教學(xué)型機(jī)械手PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),教學(xué)型機(jī)械手PLC,控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),教學(xué),機(jī)械手,PLC,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 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(jī)器人研究與應(yīng)用已經(jīng)取得重大進(jìn)展。21世紀(jì)，制造業(yè)將進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段，各種自動(dòng)化裝備、智能機(jī)器特別是機(jī)器人將在采掘、建筑、醫(yī)療、交通運(yùn)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(jī)器人技術(shù)的相關(guān)課程。為了培養(yǎng)開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)方面的人才，我國在職業(yè)類學(xué)校也開設(shè)了機(jī)器人相關(guān)課程。教學(xué)型機(jī)械手就是針對(duì)教學(xué)所研制的典型機(jī)器人設(shè)備，其有兩個(gè)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(shí)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(jī)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(jì)，是機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、人機(jī)交互等諸多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，并親身接觸和體驗(yàn)現(xiàn)代高科技。在學(xué)生獲得科技知識(shí)和實(shí)踐能力的同時(shí)，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)和潛能，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。 1.2 國內(nèi)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì) 國內(nèi)開始機(jī)器人的研究，在 20 世紀(jì) 70 年代后期，當(dāng)時(shí)我們國家在北京舉辦了一個(gè)日本的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品展覽會(huì)，在這個(gè)會(huì)上有兩個(gè)產(chǎn)品，一個(gè)是數(shù)控機(jī)床，一個(gè)是工業(yè)機(jī)器人，那個(gè)時(shí)候，我們國家的許多學(xué)者，看到了這樣一個(gè)方向，開始進(jìn)行了機(jī)器人的研究，但是那時(shí)候研究，基本上還局限于理論的探討階段。真正進(jìn)行機(jī)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(shí)候，是在1986 年我們國家成立了 863 計(jì)劃，在這個(gè)高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中，將機(jī)器人技術(shù)作為一個(gè)重要的發(fā)展的主題，國家投入將近幾個(gè)億的資金開始進(jìn)行了機(jī)器人研究，使得我們國家在機(jī)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(jī)器人，水下機(jī)器人，空間機(jī)器人，核工業(yè)機(jī)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(dá)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(jī)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(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)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(jī)器人，它給人的最深刻的印象是一個(gè)具有獨(dú)特的、進(jìn)行自我控制的“活物”。其實(shí)，這個(gè)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(jī)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(dòng)機(jī)，它們使手、腳長鼻子、觸角等動(dòng)起來。智能機(jī)器人能夠理解人類語言，用人類語言同操作者對(duì)話，在它自身的“意識(shí)”中單獨(dú)形成了一種使它得以“生存”的外界環(huán)境——實(shí)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(gè)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(jì)算機(jī)的構(gòu)成，可能就是作為主機(jī)的馮·諾依曼型機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jìn)入人們的日常生活。將來，人工智能技術(shù)的發(fā)展將會(huì)給人們的生活、工作和教育等帶來更大的影響。正是因?yàn)槿藗冊(cè)谡J(rèn)識(shí)自然改造自然過程中，需要各種各樣的機(jī)器人，所以才促進(jìn)了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了機(jī)器人本身問題的發(fā)展，從另一個(gè)方面，由于關(guān)鍵技術(shù)的解決，以及應(yīng)用的需求，就促進(jìn)了機(jī)器人學(xué)本身的一個(gè)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(jī)器人，最終的目標(biāo)，是不斷地隨著其它學(xué)科和先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，使機(jī)器人內(nèi)涵不斷豐富，最終實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人這樣一個(gè)主流。 智能機(jī)器人其現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1.機(jī)構(gòu)與材料：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，不斷提高負(fù)載／自重比，同時(shí)機(jī)器人機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 2.機(jī)電一體化機(jī)器人：研究人機(jī)耦合系統(tǒng)與復(fù)雜生物機(jī)電系統(tǒng)建模方法，探索生物信息的編碼機(jī)理和解碼機(jī)制，以及多源生物信息的融合與理解機(jī)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(jī)器人的控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于 PC 機(jī)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(dòng)器技術(shù)，研究仿生感知、控制機(jī)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(jī)器人由個(gè)體系統(tǒng)向群體系統(tǒng)發(fā)展，使遠(yuǎn)距離操作監(jiān)控、維護(hù)及遙控的智能型工廠成為可能。 