四自由度機械手控制系統(tǒng)設計.doc

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1、前 言可編程控制器是20世紀70年代以來，在集成電路，計算機技術基礎上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設備。由于具有功能強、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點，國外已廣泛應用于自動化控制的各個領域，并已成為現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱產(chǎn)品。近年來，國內在PLC技術與產(chǎn)品開發(fā)應用方面發(fā)展很快，除有許多從國外引進的設備，自動化生產(chǎn)線外，國內的機床設備已越來越多采用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)?。粌r格上能與繼電接觸器控制系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維護、維修；能直接推動電磁閥，接觸器與之相當?shù)膱?zhí)行機構；能向中央執(zhí)行機構；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控制四自由度機械手運行。 工業(yè)機械手是一種模仿人體上肢部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術設備，它可以代替手的繁重勞動，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平。有著廣闊的發(fā)展前途。本課題通PLC自動控制對機械手實現(xiàn)機械手規(guī)定動作并實現(xiàn)回原點、手動方式和自動方式三種工作方式的選擇，并對系統(tǒng)進行運行效率分析。 摘 要隨著工業(yè)機械手的進一步發(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域得到應用。機械手是一種模仿人體上肢運動的機器，它能按照預定要求輸送工種或握持工具進行操作的自動化技術設備，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要作

3、用。因而具有強大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。 工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，提高 勞動生產(chǎn)率和自動化水平。通過對機械制造與自動化大學?？迫甑乃鶎W知識進行整合，對工業(yè)機械手各部分機械結構和功能的論述和分析，確定機械手的工作原理和運動機理。設計了一種四自由度機械手，采用可編程序控制器（PLC）設計其控制系統(tǒng),以提高其工作的穩(wěn)定性能。關鍵詞：機械手 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 本課題設計的背景51.2本課題設計的內容61.3 本課題設計的目的和意義7第二章 PLC的概述82.1 PLC介紹82.2 PLC的構成92.3 PLC 的外部設備102.4 PLC的工作原理102.5 PLC的優(yōu)點12第三章 基于PLC的機械手控制方案的確定133

8、.1 機械手的概述133.2 采用PLC控制機械手的優(yōu)點133.3 機械手設計內容133.4 PLC的選型143.5 三菱FX系列的結構功能16第4章 功能實現(xiàn)與控制方式184.1 機械手模型的機能和特性184.2 夾緊機構184.3 軀干194.4 旋轉編碼盤19第5章 控制系統(tǒng)設計215.1 控制系統(tǒng)硬件設計215.2 PLC梯形圖中的編程元件215.3 PLC的I/O分配225.4 機械手控制系統(tǒng)的外部接線圖235.5 控制系統(tǒng)軟件設計23致 謝36參 考 文 獻37附錄（指令表）38第一章 緒論1.1 本課題設計的背景1969年美隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，工業(yè)自動化技術越來越高，生產(chǎn)工況

9、也有趨于惡劣的態(tài)勢，這對一線工人的操作技能也提出了更高的要求，同時操作工人的工作安全也受到了相應的威脅。工人工作環(huán)境和工作內容也要求理想化簡單化，對于一些往復的工作由機械手遠程控制或自動完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質對人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。在機械制造業(yè)中，機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料以及焊接、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，能應付外界的變化。如果機械手發(fā)生某些偏離時，會引起零部件甚至機械本身的損壞，但若有了傳感反饋自動，機械手就可以根據(jù)反饋自行調整。應用機械手，有利

10、于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。近些年，隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用，機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。借助PLC強大的工業(yè)處理能力，很容易實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動化?；诖怂悸吩O計的機械手，在實現(xiàn)各種要求的工序前提下，大大提高了工業(yè)過程的質量，而且大大解放了生產(chǎn)力，改善了工作環(huán)境，減輕了勞動強度，節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)效率，

11、具有十分重要的意義。美國數(shù)字設備公司（DEC）研制出世界第一臺可編程控制器，并成功地應用在美國（GM）的生產(chǎn)線上。但當時只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC（Programmable Logic Controller）。70年代后期，隨著微電子技術和計算機的迅猛發(fā)展，使PLC從開關量的邏輯控制擴展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制領域，真正成為一種電子計算機工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC（Programmable Controller）。但由于PC易于個人計算機（programmable computer）相混淆，故人們仍習慣地用PLC作為可編程器的縮寫。1985年國際電工委

