輸出，輸入及電源的接線端都引出到模塊的面板插孔上，這樣可以方便學(xué)生接線。PLC 根據(jù)傳感器傳遞來的信息和輸入的程序來控制機械手和其他的氣動控制。 機械手硬件按其功能分析可分為底座、立柱、懸臂、手抓，其中能控制的包括立柱、懸臂、和氣抓三個部件[8]。如圖3-1所示 圖3-1 部件展示 3.2 教學(xué)型機械手的工藝流程和技術(shù)參數(shù) 機械手工作時，首先由 PLC 發(fā)出電控制信號給電磁閥；電磁閥動作輸出氣信號到 氣控閥；氣控閥接到信號后，將動力輸給氣缸；氣缸運動，運動到指定行程時，觸及機械閥；機械閥將氣信號傳到氣電繼電器；氣電繼電器將電信號傳至機械手控制系統(tǒng)；PLC 根據(jù)氣缸到位情況，按程序執(zhí)行下一步動作。系統(tǒng)工作原理框圖如圖3-2所示[9]。 圖3-2 系統(tǒng)工作原理 根據(jù)其用途和特點，其技術(shù)參數(shù)如表3-1所示： 表3-1技術(shù)參數(shù) 技術(shù)參數(shù) 數(shù)據(jù) 自由度數(shù)目 2 定位精度 1mm 負載能力 1kg 幾何尺寸 400mm*300mm*350mm 運動范圍手臂伸縮 100mm 手臂升降 200mm 本體重量 10kg 3.3 教學(xué)型機械手系統(tǒng)的自由度和坐標(biāo)形式 針對本系統(tǒng)中機械手的任務(wù)要求，為了使它具有一定的操作靈活性、較好的使用性和普及型，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用圓柱坐標(biāo)型。自由度是指機械手所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目，其中不包括手爪（末端操作器）的開合自由度，手指的開合所具有的自由度不包含在內(nèi)，因為這個自由度僅用于抓取工具，而對于工具的定位和定向不起作用。該教學(xué)機械手系統(tǒng)設(shè)計為四個自由度，分別為立柱回轉(zhuǎn)（周向），手臂升降運動（軸向），手臂伸縮運動（徑向）和手爪的旋轉(zhuǎn)（周向）。 由各關(guān)節(jié)按不同的配置方法可組合成結(jié)構(gòu)類型各異的機械手，其坐標(biāo)形式也各不相同，最常見的機械手結(jié)構(gòu)類型主要有下列幾種： 1．直角坐標(biāo)型：通過沿 x－y－z 三個互相垂直的直角坐標(biāo)的移動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變。特點是定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，三個關(guān)節(jié)運動相互獨立，其間沒有耦合，但是這種形式機械手占地面積大，操作靈活性差。 2．球坐標(biāo)型：由二個回轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)和一個直線移動關(guān)節(jié)分別作為方向旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和徑向直線運動關(guān)節(jié)組合而成。特點是占地面積小，工作空間較大，但是移動關(guān)節(jié)不易防護。 3．多關(guān)節(jié)型：這類機械手由兩個肩關(guān)節(jié)和一個肘關(guān)節(jié)進行定位，由兩個或三個腕關(guān)節(jié)定向。其中一個肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰，這兩個肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線。這種結(jié)構(gòu)動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 4．圓柱坐標(biāo)型：由一個升降直線運動關(guān)節(jié)，一個圓周旋轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)和一個水平直線運動關(guān)節(jié)組合而成。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是動作過程中負荷變動少，容易控制，缺點是動作區(qū)域狹窄。教學(xué)型機械手由兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，一個軸向移動關(guān)節(jié)和一個徑向關(guān)節(jié)組成?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動；軸向移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運動；徑向移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)進出運動。