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河北工業(yè)大學 基于PLC的機械手臂的設計 院 部: 專 業(yè): 班 級: 姓 名: ***** 學 號: ****** 指導老師: 摘 要 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，本文介紹的是機械手模型基于PLC的控制系統(tǒng)設計。 首先，對可編程控制器進行相應的介紹，選擇了PLC的型號。然后，通過對機械手的各功能實現(xiàn)形式和控制方式研究，給出各部分的實現(xiàn)方案并確定了控制系統(tǒng)的器材。最后，進行PLC控制系統(tǒng)的硬件結構和軟件程序設計。 關鍵字： 可編程控制器PLC 機械手 步進電機 ABSTRACT Robots are a kind of automatic positioning control and can be programmed to change to the multi-function machine are introduced in this paper, the model of the manipulator based on PLC control system design. First, the programmable controller to introduce, make corresponding choice model of the PLC. Then, based on the function of the manipulator realization and control methods are studied, and the scheme of realization of the control system and the equipment. Finally, the PLC control system, the hardware structure and software design. Key words: PLC programmable controller Manipulator Stepping motor 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 機械手的定義與分類 1 1.3 機械手應用及組成結構 2 1.4 機械手的發(fā)展趨勢 3 1.5 總體設計要求 3 第2章 PLC的介紹與選擇 5 2.1 PLC的特點 5 2.2 PLC的選型 5 2.3 三菱FX系列的結構功能 7 第3章 各功能實現(xiàn)形式與控制方式 9 3.1 本機械手模型的機能和特性 9 3.2 夾緊機構 9 3.3 軀干 9 3.4 旋轉編碼盤 10 第4章 控制系統(tǒng)設計 11 4.1 控制系統(tǒng)硬件設計 11 4.1.1 PLC梯形圖中的編程元件 11 4.1.2 PLC的I/O分配 11 4.1.3 機械手控制系統(tǒng)的外部接線圖 12 4.2 控制系統(tǒng)軟件設計 13 4.2.1 公用程序 13 4.2.2 自動操作程序 15 4.2.3手動單步操作程序 20 4.2.4 回原位程序 23 4.3 PLC程序的上載和下載 25 4.3.1 PLC程序的上載 25 4.3.2 PLC程序的下載 25 第5章 設計小結 27 致 謝 28 參 考 文 獻 29 第1章 緒論 1.1 課題背景 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，具有十分重要的意義。 同時，借助組態(tài)軟件的輔助作用，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。 綜上所述，有效地應用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.2 機械手的定義與分類 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機具進行焊接和裝配。因此，它能大大地改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，并投入了大量的物力和財力加以研究和應用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。 機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手，它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定工作。它的特點是除具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號操作機械手來進行探測月球、火星等。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用于解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。本項目要求設計的機械手模型可歸為第一類，即通用機械手。 1.3 機械手應用及組成結構 目前工業(yè)機械手主要用于流水線傳送、焊接、裝配、機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面都能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 在國內主要是發(fā)展各方面的機械手，逐步擴大應用范圍，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，專用條件還要研制示教機械手、組合機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，以及用于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機械手，即便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機械手的作用。 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)構成。 執(zhí)行機構包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉動、開閉手指。機械手手部的構造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無關節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作的需要。本設計采用二指的構造。手臂的作用是引導手指準確地抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位?？傊?，機械手的運動離不開直線移動和轉動二種，因此它采用的執(zhí)行機構主要是直線液壓缸、擺動液壓缸、電液脈沖馬達、伺服液壓馬達、交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電動機等。軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構的機架。 驅動機構主要有四種：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以電氣、氣動用得最多，占90％以上，液壓、機械驅動用得較少。液壓驅動主要是通過液壓缸、閥、油箱等實現(xiàn)傳動。氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。一般采用4～6個大氣壓，個別達到8～10個大氣壓。本設計的手爪部分采用氣壓驅動。電氣驅動時，直線運動可以采用電動機帶動絲杠、螺母機構。通用機械手則考慮采用步進電動機、直流或交流的伺服電動機、變速箱等。本設計采用步進電動機驅動手臂運動，直流電動機驅動手爪和機械手的底盤旋轉運動。機械驅動只適用于動作固定的場合。 機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度和加減速度等。機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點位控制為主，占90％以上。 控制系統(tǒng)可以根據(jù)動作的要求，設計采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加以儲存，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手工作。對動作復雜的機械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)。 本設計的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實現(xiàn)，具有編程簡單、修改容易、可靠性高等。 1.4 機械手的發(fā)展趨勢 機械手自二十世紀六十年代初問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中重要的機電設備。目前，機械手技術有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機械手、微型機械手和微操作系統(tǒng)（如細小工業(yè)管道機械手移動探測系統(tǒng)、微型飛行器等）、機械手化機器、智能機械手（不僅可以進行事先設定的動作，還可按照工作狀況相應地進行動作，如回避障礙物的移動，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動態(tài)學習等）。機械手的應用領域正在向非制造業(yè)和服務業(yè)方向擴展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機械手也將越來越多地裝備部隊。 國外方面：近幾年國外工業(yè)機械手領域有如下幾個發(fā)展趨勢。機械手性能不斷提高，而單機價格不斷下降；機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實技術在機械手中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制。 國內方面：目前在一些機種方面，如噴涂機械手、弧焊機械手、點焊機械手、搬運機械手、裝配機械手、特種機械手（水下、爬壁、管道、遙控等機械手）基本掌握了機械手操作機的設計制造技術，解決了控制驅動系統(tǒng)的設計和配置，軟件的設計和編制等關鍵技術，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設備的全套自動通信、協(xié)調控制技術；在基礎元件方面，諧波減速器、機械手焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術方面來說，我國已經(jīng)具備了獨立自主發(fā)展中國機械手技術的基礎。 1.5 總體設計要求 1.機械手結構示意圖 圖1-1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 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。 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PLC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。 第2章 PLC的介紹與選擇 對于機械手的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如繼電器控制、單片機控制、PLC控制等。但由于PLC可編程控制器操作靈活性強和穩(wěn)定性較好，所以，我們選擇PLC控制。 2.1 PLC的特點 可編程控制器是在計算機技術、通信技術和繼電器控制技術的發(fā)展基礎上開發(fā)起來的，現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。它以微處理器為核心，用編寫的程序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來控制機械設備或生產(chǎn)過程。 高可靠性（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離；（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10～20ms；（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾；（4）采用性能優(yōu)良的開關電源。（5）對采用的器件進行嚴格的篩選；（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大；（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。 豐富的I/O接口模塊PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流、開關量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按鈕、行程開關、接近開關、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。 采用模塊化結構 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 編程簡單易學 PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。 安裝簡單，維修方便 PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設計編制。 2.2 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。 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。 