12、員會（IEC）對PLC的定義如下：可編程控制器是一種進行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應用而設計的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的存儲器，用來在內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程。PLC是繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)學處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢。繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種作用：（1）邏輯運算（2）弱電控制強電。PLC是集自動控制技術、計算機技術和通訊技術于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已躍居工業(yè)自動化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位，可編程控制器，簡稱PLC。它在

13、集成電路，計算機技術的基礎上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設備。具有1.可靠性高、抗干擾能力強 2.設計、安裝容易，維護工作量少 3.功能強、通訊性好 4.開發(fā)周期短、成功率高 5.體積小、重量輕、功耗低等特點。具有功能強、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于自動化控制的各個領域，并已成為現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱產(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)小；價格上能與繼電接觸器控制系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維護、維修；能直接推動電磁閥、接觸器與之相當?shù)膱?zhí)行機構；能向中央執(zhí)行機構；能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。因此，進行機械手

14、的PLC控制系統(tǒng)的設計，可以推動機械手行業(yè)的擴展，擴大PLC在自動控制領域的應用，具有一定的經(jīng)濟和理論研究的價值。1.2本課題設計的內容現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對機械手的控制要求越來越高，若用傳統(tǒng)的繼電器控制方式進行控制，勢必造成控制系統(tǒng)元件多，接線繁雜、穩(wěn)定性差、故障率高，給工業(yè)生產(chǎn)帶來很多不便。針對這些問題此次設計選取性價比高的可編程控制器設計其控制系統(tǒng)。課題以四自由度機械手的控制為研究對象，采取PLC設計其控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機械手規(guī)定動作并實現(xiàn)回原點、手動方式和自動方式三種工作方式的選擇，并對系統(tǒng)進行運行效率分析1.3 本課題設計的目的和意義機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐

15、用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。生產(chǎn)水平及科學技術的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(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，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。 在機械工業(yè)中在機械工業(yè)中，機械手的應用具

16、有以下意義：1.3.1、可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度 應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。 1.3.2、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，用人手直接操作是有危險或根本 不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地 改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，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，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，當然按CPU性能分成若干型號，并按I/O點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式PLC，有CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架。無任哪種結構類型的PLC，都屬于總線式開放型結構，其I/O能力可按用戶需要進行擴展與組合。PLC的基本結構框圖如圖2-1：圖 2-1 PLC基本結構圖2.1 PLC介紹可編程控制器（Programmable Logic Controller)簡稱為PLC，它的應用面廣、功能強大、使用方便，已成為當代工業(yè)自動化的主要控制設備之一，在工

18、業(yè)生產(chǎn)的所有領域得到了廣泛的使用，在其他領域（例如民用和家庭自動化）的應用也得到了迅速的發(fā)展。國際電工委員在1985年的PLC標準草案第3稿中,對PLC作了如下定義:“可序控制器編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。2.2 PLC的構成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P

19、LC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，還有外圍芯片、總線接口及有關電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內存容量等。內存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CP

20、U芯片實際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對CPU內部的詳細分析已無必要，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的對外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點數(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狀態(tài)，輸出點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，有的還為輸入電路提供24V

21、的工作電源。電源以其輸入類型有：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 底板或機架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。2.3 PLC 的外部設備外部設備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類：1編程設備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。2監(jiān)控設備：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)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。3存儲設備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如EPROM、EEPROM寫入器等。4. 輸入輸出設備：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，打印機等。2.4 PLC的工作原理PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。PLC的掃描全過程如圖2-2所示。圖2-2 PLC的掃描全過程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)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關閉輸入端口，轉入程序執(zhí)行階段。2 、程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。3 、輸出刷新階段當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內容，依次送到輸出鎖存電路，并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。顯然掃描周期的長短主要取決與程序的長短。掃描周期越長，響應速度越慢。由于每一個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、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)的響應速度。由此可見，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相應地發(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刷新期間輸出才會發(fā)生變化。這對于一般的開關量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成不利影響，反而可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。這是因為輸入采樣僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大部分時間里實際上是外設隔離的。而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖式的、短時的，由于系統(tǒng)響應較慢，往往要幾個掃描周期才響應一次，而多次掃描后，因瞬間干擾而引起的誤操作將會大大減少，從而提高了系

