基于PLC機械手控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、論 文 摘 要機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。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。機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換

2、刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。關(guān)鍵詞: 點控制機械手 連續(xù)控制機械手 可編程控制技術(shù)iabstractthe manipulator can imitate the manpower and the arm certain movement functions, with by presses the fixed routine to capture, the transporting thing or operation tool automatic operation installment. it

3、may replace humans strenuous labor by to realize the production mechanization and the automation, can operate under the harmful environment by protects the personal safety ,thus widely applies in department and so on machine manufacture, metallurgy, electron, light industry and atomic energy.the man

4、ipulator mainly is composed by the hand and the motion. the hand is uses for to grasp holds the work piece (or tool) a part, according to is grasped holds the thing the shape, the size, the weight, the material and the work request but has the many kinds of structural style , like supporting on both

5、 sides, request holding and adsorption and so on. motion , causes the hand to complete each kind of rotation (to swing), the migration or the compound motion realizes the stipulation movement , the change is grasped holds the thing the position and the posture. the manipulator usually serves as the

6、engine bed or other machines add-on components , like on automatic engine bed or automatic production line loading and unloading and transmission work piece, replaces the cutting tool in the processing center and so on, does not have the independent control device generally. somewhat operates the eq

7、uipment to need by the human direct control, like uses in the host which the atomic energy department manages the dangerous goods from the type operator also often being called the manipulator. keywords: position control manipulator continual trajectory control manipulator plc目 錄論 文 摘 要iabstractii緒

8、論1第一章 機械手簡介31.1 課題背景31.2 機械手的分類31.3 應(yīng)用機械手的意義41.4 機械手的發(fā)展概況和趨勢5第二章 機械手設(shè)計62.1手結(jié)構(gòu)示意圖62.2械手工作流程62.3控制要求72.4主電路設(shè)計72.5機械手的機能和特性82.5.1加緊機構(gòu)82.5.2 軀干82.5.3 旋轉(zhuǎn)編碼盤92.5.4步進電機92.5.5 步進電動機的控制102.6 電源與傳動整體112.6.1 控制電源112.6.2 傳動整體12第三章 plc的介紹與選擇133.1 plc的特點133.2 plc的選型143.2.1. 常用plc介紹143.2.2. 確定型號fx2n64mt153.2.3 三菱f

9、x系列的結(jié)構(gòu)功能15第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計174.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計174.1.1 plc梯形圖中的編程元件174.1.2 plc的i/o分配184.1.3 機械手控制系統(tǒng)的外部接線圖194.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計194.2.1 公用程序204.2.2 自動操作程序214.2.3手動單步操作程序274.2.4 回原位程序30致 謝34參 考 文 獻35v緒 論隨著工業(yè)的高速發(fā)展，機械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。機械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要，可以大量代替單調(diào)往復(fù)或高精度需求的工作，在先進制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、

10、分揀物品、代替人的繁重勞動?？梢詫崿F(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在高溫，腐蝕及有毒氣體等有害環(huán)境下操作以保護人身安全，可以廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。可編程控制器(plc)是以中央處理器為核心，綜合了計算機和自動控制等先進技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡單、功耗低等優(yōu)點，已成為目前在機械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用plc的自動控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優(yōu)點。適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)plc對物料分揀機械手的控制，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線。采用plc控制，是一種預(yù)先設(shè)定的程序

11、進行物料分揀的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時需要對機械手進行新的分配任務(wù)時，可以允許方便的改動或重新設(shè)計其新部件，而對于位置改變時，只要重新編程，并能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費用。本設(shè)計主要完成機械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。機械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車

12、制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(fms)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。目前，國際上的機械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、otc、松下、fanluc、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的kuka、cloos、瑞典的abb、意大利的c0毗u及奧地利的工gm公司。我國機械手起步于20世紀70年代初期，經(jīng)過30多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應(yīng)用化期。在我國，機械手市場份額大部分

13、被國外機械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強手面前，國內(nèi)的機械手企業(yè)面臨著相當大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強國”邁進，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會加大對機器人的資金投入和政策支持，將會給機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。隨著機械手發(fā)展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，機械手已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護維修的機器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域機械手的應(yīng)用也越來越多。在未來幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用

14、在機械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會使機械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運行成本低。據(jù)猜測，今后機器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。第一章 機械手簡介1.1 課題背景隨著現(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

15、。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。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(shè)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

