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1、摘要當(dāng)今的自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展迅速，正處于一個(gè)快速變革的時(shí)代。從半導(dǎo)體到消費(fèi)類電子產(chǎn)品、再到汽車和航空制造業(yè)、以及輕工業(yè)和物流行業(yè)等多種不同的工業(yè)領(lǐng)域都面臨著日益激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)壓力，他們需要進(jìn)一步降低成本、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，并能夠迅速完成產(chǎn)品的更新?lián)Q代。而采用最新的自動(dòng)化技術(shù)正是解決這一系列問題的有效手段。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用越來越廣泛。運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人提高自動(dòng)化程度、降低生產(chǎn)成本是十分必要和有效的。正是在這種背景下，該課題試圖研發(fā)的就是運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)的分支-工業(yè)機(jī)械手解決生產(chǎn)過程中的自動(dòng)搬運(yùn)物件問題。該文通過對(duì)生產(chǎn)基本概況的分析，明確了機(jī)械手的功能需求和動(dòng)作流程，提出了

2、機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案。采用CAD軟件完成機(jī)械手部分零部件的設(shè)計(jì)，通過查找了大量資料，了解并完成了步進(jìn)電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)器的選型。通過對(duì)本機(jī)械手控制流程的分析，確定本機(jī)械手采用以PLC為核心的控制系統(tǒng)。再對(duì)機(jī)械手功能的分析，設(shè)計(jì)出控制部分梯形圖以及控制程序，并完成PLC的I/O點(diǎn)分配和硬件接線圖。關(guān)鍵詞：機(jī)械手，可編程控制器，步進(jìn)電機(jī)，氣動(dòng)裝置 AbstractTodays rapid development of automation technology is now in a rapid change of the times. From the semiconductor and consum

3、er electronics products, to the automotive and aerospace manufacturing and light industry and logistics industry, and so on a wide range of industrial sectors are facing increasingly intense global competitive pressures, they need to further reduce costs and shorten the production cycle, and To the

4、speedy completion of the upgrading of products. The application of the latest automation technology is the solution to this series of effective measures. With the continuous development of robot technology, industrial robot production in the application of more and more extensive. Use of industrial

5、robots increased degree of automation, reduce production costs it is extremely necessary and effective. It is against this background, the subject is trying to develop the use of robot technology branch - industrial machinery hand in the production process to resolve the problem of automatically mov

6、ing object. Based on the production of basic profiles of analysis, clearly the function of the mechanical hand and demand action process, a mechanical hand to the overall design of the programme. CAD software used to complete manipulator some parts of the design, through to find a great deal of info

7、rmation, understanding and completed the stepper motor and its drive of the selection. Through this mechanical hand control of the process of determining the mechanical hand to adopt PLC as the core of the control system. The re-analysis manipulator function, to control the design of the ladder and

8、control procedures, and completed the PLC I / O hardware, distribution and access.Keywords：manipulator，PLC，stepper motor，pneumatic device目錄摘要IAbstractII1 緒論11.1工業(yè)機(jī)械手的概況11.1.1工業(yè)機(jī)械手的組成11.1.2機(jī)械手的分類31.1.3工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用狀況41.2設(shè)計(jì)任務(wù)52 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)62.1系統(tǒng)控制器的選擇62.2機(jī)械手的功能分析與動(dòng)作流程73 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)103.1機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件選型103.2機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件的連

9、接194 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)204.1機(jī)械手控制系統(tǒng)狀態(tài)流程圖204.2機(jī)械手控制系統(tǒng)程序的編寫254.3機(jī)械手控制系統(tǒng)仿真29總結(jié)34參考文獻(xiàn)35致謝36附錄37附錄A 機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖37附錄B 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件連接圖481 緒論1.1工業(yè)機(jī)械手的概況機(jī)器人學(xué)是一門綜合性的新興學(xué)科，它設(shè)計(jì)機(jī)械工程學(xué)、電氣工程學(xué)、微電子工程學(xué)、計(jì)算機(jī)工程學(xué)、控制工程學(xué)、信息傳感工程學(xué)、聲學(xué)工程學(xué)、仿生學(xué)以及人工智能學(xué)等多門尖端學(xué)科。工業(yè)機(jī)械手是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)分支，它代表了機(jī)電一體化的最高成就。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手已成為柔性制造系統(tǒng)、自動(dòng)化工廠、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)械手

10、，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)的崛起，有著十分重要的意義。所謂工業(yè)機(jī)械手就是一種能按給定的程序或要求自動(dòng)完成物件（如材料、工件、零件或工具等）傳送或操作作業(yè)的機(jī)械裝置，它能部分地代替人的手工勞動(dòng)。較高級(jí)型式的機(jī)械手，還能模擬人的手臂動(dòng)作，完成較復(fù)雜的作業(yè)。由于機(jī)械手科學(xué)的發(fā)展十分迅速，世界上對(duì)機(jī)械手還沒有一個(gè)明晰，統(tǒng)一的定義。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)機(jī)械手做了如下定義：機(jī)械手是一種可以反復(fù)編程和多功能的用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)或是為了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變和可編程的動(dòng)作的

11、專門系統(tǒng)（A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised for the transports of masteries ,parts, tools or specialized Systems ,with varied and programmed movements ,with the aim of carrying out varied tasks）。隨著我國(guó)工業(yè)機(jī)械手技術(shù)的不斷發(fā)展，很多專家也建議建立自己的機(jī)械手定義，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643-90也將工業(yè)機(jī)械手定義為“一種能自動(dòng)定位控制，可重復(fù)編程的、多功能的、

12、多自由度的操作機(jī)。它能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用于完成各種任務(wù)作業(yè)”。1.1.1工業(yè)機(jī)械手的組成一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)械手通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)和智能系四部分組成(如圖1.1所示)：圖 1.1工業(yè)機(jī)械手的組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)(也稱操作機(jī))是機(jī)械手賴以完成任務(wù)的實(shí)體，通常由桿件組成。驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分，他們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常有電機(jī)(直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī))、液動(dòng)或氣動(dòng)裝置；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用的有滾珠絲杠、諧波減速器、鏈、帶以及各種齒輪輪系。控制系統(tǒng)一般由計(jì)算機(jī)和伺服控制器組成，前者發(fā)出指令協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器之間的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要完成編程和其他環(huán)境狀況