25、統(tǒng)的抗干擾能力。但是對于控制時間要求較嚴格、響應速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應滯后等不良影響2.5 PLC的優(yōu)點1、靈活性：不同類型的硬件設備采用相同的可編程序控制器，編寫不同應用軟件就可以了，并且可以用一臺可編程控制器控制幾臺操作方式完全不同的設備。2、便于改進與修正：可編程序控制器為改進和修訂原設計提供了極其方便的手段，以前也許要花費幾周的時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)點利用率高：在可編程序控制器中，一個輸入中的開關量或程序中的一個“線圈”可提供用戶所需用的連鎖節(jié)點，即節(jié)點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、計數(shù)器、計時器、順控器的數(shù)量比采用繼電器、計數(shù)器、計時器、順控器等實際元器件要便宜的多。5、模擬調試：可編程序控制能對所空功能在實驗室內進行模擬調試，縮短現(xiàn)場的調試，而古典電器線路是無法在實驗室進行調試的，只能花費現(xiàn)場大量時間。6、能對現(xiàn)場進行微觀調試：在可編程序控制器系統(tǒng)中，操作人員過顯示器觀測到所控每一個節(jié)點的運行情況，隨時監(jiān)測事故發(fā)生點。7、快速動作：傳統(tǒng)繼電器節(jié)點的響應時間一般要幾百毫秒，而可編程序控制器里的節(jié)點反應很快，內部是微秒級的。8、可靠性：可編程序控制器由集成電路元件構成，因此可靠性大大高于機械和電器繼電器。9、系統(tǒng)購置的簡單化：可

27、編程序控制器是一個完整的系統(tǒng)，購置了一臺可編程序控制器，就相當于購買了系統(tǒng)所需要的所有繼電器、計數(shù)器、計時器等器件。10、圖紙簡化：傳統(tǒng)控制電路要靠畫藍圖，而藍圖不能隨著設計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，所以可以滿足所控生產(chǎn)流程頻繁變化的要求。第三章 基于PLC的機械手控制方案的確定3.1 機械手的概述我國國家標準（GB/T 12643-90）對機械手的定義：“具有和人手臂相似的動作功能，能在空間抓放物體，或進行其他操作的機械裝置。”機械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手：它作為整機

28、的附屬部分，動作簡單，工作對象單一，具有固定（有時可調）程序，使用大批量的自動生產(chǎn)。如自動生產(chǎn)線上的上料機械手，自動換刀機械手，焊接機械手等裝置。通用機械手：它是一種具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小自動化生產(chǎn)。它的工作范圍大，定位精度高，通用性強，廣泛應用于柔性自動線。3.2 采用PLC控制機械手的優(yōu)點1.控制方式上看：電器控制硬接線，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，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；

29、而PLC通過半導體來控制，速度很快，無觸點，故而無抖動一說。4.可靠、維護看：電器控制觸電多，會產(chǎn)生機械磨損和電弧燒傷，接線也多，可靠，維護性能差；PLC無觸點，壽命長，且有自我診斷功能，對程序執(zhí)行的監(jiān)控功能，現(xiàn)場調試和維護方便。3.3 機械手設計內容3.3.1.機械手結構示意圖圖3-1機械手示意圖1、手爪張開閉合2、手腕旋轉 3、水平移動 4、升降 5、立柱旋轉 6、手爪 7、手腕電動機 8、橫軸 9、 豎軸 10、豎軸電動機 11、橫軸電動機 12、底盤 13、底盤電動機3.3.2. 機械手工作流程機械手工作流程是：開始運行后，如果機械手不在初始位置上，步進電動機開始運轉(橫軸向手抓方向移

30、動，豎軸向上移動)。歸位后首先橫軸步進電動機工作，橫軸前伸；前伸到位后，手爪電動機得電帶動手爪旋轉；當傳感器檢測到限位磁頭時，電動機停止，PLC控制電磁閥動作，手張開；延時一段時間，豎軸步進電動機工作，豎軸下降；下降到位后，電磁閥復位，手爪夾緊；延時過后，豎軸上升，同時橫軸縮回、底盤電動機帶動底盤旋轉；當橫軸、豎軸、底盤都到位后，橫軸前伸；到位后手爪旋轉，然后豎軸下降，電磁閥動作，手爪張開；延時后豎軸上升復位，然后開始下一周期動作。3.3.3. 控制要求(1)手臂上下直線運動。(2)手臂左右直線運動。(3)手腕旋轉運動。(4)手爪夾緊動作。(5)機械手整體旋轉運動。手臂采用步進電機驅動，由PL