特點是結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快。最適用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業(yè)。針對本系統(tǒng)中機械手的任務(wù)要求，為了使它具有一定的操作靈活性、較好的使用性和普及型，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用圓柱坐標(biāo)型。 3.4 教學(xué)型機械手系統(tǒng)的驅(qū)動方式 通常，機械手的驅(qū)動方式有以下幾類[10]： 1．氣壓驅(qū)動使用壓力通常在 0.4～0.6Mpa，最高可達1Mpa。氣壓驅(qū)動主要優(yōu)點是氣源方便（一般工廠都由壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣），驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點是裝置體積大，氣源裝置存在噪聲問題，定位精度也不高 2．液壓驅(qū)動系統(tǒng)的功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，同時液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速；缺點是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。液壓驅(qū)動多用于要求輸出力較大，運動速度較低的場合。 3．電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動負載，以獲得要求的機器人運動。由于具有易于控制、運動精度高、使用方便、成本低廉、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電氣驅(qū)動是最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。 綜合各種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，主要考慮成本及學(xué)校設(shè)施相對簡陋的基礎(chǔ)上，最后采用結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的氣壓驅(qū)動。 電動機根據(jù)輸出形式分，可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。電動機在機械手中應(yīng)用時，要關(guān)注電動機的如下基本性能： 1．能實現(xiàn)啟動、停止、連續(xù)的正反轉(zhuǎn)運行，且具有良好的響應(yīng)特性； 2．正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時的特性相同，且運行特性穩(wěn)定； 3．維護容易，而且不用保養(yǎng)； 4．具有良好的抗干擾能力，且相對于輸出來說，體積小，重量輕。 在機械手中，采用比較多的是直流電動機。因為它可以達到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反兩個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動平滑。因此，機械手的旋轉(zhuǎn)、升降和伸縮部分及控制手爪的開合都采用直流電動機。 3.5 教學(xué)型機械手傳動方案的對比分析及選擇 傳動裝置的作用是將驅(qū)動元件的動力傳遞給機械手的執(zhí)行部件，以實現(xiàn)各種預(yù)定的運動。目前常用的傳動方式有：皮帶輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、行星齒輪傳動、諧波減速傳動以及螺旋傳動等。諧波齒輪傳動具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、能獲得大的傳動比等優(yōu)點，但存在扭轉(zhuǎn)剛度較低且傳動比不能太小的缺點。行星齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的優(yōu)點，是用于中等減速比傳動，但存在齒輪間隙，難以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)過程中精確位置要求，因此限制了它的廣泛應(yīng)用。蝸輪蝸桿機構(gòu)常用于要求有大的傳動比且傳動過程中要求機構(gòu)自鎖的場合，這種方式安全性能高，但同樣存在齒側(cè)間隙，而且效率較低。皮帶輪傳動可以實現(xiàn)過載保護，可是存在彈性滑動，和鏈傳動一樣使用一段時間后易松弛，傳動運轉(zhuǎn)過程中還產(chǎn)生動載荷，因此常用于傳動精度要求不高的場合。螺旋傳動也是將回轉(zhuǎn)運動變換為直線運動的重要傳動方式，有滑動螺旋傳動和滾動螺旋傳動。