【基于三菱FX2N的搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)11000字（論文）】

基于三菱FX2N的搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目錄TOC\o"1-2"\h\u186521.實(shí)踐單位簡介與實(shí)踐工程基本概況 1238191.1實(shí)踐單位簡介 173381.2實(shí)踐工程基本概況 2258522.實(shí)踐目的與實(shí)踐內(nèi)容 4172572.1實(shí)踐目的 4233332.2實(shí)踐內(nèi)容 5121223.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 58173.1系統(tǒng)工作流程 5282203.2系統(tǒng)的基本功能 5126974.PLC的選型 6290464.1幾類PLC的比較 635111.西門子PLC 6308102.歐姆龍公司的PLC 7167463.三菱公司的PLC 7137634.2FX2N型號PLC的介紹 8273415.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9213405.1結(jié)構(gòu)框圖 922675.2元件選擇 10185055.3系統(tǒng)電氣原理圖 1386885.4I/O分配 14261336.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 1570446.1GXWorks2編程軟件簡介 15220316.2機(jī)械手控制系統(tǒng)程序 15134636.3控制程序梯形圖設(shè)計(jì) 17211097.仿真與調(diào)試 19247427.1軟件監(jiān)控 195507.2軟件仿真調(diào)試 21284498.總結(jié) 2421165參考文獻(xiàn) 241.實(shí)踐單位簡介與實(shí)踐工程基本概況1.1實(shí)踐單位簡介2014年1月24日廣東伯朗特智能裝備股份有限公司成為新三板全國擴(kuò)容后首批掛牌企業(yè)，也是新三板全國擴(kuò)容以來首家在中登公司完成股份登記的掛牌企業(yè)，同時(shí)也是線性機(jī)械手行業(yè)首家掛牌企業(yè)。廣東伯朗特智能裝備股份有限公司是國家高新技術(shù)企業(yè)，專業(yè)生產(chǎn)線性機(jī)械手及工業(yè)機(jī)器人。注冊資本3450萬元，承擔(dān)國家科技部立項(xiàng)，獲創(chuàng)新資金支持，并喜獲廣東省名牌產(chǎn)品榮譽(yù)稱號。目前擁有員工400余人，2類廣東省名牌產(chǎn)品，2項(xiàng)發(fā)明專利正在審核階段，已取得24項(xiàng)實(shí)用新型專利，5項(xiàng)軟件著作權(quán)等；通過ISO9001：2008質(zhì)量體系認(rèn)證，CE認(rèn)證，SUV認(rèn)證；獲評標(biāo)準(zhǔn)化良好行業(yè)企業(yè)，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽百強(qiáng)企業(yè)，重點(diǎn)創(chuàng)新幫扶500家高成長性中小企業(yè)，榮獲科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金，高工機(jī)器人金球獎(jiǎng)等等。伯朗特的智能裝備系統(tǒng)是由80%線性機(jī)械手+20%工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成。我們相信智能裝備會像中國高鐵業(yè)一樣為國人爭光，因?yàn)橹袊圃炻劽谑澜纾袊圃斓耐粐怯伞爸袊圃臁鞭D(zhuǎn)變?yōu)椤爸袊窃臁?。廣東伯朗特智能裝備股份有限公司之成員有近十年的機(jī)械手銷售經(jīng)營管理經(jīng)驗(yàn)，秉承歐美技術(shù)生產(chǎn)理念，制造高質(zhì)量、高精密、高速度的自動化機(jī)械手。公司產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，包括電腦及周邊零件業(yè)、電子通訊產(chǎn)業(yè)、光電產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療及包裝產(chǎn)業(yè)等等。公司秉承“認(rèn)真、老實(shí)、誠信、雙贏、創(chuàng)新、永續(xù)”的核心價(jià)值觀，倡導(dǎo)人性化、智能化的理念，以致力于成為世界一流智能制造品牌而奮斗！1.2實(shí)踐工程基本概況隨著我國工業(yè)的跨越式發(fā)展，機(jī)械手作為工業(yè)生產(chǎn)及裝備制造業(yè)中處在極其重要的位置。在工業(yè)生產(chǎn)和裝備制造領(lǐng)域中充當(dāng)著非常重要的角色，尤其是它能代替人工在有害環(huán)境中進(jìn)行操作以保護(hù)人工的生命安全，在各個(gè)領(lǐng)域都有機(jī)械手的影子：機(jī)加工作業(yè)中的上下料工作，尤其是在加工中心、沖壓成型中和自動化組合機(jī)床中的使用更為常見；在工件裝配在也有廣泛應(yīng)用，在PCB板的電子元件組裝中進(jìn)行SMT貼片和插件元件的裝配中被普遍運(yùn)用，在機(jī)械制造行業(yè)中機(jī)械手被用于機(jī)械部件的組裝工作；在惡劣單一重復(fù)性環(huán)境中，工業(yè)機(jī)械手常常被用來代替人工作業(yè)；也常常被用以高危場合的作業(yè)，如有毒有害物品的裝卸和搬運(yùn)工作，爆破工作和軍事實(shí)驗(yàn)工作也會看到它的身影；在一些高精度高壓環(huán)境中的使用:如深?？