5.機(jī)器人靈巧化和智能化發(fā)展：機(jī)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(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人：醫(yī)療機(jī)器人是近年來發(fā)展比較迅速的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，借助醫(yī)療機(jī)器人可降低醫(yī)生手術(shù)疲勞度，還可提高操作的精度。康復(fù)機(jī)器人可對(duì)各種神經(jīng)損傷患者進(jìn)行定量化的主被動(dòng)康復(fù)治療，使患者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能和生活自理能力得到增強(qiáng)和恢復(fù)。 20 世紀(jì) 80 年代以來，機(jī)器人技術(shù)不斷進(jìn)步，其在各個(gè)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(dá)國家均把機(jī)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(jì)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(jī)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(jī)械手配置了實(shí)際生產(chǎn)過程中典型的皮帶輸送機(jī)、機(jī)械手和圓盤，綜合了光電控制、氣動(dòng)控制、PLC 控制、變頻器控制等技術(shù)，承載了真實(shí)的生產(chǎn)功能。該機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)抓取工件，搬運(yùn)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(jī)械手 PLC 控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)能讓學(xué)生更好的接觸實(shí)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(shì)、介紹了本課題所要做的工作。 第二章 可編程控制器簡(jiǎn)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(jī)器手的系統(tǒng)介紹，著重介紹了教學(xué)型機(jī)械手整個(gè)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(dòng)方式及機(jī)械手傳動(dòng)方案的對(duì)比分析及選擇。 第四章 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，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(jì)，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(jì)。 第六章 總結(jié)和展望，對(duì)本課題研究的工作做了總結(jié)以及今后針對(duì)該系統(tǒng)的研究。  2 可編程控制器簡(jiǎn)介 可編程控制器簡(jiǎn)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(gè)不同時(shí)期。為與個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）相區(qū)別，現(xiàn)在仍然沿用 PLC 這個(gè)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(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(dòng)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(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)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(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)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(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)[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(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來儲(chǔ)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(jiǎn)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(chǎng)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(hào)，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(hào)；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)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(bào)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(hào)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(huì)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(hào)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(jìn)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(jì)算機(jī)的屏幕上直接生成和編輯體形圖或指令表程序，并可以實(shí)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(jì)算機(jī)。程序可存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(dòng) PLC 負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。 2.2 PLC的特點(diǎn)及應(yīng)用 PLC是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化控制的重要支柱之一，其主要特點(diǎn)為： 1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 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(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)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(shí)間高達(dá) 30 萬小時(shí)。一些使用冗余 CPU的 PLC 的平均無故障工作時(shí)間則更長。從 PLC 的機(jī)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(diǎn)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(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)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(hù)。