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，還可以采用梯形土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。 2. 確定型號FX1N－60MR 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，應用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結合的疊裝式結構。 2.2.3 FX1N所具有優(yōu)越性能 CPU處理速度達到了0.065us/基本指令。內置了高達64K步的大容量RAM存儲器。大幅增加了內部軟元件的數(shù)量。強化了指令的功能，提供了多達209條應用指令，包括像與三菱變頻器通訊的指令，CRC計算指令，產(chǎn)生隨機數(shù)指令等等。 晶體管輸出型的基本單元內置了3軸獨立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令：帶DOG搜索的原點回歸（DSZR），中斷單速定位（DVIT）和表格設定定位（TBL），從而使得定位控制功能更加強大，使用更為方便。內置6點同時100kHz的高速計數(shù)功能，雙相計數(shù)時可以進行4倍頻計數(shù)。 增強了通信的功能，其內置的編程口可以達到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同時使用3個通信口（包括編程口在內）。新增了高速輸入輸出適配器，模擬量輸入輸出適配器和溫度輸入適配器，這些適配器不占用系統(tǒng)點數(shù)，使用方便，在FX3U的左側最多可以連接10臺特殊適配器其中通過使用高速輸入適配器可以實現(xiàn)最多8路、最高200kHz的高速計數(shù)。通過CC-Link網(wǎng)絡的擴展可以實現(xiàn)最多達384點（包括遠程I/O在內）的控制?？梢赃x裝高性能的顯示模塊（FX3U-7DM）可以顯示用戶自定義的英文、數(shù)字和日文漢字信息，最多能夠顯示：半角16個字符(全角8個字符) 4行。在該模塊上可以進行軟元件的監(jiān)控、測試，時鐘的設定，存儲器卡盒與內置RAM間程序的傳送、比較等操作。另外，還可以將該顯示模塊安裝在控制柜的面板上。 2.3 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2-1系統(tǒng)電源有些在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2-1 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51～120Ω，電容取0.1～0.47μF，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2-2為輸入輸出口的保護環(huán)節(jié)示意圖。 圖2-2 輸入輸出口的保護 第3章 各功能實現(xiàn)形式與控制方式 3.1 本機械手模型的機能和特性 物體在三維空間內的禁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，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5個。即：手臂前后伸縮、手臂上下伸縮、手臂左右旋轉、手腕回轉、手指的抓握。 3.2 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位，一般可設置在180度。 3.3 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。手臂采用電動機帶動絲杠、螺母來實現(xiàn)伸縮和升降運動。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。采用絲杠、螺母結構傳動的特點是易于自鎖、位置精度較高，傳動效率較高。 3.4 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準確的角度。編碼盤的機構如圖3-1。 圖3-1 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3-1。 表3-1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 PLC FX1N-60MR 1 限位開關 LX19-111 8 電磁閥 VF3130 1 轉換開關 LW6-5 1 按鈕 LA10-1H 13 熔斷器 RC1A-30/15 2 連接導線 若干 第4章 控制系統(tǒng)設計 4.1 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4-1。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4-1 控制面板示意圖 4.1.1 PLC梯形圖中的編程元件 設計選用FX1N－60MR，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運行開始時接通一個掃描周期）； M8005——PLC后備鋰電池電壓過低時接通； M8011——10ms時鐘脈沖； M8013——100ms時鐘脈沖； M8012——1s時鐘脈沖； M8014——1min時鐘脈沖。 4.1.2 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4-1所示。 表4-1 PLC輸入/輸出分配表 輸入信號 輸出信號 手動 SA 上升/下降步進電機 YA0 Y0 回原位 SA X1 YA1 Y1 連續(xù) SA X2 YA2 Y2 回原位 SB1 X3 前進/后退步進電機 YA3 Y3 啟動 SB2 X4 YA4 Y4 停止 SB3 X5 YA5 Y5 下降 SB4 X6 夾緊 YA6 Y6 上升 SB5 X7 手順轉 YA 7 Y7 夾緊 SB6 X10 手逆轉 YA 8 Y10 松開 SB7 X11 底盤順轉 YA 9 Y11 手順轉 SB8 X12 底盤逆轉 YA10 Y12 手逆轉 SB9 X13 底盤順轉 SB10 X14 底盤逆轉 SB11 X15 下限位 SQ1 X16 上限位 SQ2 X17 前限位 SQ3 X20 后限位 SQ4 X21 底盤順限位 SQ5 X22 底盤逆限位 SQ6 X23 手順限位 SQ7 X24 手逆限位 SQ8 X25 底旋轉脈沖 X26 前行 SB12 X30 后退 SB13 X31 4.1.3 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4-2 PLC外部電氣接線圖4-2 4.2 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4-3，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，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。 