【電氣工程及其自動化】基于plc的四自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）基于PLC的四自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計二級學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動化完成日期2014年5月10日A基礎(chǔ)理論B應(yīng)用研究C調(diào)查報告D其他目錄1緒論111設(shè)計背景112設(shè)計的目的和意義2121可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度3122可以改善勞動條件、避免人身事故313研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢3131機械手的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢3132PLC控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢414課題主要研究內(nèi)容52基于PLC控制機械手方案的確定521整體設(shè)計522功能作用523各模塊功能的簡單介紹63系統(tǒng)硬件介紹631控制系統(tǒng)接線圖632機械手設(shè)計內(nèi)容7321機械手結(jié)構(gòu)示意圖7322機械手工作流程7323控制要求833步進電機及其驅(qū)動8331步進電機特點8332四相步進電機的工作方式8333步進電機原理圖834PLC控制器選型935電氣接線簡圖94系統(tǒng)軟件設(shè)計1141整體設(shè)計11411總流程設(shè)計11412手動功能設(shè)計12413單步功能設(shè)計13414循環(huán)功能設(shè)計1442程序設(shè)計15421公用程序16422自動操作程序175人機界面設(shè)計1951組態(tài)MCGS軟件的介紹19511MCGS的優(yōu)點19512MCGS組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)1952組態(tài)MCGS與PLC通信1953系統(tǒng)的MCGS組態(tài)環(huán)境206調(diào)試207結(jié)論與展望22參考文獻22附錄24附錄A、梯形圖24附錄B、指令表32致謝36基于PLC的四自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計摘要本文介紹一種基于PLC的四自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計方案。方案中實現(xiàn)了步進電機在機械手中的定位應(yīng)用,詳細論述四自由度機械手控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件實現(xiàn)方法,并建立MCGS組態(tài)環(huán)境界面對系統(tǒng)的運行進行監(jiān)控。關(guān)鍵詞PLC四自由度機械手步進電機MCGS組態(tài)環(huán)境FOURDOFMANIPULATORCONTROLSYSTEMDESIGNBASEDONPLCABSTRACTAFOURDEGREEOFFREEDOMMANIPULATORCONTROLSYSTEMDESIGN,WHICHBASEDONPLC,ISINTRODUCEDINTHISTHESISTHEAPPLICATIONOFSTEPPINGMOTORINMANIPULATORHASBEENREALIZEDTHEHARDWARESTRUCTUREANDSOFTWAREIMPLEMENTATIONOFFOURDEGREEOFFREEDOMMANIPULATORCONTROLSYSTEMHASBEENDISCUSSEDINDETAILTHEMCGSCONFIGURATIONINTERFACETOMONITOROPERATIONOFTHESYSTEMHASBEENSETUPKEYWORDSPLCFOURDEGREESOFFREEDOMMANIPULATORSTEPPINGMOTORMCGSCONFIGURATIONENVIRONMENT1緒論11設(shè)計背景1969年美隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化技術(shù)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(yīng)的威脅。工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡單化，對于一些往復(fù)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(zhì)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(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)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(yīng)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(diào)整。應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐1。機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。