機(jī)械設(shè)計(jì)說(shuō)明書-教學(xué)型機(jī)械手PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

導(dǎo)言1.1課題的研究背景與意義在國(guó)家“十一五”規(guī)劃的指導(dǎo)下，我國(guó)機(jī)器人研究與應(yīng)用已經(jīng)取得重大進(jìn)展。21世紀(jì)，制造業(yè)將進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段，各種自動(dòng)化裝備、智能機(jī)器特別是機(jī)器人將在采掘、建筑、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、軍事、空間及海洋探索等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。世界各國(guó)普遍在學(xué)校中開設(shè)了機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)課程。為了培養(yǎng)開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)方面的人才，我國(guó)在職業(yè)類學(xué)校也開設(shè)了機(jī)器人相關(guān)課程。教學(xué)型機(jī)械手就是針對(duì)教學(xué)所研制的典型機(jī)器人設(shè)備，其有兩個(gè)方面的要求：首先在硬件方面要求能讓學(xué)生自己組裝該設(shè)備，能正確連接電路與氣路，所以涉及的知識(shí)面要適合職業(yè)類學(xué)生；其次在軟件方面要能分模塊，分塊學(xué)習(xí)更容易接受，學(xué)后能按照要求編寫控制程序。教學(xué)型機(jī)械手的研制能使學(xué)生比較全面、綜合地了解現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)，是機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、人機(jī)交互等諸多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，并親身接觸和體驗(yàn)現(xiàn)代高科技。在學(xué)生獲得科技知識(shí)和實(shí)踐能力的同時(shí)，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)和潛能，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。1.2國(guó)內(nèi)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)國(guó)內(nèi)開始機(jī)器人的研究，在20世紀(jì)70年代后期，當(dāng)時(shí)我們國(guó)家在北京舉辦了一個(gè)日本的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品展覽會(huì)，在這個(gè)會(huì)上有兩個(gè)產(chǎn)品，一個(gè)是數(shù)控機(jī)床，一個(gè)是工業(yè)機(jī)器人，那個(gè)時(shí)候，我們國(guó)家的許多學(xué)者，看到了這樣一個(gè)方向，開始進(jìn)行了機(jī)器人的研究，但是那時(shí)候研究，基本上還局限于理論的探討階段。真正進(jìn)行機(jī)器人的研究是在七五、八五、九五、十五將近這二十年的發(fā)展，發(fā)展最迅速的時(shí)候，是在1986年我們國(guó)家成立了863計(jì)劃，在這個(gè)高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中，將機(jī)器人技術(shù)作為一個(gè)重要的發(fā)展的主題，國(guó)家投入將近幾個(gè)億的資金開始進(jìn)行了機(jī)器人研究，使得我們國(guó)家在機(jī)器人這一領(lǐng)域得到飛快的、迅速的發(fā)展。目前我們國(guó)家比較有代表性的研究，有工業(yè)機(jī)器人，水下機(jī)器人，空間機(jī)器人，核工業(yè)機(jī)器人，都在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平，總體上我們國(guó)家與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，雖然還存在很大的差距，但是在上述這些水下、空間、核工業(yè)的特殊機(jī)器人方面，我們還是取得了很多有特色的研究成就?，F(xiàn)在機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，我們從廣泛意義上理解所謂的智能機(jī)器人，它給人的最深刻的印象是一個(gè)具有獨(dú)特的、進(jìn)行自我控制的“活物”。其實(shí)，這個(gè)自控“活物”的主要器官并沒有像真正的人那樣微妙而復(fù)雜。智能機(jī)器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感受器外，它還有效應(yīng)器，作為作用于周圍環(huán)境的手段。比如筋肉，或稱自整步電動(dòng)機(jī)，它們使手、腳長(zhǎng)鼻子、觸角等動(dòng)起來(lái)。智能機(jī)器人能夠理解人類語(yǔ)言，用人類語(yǔ)言同操作者對(duì)話，在它自身的“意識(shí)”中單獨(dú)形成了一種使它得以“生存”的外界環(huán)境——實(shí)際情況的詳盡模式。目前，人工智能的推理功能已獲突破，學(xué)習(xí)及聯(lián)想功能正在研究之中，下一步就是模仿人類右腦的模糊處理功能和整個(gè)大腦的并行化處理功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)人工智能應(yīng)用的新領(lǐng)域，未來(lái)智能計(jì)算機(jī)的構(gòu)成，可能就是作為主機(jī)的馮·諾依曼型機(jī)與作為智能外圍的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。人工智能一直處于計(jì)算機(jī)技術(shù)的前沿，人工智能研究的理論和發(fā)現(xiàn)在很大程度上將決定計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。今天，已經(jīng)有很多人工智能研究的成果進(jìn)入人們的日常生活。將來(lái)，人工智能技術(shù)的發(fā)展將會(huì)給人們的生活、工作和教育等帶來(lái)更大的影響。正是因?yàn)槿藗冊(cè)谡J(rèn)識(shí)自然改造自然過(guò)程中，需要各種各樣的機(jī)器人，所以才促進(jìn)了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了機(jī)器人本身問題的發(fā)展，從另一個(gè)方面，由于關(guān)鍵技術(shù)的解決，以及應(yīng)用的需求，就促進(jìn)了機(jī)器人學(xué)本身的一個(gè)主題的發(fā)展、智能化，由原來(lái)的示教再現(xiàn)，發(fā)展成目前局部感知功能的第二代機(jī)器人，最終的目標(biāo)，是不斷地隨著其它學(xué)科和先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，使機(jī)器人內(nèi)涵不斷豐富，最終實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人這樣一個(gè)主流。智能機(jī)器人其現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.