蒲泻歪t(yī)療事業(yè)。工業(yè)機(jī)器人在許多領(lǐng)域中得到廣泛使用，說明其在實(shí)際生產(chǎn)中確實(shí)有很積極的作用，可以有效提高生產(chǎn)能力，增加企業(yè)競爭力，同時(shí)可以減輕工人的工作負(fù)擔(dān)，給工人一個(gè)比較安全舒適的工作環(huán)境，越發(fā)地引起了各界的關(guān)注。日本從最初就異常地重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，早已把發(fā)展機(jī)器人技術(shù)擺在重要地位，韓國也相當(dāng)重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，將機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)看作是社會發(fā)展的動力源之一，各個(gè)發(fā)達(dá)國家都做出了相似的決定，那就是制定相關(guān)政策來促進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，采取相應(yīng)有力的措施來鼓勵(lì)企業(yè)將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中去，投入大量的資金和其他資源來鼓勵(lì)科研機(jī)構(gòu)加快對工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)設(shè)計(jì)，這使得那些發(fā)達(dá)國家在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和研究方面一直處在世界的最高水平。就最近世界各國所開發(fā)出的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品情況來說，工業(yè)機(jī)器人越來越智能化、模塊化和系統(tǒng)化，適應(yīng)能力更強(qiáng)通用性也更好并且高度智能化，能很好地完成較為復(fù)雜的工作。工業(yè)機(jī)器人今后的發(fā)展方向?yàn)椋涸鰪?qiáng)機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)各個(gè)模塊之間的契合度，增強(qiáng)各個(gè)模塊的互換性；革新機(jī)器人的控制技術(shù)，使其控制方式簡單化、多樣化，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和工作需求；伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化；充分利用多種多樣的傳感器，來使機(jī)器人感覺能力更強(qiáng)大，感官更靈敏，可以在外界環(huán)境快速變化的情況下依舊可以作出相應(yīng)反應(yīng)，完成工作。根據(jù)國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域最近的發(fā)展?fàn)顩r可以總結(jié)以下幾個(gè)發(fā)展趨勢：1）工業(yè)機(jī)器人的功能更加全面，性能更加突出、可靠，然而在提高機(jī)器人性能的同時(shí)反而降低價(jià)格，有利于工業(yè)機(jī)器人更廣泛的使用。2）增強(qiáng)機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其相互組合及替換的能力，提高適應(yīng)性、靈活性。3）對工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)一步開發(fā)，使其更加簡單化、多樣化，并且使控制器沿著增強(qiáng)開放性，更加契合PC機(jī)的大方向前進(jìn)，增強(qiáng)控制器的集成化和模塊化，這樣可以縮小控制器所占用的空間，并且便于更換維修。4）傳感器技術(shù)在近些年也是發(fā)展迅速，由于傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中屬于最重要的部分之一，也促使著機(jī)器人技術(shù)日新月異，在機(jī)器人系統(tǒng)中加入高性能多功能的傳感器，可以更加迅速準(zhǔn)確地采集到所要作用的對象的位置、速度、外形等信息，在更加高端一些的遙控機(jī)器人身上則要使用更多種類高性能傳感器，綜合各種采集到的信息來模擬出實(shí)際外部環(huán)境，在控制機(jī)器人采用合理的方式完成工作，多種高性能傳感器的綜合使用技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)有產(chǎn)品中出現(xiàn)，將來會更深一步改進(jìn)，應(yīng)用在更多機(jī)器人身上。5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也將越來越多地應(yīng)用于機(jī)器人之中，通過傳感器采集信息，將現(xiàn)實(shí)中采集到的信息模擬出一個(gè)虛擬環(huán)境，使遙控機(jī)器人的操控者有身臨其境的感覺，可以在遠(yuǎn)端來更好地操控機(jī)器人。