近些年，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機械手中越來越多的應(yīng)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(shè)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(zhì)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1。美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出世界第一臺可編程控制器，并成功地應(yīng)用在美國（GM）的生產(chǎn)線上。但當(dāng)時只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER）。70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計算機的迅猛發(fā)展，使PLC從開關(guān)量的邏輯控制擴展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，真正成為一種電子計算機工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC（PROGRAMMABLECONTROLLER）。但由于PC易于個人計算機（PROGRAMMABLECOMPUTER）相混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程器的縮寫。1985年國際電工委員會（IEC）對PLC的定義如下可編程控制器是一種進行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程。PLC是繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)學(xué)處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢。繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種作用（1）邏輯運算（2）弱電控制強電。PLC是集自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已躍居工業(yè)自動化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位，可編程控制器，簡稱PLC。它在集成電路，計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設(shè)備。具有1可靠性高、抗干擾能力強2設(shè)計、安裝容易，維護工作量少3功能強、通訊性好4開發(fā)周期短、成功率高5體積小、重量輕、功耗低等特點。具有功能強、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動化控制的各個領(lǐng)域，并已成為現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱產(chǎn)品。與繼電接觸器系統(tǒng)相比更加可靠；占位空間比繼電接觸器控制系統(tǒng)?。粌r格上能與繼電接觸器控制系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維護、維修；能直接推動電磁閥、接觸器與之相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機構(gòu)；能向中央執(zhí)行機構(gòu)；能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。因此，進行機械手的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以推動機械手行業(yè)的擴展，擴大PLC在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟和理論研究的價值。12設(shè)計的目的和意義機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故2。在機械工業(yè)中在機械工業(yè)中，機械手的應(yīng)用具有以下意義121可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應(yīng)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。122可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。13研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢131機械手的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢機器人（ROBOT）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感器技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多種學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。而且機器人應(yīng)用情況是反映一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。目前，工業(yè)機器人技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，已經(jīng)從傳統(tǒng)制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到諸如采礦、建筑、農(nóng)業(yè)、災(zāi)難救援等各種非制造行業(yè)。