13、(傳感器信息)、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備(電焊機(jī)、噴槍)之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作，后者控制各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，使各桿件按照一定的速度、加速度和位置要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。智能系統(tǒng)是目前機(jī)械手系統(tǒng)中一個(gè)不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)，它分為兩個(gè)部分:感知系統(tǒng)和分析決策智能系統(tǒng)，前者主要是靠硬件(各類傳感器)實(shí)現(xiàn)，后者主要靠軟件(如專家系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)。1.1.2機(jī)械手的分類機(jī)械手從使用范圍、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式、驅(qū)動(dòng)方式以及臂力大小四個(gè)方面的分類分別為：1.按機(jī)械手的使用范圍分類：(1)專用機(jī)械手：一般只有固定的程序，而無單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線用以自動(dòng)傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機(jī)械手”、“曲拐自動(dòng)

14、車床機(jī)械手”、“油泵凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手”等等。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本較低，適用于動(dòng)作比較簡(jiǎn)單的大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。(2)通用機(jī)械手（也稱工業(yè)機(jī)器人）：指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器，而且能自動(dòng)完成傳送物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種。簡(jiǎn)易型只是點(diǎn)位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點(diǎn)位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。這種機(jī)械手由于手指可更換(或可調(diào)節(jié))，程序可變，故適用于中、小批生產(chǎn)。但因其運(yùn)動(dòng)較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，技術(shù)條件要求較高，故制造成本一般也較高。2.按機(jī)械手臂部的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式分類：(1

15、)直角坐標(biāo)式機(jī)械手臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動(dòng))、左右移動(dòng)(定為沿Y方向的移動(dòng))和上下升降(定為沿Z方向的移動(dòng))；(2)圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X和Z方向移動(dòng)，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動(dòng)；(3)球坐標(biāo)式機(jī)械手臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X方向移動(dòng)，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動(dòng))、上下擺動(dòng)(定為繞Y軸擺動(dòng))和左右轉(zhuǎn)動(dòng)(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))；(4)多關(guān)節(jié)式機(jī)械手這種機(jī)械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機(jī)體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈

16、)式連接，亦即小臂對(duì)大臂可繞肘部上下擺動(dòng)，大臂可繞肩部擺動(dòng)多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)。3.按機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式分類：(1)液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，即以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；(2)氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，即以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；(3)電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，即直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；(4)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，即是將主機(jī)的動(dòng)力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。4.按機(jī)械手的臂力大小分類：(1)微型機(jī)械手，其臂力小于 1 kg；(2)小型機(jī)械手，其臂力為 110 kg；(3)中型機(jī)械手，其臂力為 1030 kg；(4)大型機(jī)械手，其臂力大于30 kg。1.1.3工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用狀況工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常

17、用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作;代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。機(jī)械手目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。我國(guó)工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國(guó)第一臺(tái)機(jī)械手開發(fā)于上海，隨之全國(guó)各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年

18、計(jì)劃(1986- 1990)開始，我國(guó)政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入的大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氫弧焊機(jī)器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所(SIA)和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器，DCPWM等等。我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手(或第一代機(jī)械手)發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍:在應(yīng)用專用機(jī)械手

19、的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等?？梢詫C(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于更換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)1.系統(tǒng)類型的確定本系統(tǒng)機(jī)械手屬于簡(jiǎn)易型通用直角坐標(biāo)式微型機(jī)械手，即指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器，而且能自動(dòng)完成傳送物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。其臂部可以前后伸縮、左右移動(dòng)和上下升降。驅(qū)動(dòng)方式為氣壓驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)兩種方式相結(jié)合，且臂力小于1kg。2.控制器的選擇（見第二章第一

20、節(jié)）。3.機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件的選型，主要是對(duì)機(jī)械手各種主要部件的選型。4.機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)和仿真。2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)控制器的選擇工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器是控制技術(shù)與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。在現(xiàn)代電子技術(shù)的支持下，它通常以微處理器為核心，綜合編程軟件、運(yùn)動(dòng)軌跡控制、控制算法分析、各運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)等功能，達(dá)到總體運(yùn)動(dòng)控制效果。在運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)控制器還需要對(duì)具體的運(yùn)動(dòng)速度、加速度、位置誤差等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)相關(guān)情況做出及時(shí)反應(yīng)。目前先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制器主要是以微機(jī)(PC)為基礎(chǔ)的數(shù)字化控制系統(tǒng)、以高速的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心的全數(shù)字化控制系統(tǒng)和以PLC為核心的全數(shù)字化控

21、制系統(tǒng)。(1)基于PC技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制器計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展在工業(yè)控制領(lǐng)域也同樣導(dǎo)致技術(shù)面貌的迅速改變。工業(yè)控制機(jī)，特別是采用PC技術(shù)的工業(yè)PC的涌現(xiàn)，大大推動(dòng)和促進(jìn)了開放式運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展。基于工業(yè)PC的運(yùn)動(dòng)控制器可以利用PC強(qiáng)大的軟件環(huán)境和技術(shù)支持，擺脫專用封閉式控制系統(tǒng)的束縛和不便。從軟件上看，其主要作用是利用其高效運(yùn)算功能、管理與監(jiān)控能力以及豐富的軟件資源，實(shí)現(xiàn)更高的控制算法、軌跡插補(bǔ)算法和補(bǔ)償算法，從而豐富運(yùn)動(dòng)控制軟件，并大大提高伺服掃描速度，提高系統(tǒng)的分辨率，以實(shí)現(xiàn)最小的移動(dòng)單位和最大的進(jìn)給速度，便于用微小程序段以高速度、高精度實(shí)現(xiàn)軌跡形狀復(fù)雜的曲線或曲面。(2)基于DSP運(yùn)動(dòng)控制器-20

22、世紀(jì)90年代以來，數(shù)字信號(hào)處理（簡(jiǎn)稱DSP)在運(yùn)動(dòng)控制器中得到越來越廣泛的應(yīng)用，這主要是因?yàn)樗母咚龠\(yùn)算使得很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，而且集成度高，它利用控制器本身獨(dú)特的硬件結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)快速的硬件位置捕捉功能。DSP系統(tǒng)具有接口方便、穩(wěn)定性好、精度高、可重復(fù)性好、集成方便等優(yōu)點(diǎn)，目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)了多種DSP型的高級(jí)運(yùn)動(dòng)器，這些芯片能同時(shí)控制多軸，有的己包含了運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)運(yùn)算及包含有前饋補(bǔ)償功能的算法，這為多軸伺服電機(jī)的控制帶來了極大的方便。但由于DSP技術(shù)更新的速度快、數(shù)學(xué)知識(shí)要求多，開發(fā)和調(diào)試工具還不完善，軌跡控制，多軸聯(lián)動(dòng)參數(shù)匹配等需通過編制程序來實(shí)現(xiàn)，掌握對(duì)機(jī)械手的控制比較困難。