這樣，整個(gè)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(qiáng) 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?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)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(yùn)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(qiáng)及人機(jī)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(jì)算機(jī)，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(hào)與表達(dá)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(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4．系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC 用存儲(chǔ)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(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)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(chǎng)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(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)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(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)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(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。 3）運(yùn)動(dòng)控制 PLC 可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。 4）數(shù)據(jù)處理 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)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(dòng)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(zhǔn)規(guī)格機(jī)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(shí)的擴(kuò)展設(shè)備，包括數(shù)字量輸入輸出擴(kuò)展、模擬量輸入輸出擴(kuò)展、溫度控制、脈沖定位控制、高速計(jì)數(shù)控制、通信控制、現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)。 2. 內(nèi)置 8K 容量的 EEPROM 存儲(chǔ)器,最大可以擴(kuò)展到 16K 3. CPU 運(yùn)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(kuò)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(kuò)展設(shè)備。 6. 輔助繼電器：3072 點(diǎn)，定時(shí)器：256 點(diǎn)，計(jì)數(shù)器：235 點(diǎn)，數(shù)據(jù)寄存器：8000點(diǎn)。 7. 基本單元：16/32/48/64/80/128 點(diǎn)，有繼電器輸出型和晶體管輸出型。 2.4 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟[6] PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要根據(jù)生產(chǎn)的工藝過程分析控制要求，如完成的動(dòng)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(diǎn)數(shù)。然后再根據(jù)設(shè)計(jì)IO點(diǎn)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(jìn)斤PLC的選型。根據(jù)設(shè)汁系統(tǒng)確定各個(gè)IO的名稱，并分配PLC的IO地址，然后再設(shè)計(jì)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(jì) 2.5 PLC的工作原理[7] 運(yùn)行時(shí)是以“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。也就是說，在工作時(shí)，實(shí)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(dòng)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(shí)，還要處理輸入信號(hào)的采樣和對(duì)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)?？吹接行├^電器或者計(jì)時(shí)器與計(jì)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(jì)時(shí)器與計(jì)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(shí)上在執(zhí)行階梯圖程式時(shí)的運(yùn)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(dòng)作。在系統(tǒng)完成一個(gè)掃描周期的過程中，主要進(jìn)行了三項(xiàng)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(jī)械手系統(tǒng)介紹 3.1 教學(xué)型機(jī)械手系統(tǒng)的組成 教學(xué)型機(jī)械手系統(tǒng)主要由水平皮帶輸送機(jī)，變頻器、垂直固定于機(jī)架上的機(jī)械手和個(gè)人電腦構(gòu)成。 1．個(gè)人電腦選用通信接口為 RS-232C 規(guī)格的計(jì)算機(jī)，用于寫入 PLC 程序，針對(duì)不同的需要編寫程序。 2．PLC 選用三菱 FX2N-32MT 系列?？删幊炭刂破鞯妮敵觯斎爰半娫吹慕泳€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(jī)械手和其他的氣動(dòng)控制。 機(jī)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(gè)部件[8]。