但汽車工業(yè)認識工業(yè)機器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù)了解，美國60的工業(yè)機器人用于汽車生產(chǎn)；全世界用于汽車工業(yè)的工業(yè)機器人已經(jīng)達到總用量的37，用于汽車零部件的工業(yè)機器人約占24。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機器手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動化控制技術(shù)、傳感技術(shù)和計算機技術(shù)的科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合性技術(shù)。目前國內(nèi)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元3。國外機械手在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)。國外發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。隨著機械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。132PLC控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢自從美國DEC公司1968年研制成世界上第一臺可編程控制器到現(xiàn)在，PLC技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，在美國、日本、德國、法國等工業(yè)發(fā)達國家已發(fā)展成為重要的產(chǎn)業(yè)，PLC產(chǎn)品已成為工業(yè)領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的基礎(chǔ)自動化設(shè)備，在國際市場上成為倍受歡迎的暢銷產(chǎn)品，用PLC設(shè)計自動控制系統(tǒng)已成為一種世界潮流。從我國國內(nèi)市場使用情況來看，進口大、中型PLC以美國和歐洲產(chǎn)品為主，小型PLC以日本產(chǎn)品為主。前者數(shù)量較少，后者數(shù)量較多。目前，PLC的產(chǎn)品多達數(shù)百種，廠家遍布世界各地，不同領(lǐng)域、不同廠家的產(chǎn)品在使用上相差甚遠，甚至同一廠家不同系列的產(chǎn)品在編程語言和編程方法上也有較大差異。PLC技術(shù)的發(fā)展動向主要表現(xiàn)有以下（1）規(guī)模上向大小兩頭發(fā)展。（2）編程語言向標準化靠攏。（3）輸入輸出模塊智能化和專用化。（4）網(wǎng)絡(luò)通信功能標準化。（5）控制與管理功能一體化。14課題主要研究內(nèi)容本課題主要研究的是基于PLC的四自由度機械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括硬件的設(shè)計和軟件的設(shè)計。重點是通過模擬仿真設(shè)計編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)機械手模型控制系統(tǒng)的自動控制。利用組態(tài)MCGS軟件設(shè)計出人機界面，進行設(shè)備和數(shù)據(jù)對象的連接，實現(xiàn)機械手的監(jiān)控。通過組態(tài)MCGS將機械手的動作過程的參數(shù)實時顯示，使機械手的動作形象化。提供較為直觀、清晰、準確的機械手運行狀態(tài)，為維修和故障診斷提供多方面的可能性，提高系統(tǒng)的工作效率4。2基于PLC控制機械手方案的確定21整體設(shè)計本控制系統(tǒng)以三菱FX2NPLC為核心，與上位機，外部按鈕與傳感器，驅(qū)動電路，動力執(zhí)行元件共同組成。設(shè)計框架如圖1所示。圖1控制系統(tǒng)設(shè)計框架圖22功能作用本控制系統(tǒng)中，上位機用于實時顯示運行時的各參數(shù)，如實時坐標，期望坐標，循環(huán)次數(shù)等。同時上位機也用于用戶功能參數(shù)的設(shè)定，如期望坐標設(shè)定，手動、自動設(shè)定，自動運行又包括單步運行、循環(huán)運行等。外部傳感器用于原點檢測與運行安全保護。按鈕用于手動控制機械手的動作。通過上位機和按鈕的輸入，通過PLC的程序運算與控制輸出，使各電機相互配合動作，實現(xiàn)機械手在用戶設(shè)定的坐標點之間往返運作。23各模塊功能的簡單介紹1上位機模塊顯示PLC實時運行狀態(tài)，用戶功能參數(shù)設(shè)定2按鈕及傳感器模塊硬件監(jiān)視PLC運行安全，手動與緊急控制3PLC模塊進行運算和對執(zhí)行元件的控制功能4驅(qū)動電路模塊將PLC輸出信號轉(zhuǎn)換成功率而控制執(zhí)行元件5執(zhí)行元件模塊執(zhí)行動作實現(xiàn)機械手的各種動作功能3系統(tǒng)硬件介紹31控制系統(tǒng)接線圖圖2控制系統(tǒng)接線圖32機械手設(shè)計內(nèi)容321機械手結(jié)構(gòu)示意圖機械手按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式和機械式機械手,氣動式的需要氣源，必須要有空壓機或者有空壓機站供給氣源，其主要的優(yōu)點是過載保護性能好，具有防爆性，可以在有瓦斯氣體等危險氣體場合使用。電動式的需要電源，不需要氣源等，使用方便、省力。機械式的最為簡單，成本低，價格也低。本方案選用電動式機械手，如圖35。