基于PLC的機(jī)械手系統(tǒng)控制電氣自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、xxxx 職業(yè)技術(shù)學(xué)院職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：題目：基于 plc 的機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)姓 名 xx 學(xué) 院 信息工程分院 專 業(yè) 電氣自動(dòng)化 班 級(jí) xx 電氣自動(dòng)化班 指導(dǎo) 老師 xx 提交 時(shí)間 年 月 日 -論文題目：基于論文題目：基于 plcplc 的機(jī)械手系統(tǒng)控制的機(jī)械手系統(tǒng)控制 姓姓 名：名：xx 班班 級(jí)：級(jí)：xx 電氣自動(dòng)化班 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：xx摘要：機(jī)械手 能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造

2、、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來(lái)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)） 、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有 23 個(gè)自由度。 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床

3、或自動(dòng)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(dú)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(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:點(diǎn)控制機(jī)械手 連續(xù)控制機(jī)械手 可編程控制技術(shù)目目 錄錄摘要 .2引言 .41 plc 的發(fā)展歷程和構(gòu)成.51.1 plc 的發(fā)展史.51.2 plc 的構(gòu)成.61.3 cpu 的構(gòu)成.71.4 i.o 模塊.71.5 電源模塊 .81.6 底版和機(jī)架 .81.7 plc 系統(tǒng)的其他設(shè)備.82 機(jī)械手的組成 .92.1 機(jī)械手的發(fā)展 .92.2 動(dòng)力臂的機(jī)械構(gòu)造 .102.3 控制和動(dòng)力臂的機(jī)械構(gòu)造 .102.4 位置控

4、制系統(tǒng) .102.5 負(fù)載反傳系統(tǒng) .103 機(jī)械手 plc 控制的設(shè)計(jì) .113.1 根據(jù)工藝過程分析控制要求 .113.2 確定所需的用戶輸入/輸出設(shè)備及 i/o 點(diǎn)數(shù) .143.3 plc 的選擇.173.4 分配 plci/o 點(diǎn)的編號(hào)(定義號(hào)) .173.5 plc 程序設(shè)計(jì).17個(gè)人小結(jié) .29參考文獻(xiàn) .30引言引言機(jī)械手是一種能模擬人的手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動(dòng)化裝置；本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)。各動(dòng)作由液壓驅(qū)動(dòng)，并由電磁閥控制。動(dòng)作順序及各動(dòng)作時(shí)間的間隔采用按時(shí)間原則。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由手指，手腕，小臂和大臂等幾部分組

5、成。料架為旋轉(zhuǎn)式，由料盤和棘輪機(jī)構(gòu)組成。每次轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度（由工件數(shù)決定）以保證待加工零件對(duì)準(zhǔn)機(jī)械手。而可編程控制器（）由于其具有的高可靠性、編程方便、易于使用和修改，易于擴(kuò)展和維護(hù)，環(huán)境要求低、體積小巧，安裝調(diào)試方便，在工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用。plc 控制系統(tǒng)采用三菱 f1 系列超小型 plc 對(duì)機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)作控制。各動(dòng)作由油泵電機(jī)（采用 y100l2-4.3km）液壓驅(qū)動(dòng)，并由電磁閥控制。其中油泵電機(jī)及各電磁閥運(yùn)行狀態(tài)均有指示燈顯示根據(jù)我們所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件為步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，應(yīng)用移位寄存指令可以很方便、靈活地對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。1 1 plcplc 的發(fā)展歷程和構(gòu)成的發(fā)展歷程和構(gòu)成1.

6、11.1 plcplc 的發(fā)展歷的發(fā)展歷可編程序控制器的英文為 programmable controller，在二十實(shí)際七十至八十年代一直簡(jiǎn)稱為 pc。由于到 90 年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來(lái)，也簡(jiǎn)稱為 pc；加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，所以美國(guó) ab 公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器（plc，programmable logic controller） ，為了方便，仍簡(jiǎn)稱 plc 為可編程序控制器。有人把可編程序控制器組成的系統(tǒng)稱為 pcs 可編程序控制系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)可編程序控制器生產(chǎn)廠商向人們提供的已是完整的系統(tǒng)了。 1968 年美國(guó) gm（通用汽車）公司提出取代繼電器

7、控制裝置的要求，第二年美國(guó)數(shù)字公司研制出了第一土改可編程序控制器，滿足了 gm 公司裝配線的要求。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代 plc 產(chǎn)品了。在八十年代至九十年代中期，是 plc 發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為3040%。由于 plc 人機(jī)聯(lián)系處理模擬能力和網(wǎng)絡(luò)方面功能的進(jìn)步，擠占了一部分dcs 的市場(chǎng)（過程控制）并逐漸壟斷了污水處理等行業(yè)，但是由于工業(yè) pc（ipc）的出現(xiàn)，特別是近年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，ipc 和 fcs 也擠占了一部分 plc 市場(chǎng)，所以近年來(lái) plc 增長(zhǎng)速度總的說是漸緩。目前全世界有 200 多廠家生產(chǎn) 300 多品種plc 產(chǎn)品，主要應(yīng)