滑動螺旋傳動是連續(xù)的面接觸，傳動中不會產(chǎn)生沖擊，傳動平穩(wěn)、無噪聲、并且能夠自鎖，且絲杠的螺旋升角較小，所以用較小的驅(qū)動力矩就可以獲得較大的牽引力。滾珠絲杠附屬于滾動螺旋傳動，傳動具有傳動效率高、摩擦阻力小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)且能夠有效消除傳動間隙的優(yōu)點，但是價格較高，因此滾珠絲杠螺母被廣泛應(yīng)用于要求較高的數(shù)控傳動系統(tǒng)中。經(jīng)過考慮，初步對各個關(guān)節(jié)進行設(shè)計。 1、手臂升降關(guān)節(jié) 機械手腰部回轉(zhuǎn)運動，選用蝸桿傳動，其結(jié)構(gòu)緊湊，可以實現(xiàn)大的傳動比?？紤]到安裝的位置要求電動機的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速先經(jīng)過一對直齒圓柱齒輪減速，然后再經(jīng)過蝸輪蝸桿傳動，蝸桿為主動件正向運行時不會發(fā)生自鎖，只是效率相對來說有所降低。 2、懸臂伸縮關(guān)節(jié) 機械手精度要求不是很高，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上應(yīng)考慮到經(jīng)濟性要求。因此，機械手水平手臂伸縮移動機構(gòu)選用滑動螺旋傳動，由一對絲杠螺母副將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為水平手臂的直線移動。 3、手抓抓放關(guān)節(jié) 機械手垂直手臂的升降關(guān)節(jié)，如手臂伸縮關(guān)節(jié)傳動方法一樣，使用絲杠螺母副將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為手臂的升降移動。 3.6 教學(xué)型機械手傳感器的選擇 傳感器是將機電一體化系統(tǒng)中被檢測對象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘柕囊环N變換器。它主要用于檢測機電一體化系統(tǒng)自身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制機電一體化系統(tǒng)的動作提供信息。 教學(xué)型機械手系統(tǒng)對檢測傳感器的基本要求：1）體積小、重量輕、對整機的適應(yīng)性好；2）精度和靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高；3）安全可靠、壽命長；4）便于與計算機連接；5）不易受被測對象（如電阻、導(dǎo)磁率）的影響，也不影響外部環(huán)境；6）對環(huán)境條件適應(yīng)能力強；7）現(xiàn)場處理簡單、操作性能好；8）價格便宜。 傳感器的種類繁多，按輸出信號的性質(zhì)可將傳感器分為開關(guān)型、模擬型和數(shù)字型。開關(guān)型傳感器分為接觸型和非接觸型。模擬型傳感器分為電阻型，電壓、電流型、電感及電容型。數(shù)字型可分為計數(shù)型和代碼型。開關(guān)型傳感器的兩種狀態(tài)就是“1”和“0”或開（ON）和關(guān)（OFF）。其工作原理是：傳感器的輸入物理量達到某個值以上，其輸出為“1”（ON 狀態(tài)），在該值以下時，輸出為“0”（OFF 狀態(tài)），其臨近值就是開、關(guān)的設(shè)定值。這種“1”和“0”數(shù)字信號可直接傳送到 PLC 進行處理，使用方便。 開關(guān)型傳感器，主要用作位置開關(guān)使用。例如，手臂旋轉(zhuǎn)的左限位還是右限位，懸臂的伸縮的上限位還是下限位均使用這種開關(guān)型傳感器進行檢測；以及機械手的手抓旋轉(zhuǎn)的左限位置還是右限位置，也用這種傳感器來傳遞信息，使用非常方便。根據(jù)該系統(tǒng)的特性，我們選用了多個光電傳感器、電感傳感器和光纖傳感器，光電傳感器用于檢測工件的到位檢測；電感傳感器用于金屬的識別；光纖傳感器用于工件的識別。 傳感器的電路連接。傳感器選用的是直流三線制傳感器，有棕色、藍色和黑線三根連接線，其中棕色接 PLC 的 24V 的正極，藍色接電源的負極，黑色是信號線接 PLC的輸入端。  4 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 4.1 PLC 控制系統(tǒng)方案 結(jié)合現(xiàn)在生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用環(huán)境，在機器人系統(tǒng)的特點的基礎(chǔ)上，提出了基于 PLC的機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，如圖4-1所示。從系統(tǒng)總體的角度而言，它包括硬件和軟件兩大部分。