可編程控制器的機械手設(shè)計

1、目 錄摘要1關(guān)鍵詞1abstract1keywords11 引言21.1 課題提出與研究意義21.2 工業(yè)機械手發(fā)展現(xiàn)狀21.3 本設(shè)計的主要工作22 可編程控制器概述32.1 plc的應(yīng)用與發(fā)展32.1.1 plc的工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域32.1.2 plc的的發(fā)展趨勢32.2 plc的工作原理及功能特點42.2.1 plc的基本結(jié)構(gòu)42.2.2 plc工作原理42.3 施耐德twido系列plc介紹52.3.1 twido plc的功能概述52.3.2 twido plc的工作模式62.4 twidosoft編程環(huán)境72.4.1 安裝twidosoft軟件72.4.2 編程界面和硬件配置82.

2、4.3 plc與pc的通信83 機械手實物模型設(shè)計93.1 系統(tǒng)概述93.1.1 技術(shù)性能103.1.2 設(shè)計原理103.2 控制要求133.3 接線設(shè)置133.4 程序設(shè)計144 控制系統(tǒng)組態(tài)174.1組態(tài)王簡介174.2控制系統(tǒng)組態(tài)程序184.2.1 組態(tài)界面184.2.2 數(shù)據(jù)詞典214.2.3 程序命令語言22總結(jié)與展望22致謝22參考文獻(xiàn)23附錄a：plc程序24附錄b：組態(tài)程序27基 于 可 編 程 控 制 器 的 機 械 手 設(shè) 計自動化專業(yè)學(xué)生劉玉建指導(dǎo)教師 李坤摘要：機械手是在自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域?？删幊炭刂破鳎╬lc）已在工業(yè)

3、生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用。組態(tài)軟件的應(yīng)用，極大地輔助了plc的應(yīng)用范圍的推廣。應(yīng)用可編程控制器控制機械手能實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，對生產(chǎn)過程有著十分重要的意義。論文以施耐德twdlcaadrf40型plc為基礎(chǔ)，介紹plc在機械手搬運控制中的應(yīng)用，設(shè)計了一套可行的機械手控制系統(tǒng)，并給出了詳細(xì)的plc程序、組態(tài)王組態(tài)設(shè)計過程。設(shè)計完成的機械手可以在空間抓、放、搬運物體等，動作靈活多樣。關(guān)鍵詞：可編程控制器；機械手；控制；組態(tài)王manipulator system design based on plcstudent majoring in automation liu yujiantutor l

4、i kunabstract:the manipulator is a new device developed in the automatic production process. it is widely used in industrial producing and other fields. programmable logic controller (plc), has been widely used in industrial producing as well. with the application of configuration software,its appli

5、cation range is greatly enlarged. manipulator with plc control can complete various specified procedural actions,which has very vital significance to the production process. based on the plc of schneider twdlcaadrf40 type,this paper introduces plc application in manipulator transportation control sy

6、stem, and design a available manipulator control system,with provideing plc programming process and configuration process in detail. the manipulator designed by this paper,can grap,put and carry object,etc.in the space.keywords:plc;manipulator;control;kingview1 引言1.1 課題提出與研究意義隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化規(guī)模的擴大，生產(chǎn)過程日趨復(fù)雜

7、。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。在自動化生產(chǎn)領(lǐng)域中，工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的。工業(yè)機械手的是從工業(yè)機器人中分支出來的。其特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)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(yīng)性。機械手作業(yè)具有準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。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

8、。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。1.2 工業(yè)機械手發(fā)展現(xiàn)狀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。機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動-傳動機構(gòu)、控制系統(tǒng)、智能系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷監(jiān)控系統(tǒng)五部分組成。驅(qū)動-傳動機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動系統(tǒng)中可以分：機械式、電氣式、液壓式和復(fù)合式，其中液壓操作力最大。簡易機械手在各類全自動化和半自動化生產(chǎn)線上應(yīng)用的十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動，代替人工作業(yè)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。本設(shè)計中的機械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動式結(jié)構(gòu)，各動作由plc控制相關(guān)電機和

9、啟動執(zhí)行元件完成。能十分方便的嵌入到各類生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)線中。日益復(fù)雜的工業(yè)過程促進(jìn)了機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。對相應(yīng)的控制精度、控制穩(wěn)定性也提出了更高的要求。其現(xiàn)狀是在性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修）的同時，單機價格不斷下降。機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。器件集成度、系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護(hù)性提高。伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機器人與工業(yè)自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展 ,尤其是移動機械手(mobile manipulator)系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，為危險品的安全處理提供了新的思路。1.3 本設(shè)計的主要工作針對工業(yè)現(xiàn)場的控制要求，本文將詳細(xì)介紹以可編程控制器為處理單元的機械手過程控制系