機(jī)構(gòu)與材料：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，不斷提高負(fù)載／自重比，同時(shí)機(jī)器人機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。2.機(jī)電一體化機(jī)器人：研究人機(jī)耦合系統(tǒng)與復(fù)雜生物機(jī)電系統(tǒng)建模方法，探索生物信息的編碼機(jī)理和解碼機(jī)制，以及多源生物信息的融合與理解機(jī)制等。3.多傳感系統(tǒng)和控制技術(shù)：非線性及非平穩(wěn)非正態(tài)分布的情形下有效可行的多傳感器融合算法，機(jī)器人的控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器的研究；研究基于智能材料和仿生原理的高功率密度驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，研究仿生感知、控制機(jī)制與生物神經(jīng)系統(tǒng)建型理論與方法。4.網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)化使機(jī)器人由個(gè)體系統(tǒng)向群體系統(tǒng)發(fā)展，使遠(yuǎn)距離操作監(jiān)控、維護(hù)及遙控的智能型工廠成為可能。5.機(jī)器人靈巧化和智能化發(fā)展：機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來(lái)越靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，其智能也越來(lái)越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。6.醫(yī)療機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人：醫(yī)療機(jī)器人是近年來(lái)發(fā)展比較迅速的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，借助醫(yī)療機(jī)器人可降低醫(yī)生手術(shù)疲勞度，還可提高操作的精度?？祻?fù)機(jī)器人可對(duì)各種神經(jīng)損傷患者進(jìn)行定量化的主被動(dòng)康復(fù)治療，使患者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能和生活自理能力得到增強(qiáng)和恢復(fù)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)不斷進(jìn)步，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，引起了各國(guó)專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國(guó)家均把機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)和研究列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。世界各國(guó)普遍在高等院校為大學(xué)本科生及研究生開設(shè)機(jī)器人技術(shù)的有關(guān)課程。1.3本文的主要工作教學(xué)型機(jī)械手配置了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中典型的皮帶輸送機(jī)、機(jī)械手和圓盤，綜合了光電控制、氣動(dòng)控制、PLC控制、變頻器控制等技術(shù)，承載了真實(shí)的生產(chǎn)功能。該機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)抓取工件，搬運(yùn)工件和旋轉(zhuǎn)工件來(lái)完成工件的組裝。本文主要研究了教學(xué)型機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)能讓學(xué)生更好的接觸實(shí)際工作的整體設(shè)備，能更快的掌握類似控制系統(tǒng)的組裝、功能修改、調(diào)試和維修。全文共分六章，主要研究工作及章節(jié)安排如下：第一章概述，討論了本課題的研究背景、國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)、介紹了本課題所要做的工作。第二章可編程控制器簡(jiǎn)介，介紹了可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域及三菱FX2N系列可編程控制器的介紹。第三章教學(xué)型機(jī)器手的系統(tǒng)介紹，著重介紹了教學(xué)型機(jī)械手整個(gè)系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的組成、工藝流程和技術(shù)參數(shù)、系統(tǒng)自由度和坐標(biāo)形式、系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式及機(jī)械手傳動(dòng)方案的對(duì)比分析及選擇。第四章PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，介紹了PLC控制系統(tǒng)方案、PLC選型及控制要求。第五章PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，介紹了程序流程圖、構(gòu)成和相關(guān)設(shè)置、程序部分功能說(shuō)明和梯形圖、PLC通信及界面設(shè)計(jì)。第六章總結(jié)和展望，對(duì)本課題研究的工作做了總結(jié)以及今后針對(duì)該系統(tǒng)的研究。

2可編程控制器簡(jiǎn)介可編程控制器簡(jiǎn)稱PC（ProgrammableController），它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器PMC（ProgrammableMatrixController）、可編程序順序控制器PSC（ProgrammableSequenceController）、可編程序邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicController）和可編程序控制器PC幾個(gè)不同時(shí)期。為與個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）相區(qū)別，現(xiàn)在仍然沿用PLC這個(gè)老名字。PLC是在繼電器控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，以微處理器為核心，將自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體而發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。由于PLC采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性[2]。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)[3]。2.1PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC主要有CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器等模塊組成，模塊式結(jié)構(gòu)框圖見圖2-1。