如圖3-1所示 圖3-1 部件展示 3.2 教學(xué)型機(jī)械手的工藝流程和技術(shù)參數(shù) 機(jī)械手工作時(shí)，首先由 PLC 發(fā)出電控制信號(hào)給電磁閥；電磁閥動(dòng)作輸出氣信號(hào)到 氣控閥；氣控閥接到信號(hào)后，將動(dòng)力輸給氣缸；氣缸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到指定行程時(shí)，觸及機(jī)械閥；機(jī)械閥將氣信號(hào)傳到氣電繼電器；氣電繼電器將電信號(hào)傳至機(jī)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(dòng)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(diǎn)，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(fù)載能力 1kg 幾何尺寸 400mm*300mm*350mm 運(yùn)動(dòng)范圍手臂伸縮 100mm 手臂升降 200mm 本體重量 10kg 3.3 教學(xué)型機(jī)械手系統(tǒng)的自由度和坐標(biāo)形式 針對(duì)本系統(tǒng)中機(jī)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(jì)上采用圓柱坐標(biāo)型。自由度是指機(jī)械手所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)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?yàn)檫@個(gè)自由度僅用于抓取工具，而對(duì)于工具的定位和定向不起作用。該教學(xué)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四個(gè)自由度，分別為立柱回轉(zhuǎn)（周向），手臂升降運(yùn)動(dòng)（軸向），手臂伸縮運(yùn)動(dòng)（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(jī)械手，其坐標(biāo)形式也各不相同，最常見的機(jī)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(gè)互相垂直的直角坐標(biāo)的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變。特點(diǎn)是定位精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，三個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，其間沒有耦合，但是這種形式機(jī)械手占地面積大，操作靈活性差。 2．球坐標(biāo)型：由二個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)直線移動(dòng)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(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組合而成。特點(diǎn)是占地面積小，工作空間較大，但是移動(dòng)關(guān)節(jié)不易防護(hù)。 3．多關(guān)節(jié)型：這類機(jī)械手由兩個(gè)肩關(guān)節(jié)和一個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由兩個(gè)或三個(gè)腕關(guān)節(jié)定向。其中一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰，這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線。這種結(jié)構(gòu)動(dòng)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(gè)升降直線運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，一個(gè)圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)水平直線運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組合而成。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作過程中負(fù)荷變動(dòng)少，容易控制，缺點(diǎn)是動(dòng)作區(qū)域狹窄。教學(xué)型機(jī)械手由兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，一個(gè)軸向移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)徑向關(guān)節(jié)組成?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)；軸向移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)；徑向移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)進(jìn)出運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快。最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。針對(duì)本系統(tǒng)中機(jī)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(jì)上采用圓柱坐標(biāo)型。 3.4 教學(xué)型機(jī)械手系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式 通常，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式有以下幾類[10]： 1．氣壓驅(qū)動(dòng)使用壓力通常在 0.4～0.6Mpa，最高可達(dá)1Mpa。氣壓驅(qū)動(dòng)主要優(yōu)點(diǎn)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(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)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(dòng)系統(tǒng)的功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡(jiǎn)單，能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；缺點(diǎn)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(dòng)多用于要求輸出力較大，運(yùn)動(dòng)速度較低的場(chǎng)合。 3．電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，以獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由于具有易于控制、運(yùn)動(dòng)精度高、使用方便、成本低廉、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)是最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。 綜合各種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，主要考慮成本及學(xué)校設(shè)施相對(duì)簡(jiǎn)陋的基礎(chǔ)上，最后采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的氣壓驅(qū)動(dòng)。 電動(dòng)機(jī)根據(jù)輸出形式分，可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。電動(dòng)機(jī)在機(jī)械手中應(yīng)用時(shí)，要關(guān)注電動(dòng)機(jī)的如下基本性能： 1．能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、連續(xù)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，且具有良好的響應(yīng)特性； 2．