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輯運算、順序控制、時序、計數(shù)、算術(shù)運算等控制程序，用指令形式存放在儲存器中，并通過數(shù)字 式、模擬式的輸入和輸出，控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。與繼電器控制線路相比，PLC 具有可靠性高、 抗干擾能力強(qiáng)；變成簡單、使用方便；設(shè)計、安裝容易，維護(hù)工作量少；功能完善、通用性強(qiáng)；體 積小、能耗低等特點。因此，機(jī)械手控制系統(tǒng)越來越多的由可編程控制器（即 PLC）來實現(xiàn)。 本文以柔控系統(tǒng)中的五軸機(jī)器人的程序設(shè)計為例，充分利用氣動與 PLC 技術(shù)的特點，實現(xiàn)自 動化控制。并給出了對應(yīng)的 I/O 分配表，和 PLC 的外部接線圖。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手，自動化，PLC，步進(jìn)電機(jī) . . 2 目 錄 摘 要 .1 目 錄 2 第 1 章 引 言 3 1.1 五軸機(jī)器人（機(jī)械手）與 PLC 的描述 3 1.2 五軸機(jī)器人（機(jī)械手）與 PLC 在國內(nèi)外的現(xiàn)狀 3 1.2.1 國外現(xiàn)狀 .3 1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀 .4 1.3 課題研究的內(nèi)容、目標(biāo)以及可行性 4 1.3.1 研究內(nèi)容 .4 1.3.2 研究目標(biāo) .4 1.3.3 可行性分析 .4 第 2 章 PLC、 氣動、 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器的介紹 5 2.1 PLC 技術(shù)的介紹 5 2.1.1 PLC 的歷史與發(fā)展 .5 2.1.2 PLC 的特點 .5 2.1.3 西門子 PLC .6 2.2 氣動技術(shù)的介紹 8 2.3 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器的介紹 .10 2.4 編碼器 .12 第 3 章 五軸機(jī)器人（機(jī)械手）的動作流程 15 3.1 五軸機(jī)器人的動作流程 .17 3.1.1 合格工件在分揀單元的動作 17 3.1.2 不合格工件在分揀單元的動作 17 3.1.3 沒有工件時分揀單元的動作 17 3.2 分揀單元的元器件 .15 第 4 章 PLC 編程、接線圖、分配表 15 4.1 I/0 分配表 15 4.2 外部接線圖 16 4.3 PLC 程序的編寫 16 總 結(jié) .24 參考文獻(xiàn) .25 致謝 .26 . . 3 第 1 章 引 言 1.1 機(jī)械手與自動化的描述 五軸機(jī)器人是機(jī)械手的一種。機(jī)械手是模仿人的手部動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動 抓取、搬運和操作的自動裝置，在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、 腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人們的勞動強(qiáng)度，甚至危及生命。機(jī)械手就是在這種條件 下誕生的，機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。它特別是 在高溫、高壓、多粉塵、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作中代替人作業(yè)。 機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉 重物的力量比人手力大的特點，因此獲得日益廣泛的應(yīng)用。 機(jī)械手是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。隨著電子技術(shù)特別是電子計 算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已經(jīng)成為高科技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，他 更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。在現(xiàn)代生產(chǎn)過 程中，機(jī)械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實 現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。 本課題設(shè)計的機(jī)械手是采用 PLC 通用性好、實用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程方法簡單等特點， 來實現(xiàn)自動化控制的。 1.2 機(jī)械手與自動化在國內(nèi)外的現(xiàn)狀 1.2.1 機(jī)械手與自動化在國外的現(xiàn)狀 機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1954 年美國工程師德爾沃最早提出機(jī)械人的概念；1958 年 美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。