PLC的特殊功能模塊用來(lái)完成某些特殊的任務(wù)。圖2-1結(jié)構(gòu)框圖1.CPU模塊(中央處理器)CPU模塊是PLC的核心部分[4]。在CPU控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來(lái)儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。2.I/O模塊輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡(jiǎn)稱為I/O模塊，它們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來(lái)收集和采集輸入信號(hào)，開關(guān)量輸入模塊用來(lái)接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、繼電器等開關(guān)量輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來(lái)接收電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓。開關(guān)量輸出模塊用來(lái)控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備模擬量輸出模塊用來(lái)控制調(diào)節(jié)閥變頻器等執(zhí)行裝置。CPU模塊的工作電壓一般是5V，而PLC的輸入/輸出信號(hào)電壓較高，例如DC24V和AC220V。從外部引入的尖鋒電壓和干擾噪聲可能會(huì)損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O摸塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來(lái)隔離內(nèi)部電路和外部的I/O電路。I/O模塊除了傳遞信號(hào)外還有電平轉(zhuǎn)換和隔離的作用。3.編程器編程器用來(lái)生成用戶程序，并用它進(jìn)行編輯、檢查、修改和監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。使用編程軟件可以在計(jì)算機(jī)的屏幕上直接生成和編輯體形圖或指令表程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同語(yǔ)言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可存盤或打印，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編輯和傳送。4.電源PLC一般使用AC220V和DC24V電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供DC5V、DC12V和DC24V等電源。小型PLC可以為輸入電路和外部電子傳感器提供DC24V電源，驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。2.2PLC的特點(diǎn)及應(yīng)用PLC是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化控制的重要支柱之一，其主要特點(diǎn)為：1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá)30萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。從PLC的機(jī)外電路來(lái)說(shuō)，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性了。2．配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。3．易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。4．系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。5．體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類：1）開關(guān)量邏輯控制取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。2）工業(yè)過(guò)程控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量（即模擬量），PLC采用相應(yīng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來(lái)處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。3）運(yùn)動(dòng)控制PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。4）數(shù)據(jù)處理PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)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。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。5）通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.3三菱FX2N系列可編程控制器介紹[5]FX2N系列PLC是三菱推出的端子排型高性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格機(jī)器,具有高速、高功能等基本性能，適用于從普通順控開始的廣泛領(lǐng)域，并具有適用于各種各樣領(lǐng)域的充實(shí)的擴(kuò)展設(shè)備，包括數(shù)字量輸入輸出擴(kuò)展、模擬量輸入輸出擴(kuò)展、溫度控制、脈沖定位控制、高速計(jì)數(shù)控制、通信控制、現(xiàn)場(chǎng)總線控制、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。它的主要性能如下：1.控制規(guī)模：16～256點(diǎn)。2.內(nèi)置8K容量的EEPROM存儲(chǔ)器,最大可以擴(kuò)展到16K3.CPU運(yùn)算處理速度0.55～0.7μS/基本指令。4.在FX2N系列右側(cè)可連接輸入輸出擴(kuò)展模塊和特殊功能模塊。5.可以連接模擬量、定位、通信、網(wǎng)絡(luò)等各種特殊擴(kuò)展設(shè)備。6.輔助繼電器：3072點(diǎn)，定時(shí)器：256點(diǎn)，計(jì)數(shù)器：235點(diǎn)，數(shù)據(jù)寄存器：8000點(diǎn)。7.基本單元：16/32/48/64/80/128點(diǎn)，有繼電器輸出型和晶體管輸出型。2.4PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟[6]PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要根據(jù)生產(chǎn)的工藝過(guò)程分析控制要求，如完成的動(dòng)作和操作方式。根據(jù)控制要求確定所需要的IO設(shè)備，確定PLC的IO點(diǎn)數(shù)。然后再根據(jù)設(shè)計(jì)IO點(diǎn)數(shù)和控制系統(tǒng)的要求Ｗ及還要考慮其他的外圍設(shè)備進(jìn)斤PLC的選型。根據(jù)設(shè)汁系統(tǒng)確定各個(gè)IO的名稱，并分配PLC的IO地址，然后再設(shè)計(jì)系統(tǒng)的IO連接圖。