基于plc的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

1、、乙刖百隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視。機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重

2、復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率；可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。本文將通過西門子PLC控制機械手，PLC是可編程控制器(ProgrammableLogicController)的簡稱，是在繼電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動化控制裝置。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC的功能也越來越強大，更多地

3、具有計算機的功能。目前PLC已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面取得了很好的發(fā)展。該系統(tǒng)利用西門子PLC在步進(jìn)電機驅(qū)動下，完成對機械手在搬運過程中的下降、火緊、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全過程自動化控制，并對非正常情況實行自動報警和自動保護(hù)，實現(xiàn)企業(yè)的機電一體化，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。1機械手概述1.1 機械手簡介機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。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(hù)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。機械手是工廠企業(yè)高度自動化的標(biāo)志，它能完成許多高技術(shù)難度和

4、繁重的體力勞動，尤其對于高溫、高壓、高濕度、污染等不適宜人工工作的環(huán)境中，機械手起到了不可取代的作用。1.2 機械手組成機械手主要由手部、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。結(jié)構(gòu)如圖1-1所示:手部圖1-1機械手結(jié)構(gòu)圖Fig.1-1Manipulatorstructure(1)手部即與物件接觸的部件。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。(2)驅(qū)動系統(tǒng)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。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任

5、意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有23個自由度。1.3 機械手的應(yīng)用隨著科學(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、怫、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)、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是：一、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。二、可以改善勞動條件、避免人身

6、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。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(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人手進(jìn)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(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏進(jìn)行生產(chǎn)。由此可見，有效地應(yīng)

7、用機械手，是發(fā)展工業(yè)的必然趨勢。2PLC的簡介3.1 PLC的產(chǎn)生1968年美國通用汽車公司（GM）招標(biāo)要求：軟連接代替硬接線；維護(hù)方便;可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；成本低于繼電器控制柜；有數(shù)據(jù)通訊功能；輸入115V;可在惡劣環(huán)境下工作；擴(kuò)展時，原系統(tǒng)變更要少；用戶程序存儲容量可擴(kuò)展到4Ko核心思想：用程序代替硬接線，輸入/輸出電平可與外部裝置直接相聯(lián)，結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展，這是PLC的雛形。1969年美國DEC公司研制出世界上第一臺PLC（PDP-14）,并在GM公司汽車生產(chǎn)線上應(yīng)用成功。3.2 PLC的定義和特點3 PLC的定義美國電氣協(xié)會制造商協(xié)會NEMA國際電工委員會IEC對

8、可編程控制器分別作了定義：可編程控制器是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開關(guān)量邏輯控制為主的自動控制裝置。它具有存儲控制程序的存儲器，能夠按照控制程序，將輸入的開關(guān)量（或模擬量）進(jìn)行邏輯運算、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等處理后，以開關(guān)量（或模擬量）的形式輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。早期的可編程控制器，主要用于開關(guān)量邏輯控制，所以稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC后來隨著計算機技術(shù)不斷發(fā)展，其功能已不僅限于開關(guān)邏輯控制，所以被稱之為可編程控制器PC但這很容易和個人計算機PC相混淆，因此,一般把PLC作為可編程控制器的簡稱。3 PLC的特點可編程控制器之所以能夠得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，主要是由于它具有以

9、下特點：（1）可靠性高，抗干擾能力強用軟件實現(xiàn)大量的開關(guān)量邏輯運算，克服了因繼電器觸點接觸不良而造成的故障；輸入采用直流低電壓，更加可靠、安全；面向工業(yè)環(huán)境設(shè)計，采取了濾波、屏蔽、隔離等抗干擾措施，適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)和一般的計算機控制系統(tǒng)。(2)編程簡單，易于掌握PLC采用梯形圖方式編寫程序，與繼電器控制邏輯的設(shè)計相似，具有直觀、簡單、容易掌握等優(yōu)點。(3)功能完善，靈活方便隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，其功能更加完善,不僅具有開關(guān)量邏輯控制功能和步進(jìn)、計算功能，而且還具有模擬量處理、溫度控制、位置控制、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。既可以單機使用、也可聯(lián)網(wǎng)運行，既可集中控