圖3機械手示意圖1、手爪張開閉合2、手腕旋轉(zhuǎn)3、水平移動4、升降5、立柱旋轉(zhuǎn)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322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，步進電動機先回到初始位置橫軸向手抓反方向移動，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(zhuǎn)；當(dāng)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(fù)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(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、底盤都到位后，橫軸前伸；到位后手爪旋轉(zhuǎn)，然后豎軸下降，電磁閥動作，手爪張開；延時后豎軸上升復(fù)位，然后開始下一周期動作。323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(zhuǎn)運動。4手爪夾緊動作。5機械手整體旋轉(zhuǎn)運動。手臂采用步進電機驅(qū)動，由PLC發(fā)出控制脈沖控制步進電動機運轉(zhuǎn),實現(xiàn)手臂的進給和定位，手爪采用氣壓驅(qū)動。33步進電機及其驅(qū)動331步進電機特點給步進脈沖電機就轉(zhuǎn)，不給步進脈沖電機就不轉(zhuǎn)；步進脈沖的頻率越高，步進電機轉(zhuǎn)得越快；改變各相的通電方式，可以改變電機的運行方式；改變通電順序，可以控制電機的正、反轉(zhuǎn)。332四相步進電機的工作方式四相步進電機的工作方式有單四拍工作方式，雙四拍工作方式，單雙八拍。工作方式本方案選單四拍工作方式，它的特點是精度好，功耗小其電機控制繞組A、B、C、D相的正轉(zhuǎn)通電順序為ABCDA；反轉(zhuǎn)通電順序為ADCBA。333步進電機原理圖圖4步進電機原理圖文中機械手，所需精度不很高，力矩也不要太大。步進電機選用的是35BYJ4624V步進電機，步距角為75/4375，電流DC028A/相，額定轉(zhuǎn)速1/85（RPM）R/MIN，最大靜力矩160MNM。所選用的步進電機驅(qū)動器是L298N電機驅(qū)動器，控制信號直流3355V驅(qū)動電機電壓DC524V,可驅(qū)動直流（530V之間電壓的電機）,最大輸出電流2A,特點有具有信號指示、轉(zhuǎn)速可調(diào)、抗干擾能力強等等。34PLC控制器選型FX2N是三菱公司推出的高性能小型可編程控制器,FX系列PLC中應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。FX系列PLC輸出方式有繼電器輸出、可控硅輸出、晶體管輸出，本設(shè)計需要驅(qū)動多個步進電機，輸出頻率較高，故采用晶體管型輸出。輸入輸出觸點計算本機械手采用了四個四相五線制步進電機做關(guān)節(jié)驅(qū)動，所用輸出觸點16個；末端夾具用氣動驅(qū)動，用一個電磁閥控制，所用觸點1個；一個報警燈，用觸點1個，輸出觸點共22個9。機械手自動部分每個關(guān)節(jié)配2個限位開關(guān)，共8個；機械手手動部分每個關(guān)節(jié)配2個輸入端，共8個；電磁閥手爪2個；手動、啟動、回原點、單步、單周期、連續(xù)、停止各一個，共7個。輸入觸點一共25個9。PLC選型時應(yīng)考慮20左右的預(yù)留觸點，故綜合比較，本設(shè)計選用DC24VD的FX2N64MT型號的PLC。35電氣接線簡圖圖5電氣接線簡圖表1輸入觸點名稱輸出觸點名稱X0啟動Y01電機A相X1上限位Y11電機B相X2下限位Y21電機C相X3左限位Y31電機D相X4右限位Y42電機A相X5手順轉(zhuǎn)限位Y52電機B相X6手逆轉(zhuǎn)限位Y62電機C相X7底盤順轉(zhuǎn)限位Y72電機D相X10底盤逆轉(zhuǎn)限位Y103電機A相X11手動Y113電機B相X12回原點Y123電機C相X13單步Y(jié)133電機D相X14單周期Y144電機A相X15連續(xù)Y154電機B相X16停止Y164電機C相X17夾緊Y174電機D相X20松開Y20氣動系統(tǒng)電磁閥X21下降Y21外接報警器X22上升X23左行X24右行X25手順轉(zhuǎn)X26手逆轉(zhuǎn)X27底盤順轉(zhuǎn)X30底盤逆轉(zhuǎn)4系統(tǒng)軟件設(shè)計41整體設(shè)計411總流程設(shè)計啟動之后，首先是根據(jù)各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)狀態(tài)檢測機械手是否在原點位置，如果不在原點，則需要手動復(fù)位至原點。若已在原點，則進入準備就緒狀態(tài)，可以啟動工作。此時，要根據(jù)操作選擇是手動功能、單步功能或循環(huán)功能運行。每當(dāng)一個運行方式結(jié)束，應(yīng)讓機械手回到原點位置，然后再次選擇運行方式。流程圖如下圖6。開始是否在原點準備就緒是開始結(jié)束否手動單周期循環(huán)否結(jié)束CASE1CASE2CASE3手動復(fù)位是圖6總流程圖412手動功能設(shè)計手動功能不用設(shè)定各種運行參數(shù)，運行時將根據(jù)操作員的輸入而控制不同的電機動作，實現(xiàn)不同關(guān)節(jié)的依次控制，同時會記錄和顯現(xiàn)機械手的實時坐標，以便于操作員參考與控制。開始手動準備就緒結(jié)束橫電機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)手爪旋轉(zhuǎn)手張開否返回主菜單CASE1CASE2CASE3是豎電機轉(zhuǎn)CASE4手爪夾緊CASE5底盤旋轉(zhuǎn)圖7手動功能流程圖413單步功能設(shè)計循環(huán)功能需先設(shè)定目標坐標1、目標坐標2，以及在目標坐標上的夾具動作等參數(shù)。