10、統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。首先，在本文的第二部分闡述可編程控制器的概況，施耐德plc及其編程環(huán)境- twidosoft，pc與plc的通信。其次，在本文的第三部分闡述機械手系統(tǒng)的基本組成與控制原理。包括plc輸入輸出點的分配，機械手步進(jìn)電機的驅(qū)動，以及相關(guān)的位置檢測電路，以及確立系統(tǒng)的軟件的整體框架，進(jìn)行相關(guān)的軟件設(shè)計。最后對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行總結(jié)。最后，針對本設(shè)計，完成相關(guān)的組態(tài)工作，直觀的顯示系統(tǒng)的動態(tài)運動過程，所用平臺為亞控公司的組態(tài)王6.5.1版。本文對設(shè)計的每一部分都給出了較詳細(xì)的的設(shè)計步驟，并對系統(tǒng)搭建的結(jié)果進(jìn)行了實物驗證，取得了很好的效果。2 可編程控制器概述2.1 plc的應(yīng)用與發(fā)展可編程控制器

11、（programmable logic controller）是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制，稱可編程邏輯控制器（programmable logic controller），簡稱plc。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，不僅具有邏輯控制功能，而且還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)傳輸和處理等功能，使其真正成為一種電子計算機工業(yè)控制設(shè)備，因此，今天這種裝置稱作可編程序控制器，簡稱pc。但是為了避免與個人計算機（personal computer）的簡稱pc混淆，所以仍將可編程序控制器簡稱plc。1987年，國際

12、電工委員會（iec）頒布了新的plc標(biāo)準(zhǔn)及其標(biāo)準(zhǔn)定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字模式或模擬模式的輸入、輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。而有關(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計”。plc就是使用一系列指令構(gòu)成的程序來操作、控制相關(guān)工業(yè)控制機械，使其形成一個完整的工業(yè)控制系統(tǒng)，以完成各種各樣的控制功能。12.1.1 plc的工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的高速發(fā)展，plc產(chǎn)品高度融合了計

13、算機產(chǎn)業(yè)最先進(jìn)的技術(shù)與工業(yè)自動控制的經(jīng)典理論，在其功能及性能指標(biāo)上得以豐富和完善，從而突破了傳統(tǒng)plc的概念，在中、小型控制領(lǐng)域內(nèi)極大地擴展了其應(yīng)用范圍。在特定的范圍內(nèi)，高性能價格比已成為新型plc的最突出的特點。plc以其高可靠性、適應(yīng)性強和使用方便等突出特點在自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。另外plc的制造成本不斷降低，而其功能卻不斷增強。目前在先進(jìn)工業(yè)國家中plc已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，應(yīng)用面幾乎覆蓋了所有工業(yè)企業(yè)，諸如鋼鐵、冶金、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、造紙、紡織、環(huán)保、交通、建筑等各行各業(yè)。特別是在輕工業(yè)行業(yè)中，生產(chǎn)門類多、加工方式多變、產(chǎn)品更新?lián)Q代快，plc廣泛應(yīng)用在組合

14、機床自動化生產(chǎn)線、專用機床、塑料機械、包裝機械、電梯等電氣設(shè)備中。plc已躍居現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱（plc、robot、cad/cam）的主導(dǎo)地位。plc廣泛的應(yīng)用在以下領(lǐng)域1）邏輯控制領(lǐng)域2）運動控制領(lǐng)域3）過程控制領(lǐng)域4）數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域5）多級控制領(lǐng)域2.1.2 plc的的發(fā)展趨勢目前，plc技術(shù)發(fā)展的總體趨勢是系列化、通用化和高性能化，主要表現(xiàn)在以下方面：1）在系統(tǒng)構(gòu)成規(guī)模上向大小兩個方向發(fā)展發(fā)展小型（超小型）化、專業(yè)化、模塊化、低成本、高性能plc，以真正代替最小的繼電器控制系統(tǒng)；發(fā)展大容量、高速度（超高速）、多功能、高性價比的plc，已滿足現(xiàn)代企業(yè)中那些大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)自動化的需要。