10、制、也可分布控制或者集散控制。而且在運行過程中，可隨時修改控制邏輯，增減系統(tǒng)的功能。(4)體積小、質(zhì)量輕、功耗低由于采用了單片機等集成芯片，體積小、質(zhì)量輕、機構(gòu)緊湊、功耗低。3.3 可編程控制器的主要性能指標(biāo)可編程控制器的性能指標(biāo)有很多，主要有以下幾項指標(biāo)。(1)輸入/輸出點數(shù)(I/O)I/O點數(shù)是指可編程控制器外部輸入、輸出端子數(shù)的總和。它標(biāo)志著可以接多少個開關(guān)按鈕和可以控制多少個負(fù)載。(2)存儲容量存儲容量是指可編程控制器內(nèi)部用于存放用戶程序的存儲容量。(3)掃描速度一般以執(zhí)行1000步指令所需的時間來衡量，單位為ms/千步，也有以執(zhí)行一步指令所需來計算，單位us/步。(4)功能擴(kuò)展能力可

11、編程控制器除了主模板塊之外，通常都可配備一些可擴(kuò)展模塊，以適應(yīng)各種特殊功能應(yīng)用的需要。如A/D模塊、D/A模塊、位置控制模塊等。(5)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是指一臺可編程控制器指令的總和，它是衡量可編程控制器功能強弱的主要指標(biāo)?？删幊炭刂破鞯姆诸愅ǔLC產(chǎn)品可按結(jié)構(gòu)形式、控制規(guī)模等進(jìn)行分類。(1)按結(jié)構(gòu)形式分類按結(jié)構(gòu)形式不同，可分為整體式和模塊式兩類。整體式的PLC是將電源、CPU存儲器、輸入/輸出單元等各個功能部件集成在一個機殼內(nèi)，從而具有結(jié)構(gòu)經(jīng)湊、體積小、價格低等優(yōu)點，許多小型PLC多采用這種機構(gòu)。模塊式的PLC將各個功能部件做成獨立模塊，如電源模塊、CPU真塊、I/O模塊等，然后進(jìn)行組合。(

12、2)按控制規(guī)模分類按控制規(guī)模大小，可分為小型、中型和大型PLC三種類型。1)小型PLC。小型PLC的I/O點數(shù)在256點以下，存儲容量在2KB以內(nèi)，其中輸入輸出點數(shù)小于64點的PLC又稱為超小型或微型PLC,具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位及自診斷、監(jiān)控等基本功能。2)中型PLC中型PLC的開關(guān)量I/O點數(shù)通常在256-2048點之間，用戶程序存儲器的容量為2-8KB,除具有小型機的功能外，還具有較強的模擬量I/O、數(shù)字計算、過程參數(shù)調(diào)節(jié)，如比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)傳送與比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、中斷控制、遠(yuǎn)程I/O及通信聯(lián)網(wǎng)功能。3)大型PLC大型PLC也稱為高檔PLCI/O點數(shù)在2048點

13、以上，用戶程序存儲容量在8KB以上，其中I/O點數(shù)大于8192點的又稱為超大型PLC除具有中型機的功能外，還具有較強的數(shù)據(jù)處理、模擬調(diào)節(jié)、特殊功能函數(shù)運算、監(jiān)視、記錄、打印等功能，以及強大的通信聯(lián)網(wǎng)、中斷控制、智能控制和遠(yuǎn)程控制等功能。PLC系統(tǒng)的組成PLC是一種以微處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，具結(jié)構(gòu)與微型計算機控制系統(tǒng)相似，也是有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。PLC的硬件結(jié)構(gòu)一套PLC系統(tǒng)在硬件上由以下幾部分組成：(1)中央處理器(CPU)與計算機一樣，是PLC的核心部件。(2)存儲器PLC配有兩種存儲器：系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。(3)輸入/輸出(I/O)接口電路。(4)電源。(5

14、)擴(kuò)展單元。(6)外部設(shè)備。其中，各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：電源輸入信號輸入部件微處理器運算器輸出部件受控元件控制器外部設(shè)備外設(shè)I/O接存儲器EPROMrPROM圖2-1PLC硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2-1PLChardwarestructurePLC的軟件PLC的軟件是指PLC所使用的各種程序的集合。它由系統(tǒng)程序（系統(tǒng)軟件）和用戶程序（用戶軟件）組成。（1）系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序，輸入譯碼程序及診斷程序等。（2）用戶程序用戶程序是用戶根據(jù)控制要求，用PLC的編程語言（如梯形圖）編制的應(yīng)用程序?？删幊炭刂破鞯墓ぷ鞣绞娇删幊炭刂破髟谶M(jìn)入RU