最后綜合考慮PLC所要完成的任務(wù)完成控制程序的設(shè)計(jì)2.5PLC的工作原理[7]運(yùn)行時(shí)是以“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。也就是說(shuō)，在工作時(shí)，實(shí)行的是一種順序的掃描，按照操作者通過(guò)編輯器輸入的指令依次執(zhí)行，如果執(zhí)行中遇到跳轉(zhuǎn)指令，則按指令要求跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)單元，否則處理器將從第一條指令開始順序的執(zhí)行用戶程序，執(zhí)行到最后一條，完成一次掃描，接著又自動(dòng)返回到第一條指令，開始新一周期的掃描，在完成順序掃描的同時(shí)，還要處理輸入信號(hào)的采樣和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等任務(wù)。如圖2-2所示。圖2-2PLC工作原理需要注意的是，雖然在梯形圖中經(jīng)常看到有些繼電器或者計(jì)時(shí)器與計(jì)數(shù)器等名稱，但是不是真正的擁有它，或者說(shuō)真的有繼電器或者計(jì)時(shí)器與計(jì)數(shù)器，它們只是為了完成某些功能而虛擬假設(shè)的，這樣可以大大縮小了硬件空間。事實(shí)上在執(zhí)行階梯圖程式時(shí)的運(yùn)作方式首先是釆用逐行掃描的方式把階梯圖的程式碼讀入到中，最后再執(zhí)行控制動(dòng)作。在系統(tǒng)完成一個(gè)掃描周期的過(guò)程中，主要進(jìn)行了三項(xiàng)工作，“輸入采樣階段”、“程式執(zhí)行階段”和“刷新輸出階段”，

3教學(xué)型機(jī)械手系統(tǒng)介紹3.1教學(xué)型機(jī)械手系統(tǒng)的組成教學(xué)型機(jī)械手系統(tǒng)主要由水平皮帶輸送機(jī)，變頻器、垂直固定于機(jī)架上的機(jī)械手和個(gè)人電腦構(gòu)成。1．個(gè)人電腦選用通信接口為RS-232C規(guī)格的計(jì)算機(jī)，用于寫入PLC程序，針對(duì)不同的需要編寫程序。2．PLC選用三菱FX2N-32MT系列。可編程控制器的輸出，輸入及電源的接線端都引出到模塊的面板插孔上，這樣可以方便學(xué)生接線。PLC根據(jù)傳感器傳遞來(lái)的信息和輸入的程序來(lái)控制機(jī)械手和其他的氣動(dòng)控制。機(jī)械手硬件按其功能分析可分為底座、立柱、懸臂、手抓，其中能控制的包括立柱、懸臂、和氣抓三個(gè)部件[8]。如圖3-1所示圖3-1部件展示3.2教學(xué)型機(jī)械手的工藝流程和技術(shù)參數(shù)機(jī)械手工作時(shí)，首先由PLC發(fā)出電控制信號(hào)給電磁閥；電磁閥動(dòng)作輸出氣信號(hào)到氣控閥；氣控閥接到信號(hào)后，將動(dòng)力輸給氣缸；氣缸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到指定行程時(shí)，觸及機(jī)械閥；機(jī)械閥將氣信號(hào)傳到氣電繼電器；氣電繼電器將電信號(hào)傳至機(jī)械手控制系統(tǒng)；PLC根據(jù)氣缸到位情況，按程序執(zhí)行下一步動(dòng)作。系統(tǒng)工作原理框圖如圖3-2所示[9]。圖3-2系統(tǒng)工作原理根據(jù)其用途和特點(diǎn)，其技術(shù)參數(shù)如表3-1所示：表3-1技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)自由度數(shù)目2定位精度1mm負(fù)載能力1kg幾何尺寸400mm*300mm*350mm運(yùn)動(dòng)范圍手臂伸縮100mm手臂升降200mm本體重量10kg3.3教學(xué)型機(jī)械手系統(tǒng)的自由度和坐標(biāo)形式針對(duì)本系統(tǒng)中機(jī)械手的任務(wù)要求，為了使它具有一定的操作靈活性、較好的使用性和普及型，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用圓柱坐標(biāo)型。自由度是指機(jī)械手所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，其中不包括手爪（末端操作器）的開合自由度，手指的開合所具有的自由度不包含在內(nèi)，因?yàn)檫@個(gè)自由度僅用于抓取工具，而對(duì)于工具的定位和定向不起作用。該教學(xué)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四個(gè)自由度，分別為立柱回轉(zhuǎn)（周向），手臂升降運(yùn)動(dòng)（軸向），手臂伸縮運(yùn)動(dòng)（徑向）和手爪的旋轉(zhuǎn)（周向）。由各關(guān)節(jié)按不同的配置方法可組合成結(jié)構(gòu)類型各異的機(jī)械手，其坐標(biāo)形式也各不相同，最常見的機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型主要有下列幾種：1．直角坐標(biāo)型：通過(guò)沿x－y－z三個(gè)互相垂直的直角坐標(biāo)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變。特點(diǎn)是定位精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，三個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，其間沒有耦合，但是這種形式機(jī)械手占地面積大，操作靈活性差。2．球坐標(biāo)型：由二個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)直線移動(dòng)關(guān)節(jié)分別作為方向旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和徑向直線運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組合而成。特點(diǎn)是占地面積小，工作空間較大，但是移動(dòng)關(guān)節(jié)不易防護(hù)。3．多關(guān)節(jié)型：這類機(jī)械手由兩個(gè)肩關(guān)節(jié)和一個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由兩個(gè)或三個(gè)腕關(guān)節(jié)定向。其中一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰，這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線。這種結(jié)構(gòu)動(dòng)作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。4．圓柱坐標(biāo)型：由一個(gè)升降直線運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，一個(gè)圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)水平直線運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組合而成。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作過(guò)程中負(fù)荷變動(dòng)少，容易控制，缺點(diǎn)是動(dòng)作區(qū)域狹窄。