15、2）功能不斷增強，各種應(yīng)用模塊不斷推出大力加強過程控制和數(shù)據(jù)處理功能，提高組網(wǎng)和通信能力，開發(fā)多種高性能模塊，以使各種模塊的自動控制系統(tǒng)更加強大、更加可靠、組成和維護(hù)更加靈活方便，使plc的應(yīng)用更加廣泛。3）產(chǎn)品更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化plc廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時，日益向map（制造自動化協(xié)議）靠攏，并使plc基本部件，如輸入輸出模塊、聯(lián)網(wǎng)通信模塊、接線端子、通信協(xié)議、編程語言和工具方面的技術(shù)規(guī)格規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，使不同的產(chǎn)品間能夠相互的兼容、易于組網(wǎng)，以方便用戶，擴大產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。2.2 plc的工作原理及功能特點為了介紹plc的工作原理我們首先在本節(jié)介紹plc的

16、基本結(jié)構(gòu)，然后介紹plc的工作原理，最后簡單介紹一下plc的主要功能和特點。2.2.1 plc的基本結(jié)構(gòu)可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1示。可編程序控制器主要有cpu模塊、輸入模塊、輸出模塊、編程裝置和電源組成。 圖2.1 plc的基本結(jié)構(gòu)2.2.2 plc工作原理當(dāng)plc投入運行后，其工作過程一般分成三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，plc的cpu以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段，如圖2.2所示。圖2.2 plc的掃描周期1）輸入采樣階段在輸入采樣階段，plc以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入i/

17、o映像區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，i/o映像區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。2）用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，plc總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按照先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)ram存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在i/o

18、映像區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。3）輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，plc就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，cpu按照i/o映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)過輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時才是plc的真正輸出。為了提高工作的可靠性，及時接受外來的控制命令，plc在每次掃描期間，除完成上述三步操作外，通常還要進(jìn)行故障自診斷，完成通訊處理要求。每次掃描開始，先執(zhí)行依次自診斷程序，對各輸入輸出點，存儲器和cpu等進(jìn)行診斷，診斷的方法通常是測試出各部分是否工作正常，若不一致則認(rèn)為有故障。此時，plc立即啟動關(guān)機程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)并關(guān)斷所有輸出點

19、，然后停機。診斷結(jié)束后，如沒發(fā)現(xiàn)故障，plc將繼續(xù)往下掃描，檢查是否有編程器等的通信請求。如果沒有則進(jìn)行相應(yīng)的處理，比如，接受編程器發(fā)來的命令，把要顯示的狀態(tài)數(shù)據(jù)，出錯信息送給編程器顯示等。處理完通信后，plc繼續(xù)掃描，輸入現(xiàn)場信息，順序執(zhí)行用戶程序，輸出控制信號，完成一個掃描周期。然后又從自診斷開始，進(jìn)行第二輪掃描。plc就是這樣不停反復(fù)循環(huán)，實現(xiàn)對機器的連續(xù)控制，直到接收到用戶停機命令，或因停電、出現(xiàn)故障等原因才停止工作。3）plc的主要功能和特點plc的主要功能有：邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、步進(jìn)（順序）控制、pid控制、數(shù)據(jù)控制（plc具有數(shù)據(jù)處理能力）、遠(yuǎn)程i/o功能、通信和聯(lián)網(wǎng)；

20、另外，有些plc還有很多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，諸如定位控制模塊，crt模塊等?？删幊炭刂破鳎╬lc）的主要特點如下：1） 高可靠性2） 豐富的i/o接口模塊3） 采用模塊化結(jié)構(gòu)4） 編程簡單易學(xué)5） 安裝簡單，維修方便2.3 施耐德twido系列plc介紹本設(shè)計中使用的可編程序控制器為施耐德公司的twdlcaadrf40型plc，隸屬于twido系列。twido plc是緊湊型可編程序控制器，可應(yīng)用于各種設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)中。twido系列小型plc具有靈活的配置、緊湊的結(jié)構(gòu)、強大的功能、豐富的通信方式、完善的編程軟件、cpu的firmware可不斷升級等特點，因此性價比較