15、N犬態(tài)之后，采用循環(huán)掃描方式工作。從第一條指令開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲的地址號遞增的循序逐條執(zhí)行程序，即按順序逐條執(zhí)行程序直到程序結(jié)束。然后再從頭開始掃描，并周而復(fù)始地重復(fù)進(jìn)行。物個掃描周期第N個掃描周期輸出刷新輸入采樣用戶程序執(zhí)行輸出刷新輸入采樣第(N+1)個掃指周期圖2-2PLC工作方式圖Fig.2-2PLCworkwayfigure可編程控制器工作的掃描過程包括五個階段：內(nèi)部處理、通信處理、輸入掃描、程序執(zhí)行、輸出處理。PLC完成一次掃描過程所需的時間成為掃描周期掃描周期的長短與用戶程序的長度和掃描速度有關(guān)。PLC的編程語言PLC的編程語百有梯形圖語百、助記符語百、順

16、序功能圖語百等。其中前兩種語言用的較多，流程圖語言也在許多場合被采用。.梯形圖語言(1)梯形圖從上至下編寫，每一行從左至右順序編寫。PLC程序執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致。(2)圖左、右邊垂直線稱為起始母線、終止母線。每一邏輯行必須從起始母線開始畫起，終止母線可以省略。(3)梯形圖中的觸點有兩種，即動合觸點和動斷觸點。(4)梯形圖的最右端必須連接輸出元素。(5)梯形圖中的觸點可以任意申、并聯(lián)，而輸出線圈只能并聯(lián)，不能用聯(lián)。.助記符語言助記符語言是PLC命令的語言表達(dá)式。用梯形圖編程雖然直觀、簡便，但要求PLC配置較大的顯示器時可輸入圖形符號，這在有些小型機上常難以滿足，所以助記符語言也是一種

17、較常用的一種編程方式。不同型號的PLC其助記符語言也不同，但其基本原理是相近的。編程時，一般先跟據(jù)要求編制梯形圖語言，然后再根據(jù)梯形圖轉(zhuǎn)換成助記符語言。.順序功能圖語言順序功能圖SFC是一種描述順序控制系統(tǒng)功能的圖解表示法，主要由“步”、“轉(zhuǎn)移”及“有限線段”等元素組成，它將一個完整的控制工程分為若干個階段（狀態(tài)），各階段具有不同的動作，階段間有一定的轉(zhuǎn)換條件，條件滿足就實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，上一狀態(tài)動作結(jié)束，下一動作開始。PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。1、開關(guān)量的邏

18、輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。2、模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Dig計al）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3、運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O

19、模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進(jìn)電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。4、過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。5、數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運

20、算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。6、通信及聯(lián)網(wǎng)PLC®信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能,紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3機械手的設(shè)計機

21、械手的控制要求本機械手的控制要求：機械手搬運零部件動作示意圖如下圖3-1所示，該機械手可用來將工件從A工位搬到B工位，實現(xiàn)方式有手動自動兩種工作方式，其動作過程分為10工步，即從原位開始順序經(jīng)過10個動作后完成一個周期，并返回原位，在此，定義機械手處于左旋限位，上行限位時為原點。具體過程是：橫軸下降，至下限位開關(guān)，夾緊工件，橫軸上升，至上限位開關(guān)，底盤右旋轉(zhuǎn)，至右旋限位開關(guān)，橫軸右行，至右限位開關(guān)，橫軸下降，至下限位開關(guān)，松開工件，橫軸上升，至上限位開關(guān)，橫軸左行，至左限位開關(guān)，底盤左旋轉(zhuǎn)，至左旋限位開關(guān)，返回原位，完成一個周期。為了便于控制系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)，本控制系統(tǒng)有手動功能和自動功能。當(dāng)手

22、動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“手動”位置時，按下相應(yīng)的手動按鈕，就可實現(xiàn)上升、下降、左移、右移、夾緊、放松的手動控制。當(dāng)機械手處于原位時，將手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“自動”位置時，進(jìn)入自動工作狀態(tài)。機械手工作方式說明如下：(1)手動工作方式即單步運行，每按一個按鈕，執(zhí)行一步操作；(2)自動工作方式即連續(xù)運行，按下啟動按鈕，機械手自動運行，一個周期后循環(huán)工作，直至完成搬運任務(wù)；(3)運行之前，通常對機械手進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位操作有機械手在左邊、在右邊、在中間三種情況，要逐一考慮，使機械手在任意位置都可以完成復(fù)位，回到原點；(4)運行過程中，當(dāng)按下停止按鈕時，要停止一切動作。V升隆電機左右行電機n右行領(lǐng)左行B