1959 年美國德爾沃與英格伯制造了世界上的第一臺機(jī)械 人；1962 年美國正式將機(jī)械人的的使用性提出來，且制造出類似人的手臂；1967 年日本成立了人 工手研究會，并召開了首屆機(jī)械手學(xué)術(shù)會；1970 年在美國召開了第一屆工業(yè)機(jī)械人學(xué)術(shù)會，并得 到迅速的普及；1973 年辛辛那提公司制造出第一臺小型計算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)械人，當(dāng)時是液壓驅(qū) 動，能載重 45KG；到 1980 年在日本得到普及，并定位“機(jī)械人元年”此后在日本，機(jī)械人得到了 前所未有的發(fā)展與提升。目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨 勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達(dá)到 3M/S，負(fù)載 2KG 的產(chǎn)品系統(tǒng)總重 已突破 100KG。 現(xiàn)代式工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化，自動化已成為突出的主題.化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動 化已基本得到解決。采用全自動化機(jī)械手進(jìn)行裝配更是目前研究的重點，國外已研究采用攝像機(jī)和 力傳感裝置和微型計算機(jī)連在一起，能確定零件的方位打到鑲裝的目的，但在機(jī)械工業(yè)中，加工、 裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實現(xiàn)這些工 序的自動化而產(chǎn)生的。工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，動作靈活多樣，使用 . . 4 可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。 1.2.2 機(jī)械手與自動化在國內(nèi)的現(xiàn)狀 在我國，汽車工業(yè)仍然是工業(yè)機(jī)械手主要的使用領(lǐng)域。但是我國在工業(yè)機(jī)械手生產(chǎn)企業(yè)中， 年產(chǎn)銷量在 100 臺以上、產(chǎn)值過 5000 萬元的規(guī)模企業(yè)非常少，國外大型公司年產(chǎn)量都達(dá) 5000 到 10000 臺，銷售額為數(shù)十億美元。目前國內(nèi)機(jī)械手的保有量在 4000 臺左右，并將以每年 800~1000 臺左右的速度快速增長。工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用前景極為廣闊。 雖然目前國內(nèi)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手的企業(yè)并不多，很多產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)還主要依靠進(jìn)口，高科技的 技術(shù)主要還掌握在國際龍頭廠商手里。國內(nèi)機(jī)械手廠家主要還是受到控制系統(tǒng)的困擾，沒有比較成 熟穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)，所以不能產(chǎn)生高端機(jī)器。我國本土企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械手產(chǎn)品還主要流通在中低端 市場，因此決定了很多本土生產(chǎn)企業(yè)在爭奪市場時主要還是采取價格戰(zhàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，日臻成 熟，會有更多的廠商加入此行業(yè)。 我國國家“863”機(jī)械手技術(shù)主題自成立以來一直重視機(jī)械手技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的推廣和應(yīng)用和推 進(jìn)機(jī)械手技術(shù)以提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，利用機(jī)械手技術(shù)發(fā)展高新產(chǎn)業(yè)。目前，政府正在使用各種辦法加大 中國裝備制造業(yè)在市場中占據(jù)的份額，并提供優(yōu)惠措施鼓勵更多企業(yè)使用機(jī)械手及技術(shù)以提升技術(shù) 水平。國內(nèi)越來越多的企業(yè)在生產(chǎn)中采用了工業(yè)機(jī)械手，各種機(jī)械手生產(chǎn)廠家的銷售量都有大幅度 的提高。 1.3 課題研究的內(nèi)容、目標(biāo)以及可行性 1.3.1 研究內(nèi)容 利用可編程控制器作為載體，為柔性控制流水線的五軸機(jī)器人設(shè)計一套程序驅(qū)動機(jī)械手進(jìn)行預(yù)定 動作實現(xiàn)工件搬運功能，并可根據(jù)工件的變化要求，隨時更改相關(guān)參數(shù)。 1.3.2 研究目標(biāo) （1）利用西門子 PLC 編寫一套 PLC 的應(yīng)用程序其功能是實現(xiàn)對機(jī)械手的循環(huán)控制，使五軸機(jī) 器人按照預(yù)先設(shè)想的軌跡運行實現(xiàn)工件搬運的功能。 （2）畫出 PLC 的 I/O 分配表、氣路圖以及 PLC 程序。 1.3.3 課題的可行性 本課題所涉及的研究目標(biāo)，通過老師的指導(dǎo)和查閱各種資料，五軸機(jī)器人 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè) 計，絕大部分可以使用電氣工程及其自動化專業(yè)知識進(jìn)行構(gòu)建。 （1）經(jīng)濟(jì)可行性： 本課題通過對既有平臺的使用，能夠設(shè)計出比較完善的機(jī)械手控制系統(tǒng)，沒有任何經(jīng)濟(jì)上的負(fù) 擔(dān)，本課題可以利用我校柔性控制流水線完成鍛煉學(xué)生的自我動手能力。 （3）操作可行性： 本課題要求對可編程控制技術(shù)有比較細(xì)致的了解，能夠通過對以有資料的學(xué)習(xí)和已有技術(shù)的研 習(xí)，利用在我校學(xué)習(xí)的電氣自動化的相關(guān)知識，PLC 控制程序的設(shè)計。從可操作性角度來講，完全 可行。 . . 5 第 2 章 PLC 與氣動技術(shù) 機(jī)械手的控制多種多樣，本課題所研究的柔性控制流水線采用的是利用 PLC 控制來控制氣動 手指。 2.1 PLC 技術(shù)的介紹 可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） ，它采用一類可編程的存儲器，用于其 內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字 或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。本課題是用的是西門子 S7-200 PLC。 2.1.1 PLC 的歷史與發(fā)展 （1）起源 1968 年美國通用汽車公司提出取代繼電器控制裝置的要求；1969 年，美國數(shù)字 設(shè)備公司研制出了第一臺可編程邏輯控制 PDP—14 ，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功， 首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這是第一代可編程邏輯控制器，稱 Programmable，是世界 上公認(rèn)的第一臺 PLC；1969 年，美國研制出世界第一臺 PDP-14；1971 年，日本研制出第一臺 DCS-8；1973 年，德國研制出第一臺 PLC；1974 年，中國研制出第一臺 PLC。 （2）發(fā)展 20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程邏輯控制器，使可編 程邏輯控制器增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。 此時的可編程邏輯控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個人計算機(jī)發(fā)展起來后， 為了方便和反映可編程控制器的功能特點，可編程邏輯控制器定名為 Programmable Logic Controller（PLC） ；20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程邏輯控制器進(jìn)入實用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù) 已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè) 抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID 功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位；20 世紀(jì) 80 年 代初，可編程邏輯控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益 增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段；20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期， 是可編程邏輯控制器發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 30~40%。在這時期，PLC 在處理模擬 量能力、數(shù)字運算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，可編程邏輯控制器逐漸進(jìn)入過 程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)；20 世紀(jì)末期，可編 程邏輯控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個時期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)、誕生 了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程邏輯控制器的工 業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。 2.1.2 PLC 的特點 （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、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 2.1.3 西門子 PLC 西門子公司生產(chǎn)的可編程控制器在我國應(yīng)用相當(dāng)?shù)膹V泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域 都有應(yīng)用。本課題選用的 PLC 是西門子公司制造的 S7-200，S7-200 是超小型化的 PLC，它適用于 各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)控及控制等。