21、高。2.3.1 twido plc的功能概述twido是小型plc，由本體和擴展模塊組成，能夠滿足各種設(shè)備的自動化控制需要。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制相關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備、汽車、機器人等等。如沖壓機床、印刷機械、中央空調(diào)、電梯控制、運動系統(tǒng)等等。twido plc除了具有plc的基本控制功能以外，還有以下特點：1） 靈活的配置多種cpu模塊、數(shù)字量、模擬量擴展模塊、通信模塊以及多種可選件，使得控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)更適合用戶的應(yīng)用要求。2） 緊湊的結(jié)構(gòu)體積小巧，多種接線方式，易于安裝。如附帶40點i/o的cpu模塊的正面面

22、積只有名片大小。3）強大的功能除具有plc基本的控制和運算功能之外，還有雙字、浮點數(shù)、三角函數(shù)、pid等的運算指令。單機的控制點數(shù)高達(dá)264點，用戶程序容量達(dá)64kb。4） 豐富的通訊方式twido plc支持多種通訊方式，如twido plc之間的remote i/o和對等plc的通信方式、與其他智能設(shè)備的自由ascii通信方式、modbus的主站和從站通信方式、通過以太網(wǎng)的通信方式，甚至有一些plc已內(nèi)置以太網(wǎng)接口。眾多的通信功能使twido plc與其他電氣設(shè)備的配合更加完美。5） 完善的編程軟件全中文的windows編程界面和在線幫助文檔使用戶編程更加方便、更高效、支持多種編程接口，如

23、串口、usb口、以太網(wǎng)口，甚至是遠(yuǎn)程有線、無線接口方式。6） cpu的firmware可不斷升級在不改變?nèi)魏斡布那闆r下，只需要更新cpu的firmware，就能使cpu的功能不斷地升級，滿足用戶新的需求。（就像升級計算機的bios一樣）22.3.2 twido plc的工作模式twido plc具有兩種工作模式，分別是：運行（run）模式和停止（stop）模式。在運行模式下，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能；在停止模式下，twido plc不執(zhí)行用戶程序，此時可設(shè)置cpu的硬件功能，并將用戶程序、數(shù)據(jù)以及硬件設(shè)置信息下載到plc的cpu中。可以通過twidosoft編程軟件控制t

24、wido plc的運行與停止。plc前面板的led顯示當(dāng)前的工作模式。twido plc通電后，需要對硬件和軟件做一些初始化的工作。初始化后，twido plc按照循環(huán)掃描的方式，完成包括執(zhí)行用戶程序在內(nèi)的各項不同的任務(wù)，周而復(fù)始地分階段執(zhí)行一系列任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行一次成為一個掃描周期，在一個掃描周期內(nèi)，cpu工作流程如圖2.3。1） 讀輸入2） 執(zhí)行用戶程序3） 處理通訊任務(wù)4） 執(zhí)行自診斷5） 寫輸出6） 中斷程序的處理圖2.3 twido plc的掃描過程示意圖2.4 twidosoft編程環(huán)境2.4.1 安裝twidosoft軟件本文中所有的內(nèi)容是基于twidosoft3.5版本。安裝界面

25、如圖2.4。圖2.4 程序安裝twidosoft是一個用于twido可編程控制器的配置、編寫和維護(hù)應(yīng)用程序的圖形化開發(fā)環(huán)境。twidosoft是一款32位的基于windows的程序，是標(biāo)準(zhǔn)的windows界面，有應(yīng)用程序瀏覽器和多窗口瀏覽。支持編程、調(diào)試和配置，可與控制器進(jìn)行多種方式的通信，如串行口、usb、以太網(wǎng)、modem撥號等。2.4.2 編程界面和硬件配置twidosoft運行，新建立程序后，用戶需要根據(jù)自己的需要進(jìn)行cpu型號的更改，操作方式為：右鍵單擊原來的cpu，選中“更改控制器類型”，選擇所需的cpu類型，點擊“更改”，完成相關(guān)操作，本文所用cpu為twdlcaa40drf，如

26、圖2.5。圖2.5 控制器類型2.4.3 plc與pc的通信twidosoft軟件與twido plc連接時可采用多種通訊方式，如串行口、usb、以太網(wǎng)、modem+電話線，因此在twidosoft與twido plc連接前，用戶需根據(jù)實際使用的硬件連接方式，在twidosoft的連接管理菜單中做相應(yīng)的設(shè)定。在“文件”菜單中，點擊“首選項”，顯示“首選設(shè)置”，可對通訊方式做相關(guān)設(shè)定，本文采用usb方式，如圖2.6。圖2.6通訊方式設(shè)定3 機械手實物模型設(shè)計本設(shè)計的系統(tǒng)全貌如圖3.1。圖3.1 系統(tǒng)全貌圖3.1 系統(tǒng)概述機械手實物模型的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等機械部件組成；電氣方