23、IS左旋轉(zhuǎn)二：7右旋轉(zhuǎn)下降上升rSV旋轉(zhuǎn)包機L夾緊1Al位圖3-1機械手搬運零部件示意圖Fig.3-1Manipulatorhandlingpartsschemes3.2機械手控制系統(tǒng)設(shè)計方案的比較在工業(yè)自動化生產(chǎn)中常用的控制系統(tǒng)有：傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和微機控制系統(tǒng)這三種。但從使用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性出發(fā)，本設(shè)計選用了PLC控制系統(tǒng)。因為從上述該機械手所需完成的控制動作分析來看，本機械手是用于在復(fù)雜的條件下工件的傳輸，主要動作是上升、下降、左移、右移、夾緊、放松、左旋、右旋和工序延時控制等，控制動作基本上是以簡單的順序邏輯動作為主，是屬典型的繼電邏輯順序動作控制系統(tǒng)，這

24、是PLC最擅長的功能，而且PLC具有體積小、重量輕、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、易于維護(hù)等特點，特別是替代繼電器控制系統(tǒng)，這更是它的優(yōu)勢。本系統(tǒng)的開關(guān)量輸入信號為數(shù)字信號,直接連接PLCPLC®過中間繼電器對電磁閥加以控制系統(tǒng)框圖如圖3-2所小。0圖3-2系統(tǒng)框圖Fig.3-2Thesystemframe4系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計PLC的選型目前，世界上有200多個廠家生產(chǎn)可編程控制器產(chǎn)品，比較著名的PLC生產(chǎn)廠家主要有美國的AB通用（GE、日本的三菱（MITSBISHD、歐姆龍（OMR。N德國的西門子（SIMENS、法國的TE、韓國的三星（SUMSUNGLG等。本文選擇的是德國西門

25、子公司生產(chǎn)的S7-200PLCS7-200系列PLC是西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC其許多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC的一樣，因此它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7-200CPU22*系列PLC由于它具有多種功能模塊和人機界面（HMD可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計時更加簡單，其速度快，具有極強的通信能力，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。根據(jù)機械手的控制要求，PLC輸入、輸出點分配如表所示：表4-1PLC的I/O分配表Tab.4-1PLCofI/Odistribu

26、tionlist名稱輸入名稱輸入啟動按鈕SB1I0.0夾緊按鈕SB10I1.1停止按鈕SB2I0.1松開按鈕SB11I1.2復(fù)位按鈕SB3I0.2上升限位開關(guān)SQ1I1.3上升按鈕SB4I0.3下降限位開關(guān)SQ2I1.4下降按鈕SB5I0.4左行限位開關(guān)SQ3I1.5左行按鈕SB6I0.5右行限位開關(guān)SQ4I1.6右行按鈕SB7I0.6左旋限位開關(guān)SQ5I1.7左旋按鈕SB8I0.7右旋限位開關(guān)SQ6I2.0右旋按鈕SB9I1.0名稱輸出名稱輸出上下行步進(jìn)電機驅(qū)動器脈沖輸入Q0.0基座電機正轉(zhuǎn)Q0.4左右行步進(jìn)電機驅(qū)動器脈沖輸入Q0.1基座電機反轉(zhuǎn)Q0.5上下行步進(jìn)電機驅(qū)動器方向輸入Q0.2松

27、緊電磁閥Q0.6左右行步進(jìn)電機驅(qū)動器方向輸入Q0.3原位指小燈Q0.7由上表可知，該控制系統(tǒng)共需要17個輸入點，8個輸出點，此處選用西門子公司生產(chǎn)的小型PLCS7-200系列的CPU226昧電器輸出型可編程控制器，該控制器輸入點24個，輸出點16個。機械手驅(qū)動的選擇機械手的全部動作由步進(jìn)電機和直流電機進(jìn)行驅(qū)動控制。步進(jìn)電機的運動需要驅(qū)動器，有脈沖輸入時步進(jìn)電機才會動作，且每當(dāng)脈沖由低變高時步進(jìn)電機走一步；改變電機轉(zhuǎn)向時，需要加方向信號。機械手的上升/下降、左行/右行動作就是通過控制這兩個步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的?；D(zhuǎn)是通過控制直流電機的轉(zhuǎn)動方向來實現(xiàn)的。機械手的放松/夾緊由一個單線圈兩位置