S7-200PLC 的強(qiáng)大功能使其無論單機(jī)運行，或 . . 6 練成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 一、PLC 的結(jié)構(gòu)與工作原理 PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，通常由主機(jī)、 輸入/輸出接口、電源、編程器擴(kuò)展器接口和外部設(shè)備接口等幾個主要部分組成。 1.主機(jī) 主機(jī)部分包括中央處理器（CPU） 、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器。CPU 是 PLC 的核 心，它用以運行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)、作出邏輯判斷和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即讀取輸入 變量、完成用戶指令規(guī)定的各種操作，將結(jié)果送到輸出端，并響應(yīng)外部設(shè)備（如編程器、電腦、打 印機(jī)等）的請求以及進(jìn)行各種內(nèi)部判斷等。PLC 的內(nèi)部存儲器有兩類，一類是系統(tǒng)程序存儲器，主 要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對用戶程序作編譯處理的程序，系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更 改；另一類是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器，主要存放用戶編制的應(yīng)用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。 2.輸入/輸出（I/O）接口 I/O 接口是 PLC 與輸入/輸出設(shè)備連接的部件。輸入接口接受輸入設(shè)備（如按鈕、傳感器、觸 點、行程開關(guān)等）的控制信號。輸出接口是將主機(jī)經(jīng)處理后的結(jié)果通過功放電路去驅(qū)動輸出設(shè)備 （如接觸器、電磁閥、指示燈等） 。I/O 接口一般采用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高 了可靠性。I/O 點數(shù)即輸入/輸出端子數(shù)是 PLC 的一項主要技術(shù)指標(biāo)，通常小型機(jī)有幾十個點，中 型機(jī)有幾百個點，大型機(jī)將超過千點。 3.電源 圖中電源是指為 CPU、存儲器、I/O 接口等內(nèi)部電子電路工作所配置的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，通 常也為輸入設(shè)備提供直流電源。 4.編程器 編程器是 PLC 的一種主要的外部設(shè)備，用于手持編程，用戶可用以輸入、檢查、修改、調(diào)試 程序或監(jiān)示 PLC 的工作情況。除手持編程器外，還可通過適配器和專用電纜線將 PLC 與電腦聯(lián)接， 并利用專用的工具軟件進(jìn)行電腦編程和監(jiān)控。 5.輸入/輸出擴(kuò)展單元 I/O 擴(kuò)展接口用于連接擴(kuò)充外部輸入/輸出端子數(shù)的擴(kuò)展單元與基本單元（即主機(jī)） 。 6.外部設(shè)備接口 此接口可將編程器、打印機(jī)、條碼掃描儀等外部設(shè)備與主機(jī)相聯(lián)，以完成相應(yīng)的操作。 7.PLC 的工作原理 PLC 是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即在 PLC 運行時，CPU 根據(jù)用戶按控 輸入模 塊 CPU模 塊 輸出模 塊 可 編 程 序 控 制 器 編 程 裝 置 接 觸 器電 磁 閥 指 示 燈電 源 電 源 限 位 開 關(guān)選 擇 開 關(guān) 按 鈕 . . 7 制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳 轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令， 開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。 PLC 的掃描一個周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。 PLC 在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀 態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn) 入程序執(zhí)行階段。 PLC 在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，執(zhí)行的結(jié)果再寫入 輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。 輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出 鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)輸出設(shè)備工作。 二、S7-200 PLC 的硬件組成及指令系統(tǒng) S7-200CPU 將一個微處理器、一個集成電源和數(shù)字量 I/O 點集成在一個緊湊的封裝中，從而形 成了一個功能強(qiáng)大的微型 PLC，具體見下圖： S7-200CPU 模塊包括一個中央處理器（CPU） 、電源以及 I/O 點，這些都被集成在一個緊湊、獨 立的設(shè)備中。 