正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定； 3．維護(hù)容易，而且不用保養(yǎng)； 4．具有良好的抗干擾能力，且相對(duì)于輸出來說，體積小，重量輕。 在機(jī)械手中，采用比較多的是直流電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗梢赃_(dá)到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反兩個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平滑。因此，機(jī)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(dòng)機(jī)。 3.5 教學(xué)型機(jī)械手傳動(dòng)方案的對(duì)比分析及選擇 傳動(dòng)裝置的作用是將驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)力傳遞給機(jī)械手的執(zhí)行部件，以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)。目前常用的傳動(dòng)方式有：皮帶輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)、諧波減速傳動(dòng)以及螺旋傳動(dòng)等。諧波齒輪傳動(dòng)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、能獲得大的傳動(dòng)比等優(yōu)點(diǎn)，但存在扭轉(zhuǎn)剛度較低且傳動(dòng)比不能太小的缺點(diǎn)。行星齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的優(yōu)點(diǎn)，是用于中等減速比傳動(dòng)，但存在齒輪間隙，難以實(shí)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(jī)構(gòu)常用于要求有大的傳動(dòng)比且傳動(dòng)過程中要求機(jī)構(gòu)自鎖的場(chǎng)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(dòng)可以實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，可是存在彈性滑動(dòng)，和鏈傳動(dòng)一樣使用一段時(shí)間后易松弛，傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中還產(chǎn)生動(dòng)載荷，因此常用于傳動(dòng)精度要求不高的場(chǎng)合。螺旋傳動(dòng)也是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)的重要傳動(dòng)方式，有滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)。滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)是連續(xù)的面接觸，傳動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，傳動(dòng)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(dòng)力矩就可以獲得較大的牽引力。滾珠絲杠附屬于滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)，傳動(dòng)具有傳動(dòng)效率高、摩擦阻力小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且能夠有效消除傳動(dòng)間隙的優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)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(dòng)系統(tǒng)中。經(jīng)過考慮，初步對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1、手臂升降關(guān)節(jié) 機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，選用蝸桿傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比?？紤]到安裝的位置要求電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速先經(jīng)過一對(duì)直齒圓柱齒輪減速，然后再經(jīng)過蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸桿為主動(dòng)件正向運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生自鎖，只是效率相對(duì)來說有所降低。 2、懸臂伸縮關(guān)節(jié) 機(jī)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(jì)性要求。因此，機(jī)械手水平手臂伸縮移動(dòng)機(jī)構(gòu)選用滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)，由一對(duì)絲杠螺母副將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平手臂的直線移動(dòng)。 3、手抓抓放關(guān)節(jié) 機(jī)械手垂直手臂的升降關(guān)節(jié)，如手臂伸縮關(guān)節(jié)傳動(dòng)方法一樣，使用絲杠螺母副將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為手臂的升降移動(dòng)。 3.6 教學(xué)型機(jī)械手傳感器的選擇 傳感器是將機(jī)電一體化系統(tǒng)中被檢測(cè)對(duì)象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘?hào)的一種變換器。它主要用于檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)自身與作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)作提供信息。 教學(xué)型機(jī)械手系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)傳感器的基本要求：1）體積小、重量輕、對(duì)整機(jī)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(jì)算機(jī)連接；5）不易受被測(cè)對(duì)象（如電阻、導(dǎo)磁率）的影響，也不影響外部環(huán)境；6）對(duì)環(huán)境條件適應(yīng)能力強(qiáng)；7）現(xiàn)場(chǎng)處理簡(jiǎn)單、操作性能好；8）價(jià)格便宜。 傳感器的種類繁多，按輸出信號(hào)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(jì)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(dá)到某個(gè)值以上，其輸出為“1”（ON 狀態(tài)），在該值以下時(shí)，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(hào)可直接傳送到 PLC 進(jìn)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(jìn)行檢測(cè)；以及機(jī)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(gè)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(cè)工件的到位檢測(cè)；電感傳感器用于金屬的識(shí)別；光纖傳感器用于工件的識(shí)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(lán)色和黑線三根連接線，其中棕色接 PLC 的 24V 的正極，藍(lán)色接電源的負(fù)極，黑色是信號(hào)線接 PLC的輸入端。  