31、C發(fā)出控制脈沖控制步進電動機運轉,實現(xiàn)手臂的進給和定位，手爪采用氣壓驅動。3.4 PLC的選型對于PLC的選擇，我們必須考慮多方面的因素。例如輸入、輸出的最多點數(shù)，掃描速度，內存容量，指令條數(shù)，功能模塊等。同時還要考慮其經(jīng)濟實用性以及工作環(huán)境對其的影響。3.4.1. 常用PLC介紹PLC發(fā)展這么多年，技術成熟，各種型號的也很多，各個廠家生產(chǎn)的也有一定區(qū)別，各個重點發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設計需要，考慮如何選擇。西門子的中國業(yè)務是其亞太地區(qū)業(yè)務的主要支柱，活躍在中國的信息與通訊、自動化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個行業(yè)中，其核心業(yè)務領域是基礎設施建設和工業(yè)解決方案。

32、歐姆龍S7-200系列PLC 突出的特點：可靠性高、操作簡便；豐富的內置集成功能；強勁通訊能力；豐富的擴展模塊；簡單、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的大小僅相當于一個PC卡(對于10點的機型來說)，從而使安裝體積大幅度減小，同時也進一步節(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)場創(chuàng)造了新的環(huán)境。編程環(huán)境與CQM1及SYSMAC A等機種相同。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)的擴展及維護都可簡單進行。三菱FX系列可編程控制器是當今國內外最新，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應機械動作流程進行順序設計的SFC順序功能圖編程，而且這些程序可互相轉換。在FX系列PLC中設置了高數(shù)計數(shù)器，對來自特定的輸入繼電器的高頻脈沖進行中斷處理，擴大了PLC的應用領域。其FX2N PLC還可以采用作為擴展設備的硬件計數(shù)器，可獲取最高50kHz的高速脈沖。3.4.2. 確定型號FX1N60MR綜上，對于被控對象，采用PLC系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，力求具有較好的性價比，使用和維修方便；選用的PLC主機和配置、控制功能等必須能滿足被控對象的各種控制要求；選用的PLC主機及配置必須是功能較強的新一

34、代PLC機型，一般最好不要選用舊機型（若采用三菱公司的PLC，則選FX系列，不選F1系列）。同時還應當考慮將來工藝的變化和擴展，在滿足確定的要求外，留有一定的余量；確保整個控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對產(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來做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年來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，近幾年來又連續(xù)推出了將眾多功能凝集在超小型機殼內的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有較高的性能價格比

35、，應用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結合的疊裝式結構。3.5 三菱FX系列的結構功能可編程控制器是一種工業(yè)控制微型計算機，它的結構原理與微型計算機相似。硬件構成有微處理器、存儲器和各種輸入、輸出接口。系統(tǒng)程序和接口器件又與微機不同，這使它的操作使用方法、編程語言、工作方式等與微型機有所不同。PLC是用微處理器實現(xiàn)繼電器、定時器和計數(shù)器以及A/D、D/A模擬轉換器件的組合體的功能，采用軟件編程進行它們之間的聯(lián)系。本設計采用FX系列PLC作為控制核心，所以現(xiàn)在就以它來講述PLC的應用知識、操作技能。FX系列PLC硬件組成與其它類型PLC基本相同，主體由三部分組成，其PLC的基本結構如圖3-2系統(tǒng)電

36、源有些在CPU模塊內，也有單獨作為一個單元的，編程器一般看作PLC的外設。PLC內部采用總線結構，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。圖3-2 PLC 的組成框圖外部開關信號、模擬信號以及各種傳感器檢測信號作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC的輸入端子進入PLC的輸入存儲器，收集和暫存被控對象實際運行的狀態(tài)信號和數(shù)據(jù)；經(jīng)PLC內部運算與處理后，按被控對象實際動作要求產(chǎn)生輸出結果；輸出結果送到輸出端子作為輸出變量，驅動執(zhí)行機構。PLC的各個部分協(xié)調一致地實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的控制。PLC輸入輸出接口的安全保護當輸出口連接電感類設備時，為了防止電路關斷時刻產(chǎn)生高壓對輸入、輸出口造成破壞，應在感性元件兩端加保護元件。對于