硬件設(shè)計過程中經(jīng)過分析，機械手控制系統(tǒng)以開關(guān)量為主。個人電腦作為上位機，組成 PLC——PC 兩級控制系統(tǒng)。上位機的任務(wù)是對現(xiàn)場采集來的信號進行顯示、處理和動態(tài)監(jiān)視。PLC 根據(jù)輸入端口傳感器發(fā)送來的機械手的運行情況，按照預(yù)先根據(jù)控制規(guī)律設(shè)計的控制程序，自動地進行信息處理、分析和計算，做出應(yīng)的控制決策，并通過輸出端口向機械手發(fā)出控制命令。 圖4-1 控制方案 由 PLC 與個人電腦來實現(xiàn)教學(xué)型機器人系統(tǒng)的自動控制。PLC 具有很高的穩(wěn)定性與可靠性且抗干擾能力較強，很適合現(xiàn)場控制，但沒有一個很好的人機交互界面；而采用個人電腦控制具有很高的靈活性和方便性。 PLC 作為下位機連接機器人設(shè)備，完成工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集和分站控制、狀態(tài)判別、本地報警控制。 上位機采用個人電腦，以三菱公司的 MELSOFT 系列 GX Developer 編程軟件設(shè)計實時監(jiān)控界面，實現(xiàn)狀態(tài)顯示、系統(tǒng)設(shè)置、模式選擇、參數(shù)設(shè)置、故障記錄、負荷記錄、時間日期、實時數(shù)據(jù)顯示與報表統(tǒng)計等功能，操作界面直觀友好。另外它與打印機、UPS 等其它輸入輸出設(shè)備相連。 在個人電腦與 PLC 的集成控制系統(tǒng)中，如何實現(xiàn)工控機與 PLC 的數(shù)據(jù)交換非常重要。一般有兩種方法：利用串口通信或通過 I/O 卡實現(xiàn)。考慮到數(shù)據(jù)的實時性和可靠性，本系統(tǒng)采用的是串口通信方式。通信接口均為 PLC 與個人電腦上的 RS232 接口。 4.2 PLC選型 PLC選用了日本三菱電機生產(chǎn)的 FX2N-32MT系列可編程控制器，它是整體式小型PLC，內(nèi)部電源為直流 24V，輸入點 16個、輸出點16個。將它安裝在一塊模塊上，PLC 的輸出、輸入及電源的接線端都引出到模塊的面板插孔上。 1、本系統(tǒng)中控制對象的 I/O 點數(shù)如下： 限位開關(guān)4個：開關(guān)量輸入4個； 電流、急停、停止、啟動：4個開關(guān)量輸出； 控制按鈕6個：開關(guān)輸入6個； 電流、原位：2個顯示輸出； 功能輸出：6個輸出； 總計：開關(guān)量輸入14個，開關(guān)量輸出 8個。 系統(tǒng)中沒有模擬量，因此不需要選擇模擬量單元。同時本控制系統(tǒng)為小型控制系統(tǒng)，采用整體型 PLC 即可[]。本系統(tǒng)采用日本三菱公司生產(chǎn)的 FX2N-48MR 系列 PLC，該 PLC 是近年來該公司推出的高性能小型可編程控制器，它有靈活多變的系統(tǒng)配置，還有許多特殊功能模塊可以選用，功能強大，使用方便。它有 24 點開關(guān)量輸入和 24 點開關(guān)量輸出，滿足 I/O 點數(shù)要求。它有特殊功能模塊和功能擴展板，如模擬量輸入/輸出模塊、RS-232/RS-422/RS-485串行通信模塊，具有位置控制和聯(lián)網(wǎng)通信等功能 2、I/O地址分配 由于 CPU 模塊有16點數(shù)字量輸入和16點數(shù)字量輸出，所以不再需要增加輸入/輸出模塊。I/O 分配采用自動分配方式，模塊上的輸入端子對應(yīng)輸入地址是 X000～X018，輸出端子對應(yīng)的輸出地址是 Y000～Y07。 4.3 控制要求 輸入設(shè)備用以產(chǎn)生輸入控制信號，在機械手的控制系統(tǒng)中包括有： （1）操作方式選擇開關(guān)：該開關(guān)有手動、手動自動檔位選擇； （2）機械手操作選擇：有手爪夾緊、放松；手臂伸縮和升降； （3）發(fā)信息開關(guān)：各位置上的限位開關(guān)和光電開關(guān)； （4）另外，還有總停止按鈕，起動按鈕，緊急停車按鈕等。操作方式選擇開關(guān)選用轉(zhuǎn)換開關(guān)，手動操作開關(guān)、啟動和停止這些指令開關(guān)，選教學(xué)型機器人的光電傳感器作為控制按鈕發(fā)出運行命令，給 PLC 發(fā)信息的即傳感器中的限位開關(guān)和光電開關(guān)。  5 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 在進行機械手程序編寫之前，必須要知道機械手的運動流程，流程是根據(jù)系統(tǒng)的功能制定的本系統(tǒng)的機械手以工作臺流水線上的工件為夾取對象，完成夾取和松放的功能。 機械手有兩種工作方式：手動和自動手動。工作方式由M1開關(guān)確定，PLC的輸入點 X012 接通時為“自動手動”功能，如果沒有接通x0012，就是手動功能。