4 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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(jī)器人系統(tǒng)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于 PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)過程中經(jīng)過分析，機(jī)械手控制系統(tǒng)以開關(guān)量為主。個(gè)人電腦作為上位機(jī)，組成 PLC——PC 兩級(jí)控制系統(tǒng)。上位機(jī)的任務(wù)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集來的信號(hào)進(jìn)行顯示、處理和動(dòng)態(tài)監(jiān)視。PLC 根據(jù)輸入端口傳感器發(fā)送來的機(jī)械手的運(yùn)行情況，按照預(yù)先根據(jù)控制規(guī)律設(shè)計(jì)的控制程序，自動(dòng)地進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，做出應(yīng)的控制決策，并通過輸出端口向機(jī)械手發(fā)出控制命令。 圖4-1 控制方案 由 PLC 與個(gè)人電腦來實(shí)現(xiàn)教學(xué)型機(jī)器人系統(tǒng)的自動(dòng)控制。PLC 具有很高的穩(wěn)定性與可靠性且抗干擾能力較強(qiáng)，很適合現(xiàn)場(chǎng)控制，但沒有一個(gè)很好的人機(jī)交互界面；而采用個(gè)人電腦控制具有很高的靈活性和方便性。 PLC 作為下位機(jī)連接機(jī)器人設(shè)備，完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分站控制、狀態(tài)判別、本地報(bào)警控制。 上位機(jī)采用個(gè)人電腦，以三菱公司的 MELSOFT 系列 GX Developer 編程軟件設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，實(shí)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(fù)荷記錄、時(shí)間日期、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能，操作界面直觀友好。另外它與打印機(jī)、UPS 等其它輸入輸出設(shè)備相連。 在個(gè)人電腦與 PLC 的集成控制系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)工控機(jī)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(shí)現(xiàn)。考慮到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(gè)人電腦上的 RS232 接口。 4.2 PLC選型 PLC選用了日本三菱電機(jī)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(diǎn) 16個(gè)、輸出點(diǎn)16個(gè)。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(duì)象的 I/O 點(diǎn)數(shù)如下： 限位開關(guān)4個(gè)：開關(guān)量輸入4個(gè)； 電流、急停、停止、啟動(dòng)：4個(gè)開關(guān)量輸出； 控制按鈕6個(gè)：開關(guān)輸入6個(gè)； 電流、原位：2個(gè)顯示輸出； 功能輸出：6個(gè)輸出； 總計(jì)：開關(guān)量輸入14個(gè)，開關(guān)量輸出 8個(gè)。 系統(tǒng)中沒有模擬量，因此不需要選擇模擬量單元。同時(shí)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(qiáng)大，使用方便。它有 24 點(diǎn)開關(guān)量輸入和 24 點(diǎn)開關(guān)量輸出，滿足 I/O 點(diǎn)數(shù)要求。它有特殊功能模塊和功能擴(kuò)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(diǎn)數(shù)字量輸入和16點(diǎn)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(dòng)分配方式，模塊上的輸入端子對(duì)應(yīng)輸入地址是 X000～X018，輸出端子對(duì)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(hào)，在機(jī)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(dòng)、手動(dòng)自動(dòng)檔位選擇； （2）機(jī)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(dòng)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(dòng)操作開關(guān)、啟動(dòng)和停止這些指令開關(guān)，選教學(xué)型機(jī)器人的光電傳感器作為控制按鈕發(fā)出運(yùn)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(jì) 在進(jìn)行機(jī)械手程序編寫之前，必須要知道機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)流程，流程是根據(jù)系統(tǒng)的功能制定的本系統(tǒng)的機(jī)械手以工作臺(tái)流水線上的工件為夾取對(duì)象，完成夾取和松放的功能。 機(jī)械手有兩種工作方式：手動(dòng)和自動(dòng)手動(dòng)。工作方式由M1開關(guān)確定，PLC的輸入點(diǎn) X012 接通時(shí)為“自動(dòng)手動(dòng)”功能，如果沒有接通x0012，就是手動(dòng)功能。如果選擇了“手動(dòng)”的工作方式，就會(huì)通過自己的意愿讓機(jī)械手臂做出自己想要的動(dòng)作，如果選擇了“自動(dòng)手動(dòng)”的工作方式，機(jī)械手臂就會(huì)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(tái)，抓緊-延時(shí)1秒，上升到上限位，右行到右限位，松開，延時(shí)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(duì)應(yīng)的輸入設(shè)備 輸出地址 對(duì)應(yīng)的輸出設(shè)備 X0 電流 y0 電流 X1 急停 y1 原位 X2 啟動(dòng) 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(dòng)手動(dòng) 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(diǎn)，確定了如圖5-2的機(jī)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(dòng)按鈕按下，而停止按鈕不動(dòng)的情況下，當(dāng)工件一檢測(cè)傳感器檢測(cè)到工件一到位，則機(jī)械手運(yùn)行，梯形圖如圖 5-4 所示[12]。 