教學(xué)型機(jī)械手由兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，一個(gè)軸向移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)徑向關(guān)節(jié)組成?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)；軸向移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)；徑向移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)進(jìn)出運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快。最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。針對(duì)本系統(tǒng)中機(jī)械手的任務(wù)要求，為了使它具有一定的操作靈活性、較好的使用性和普及型，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用圓柱坐標(biāo)型。3.4教學(xué)型機(jī)械手系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式通常，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式有以下幾類[10]：1．氣壓驅(qū)動(dòng)使用壓力通常在0.4～0.6Mpa，最高可達(dá)1Mpa。氣壓驅(qū)動(dòng)主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便（一般工廠都由壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣），驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)是裝置體積大，氣源裝置存在噪聲問題，定位精度也不高2．液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡(jiǎn)單，能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；缺點(diǎn)是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。液壓驅(qū)動(dòng)多用于要求輸出力較大，運(yùn)動(dòng)速度較低的場(chǎng)合。3．電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，以獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由于具有易于控制、運(yùn)動(dòng)精度高、使用方便、成本低廉、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)是最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。綜合各種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，主要考慮成本及學(xué)校設(shè)施相對(duì)簡(jiǎn)陋的基礎(chǔ)上，最后采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的氣壓驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)根據(jù)輸出形式分，可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。電動(dòng)機(jī)在機(jī)械手中應(yīng)用時(shí)，要關(guān)注電動(dòng)機(jī)的如下基本性能：1．能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、連續(xù)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，且具有良好的響應(yīng)特性；2．正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定；3．維護(hù)容易，而且不用保養(yǎng)；4．具有良好的抗干擾能力，且相對(duì)于輸出來(lái)說(shuō)，體積小，重量輕。在機(jī)械手中，采用比較多的是直流電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗梢赃_(dá)到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反兩個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平滑。因此，機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)、升降和伸縮部分及控制手爪的開合都采用直流電動(dòng)機(jī)。3.5教學(xué)型機(jī)械手傳動(dòng)方案的對(duì)比分析及選擇傳動(dòng)裝置的作用是將驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)力傳遞給機(jī)械手的執(zhí)行部件，以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)。目前常用的傳動(dòng)方式有：皮帶輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)、諧波減速傳動(dòng)以及螺旋傳動(dòng)等。諧波齒輪傳動(dòng)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、能獲得大的傳動(dòng)比等優(yōu)點(diǎn)，但存在扭轉(zhuǎn)剛度較低且傳動(dòng)比不能太小的缺點(diǎn)。行星齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的優(yōu)點(diǎn)，是用于中等減速比傳動(dòng)，但存在齒輪間隙，難以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)過(guò)程中精確位置要求，因此限制了它的廣泛應(yīng)用。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)常用于要求有大的傳動(dòng)比且傳動(dòng)過(guò)程中要求機(jī)構(gòu)自鎖的場(chǎng)合，這種方式安全性能高，但同樣存在齒側(cè)間隙，而且效率較低。皮帶輪傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，可是存在彈性滑動(dòng)，和鏈傳動(dòng)一樣使用一段時(shí)間后易松弛，傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中還產(chǎn)生動(dòng)載荷，因此常用于傳動(dòng)精度要求不高的場(chǎng)合。螺旋傳動(dòng)也是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)的重要傳動(dòng)方式，有滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)?；瑒?dòng)螺旋傳動(dòng)是連續(xù)的面接觸，傳動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)噪聲、并且能夠自鎖，且絲杠的螺旋升角較小，所以用較小的驅(qū)動(dòng)力矩就可以獲得較大的牽引力。