如果選擇了“手動”的工作方式，就會通過自己的意愿讓機械手臂做出自己想要的動作，如果選擇了“自動手動”的工作方式，機械手臂就會按照預(yù)定的工作路徑完成相應(yīng)的任務(wù)。 圖5-1兩種工作方式 5.1 系統(tǒng)資源分配 定位功能的系統(tǒng)資源分配 1、定位模式的要求把工件 1 送到工件臺，抓緊-延時1秒，上升到上限位，右行到右限位，松開，延時1秒，左行到左限位，下降到下限位。 2、數(shù)字量輸入/輸出部分 數(shù)字量輸入/輸出地址如表5-1所示。 表5-1輸入輸出 輸入地址 對應(yīng)的輸入設(shè)備 輸出地址 對應(yīng)的輸出設(shè)備 X0 電流 y0 電流 X1 急停 y1 原位 X2 啟動 y2 上升 X3 停止 y3 下降 X4 上升 y4 左行 X5 下降 y5 右行 X6 左行 y6 夾緊 X7 右行 y7 松開 X10 夾緊 X11 松開 X12 自動手動 X13 上限位 X14 下限位 X15 左限位 X16 右限位 X17 X18 3、按照PLC輸入/輸出點，確定了如圖5-2的機械手電氣控制原理圖[11]。 圖5-2 接線圖 5.2 程序的流程圖 圖5-3 流程圖 5.3 程序部分功能說明和梯形圖 1：電源閉合 當(dāng)啟動按鈕按下，而停止按鈕不動的情況下，當(dāng)工件一檢測傳感器檢測到工件一到位，則機械手運行，梯形圖如圖 5-4 所示[12]。 圖5-4 電源閉合梯形圖  2：運行 圖5-5運行梯形圖 3：工作方式的選擇 圖5-6工作方式選擇梯形圖 4：夾緊步驟 圖5-7夾緊步驟梯形圖 5：定時 圖5-8定時梯形圖  6：上升步驟 圖5-9上升步驟梯形圖 7：右行步驟 圖5-10右行步驟梯形圖 8 ：計時、松開、左行步驟 圖5-1計時、松開、左行步驟梯形圖 9：下降步驟 圖5-12 下降步驟梯形圖 10：結(jié)束 圖5-13 結(jié)束步驟梯形圖 5.4 程序調(diào)試 輸入信號調(diào)試：輸入信號調(diào)試前，對信號的供電應(yīng)再一次進行檢查，防止因供電電壓不符造成元件的損壞。對 PLC 的各個開關(guān)量輸入點，用手動的方法使這些輸入點分別動作，觀察相應(yīng)的信號燈是否點亮，如果信號燈不亮，則應(yīng)檢查外部的線路和接線是否良好和正確。 輸出信號調(diào)試：對系統(tǒng)中的 8 個中間繼電器的供電電壓也要進行一次檢查。對PLC 的各個開關(guān)量輸出點，可采用在編程器內(nèi)強制輸出信號的方法，對各開關(guān)量輸出點發(fā)出動作信號，檢查相應(yīng)的輸出信號燈是否點亮或熄滅。此外，應(yīng)對相應(yīng)的輸出設(shè)備狀態(tài)進行檢查，如果某一輸出設(shè)備不動作，則應(yīng)檢查輸出模塊、相應(yīng)的輸出設(shè)備和外部接線。 總調(diào)試和運行調(diào)試：機械手 PLC 控制系統(tǒng)的總調(diào)試在電機和繼電器不供電的情況下進行。根據(jù)程序的執(zhí)行次序先后，分別用手動的方法對各個輸入點進行開閉的動作，檢查程序是否按照控制的要求進行動作，相應(yīng)的輸出信號是否存在，延時的時間是否正確，直到整個程序正確運行。然后按設(shè)計要求進行運行調(diào)試，直到滿足要求為止。  6 設(shè)計小結(jié) 本文對PLC控制的教學(xué)型機械手的控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。以PLC為主控制器實現(xiàn)了機械手的自動化操作?；灸軌蛘故緳C械手臂的運動軌跡。 在本設(shè)計中，主要進行了如下工作： （1）收集資料，找到專業(yè)的書籍和有所借鑒的期刊、論文 （2）在電腦上安裝編寫PLC的軟件進行編輯，測試 我國由制造大國向制造強國邁進，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著機器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大，同時也要求更精良的控制系統(tǒng)。我制作的機械手控制系統(tǒng)能夠在初級展示方面達到預(yù)期的效果，能夠制造成本，達到教學(xué)展示的作用。  參考文獻 [1]徐英．教學(xué)型機械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計[D]．蘇州：蘇州大學(xué)，2010：1-9． [2]向曉漢．三菱FX系列PLC完全精通教程[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：80-86． [3]張豪．三菱PLC應(yīng)用案例解析[M]．北京：中國電力出版社，2012． [4]王阿根．PLC控制程序精編108例[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2015． [5]王莉莉．基于PLC控制的氣動搬運機械手系統(tǒng)設(shè)計[J]．電子科技，2013，（4）：1-3． [6]原慧軍．