8、用在汽車（23%） 、糧食加工（16.4%） 、化學(xué)/制藥（14.6%） 、金屬/礦山（11.5%） 、紙漿/造紙（11.3%）等行業(yè)。國(guó)內(nèi) plc 生產(chǎn)廠約三十家，但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，還有一部分是以仿制、來(lái)件組裝或“貼牌”方式生產(chǎn)，因此可以說 plc 在我國(guó)未形成制造產(chǎn)業(yè)。作為原理、技術(shù)和工藝均無(wú)尖端技術(shù)難度的產(chǎn)品，只要努力，是能形成制造產(chǎn)業(yè)的。plc 的市場(chǎng)的潛力是巨大的，不僅在我國(guó)，即使在工業(yè)發(fā)達(dá)的日本也有調(diào)查表明，plc 配套的機(jī)電一體化產(chǎn)品的比例占 42%，采用繼電器、接觸器控制尚有24%。所以說，需要應(yīng)用 plc 的場(chǎng)合還很多，在我國(guó)就更是如此了。plc 具有穩(wěn)

9、定可靠、價(jià)格便宜、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、操作維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，這是它能持久的占有市場(chǎng)的根本原因，我們下面重點(diǎn)闡述幾個(gè)問題，并研究其發(fā)展趨勢(shì)。 plc 控制器本身的硬件采用積木式結(jié)構(gòu)，各廠家產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大同小異。以日本歐姆龍 c200he 為例，為總線模板框式結(jié)構(gòu)，基本框架（cpu 母板）上裝有 cpu 模板，其它槽位裝有 i/o 模板；如果 i/o 模板多時(shí)，可由 cpu 母板經(jīng) i/o 擴(kuò)展電纜連接 i/o 擴(kuò)展母板，在其上裝 i/o 模板；另一種方法是配備遠(yuǎn)程 i/o 從站等。這些都說明了 plc 廠家將硬件各部件均向用戶開發(fā)，便于用戶選用，配置成規(guī)模不等的plc，而且這種硬件配置的開放性，為

10、制造商、分銷商（代理商） 、系統(tǒng)集成商、最終用戶帶來(lái)很多方便，為營(yíng)銷供應(yīng)鏈帶來(lái)很大便利，這是一大成功經(jīng)驗(yàn)。plc 內(nèi)的 i/o 模板，除一般的 di/do、ad/da 模板外，還發(fā)展了一系列特殊功能的 i/o 模板，這為 plc 用于各行各業(yè)打開了出路，如用于條形碼識(shí)別的ascii/basic 模板，用于反饋控制的 pid 模板，用于運(yùn)行控制、機(jī)械加工的高速計(jì)數(shù)模板、單軸位置控制模板、雙軸位置控制模板、凸輪定位器模板、射頻識(shí)別接口模板等，這在以后還會(huì)有很大發(fā)展。另外在輸入、輸出的相關(guān)元件、強(qiáng)干擾場(chǎng)合的輸入、輸出電隔離、地隔離等方面也會(huì)更加完善。plc 中的 cpu 與存儲(chǔ)器配合，完成控制功能。

11、它與 dcs 系統(tǒng)處理溫度、壓力、流量等參數(shù)的系統(tǒng)不同，采用快速的巡回掃描周期，一般為 0.10.2 秒，更快的則選用 50 毫秒或更小的消滅周期。它是一個(gè)數(shù)字采樣控制系統(tǒng)。由于各 plc 廠家產(chǎn)品在指令系統(tǒng)上的差異及編程方法上用戶要求不同，近年來(lái)iec 制訂了基于 windows 的編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn) iec61131-3（注：1993 年 iec 頒布可編程序控制器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) iec1131） ，它規(guī)定了指令表（il） 、梯形圖（ld） 、順序功能圖（sfc） 、功能塊圖（fbd） 、結(jié)構(gòu)化文本（st）五種編程語(yǔ)言。這包括了文本化編程（il、st）和圖形編程（ld、fbd）兩個(gè)方面，而 sfc

12、則在兩類編程語(yǔ)言中均可使用。iec 技術(shù)委員會(huì)（tc65）進(jìn)來(lái)開展了 iec61499 項(xiàng)目，將 iec61131-3進(jìn)行了擴(kuò)展，它是針對(duì)通過通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的模塊化分布系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì) iec61131-3 有所改善。這是以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的可編程序邏輯控制裝置在高層次上走向開放性的標(biāo)準(zhǔn)化文件，是 plc 發(fā)展的一大趨勢(shì)。 一個(gè)或若干 plc 與 pc 機(jī)聯(lián)出系統(tǒng)，pc 機(jī)起到原編程器及人機(jī)界面操作站的作用，這 20 世紀(jì) 90 年代的新潮流，這樣為系統(tǒng)集成帶來(lái)了商機(jī)，同時(shí)編程軟件和人機(jī)界面軟件（監(jiān)控軟件或稱組態(tài)軟件）及軟件接口（或稱驅(qū)動(dòng)軟件）也得到了發(fā)展。1.21.2 plcplc 的