23、(3)基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。隨著PLC的發(fā)展，出現(xiàn)了更多的功能強(qiáng)大的指令，這些指令本身在單操作的意義上提供了更強(qiáng)的計(jì)算能力，特別是運(yùn)動(dòng)控制指令和在網(wǎng)絡(luò)通訊方面功能更加強(qiáng)大，命令支持各種運(yùn)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)控制、高度的集成操作及位置環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)控制，能夠滿足高性能工業(yè)機(jī)器人位置和運(yùn)動(dòng)精度要求。雖然采用基于PC的運(yùn)動(dòng)控制器和基于DSP運(yùn)動(dòng)控制器也能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制，但是采用PLC的控制接線簡(jiǎn)單，只需通過運(yùn)動(dòng)控制指令便可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制，由PLC構(gòu)成機(jī)械手控制器，硬件配置的工作量較小，無需作復(fù)雜的電路板，

24、只需在端子之間接線。因此本設(shè)計(jì)選用PLC為機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制器。2.2機(jī)械手的功能分析與動(dòng)作流程1.機(jī)械手的功能分析機(jī)械手是機(jī)器人的一個(gè)分支，在現(xiàn)在化生產(chǎn)中，機(jī)械手廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)流程中作為代替人類的繁重勞動(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。本設(shè)計(jì)機(jī)械手的功能要是用來完成在生產(chǎn)過程中的工件的轉(zhuǎn)移，它具有手動(dòng)/自動(dòng)兩種工作模式，還具有在斷電情況下回到初始位置的功能，在改變其底座使其具有移動(dòng)功能時(shí)，還可以用來搬運(yùn)物體。2.機(jī)械手的動(dòng)作流程分析本設(shè)計(jì)機(jī)械手有三種運(yùn)行狀態(tài)：自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行和回原位處理。在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)

25、，機(jī)械手按照既定的程序依次完成下降、抓取工件、抓取工件后上升、上升到位后右轉(zhuǎn)。右轉(zhuǎn)到位后下降、下降，下降到位后放松工件，放松工件后再次上升、上升到位后左轉(zhuǎn)回到初始位置等待下一個(gè)工作周期的到來以及完成傳送帶A和B的處理。在手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，按動(dòng)相應(yīng)的開關(guān)完成規(guī)定的動(dòng)作。回原位處理主要是用于當(dāng)需要系統(tǒng)手動(dòng)運(yùn)行或自動(dòng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)不在原點(diǎn)狀態(tài)，如果在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)不在原點(diǎn)，則須先按下回原點(diǎn)開關(guān)使系統(tǒng)回到原點(diǎn)狀態(tài)。機(jī)械手在自動(dòng)運(yùn)行的狀態(tài)下，在初始位置，由Q0.0輸出控制的傳送帶A開始轉(zhuǎn)動(dòng)，傳送帶A上的檢測(cè)元件光電開關(guān)對(duì)傳送帶上的共工件進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)有工件時(shí)，Q0.0輸出為0，傳送帶A停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)控制機(jī)械手下降的

26、輸出Q0.3置位，觸發(fā)機(jī)械手臂下降，直到下限位行程開關(guān)SQ1被觸發(fā)，Q0.3復(fù)位，下降動(dòng)作停止，同時(shí)Q0.4置位，定時(shí)器C0計(jì)時(shí)2秒鐘，C0計(jì)時(shí)時(shí)間到機(jī)械手上升控制輸出Q0.2置位，機(jī)械手上升，工件被移走，傳送帶A恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到下一個(gè)工件的到來，機(jī)械手上升直到上限位行程開關(guān)SQ0被觸發(fā)，Q0.2復(fù)位，機(jī)械手停止上升，同時(shí)系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)，使機(jī)械手進(jìn)行右轉(zhuǎn)，直到觸發(fā)右限位行程開關(guān)SQ3，使右轉(zhuǎn)停止，同時(shí)再次使下降控制輸出Q0.3置位，執(zhí)行機(jī)械手下降動(dòng)作，當(dāng)下限位行程開關(guān)SQ1被觸發(fā)時(shí)，下降到位，Q0.3復(fù)位，下降停止，復(fù)位Q0.4，定時(shí)計(jì)數(shù)器C1計(jì)時(shí)2秒，機(jī)械手將工件放于傳送帶B上，定時(shí)器C1計(jì)時(shí)

27、時(shí)間到，機(jī)械手上升控制輸出Q0.2置位，機(jī)械手上升，機(jī)械手上升直到上限位行程開關(guān)SQ0被觸發(fā)，Q0.2復(fù)位，機(jī)械手停止上升，同時(shí)系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)，使機(jī)械手進(jìn)行左轉(zhuǎn)，直到觸發(fā)右限位行程開關(guān)SQ3，使左轉(zhuǎn)停止，機(jī)械手回到初始位置，完成一個(gè)工作周期。機(jī)械手停止工作直到下一個(gè)工件到來信號(hào)的觸發(fā)才會(huì)進(jìn)入下一個(gè)動(dòng)作周期。其工作過程圖如下圖2.1所示： 圖2.1 機(jī)械手工作流程圖系統(tǒng)還設(shè)置了停止和急停的系統(tǒng)停止方式，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)馬上停止，只有在機(jī)械手回到初始位置時(shí)停止按鈕的命令才有效，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)停止在初始位置；當(dāng)按下急停按鈕時(shí)，機(jī)械手不管出于什么位置都會(huì)立即停止，這個(gè)按鈕主要用于遇到緊急情況

28、時(shí)系統(tǒng)的緊急停車。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件選型1.可編程序控制器的選型本設(shè)計(jì)是基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，PLC即可編程序控制器，在PLC發(fā)展之初可編程序控制器名字為可編程序邏輯控制器（Programmable Logical Controller），1980年，美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）將可編程序邏輯控制器正式命名為可編程序控制器。NEMA對(duì)可編程控制器的定義是：可編程序控制器是一種數(shù)字式電子儀器，可以存儲(chǔ)某些實(shí)現(xiàn)邏輯、定序、定時(shí)、計(jì)數(shù)和四則運(yùn)算等特殊功能的指令、用于控制機(jī)械和生產(chǎn)過程。在可編程序邏輯控制器改名為可編程序控制器（Programmable Contr