CPU 負(fù)責(zé)執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù)，以便對工業(yè)自動控制任務(wù)或過程進(jìn)行控制 輸入和輸出時系統(tǒng)的控制點：輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中（例如傳感器或開關(guān)）采集信號，輸出 部分則控制泵、電機(jī)、指示燈以及工業(yè)過程中的其他設(shè)備。 電源向 CPU 及所連接的任何模塊提供電力支持。 通信端口用于連接 CPU 與上位機(jī)或其他工業(yè)設(shè)備。 狀態(tài)信號燈顯示了 CPU 工作模式，本機(jī) I/O 的當(dāng)前狀態(tài)，以及檢查出的系統(tǒng)錯誤。 2.2 氣動技術(shù)的介紹 機(jī)械手的驅(qū)動方式有很多種比如電動式機(jī)械手、液壓式機(jī)械手、機(jī)械式機(jī)械手以及氣動試機(jī)械 . . 8 手，本課題所描述的五軸機(jī)器人中的氣動手指就是用氣動技術(shù)驅(qū)動的，那么我們來了解一下氣動技 術(shù)。 氣動技術(shù)，全稱氣壓傳動與控制技術(shù)，是生產(chǎn)過程自動化和機(jī)械化的最有效手段之一，具有高 速高效、清潔安全、低成本、易維護(hù)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于輕工機(jī)械領(lǐng)域中，在食品包裝及生產(chǎn)過 程中也正在發(fā)揮越來越重要的作用。 2.2.1 氣動技術(shù)的特點 （1）氣動裝置結(jié)構(gòu)簡單、輕便、安裝維護(hù)簡單。壓力等級低、使用安全相對液壓系統(tǒng)安全一 些 （2）工作介質(zhì)是取之不盡的空氣、空氣本身不花錢。排氣處理簡單，不污染環(huán)境，但電能消 耗較大，能源轉(zhuǎn)換率很低，初期成本較低，但使用成本較高。 （3）輸出力以及工作速度的調(diào)節(jié)非常容易。氣缸的動作速度一般為 50~500mm/s。但運行速度 穩(wěn)定性不高。 （4）可靠性不太高，使用壽命受氣源潔凈度和使用頻率的影響較大。 （5）利用空氣的壓縮性，可貯存能量，實現(xiàn)集中供氣?？啥虝r間釋放能量，以獲得間歇運動 中的高速響應(yīng)?？蓪崿F(xiàn)緩沖。對沖擊負(fù)載和過負(fù)載有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。在一定條件下，可使氣動裝 置有自保持能力。 （6）全氣動控制具有防火、防爆、防潮的能力。與液壓方式相比，氣動方式可在高溫場合使 用（通常為 160℃以內(nèi)） 。 2.2.2 氣動元件 在氣動技術(shù)中電磁閥的運用非常重要。如果想利用 PLC 控制氣動機(jī)械手，那么必須要簡單的熟 悉一下氣缸、氣動電磁閥的用法和控制的方法。 （1）氣缸示意圖 注：氣缸的正確運動使物料到達(dá)相應(yīng)的位置，只要交換進(jìn)出氣的方向就能改變氣缸的伸出（縮 回）運動，氣缸兩側(cè)的磁性開關(guān)可以識別氣缸是否已經(jīng)運動到位。 （2）單向電磁閥示意圖 . . 9 注：單向電控閥用來控制氣缸單向運動，實現(xiàn)氣缸的伸出、縮回運動。與雙向電控閥區(qū)別在雙 向電控閥初始位置是任意的可以控制兩個位置，而單控初始位置是固定的只能控制一個方向。 2.2.3 氣動手指控制示意圖 注：上圖中手爪夾緊由單向電控氣閥控制，當(dāng)電控氣閥得電,手爪夾緊，當(dāng)電控氣閥斷電后， 手爪張開。 2.3 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器 本課題是用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器為雷賽 M415B，下邊簡單介紹一 下此型號。 2.3.1 元件簡介： M415B 是采用中國專利技術(shù)生產(chǎn)的細(xì)分型高性能步進(jìn)驅(qū)動器(M = Microstep),適合驅(qū)動中小 型的任何 1.5A 相電流以下的兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)。由于采用新型的雙極性恒流斬波驅(qū)動技 術(shù)，使用同樣的電機(jī)時可以比其它驅(qū)動方式輸出更大的速度和功率。其細(xì)分功能使步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)精 度提高 1-64 倍。每秒兩萬次的斬波頻率，可以消除驅(qū)動器中的斬波噪聲。另一有用的功能是靜止 自動減流：當(dāng)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時，輸出電流可自動降至較低值，從而減少電機(jī)和驅(qū)動器的發(fā)熱。 靜止電流值可由用戶視具體應(yīng)用自由設(shè)定。適合各種小型自動化設(shè)備和儀器，例如：氣動打標(biāo)機(jī)、 貼標(biāo)機(jī)、割字機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、繪圖儀、小型雕刻機(jī)、數(shù)控機(jī)床、拿放裝置等。在用戶期望低振動、 小噪聲、高精度、高速度的小型設(shè)備中效果特佳。 . . 10 2.3.2 元件圖片 2.3.3 元件特性 1． 高性能、低價格 2． 供電電壓可達(dá) 40VDC 3． 驅(qū)動電流可達(dá) 1.5A 4． 靜止時電流可自動減半 5． 細(xì)分精度 64 細(xì)分可選,動態(tài)可改細(xì)分 6． 光隔離信號輸入 7． 電機(jī)噪聲優(yōu)化功能 8． 