13、構(gòu)成的構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，plc 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 plc 包括cpu 板、i/o 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式 plc 包括 cpu 模塊、i/o 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。1.31.3 cpucpu 的構(gòu)成的構(gòu)成cpu 是 plc 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 plc 至少有一個(gè) cpu，它按plc 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 plc 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)

14、入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。cpu 主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，cpu 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是 plc 不可缺少的組成單元。cpu 速度和內(nèi)存容量是 plc 的重要參數(shù)，它們決定著 plc 的工作速度，io 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。1.41.4 i/oi/o 模塊模塊plc 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（i/o）完成的。i/o 模塊集成了plc 的 i/o 電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)

15、反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 plc 系統(tǒng)，輸出模塊相反。i/o 分為開關(guān)量輸入（di） ，開關(guān)量輸出（do） ，模擬量輸入（ai） ，模擬量輸出（ao）等模塊。開關(guān)量是指只有開和關(guān)（或 1 和 0）兩種狀態(tài)的信號(hào)，模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的 i/o 分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有 220vac、110vac、24vdc，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20ma,0-20ma） 、電壓型（0-10v,0-5v,-10-10v）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。除了上述通用 io 外，還有特殊

16、io 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按 i/o 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，i/o 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 cpu 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。1.51.5 電源模塊電源模塊plc 電源用于為 plc 各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供 24v 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220vac 或 110vac） ，直流電源（常用的為 24vac） 。1.61.6 底板或機(jī)架底板或機(jī)架大多數(shù)模塊式 plc 使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使 cpu 能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一

17、個(gè)整體。1.71.7、plcplc 系統(tǒng)的其它設(shè)備系統(tǒng)的其它設(shè)備1、編程設(shè)備：編程器是 plc 開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控 plc 及 plc 所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。小編程器 plc 一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。2、人機(jī)界面：最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。3、輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，如 eprom、eeprom 寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等

18、。2 2 機(jī)械手的組成機(jī)械手的組成2.12.1 機(jī)械手的發(fā)展機(jī)械手的發(fā)展 機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。機(jī)械手由以下結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)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。機(jī)械手的設(shè)計(jì)構(gòu)想是以人的手為基礎(chǔ)，以機(jī)械拉來(lái)實(shí)現(xiàn)人的動(dòng)作，它的動(dòng)作由以下四部分來(lái)實(shí)現(xiàn)：1、自由度的旋轉(zhuǎn) 2、肩的前后動(dòng)作 3、肘的上下動(dòng)作 4、腕(手)的動(dòng)作 驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可以分:機(jī)械式、電氣式、液壓式和復(fù)合式，其中制，本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì) plc 的控制部分。液壓操作力最大?？刂葡到y(tǒng)采

19、用西門子 plc 控制。本設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)形式:前后、上下兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，均由液壓伺服系統(tǒng)控制，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可以給操作臂一個(gè)信號(hào)的動(dòng)力反饋系統(tǒng)。該工作臂類似一個(gè)伸縮儀。在方位、肩部和肘部上的軸直接控制位置，利用主臂控制速度。在機(jī)械手的操作柄有一個(gè)按鈕來(lái)控制工作頭（降低、翻轉(zhuǎn)、傾斜和抓住的裝置）?？刂葡到y(tǒng)的特性是可以使操縱器以一定的速度和精確性進(jìn)行工作。工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)是基于模組塊系統(tǒng)上的，模組塊系統(tǒng)適合于提高移動(dòng)的速度或特殊類型的工作。在設(shè)計(jì)上考慮維修的簡(jiǎn)單性。維修的人員需要具備一定的資格，應(yīng)能處理一般的機(jī)械設(shè)備的問題或通常液壓件的安裝。工業(yè)機(jī)械手傳輸在末端工具上的力或負(fù)載的感覺到操作者的手中(

20、動(dòng)力反饋)“動(dòng)力反饋”的意思是在機(jī)械手臂末端上的力有一小部分反饋到操作柄。減少比率意味著操作者必須用 2 公斤的力才能將工具額定的負(fù)載舉起。對(duì)于動(dòng)力反饋，操作者有機(jī)會(huì)感覺在方位、肩部和肘部的軸的負(fù)載改變的不同情況(慣性和加速度)。通過提供額外的力，操作者可以優(yōu)先確定使用的力和搬運(yùn)的路徑，目的是為了獲得一個(gè)快慢速。、2.22.2 動(dòng)力臂的機(jī)械構(gòu)造動(dòng)力臂的機(jī)械構(gòu)造動(dòng)力臂由上臂和一個(gè)較底臂(下臂)連接組成，它建立一個(gè)圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的支撐上。在垂直面的運(yùn)動(dòng)是圍繞水平軸(稱之為肩軸)的上臂運(yùn)動(dòng)和圍繞第二個(gè)水平軸(稱之為肘軸)下臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)疊加而獲得的。上臂的運(yùn)動(dòng)是通過液壓缸直接控制，下臂的運(yùn)動(dòng)是由液壓缸