29、oller）之后，可編程序控制器可以簡(jiǎn)稱為PC或PLC，由于個(gè)人電腦（Personal Computer）也簡(jiǎn)稱為PC，所以大家還習(xí)慣沿用可編程序控制器的老簡(jiǎn)稱，即PLC，并與個(gè)人電腦的簡(jiǎn)稱做以區(qū)別。西門子公司是西門子是世界上最大的電氣和電子公司之一，它的產(chǎn)品有小型可編程控制器西門子S7-200，大中型PLC西門子S7-300/S7-400/S7-1200等，由于其模塊化和適用性，受到業(yè)界和市場(chǎng)的廣泛好評(píng)。而S7-200是一種深受市場(chǎng)歡迎的小型模塊化PLC，該系列PLC主要由CPU模塊和豐富的擴(kuò)展模塊組成。可以根據(jù)實(shí)際的需要，靈活配置，再加上其強(qiáng)大的指令系統(tǒng)可以近乎完美地滿足小規(guī)模系統(tǒng)的控制要

30、求。PLC的選型中其中有一條就是必須滿足所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的I/O需求，先將本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的I/O需求和I/O分配圖歸納如下，以用來選擇合適的PLC。機(jī)械手控制系統(tǒng)的I/O分配圖如表3.1，表3.2表3.1輸入口分配表名稱符號(hào)地址符號(hào)符號(hào)地址啟動(dòng)（按鈕）SB0I0.0手動(dòng)左轉(zhuǎn)（按鈕）SB8I1.0復(fù)位（按鈕）SB1I0.1手動(dòng)抓緊放松（按鈕）SB9I1.1停止（按鈕）SB2I0.2上限位行程開關(guān)SQ1I1.2急停（按鈕）SB3I0.3下限位行程開關(guān)SQ2I1.3手動(dòng)/自動(dòng)切換（開關(guān)）SB4I0.4左限位行程開關(guān)SQ3I1.4手動(dòng)下降（按鈕）SB5I0.5右限位行程開關(guān)SQ4I1.5手動(dòng)上升（按鈕）SB6I

31、0.6工件檢測(cè)光電開關(guān)SPI1.6手動(dòng)右轉(zhuǎn)（按鈕）SB7I0.7表3.2輸出口分配表名稱地址名稱地址A傳送帶Q0.0步進(jìn)脈沖信號(hào)輸入端Q0.5B傳送帶Q0.1PLS-正向脈沖輸入負(fù)端Q0.6上升Q0.2DIR-反向脈沖輸入負(fù)端Q0.7下降Q0.3ENA+脫機(jī)使能復(fù)位信號(hào)Q1.0抓緊放松Q0.4由上表可知，本系統(tǒng)至少需要輸入口15個(gè)，輸出口9個(gè)，由此可以估算系統(tǒng)所需的內(nèi)存字?jǐn)?shù)為240B，在選擇PLC時(shí)我們可有兩個(gè)方案，一是選擇輸入輸出口比所需的口數(shù)少的CPU，比如CPU224。CPU224XP等，然后在其外圍再增加1到數(shù)個(gè)輸入輸出擴(kuò)展模塊，如EM223；二是直接選擇輸入輸出口數(shù)能夠滿足需求的CP

32、U，如CPU226。對(duì)于本系統(tǒng)根據(jù)其輸入輸出口要求，并綜合其價(jià)格和功能的使用，選擇方案二。在本設(shè)計(jì)中，我們選擇西門子S7-226CN，它集成了24輸入/16輸出公40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。26kb程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30kHZ高速計(jì)數(shù)器2路獨(dú)立的20kHZ高速脈沖輸出，具有PID控制，2個(gè)R5485通訊/編輯口，具有PPI通訊協(xié)議，MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，I/O端子排可很容易的整體拆卸，是具有較強(qiáng)控制能力的控制器，完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。2.步進(jìn)電機(jī)的選型本系統(tǒng)中機(jī)械手的左右旋轉(zhuǎn)選擇步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)

33、構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移(或線位移)的機(jī)電元件。對(duì)這種電機(jī)施加一個(gè)電脈沖后，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移(或線位移)就隨之增加，脈沖頻率高，則步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度就高，反之就低;分配脈沖的相序改變后，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向則隨之而變。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和通常勻速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)有一定的差別，它是步進(jìn)形式的運(yùn)動(dòng)，故也稱其為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，歸納起來主要有：（1）步距值不受各種干擾因素的影響。簡(jiǎn)而言之，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率，而轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移量取決于總的脈沖個(gè)數(shù)。（2）位移與輸入脈沖信號(hào)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累。因此可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單

34、而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。（3）可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單廉價(jià)。（4）無刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高。（5）控制性能好。起動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)及其它運(yùn)行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)行方式都不會(huì)丟步。（6）停止時(shí)有自鎖能力。（7）步距角選擇范圍大，可在幾角幾分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步矩情況下，通?？梢詫?shí)現(xiàn)超低速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定的運(yùn)行。本系統(tǒng)選擇由PLC控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，步進(jìn)電機(jī)選用混合型的二相步進(jìn)電機(jī)2HB57，2HB57系列步進(jìn)電機(jī)輸出力矩0.39N.M-1.5N.M,步距角可以通過步進(jìn)驅(qū)

35、動(dòng)器上的撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，2HB57廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、激光雕刻、電腦繡花、紡織、印刷、包裝機(jī)械、標(biāo)記機(jī)、雕刻機(jī)、繞線機(jī)械、坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器、三維工作臺(tái)、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、陶瓷機(jī)械等行業(yè)中。2HB57系列技術(shù)數(shù)據(jù)參考如表3.3所示：表3. 3 技術(shù)數(shù)據(jù)(Specifications)型號(hào)步距角保持轉(zhuǎn)距（Nm）額定電流(A)相電阻（歐）相電感(mH)電機(jī)重量(kg)2HB57-410.90.392.01.41.40.452HB57-510.723.01.650.90.652HB57-560.93.00.751.10.72HB57-761.353.01.01.61.03.步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的選擇（1）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)

36、器選擇MB450兩項(xiàng)混合是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，MB450采用直流1850V供電，適合驅(qū)動(dòng)電壓2450V，電流小于4.2A的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，此驅(qū)動(dòng)器采用交流伺服驅(qū)動(dòng)器的電流環(huán)進(jìn)行細(xì)分控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很小，低速運(yùn)行很平穩(wěn)，幾乎沒有振動(dòng)和噪音。其主要特點(diǎn)如下：1）平均電流控制，兩項(xiàng)正弦電流驅(qū)動(dòng)輸出。2）直流2450V供電。3）光電隔離信號(hào)輸入/輸出。4）有過壓、欠壓。過流、相間短路保護(hù)功能。5）十六檔細(xì)分和自動(dòng)半流功能。6）八檔輸出相電流設(shè)置。7）具有脫機(jī)命令輸入端子。8）電機(jī)的扭轉(zhuǎn)矩與它的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)無關(guān)。9）高啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。10)高速力矩大。（2）控制方式的選擇步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器MB45