37、直流電源，應并接續(xù)流二極管，對于交流電路應并接阻容電路。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，其額定電壓應大于電源電壓的3倍。圖3-3為輸入輸出口的保護環(huán)節(jié)示意圖。圖3-3輸入輸出口的保護第4章 功能實現(xiàn)與控制方式4.1 機械手模型的機能和特性物體在三維空間內的靜止位置是由三個坐標和圍繞三軸旋轉的角度來決定的，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，如果采用機械手，其機能要接近于人的上肢，則需要具有27個自由度，而每一個自由度至少要有一根“人造肌肉”來控制。我們不要那么多自由度，因為根據(jù)實際情況而言

38、，控制的自由度越多，其各個部分也就越復雜，相應的制造成本也就增加。本設計的機械手，它共有自由度4個。即：手臂前后伸縮、手臂上下伸縮、手臂左右旋轉、手腕回轉。4.2 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。設計制造夾緊機構機械手，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

39、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。如按手指運動的方式和模仿人手的動作，可分為回轉型、直進型；按夾持方式可分為內撐式、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；按動力來源可分為彈簧式、氣動式、液壓式等。本設計采用二指式手爪。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直流電動機完成，同時通過兩個限位開關完成回轉角度的限

40、位，一般可設置在180度。4.3 軀干軀干有底盤和手臂兩部分組成。底盤是支撐機械手的全部重量并能帶動手臂旋轉的機構。底盤采用一個直流電動機驅動，底盤旋轉時帶動一個旋轉編碼盤旋轉，機械手每旋轉三度發(fā)出一個脈沖，由傳感器檢測并送入可編程控制器，從而計算底盤旋轉的角度。同時，在底盤上裝有限位開關，最大旋轉角度可達180度。手臂是機械手的主要部分，它是支撐手爪、工件使它們運動的機構。本設計手臂由橫軸和豎軸組成、可完成伸縮、升降的運動。由可編程控制器發(fā)出信號控制步進電機運轉，同時在兩軸的兩端分別加限位開關限位。4.4 旋轉編碼盤機械手底盤和軀干每旋轉3度發(fā)出一個脈沖，并把信號送回可編程控制器來得到轉過的

41、準確的角度。編碼盤的機構如圖4-1。圖4-1 旋轉編碼盤可以通過改變程序中計數(shù)器C0的初值來確定所要轉過的角度，這里可以通過用計算機讀出指令表，然后修改得到不同的控制角度。綜上所述，根據(jù)機械手的各部分要求條件可確定本設計機械手控制系統(tǒng)所選器材列表如表4-1。表4-1所選器材列表名稱型號或規(guī)格數(shù)量名稱型號或規(guī)格數(shù)量PLCFX1N-60MR1限位開關LX19-1118電磁閥VF31301轉換開關LW6-51按鈕LA10-1H13熔斷器RC1A-30/152連接導線若干第5章 控制系統(tǒng)設計5.1 控制系統(tǒng)硬件設計機械手電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點之外，還要求有連續(xù)控制和手動控制等操作方式。工作方式

42、的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來，在手動方式時可以通過手動按鈕來實現(xiàn)，其控制面板如下圖5-1。當旋鈕打向回原點時，系統(tǒng)自動地回到右上角位置待命。當旋鈕打向連續(xù)時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現(xiàn)。圖5-1 控制面板示意圖5.2 PLC梯形圖中的編程元件設計選用FX1N60MR，其輸入繼電器（X）36點，輸出繼電器(Y)24點，輔助繼電器(M)384點，狀態(tài)繼電器(S)1000點，定時器(T)256點，計數(shù)器(C)，數(shù)據(jù)寄存器(D)等。特殊輔助繼電器M8000運行監(jiān)控（PLC運行時自動接通，停止時斷開）；M8002初始脈沖（僅在PLC

43、運行開始時接通一個掃描周期）；M8005PLC后備鋰電池電壓過低時接通；M801110ms時鐘脈沖； M8013100ms時鐘脈沖；M80121s時鐘脈沖； M80141min時鐘脈沖。5.3 PLC的I/O分配根據(jù)機械手動作的要求，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輸入信號手動SAX0手順限位SQ7X24回原位SAX1手逆限位SQ8X25連續(xù)SAX2底旋轉脈沖X26回原位SB1X3前行SB12X30啟動SB2X4后退SB13X31停止SB3X5下降SB4X6上升SB5X7夾緊SB6X10輸出信號松開SB7X11上升/下降步進電機YA0Y0手順轉SB8X12