可驅(qū)動任何 1.5A 相電流以下兩相、四相混合式步進(jìn)電機(jī) 9． 雙極恒流斬波方式 10．20KHz 斬波頻率，最高頻率 100KHz 11．精巧的外形尺寸便于安裝 2.3.4 電氣指標(biāo) 說明 最小值 典型值 最大值 單位 供電電壓 18 24 40 V 均值輸出電流 0.21 1 1.5 A 邏輯輸入電流 6 15 30 mA 步進(jìn)脈沖響應(yīng)頻率 —— —— 100 kHz 脈沖低電平時間 5 —— 1 us 2.3.5 接線信號描述 信號 功能 PUL 脈沖信號：上升沿有效，每當(dāng)脈沖由低變高時電機(jī)走一步 DIR 方向信號：用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，TTL 電平驅(qū)動 OPTO 光耦驅(qū)動電源 ENA 使能信號：禁止或允許驅(qū)動器工作，低電平禁止 GND 直流電源地 +V 直流電源正極典型值 24V A+ 電機(jī) A 相 A- 電機(jī) A 相 . . 11 B+ 電機(jī) B 相 B- 電機(jī) B 相 2.3.6 接線 細(xì)撥設(shè)置 （1）電流設(shè)置 （2）細(xì)分設(shè)置 （3）接線圖 . . 12 備注：使用 24V 電源時在信號線上串 2K 電阻。 2.4 編碼器 編碼器（encoder） 是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的 信號形式的設(shè)備。 編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者成為碼盤，后者稱碼尺．按照 . . 13 讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣 區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0” ；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏 元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0” ，通過“1”和“0”的二進(jìn)制編碼來將 采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。 利用電磁感應(yīng)原理將兩個平面型繞組之間的相對位移轉(zhuǎn)換成電信號的測量元件，用于長度測量工 具。 感應(yīng)同步器（俗稱編碼器、光柵尺）分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩類。前者由定尺和滑尺組成，用 于直線位移測量；后者由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于角位移測量。1957 年美國的 R.W.特利普等在美國 取得感應(yīng)同步器的專利，原名是位置測量變壓器，感應(yīng)同步器是它的商品名稱，初期用于雷達(dá)天線 的定位和自動跟蹤、導(dǎo)彈的導(dǎo)向等。在機(jī)械制造中，感應(yīng)同步器常用于數(shù)字控制機(jī)床、加工中心等 的定位反饋系統(tǒng)中和坐標(biāo)測量機(jī)、鏜床等的測量數(shù)字顯示系統(tǒng)中。它對環(huán)境條件要求較低，能在有 少量粉塵、油霧的環(huán)境下正常工作。 定尺上的連續(xù)繞組的周期為 2 毫米?；呱嫌袃蓚€繞組，其 周期與定尺上的相同，但相互錯開 1/4 周期 (電相位差 90°)。感應(yīng)同步器的工作方式有鑒相型和 鑒幅型的兩種。前者是把兩個相位差 90°、頻率和幅值相同的交流電壓 U1 和 U2 分別輸入滑尺上 的兩個繞組，按照電磁感應(yīng)原理，定尺上的繞組會產(chǎn)生感應(yīng)電勢 U。如滑尺相對定尺移動，則 U 的相位相應(yīng)變化，經(jīng)放大后與 U1 和 U2 比相、細(xì)分、計數(shù)，即可得出滑尺的位移量。在鑒幅型中， 輸入滑尺繞組的是頻率、相位相同而幅值不同的交流電壓，根據(jù)輸入和輸出電壓的幅值變化，也可 得出滑尺的位移量。由感應(yīng)同步器和放大、整形、比相、細(xì)分、計數(shù)、顯示等電子部分組成的系統(tǒng) 稱為感應(yīng)同步器測量系統(tǒng)。它的測長精確度可達(dá) 3 微米/1000 毫米，測角精度可達(dá) 1″/360 °。 2.4.1 編碼器的優(yōu)點 工 業(yè) 控 制 中 的 定 位 ， 接 近 開 關(guān) 、 光 電 開 關(guān) 的 應(yīng) 用 已 經(jīng) 相 當(dāng) 成 熟 了 ， 而 且 很 好 用 。 可 是 ， 隨 著 工 控 的 不 斷 發(fā) 展 ， 又 有 了 新 的 要 求 ， 這 樣 ， 選 用 旋 轉(zhuǎn) 編 碼 器 的 應(yīng) 用 優(yōu) 點 就 突 出 了 ： 1、 信 息 化 除 了 定 位 ， 控 制 室 還 可 知 道 其 具 體 位 置 ； 2、 柔 性 化 定 位 可 以 在 控 制 室 柔 性 調(diào) 整 ； 現(xiàn) 場 安 裝 的 方 便 和 安 全 、 長 壽 ： 拳 頭 大 小 的 一 個 旋 轉(zhuǎn) 編 碼 器 ， 可 以 測 量 從 幾 個 μ 到 幾 十 幾 百 米 的 距 離 ， n 個 工 位 ， 只 要 解 決 一 個 旋 轉(zhuǎn) 編 碼 器 的 安 全 安 裝 問 題 ， 可 以 避 免 諸 多 接 近 開 關(guān) 、 光 電 開 關(guān) 在 現(xiàn) 場 機(jī) 械 安 裝 麻 煩 ， 容 易 被 撞 壞 和 遭 高 溫 、 水 氣 困 擾 等 問 題 。 