37、0上的撥碼開關(guān)SW4位可設(shè)置成兩種控制方式：當(dāng)設(shè)置成“OFF”時(shí)，為有半流功能。當(dāng)設(shè)置成“ON”時(shí)，為無半流功能。（3）設(shè)置輸出相電流，為了驅(qū)動(dòng)不同扭矩的步進(jìn)電機(jī)，用戶可以通過驅(qū)動(dòng)器面板上的撥碼開關(guān)SW1、SW2、SW3為來設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的輸出相電流（有效值），單位A。具體如表3.4所示：表3.4 MB450出相電流的設(shè)置輸出電流（A）SW1SW2SW3PEAKRMSONONON1.000.71OFFONON1.461.04ONOFFON1.911.36OFFOFFON2.371.69ONONOFF2.842.03OFFONOFF3.312.36ONOFFOFF3.762.69OFFOFFOFF4

38、.203.00（4）設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)驅(qū)動(dòng)器MB450A可將電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)分別設(shè)置為400、800、1600、2000、3200、4000、5000、64000、8000、10000、12800、20000、25000、25600步，用戶可以通過驅(qū)動(dòng)器正面板上的撥碼開關(guān)的SW5、SW6、SW7、SW8為來設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的步數(shù)（如下表3.5所示）：表3.5步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器步數(shù)設(shè)置SW5狀態(tài)OFFONOFFONOFFONOFFONSW6狀態(tài)ONOFFOFFONONOFFOFFONSW7狀態(tài)ONONONOFFOFFOFFOFFONSW8狀態(tài)ONONONONONONONOFF步數(shù)40080016003200640

39、012800256001000SW5狀態(tài)ONOFFONOFFONOFFOFFSW6狀態(tài)OFFOFFONONOFFOFFONSW7狀態(tài)ONONOFFOFFOFFOFFONSW8狀態(tài)OFFOFFOFFOFFOFFOFFOFF步數(shù)40005000800010000200002500002000這里我們選用每轉(zhuǎn)400步，即設(shè)置SW5SW8為0111,步距角為0.9。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的控制方式選擇SW4為OFF，設(shè)置輸出相電流為SW1-SW3為110，輸出相電流為2.84A。4.氣缸的選擇引導(dǎo)活塞在其中進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的圓筒形金屬機(jī)件。工質(zhì)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中通過膨脹將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；氣體在壓縮機(jī)氣缸中接受活塞壓

40、縮而提高壓力。渦輪機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)等的殼體通常也稱“氣缸”。 氣缸的應(yīng)用領(lǐng)域：印刷（張力控制）、半導(dǎo)體（點(diǎn)焊機(jī)、芯片研磨）、自動(dòng)化控制、機(jī)器人等等。英文名：Cylinder將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣壓傳動(dòng)中將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的氣動(dòng)執(zhí)行元件。氣缸有做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的和做往復(fù)擺動(dòng)的兩類。做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氣缸又可分為單作用、雙作用、膜片式和沖擊氣缸4種。單作用氣缸：僅一端有活塞桿，從活塞一側(cè)供氣聚能產(chǎn)生氣壓，氣壓推動(dòng)活塞產(chǎn)生推力伸出，靠彈簧或自重返回。 雙作用氣缸：從活塞兩側(cè)交替供氣，在一個(gè)或兩個(gè)方向輸出力。 膜片式氣缸：用膜片代替活塞，

41、只在一個(gè)方向輸出力，用彈簧復(fù)位。它的密封性能好，但行程短。 沖擊氣缸：這是一種新型元件。它把壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為活塞高速(1020米/秒)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，借以做功。沖擊氣缸增加了帶有噴口和泄流口的中蓋。中蓋和活塞把氣缸分成儲(chǔ)氣腔、頭腔和尾腔三室。它廣泛用于下料、沖孔、破碎和成型等多種作業(yè)。做往復(fù)擺動(dòng)的氣缸稱擺動(dòng)氣缸，由葉片將內(nèi)腔分隔為二，向兩腔交替供氣，輸出軸做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)角小于 280。此外，還有回轉(zhuǎn)氣缸、氣液阻尼缸和步進(jìn)氣缸等。在本系統(tǒng)中用到氣缸的地方分別為機(jī)械手臂的上升和下降、機(jī)械手爪的抓緊放松，前者選擇的類型為雙作用氣缸，即從活塞的兩側(cè)交替供氣，在一個(gè)方向上輸出力；后者主要是氣爪，它屬

42、于但作用氣缸，即將氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)經(jīng)連桿轉(zhuǎn)換為機(jī)械手爪的沿軸運(yùn)動(dòng)，以用來抓取工件，當(dāng)通電結(jié)束時(shí)，主要靠彈簧來恢復(fù)原位。機(jī)械手上升和下降我們選擇TMAL-U25*500-FB，即金泰氣動(dòng)液壓公司的復(fù)動(dòng)型氣缸，后蓋形式為平尾式，內(nèi)徑為25mm，標(biāo)準(zhǔn)行程為500mm，不附帶磁石，固定形式為后蓋固定，其內(nèi)徑和行程對(duì)比表如下表3.6所示：表3.6 內(nèi)徑和行程對(duì)比內(nèi)徑（mm）標(biāo)準(zhǔn)行程（mm）最大行程（mm）容許行程（mm）1625 50 75 100 125 150 175 200 250 3005008002025 50 75 100 125 150 175 200 250 3005008002525 5

43、0 75 100 125 150 175 200 250 300 350 400 50080012003225 50 75 100 125 150 175 200 250 300 350 400 50080012004025 50 75 100 125 150 175 200 250 300 350 400 50012001500 機(jī)械手抓取放松工件，我們選擇MTI-12*75U，即單動(dòng)引入型迷你氣缸，缸徑為12mm，行程為75mm，進(jìn)氣形式為徑向進(jìn)氣型。5.電磁閥的選型由于在本系統(tǒng)中，氣缸的類型有兩種，第一種主要是為了滿足機(jī)械手上升下降的控制需求，即一個(gè)線圈通電，氣缸向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)換另一

44、個(gè)線圈通電時(shí)，氣缸相反方向運(yùn)動(dòng)。第二種是電磁閥直接控制氣缸運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手抓緊工件，當(dāng)線圈通電結(jié)束時(shí)，氣缸自動(dòng)復(fù)位，機(jī)械手放下工件。所以，電磁閥的類型也有兩種。一種是兩位三通電磁閥，就是一個(gè)進(jìn)氣口，兩個(gè)出氣口，根據(jù)不同的電磁閥狀態(tài)將不同的出口開啟和關(guān)閉。對(duì)于這種我們選擇3V-22008DC24V，3V代表三方口電磁閥，2代表系列號(hào)為200系列，20代表雙線圈雙位置型式。08代表其接管口徑為PT1/4，DC24V表示其標(biāo)準(zhǔn)電壓為直流24V。它主要是用來控制機(jī)械手的上升和下降。另一種是選擇單線圈雙位置電磁閥，3V-21008DC24，與上面的型號(hào)有部分差別，10代表此型號(hào)的電磁閥形式為單線圈雙位電磁閥