27、面有步進(jìn)電機、步進(jìn)電機驅(qū)動器、傳感器、開關(guān)電源、電磁閥等電子器件組成；該模型是涵蓋了plc技術(shù)，位置控制技術(shù)、氣動技術(shù)有機結(jié)合成一體的控制儀器。本設(shè)計中采用的機械手，可在三維空間內(nèi)運動。水平（x）軸、垂直（y）軸采用步進(jìn)電機控制，底盤的旋轉(zhuǎn)采用直流電機控制，抓取物體的電磁閥采用氣動形式。步進(jìn)電機的控制，由對應(yīng)的步進(jìn)電機驅(qū)動器電路完成。完成本設(shè)計需要的實驗設(shè)備有：1）機械手模型2）計算機3）導(dǎo)線4）氣泵5）晶體管輸出型可編程控制器(帶編程電纜) 機械手的控制面板分以下幾個模塊（1）步進(jìn)電機驅(qū)動及步進(jìn)電機驅(qū)動器電流設(shè)定為0.63a，細(xì)分設(shè)定為8細(xì)分。將24v電源接入驅(qū)動器，此時驅(qū)動器的電源指示燈應(yīng)

28、點亮。將24v與opto端（驅(qū)動器使能端）連接起來。pul端是脈沖輸入端。dir是方向控制輸入端。（2）直流電機本模型用的氣夾電機和底座電機均是24v直流電機，plc控制兩個直流繼電器的吸合來控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。（3）旋轉(zhuǎn)編碼盤在本模型底座上有一個旋轉(zhuǎn)編碼盤，在底座旋轉(zhuǎn)時，在此產(chǎn)生一個vp-p為24v的方波信號，可以提供給plc的高速計數(shù)器，用于機械手的定位控制。（4）接近開關(guān)在本模型中底座和氣夾的限位通過4個電感式接近開關(guān)來完成。接近開關(guān)與觸頭接近時接近指示燈點亮、輸出低電平，否則為高電平。（5）行程開關(guān)在本模型中兩個滾珠絲桿的限位通過4個滾軸式行程開關(guān)來完成。當(dāng)行程開關(guān)壓下時，常開觸點閉

29、合，給plc一個控制信號。（6）電磁閥與平行氣夾本模型使用的電磁閥動作時平行氣夾夾緊，動作則張開。3.1.1 技術(shù)性能1）輸入電源：單相三線220v10% 50hz 2）工作環(huán)境：溫度-10+40 相對濕度85%(25) 海拔4000m3）絕緣電阻：大于3m4）外形尺寸：8050120cm33.1.2 設(shè)計原理1步進(jìn)電機用二相八拍混合式步進(jìn)電機，主要特點：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣圖如圖3.2所示： 3.2步進(jìn)電機電氣圖2步進(jìn)電機驅(qū)動器步進(jìn)電機驅(qū)動器主要有電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。驅(qū)動器參數(shù)如下列圖表所示：（1）電氣規(guī)格說明

30、最小值典型值最大值單位供電電壓182440v均值輸出電流0.2111.50a邏輯輸入電流61530ma步進(jìn)脈沖響應(yīng)頻率100khz脈沖低電平時間51s（2）電流設(shè)定電流值sw1sw2sw30.21aoffonon0.42aonoffon0.63aoffoffon0.84aononoff1.05a0ffonoff1.26aonoffoff1.50aoffoffoff（3）細(xì)分設(shè)定細(xì)分倍數(shù)步數(shù)/圈（1.8整步）sw4sw5sw61200ononon2400offonon4800onoffon81600offoffon163200ononoff326400offonoff6412800offonof

31、f由外部確定動態(tài)改細(xì)分/禁止工作offoffoff（4）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走一步dir方向信號：用于改變電機轉(zhuǎn)向，ttl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+24va+電機a相a-電機a相b+電機b相b-電機b相（5）plc控制器與步進(jìn)電機驅(qū)動器連接的工作原理如圖所示：驅(qū)動器電源由面板上電源模塊提供，注意正負(fù)極性，驅(qū)動器信號端采用+24v供電，需加1.5k限流電阻（見圖3.3中1.5k電阻）。驅(qū)動器輸入端為低電平有效，在使用不同廠家的plc產(chǎn)品配套此模型使用時，