由 于 是 光 電 碼 盤 ， 無 機(jī) 械 損 耗 ， 只 要 安 裝 位 置 準(zhǔn) 確 ， 其 使 用 壽 命 往 往 很 長 。 3、 多 功 能 化 除 了 定 位 ， 還 可 以 遠(yuǎn) 傳 當(dāng) 前 位 置 ， 換 算 運 動 速 度 ， 對 于 變 頻 器 ， 步 進(jìn) 電 機(jī) 等 的 應(yīng) 用 尤 為 重 要 。 4、 經(jīng) 濟(jì) 化 對 于 多 個 控 制 工 位 ， 只 需 一 個 旋 轉(zhuǎn) 編 碼 器 的 成 本 ， 以 及 更 主 要 的 安 裝 、 維 護(hù) 、 損 耗 成 本 降 低 ， 使 用 壽 命 增 長 ， 其 經(jīng) 濟(jì) 化 逐 漸 突 顯 出 來 。 . . 14 如 上 所 述 優(yōu) 點 ， 旋 轉(zhuǎn) 編 碼 器 已 經(jīng) 越 來 越 廣 泛 地 被 應(yīng) 用 于 各 種 工 控 場 合 。 2.4.2 光 學(xué) 編 碼 器 的 功 能 特 點 1． 采 用 光 電 感 應(yīng) 技 術(shù) 2． 表 面 貼 裝 無 引 腳 封 裝 3． 提 供 兩 通 道 數(shù) 字 信 號 輸 出 4． 計 數(shù) 頻 率 ： 0~100 KHz 5． 電 源 電 壓 DC5.0V、 5~12V、 12~24V 6． 工 作 溫 度 ： -10 到 70℃ 7． 編 碼 分 辨 率 ： 180 LPI 8． 符 合 RoHS 環(huán) 保 標(biāo) 準(zhǔn) 要 求 2.4.3 輸出信號 信 號 輸 出 有 正 弦 波 （ 電 流 或 電 壓 ） ,方 波 （ TTL、 HTL） ,集 電 極 開 路 （ PNP、 NPN） ,推 拉 式 多 種 形 式 ， 其 中 TTL 為 長 線 差 分 驅(qū) 動 （ 對 稱 A,A-;B,B-;Z,Z-） ,HTL 也 稱 推 拉 式 、 推 挽 式 輸 出 ， 編 碼 器 的 信 號 接 收 設(shè) 備 接 口 應(yīng) 與 編 碼 器 對 應(yīng) 。 信 號 連 接 —編 碼 器 的 脈 沖 信 號 一 般 連 接 計 數(shù) 器 、 PLC、 計 算 機(jī) ， PLC 和 計 算 機(jī) 連 接 的 模 塊 有 低 速 模 塊 與 高 速 模 塊 之 分 ， 開 關(guān) 頻 率 有 低 有 高 。 如 單 相 聯(lián) 接 ， 用 于 單 方 向 計 數(shù) ， 單 方 向 測 速 。 A.B 兩 相 聯(lián) 接 ， 用 于 正 反 向 計 數(shù) 、 判 斷 正 反 向 和 測 速 。 A、 B、 Z 三 相 聯(lián) 接 ， 用 于 帶 參 考 位 修 正 的 位 置 測 量 。 A、 A-， B、 B-， Z、 Z-連 接 ， 由 于 帶 有 對 稱 負(fù) 信 號 的 連 接 ， 電 流 對 于 電 纜 貢 獻(xiàn) 的 電 磁 場 為 0， 衰 減 最 小 ， 抗 干 擾 最 佳 ， 可 傳 輸 較 遠(yuǎn) 的 距 離 。 對 于 TTL 的 帶 有 對 稱 負(fù) 信 號 輸 出 的 編 碼 器 ， 信 號 傳 輸 距 離 可 達(dá) 150 米 。 對 于 HTL 的 帶 有 對 稱 負(fù) 信 號 輸 出 的 編 碼 器 ， 信 號 傳 輸 距 離 可 達(dá) 300 米 。 第 3 章五軸機(jī)器人的動作流程 3.1 五 軸 機(jī) 器 人 的 動 作 流 程 3.1.1 有 工 件 時 五 軸 機(jī) 器 人 的 動 作 如 果 相 應(yīng) 工 位 有 工 件 ， 首 先 五 軸 機(jī) 器 人 檢 測 本 身 是 否 在 初 始 位 置 （ 不 在 初 始 位 置 要 先 恢 復(fù) 至 初 始 位 置 ） ==》 一 機(jī) 械 臂 下 降 至 所 需 位 置 （ 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動 ） =》 氣 動 手 指 抓 緊 工 件 ==》 機(jī) 械 臂 上 升 至 所 需 位 置 （ 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動 ） ==》 基 座 右 移 （ 或 根 據(jù) 實 際 情 況 左 移 ） 至 所 需 位 置 ==》 基 座 順 時 針 旋 轉(zhuǎn) （ 或 根 據(jù) 實 際 情 況 逆 時 針 旋 轉(zhuǎn) ） 至 所 需 位 置 ==》 氣 夾 順 時 針 旋 轉(zhuǎn) （ 或 根 據(jù) 實 際 情 況 逆 時 針 旋 轉(zhuǎn) ） 至 所 需 位 置 ==》 氣 動 手 指 松 開 將 工 件 放 下 ==》 五 軸 機(jī) 器 人 恢 復(fù) 到 初 始 位 置 ==》 進(jìn) 行 下 一 個 工 作 周 期 。 3.1.2 沒 有 工 件 五 軸 機(jī) 器 人 的 動 作 . . 15 如 果 沒 有 工 件 ， 那 么 機(jī) 械 手 就 不 必 動 作 ， 在 初 始 位 等 待 工 件 的 到 來 ， 以 進(jìn) 行 下 一 步 動 作 。 3.2 五 軸 搬 運 機(jī) 器 人 元 器 件 第 4 章 PLC 的編程 4.1 I/0 分配表 接近開關(guān) LG8-1K 直流 8mm±20 % 200mA 10~30V 5 光電開關(guān) SB03-1K 暫缺 200mA 10~30V 1 繼電器 ARM2F-L 無 24V 6 單向電控閥 6V110—06 24V 1 步進(jìn)直流電 機(jī) 24D25-24GN 直流 3000r 24V 功率：25W 1.6A 2 限位開關(guān) V-155-1C25 4 編碼器 ZSP3.806- H03G- 400B/12 1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動器 M415B 24V 2 輸入 輸出 序號 輸入設(shè)備 PLC 地址 序號 輸出設(shè)備 PLC 地址 1 基座右旋到位 I0.4 14 X 軸步進(jìn)驅(qū)動器 PUL Q0.0 . . 