45、。根據(jù)它的功能不難看出，它主要是用來控制機(jī)械手的抓緊放松工件的氣缸的。6.光電開關(guān)的選擇光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。安防系統(tǒng)中常見的光電開關(guān)煙霧報(bào)警器，工業(yè)中經(jīng)常用它來記數(shù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。光電開關(guān)可分為對(duì)射型；漫反射型；鏡面反射型；槽式光電開關(guān)；光纖式光電開關(guān)。（1）對(duì)射型：由發(fā)射器和接收器組成，結(jié)構(gòu)上是兩者相互分離的，在光束被中斷的情況下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)

46、信號(hào)變化，典型的方式是位于同一軸線上的光電開關(guān)可以相互分開達(dá)50米。 特征：辨別不透明的反光物體；有效距離大，因?yàn)楣馐缭礁袘?yīng)距離的時(shí)間僅一次；不易受干擾，可以可靠合適的使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中；裝置的消耗高，兩個(gè)單元都必須敷設(shè)電纜。 （2）漫反射型：是當(dāng)開關(guān)發(fā)射光束時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)部件，當(dāng)光電開關(guān)有足夠的組合光返回接收器時(shí)，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，作用距離的典型值一直到3米。特征：有效作用距離是由目標(biāo)的反射能力決定，由目標(biāo)表面性質(zhì)和和顏色決定；較小的裝配開支，當(dāng)開關(guān)由單個(gè)元件組成時(shí)，通常是可以達(dá)到粗定位；采用背景抑制功能調(diào)節(jié)測(cè)量距離；對(duì)目標(biāo)上的灰塵敏感和對(duì)目標(biāo)變

47、化了的反射性能敏感。（3）鏡面反射型：由發(fā)射器和接收器構(gòu)成的情況是一種標(biāo)準(zhǔn)配置，從發(fā)射器發(fā)出的光束在對(duì)面的反射鏡被反射，即返回接收器，當(dāng)光束被中斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)的變化。光的通過時(shí)間是兩倍的信號(hào)持續(xù)時(shí)間，有效作用距離從0.1米至20米。特征：辨別不透明的物體；借助反射鏡部件，形成高的有效距離范圍；不易受干擾，可以可靠合適的使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中。 （4）槽式：槽式光電開關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成光電開關(guān)光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到的開關(guān)量信號(hào)。槽式光電開關(guān)比較安全可靠的適合檢測(cè)高速變化，分辨透明與半透明物

48、體。 （5）光纖式：光纖式光電開關(guān)采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，以實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)物體不在相近區(qū)域的檢測(cè)。通常光纖傳感器分為對(duì)射式和漫反射式。 本系統(tǒng)選擇對(duì)射型光電開關(guān)，分別將發(fā)射器和接受器安裝在A傳送帶的兩側(cè)，型號(hào)選擇為EE-SX772。其各種參數(shù)如下：操作模式：LIGHT-ON/DARK-ON（可用開關(guān)選擇）指示燈：輸出及電源：紅色LED，穩(wěn)定操作：綠色LED輸出控制：NPN或PNP:最高100mA（40V），剩余電壓：最大1V保護(hù)電路：逆電流保護(hù)，過電流保護(hù)，過電壓電源：12至24VDC10%消耗電流：最大35Ma防護(hù)等級(jí)：IP67環(huán)境光度：白熾燈：最大5，000lux,日光：最大20,

49、000lux環(huán)境溫度：-20至+55，無凍結(jié)相對(duì)濕度：35至85%，無凝結(jié)外殼：玻璃纖維強(qiáng)化樹脂重量（含2m連接器電纜）：約50g7.行程開關(guān)的選擇行程開關(guān)，位置開關(guān)（又稱限位開關(guān)）的一種，是一種常用的小電流主令電器。利用生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的碰撞使其觸頭動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)接通或分?jǐn)嗫刂齐娐?，達(dá)到一定的控制目的。通常，這類開關(guān)被用來限制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的位置或行程，使運(yùn)動(dòng)機(jī)械按一定位置或行程自動(dòng)停止、反向運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)或自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)等。 在電氣控制系統(tǒng)中，位置開關(guān)的作用是實(shí)現(xiàn)順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測(cè)。用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。構(gòu)造：由操作頭、觸點(diǎn)系統(tǒng)和外殼組成。本系統(tǒng)選擇行程開關(guān)的型號(hào)為L(zhǎng)X23

50、-322S，其額定電流為5A，動(dòng)作行程為12.5mm。3.2機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件的連接機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件連接主要包括：PLC的外部硬件與PLCI/O的連接，各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接方式等。機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件連接圖如下圖3.1所示： 圖 2.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件連接圖本系統(tǒng)由交流220V頻率50HZ電壓經(jīng)開關(guān)電源進(jìn)行24V供電，輸出分別驅(qū)動(dòng)傳送帶A和B的直流電機(jī)，氣動(dòng)電磁閥的線圈KV1、KV2和KV3，步進(jìn)電機(jī)輸出占用四個(gè)數(shù)字量輸出口。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1機(jī)械手控制系統(tǒng)狀態(tài)流程圖1.本設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)中輔助繼電器的選擇及功能表如下表所示：表4.1 輔助繼電器的選擇及功能寄存器地址功能注釋M0.