滾珠絲杠附屬于滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)，傳動(dòng)具有傳動(dòng)效率高、摩擦阻力小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且能夠有效消除傳動(dòng)間隙的優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格較高，因此滾珠絲杠螺母被廣泛應(yīng)用于要求較高的數(shù)控傳動(dòng)系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)考慮，初步對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。1、手臂升降關(guān)節(jié)機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，選用蝸桿傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比?？紤]到安裝的位置要求電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速先經(jīng)過(guò)一對(duì)直齒圓柱齒輪減速，然后再經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸桿為主動(dòng)件正向運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生自鎖，只是效率相對(duì)來(lái)說(shuō)有所降低。2、懸臂伸縮關(guān)節(jié)機(jī)械手精度要求不是很高，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)性要求。因此，機(jī)械手水平手臂伸縮移動(dòng)機(jī)構(gòu)選用滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)，由一對(duì)絲杠螺母副將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平手臂的直線移動(dòng)。3、手抓抓放關(guān)節(jié)機(jī)械手垂直手臂的升降關(guān)節(jié)，如手臂伸縮關(guān)節(jié)傳動(dòng)方法一樣，使用絲杠螺母副將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為手臂的升降移動(dòng)。3.6教學(xué)型機(jī)械手傳感器的選擇傳感器是將機(jī)電一體化系統(tǒng)中被檢測(cè)對(duì)象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘?hào)的一種變換器。它主要用于檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)自身與作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)作提供信息。教學(xué)型機(jī)械手系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)傳感器的基本要求：1）體積小、重量輕、對(duì)整機(jī)的適應(yīng)性好；2）精度和靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高；3）安全可靠、壽命長(zhǎng)；4）便于與計(jì)算機(jī)連接；5）不易受被測(cè)對(duì)象（如電阻、導(dǎo)磁率）的影響，也不影響外部環(huán)境；6）對(duì)環(huán)境條件適應(yīng)能力強(qiáng)；7）現(xiàn)場(chǎng)處理簡(jiǎn)單、操作性能好；8）價(jià)格便宜。傳感器的種類繁多，按輸出信號(hào)的性質(zhì)可將傳感器分為開關(guān)型、模擬型和數(shù)字型。開關(guān)型傳感器分為接觸型和非接觸型。模擬型傳感器分為電阻型，電壓、電流型、電感及電容型。數(shù)字型可分為計(jì)數(shù)型和代碼型。開關(guān)型傳感器的兩種狀態(tài)就是“1”和“0”或開（ON）和關(guān)（OFF）。其工作原理是：傳感器的輸入物理量達(dá)到某個(gè)值以上，其輸出為“1”（ON狀態(tài)），在該值以下時(shí)，輸出為“0”（OFF狀態(tài)），其臨近值就是開、關(guān)的設(shè)定值。這種“1”和“0”數(shù)字信號(hào)可直接傳送到PLC進(jìn)行處理，使用方便。開關(guān)型傳感器，主要用作位置開關(guān)使用。例如，手臂旋轉(zhuǎn)的左限位還是右限位，懸臂的伸縮的上限位還是下限位均使用這種開關(guān)型傳感器進(jìn)行檢測(cè)；以及機(jī)械手的手抓旋轉(zhuǎn)的左限位置還是右限位置，也用這種傳感器來(lái)傳遞信息，使用非常方便。根據(jù)該系統(tǒng)的特性，我們選用了多個(gè)光電傳感器、電感傳感器和光纖傳感器，光電傳感器用于檢測(cè)工件的到位檢測(cè)；電感傳感器用于金屬的識(shí)別；光纖傳感器用于工件的識(shí)別。傳感器的電路連接。傳感器選用的是直流三線制傳感器，有棕色、藍(lán)色和黑線三根連接線，其中棕色接PLC的24V的正極，藍(lán)色接電源的負(fù)極，黑色是信號(hào)線接PLC的輸入端。

4PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1PLC控制系統(tǒng)方案結(jié)合現(xiàn)在生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用環(huán)境，在機(jī)器人系統(tǒng)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，如圖4-1所示。從系統(tǒng)總體的角度而言，它包括硬件和軟件兩大部分。硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)過(guò)分析，機(jī)械手控制系統(tǒng)以開關(guān)量為主。個(gè)人電腦作為上位機(jī)，組成PLC——PC兩級(jí)控制系統(tǒng)。上位機(jī)的任務(wù)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行顯示、處理和動(dòng)態(tài)監(jiān)視。PLC根據(jù)輸入端口傳感器發(fā)送來(lái)的機(jī)械手的運(yùn)行情況，按照預(yù)先根據(jù)控制規(guī)律設(shè)計(jì)的控制程序，自動(dòng)地進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，做出應(yīng)的控制決策，并通過(guò)輸出端口向機(jī)械手發(fā)出控制命令。圖4-1控制方案由PLC與個(gè)人電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)型機(jī)器人系統(tǒng)的自動(dòng)控制。PLC具有很高的穩(wěn)定性與可靠性且抗干擾能力較強(qiáng)，很適合現(xiàn)場(chǎng)控制，但沒有一個(gè)很好的人機(jī)交互界面；而采用個(gè)人電腦控制具有很高的靈活性和方便性。PLC作為下位機(jī)連接機(jī)器人設(shè)備，完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分站控制、狀態(tài)判別、本地報(bào)警控制。