每次按下啟動，則從原點出發(fā)，移動到目標坐標1做相應(yīng)動作，再移動到目標坐標2做相應(yīng)動作，回到原點等待下一步指令。CASE6開始單步準備就緒結(jié)束否返回主菜單是運行到坐標1是夾具動作啟動夾具動作運行到坐標2返回原點圖8單步功能流程圖414循環(huán)功能設(shè)計循環(huán)功能需先設(shè)定目標坐標1、目標坐標2，以及在目標坐標上的夾具動作，還需要設(shè)定循環(huán)次數(shù)。工作時，參數(shù)設(shè)定后，啟動，則機械手先從原點移動到目標坐標1，做相應(yīng)動作，再移動到目標坐標2，做相應(yīng)動作，計數(shù)加一，如果計數(shù)未達到設(shè)定值，則返回坐標1，循環(huán)。當(dāng)計數(shù)達到設(shè)定值時，機械手返回原點，停機等待下一步命令。開始循環(huán)初始化（坐標、計數(shù)參數(shù)設(shè)定）計數(shù)滿否返回主菜單是運行到坐標1是夾具動作計數(shù)加1啟動夾具動作運行到坐標2返回原點圖9循環(huán)功能流程圖42程序設(shè)計機械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的程序總體結(jié)構(gòu)如圖10，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(zhuǎn)應(yīng)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。圖10程序總的結(jié)構(gòu)圖421公用程序公用程序如圖11，簡要說明如下當(dāng)Y6復(fù)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(yīng)的M10被置位，連續(xù)工作方式做好準備。如果M0為OFF，M10被復(fù)位，系統(tǒng)不能進入連續(xù)工作方式。指令ZRST是成批復(fù)位應(yīng)用指令，以防止系統(tǒng)從自動方式轉(zhuǎn)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11公用程序梯形圖422自動操作程序自動操作順序功能流程圖見圖12所示。當(dāng)機械手處于原位時，按啟動X4接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S1，驅(qū)動前伸Y3，當(dāng)?shù)竭_前限位使行程開關(guān)X20接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S2，而S1自動復(fù)位。驅(qū)動手順轉(zhuǎn)Y7，X24接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S3，驅(qū)動下降Y2，X16接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S4，S4驅(qū)動Y6置位，延時1秒，以使電磁力達到最大夾緊力。當(dāng)T0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S5，驅(qū)動Y0上升，當(dāng)上升到達最高位，X17接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S6。S6驅(qū)動Y4后退。移到后限位，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S7底逆轉(zhuǎn)Y12，狀態(tài)到S8，X20接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移到S11上升。上升到最高位，X25接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S13后退。后退到后限位，使X21接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S14，底盤順轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移圖時注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅(qū)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(dāng)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12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(dāng)前的工作周期后，機械手最終停止在原位。5人機界面設(shè)計51組態(tài)MCGS軟件的介紹511MCGS的優(yōu)點MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。MCGS具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測、機械制造、交通運輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過各種現(xiàn)場的長期實際運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠512MCGS組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)MCGS61軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，幫助用戶設(shè)計和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。