PLC控制步進電機的程序設(shè)計[J]．機械工程與自動化，2016，（2）：174-175． [7]戴?。诨每刂频奈锝庾詣訖z測與分掠系統(tǒng)設(shè)計[D]．大連：大連理工大學(xué)，2015：20-25． [8]楊海燕．載重升降機控制系統(tǒng)的設(shè)計[D]．山東：山東大學(xué)，2015：20-25． [9] 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臺。隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應(yīng)用范周還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。2005 年，亞洲地區(qū)電子電氣行業(yè)對工業(yè)機器人的需求僅次于汽車及汽車零部件制造業(yè)，其占所有行業(yè)總需求的比例為31%；而在歐洲地區(qū)橡膠及塑料工業(yè)對工業(yè)機器人的需求則遠遠超過電子電氣行業(yè)而排名第二位；美洲地區(qū)由于汽車及汽車零部件制造業(yè)對工業(yè)機器人的需求遙遙領(lǐng)先，所以金屬制品業(yè)(包括機械)、橡膠及塑料工業(yè)以及電子電氣行業(yè)對工業(yè)機器人的需求比例相當(dāng)，均在7% 左右。另外諸如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)維護維修機器人等各種非制造行業(yè)。此外，在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)等領(lǐng)域機器人的應(yīng)用也越來越多，如無人偵察機(飛行器)、警備機器人、醫(yī)療機器人、家政服務(wù)機器人等均有應(yīng)用實例。機器人正在為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。而且，隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩，未來各種專業(yè)服務(wù)機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活，其市場的繁榮興旺將指日可待。 1.2工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢? 新的市場和新的需求為工業(yè)機器人的發(fā)展提供了新的機遇。敏捷制造的基本思想是企業(yè)能迅速將其組織和裝備重組,快速響應(yīng)市場變化,生產(chǎn)出滿足用戶需求的個性化產(chǎn)品。敏捷制造要求企業(yè)底層的生產(chǎn)設(shè)備具有柔性和可動態(tài)重組的能力。機器人是一種具有高度柔性的自動化生產(chǎn)設(shè)備。如果我們站在更高的層次,將機器人視為一種有“感知、思維和行動”的機器,那么,敏捷生產(chǎn)設(shè)備就應(yīng)當(dāng)是新一代機器人化的機器。這將為工業(yè)機器人的發(fā)展提出更高的要求。這要求著工業(yè)機器人朝著以下幾種方式發(fā)展。 朝著標(biāo)準化方向發(fā)展 提高運動速度和運動精度,減輕重量和減少安裝占用空間,必將導(dǎo)致工業(yè)機器人功能部件的標(biāo)準化和模塊組合化(它可以分為機械模塊、信息檢測模塊、和控制模塊等) ,降低制造成本和提高可靠性。近年來,世界各國注意發(fā)展組合式機器人。它是采用標(biāo)準化的組合件拼裝而成的。目前,國外已經(jīng)研制和生產(chǎn)了各種不同的標(biāo)準組件。除了機器人用的各種伺服電機、傳感器外,手臂、手腕和機身的結(jié)構(gòu)也已經(jīng)標(biāo)準化了,如臂伸縮軸、臂升降軸、臂俯仰軸、臂擺動軸;轉(zhuǎn)軸、擺動軸、固定臺身、機座、移動軸。 研究新型機器人結(jié)構(gòu)? 隨著工業(yè)機器人作業(yè)精度的提高和作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化,應(yīng)開發(fā)新型微動機構(gòu)保證動作;開發(fā)多關(guān)節(jié)、多自由度的手臂和手指,研制新型的行走機構(gòu)等以適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。 朝著智能化方向發(fā)展 在多品種,小批量生產(chǎn)的柔性制造自動化技術(shù)中,特別是機器人自動裝配技術(shù)中,工業(yè)機器人對外部環(huán)境和對象物體有自適應(yīng)能力,即具有一定的“智能”,是指機器人具有感覺、知覺等,即有很強的檢測功能和判斷功能。為此,必須開發(fā)類似人類感覺器官的傳感器(如觸覺傳感器、視覺傳感器、測距傳感器等) ,發(fā)展多傳感器的信息融合技術(shù)。