21、通過一個(gè)可以圍繞肩軸旋轉(zhuǎn)并且通過一個(gè)傳送橫梁來(lái)控制。方位角的運(yùn)動(dòng)是通過一個(gè)安裝支撐面上的液壓馬達(dá)進(jìn)行控制的，馬達(dá)通過與基礎(chǔ)板連接的差動(dòng)器的側(cè)傘齒輪上的小齒輪來(lái)帶動(dòng)。通過橫梁和和肘部零件的連接保持最終配置部件的位置恒定不便。這樣上臂和下臂的運(yùn)動(dòng)各自具有獨(dú)立的方向。2.32.3 控制和伺服系統(tǒng)控制和伺服系統(tǒng)操縱臂包含通過三個(gè)控制電路操控動(dòng)力臂所有元件。操縱柄包含所有控制配置裝置上工作頭的功能操控裝置。2.42.4 位置控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)操作臂上的電位計(jì)隨該臂的移動(dòng)給出一個(gè)控制電壓，同時(shí)動(dòng)力臂的移動(dòng)帶動(dòng)反饋電位計(jì)產(chǎn)生一個(gè)極性相反與位移成比例的反饋電壓，兩者同時(shí)輸入電子控制器進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)

22、過電子控制器的轉(zhuǎn)換，輸出一相應(yīng)的電流信號(hào)給電液伺服閥，從而操控動(dòng)力臂移動(dòng)到操控所要求的位置，若偏差信號(hào)為“0”，于是動(dòng)力臂將停止在這個(gè)位置。該系統(tǒng)并裝有壓力傳感器，它將負(fù)載信號(hào)輸送到電子控制器，起到動(dòng)壓反饋的作用，它將改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性（如：穩(wěn)定性等）2.52.5 負(fù)載反傳系統(tǒng)（原名：動(dòng)力反饋系統(tǒng)）負(fù)載反傳系統(tǒng)（原名：動(dòng)力反饋系統(tǒng)）工業(yè)機(jī)械手，為了給操作者在操作過程中能有負(fù)載變化的感覺，設(shè)置了將機(jī)械手傳輸在末端工具上的力或負(fù)載成比例地傳到操作者手中的裝置。它使操作者必須使用兩公斤的力才能將工具額定的負(fù)載舉起，可以讓操作者有機(jī)會(huì)感覺在方位、肩部和肘部的軸的負(fù)載改變的不同情況（慣性和加速度），通過

23、操作力的改變，操作者可以正確的確定使用的力和搬運(yùn)的路徑，目的是為了獲得一個(gè)快速和最佳的工作周期。3 3 機(jī)械手機(jī)械手 plcplc 控制的設(shè)計(jì)控制的設(shè)計(jì)送料機(jī)械手的動(dòng)作示意圖如圖 3-1 所示。他是一個(gè)水平/垂直位移的機(jī)械設(shè)備，用來(lái)將工作由左工作臺(tái)搬到右工作臺(tái)。 圖 3-1 送料機(jī)械手的工作示意圖3.13.1 根據(jù)工藝過程分析控制要求根據(jù)工藝過程分析控制要求機(jī)械手的全部動(dòng)作有汽缸驅(qū)動(dòng)，而汽缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，上升/下降和左移/右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制。例如當(dāng)下降電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手下降；當(dāng)下降電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手才上升；當(dāng)上升電磁閥端電時(shí)

24、，機(jī)械手上升停止。同樣，左移/右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥控制。機(jī)械的放松/加緊由一個(gè)單線圈兩位置電磁閥（稱為加緊電磁閥）控制。當(dāng)該線圈通電時(shí)，機(jī)械手加緊，該線圈斷電時(shí)，機(jī)械手放松。當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)時(shí)（即左限位開關(guān)和上限位開關(guān)合上） ，啟動(dòng)以后，機(jī)械手移向 a 點(diǎn)，加緊工件，然后回到原位，移向 b 點(diǎn)，放下工件，再回到原位完成一次動(dòng)作。當(dāng)機(jī)械手右移到位并準(zhǔn)備下降時(shí)，為了確保安全，必須在右工作臺(tái)上無(wú)工作時(shí)才允許機(jī)械手下降。也就是說，若上一次搬運(yùn)到右工作臺(tái)上的工件尚未搬走時(shí)，機(jī)械手應(yīng)自動(dòng)停止下降。機(jī)械手的動(dòng)作過程如圖 3-2 所示。從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。下降到