運行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構(gòu)造的組態(tài)工程，以用戶指定的方式運行，并進行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標和功能。圖13MCGS組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)52組態(tài)MCGS與PLC通信圖14組態(tài)MCGS與PLC通信53系統(tǒng)的MCGS組態(tài)環(huán)境MCGS是為工業(yè)過程控制和實時監(jiān)測領(lǐng)域服務(wù)的通用計算機系統(tǒng)軟件,具有功能完善,操作簡便,可視性好,可維護性強的突出特點。圖15為四自由度機械手系統(tǒng)工作時的MCGS組態(tài)環(huán)境界面,它包括主界面、手動工作方式界面和自動工作方式界面。圖15機械手控制系統(tǒng)的MCGS界面6調(diào)試程序調(diào)試，是將編制的程序投入實際運行前，用手工或編譯程序等方法進行測試，修正語法錯誤和邏輯錯誤的過程。調(diào)試方法主要有一，簡單調(diào)試方法步驟1，在程序中插入監(jiān)控輸出語句、優(yōu)點是能夠顯示程序的動態(tài)過程，比較容易檢查源程序的有關(guān)信息。確定是效率低，可能輸入大量無關(guān)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)錯誤帶有偶然性。2，運行部分程序。有時為了測試某些被懷疑有錯的程序段，卻將整個程序反復(fù)執(zhí)行許多次，在這種情況下，應(yīng)設(shè)法使被測程序只執(zhí)行需要檢查的程序段，以提高效率。3，借助調(diào)試工具。目前大多數(shù)程序設(shè)計語言都有專門的調(diào)試工具，可以用這些工具來分析程序的動態(tài)行為。二，回溯法排錯。確定最先發(fā)現(xiàn)錯誤癥狀的地方，人工沿程序的控制流往回追蹤源程序代碼，直到找到錯誤或范圍。三，歸納法排錯。是一種系統(tǒng)化的思考方法，是從個別推斷全體的方法，這種方法從線索（錯誤征兆出發(fā)），通過分析這些線索之間的關(guān)系找出故障。主要有4步（1）收集有關(guān)數(shù)據(jù)。收集測試用例，弄清測試用例觀察到哪些錯誤征兆，以及在什么情況下出現(xiàn)錯誤等信息。（2）組織數(shù)據(jù)。整理分析數(shù)據(jù)，以便發(fā)現(xiàn)規(guī)律，即什么條件下出現(xiàn)錯誤，什么條件下不出現(xiàn)錯誤。（3導(dǎo)出假設(shè)。分析研究線索之間的關(guān)系，力求找出它們的規(guī)律，從而提出關(guān)于錯誤的一個或多個假設(shè)，如果無法做出假設(shè)，則應(yīng)設(shè)計并執(zhí)行更多的測試用例，以便獲得更多的數(shù)據(jù)。（4）證明假設(shè)。證明假設(shè)的合理性是極其重要的，不經(jīng)證明就根據(jù)假設(shè)排除錯誤，往往只能消除錯誤的征兆或只能改正部分錯誤。證明假設(shè)的方法是用它解釋所有原始的測試結(jié)果，如果能圓滿地解釋一切現(xiàn)象，則假設(shè)得到證明，否則要么是假設(shè)不成立或不完備，要么是有多個錯誤同時存在。四，演繹法排錯。設(shè)想可能的原因，用已有的數(shù)據(jù)排除不正確的假設(shè)，精化并證明余下的假設(shè)。五、對分查找法?？捎觅x值語句或輸入語句在程序中的關(guān)鍵點附近“注入”這些變量的正確值，然后檢查程序的輸出。如果輸出結(jié)果是正確的，則表示錯誤發(fā)生在前半部分，否則，不妨認為錯誤在后半部分。這樣反復(fù)進行多次，逐漸逼近錯誤位置。7結(jié)論與展望本次畢業(yè)設(shè)計通過對機械手的結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制系統(tǒng)和驅(qū)動的了解，通過查閱相關(guān)資料，設(shè)計了通過上位機和PLC控制某四自由度機械手的控制系統(tǒng)。設(shè)計的控制系統(tǒng)能通過讀取上位機上用戶輸入的坐標，循環(huán)次數(shù)，運行方式等控制參數(shù)，控制機械手的運行。而且能在上位機上顯示實時坐標，工作狀態(tài)，簡單的報警信息提示等，較為直觀。在編寫程序過程中遇到不少問題，通過自己的努力和老師的幫助，能實現(xiàn)原定功能，且學(xué)習(xí)了更新穎的算法和程序結(jié)構(gòu)，進一步深入了解PLC編程細節(jié)。由于個人知識欠缺和時間的限制，上位機中的密碼設(shè)置還沒搞懂，導(dǎo)致本設(shè)計的上位機程序編寫是沒有密碼設(shè)置保護，這對機械手正常運行時得不到一個比較好的保護；還有就是報警功能比較單一。另外，步進電機采用開環(huán)控制，在運行時，步進電機的失步故障不能全面的檢測與保護，這也會使機械手在運行時有坐標丟失隱患。此次畢業(yè)設(shè)計的課題為基于PLC的四自由度機械手，對于一名電氣工程專業(yè)的學(xué)生來說，這次畢業(yè)設(shè)計的題目還是比較適合我的。此課題可以對我之前所學(xué)各門課程的知識進行一個總結(jié)，以提高我的綜合素質(zhì)，對于我日后的工作將會有很大的幫助。