通過各種傳感器得到關(guān)于工作對象和外部環(huán)境的信息,以及信息庫中存儲的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗、規(guī)劃的資料,以完成模式識別，用“專家系統(tǒng)”等智能系統(tǒng)進行問題求解,動作規(guī)劃。 研究機器人協(xié)作控制 先進制造技術(shù)的發(fā)展對協(xié)作機器人學(xué)的研究與發(fā)展起著積極的促進作用。隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)機器人已從當(dāng)初的柔性上、下料裝置正在成為高度柔性、高效率和可重組的裝配、制造和加工系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備。在這樣的生產(chǎn)線上,機器人是作為一個群體工作的,不論每個機器人在生產(chǎn)線上起什么作用,它總是作為系統(tǒng)中的一員而存的,要從組成敏捷制造生產(chǎn)系統(tǒng)的觀點出發(fā)，來研究工業(yè)機器人的進一步發(fā)展。而面向先進制造環(huán)境的機器人柔性裝配系統(tǒng)和機器人加工系統(tǒng)中,不僅有多機器人的集成,還有機器人與生產(chǎn)線、周邊設(shè)備、生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及人的集成。因此,以系統(tǒng)的觀點來發(fā)展新的機器人控制系統(tǒng)，有大量的理論與實踐的工作要做。 主要的研究內(nèi)容 此次主要研究國內(nèi)外機械手發(fā)展現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機器手的工作原理，熟悉搬運機械手的運動機型。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運機械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機械手的運動進行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機械手機械方面設(shè)計（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）和機器人的控制系統(tǒng)。 2 機器人的控制 2.1、PLC的原理 PLC就相當(dāng)于機器的大腦，我們編的程序就相當(dāng)于人所撐握的知識與規(guī)則。機器就相當(dāng)于人的軀體，用來執(zhí)行PLC的各種動作。電，氣，液等就相當(dāng)于人的肌肉與神經(jīng)，PLC發(fā)出指令，通過電，氣，液等將能量傳給機器，機器就執(zhí)行。傳感器將外界情況反饋給PLC,就相當(dāng)于人的眼，鼻等，將外界事物反饋給大腦。也就是說拿一個人或者動物來打比方，PLC就是大腦，PLC跟機器的結(jié)合就相當(dāng)于人的大腦跟軀體的結(jié)合，,只是人的大腦里面的程序比PLC要復(fù)雜得多，但是人的大腦的靈敏度及準確性不及PLC。 可編程控制器( PLC) 自動控制裝置,是一種嵌入式的工控機,它以順序控制為主，調(diào)節(jié)為輔，能完成邏輯判斷、定時、計數(shù)記憶和算術(shù)運算等功能。既能進行開關(guān)量控制， 又能進行模擬量控制，還具有通信功能。在單臺設(shè)備自動化、多臺設(shè)備自動化和整個工廠的生產(chǎn)過程中，PLC 發(fā)揮著重要作用。 2.2 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢 1可靠性高，抗干擾能力強 2配套齊全，功能完善，適用性強 3易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 4系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造 5體積小，重量輕，能耗低 3研究方法，手段和步驟 1、研究機械手的機構(gòu) 2、機械手的驅(qū)動，傳動方式的選擇 3、控制系統(tǒng)模式的選擇 4、控制系統(tǒng)軟件的選擇和操作 5、編寫PLC控制程序，要求仿真演示 致謝 我最終還是完成了此篇畢業(yè)論文的撰寫！此時此刻，想要對許多許多的人表示感謝。 首先要對我的導(dǎo)師李連進教授表示謝意。本次畢業(yè)設(shè)計是在指導(dǎo)老師李連進老師的指導(dǎo)下完成的。在選題，方案制定，到說明書撰寫的整個過程李老師都給了我耐心的指導(dǎo)，令我終身難忘，也將使我受益終身。也要感謝本論文中涉及到的各位學(xué)者、老師。本論文參考了你們的研究文獻，你們的文獻給了我很大的啟發(fā)和幫助。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同事、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！