6）遙控機(jī)器人所要應(yīng)對的工作往往是情況多變的，所以它并不能采用完全自治的控制系統(tǒng)，而是要應(yīng)用能讓遠(yuǎn)端操控者與遙控機(jī)器人進(jìn)行良好的人機(jī)交互控制的系統(tǒng)。現(xiàn)在被送到外太空的空間機(jī)器人上使用的就是此種控制系統(tǒng)。7）機(jī)器人化的機(jī)械產(chǎn)業(yè)逐漸興盛起來，早在1994年就由美國首先成功研制出一臺虛擬軸機(jī)床，此新型裝置是機(jī)器人技術(shù)和傳統(tǒng)機(jī)床技術(shù)的綜合，一出現(xiàn)就吸引了廣大科研者的注意，并重點(diǎn)研究該項(xiàng)目。2.實(shí)踐目的與實(shí)踐內(nèi)容2.1實(shí)踐目的現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械和工程自動化生產(chǎn)設(shè)備的一個(gè)重要組成部件便是機(jī)械手，它是當(dāng)前工業(yè)機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域里比較新的一項(xiàng)技術(shù)，也是目前廣泛應(yīng)用于各種大型現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)的重要工程技術(shù)關(guān)鍵零部件。自20世紀(jì)90年代初以來，在全國的高科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目中有所發(fā)展規(guī)劃，機(jī)械手的技術(shù)設(shè)計(jì)、研究和機(jī)械手制造工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為當(dāng)代我國在高性能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展壯大起來的一門新興工業(yè)技術(shù)，將機(jī)器人參與其他設(shè)備的應(yīng)用融入到機(jī)械化和工業(yè)自動化生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)合中，同時(shí)促使其可以在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。目前我國現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)和制造工業(yè)快速進(jìn)步，此方面的科學(xué)技術(shù)也在不斷發(fā)展創(chuàng)新，機(jī)械工業(yè)方面的自動化應(yīng)用也是水平逐漸攀升，但是在某些方面的機(jī)械生產(chǎn)和制造的條件卻越來越惡劣，因此需要?jiǎng)趧诱哂懈玫臋C(jī)械操作技術(shù)和更多的必備技能。在此情況下，許多制造方面的勞動者身體會受到不同程度的損害，安全可能無法保證。因此部分工人工作條件和工作內(nèi)容要做到無接觸化。因此現(xiàn)在許多制造業(yè)開始著手使用機(jī)械手幫助工人完成操作。機(jī)械手能夠總動控制完成往復(fù)運(yùn)動并受到遙控隨時(shí)改變工作過程。這可以防止一些身體無法接觸的物質(zhì)對人體造成傷害。近20年以來，氣動技術(shù)在我國工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域得到了持續(xù)擴(kuò)大，尤其是在各類自動化行業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。機(jī)械手自動生產(chǎn)線的飛速發(fā)展、更新，需要?dú)鈩蛹夹g(shù)滿足更為嚴(yán)謹(jǐn)高標(biāo)準(zhǔn)的要求。微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了傳統(tǒng)電氣式比例伺服技術(shù)的不斷發(fā)展。氣動式機(jī)械手是一種集機(jī)械、電氣、氣動控制為一體的典型機(jī)電結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。近年來，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用于自動化工業(yè)領(lǐng)域，可以避免具有有毒、放射、易燃、容易爆炸的危險(xiǎn)。2.2實(shí)踐內(nèi)容可編程數(shù)字邏輯運(yùn)算控制器系統(tǒng)是一種工業(yè)電子系統(tǒng)，專門針對在工業(yè)電子系統(tǒng)應(yīng)用中的各種數(shù)字化邏輯運(yùn)算以及操作流程控制系統(tǒng)而開發(fā)。它主要是一個(gè)采用一種簡單的小型可編程數(shù)據(jù)存儲器，可以執(zhí)行許多復(fù)雜的作業(yè)，例如：邏輯操作、順序檢查、定時(shí)及其他一些復(fù)雜操作，通過數(shù)字式或者特別是模擬式的直接輸入和外部輸出控制方法就可來自由機(jī)動化地控制不同傳動類型的各種通用機(jī)械傳動裝置或者機(jī)械生產(chǎn)的全部和過程。