51、0機(jī)械手在左邊標(biāo)志機(jī)械手在左邊時(shí)該位一直為高電平內(nèi)部斷電保持M0.1機(jī)械手有工件記憶機(jī)械手抓取工件后該位置位內(nèi)部斷電保持M0.2機(jī)械手在右邊標(biāo)志機(jī)械手在右邊時(shí)該位一直為高電平內(nèi)部斷電保持M0.3機(jī)械手在旋轉(zhuǎn)記憶內(nèi)部斷電保持M2.0啟動(dòng)記憶按一下啟動(dòng)按鈕，該位置位M2.1回原點(diǎn)啟動(dòng)記憶按一下回原點(diǎn)按鈕，該位置位M2.2B傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)命令記憶條件滿足，該位置位M2.3上升命令記憶條件滿足，該位置位M2.4啟動(dòng)計(jì)時(shí)命令記憶條件滿足，該位置位M2.5下降命令記憶條件滿足，該位置位M2.6機(jī)械手停止記憶條件滿足，該位置位設(shè)置斷電保持位主要是對(duì)機(jī)械手的位置進(jìn)行記憶，在斷電或非正常停止系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)再次啟

52、動(dòng)，斷電保持位數(shù)據(jù)不丟失，方便系統(tǒng)進(jìn)行回原點(diǎn)操作。而西門子PLC允許客戶設(shè)置其斷電保持存儲(chǔ)區(qū)。2.機(jī)械手控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)選擇流程圖如圖4.1所示：圖 3.1機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)選擇流程圖如圖所示，機(jī)械手在啟動(dòng)前有兩種運(yùn)行狀態(tài)，正常啟動(dòng)狀態(tài)和回原點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手在啟動(dòng)前在初始原位時(shí)，直接按動(dòng)啟動(dòng)按鈕I0.0，系統(tǒng)正常啟動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)前不在初始原位，先按動(dòng)回到初始原位按鈕I0.1，系統(tǒng)進(jìn)入回到初始原位操作，當(dāng)系統(tǒng)回到初始原位后，由上限位開關(guān)和左限位開關(guān)及CPU內(nèi)部用于記憶抓取放松工件狀態(tài)的位寄存器M0.1,共同觸發(fā)這種運(yùn)行狀態(tài)停止，并回到初始原位狀態(tài)等待下一個(gè)命令的到來。在正常狀態(tài)下，則系統(tǒng)也有兩種

53、運(yùn)行模式，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)模式和手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)模式。在系統(tǒng)按下啟動(dòng)按鈕I0.0后若開關(guān)I0.4處于ON狀態(tài)，則系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)I0.4處于OFF狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)運(yùn)行模式，在手動(dòng)運(yùn)行模式下，系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)應(yīng)的按鈕進(jìn)行控制。I0.2是系統(tǒng)停止按鈕，當(dāng)I0.2按下時(shí)系統(tǒng)記憶其命令狀態(tài)，在系統(tǒng)回到初始原位時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行并回到初始狀態(tài)。3.回原點(diǎn)程序順序功能圖如下圖表4.2所示：圖4.2 回原點(diǎn)程序狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖在系統(tǒng)初始狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可能因?yàn)槟承┰蚴沟脵C(jī)械手不在初始原位，在這種情況下，需要先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行回原位操作，然后才能正常啟動(dòng)系統(tǒng)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將I0.1設(shè)置為回原位按鈕，按下回原位按鈕時(shí)，系

54、統(tǒng)禁止啟動(dòng)手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行模式，轉(zhuǎn)而執(zhí)行回原位程序，如上圖所示，其中M0.0。M0.1、M0.2、M0.3設(shè)置具有斷電保持（1）當(dāng)M0.1為高電平時(shí)有三種情況：1）M0.0為高電平時(shí)，確定機(jī)械手是抓取工件后左邊上升過程中，這個(gè)時(shí)候，機(jī)械手要依次完成上升、右轉(zhuǎn)、下降、放松工件、上升、左轉(zhuǎn)這一個(gè)周期的工作并退出回原位的子程序。2）當(dāng)M0.3狀態(tài)為1時(shí)，則說明機(jī)械手停在了系統(tǒng)抓取工件后向B帶轉(zhuǎn)移工件過程的右轉(zhuǎn)階段，機(jī)械手就會(huì)相繼的完成右轉(zhuǎn)、下降、放下工件、上升、左轉(zhuǎn)這一系列的過程，然后停在初始原位并退出程序。3）當(dāng)M0.2狀態(tài)為高電平時(shí)，說明機(jī)械手在右邊下降放取工件的過程中，這個(gè)時(shí)候機(jī)械手繼續(xù)依次完成

55、下降。放工件于B傳送帶上、上升、左轉(zhuǎn)回到原點(diǎn)這一系列的過程然后退出回原點(diǎn)程序。（2）當(dāng)M0.1為低電平時(shí)也有三種情況：1）M0.0為高電平時(shí)，系統(tǒng)在由原點(diǎn)下降去抓取工件的過程中，機(jī)械手只要執(zhí)行一個(gè)上升命令就可以回到初始原位，然后自動(dòng)退出回原點(diǎn)程序狀態(tài)。2)當(dāng)M0.2為高電平時(shí)，系統(tǒng)在右位放下工件后上升的動(dòng)作過程中，這時(shí)機(jī)械手依次執(zhí)行上升、左轉(zhuǎn)就可回到初始原位然后退出回原點(diǎn)程序的執(zhí)行。3）當(dāng)M0.3為高電平時(shí)，機(jī)械手在放下工件后回原點(diǎn)過程的左轉(zhuǎn)階段，機(jī)械手執(zhí)行左轉(zhuǎn)動(dòng)作后直接可以回到初始原位，然后自動(dòng)退出回原點(diǎn)子程序的執(zhí)行。 在上述過程中，B傳送帶會(huì)根據(jù)相應(yīng)的過程來確定是否執(zhí)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作?；卦c(diǎn)程序

56、以子程序的形式執(zhí)行，M2.1在I0.1按下一次后就置位，同時(shí)引導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)用回原點(diǎn)子程序，當(dāng)系統(tǒng)回到初始原位后，系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部輔助繼電器和外部行程開關(guān)的狀態(tài)來確定是否退出回原點(diǎn)子程序。本系統(tǒng)中是當(dāng)M0.1為低電平、I1.2和I1.4為高電平時(shí)系統(tǒng)由子程序返回主程序。4.自動(dòng)運(yùn)行程序順序功能圖如下圖4.3所示：自動(dòng)運(yùn)行程序的執(zhí)行首先是系統(tǒng)在初始原位的情況下按動(dòng)啟動(dòng)按鈕，然后是將手動(dòng)/自動(dòng)切換開關(guān)I0.4閉合，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式。在自動(dòng)運(yùn)行模式啟動(dòng)后，系統(tǒng)在初始原位等待直到A傳送帶上有工件的到來，光電開關(guān)檢測(cè)到工件的到來，將輸入映像寄存器I1.6置位高電平，系統(tǒng)下降動(dòng)作觸發(fā)，機(jī)械手下降，直到下限位行程