25、底時(shí)，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；同時(shí)接通夾緊電磁閥，機(jī)械手夾緊。夾緊后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到頂時(shí)，碰到上位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；同時(shí)接通右移電磁閥，機(jī)械手右移。右移到位時(shí)，碰到右限位開關(guān)，右移電磁閥斷電，右移停止。若此時(shí)右工作臺(tái)上無(wú)工作，則光電開關(guān)接通，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。下降到底時(shí)，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手放松。放松后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；同時(shí)接通左移電磁閥，機(jī)械手左移。左移到原點(diǎn)時(shí)，碰到左限位開關(guān)，左移電磁閥斷電，左移停止。至此，機(jī)械手經(jīng)

26、過八步動(dòng)作完成一個(gè)周期。機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作方式和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)操作方式又分為單步、單周期和連續(xù)操作方式。手動(dòng)操作手動(dòng)操作：就是用按鈕操作對(duì)機(jī)械手的每一種運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制。例如，當(dāng)選擇上/下運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械上升；按下停止按鈕，機(jī)械手下降。當(dāng)選擇左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手左移；按下停止按鈕，機(jī)械手右移。當(dāng)選擇夾緊/放松運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手夾緊；按下停止按鈕，機(jī)械手放松。 圖 3-2 機(jī)械手動(dòng)作過程 單步操作單步操作：每按一次起動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止單周期操作單周期操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按一下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后停止。在工作中

27、若按一下停止按鈕，則機(jī)械手停止重新起動(dòng)時(shí)，需要手動(dòng)操作方式將機(jī)械手移回原點(diǎn)，然后按一下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手又重新開始單周期操作。連續(xù)操作連續(xù)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按一下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)的、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作中若按一下停止按鈕，則機(jī)械手動(dòng)作停止。重新起動(dòng)時(shí)，須用手動(dòng)操作方式將機(jī)械手移回原點(diǎn)，然后按一下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手又重新開始連續(xù)操作。在工作中若按一下復(fù)位按鈕，則機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止。3.23.2 確定所需的用戶輸入確定所需的用戶輸入/ /輸出設(shè)備及輸出設(shè)備及 i/oi/o 點(diǎn)數(shù)點(diǎn)數(shù)1. 輸入設(shè)備-用以生產(chǎn)輸入控制信號(hào)。本設(shè)計(jì)中應(yīng)包括：操作方式轉(zhuǎn)

28、換開關(guān)：該開關(guān)應(yīng)有手動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)等四個(gè)位置可供選擇。手動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)選擇開關(guān)：該開關(guān)應(yīng)有上/下，左/右，夾緊/放松等三個(gè)位置可供選擇。起動(dòng)、停止及復(fù)位按鈕。開關(guān)及按鈕在操作屏上的布置如圖 3-3 所示。位置檢測(cè)元件：機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是按行進(jìn)程原則進(jìn)行控制的。其上限、下限、左限、右限的位置分別用限位開關(guān)來(lái)檢測(cè)。無(wú)工件檢測(cè)元件：右工作臺(tái)上無(wú)工件用光電開關(guān)來(lái)檢測(cè)。各限位開關(guān)及光電開關(guān)的配置如圖 3-2 所示。2. 輸出設(shè)備由 plc 的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行元件。本設(shè)計(jì)中應(yīng)包括下降電磁閥、上升電磁閥、右移電磁閥、左移電磁閥、夾緊電磁閥。 圖 3-3 操作屏布置為了對(duì)機(jī)械手處于原點(diǎn)進(jìn)行指示，還可以配置一個(gè)

29、原點(diǎn)的指示燈。各輸出設(shè)備的配置如圖 3-2 所示。根據(jù)所確定的用戶輸入設(shè)備及輸出設(shè)備，可畫出 plc 的 i/o 連接圖，如圖 1-4所示。由圖可見，plc 共需要 15 點(diǎn)輸入，6 點(diǎn)輸出。 圖 3-4 i/o 連接圖3.33.3 plcplc 的選擇的選擇該機(jī)械手的控制為純開關(guān)量控制，且所要的 i/o 點(diǎn)數(shù)不多，因此選擇一般小型抵擋機(jī)即可。該控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是步進(jìn)控制，可以用一般 plc 所具有的移位寄存器和移位指令來(lái)編程，但若選擇具有步進(jìn)指令功能或鼓型控制器功能的 plc，則實(shí)現(xiàn)步進(jìn)控制就更加方便了。由于所要的 i/o 點(diǎn)數(shù)為 15/6 點(diǎn)，考慮到機(jī)械手操作的工藝固定，plc 的 i/o