本次設(shè)計(jì)以工業(yè)機(jī)械手的工作過程為研究對象，以三菱FX2N系列PLC為中央處理器，控制機(jī)械手的提升、夾緊、松開、下降、旋轉(zhuǎn)一整套操作。根據(jù)系統(tǒng)工作流程，制定完整的設(shè)計(jì)方案、程序流程圖，編寫觸摸屏程序監(jiān)視機(jī)械手的工作，并對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)工作流程本設(shè)計(jì)研究機(jī)械手的工作流程，由PLC控制機(jī)械手工作過程中的各個(gè)動作：機(jī)械手水平伸出、機(jī)械手垂直下降、機(jī)械手抓取工件，機(jī)械手垂直上升，機(jī)械手底座旋轉(zhuǎn)、機(jī)械手水平縮回、機(jī)械手松開工件。圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.2系統(tǒng)的基本功能（1）能自動控制手臂進(jìn)行搬運(yùn)工作。機(jī)器人手臂能進(jìn)行提升，夾緊，松開，下降，旋轉(zhuǎn)一系列操作。通過兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動控制機(jī)器人手臂的升降和抓取，豎向控制機(jī)器人手臂上升下降，橫向控制機(jī)器人手臂夾緊松開。通過底盤電動機(jī)控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)動達(dá)到搬運(yùn)的目的。（2）具有單次搬運(yùn)和循環(huán)搬運(yùn)功能兩種工作模式。通過兩個(gè)按鈕分別控制兩種工作模式。單次搬運(yùn)后機(jī)器人手臂返回初始位置，若想繼續(xù)進(jìn)行單次搬運(yùn)，需重新按下單次搬運(yùn)啟動按鈕。循環(huán)搬運(yùn)即一次循環(huán)搬運(yùn)完成后，延時(shí)1s后自動進(jìn)入下一次搬運(yùn)。按下循環(huán)搬運(yùn)啟動按鈕可進(jìn)入循環(huán)搬運(yùn)模式。（3）正常工作時(shí)亮綠燈。（4）光電開關(guān)能檢測到搬運(yùn)的物品，若按下啟動按鈕或上一個(gè)物品搬運(yùn)完5s后未檢測到搬運(yùn)物品，蜂鳴器報(bào)警并閃紅燈，同時(shí)機(jī)械手臂停止工作。（5）具有停止復(fù)位功能，即按下停止復(fù)位按鈕，機(jī)器人手臂回到初始位置。（6）具有斷電保持功能。（7）具有緊急停止的功能，若在工作過程出現(xiàn)問題，按下緊急停止按鈕，機(jī)器人手臂立即停止工作并保持當(dāng)前狀態(tài)。（8）通過組態(tài)控制機(jī)械手的運(yùn)動，顯示機(jī)械手當(dāng)前工作狀態(tài)，顯示機(jī)械手的工作正常與否。圖3-2機(jī)械臂系統(tǒng)示意圖4.PLC的選型4.1幾類PLC的比較現(xiàn)今市場上，存在各種型號的PLC產(chǎn)品，不勝枚舉，對應(yīng)其功能也是應(yīng)有盡有，但是每個(gè)公司的PLC產(chǎn)品都各具特點(diǎn)。目前市場上使用最多的是由三菱、歐姆龍及西門子三個(gè)公司生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品，下面將對該三個(gè)公司的產(chǎn)品做一個(gè)比較。1.西門子PLC西門子公司生產(chǎn)的PLC是目前市場上應(yīng)用范圍最廣泛的，尤其是S7系列的PLC，其功能之強(qiáng)大，更是在PLC市場上獨(dú)樹一幟?？傮w來說，西門子公司生產(chǎn)的PLC，不論是獨(dú)立運(yùn)行，抑或是與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，都能實(shí)現(xiàn)很好的控制功能，性價(jià)比很高。西門子的產(chǎn)品，雖然在價(jià)格上較高于其他同類產(chǎn)品，編程也較為復(fù)雜，但是在性能的可靠性上占有極大的優(yōu)勢。特別是在處理模擬量的輸入時(shí)，精度要比三菱、歐姆龍公司的PLC精度高很多。值得一提的是，西門子公司的PLC，在編程上除了常規(guī)的梯形圖、順序功能圖、助記符以外，還增加了指令表和結(jié)構(gòu)文本兩種編程語言，令其使用起來更加方便。西門子系列的產(chǎn)品特別適用于要求有高精度、高可靠性的生產(chǎn)設(shè)備。但是西門子系列PLC的價(jià)格昂貴，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成本考慮，不選擇西門子公司的PLC作為本設(shè)計(jì)的控制器。2.歐姆龍公司的PLC歐姆龍公司生產(chǎn)的PLC深受廣大用戶的喜愛。它的結(jié)構(gòu)靈活，不受環(huán)境影響，可以隨時(shí)任意擴(kuò)展用戶接口。其最大的特點(diǎn)就是傳輸速度較快，傳輸質(zhì)量較高，帶寬穩(wěn)定，抗干擾能力較好，通信方便，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。但歐姆龍公司是針對數(shù)字量的設(shè)備而生產(chǎn)，對模擬量的處理遠(yuǎn)不如三菱公司和西門子公司。所以，歐姆龍公司的PLC一般用于數(shù)字量輸入較多的工業(yè)設(shè)備，并不用于模擬量輸入較多的設(shè)備。3.