4.2.1 公用程序 公用程序如圖4-4，簡要說明如下：當Y6復位（電磁閥松開）、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4-3 程序總的結構圖 圖4-4公用程序梯形圖 圖4-5 自動的功能流程圖 4.2.2 自動操作程序 自動操作順序功能流程圖見圖4-5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X21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4-6。 圖4-6自動程序段梯形圖 4.2.3手動單步操作程序　 如下圖所示。圖中上升/下降，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4-7手動程序梯形圖 4.2.4 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4-8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。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。 4.3 PLC程序的上載和下載 4.3.1 PLC程序的上載 所謂PLC程序的上載,就是把PLC中的程序讀入到計算機中,其操作步驟如下： 1、通信電纜的連接。應使用編程轉換接口電纜SC－09連接好計算機的RS－232C接口和PLC的RS－422編程器接口。 2、端口設置。選擇“PLC”菜單下的“端口設置”菜單命令，可選擇計算機與PLC通信的RS－232C串行口（COM1~COM4）和“傳送速率”（9600或19200bit/s）。 3、程序上載。選擇“PLC”菜單下的“傳送”子菜單中的“讀入”，就會彈出如圖4-10所示的“PLC類型選擇對話框”，選擇實際型號的PLC類型后，點“確定”按鈕后，將PLC中的程序讀入到計算機中。 圖4-9 程序讀入PLC類型選擇對話框 4.3.2 PLC程序的下載 所謂PLC程序的下載，就是把計算機中的程序寫入到PLC中，其操作步驟是“通信電纜的連接”和“端口設置”，同“PLC的程序的上載”中的步驟1和2。而PLC程序的下載的操作步驟是： 在執(zhí)行下載功能時，首先應將PLC上的主機開關撥在“STOP”位置，如果使用了RAM或EEPROM存儲器卡，其寫保護在處于關斷狀態(tài)。選擇“PLC”菜單下“傳送”子菜單中“寫出”，將計算機中的程序發(fā)送到PLC中，在彈出的窗口中選擇“范圍設置”，如圖4-11所示，可減少寫入所需的時間。 圖4-10 程序寫出對話框 另外，執(zhí)行菜單命令“PLC——傳送——校驗”是用來比較計算機和PLC中的順序程序是否相同。如果二者不符合，將顯示與PLC不相符的指令的步序號。選中某一步序號，可顯示計算機和PLC中該步的序號指令。 第5章 設計小結 通過本設計可以讓大家清楚的了解三菱公司FX系列PLC的特點,機械手模型控制系統(tǒng)利用了三菱FX系列PLC的特點，對按鈕、電磁閥、編碼盤以及其他一些輸入/輸出點進行控制，實現(xiàn)了工業(yè)機械手模型的手動和自動控制。 采用PLC進行工業(yè)機械手模型運行控制，控制系統(tǒng)的硬件結構大為簡化，同時由于采用的是“軟接線”方法的程序控制，系統(tǒng)的可靠性和靈活性都大大提高。當然，機械手模型系統(tǒng)的信號輸入點數(shù)較多，工作方式多樣，所以程序較復雜。 通過本次設計對所涉及的知識有了更透徹的掌握，對實用化的技術理論有了更清晰了解。知道設計的方法，如何去查閱資料，怎樣去解決問題，為以后做設計鋪平道路。 致 謝 在這四年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)過近半年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)設計也不會完成。當我打完畢業(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。 回首這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做完了。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。 我首先要感謝我的導師魏老師，魏老師每周安排見面會，身體力行、兢兢業(yè)業(yè)地為我們排憂解難，對我們的構思以及論文的內容不厭其煩的進行多次指導和悉心指點，使我在完成論文的同時也深受啟發(fā)和教育。魏老師不僅治學嚴謹而且為人師表，堪稱良師益友，教給我們的不僅是知識還有待人處世的積極態(tài)度，在此表示衷心的感謝。 我還要感謝其他帶畢業(yè)設計的老師在本次設計中給予我們幫助和指導！也感謝對本次設計提供幫助的人。 最后感謝培育我四年的河北工業(yè)大學！ 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，2005.8 [2] 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，2005.1 [3] 瞿大中. 可編程控制與實驗[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,2006.1. [6] 余雷聲. 電器控制與PLC應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1996：58-63 [7] 程周. 可編程控制器技術與應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2002.8：99-102 [8] 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，2004：88-90 [9] 黃凈. 電氣及PLC控制技術[M]. 北京：機械工業(yè)出版社：72 [10] 張萬忠，孫晉. 可編程控制器入門與應用實例（三菱FX2N系列）[M]. 北京：中國電力出版社，2005：86-98 [11] 王孫.關節(jié)式機械手本體及控制系統(tǒng)設計[M].西安交大機械電子工程研究所,CN 44-1259/TH. [12] 高欽和. 可編程控制器應用技術與設計實例[M]. 北京：人民郵電出版社，2004.7：7-10 [13] 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 [14] J.R.Pollard. Open Architecture for Control.Industial Computing, June, 1996 [15] V.J.Vada. The evolution of PLC-based loop control. Control engineering, 1995 [16] http://www.newmaker.com/disp_art/133/13647.html.機械產(chǎn)品方案的現(xiàn)代設計方法及發(fā)展趨勢 [17] http://www.zjzc.com/.手持編程器的使用說明書.