44、YA1Y1手逆轉SB9X13YA2Y2底盤順轉SB10X14前進/后退步進電機YA3Y3底盤逆轉SB11X15YA4Y4下限位SQ1X16YA5Y5上限位SQ2X17夾緊YA6Y6前限位SQ3X20手順轉YA 7Y7后限位SQ4X21手逆轉YA 8Y10底盤順限位SQ5X22底盤順轉YA 9Y11底盤逆限位SQ6X23底盤逆轉YA10Y125.4 機械手控制系統(tǒng)的外部接線圖PLC外部電氣接線圖如下圖5-1 圖5-1 PLC外部電氣接線5.5 控制系統(tǒng)軟件設計機械手控制系統(tǒng)軟件設計的程序總體結構如圖5-2，分為公用程序、自動程序、手動程序和回原位程序等四部分。其中自動程序包括單步、連續(xù)運動程序，

45、因它們的工作順序相同所以可將它們和編在一起。CJ（FNC00）是條件跳轉應用指令，指針標號PX是其操作數(shù)。該指令由于某種條件下跳過CJ指令和指針標號之間的程序，從指針標號處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時間。如果選擇“手動”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自動程序到P0處，由于X0動斷觸點斷開所以直接執(zhí)行“手動程序”。由于P1處的X1的動斷觸點閉合，所以又跳過回原位程序到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)行公用程序和自動程序。5.5.1 公用程序公用程序如圖5-3，簡要說明如下：當Y6復位（電磁閥松開）、

46、后限位X21和上限位X17接通時，輔助繼電器M0變?yōu)镺N，表示機械手在原位。如果開始執(zhí)行用戶程序（M8002為ON）、系統(tǒng)處于手動或回原位狀態(tài)（X0或X1為ON），那么初始步對應的M10被置位，連續(xù)工作方式做好準備。如果M0為OFF，M10被復位，系統(tǒng)不能進入連續(xù)工作方式。指令ZRST是成批復位應用指令，以防止系統(tǒng)從自動方式轉換手動方式，再返回自動方式時出現(xiàn)兩種不同的活動步。圖5-2 程序總的結構圖 圖5-3公用程序梯形圖圖5-4 自動的功能流程圖5.5.2 自動操作程序 自動操作順序功能流程圖見圖5-4所示。當機械手處于原位時，按啟動X4接通，狀態(tài)轉移到S1，驅動前伸Y3，當?shù)竭_前限位使行程

47、開關X20接通，狀態(tài)轉移到S2，而S1自動復位。驅動手順轉Y7，X24接通，狀態(tài)轉移到S3，驅動下降Y2，X16接通，狀態(tài)轉移到S4，S4驅動Y6置位，延時1秒，以使電磁力達到最大夾緊力。當T0接通，狀態(tài)轉移到S5，驅動Y0上升，當上升到達最高位，X17接通，狀態(tài)轉移到S6。S6驅動Y4后退。移到后限位，狀態(tài)轉移到S7底逆轉Y12，狀態(tài)到S8，X20接通，狀態(tài)轉移到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1秒。延時時間到，T1接通，狀態(tài)轉移到S11上升。上升到最高位，X25接通，狀態(tài)轉移到S13后退。后退到后限位，使X21接通，狀態(tài)轉移到S14，底盤順轉是X2

48、1接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動作。在編寫狀態(tài)轉移圖時注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅動的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步進順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強。自動連續(xù)程序說明：當系統(tǒng)處于自動連續(xù)方式時，X2為ON，它的動合觸點閉合，在初始步時按下啟動按鈕X4，M1得電并保持，就按照圖4-5自動功能圖進行工作。按下停止按鈕X7后，M1變?yōu)镺FF，系統(tǒng)不會立即停止，而是完成當前的工作周期后，機械手最終停止在原位。根據(jù)自動功能流程圖的順序編寫的自動程序梯形圖為圖5-5。 圖5-5自動程序段梯形圖5.5.3 手動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。手動程序說明：用對應機械手的上下前后移動和夾緊松開按鈕。按下不同的按鈕，機械手執(zhí)行相應的動作。在前后移動的程序中串聯(lián)上線位置開關的動合觸點是為了避免機械手在較低位置移動時碰撞其他工件。為保證系統(tǒng)安全運行，程序之間還進行必要的連鎖。圖5-6手動程序梯形圖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，按下回原位按鈕（X3），M3變?yōu)镺N，機械手松開和上升，當升到上限位（X17變?yōu)镺N），機械手后退，直到后限位（X21為ON）才停止，并且M3復位。圖5-7回原位程序梯形圖梯形圖程序經(jīng)過檢驗語法錯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、并可以運用軟件在線監(jiān)測PLC的運行情況，同時可以用手持編程器根據(jù)現(xiàn)場要求修改程序中的各參數(shù)，達到任意位置停止的目的。設計總結通過PLC畢業(yè)設計，我們知道：機械手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(chǎn)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，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。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)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、