28、電磁閥控制。當(dāng)該線圈通電時，機械手放松；該線圈斷電時，機械手夾緊。步進(jìn)電機步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步距角）。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本系統(tǒng)采用二相八拍混合式步進(jìn)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。此處采用串聯(lián)型接法，其電氣接線圖如下圖

29、4-1所示。步進(jìn)電機的運行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動，這種裝置就是步進(jìn)電機驅(qū)動器它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。A+黑A綠稟黃BA-橙石圖4-1步進(jìn)電機電氣接線圖Fig.4-1Stepmotorelectricalhookup步進(jìn)電機的選擇步進(jìn)電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機的型號便確定下來了。1、步距角的選擇電機的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速

30、）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。2、靜力矩的選擇步進(jìn)電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般為低速）二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，包速運行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍最好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）3、電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流

31、參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流(參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓)。4、力矩與功率換算步進(jìn)電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P=QMQ=2ttn/60P=2mM/60其P為功率，單位為瓦；。為每秒角速度，單位為弧度；n為每分鐘轉(zhuǎn)速；M為力矩，單位為牛頓米；P=2fM/400(半步工作)，其中f為每秒脈沖數(shù)(簡稱PPS)。止匕外，在選取電機時，我們應(yīng)該注意：1、步進(jìn)電機應(yīng)用于低速場合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，(0.9度時3000PPS)最女?在1000-3000PPS(0.9度)間使用，可通過減速裝置使其在此間工

32、作，此時電機工作效率高，噪音低。2、步進(jìn)電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。3、電機在較高速或大慣量負(fù)載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸開頻提速，一是可以保證電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。4、電機在600PPS(0.9度)以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。5、應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)動的原則。根據(jù)以上原則，我們選用深圳雷塞兩相57HS13系列步進(jìn)電機，電機參數(shù)為：表4-2步進(jìn)電機參數(shù)表Tab.4-2Stepmotorparametertable型號靜力矩(NM)步距角()相電流電阻()電感(mH)長度L(mm)轉(zhuǎn)子慣量(g.cm2)(Kg)串聯(lián)(A)并

33、聯(lián)(A)57HS131.31.82.04.01.02.1764601.0選用雷塞兩相M860系列步進(jìn)電機驅(qū)動器，工作電流2.47.2A,工作電壓2480V。PLC原理接線圖根據(jù)PLC的選型、輸入/輸出端口分布表以及步進(jìn)電機和步進(jìn)電機驅(qū)動器類型，畫出PLC的外部接線圖，如下：4-24V+融圖4-2PLC外部接線圖Fig.4-2PLCexternalhookup5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計本控制系統(tǒng)，我們選取自動和手動兩種工作方式，手動控制方式即單步運行方式，手動操作不需要按工序順序動作，可以按普通繼電器接觸器控制系統(tǒng)來設(shè)計，利用按鈕對機械手每一動作單獨進(jìn)行控制，如按“下降”按鈕，機械手下降；按“上升”按鈕

34、，機械手上升。而自動工作方式，按下啟動按鈕后，機械手從原點開始按工序自動反復(fù)連續(xù)循環(huán)工作，直到按下停止按鈕，機械手自動停機。自動控制系統(tǒng)的整體運行情況是：打開電源，按下起動按鈕時，開機復(fù)位。機械手的動作示意圖如圖3-1所示。機械手若不在原點則PLC向上下行驅(qū)動器輸入脈沖信號，上下行步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)，機械手上升。上升到底時碰到上限位開關(guān)，然后主機向左右行驅(qū)動器同時輸入脈沖信號和電平信號，左右行步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)，橫軸左行。當(dāng)行進(jìn)到位時碰到左限位開關(guān)，左行停止，回到原點。主機向上下行驅(qū)動器同時輸入脈沖信號和電平信號，上下行步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)，機械手下降。降到底時碰到下限位開關(guān)，下降停止，夾緊電磁閥斷電，機械手夾緊

35、。夾緊后，主機向上下行驅(qū)動器只輸入脈沖信號，上下行步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)，機械手上升。上升到頂時，碰到上限位開關(guān)，上升停止。PLC向基座電機輸入正轉(zhuǎn)信號，電機正轉(zhuǎn)，機械手右旋，碰到右旋限位開關(guān)，右旋停止。主機向左右行驅(qū)動器輸入脈沖信號電平信號，步進(jìn)電機左右行正轉(zhuǎn)，機械手右行，右行到位時，碰到右限位開關(guān)，右行停止。主機向上下行驅(qū)動器同時輸入脈沖信號和電平信號，上下行步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)，機械手下降。降到底時碰到下限位開關(guān)，下降停止，同時夾緊電磁閥得電，機械手放松。放松后，主機向驅(qū)動器上下行輸入脈沖信號，上下行步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)，機械手上升，上升到頂時，碰到上限位開關(guān)，上升停止。PLC向左右行驅(qū)動器同時輸入脈沖信號和電平