參考文獻1李金泉，楊向東，付鐵碼垛機器人機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計M北京理工大學(xué)出版社，20111562802韓建海工業(yè)機器人M華中科技大學(xué)出版社，20091133111003廖曉梅三菱PLC編程技術(shù)及工程案例精選M機械工業(yè)出版社，201211504韓曉新，邢紹邦，劉海燕從基礎(chǔ)到實踐PLC與組態(tài)王M機械工業(yè)出版社，2011301695徐新，王莉，許其清，錢厚亮人機界面與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)M機械工業(yè)出版社，20121222556范永勝，王岷電氣控制與PLC應(yīng)用（第二版）M中國電力出版社，2004601707蔣剛，龔迪琛，蔡勇，劉念聰，張靜工業(yè)機器人M西南交通大學(xué)出版社，20111032448郭洪紅工業(yè)機器人（第二版）M西安電子科技大學(xué)出版社，201123150附錄附錄A、梯形圖附錄B、指令表步進電機初值0LDM80021SETS03MOVH101K4M08MOVH101K4M4013MOVH101K4M6018MOVK5D0振蕩電路23LDIT20124OUTT200D027LDT20028OUTT201D0急停31LDX01232ZRSTS0S5037ZRSTY000Y24442SETS044STLS045LDS1346LDM10647ORM10748ANB49SETS2051LDM10852SETS1054LDIX00055ORIX00156ORIX00257ORIX00358ORIX00459SETS3661STLS2062CALLP565CALLP768CALLP971LDS2072SETS2174STLS3675OUTY02576LDM10877SETS1179LDM10980SETS3782STLS2183CALLP1586LDM21487SETS2289STLS1090LDS1091SETS4193STLS1194LDS1195SETS4197STLS3798CALLP8101CALLP7104CALLP9107LDS37108SETS38110STLS22111RSTM214112CALLP12115CALLP13118CALLP14121CALLP11124LDM202125ANDM205126ANDM206127ANDM211128SETS23手動控制130LDM110131ORM111132CALLP11135MPS136ANIM111137OUTM203138MPP139ANIM110140OUTM201141LDM112142ORM113143CALLP12146MPS147ANIM113148OUTM206149MPP150ANIM112151OUTM204152LDM114153ORM115154CALLP13157MPS158ANIM115159OUTM209160MPP161ANIM114162OUTM207163LDM116164ORM117165CALLP14168MPS169ANIM117170OUTM212171MPP172ANIM116173OUTM210174LDIM108175OUTS0177CALLP15自動控制180LDM214181SETS39183STLS23184ZRSTM201M212189CALLP10192LDS23193SETS24195STLS39196RSTM214197CALLP12200CALLP13203CALLP14206CALLP11209LDM202210ANDM204211ANDM208212ANDM211213SETS40215STLS24216CALLP15219LDM214220SETS25222STLS40223ZRSTM201M212228LDS40229OUTS0231STLS25232RSTM214233OUTT0K30236MPS237ANDM120238SETY024239MRD240ANIM120241RSTY024242MPP243CALLP9246CALLP6249CALLP7252LDT0253SETS26255STLS26256CALLP15259LDM214260SETS27262STLS27263RSTM214264CALLP12267CALLP13270CALLP14273CALLP11276LDM202277ANDM205278ANDM206279ANDM211280SETS28282STLS28283ZRSTM201M212288CALLP10291LDS28292SETS29294STLS29295LDM214296SETS30298STLS30299RSTM214300OUTT0K30303MPS304ANDM121305SETY024306MRD307ANIM121308RSTY024309MPP310INCPD221313LDT0314SETS31316STLS31317OUTC0D220320LDC0321ORIM106322SETS32324LDIC0325ANIM107326OUTS20328STLS32329RSTC0331CALLP8334CALLP7337CALLP9340LDS32341SETS33343STLS33344CALLP15347LDM214348SETS34350STLS34351RSTM214352CALLP12355CALLP13358CALLP14361CALLP11364LDM202365ANDM205366ANDM208367ANDM211368SETS36370STLS35371ZRSTM201M212376LDS35377OUTS0379RET380FEND381LDT201382MPS383ANIM108384CMPPD205D200M201391MRD392ANDM203393ANIX005394RORPK4M0K1399INCPD205402MPP403ANDM201404ANIX000405ROLPK4M0K1410DECPD205413SRET414LDT201415MPS416ANIM108417CMPPD6D201M204424MRD425ANDM206426ANIX006427RORPK4M20K1432INCPD206435MPP436ANDM204437ANIX001438ROLPK4M20K1443DECPD206446SR