三菱公司的PLC三菱公司是我國最大的生產(chǎn)PLC的公司，生產(chǎn)各種類型的PLC，其產(chǎn)品在各個(gè)行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。而且，三菱公司PLC的價(jià)格適中，適合絕大多數(shù)的公司使用。其安裝方便，程序的編寫較簡單，編程技巧易于掌握，且操作較方便，在出現(xiàn)故障后，維修較容易，適合對于PLC的初學(xué)者。綜上，通過對以上三家公司產(chǎn)品的對比，再依據(jù)本次設(shè)計(jì)對設(shè)備可靠性及生產(chǎn)工藝的要求，本設(shè)計(jì)選擇三菱公司的PLC產(chǎn)品，可以滿足對生產(chǎn)設(shè)備可靠性控制的要求。三菱公司是較早推進(jìn)PLC到中國市場的公司，旗下的小型F系列產(chǎn)品，經(jīng)過升級優(yōu)化推出了F1/F2系列，早期在我國有著不小的銷量。這極大地刺激了我國國內(nèi)市場的發(fā)展需求，并且被引入到高等院校的教材中，各大出版社公司以日本三菱公司PLC為基礎(chǔ)的模版普及地講解其結(jié)構(gòu)及與之相對應(yīng)的程序編寫方式。一些國內(nèi)的PLC生產(chǎn)商和廠家充分地利用了市場需求，以三菱PLC為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式快速地獲得了一大片的市場和使用者，其PLC編程語言的所有指令集全都是要求與三菱公司的PLC得以兼容。三菱PLC以較高的性價(jià)比，低廉的價(jià)格和很高的產(chǎn)品質(zhì)量稱合了中國工業(yè)化自動控制系統(tǒng)行業(yè)的需求，把握了這個(gè)市場。其高性能，低價(jià)格的特點(diǎn)也使其廣泛應(yīng)用在國內(nèi)工業(yè)發(fā)展。在進(jìn)行PLC選型時(shí)要特別考慮到：輸入和輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)、存儲器容量、輸入輸出模塊的選擇。而三菱的FX2N系列PLC的特點(diǎn)：（1）擁有緊湊的結(jié)構(gòu)（2）良好的擴(kuò)展性能（3）強(qiáng)大的功能指令（4）成本價(jià)格低廉。4.2FX2N型號PLC的介紹FX2N-48MR系列PLC是日本三菱公司研發(fā)和生產(chǎn)的一種具有較高性價(jià)比的微型可編程控制器，這種系列產(chǎn)品能夠滿足多種類型的自動化管理控制需求。由于FX2N-48MR具有一個(gè)緊密集成和整合性高的設(shè)計(jì)、優(yōu)良的延展性、適當(dāng)?shù)膬r(jià)格以及強(qiáng)大的指令實(shí)施能力，使得FX2n-48MR能夠幾乎完美地滿足了一個(gè)較小規(guī)模的控制需要，十分符合本次研究所設(shè)計(jì)的一個(gè)自動化控制系統(tǒng)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，其外殼緊合堅(jiān)固，安裝便捷，接線、操作簡易。除此之外，它還包括一些能夠滿足單個(gè)所需的大量專門功能模塊，可以給工廠生產(chǎn)過程中的自動化應(yīng)用帶來最大限度的可操作性與現(xiàn)場實(shí)踐的靈活性。本設(shè)計(jì)選擇三菱的FX2N-48MR-001型。FX2N-48MR-001是日本三菱公司自主研發(fā)和生產(chǎn)的高速可編程功能控制器(PLC)，繼電器的信號輸出電路及其信號輸入24點(diǎn)，輸出24點(diǎn)。FX2N系列是一種FX系列中一種功能最強(qiáng)、運(yùn)行數(shù)據(jù)速度最高的小型PLC，內(nèi)置了一個(gè)高速用戶參數(shù)存儲器8kb，可以直接同時(shí)擴(kuò)展至16kb，最大速度允許一個(gè)用戶參數(shù)可以直接同時(shí)擴(kuò)展至256I/O點(diǎn)，可以同時(shí)具備多種專門的特殊功能控制拓寬，實(shí)現(xiàn)了多種專門的特殊功能控制拓寬功能（PID、高速自動計(jì)數(shù)、A/D、D/A、等）。具有一定結(jié)構(gòu)功能性較強(qiáng)的典型數(shù)學(xué)邏輯指令集。通過無線通訊器的擴(kuò)展接口模塊或者特別適配器，它們就這樣可以輕松實(shí)現(xiàn)各種不同的無線通訊與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線的連接。圖4-1三菱FX2N-48MR-001型5.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5.1結(jié)構(gòu)框圖本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手設(shè)備主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。其運(yùn)行關(guān)系如圖5-1所示。圖5-1結(jié)構(gòu)框圖（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂、立柱和手架底座等部件。通過PLC程序設(shè)計(jì)控制操縱系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)控制執(zhí)手部、手腕、手臂和身體立柱的協(xié)同動作。