圖5-4 電源閉合梯形圖  2：運(yùn)行 圖5-5運(yùn)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(shí) 圖5-8定時(shí)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(jì)時(shí)、松開、左行步驟 圖5-1計(jì)時(shí)、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(hào)調(diào)試：輸入信號(hào)調(diào)試前，對(duì)信號(hào)的供電應(yīng)再一次進(jìn)行檢查，防止因供電電壓不符造成元件的損壞。對(duì) PLC 的各個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，用手動(dòng)的方法使這些輸入點(diǎn)分別動(dòng)作，觀察相應(yīng)的信號(hào)燈是否點(diǎn)亮，如果信號(hào)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(hào)調(diào)試：對(duì)系統(tǒng)中的 8 個(gè)中間繼電器的供電電壓也要進(jìn)行一次檢查。對(duì)PLC 的各個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)，可采用在編程器內(nèi)強(qiáng)制輸出信號(hào)的方法，對(duì)各開關(guān)量輸出點(diǎn)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，檢查相應(yīng)的輸出信號(hào)燈是否點(diǎn)亮或熄滅。此外，應(yīng)對(duì)相應(yīng)的輸出設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查，如果某一輸出設(shè)備不動(dòng)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(yùn)行調(diào)試：機(jī)械手 PLC 控制系統(tǒng)的總調(diào)試在電機(jī)和繼電器不供電的情況下進(jìn)行。根據(jù)程序的執(zhí)行次序先后，分別用手動(dòng)的方法對(duì)各個(gè)輸入點(diǎn)進(jìn)行開閉的動(dòng)作，檢查程序是否按照控制的要求進(jìn)行動(dòng)作，相應(yīng)的輸出信號(hào)是否存在，延時(shí)的時(shí)間是否正確，直到整個(gè)程序正確運(yùn)行。然后按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，直到滿足要求為止。  6 設(shè)計(jì)小結(jié) 本文對(duì)PLC控制的教學(xué)型機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。以PLC為主控制器實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的自動(dòng)化操作?；灸軌蛘故緳C(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡。 在本設(shè)計(jì)中，主要進(jìn)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(jìn)行編輯，測(cè)試 我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大，同時(shí)也要求更精良的控制系統(tǒng)。我制作的機(jī)械手控制系統(tǒng)能夠在初級(jí)展示方面達(dá)到預(yù)期的效果，能夠制造成本，達(dá)到教學(xué)展示的作用。  參考文獻(xiàn) [1]徐英．教學(xué)型機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[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(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子科技，2013，（4）：1-3． [6]原慧軍．PLC控制步進(jìn)電機(jī)的程序設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2016，（2）：174-175． [7]戴俊．基于化Ｃ控制的物解自動(dòng)檢測(cè)與分掠系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．大連：大連理工大學(xué)，2015：20-25． [8]楊海燕．載重升降機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]．山東：山東大學(xué)，2015：20-25． 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萬名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量為123臺(tái)，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量則高達(dá)1600 臺(tái)。隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范周還在不斷地?cái)U(kuò)大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到機(jī)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(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。2005 年，亞洲地區(qū)電子電氣行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)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(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求則遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求遙遙領(lǐng)先，所以金屬制品業(yè)(包括機(jī)械)、橡膠及塑料工業(yè)以及電子電氣行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求比例相當(dāng)，均在7% 左右。另外諸如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)維護(hù)維修機(jī)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(jī)器人的應(yīng)用也越來越多，如無人偵察機(jī)(飛行器)、警備機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、家政服務(wù)機(jī)器人等均有應(yīng)用實(shí)例。機(jī)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(jī)器人和家庭用消費(fèi)機(jī)器人將不斷貼近人類生活，其市場(chǎng)的繁榮興旺將指日可待。 1.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)? 新的市場(chǎng)和新的需求為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供了新的機(jī)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(chǎng)變化,生產(chǎn)出滿足用戶需求的個(gè)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(dòng)態(tài)重組的能力。