上位機(jī)采用個(gè)人電腦，以三菱公司的MELSOFT系列GXDeveloper編程軟件設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示、系統(tǒng)設(shè)置、模式選擇、參數(shù)設(shè)置、故障記錄、負(fù)荷記錄、時(shí)間日期、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能，操作界面直觀友好。另外它與打印機(jī)、UPS等其它輸入輸出設(shè)備相連。在個(gè)人電腦與PLC的集成控制系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與PLC的數(shù)據(jù)交換非常重要。一般有兩種方法：利用串口通信或通過(guò)I/O卡實(shí)現(xiàn)?？紤]到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性，本系統(tǒng)采用的是串口通信方式。通信接口均為PLC與個(gè)人電腦上的RS232接口。4.2PLC選型PLC選用了日本三菱電機(jī)生產(chǎn)的FX2N-32MT系列可編程控制器，它是整體式小型PLC，內(nèi)部電源為直流24V，輸入點(diǎn)16個(gè)、輸出點(diǎn)16個(gè)。將它安裝在一塊模塊上，PLC的輸出、輸入及電源的接線端都引出到模塊的面板插孔上。1、本系統(tǒng)中控制對(duì)象的I/O點(diǎn)數(shù)如下：限位開關(guān)4個(gè)：開關(guān)量輸入4個(gè)；電流、急停、停止、啟動(dòng)：4個(gè)開關(guān)量輸出；控制按鈕6個(gè)：開關(guān)輸入6個(gè)；電流、原位：2個(gè)顯示輸出；功能輸出：6個(gè)輸出；總計(jì)：開關(guān)量輸入14個(gè)，開關(guān)量輸出8個(gè)。系統(tǒng)中沒有模擬量，因此不需要選擇模擬量單元。同時(shí)本控制系統(tǒng)為小型控制系統(tǒng)，采用整體型PLC即可[]。本系統(tǒng)采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N-48MR系列PLC，該P(yáng)LC是近年來(lái)該公司推出的高性能小型可編程控制器，它有靈活多變的系統(tǒng)配置，還有許多特殊功能模塊可以選用，功能強(qiáng)大，使用方便。它有24點(diǎn)開關(guān)量輸入和24點(diǎn)開關(guān)量輸出，滿足I/O點(diǎn)數(shù)要求。它有特殊功能模塊和功能擴(kuò)展板，如模擬量輸入/輸出模塊、RS-232/RS-422/RS-485串行通信模塊，具有位置控制和聯(lián)網(wǎng)通信等功能2、I/O地址分配由于CPU模塊有16點(diǎn)數(shù)字量輸入和16點(diǎn)數(shù)字量輸出，所以不再需要增加輸入/輸出模塊。I/O分配采用自動(dòng)分配方式，模塊上的輸入端子對(duì)應(yīng)輸入地址是X000～X018，輸出端子對(duì)應(yīng)的輸出地址是Y000～Y07。4.3控制要求輸入設(shè)備用以產(chǎn)生輸入控制信號(hào)，在機(jī)械手的控制系統(tǒng)中包括有：（1）操作方式選擇開關(guān)：該開關(guān)有手動(dòng)、手動(dòng)自動(dòng)檔位選擇；（2）機(jī)械手操作選擇：有手爪夾緊、放松；手臂伸縮和升降；（3）發(fā)信息開關(guān)：各位置上的限位開關(guān)和光電開關(guān)；（4）另外，還有總停止按鈕，起動(dòng)按鈕，緊急停車按鈕等。操作方式選擇開關(guān)選用轉(zhuǎn)換開關(guān)，手動(dòng)操作開關(guān)、啟動(dòng)和停止這些指令開關(guān)，選教學(xué)型機(jī)器人的光電傳感器作為控制按鈕發(fā)出運(yùn)行命令，給PLC發(fā)信息的即傳感器中的限位開關(guān)和光電開關(guān)。

5PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在進(jìn)行機(jī)械手程序編寫之前，必須要知道機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)流程，流程是根據(jù)系統(tǒng)的功能制定的本系統(tǒng)的機(jī)械手以工作臺(tái)流水線上的工件為夾取對(duì)象，完成夾取和松放的功能。機(jī)械手有兩種工作方式：手動(dòng)和自動(dòng)手動(dòng)。工作方式由M1開關(guān)確定，PLC的輸入點(diǎn)X012接通時(shí)為“自動(dòng)手動(dòng)”功能，如果沒有接通x0012，就是手動(dòng)功能。如果選擇了“手動(dòng)”的工作方式，就會(huì)通過(guò)自己的意愿讓機(jī)械手臂做出自己想要的動(dòng)作，如果選擇了“自動(dòng)手動(dòng)”的工作方式，機(jī)械手臂就會(huì)按照預(yù)定的工作路徑完成相應(yīng)的任務(wù)。圖5-1兩種工作方式5.1系統(tǒng)資源分配定位功能的系統(tǒng)資源分配1、定位模式的要求把工件1送到工件臺(tái)，抓緊-延時(shí)1秒，上升到上限位，右行到右限位，松開，延時(shí)1秒，左行到左限位，下降到下限位。2、數(shù)字量輸入/輸出部分?jǐn)?shù)字量輸入/輸出地址如表5-1所示。表5-1輸入輸出輸入地址對(duì)應(yīng)的輸入設(shè)備輸出地址對(duì)應(yīng)的輸出設(shè)備X0電流y0電流X1急停y1原位X2啟動(dòng)y2上升X3停止y3下降X4上升y4左行X5下降y5右行X6左行y6夾緊X7右行y7松開X10夾緊X11松開X12自動(dòng)手動(dòng)X13上限位X14下限位X15左限位X16右限位X17X183、按照PLC輸入/輸出點(diǎn)，確定了如圖5-2的機(jī)械手電氣控制原理圖[11]。圖5-2接線圖5.2程序的流程圖圖5-3流程圖5.3程序部分功能說(shuō)明和梯形圖1：電源閉合當(dāng)啟動(dòng)按鈕按下，而停止按鈕不動(dòng)的情況下，當(dāng)工件一檢測(cè)傳感器檢測(cè)到工件一到位，則機(jī)械手運(yùn)行，梯形圖如圖5-4所示[12]。圖5-4電源閉合梯形圖

2：運(yùn)行圖5-5運(yùn)行梯形圖3：工作方式的選擇圖5-6工作方式選擇梯形圖4：夾緊步驟圖5-7夾緊步驟梯形圖5：定時(shí)圖5-8定時(shí)梯形圖

6：上升步驟圖5-9上升步驟梯形圖7：右行步驟圖5-10右行步驟梯形圖 8 ：計(jì)時(shí)、松開、左行步驟圖5-1計(jì)時(shí)、松開、左行步驟梯形圖9：下降步驟圖5-12下降步驟梯形圖10：結(jié)束圖5-13結(jié)束步驟梯形圖5.4程序調(diào)試輸入信號(hào)調(diào)試：輸入信號(hào)調(diào)試前，對(duì)信號(hào)的供電應(yīng)再一次進(jìn)行檢查，防止因供電電壓不符造成元件的損壞。對(duì)PLC的各個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，用手動(dòng)的方法使這些輸入點(diǎn)分別動(dòng)作，觀察相應(yīng)的信號(hào)燈是否點(diǎn)亮，如果信號(hào)燈不亮，則應(yīng)檢查外部的線路和接線是否良好和正確。輸出信號(hào)調(diào)試：對(duì)系統(tǒng)中的8個(gè)中間繼電器的供電電壓也要進(jìn)行一次檢查。