51、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。 通過這次設計實踐。我學會了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的工程素質，在沒有做實踐設計以前，我們對知道的撐握都是思想上的，對一些細節(jié)不加重視，當我們把自己想出來的程序與到PLC中的時候，問題出現(xiàn)了，不是不能運行，就是運行的結果和要求的結果不相符合。能過解決一個個

52、在調試中出現(xiàn)的問題，我們對PLC 的理解得到加強，看到了實踐與理論的差距。并從中學到知識，豐富自己的知識層面。致 謝在這三年大學生涯中我學到了許多專業(yè)知識，提高了理論與實踐相結合的能力，提高了自學能力，這都得感謝老師的細心教導和培養(yǎng)，在此，我向給予我教育和幫助的老師說聲謝謝。在校期間所學到的東西應該對我以后工作和生活有很大幫助。經(jīng)過幾個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，自從接觸了這門課程我便對她產(chǎn)生了濃厚的興趣，所以在做畢業(yè)設計時我毅然的選擇了PLC設計。本篇論文雖然凝聚著自己的汗水，但卻不是個人智慧的產(chǎn)品，沒有老師的指引和贈予，沒有同學和朋友的幫助和支持，我得畢業(yè)設計

53、也不會完成。當打完畢業(yè)論文的最后一個字符，涌上心頭的不是長途跋涉后抵達終點的欣喜，而是源自心底的誠摯謝意?；厥走@幾個月來的設計過程，可以說是收獲良多，也付出了不少心力。它檢驗了我對PLC這門課程的掌握程度，通過老師們和同學們的幫助今天我的設計終于完成了。雖然在畢業(yè)設計中遇到很多困難，但在做的過程中我真正掌握和領會了各項知識。面對問題仔細揣摩，查閱各方文件資料，也得到老師和同學的幫助。最后感謝培育我三年的母校！參 考 文 獻1 吳明亮，蔡夕忠.可編程控制實訓教材M.北京：化學工業(yè)出版社，2005.82 張桂香.機電類專業(yè)畢業(yè)設計指南J.北京：機械工業(yè)出版社，2005.13 瞿大中. 可編程控制與

54、實驗P.華中科技大學出版社,2002.12.4 殷建國.工廠電氣控制技術M.北京:經(jīng)濟管理出版社,2006.9.5 齊占慶.機床電氣控制技術G.北京:機械工業(yè)出版社,2006.16 余雷聲. 電器控制與PLC應用M. 北京：機械工業(yè)出版社，19967 程周. 可編程控制器技術與應用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用M. 北京：中國電力出版社，20049 黃凈. 電氣及PLC控制技術M. 北京：機械工業(yè)出版社：7210 張萬忠，孫晉. 可編程控制器入門與應用實例（三菱FX1N系列）M. 北京：中國電力出版社，200511 高欽和. 可編程控制器應

55、用技術與設計實例M. 北京：人民郵電出版社，2004.712 機電一體化技術手冊編委會.機電一體化技術手冊J.北京：1999.7.第二版 13 梁耀光、余文休.電工新技術教程.北京:中國社會勞動保障出版社.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:中國輕工業(yè)出版社.200316 常斗南主編.可編程序控制器原理、應用、實驗. 北京：機械工業(yè)出版社.199717 廖常初主編.PLC基礎及應用.第2版.北京: 機械工業(yè)出版社.200818 陳建明.電氣控制與PLC應用. 北京: 電子工業(yè)出版社.2006.820 徐益清.可編程序控制器應用技術.西安: 西安電子科技大學出版社.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自動程序段梯形圖指令表圖5-6手動程序梯形圖指令表圖5-7回原位程序梯形圖指令表46