32、要選擇相應(yīng)的輸出方式，或者加入合適的電平轉(zhuǎn)換板進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。圖3.3控制驅(qū)動電路3傳感器：(1)接近開關(guān)：接近開關(guān)有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號，當(dāng)與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。與plc之間的接線圖如下，當(dāng)傳感器動作時，輸出端對地接通。plc內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路，plc信號輸入有效。電氣示意圖如圖3.4。圖3.4傳感器電氣示意圖(2)行程開關(guān)：當(dāng)檔塊碰到開關(guān)時，常開點閉合。4本裝置需采用晶體管輸出型可編程控制器，可同時輸出兩路脈沖到步進(jìn)電機驅(qū)動器，控制步進(jìn)電機運行。5旋轉(zhuǎn)碼盤：本裝置中機械手每旋轉(zhuǎn)3編碼盤發(fā)出一個脈沖。6直流電

33、機驅(qū)動單元：本裝置中直流電機驅(qū)動模塊是有兩個繼電器的吸合與斷開來控制電機的轉(zhuǎn)動方向的。3.2 控制要求本設(shè)計中，機械手模型的執(zhí)行順序為：1.開機復(fù)位 2.橫軸前升 3.手旋轉(zhuǎn)到位 4.電磁閥動作，手張開 5.豎軸下降 6.電磁閥動作，手夾緊 7.豎軸上升 8.橫軸縮回 9.底盤旋轉(zhuǎn)到位 10.橫軸前伸 11.手旋轉(zhuǎn) 12.豎軸下降 13.電磁閥動作，手張開 14.豎軸上升 15.復(fù)位氣夾在電磁閥未通電動作時為夾緊狀態(tài)，通電后變?yōu)閺堥_狀態(tài)。在上述步驟中，4-5和13-15之間為電磁閥通電狀態(tài)。3.3 接線設(shè)置1主機輸入輸出配置表類型端子功能主機輸入氣夾正轉(zhuǎn)限位i0.0氣夾反轉(zhuǎn)限位i0.1基座正轉(zhuǎn)

34、限位i0.2基座反轉(zhuǎn)限位i0.3基座旋轉(zhuǎn)脈沖i0.4x軸前限位 vi+i0.5x軸后限位 vi+i0.6y軸上限位 vi+i0.7y軸下限位 vi+i0.8輸出驅(qū)動器一pulq0.0驅(qū)動器二pulq0.1驅(qū)動器一dirq0.2驅(qū)動器二dirq0.3氣夾電機正轉(zhuǎn)mlq0.4氣夾電機反轉(zhuǎn)mrq0.5基座電機正轉(zhuǎn)mlq0.6基座電機反轉(zhuǎn)mrq0.7氣夾電磁閥 yv-q0.8注:主機輸入公共端com0接電源+24v,主機繼電器輸出公共端com2、com3、com4、com5接電源“gnd”端,主機晶體管端“v0+”、“v1+”接電源+24v, “v0-”、“v1-”接電源“gnd”端.2.面板接線 1

35、）兩個步進(jìn)電機驅(qū)動器的電源由24v電源提供，將步進(jìn)電機的opto端與本驅(qū)動器的+24v相連。2）兩個直流電機的電源由24v電源提供，mc為公共端，接24v端。ml和mr為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)端，按plc或電平轉(zhuǎn)換板的輸出端。3）限位信號模塊電源由24v電源提供，本模塊的vi-接模塊電源的地。4）電磁閥的yv+端接電源輸出的24v端。5）主機接線方法參照輸入輸出分配表，用下載線將計算機的usb口與plc主機的通訊口相連，打開plc電源。運行編程軟件，打開實驗程序，設(shè)置好通信參數(shù)后下載程序到plc中。3.4 程序設(shè)計本節(jié)摘選控制程序的核心部分，針對各個步驟，進(jìn)行相關(guān)的分析。程序中對應(yīng)的內(nèi)部寄存器（%m）的內(nèi)