（2）驅(qū)動系統(tǒng)：這種機(jī)械驅(qū)動控制系統(tǒng)主要用途是用來驅(qū)動各種類型工業(yè)機(jī)械手在這個(gè)機(jī)械驅(qū)動器的位置上動并執(zhí)行各種傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動。這包括各種機(jī)械動力控制部件、調(diào)整控制裝置及各種輔助控制部件綜合。常見的驅(qū)動控制系統(tǒng)主要可以分為：液壓傳動，氣壓輪傳動和機(jī)械式傳動。機(jī)械傳動系統(tǒng)簡單易行，容易完成，但是由于工作粗略，無法良好緩沖，無法處理細(xì)節(jié)；氣壓式機(jī)械傳動系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于能緩沖，降低損耗，制作簡易；液壓式式傳動裝置傳動體積小方便靈活，通過微電子技術(shù)處理，系統(tǒng)本身易于小型控制系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全程液壓自動化操作控制。但液壓式傳動裝置中油的泄露和液體可壓縮性大小會直接影響到執(zhí)行器元件移動的精度和準(zhǔn)確率，故無法保障嚴(yán)格的傳動價(jià)值。本設(shè)計(jì)采用氣動傳動。（3）控制系統(tǒng)：這種自動控制指揮系統(tǒng)主要指的是對一個(gè)機(jī)械手進(jìn)行操縱的自動指揮系統(tǒng)，它主要是一個(gè)控制部件驅(qū)動的操作系統(tǒng)，讓自動執(zhí)行機(jī)的部件按照系統(tǒng)規(guī)定操作自動控制并確認(rèn)機(jī)械手的操作是否正確。一般常見的技術(shù)是家用電器等電子設(shè)備的自動控制電路，電腦監(jiān)視系統(tǒng)。由于其PLC兩種控制工藝系統(tǒng)產(chǎn)品能夠充分地同時(shí)滿足此種產(chǎn)品工藝生產(chǎn)流程中所有必需的各種控制性能條件，穩(wěn)定可靠且同時(shí)抵御電磁干擾能力相對較高，使用方便而市場適應(yīng)性較高，控制系統(tǒng)采用PLC控制。（4）檢測裝置：檢測裝置主要功能是專門負(fù)責(zé)四類控制信號的自動檢測，主要工作功能是感知按鈕輸入控制信號并輸出檢測，感知并輸出光電開關(guān)檢測信號，感知限位信號的輸入電路檢測，以及對電路故障報(bào)警信號的輸出檢測。用于輸入系統(tǒng)信號的自動檢測按鍵是一種由人工控制按鈕輸入系統(tǒng)進(jìn)行的信號檢測，主要功能包括暫時(shí)啟動停止按鈕、暫停啟動按鍵和根據(jù)工作狀態(tài)模式自動轉(zhuǎn)換后的按鍵。光電開關(guān)檢測信號是泛指一個(gè)光電開關(guān)在一個(gè)國家規(guī)定的檢測時(shí)間段內(nèi)被規(guī)定檢測得信號達(dá)到或不到的檢測物品。控制裝置發(fā)生故障時(shí)自動停止機(jī)械手則會亮起故障信號信號。5.2元件選擇工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件部分主要包括萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕開關(guān)、氣動電磁閥、接近開關(guān)、氣動氣缸等，接線設(shè)計(jì)主要針對雙路輸出電源、ＰＬＣ、電機(jī)驅(qū)動器和繼電器之間的接線方式，接下來會分別進(jìn)行詳細(xì)說明。5.2.1萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)，主要功能特點(diǎn)是廣泛適用于額定交流50Hz、額定交流工作電壓380V及以下、直流工作電壓220V及以下，額定電流至160A的各類移動電氣控制設(shè)備線路中，萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)主要應(yīng)用于各類電氣控制線路的轉(zhuǎn)換、電壓測量儀器、電流電壓計(jì)量器的換相測量控制、配電線路設(shè)備控制線路的轉(zhuǎn)換和遙控等。萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)也是一種可以同時(shí)用來直接控制小容量電動機(jī)的電壓起動、調(diào)速和換向。型號選用浙江上江電氣LW26-20D0414/2萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)，阻燃外殼保護(hù)，經(jīng)久耐用，使用壽命長，銀觸點(diǎn)性能更穩(wěn)定。圖5-2萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)5.2.2按鈕開關(guān)按鈕開關(guān)是指在電路工作時(shí)需要利用一個(gè)按鈕來控制或推動電路傳統(tǒng)的開關(guān)部件。按下按鈕，能接通或者斷開按鈕中的靜觸點(diǎn)或動觸點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電路運(yùn)行狀態(tài)的改變。按鈕啟動方式用來啟動開關(guān)繼電器和開關(guān)啟動系統(tǒng)。它具有一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用普遍的主動按鈕和繼電器。在使用部分自動控制的開關(guān)電路中，手動發(fā)送控制信號以控制接觸器、繼電器等?？