30、 點(diǎn)基本上可不留裕量。根據(jù)資料的機(jī)型，可選擇：1）acmy-s256 可選用 32 點(diǎn)主機(jī)（i/o 點(diǎn)數(shù)為 16/16）或 40 點(diǎn)主機(jī)（i/o 點(diǎn)數(shù)為 24/16） 。2）ge-i/j（sr-10）其主機(jī) i/o 點(diǎn)數(shù)為 15/9?；蜻x用 ge-i（sr-20） ，采用 5 槽主機(jī)框架，一塊 16 點(diǎn)輸入模塊，一塊 8 點(diǎn)輸出模塊（或兩塊 8 點(diǎn)輸入模塊，一塊 8點(diǎn)輸出模塊） 。3）f1-40m 其主機(jī) i/o 點(diǎn)數(shù)為 24/16 點(diǎn)。4）具體選擇何種機(jī)型，還需要比較價(jià)格，同時(shí)考慮使用維修方便等因素，使之更加經(jīng)濟(jì)合理。故選擇 f1-40m 機(jī)型。3.43.4 分配分配 plcplc i/oi

31、/o 點(diǎn)的編號(hào)（定義號(hào)）點(diǎn)的編號(hào)（定義號(hào)）由于不同記性的 plc，其 i/o 點(diǎn)的編號(hào)不同，因此應(yīng)根據(jù)所選擇的機(jī)型，對(duì)plc 的 i/o 點(diǎn)分配編號(hào)。如圖 1-4 所示的編號(hào)。 3.53.5 plcplc 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)為了便于編程,先繪制出整個(gè)控制程序的結(jié)構(gòu)框圖,如圖 3-5 所示。 圖 3-5 總結(jié)構(gòu)程序框圖 在該結(jié)構(gòu)框圖中，當(dāng)操作方式選擇開關(guān)置于“手動(dòng)”時(shí)，輸入點(diǎn) x407 接通，其輸入繼電器常閉接點(diǎn)斷開，執(zhí)行手動(dòng)操作程序。當(dāng)操作選擇開關(guān)置于“單步” 、 “單周期” 、 “連續(xù)”時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)x410、x411、x412 接通，其輸入繼電器常閉接點(diǎn)斷開，執(zhí)行自動(dòng)操作程序。在執(zhí)行自動(dòng)

32、操作時(shí)，如選擇開關(guān)置于“連續(xù)”時(shí)，起動(dòng)后輔助繼電器 m200 接通，程序自動(dòng)循環(huán)。操作選擇開關(guān)置于“單步”時(shí)，m200 同樣接通，程序也可以循環(huán)，但必須是每按一次起動(dòng)按鈕執(zhí)行一步。如果操作選擇開關(guān)置于“單周期”或運(yùn)行過程中按下復(fù)位按鈕時(shí)，則輔助繼電器 n200 復(fù)位，程序執(zhí)行完一個(gè)周期（即機(jī)械手回到原點(diǎn)）時(shí)自動(dòng)停止。由于手動(dòng)程序和自動(dòng)程序采用了跳轉(zhuǎn)指令，因此在著兩個(gè)程序段可以采用同樣的一套輸出繼電器。下面是各程序的設(shè)計(jì)。（一） 手動(dòng)操作程序在手動(dòng)操作方式下，各種動(dòng)作都是用按鈕操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，其控制程序可以獨(dú)立于自動(dòng)操作程序而另行設(shè)計(jì)。手動(dòng)操作控制很簡(jiǎn)單，可以很方便地按一般繼電器控制線路來(lái)設(shè)計(jì)，其梯

33、形圖如圖 3-6 所示。為了安全，機(jī)械手的左/右移動(dòng)只有當(dāng)機(jī)械手處于上限位置時(shí)才能進(jìn)行，因此需要在左/右移動(dòng)的電路中設(shè)置上限聯(lián)鎖保護(hù)。另外，由于左/右，上/下運(yùn)動(dòng)采用雙線圈兩位電磁閥控制，兩個(gè)線圈不能同時(shí)通電，因此在左/右，上/下移動(dòng)的電路中了互鎖環(huán)節(jié)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)選擇開關(guān)置于“左/右”時(shí)，如機(jī)械手處于上限位置，則按起動(dòng)按鈕機(jī)械手右移，按停止按鈕機(jī)械手左移。當(dāng)運(yùn)動(dòng)選擇開關(guān)置于“夾/松”時(shí)，按起動(dòng)按鈕時(shí)夾緊，按停止按鈕時(shí)放松。當(dāng)運(yùn)動(dòng)選擇開關(guān)置于“上/下”時(shí)，按起動(dòng)按鈕時(shí)下降，按停止按鈕時(shí)上升。 圖 3-6 自動(dòng)梯形圖（二） 自動(dòng)操作程序本設(shè)計(jì)是一個(gè)按順序動(dòng)作的典型步進(jìn)控制。步進(jìn)控制可以用一般 plc