36、信號，左右行步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)，橫軸左行，當(dāng)左行到底時碰到左限位開關(guān)，然后主機向基座電機同時輸入反轉(zhuǎn)信號，電機反轉(zhuǎn)，機械手左旋，碰到左旋限位開關(guān)左旋停止，回到原點。至此，機械手經(jīng)過十步動作完成一個循環(huán)。就此給出自動控制系統(tǒng)的功能流程圖和系統(tǒng)整體的PLC程序?？刂葡到y(tǒng)功能流程圖5-1控制系統(tǒng)功能流程圖上電后原位指不燈亮下降抓緊延時10S上升右旋右行下降松開延時10s上升左行左旋Fig.5-1ControlsystemfunctionflowchartPLC編程與調(diào)試手動控制程序手動控制即單步運行，當(dāng)按下一個按鈕，比如說上升按鈕，機械手自動上開，什么時候停下來則由限位開關(guān)來決定。根據(jù)這一思路，編寫如下程

37、序:PROGRAMCOMMENTSNetworkINetworkTMe上升10.3T卜Q0.2QOlOMelwork210.3QO.OH)Nelwofk3PTKQO.OQ0.2s"1Network4|下降到位Nelwcik5左行Network6至行到位Hictwork7訪行IQ.EQOJQC.3Network8I石行到位10.6QCI3T，!-；)11.6IQMetwork9lli-107Q04Q0.51Netwoik10I左旋到位107QOlE1fI1CR)117IpNetwuik11IM11.0QD.5Q0,4Netwoik12I4艇到位I11.0QtH1fI1CR)120Ip復(fù)

38、位控制程序復(fù)位程序比較復(fù)雜，因為機械手為三自由度，十個工步，所以有三種情況:在左邊任意位置，在右邊任意位置，既不在左邊又不在右邊而是在中間的任意位置。所以按下復(fù)位按鈕時我們需要首先判斷機械手的確切位置。在這里，我們可以通過限位開關(guān)和松緊電磁閥的狀態(tài)明確的判斷出來。找到機械手的具體位置，就可以驅(qū)動機械手進(jìn)行下一步動作。比如機械手在右邊，而且手部沒有貨物，那么右行限位開關(guān)和電磁閥都應(yīng)該是閉合的，機械手下一步要完成的動作是放松上升，左移至左行限位開關(guān)再左旋，然后回到原點，完成復(fù)位工作。在左邊和在中間時，也是如此。根據(jù)這一思路，編寫如下程序：田0而州COMMENTSNetwoik1復(fù)位程序允許繼續(xù)回原

39、點10.2Ml.2TI(R)1Netwoik2啟動固原點102M12M13TIIMId()Netwoik3號上囪£點Netwoik4苗點援沖詛口S0OSCRNelwoik5機械手在右邊51.雌檜上升S1.1夾緊下隆Netwgifc6機械手在左邊$】.微松上升23詼喏百NelhDik7.機假手在引司S.4放松左移與.京案右GH.e工OLES14|fsCRl)口OLES1.5/|tSCAT)Netwoik8原點媛i幡束（SCRE）NcHwaik9夾籃上升S1.3SCR-Nelwoik11上升到應(yīng)啟動夾緊右移11.3S1,5IIGcrt)Nelwoik12（SCRF）NcEwuik13夾髯

40、右移S15hlleQwoik15M0JC）1Netwaik20下降Nelwoik21Met口水22g間到呂動放松上升T3751.0Nelwfxk22Nelwufk24聞&上升S1.0SCRNslwark25I上升一NcEwark2G二升到位放由左稱11.3M1.2Hitiwtfwlq31I左移到位左旋至周點Nelwcfk32NeEwcirk.335.2.3自動控制程序自動控制即連續(xù)控制，按下啟動按鈕，檢測機械手是否在原點，若不在,首先復(fù)位，若在則依次完成十個工步，直到按下停止按鈕。程序如下：Netwaik1自動運行程序|定義原點|11311.7QQSM0L7II1I1*I()N或wuik2I若不在原點后瞧位于程序100M017SBR_DII1/IENMetwoik3I基位后后動自動運行程產(chǎn)10.0MU710.1M0,