16、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)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(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。綜上所述，有效地應(yīng)用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。1.2 機械手的分類按機械手的使用范圍分類： 專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線，用以自動的傳送物件或操作某一工具。這種機械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。 通用機械手（也稱工業(yè)機器人）即指具有可變程序和單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)，又不從屬于某種機器，而能自動地完成傳送物件或操作某些工具的機械裝置。按機械手的驅(qū)動方式分

17、類： 液壓驅(qū)動機械手 以壓力油進行驅(qū)動。 氣壓驅(qū)動機械手 以壓縮空氣進行驅(qū)動。 電力驅(qū)動機械手 直接用電機進行驅(qū)動。 機械驅(qū)動機械手 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳給機械手的一種驅(qū)動方式。按機械手臂力大小分類： 微型機械手 臂力小于1公斤。 小型機械手 臂力為110公斤。 中型機械手 臂力為1030公斤。 大型機械手 臂力大于30公斤。 按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。1.3 應(yīng)用機械手的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手也越來越多地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、鍛、焊、鉚、沖壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實例。其它部門，如輕工業(yè)

18、、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的主要目的：（1）可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度。應(yīng)用機械手，有利于實現(xiàn)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)率和降低生產(chǎn)成本。（2）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，用人手直接操作時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的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，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。（3）可以減少人力

19、，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動線上，目前幾乎都設(shè)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)奏進行生產(chǎn)。綜上所述，有效地應(yīng)用機械手，使發(fā)展工業(yè)的必然趨勢。1.4 機械手的發(fā)展概況和趨勢 機械手是機械、電子、計算機、液壓液力與氣壓傳動等多學(xué)科高新技術(shù)融合的成果，是當代技術(shù)進步的典型范例。機械手通常用作機床或其它機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原

20、子能部門操持危險物品的主從式操作手。專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應(yīng)用發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣壓傳動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視。氣動技術(shù)作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)已被接受。由于氣動技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合，以及周邊技術(shù)的成熟，在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，氣動機械手、氣動機器人的實用性已經(jīng)充

21、分體現(xiàn)出來。因為氣動伺服定位技術(shù)一出現(xiàn)，就受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，同時為氣動機器人、氣動機械手大規(guī)模進入工業(yè)自動化領(lǐng)域開辟了十分寬廣的前景。研制具有一定感觸和智力的智能機器人。這種機器人，具有各種傳感裝置，并配備有計算機。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計算機充當起大腦，使它能思考、能分析、能記憶。用電視攝像機、測距儀、纖維光學(xué)傳感器、導(dǎo)光管或其它光敏元件作為眼睛，在其視野的范圍內(nèi)能看。用聽筒和聲敏元件等作耳朵能聽。用揚聲器等作嘴能說話進行應(yīng)答。用熱電偶和電阻應(yīng)變儀等作觸覺能感觸。用滾輪或雙足式的行走機構(gòu)作為腳來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機器人，可以由人用特殊的語言對其下達命令，布置任務(wù)。受令后的智能

22、機器人，即可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的各種條件或信息，獨立地分析和判斷并自編或自變程序的進行工作；能夠自找（選擇）物件的方位，字調(diào)握力的大小，自找傳送路線以避開障礙物。因此，它將成為無人化系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)之一。 第二章 機械手設(shè)計2.1手結(jié)構(gòu)示意圖圖2-1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2.2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，先回原位，步進電動機開始運轉(zhuǎn)(橫軸向后方向移動，豎軸向上移動)。歸位后首先橫軸步進電動機

23、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，上升到位后橫軸縮回，縮回到位后底盤電動機帶動底盤旋轉(zhuǎn)；當?shù)妆P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。2.3控制要求手臂上下直線運動。(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

24、爪采用氣壓驅(qū)動。2.4主電路設(shè)計基于plc的機械手控制系統(tǒng)一共有四臺電機：一臺用于地盤旋轉(zhuǎn)的三相異步電動機，兩臺用于上升、下降和前伸、后退的步進電動機，一臺用于機械手抓緊機構(gòu)旋轉(zhuǎn)的直流電動機。 圖2-2 機械手主電路圖2.5機械手的機能和特性物體在三維空間內(nèi)的禁止位置是由三個坐標和圍繞三軸旋轉(zhuǎn)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(fù)雜，相應(yīng)的制造成本也就增加。本設(shè)計的機械手

25、，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(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)、手指的抓握。2.5.1加緊機構(gòu)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(shè)計制造夾緊機構(gòu)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(yīng)被抓物體的尺寸變化為擴大機械手的應(yīng)用范圍，還需備有多種抓取機構(gòu)，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(nèi)并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動定心結(jié)構(gòu)。為防止突然斷電造成被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機構(gòu)本身則結(jié)構(gòu)簡