34、都具有的位移寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但更方便的是用步進(jìn)指令和鼓形控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。f1-40m 具有位移寄存器和步進(jìn)指令的功能，本設(shè)計(jì)用位移寄存器編程。用移位器編程：由于自動(dòng)操作的控制比較，不容易直接設(shè)計(jì)出梯形圖，因此可以先畫出自動(dòng)的操作流程圖，用以表明動(dòng)作的順序和條件，如圖 3-7 所示。 圖 3-7 自動(dòng)操作流程圖圖中，矩形方框代表完成某一動(dòng)作的控制程序，方框之間的箭頭線用以表示程序的轉(zhuǎn)換，箭頭線上的小橫線用以表示轉(zhuǎn)換的條件。當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)時(shí)，壓下上限位開關(guān)和左限開關(guān)，輸入點(diǎn) x402 和 x404 接通，產(chǎn)生原點(diǎn)指示輸出。機(jī)械手的動(dòng)作從按下起動(dòng)按鈕開始，執(zhí)行第一程序，產(chǎn)生下降輸出，機(jī)械手下降。當(dāng)機(jī)械手

35、下降到底碰到下限位開關(guān)時(shí)， 輸入點(diǎn) x401 接通，轉(zhuǎn)入第二程序，產(chǎn)生夾緊輸出并開始計(jì)時(shí)，機(jī)械手夾緊，經(jīng) 3s 延時(shí)后。計(jì)時(shí)器 t450 動(dòng)作，轉(zhuǎn)入第三程序，產(chǎn)生上升輸出，機(jī)械手上升。當(dāng)機(jī)械手上升。當(dāng)機(jī)械手上升到頂碰到上限位開關(guān)時(shí)，輸入點(diǎn) x402 接通，轉(zhuǎn)入第四程序，產(chǎn)生右移輸出，機(jī)械手右移。當(dāng)機(jī)械手右移到位碰到右限位開關(guān)時(shí)，輸入點(diǎn) x403 接通，轉(zhuǎn)入第五程序，當(dāng)右工作臺(tái)無(wú)工件時(shí)，光電開關(guān)發(fā)出信號(hào)使輸入點(diǎn) x405 接通，產(chǎn)生下降輸出，機(jī)械手下降。當(dāng)機(jī)械手下降到底碰到下限位開關(guān) x401 時(shí)，轉(zhuǎn)入第六成程序，產(chǎn)生放松輸出并開始計(jì)時(shí)，機(jī)械手放松，經(jīng)過 2s 延時(shí)后，計(jì)時(shí)器 t451 動(dòng)作，轉(zhuǎn)

36、入第七程序，產(chǎn)生上升輸出，機(jī)械手上升到頂碰到上限位開關(guān) x402 時(shí)，轉(zhuǎn)入第八程序，產(chǎn)生左移輸出，機(jī)械手左移。當(dāng)機(jī)械手左移到原點(diǎn)位碰到左限位開關(guān) x404 時(shí)，又產(chǎn)生原點(diǎn)指示輸出，完成了一個(gè)周期的動(dòng)作。這時(shí)，如果是單周期操作，則輔助繼電器 m200 斷開，機(jī)械手停止在原位，不在循環(huán)執(zhí)行程序。如果是連續(xù)操作，則輔助繼電器 m200 接通，又開始從第一程序往下執(zhí)行，然后不斷循環(huán)。根據(jù)自動(dòng)操作的流程圖，就可以設(shè)計(jì)自動(dòng)操作的梯形圖如圖 3-8 所示。 圖 3-8 自動(dòng)操作梯形圖 梯形圖的控制原理：（1）連續(xù)及單周期操作在連續(xù)及單周期操作方式下，單步輸入點(diǎn) x410 斷開，輸入繼電器 x410 常閉接點(diǎn)

37、閉合，將位移寄存器的位移輸入直接接入輸入端。當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)時(shí)，壓下上限位開關(guān)和左限位開關(guān)，輸入點(diǎn) x402 和 x404接通，y435 接通，原點(diǎn)指示燈亮。 按下起動(dòng)按鈕，m120 接通并自保，移位器數(shù)據(jù)輸入端接通，m100 置“1” ，y430 接通，下降電磁閥得電，機(jī)械手下降。 下降到底碰到下限位開關(guān)時(shí)，輸入繼電器 x401 接通，y430 斷開，下降停止，同時(shí)產(chǎn)生移位信號(hào)，將 m100 的“1”態(tài)移到 m101。m101 的常開接點(diǎn)將 y431 接通，夾緊電磁閥的電，機(jī)械手夾緊工件，t450 開始計(jì)時(shí)。同時(shí)，m101 的常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開，使 m100 置“0” 。 t