36、容，最后輸出到輸出緩沖映像區(qū)（%q），內(nèi)部寄存器起到輔助控制輸出的作用。1） 系統(tǒng)復(fù)位上電初始化：x軸右行、y軸上行、氣夾正轉(zhuǎn)、底座正轉(zhuǎn)，到達(dá)系統(tǒng)原點。程序圖如圖3.5。圖3.5 上電初始化說明：在相應(yīng)的限位開關(guān)沒有導(dǎo)通時，設(shè)置相應(yīng)的輸出，完成初始化任務(wù)。2）抓取物體機械手x軸右行、y軸下行、氣夾轉(zhuǎn)到要求位置并打開，完成抓取動作，程序如圖3.6。圖3.6 抓取過程3）移動物體抓取到物體后，機械手移動到要求的位置。本階段，x軸左行、y軸上行、氣夾正轉(zhuǎn)、底座反轉(zhuǎn)，程序如圖3.7。圖3.7 移動過程4）放下物體在把物體移動到要求位置后，放下物體，完成動作。本階段x軸右行、y軸下行，達(dá)到底部后，氣夾打

37、開，放下物體，程序如圖3.8。圖3.8 下放過程5）%m區(qū)與%q區(qū)的對應(yīng)內(nèi)部寄存器區(qū)與輸出映像寄存器的最終具體對應(yīng)關(guān)系如圖3.9-3.15。圖3.9 q0.2的控制邏輯圖3.10 q0.3的控制邏輯圖3.11 q0.4的控制邏輯圖3.12 q0.5的控制邏輯圖3.13 q0.6的控制邏輯圖3.14 q0.7的控制邏輯圖3.15 q0.8的控制邏輯6）步進(jìn)電機控制步進(jìn)電機的脈沖由plc的兩個晶體管輸出口%q0.0與%q0.1發(fā)出，輸出 %q0.0 和 %q0.1 專用于 %pls 或 %pwm 功能塊。配置 %pls0/%pwm0 需要專用輸出 %q0.0。如果已使用 %q0.0，則不能配置 %

38、pls0/%pwm0。反之，如果已配置 %pls0/%pwm0，則不能在其他地方使用 %q0.0。對于需要專用輸出 %q0.1 的 %pls1/%pwm1 同樣如此。每個計數(shù)器使用的輸出將顯示在 %pls/%pwm 對話框的專用輸出框中。%pls/%pwm 脈沖發(fā)生器充當(dāng)方波生成器，并具有以下特性：1）%pls：50% 占空比（開通時間等于斷開時間）。2）%pwm：占空比可能因程序的不同而異。本例中高速脈沖電路的發(fā)生程序如圖3.16。選擇0.142ms的時基，發(fā)出高速脈沖，在%q0.0和%q0.1輸出高速脈沖，驅(qū)動步進(jìn)電機運動。圖3.16 步進(jìn)電機脈沖發(fā)生發(fā)生程序4 控制系統(tǒng)組態(tài)工業(yè)控制組態(tài)軟

39、件在工業(yè)界有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，此類軟件允許用戶在圖形界面下對控制系統(tǒng)的各種采樣點、過程輸出點、設(shè)備、生產(chǎn)車間、控制回路、文件報警、生產(chǎn)報表、控制策略、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和生產(chǎn)工業(yè)畫面進(jìn)行定義和組態(tài)。4.1組態(tài)王簡介組態(tài)王軟件是一種通用的工業(yè)控制軟件，它融過程控制設(shè)計、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理于一體，將一個企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流匯集在一起，實現(xiàn)最優(yōu)化管理。用戶可以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的所有層次的各個位置上都可以及時獲得系統(tǒng)的實時信息。采用組態(tài)王軟件開發(fā)工業(yè)監(jiān)控工程，可以極大地增強用戶生產(chǎn)控制能力、提高工廠的生產(chǎn)力和效率、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、減少成本及原材料的消耗。它適用于從單一設(shè)備的生產(chǎn)運營管理和故障

40、診斷，到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布式大型監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā)。組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。工程管理器：工程管理器用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理，對已有工程進(jìn)行搜索、添加、備份、恢復(fù)以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入和導(dǎo)出等功能。工程瀏覽器：工程瀏覽器是一個工程開發(fā)設(shè)計工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設(shè)備及相關(guān)變量、動畫連接、命令語言以及設(shè)定運行系統(tǒng)配置等系統(tǒng)組態(tài)工具。運行系統(tǒng)：工程運行界面，從采集設(shè)備中獲得通訊數(shù)據(jù)，并依據(jù)工程瀏覽器的動畫設(shè)計顯示動態(tài)畫面，實現(xiàn)人與控制設(shè)備的交互操作。4.2控制系統(tǒng)組態(tài)程序4.2.1 組態(tài)界面本設(shè)計組態(tài)界面分為四部分：登錄界面、全貌圖、plc一覽、作者信息等