16 4.2外部接線圖 4.3 程序（示例） 主程序 2 氣夾正傳傳感器 I0.5 15 Z 軸步進(jìn)驅(qū)動器 PUL Q0.1 3 氣夾反轉(zhuǎn)傳感器 I0.6 16 X 軸步進(jìn)驅(qū)動器 DIR Q0.2 4 基座原點傳感器 I0.7 17 Z 軸步進(jìn)驅(qū)動器 DIR Q0.3 5 X 軸左限位 I1.0 18 基座右行走 Q0.4 6 X 軸右限位 I1.1 19 基座左行走 Q0.5 7 Z 軸上限位 I1.2 20 氣夾電磁閥 + Q0.6 8 Z 軸下限位 I1.3 21 基座電機(jī)正轉(zhuǎn) Q1.0 9 基座行走左限位 I1.4 22 基座電機(jī)反轉(zhuǎn) Q1.2 10 基座行走原點限位 I1.5 23 氣夾電機(jī)正轉(zhuǎn) Q1.3 11 基座行走右限位 I1.6 24 氣夾電機(jī)反轉(zhuǎn) Q1.4 12 工件傳到位傳感器 I1.7 13 編碼器 A 相 I0.1 . . 17 . . 18 . . 19 子程序 Z 軸步進(jìn)電機(jī) Z 軸停止程序 高速計數(shù)器 hsc0 . . 20 X 軸步進(jìn)電機(jī) X 軸停止 . . 21 高速計數(shù)器 hscX 高速計數(shù)器 hscZ . . 22 總 結(jié) 這 次 做 論 文 的 經(jīng) 歷 也 會 使 我 終 身 受 益 ， 我 感 受 到 做 論 文 是 要 真 真 正 正 用 心 去 做 的 一 件 事 情 ， 是 真 正 的 自 己 學(xué) 習(xí) 的 過 程 和 研 究 的 過 程 ， 沒 有 學(xué) 習(xí) 就 不 可 能 有 研 究 的 能 力 ， 沒 有 自 己 的 研 究 ， 就 不 會 有 所 突 破 ， 那 也 就 不 叫 論 文 了 。 希 望 這 次 的 經(jīng) 歷 能 讓 我 在 以 后 學(xué) 習(xí) 中 激 勵 我 繼 續(xù) 進(jìn) 步 。 不 積 跬 步 何 以 至 千 里 ， 本 設(shè) 計 能 夠 順 利 的 完 成 ， 也 歸 功 于 各 位 任 課 老 師 的 認(rèn) 真 負(fù) 責(zé) ， 使 我 能 夠 很 好 的 掌 握 和 運 用 專 業(yè) 知 識 ， 并 在 設(shè) 計 中 得 以 體 現(xiàn) 。 正 是 有 了 他 們 的 悉 心 幫 助 和 支 持 ， 才 使 我 的 畢 業(yè) 論 文 工 作 順 利 完 成 ， 感 謝 他 們 四 年 來 的 諄 諄 教 導(dǎo) 、 辛 勤 栽 培 。 . . 23 參 考 文 獻(xiàn) ? [1]劉明保，呂春紅等.機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)的確定 .河南高等?？茖W(xué)校學(xué)報.2004.1.1. ? [2]李超.氣動通用上下料機(jī)械手的研究與開發(fā).陜西科技大學(xué) .2003 ? [3]陸祥生，楊繡蓮.機(jī)械手.中國鐵道出版社.1985.1 ? [4]張建民.工業(yè)機(jī)械人.北京：北京理工大學(xué)出版社. 1992 ? [5]史國生.機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用.中國工控信息網(wǎng) .2005.1. ? [6]李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計.機(jī)械工業(yè)出版社.1996.4 . ? [7]蔡自興.機(jī)械人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機(jī)械人技術(shù) .2001.4. ? [8]常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器.機(jī)械工業(yè)出版社 .2004.6 ? [9]蔡自興.機(jī)器人原理及其應(yīng)用.湖南:中南工業(yè)大學(xué)出版社 .1988. ? [10]常健生.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社.1998.8 ? [11]齊從謙 王士蘭.PLC 技術(shù)及應(yīng)用 PLC 技術(shù)及應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社。 ? [12]范印越.機(jī)器人技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社.1988 . ? [13]劉德滿，尹朝萬.機(jī)器人智能控制技術(shù).長春:東北大學(xué)出版社 .1993. . . 24 致 謝 最后要感謝在整個論文寫作過程中幫助過我的每一位人。首先，也是最主要感謝的是我的指導(dǎo) 老師，朱顯明老師。在整個過程中他給了我很大的幫助在論文題目制定時，他首先肯定了我的題目 大方向，但是同時又幫我具體分析使我最后選擇，五軸搬運機(jī)器人這個具體目標(biāo)，讓我在寫作時有 了具體方向。在論文提綱時，我的思路不是很清晰，經(jīng)過老師的幫忙，讓我具體寫作時思路頓時清 晰。在完成初稿后，老師認(rèn)真查看了我的文章，指出了我存在的很多問題。在此十分感謝朱老師老 師的細(xì)心指導(dǎo)，才能讓我順利完成畢業(yè)論文。