對(duì)PLC的各個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)，可采用在編程器內(nèi)強(qiáng)制輸出信號(hào)的方法，對(duì)各開關(guān)量輸出點(diǎn)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，檢查相應(yīng)的輸出信號(hào)燈是否點(diǎn)亮或熄滅。此外，應(yīng)對(duì)相應(yīng)的輸出設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查，如果某一輸出設(shè)備不動(dòng)作，則應(yīng)檢查輸出模塊、相應(yīng)的輸出設(shè)備和外部接線?？傉{(diào)試和運(yùn)行調(diào)試：機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的總調(diào)試在電機(jī)和繼電器不供電的情況下進(jìn)行。根據(jù)程序的執(zhí)行次序先后，分別用手動(dòng)的方法對(duì)各個(gè)輸入點(diǎn)進(jìn)行開閉的動(dòng)作，檢查程序是否按照控制的要求進(jìn)行動(dòng)作，相應(yīng)的輸出信號(hào)是否存在，延時(shí)的時(shí)間是否正確，直到整個(gè)程序正確運(yùn)行。然后按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，直到滿足要求為止。

6設(shè)計(jì)小結(jié)本文對(duì)PLC控制的教學(xué)型機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。以PLC為主控制器實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的自動(dòng)化操作?；灸軌蛘故緳C(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡。在本設(shè)計(jì)中，主要進(jìn)行了如下工作：（1）收集資料，找到專業(yè)的書籍和有所借鑒的期刊、論文（2）在電腦上安裝編寫PLC的軟件進(jìn)行編輯，測(cè)試我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大，同時(shí)也要求更精良的控制系統(tǒng)。我制作的機(jī)械手控制系統(tǒng)能夠在初級(jí)展示方面達(dá)到預(yù)期的效果，能夠制造成本，達(dá)到教學(xué)展示的作用。

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附錄：開題報(bào)告工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開題報(bào)告1背景1.1機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用自從20世紀(jì)60年代初人類創(chuàng)造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以后，機(jī)器人就顯示出它極大的生命力，經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測(cè)及倉(cāng)庫(kù)堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)。目前，汽車制造業(yè)是制造業(yè)所有行業(yè)中人均擁有工業(yè)機(jī)器人密度最高的行業(yè)，如，2004年德國(guó)制造業(yè)中每1萬(wàn)名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量為162臺(tái)，而在汽車制造業(yè)中每1萬(wàn)名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量則為1140臺(tái)；意大利的這一數(shù)值更能說(shuō)明問題，2004年意大利制造業(yè)中每1萬(wàn)名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量為123臺(tái)，而在汽車制造業(yè)中每1萬(wàn)名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量則高達(dá)1600臺(tái)。隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范周還在不斷地?cái)U(kuò)大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。2005年，亞洲地區(qū)電子電氣行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求僅次于汽車及汽車零部件制造業(yè)，其占所有行業(yè)總需求的比例為31%；而在歐洲地區(qū)橡膠及塑料工業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電子電氣行業(yè)而排名第二位；美洲地區(qū)由于汽車及汽車零部件制造業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求遙遙領(lǐng)先，所以金屬制品業(yè)(包括機(jī)械)、橡膠及塑料工業(yè)以及電子電氣行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求比例相當(dāng)，均在7%左右。另外諸如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)維護(hù)維修機(jī)器人等各種非制造行業(yè)。此外，在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)等領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越多，如無(wú)人偵察機(jī)(飛行器)、警備機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、家政服務(wù)機(jī)器人等均有應(yīng)用實(shí)例。機(jī)器人正在為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。而且，隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩，未來(lái)各種專業(yè)服務(wù)機(jī)器人和家庭用消費(fèi)機(jī)器人將不斷貼近人類生活，其市場(chǎng)的繁榮興旺將指日可待。1.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

新的市場(chǎng)和新的需求為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。敏捷制造的基本思想是企業(yè)能迅速將其組織和裝備重組,快速響應(yīng)市場(chǎng)變化,生產(chǎn)出滿足用戶需求的個(gè)性化產(chǎn)品。敏捷制造要求企業(yè)底層的生產(chǎn)設(shè)備具有柔性和可動(dòng)態(tài)重組的能力。機(jī)器人是一種具有高度柔性的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。如果我們站在更高的層次,將機(jī)器人視為一種有“感知、思維和行動(dòng)”的機(jī)器,那么,敏捷生產(chǎn)設(shè)備就應(yīng)當(dāng)是新一代機(jī)器人化的機(jī)器。這將為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提出更高的要求。這要求著工業(yè)機(jī)器人朝著以下幾種方式發(fā)展。朝著