勺鳛檩斎朐镻LC發(fā)送操作指令，控制機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)。型號選用施耐德XB2BA11C按鈕開關(guān)，產(chǎn)品由按鈕頭和基座組合而成，拆卸方便、采用模塊式觸電，更換便捷、使用銅件銀點(diǎn)，使用更安全，壽命更長久。圖5-3按鈕開關(guān)5.2.3氣動電磁閥電磁閥主要用途是它作為機(jī)械傳動裝置，可以對各種動力流體用來進(jìn)行控制的一種基礎(chǔ)控制元件，屬于一種傳統(tǒng)的自動執(zhí)行器，而氣動動力電磁閥則主要是其中的一種，它主要是通過對動力閥體運(yùn)動方向上的移動進(jìn)行控制作用，從而達(dá)到阻止動力閥門自動擋住或者漏出不同方向排水管油的一個(gè)小孔，此外，小的通孔油閥必須經(jīng)常處于打開狀態(tài)，油就會通過這類小孔進(jìn)入排油的管道，然后通過油壓使空氣驅(qū)動電磁閥活塞進(jìn)入氣缸，這樣通過控制氣動電磁閥的電磁鐵的電流就控制了整個(gè)電磁閥的機(jī)械運(yùn)動。利用氣動電磁閥驅(qū)動氣動氣缸控制機(jī)械手運(yùn)動。選用亞德客AIRTAC4V210-08電磁閥，閥體采用全新鋁合金材料、抗腐蝕性能好、重量輕、強(qiáng)度打。采用進(jìn)口密封圈，更耐用，使用壽命更長。圖5-4氣動電磁閥5.2.4接近開關(guān)接近開關(guān)是位置開關(guān)，可以不直接接觸其他機(jī)械運(yùn)動部件而直接進(jìn)行操作，當(dāng)物體接近開關(guān)的感應(yīng)面的作用距離時(shí)，開關(guān)可以不必再對其他機(jī)械的任何接觸或在物體沒有壓力的狀態(tài)下運(yùn)行，從而驅(qū)動直流電器或給計(jì)算機(jī)裝置提供控制指令。可使用接近開關(guān)檢測機(jī)械手運(yùn)行位置。選用浙江恒好E3F-DS30C4光電開關(guān)，抗干擾強(qiáng)，精準(zhǔn)度高，反應(yīng)靈敏，性能穩(wěn)定。圖5-5接近開關(guān)5.2.5氣動氣缸圓柱形金屬部件在氣缸內(nèi)通過直線運(yùn)動誘導(dǎo)活塞，空氣在氣缸內(nèi)膨脹，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量驅(qū)動機(jī)器，氣體由于受到壓縮機(jī)氣缸中活塞的壓縮而提高壓力。氣壓傳動系統(tǒng)中將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的氣動執(zhí)行元件。氣缸能實(shí)現(xiàn)來回輸送和來回?cái)[動。機(jī)械手水平和垂直方向的位移以及旋轉(zhuǎn)、夾緊、松開的都可以使用氣動氣缸實(shí)現(xiàn)。型號選用亞德客SCJ50氣缸，硬質(zhì)合金，耐沖擊強(qiáng)，伸縮順暢，密封性好，穩(wěn)定性強(qiáng)。圖5-6氣動氣缸5.3系統(tǒng)電氣原理圖電氣原理圖由主電路和PLC外部接線兩部分組成，外部接線如圖4-7所示，主電路如圖5-8所示。圖5-7PLC外部接線圖圖5-8主電路圖5.4I/O分配表5-1I/O分配表序號地址含義1X0單次搬運(yùn)2X1循環(huán)搬運(yùn)3X2物料光電4X3急停5X4復(fù)位6Y0升7Y1降8Y2夾9Y3松10Y4左轉(zhuǎn)11Y5右轉(zhuǎn)12Y6正常綠燈13Y7蜂鳴器紅燈14Y10搬運(yùn)完成6.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1GXWorks2編程軟件簡介GXWORKS2是日本三菱發(fā)動機(jī)公司推出的一款三菱綜合可編程控制器編程軟件。GXWORKS2與傳統(tǒng)的其他三菱編程軟件相比，具有更高提高了功能性和操作性，使得軟件程序設(shè)計(jì)變得更加簡單方便，因此本文選用GXWORKS2可編程控制器編程軟件。6.2機(jī)械手控制系統(tǒng)程序本設(shè)計(jì)使用順序控制邏輯，通過按鈕控制機(jī)械手的操作過程，通過信號燈表示輸出動作的運(yùn)行完成，首先要使光電信號檢測到物料，按下X2檢測物料。若沒有檢測到物料信號，則蜂鳴器響，并亮紅燈警告。如檢測到物料，則物料信號燈亮起，可繼續(xù)進(jìn)行操作。此時(shí)按下X0，即單次搬運(yùn)按鈕，機(jī)械手進(jìn)入單次搬運(yùn)模式，此時(shí)Y6燈亮，表示運(yùn)行正常。初始狀態(tài)下機(jī)械手處于松開狀態(tài)，進(jìn)入搬運(yùn)模式后先夾緊物件Y2燈亮，然后上升Y0燈亮、左轉(zhuǎn)Y4燈亮，到設(shè)定位置后下降Y2燈亮、松開物件Y3燈亮，即完成一次搬運(yùn)，將物件搬運(yùn)到了指定位置。完成搬運(yùn)后自動復(fù)位，先上升Y0燈亮，然后右轉(zhuǎn)Y5燈亮，再下降Y1燈亮，到原始位置后自動復(fù)位完成，Y10燈亮表示搬運(yùn)完成。按下X1進(jìn)入循環(huán)搬運(yùn)模式，即單次搬運(yùn)后立即進(jìn)入下次搬運(yùn)，可通過顯示屏的指示燈準(zhǔn)確地指導(dǎo)當(dāng)前機(jī)械手的工作狀態(tài)。按下X3按鈕急停，機(jī)械手立即停止工作，保留當(dāng)前工作狀態(tài)，此時(shí)Y6運(yùn)行指示燈滅。按下X0按鈕能繼續(xù)進(jìn)行單次搬運(yùn)工作再次按下X3即可急停。