26、單、體積小、重量輕、動作靈活、和工作可靠。夾緊結(jié)構(gòu)形式多樣、有機械式、吸盤式和電磁式等。有的夾緊機構(gòu)還帶有傳感裝置和攜帶工具進行操作的裝置。本設(shè)計采用機械式夾緊裝置。機械式夾緊是最基本的一種，應(yīng)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(zhuǎn)型、直進型；按夾持方式可分為內(nèi)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(shè)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(zhuǎn)則用一個直流電動機完成，同時通過兩個限位開關(guān)完成回轉(zhuǎn)角度的限位，一般可設(shè)置在180度。2.5.2 軀干軀干有底盤和手臂兩部分組

27、成底盤是支撐機械手的全部重量并能帶動手臂旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)。底盤采用一個三相異步交流電動機驅(qū)動，底盤旋轉(zhuǎn)時帶動一個旋轉(zhuǎn)編碼盤旋轉(zhuǎn)，機械手每旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的角度。同時，在底盤上裝有限位開關(guān)，最大旋轉(zhuǎn)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(gòu)。本設(shè)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(zhuǎn)，同時在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位。采用絲杠、螺母結(jié)構(gòu)傳動的特點是易于自鎖、位置精度較高，傳動效率較高。2.5.3 旋轉(zhuǎn)編碼盤機械手底盤

28、和軀干每旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過的準確的角度。編碼盤的機構(gòu)如圖2-3圖2-3 旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。2.5.4步進電機采用三相六拍混合式步進電機來控制機械手的動作，相比直流電機有更好的制動效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機械手的運動更加穩(wěn)定。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，其電氣接線圖如圖2-4圖2-4 步進電動機接線圖2.5.5 步進電動機的控制用plc控制三相六拍步進電機，其控制要求如下：三相步進電動

29、機有三個繞組：a、b、c，正轉(zhuǎn)通電順序為：aabbbcccaa反轉(zhuǎn)通電順序為：acacbcbaba以下以控制步進電動機的上升和下降為例采用移位指令進行步進控制，按照三相六拍的步進順序，移位寄存器的初值見表2-1。表2-1 m31 m32 m33 m34 m35 m36 1 0 0 0 0 0每左移1位，電機前進一個布局角（一拍），完成六拍后重新賦初值據(jù)此，可作出移位寄存器的輸出狀態(tài)及步進電機正反轉(zhuǎn)繞組的狀態(tài)真值表，如表所示。從而得出三相繞組的控制邏輯關(guān)系式：正轉(zhuǎn)時：a相 y000=m31+m32+m36 反轉(zhuǎn)時：a相 y000= m31+m32+m36 b相 y001=m32+m33+m34

30、b相 y001=m34+m35+m36 c相 y002=m34+m35+m36 c相 y002= m32+m33+m34表2-2 移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機繞組狀態(tài)真值表輔助繼電器 上升 下降m31m32m33m34m35m36a b c a b c0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 00 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 02.6 電源與傳動整體本設(shè)計總體需求電機3種，電源3種，分別是步

31、進電機與鼠籠式三相異步電機。電源為380v、220v交流電源與24v直流電源。其中直流電源分屬電磁閥供電電源與plc的dc24v電源。2.6.1 控制電源plc的電源分ac220v與dc24v兩種。220v為直接接入電源，24v為工作控制電源。電磁閥工作電源為24v供電電源2.6.2 傳動整體外部電機為傳送帶用電機，通過電動機帶動傳送帶工作，貨物至擋板，再通過機械手抓取至下一傳送帶。其圖如圖2-5 圖2-5 整體示意圖第三章 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

32、。3.1 plc的特點可編程控制器是在計算機技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā)起來的，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)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(shù)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(shè)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(nèi)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1020ms；（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(guān)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，cp

33、u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(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三cpu構(gòu)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(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或弱電等。有相應(yīng)的i/o模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、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(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)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(jié)構(gòu)。plc的各個部件，包括cpu、電源、i/o等均采用模塊化設(shè)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

34、組合。編程簡單易學(xué) 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(shù)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(shè)備與plc相應(yīng)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?？傊?，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)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(qū)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(yīng)用，在實際應(yīng)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

35、要求進行設(shè)計編制。 3.2 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(nèi)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。3.2.1. 常用plc介紹plc發(fā)展這么多年，技術(shù)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(shè)計需要，考慮如何選擇。西門子的中國業(yè)務(wù)是其亞太地區(qū)業(yè)務(wù)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(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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