57、開關(guān)被觸發(fā)，下降停止，同時(shí)置位抓取工件記憶M0.1并執(zhí)行抓取動(dòng)作，這個(gè)時(shí)候內(nèi)部計(jì)時(shí)器T32使能端置1，計(jì)時(shí)開始，2s后計(jì)時(shí)時(shí)間到機(jī)械手上升觸發(fā)，當(dāng)上升直到上限位行程開關(guān)被觸發(fā)時(shí)，上升停止，同時(shí)復(fù)位M0.0，置位M0.3，系統(tǒng)執(zhí)行右轉(zhuǎn)動(dòng)作，右轉(zhuǎn)到位，右限位行程開關(guān)被觸發(fā)，系統(tǒng)將M0.3復(fù)位，置位M0.2，同時(shí)執(zhí)行下降動(dòng)作，下限位行程開關(guān)被觸發(fā)，下降停止，機(jī)械手復(fù)位M0.1并放松工件，定時(shí)器T32再次工作，計(jì)時(shí)2s時(shí)間到，機(jī)械手上升，直到上限位行程開關(guān)被觸發(fā)，上升停止，系統(tǒng)復(fù)位M0.2，置位M0.3，系統(tǒng)執(zhí)行左轉(zhuǎn)動(dòng)作，同時(shí)B傳送帶開始轉(zhuǎn)動(dòng)將工件移走，機(jī)械手左轉(zhuǎn)到位，完成一個(gè)動(dòng)作周期，停在初始原位，

58、等待下一個(gè)工件的到來。圖4.3自動(dòng)運(yùn)行順序功能圖5.手動(dòng)運(yùn)行程序順序功能圖如下圖4.4所示：系統(tǒng)正常啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入手動(dòng)運(yùn)行模式，即在開關(guān)I0.4未閉合系統(tǒng)是默認(rèn)的手動(dòng)運(yùn)行模式，這時(shí)分別按住I0.5、I1.1、I0.6、I0.7、I0.5、I1.1、I0.6、I1.0執(zhí)行機(jī)械手下降、抓取工件、上升、右轉(zhuǎn)、下降、放下工件、放下工件后上升和左轉(zhuǎn)動(dòng)作。A傳送帶和B傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)和停止同自動(dòng)運(yùn)行程序相同，即B傳送帶是在放下工件后機(jī)械手上升到右邊上限位后開始旋轉(zhuǎn)，回到初始位置后停止，A傳送帶的啟動(dòng)在系統(tǒng)啟動(dòng)后便一直開始，停止是在光電開關(guān)檢測(cè)到有工件位于指定位置后執(zhí)行，直到工件被移走之后回復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4.3

59、手動(dòng)運(yùn)行順序功能圖在上述各順序功能圖中沒有涉及急停按鈕，急停按鈕是在當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)的緊急停車，當(dāng)按一下急停按鈕I0.3時(shí)，所有正在執(zhí)行的命令都被禁止，系統(tǒng)停止運(yùn)行，機(jī)械手停在當(dāng)前狀態(tài)。上圖第一個(gè)M0.1是它被置位，第二個(gè)M0.1是復(fù)位條件。4.2機(jī)械手控制系統(tǒng)程序的編寫開發(fā)S7-200系列PLC用戶程序需要一臺(tái)編程器，并將其和CPU模塊連接起來，編程器可以是專用編程器，也可以是裝有編程軟件的PC，后者更普遍一些。，在輸入程序時(shí)，通常PC與CPU模塊是通過PC/PPI通信電纜連接起來的。西門子S7-200系列PLC使用的是STEP7-Micro/WIN系列的編程軟件。本次編程使用的編程軟

60、件是STEP7-Micro/WIN系列V4.0版本，如下圖4.5所示： 圖4.5 STEP7-Micro/WIN系列V4.0版本其操作界面如圖4.6所示，各部分的主要功能簡(jiǎn)介如下：（1）瀏覽條，瀏覽條顯示編輯特性的按鈕控制群組。“視圖”按鈕控制群中主要有程序塊、符號(hào)表、狀態(tài)圖、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、交叉引用及通信顯示等按鈕控制?！肮ぞ摺卑粹o控制群中主要有顯示指令向?qū)?。TD200向?qū)?、EM253控制面板和調(diào)制解調(diào)器擴(kuò)充向?qū)У劝粹o控制。（2）指令樹，指令樹以樹形視圖的形式為用戶列出所有項(xiàng)目對(duì)象和當(dāng)前程序編輯器（LAD、FBD、或STU）所需的全部指令。通過用鼠標(biāo)右鍵單擊指令樹中響應(yīng)的文件夾可以進(jìn)行插入附

61、加程序組織單元（POU）、設(shè)置密碼保護(hù)、打開/刪除/編輯POU屬性表，以及重新命名子程序及終端程序操作。（3）菜單欄，菜單欄允許使用鼠標(biāo)或快捷執(zhí)行操作。可以定制“工具”菜單，在該菜單中增加自己的工具。（4）工具條，工具條為最常用的STEP7-Micro/WIN操作提供便利的鼠標(biāo)存取，可以定制每個(gè)工具條的內(nèi)容和外觀。（5）數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊允許用戶顯示和編輯數(shù)據(jù)塊內(nèi)容。（6）狀態(tài)表，狀態(tài)圖窗口允許用戶將程序輸入、輸出或變量置入圖表中，以便追蹤其狀態(tài)?？梢越⒍鄠€(gè)狀態(tài)表，以便從程序的不同部分檢視組件。每個(gè)狀態(tài)圖在狀態(tài)表窗口中有自己的標(biāo)記。（7）交叉引用，交叉引用允許用戶檢視程序的檢查引用和組件使用信息

62、。（8）符號(hào)表，符號(hào)表窗口允許用戶分配和編輯全局符號(hào)（即可以在任何POU中使用的符號(hào)值，不只是建立符號(hào)的POU）?？梢越⒍鄠€(gè)符號(hào)表，可以在項(xiàng)目中增加一個(gè)S7-200系統(tǒng)符號(hào)定義表。（9）程序編輯窗口，程序編輯窗口包含用于該項(xiàng)目的編輯器（LAD、FBD或DTL）局部變量表、程序和視圖。如果需要，用戶可以拖動(dòng)分割條，擴(kuò)充程序視圖，并覆蓋局部變量表。當(dāng)用戶在主程序一節(jié)（OBI）之外建立子例行程序或終端例行程序時(shí)，標(biāo)記出現(xiàn)在程序編輯窗口的底部?？蓡螕粼摌?biāo)記，在子程序，中斷和OBI之間移動(dòng)。（10）狀態(tài)欄，當(dāng)STEP7-Micro/WIN中操作時(shí)，狀態(tài)欄會(huì)提供操作狀態(tài)信息。（11）輸出窗口，當(dāng)編輯程序或指令庫(kù)時(shí)，輸出窗口會(huì)提供信息，當(dāng)輸出窗口列出程序錯(cuò)誤信息時(shí)，雙擊錯(cuò)