機(jī)器人是一種具有高度柔性的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。如果我們站在更高的層次,將機(jī)器人視為一種有“感知、思維和行動(dòng)”的機(jī)器,那么,敏捷生產(chǎn)設(shè)備就應(yīng)當(dāng)是新一代機(jī)器人化的機(jī)器。這將為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提出更高的要求。這要求著工業(yè)機(jī)器人朝著以下幾種方式發(fā)展。 朝著標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展 提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度,減輕重量和減少安裝占用空間,必將導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊組合化(它可以分為機(jī)械模塊、信息檢測(cè)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(jī)器人。它是采用標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)組件。除了機(jī)器人用的各種伺服電機(jī)、傳感器外,手臂、手腕和機(jī)身的結(jié)構(gòu)也已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了,如臂伸縮軸、臂升降軸、臂俯仰軸、臂擺動(dòng)軸;轉(zhuǎn)軸、擺動(dòng)軸、固定臺(tái)身、機(jī)座、移動(dòng)軸。 研究新型機(jī)器人結(jié)構(gòu)? 隨著工業(yè)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)保證動(dòng)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(jī)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(dòng)化技術(shù)中,特別是機(jī)器人自動(dòng)裝配技術(shù)中,工業(yè)機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境和對(duì)象物體有自適應(yīng)能力,即具有一定的“智能”,是指機(jī)器人具有感覺、知覺等,即有很強(qiáng)的檢測(cè)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(cè)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(duì)象和外部環(huán)境的信息,以及信息庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)、規(guī)劃的資料,以完成模式識(shí)別，用“專家系統(tǒng)”等智能系統(tǒng)進(jìn)行問題求解,動(dòng)作規(guī)劃。 研究機(jī)器人協(xié)作控制 先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)協(xié)作機(jī)器人學(xué)的研究與發(fā)展起著積極的促進(jìn)作用。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)機(jī)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(jī)器人是作為一個(gè)群體工作的,不論每個(gè)機(jī)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(diǎn)出發(fā)，來研究工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展。而面向先進(jìn)制造環(huán)境的機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)和機(jī)器人加工系統(tǒng)中,不僅有多機(jī)器人的集成,還有機(jī)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(diǎn)來發(fā)展新的機(jī)器人控制系統(tǒng)，有大量的理論與實(shí)踐的工作要做。 主要的研究?jī)?nèi)容 此次主要研究國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)器手的工作原理，熟悉搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)型。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手機(jī)械方面設(shè)計(jì)（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）和機(jī)器人的控制系統(tǒng)。 2 機(jī)器人的控制 2.1、PLC的原理 PLC就相當(dāng)于機(jī)器的大腦，我們編的程序就相當(dāng)于人所撐握的知識(shí)與規(guī)則。機(jī)器就相當(dāng)于人的軀體，用來執(zhí)行PLC的各種動(dòng)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(jī)器，機(jī)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(gè)人或者動(dòng)物來打比方，PLC就是大腦，PLC跟機(jī)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(zhǔn)確性不及PLC。 可編程控制器( PLC) 自動(dòng)控制裝置,是一種嵌入式的工控機(jī),它以順序控制為主，調(diào)節(jié)為輔，能完成邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)記憶和算術(shù)運(yùn)算等功能。既能進(jìn)行開關(guān)量控制， 又能進(jìn)行模擬量控制，還具有通信功能。在單臺(tái)設(shè)備自動(dòng)化、多臺(tái)設(shè)備自動(dòng)化和整個(gè)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(shì) 1可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 2配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) 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(jì)、建造工作量小，維護(hù)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(jī)械手的機(jī)構(gòu) 2、機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)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(shí)此刻，想要對(duì)許多許多的人表示感謝。 首先要對(duì)我的導(dǎo)師李連進(jìn)教授表示謝意。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)老師李連進(jìn)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(gè)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(xiàn)，你們的文獻(xiàn)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(jìn)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(qǐng)接受我誠摯的謝意！