36、作簡便；豐富的內(nèi)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(nèi)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

37、外，還可以采用梯形土編程及對應(yīng)機械動作流程進行順序設(shè)計的sfc順序功能圖編程，而且這些程序可互相轉(zhuǎn)換。在fx系列plc中設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域。其fx2n plc還可以采用作為擴展設(shè)備的硬件計數(shù)器，可獲取最高50khz的高速脈沖。3.2.2. 確定型號fx2n64mt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

38、plc，則選fx系列，不選f1系列）。同時還應(yīng)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fx2n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，fx0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(nèi)的fx0s、fx1s、fx0n、fx1n、fx2n、fx2nc等系列plc，具有較高的性能價格比，應(yīng)用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)。

39、3.2.3 三菱fx系列的結(jié)構(gòu)功能可編程控制器是一種工業(yè)控制微型計算機，它的結(jié)構(gòu)原理與微型計算機相似。硬件構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)如圖3-1系統(tǒng)電源有些在cpu模塊內(nèi)，也有單獨作為一個單元的，編程

40、器一般看作plc的外設(shè)。plc內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。圖3-1 plc 的組成框圖外部開關(guān)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(nèi)部運算與處理后，按被控對象實際動作要求產(chǎn)生輸出結(jié)果；輸出結(jié)果送到輸出端子作為輸出變量，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。plc的各個部分協(xié)調(diào)一致地實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)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(shè)備時，為了防止電路關(guān)斷時刻產(chǎn)生高壓對輸入、輸出口造成破壞，應(yīng)在感性元件兩端加保護元件。對于直流電源，應(yīng)并接續(xù)流二極管，對于交流電路應(yīng)并接阻

41、容電路。阻容電路中電阻可取51120，電容取0.10.47f，電容的額定電壓應(yīng)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(yīng)大于電源電壓的3倍。下圖為輸入輸出口的保護環(huán)節(jié)示意圖。圖3-2 輸入輸出口的保護第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)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。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)。

42、圖4-1 控制面板示意圖4.1.1 plc梯形圖中的編程元件設(shè)計選用fx2n64mt，其輸入繼電器（x）32點，輸出繼電器(y)32點，輔助繼電器(m)3000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）；m8005plc后備鋰電池電壓過低時接通；m801110ms時鐘脈沖； m8012100ms時鐘脈沖；m80131s時鐘脈沖； m80141min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

43、如表所示。表4-1 plc輸入/輸出分配表輸入信號輸出信號手動sax0上升/下降步進電機ya0y0回原位sax1ya1y1連續(xù)sax2ya2y2回原位sb1x3前進/后退步進電機ya3y3啟動sb2x4ya4y4停止sb3x5ya5y5下降sb4x6夾緊ya6y6上升sb5x7手順轉(zhuǎn)ya7y7夾緊sb6x10手逆轉(zhuǎn)ya8y10松開sb7x11底盤順轉(zhuǎn)ya9y11手順轉(zhuǎn)sb8x12底盤逆轉(zhuǎn)ya10y12手逆轉(zhuǎn)sb9x13底盤順轉(zhuǎn)sb10x14底盤逆轉(zhuǎn)sb11x15下限位sq1x16上限位sq2x17前限位sq3x20后限位sq4x21底盤順限位sq5x22底盤逆限位sq6x23手順限位sq7x2

44、4手逆限位sq8x25底旋轉(zhuǎn)脈沖x26前行sb12x30后退sb13x314.1.3 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圖4-2 plc外部電氣接線圖4.2 控制系統(tǒng)軟件設(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，分為公用、自動、手動程序和回原位程序等四部分。其自動程序包括單步、連續(xù)運動程序，因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

45、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4-3 程序總的結(jié)構(gòu)圖4.2.1 公用程序公用程序如圖4-4，簡要說明如下：當y6置位（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)閛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

46、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4-4 公用程序梯形圖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(zhuǎn)移到s1，驅(qū)動前伸，當?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或c0計數(shù)到時，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t0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s5，驅(qū)動上升，當上升到達最高位x17接通或c3計數(shù)到時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s6。s6驅(qū)動后退。移到后限位x21，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s7底逆轉(zhuǎn)y12，狀態(tài)到s8，x20接通或c4計數(shù)到時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s9手逆轉(zhuǎn)。手逆轉(zhuǎn)到位，x25接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s10下降，下降到最低位，x16接通或c3計數(shù)到時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s11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s12上升。上升到最高位，x17接通或c3計數(shù)到時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s13后退。后退到后限位，使x21接通或c4計數(shù)到時，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