38、450 延 3s 后，其常開接點(diǎn)閉合，產(chǎn)生移位信號(hào)，將 m102 置“1” ，m101 置“0” 。m102 的常開接點(diǎn)將 y432 接通，上升電磁閥得電，機(jī)械手上升。同時(shí)，m102 的常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。 上升到頂碰到上限位開關(guān)時(shí)，輸入繼電器 x402 接通，y432 斷開，上升停止，同時(shí)產(chǎn)生移位信號(hào)，將 m103 置“1” ，m102 置“0” ，m103 的常開接點(diǎn)將 y433 接通，右移電磁閥得電，機(jī)械手右移。同時(shí)，m103 的常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。 右移到位碰到右限位開關(guān)時(shí)，輸入繼電器 x402 接通，y432 斷開，右移停止，同時(shí)產(chǎn)生移位信號(hào)，將 m1

39、04 置“1” ，m103 置“0” 。m104 的常開接點(diǎn)閉合，若此時(shí)右工作臺(tái)無(wú)工件，則光電開關(guān)因露光而導(dǎo)通，其常開接點(diǎn)使輸入繼電器 x405 接通，y430 再次接通，機(jī)械手下降。同時(shí)，m104 的常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。若右工作臺(tái)有工件，則光電開關(guān)因遮光面斷開，x405 斷開，y430 不能接通，機(jī)械手暫停等待。 下降到底碰到下限位開關(guān) x401 時(shí)，輸入繼電器 x401 接通，產(chǎn)生移位信號(hào)，將 m105 置“1” ，m104 置“0” 。m105 的常開接點(diǎn)使 y431 復(fù)位，從而使夾緊電磁閥失電，機(jī)械手放松工件，t451 開始計(jì)時(shí)。同時(shí)，m105 的常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)

40、據(jù)輸入端斷開。 t451 延時(shí) 2s 秒后，其常開接點(diǎn)閉合，產(chǎn)生移位信號(hào)，將 m106 置“1” ，m105 置“0” 。m106 的常開接點(diǎn)將 y432 接通，機(jī)械手上升。同時(shí)，m106 的常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。 上升到頂碰到上限位開關(guān)時(shí)，輸入繼電器 x402 接通，y432 斷開，上升停止，同時(shí)產(chǎn)生移位信號(hào)，將 m107 置“1” ，m106 置“0” 。m107 的常開接點(diǎn)將 y434 接通，左移電磁閥得電，機(jī)械手左移。同時(shí)，m107 的常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。左移回到原點(diǎn)又碰到左限位開關(guān)時(shí)，輸入繼電器 x404 接通，y434 斷開，左移停止，同時(shí)產(chǎn)生移位信號(hào)

41、，將 m110 置“1” ，m107 置“0” 。如果是單周期操作，則 m200 斷開，移位寄存器不復(fù)位，m110 仍保持“1”態(tài)，、其常閉接點(diǎn)將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開，m100 不能置“1” ，因此不再循環(huán)動(dòng)作。如果是連續(xù)操作 ，則 m200 接通，其常開接點(diǎn)將移位寄存器復(fù)位，數(shù)據(jù)輸入端又接通，m100 重新置“1” ，機(jī)械 手又開始第二個(gè)周期的循環(huán)動(dòng)作。自動(dòng)操作程序中，若按復(fù)位按鈕，則 x502 接通，m200 復(fù)位，但機(jī)械手的動(dòng)作仍繼續(xù)進(jìn)行，直到完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止。若按停止按鈕，則 x406 接通，移位寄存器復(fù)位，機(jī)械手停止動(dòng)作。重新起動(dòng)時(shí)，必須用手動(dòng)操作將機(jī)械手移

42、回原點(diǎn)，然后才能重新起動(dòng)自動(dòng)操作。在圖 3-8 (p33) 的梯形圖中，移位寄存器移位輸入端的每一并聯(lián)支路中都順序串聯(lián)有移位寄存器的常開接點(diǎn)，目的是保證移位寄存器能按照機(jī)械手的動(dòng)作順序正確移位，從而保證機(jī)械手的餓動(dòng)作正確地按順序進(jìn)下行。如果不串聯(lián)這些接點(diǎn)，則當(dāng)限位開關(guān)發(fā)生誤動(dòng)作時(shí)，會(huì)使機(jī)械手在未完成某一動(dòng)作的情況下就轉(zhuǎn)入下一步動(dòng)作，這樣會(huì)導(dǎo)致操作的危險(xiǎn)。（2）單步操作在單步操作方式下，單步輸入點(diǎn) x410 接通，輸入繼電器 x410 的常閉接點(diǎn)斷開，移位寄存器的移位輸入經(jīng) x400 常開接點(diǎn)接入移位輸入端。這樣，只有按下起動(dòng)按鈕，x400 接通時(shí)，才能將移位信號(hào)送入移位輸入端，移位寄存器才能移位。每按一次起動(dòng)按鈕，移位寄存器的狀態(tài)移一位，機(jī)械手的動(dòng)作完成一步后自動(dòng)停止。根據(jù)圖 3-8 (p33) 的梯形圖，就可以編制出自動(dòng)操作