41、。n 登錄界面在組態(tài)王工程瀏覽器中，定義一個新的用戶，使具有管理員權(quán)限，優(yōu)先級設(shè)在900以上，例如本例中默認(rèn)的999，是具有高用戶權(quán)限，如圖4.1。圖4.1 管理員用戶定義定義完用戶后，制作登錄畫面，如圖4.2。圖4.2 登錄界面的制作在界面中“登錄系統(tǒng)”文字上設(shè)置“彈起時”命令語言連接，輸入登錄函數(shù)“l(fā)ogon();”；在“enter”文字上設(shè)置其優(yōu)先級為“900”，即只有用戶權(quán)限大于900時，才允許用戶點擊“enter”，進(jìn)入系統(tǒng)?！癳nter”對應(yīng)的“彈起時”命令語言為“showpicture(全貌圖);”。并將此畫面定義為系統(tǒng)啟動畫面，如此設(shè)置后，優(yōu)先級大于900的用戶可以選擇進(jìn)入系統(tǒng)

42、，查看系統(tǒng)運行狀態(tài)。n 全貌圖系統(tǒng)全貌圖顯示系統(tǒng)的基本運行狀態(tài)。全貌圖中共分為以下幾個主要部分：（1）系統(tǒng)啟動：點擊系統(tǒng)界面下方中央的開啟按鈕，系統(tǒng)啟動，開始工作。再次點擊，系統(tǒng)將停止運行。開啟按鈕的功能為模仿plc上電與停電的工作狀態(tài)。重新上電后，系統(tǒng)將重新自復(fù)位狀態(tài)開始運行。（2）系統(tǒng)狀態(tài)：顯示系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。狀態(tài)共分為：系統(tǒng)復(fù)位、抓取物體、移動物體、放下物體。用來指示當(dāng)前機械手控制系統(tǒng)的狀態(tài)。（3）氣夾狀態(tài)：顯示氣夾當(dāng)前狀態(tài)，分為開啟、關(guān)閉兩種。（4）底座指示：顯示底座的轉(zhuǎn)動。由左右限位開關(guān)的擺放位置，限制底座的轉(zhuǎn)動范圍。（5）機械手運動軌跡：顯示x、y兩軸具體的移動。點擊圖中“顯示pl

43、c”按鈕，將顯示“plc一覽”圖，可觀察輸入輸出點狀態(tài)。系統(tǒng)全貌圖如圖4.3。圖4.3 系統(tǒng)全貌圖圖4.4 plc一覽圖n plc一覽plc一覽頁面顯示plc直觀顯示輸入輸出點的狀態(tài)。當(dāng)對應(yīng)點為“0”時，相應(yīng)的指示燈為黃色；當(dāng)對應(yīng)點為“1”時，對應(yīng)指示燈為綠色。畫面右側(cè)為plc輸入輸出對應(yīng)表。點擊“監(jiān)控中心”，則回到“全貌圖”，觀察系統(tǒng)運行狀態(tài)，plc一覽圖如圖4.4。n 作者信息頁面作者信息如圖4.5。圖4.5 作者信息4.2.2 數(shù)據(jù)詞典組態(tài)王將組態(tài)程序中所設(shè)計的數(shù)據(jù)變量以數(shù)據(jù)詞典的形式加以保存。本設(shè)計中所使用的全部變量如圖4.5。圖4.5 數(shù)據(jù)詞典注：由于組態(tài)王中沒有施耐德plc對應(yīng)的驅(qū)

44、動程序，故無法實現(xiàn)實際的系統(tǒng)連接。在真實的硬件組態(tài)中，以上部分變量應(yīng)為i/o變量，而非內(nèi)存變量。4.2.3 程序命令語言為了顯示實際的動態(tài)效果，組態(tài)的命令語言部分中，編輯應(yīng)用程序命令語言，編輯界面如圖4.6。圖4.6 程序編輯界面總結(jié)與展望本文重點介紹了施耐德twido系列可編程控制器的功能特點、工作原理、編程環(huán)境twidosoft的使用，以及與plc的通訊等。概述了機械手平臺的組成結(jié)構(gòu)與工作原理，介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計的過程，搭建了系統(tǒng)構(gòu)架。設(shè)計了基于可編程控制器的機械手控制系統(tǒng)，具體研究了機械手控制系統(tǒng)中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，成功編寫了基于twido plc的控制程序，進(jìn)行了相關(guān)的組態(tài)工作，實現(xiàn)了機械手