按下X1繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)搬運(yùn)工作，若想再次急停，需按下X1退出循環(huán)搬運(yùn)模式，再按X3按鈕即可急停。按下X4按鈕進(jìn)行復(fù)位，可通過顯示屏上燈亮判斷當(dāng)前機(jī)械手的位置狀態(tài)，顯示屏上復(fù)位中燈亮顯示機(jī)械手正在復(fù)位，復(fù)位完成燈亮即表示復(fù)位完成。圖6-1控制工藝流程圖6.3控制程序梯形圖設(shè)計(jì)控制程序梯形圖設(shè)計(jì)，本文主要就啟動程序、復(fù)位程序、報(bào)警程序進(jìn)行簡要說明，由于篇幅有限，詳細(xì)控制流程見附錄。M17為啟動條件，即需檢測到物料信號才能啟動，判斷檢測到物料信號才能正常啟動，如圖6-1所示。圖6-1啟動程序梯形圖按下X015即可復(fù)位，機(jī)械手獲得釋放進(jìn)而逐步上升。M15至極限時(shí)打開，機(jī)械手執(zhí)行步驟。執(zhí)行向后操作起到反向限制效果。X014打開，此時(shí)機(jī)械手操作停止，同時(shí)對于M15進(jìn)行重置，如圖6-2所示。圖6-2復(fù)位程序梯形圖按下物料按鈕，檢測到物料，才能繼續(xù)工作，此時(shí)按下M11單次搬運(yùn)按鈕，即可工作，M20自鎖，M13常開閉合，M17得電，即滿足啟動條件，在顯示屏中顯示物料信號燈亮。若無物料光電信號，計(jì)時(shí)5秒后，M13常閉，此時(shí)按下M11，導(dǎo)致M8得電，蜂鳴器紅燈亮并警告，無法繼續(xù)工作，如圖6-3所示。圖6-3報(bào)警程序梯形圖7.仿真與調(diào)試7.1軟件監(jiān)控7.1.1仿真軟件介紹聯(lián)合仿真軟件使用GTDesigner3軟件是款三菱觸摸屏軟件進(jìn)行開發(fā)推出的編程服務(wù)軟件，它可以和各種所需的PLC聯(lián)合使用，通過對觸摸屏的編程操作實(shí)現(xiàn)對PLC的監(jiān)視和控制，也可以對各種觸摸屏程序調(diào)試，本設(shè)計(jì)主要使用該軟件模擬仿真和觸摸屏功能。由于GTDesigner3集成有GTSimulator2仿真器，因此可以與GXWorks2聯(lián)合進(jìn)行仿真，調(diào)試程序，在沒有PLC實(shí)物的情況下可以減少程序bug。7.1.2觸摸屏界面制作打開軟件，點(diǎn)擊新建，選擇GOT2000系列觸摸屏，制造商選擇三菱電機(jī)，機(jī)種選擇MELSEC-FX，其他選擇為默認(rèn)。圖7-1新工程建立圖7-2GTDesigner3主界面本設(shè)計(jì)使用指示燈表示機(jī)械手具體動作，左上角四個(gè)燈分別表示復(fù)位中、復(fù)位完成、運(yùn)行中、運(yùn)行完成，可以清楚知道當(dāng)前機(jī)械手狀態(tài)。畫面中央為機(jī)械手的6個(gè)動作：左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上升、下降、夾、松。分別用相應(yīng)指示燈亮滅表示。右邊也有動作的指示燈。動作指示燈的下面為按鈕指示燈：單次啟動、循環(huán)啟動、物料信號、急停、復(fù)位，表示按鈕按下后的機(jī)械手動作情況。右上角兩個(gè)大指示燈分別為運(yùn)行正常的綠色指示燈和蜂鳴器報(bào)警的紅色指示燈。下方為5個(gè)按鈕，控制機(jī)械手的工作運(yùn)行。制作完成后界面如下：圖7-3觸摸屏界面7.1.3軟件仿真程序編寫完成，畫面制作完畢后，可以進(jìn)行聯(lián)合仿真。打開GXWorks2軟件，打開編寫完成的程序，點(diǎn)擊模擬開始，程序開始寫入。打開GTDesigner3軟件，打開制作好的畫面，點(diǎn)擊模擬器啟動，打開顯示屏，如圖7-4，開始兩款程序的聯(lián)合仿真。圖7-4觸摸屏界面7.2軟件仿真調(diào)試7.2.1單次搬運(yùn)模式首先設(shè)置周期為30ms，即完成一次搬運(yùn)的時(shí)間，時(shí)間可設(shè)置為30s到100s內(nèi)的任一時(shí)間，如圖7-5所示。圖7-5設(shè)置周期界面然后模擬送入工件，物料光電感應(yīng)到工件，物料信號燈亮起，點(diǎn)擊觸摸屏中單次啟動按鈕，運(yùn)行指示燈亮起，機(jī)械手開始工作。此時(shí)綠色運(yùn)行指示燈亮起，如圖7-6所示。圖7-6啟動界面首先夾緊工件，然后上升，左轉(zhuǎn)，下降，松開工件，一次搬運(yùn)完成，如圖7-7所示。圖6-7機(jī)械手搬運(yùn)界面一次搬運(yùn)完成后會進(jìn)行自動復(fù)位，即進(jìn)行上升，右轉(zhuǎn)，下降動作，回到初始位置，此時(shí)左上角運(yùn)行中指示燈滅，運(yùn)行完成指示燈亮起，如圖7-8所示。圖7-8機(jī)械手自動復(fù)位界面7.2.2循環(huán)搬運(yùn)模式按下循環(huán)搬運(yùn)模式，進(jìn)入循環(huán)搬運(yùn)，右側(cè)循環(huán)啟動指示燈亮，在完成一次搬運(yùn)后立即進(jìn)入下一次搬運(yùn)，如圖6-9所示。圖7-9機(jī)械手循環(huán)界面7.2.3急停機(jī)械手工作過程中，按下急停按鈕，會立即停止工作，保持當(dāng)前狀態(tài)，急停指示燈亮起，綠色運(yùn)行指示燈滅，蜂鳴器報(bào)警。按下單次啟動或循環(huán)啟動會結(jié)束急停狀態(tài)，進(jìn)入工作狀態(tài)，如圖7-10所示。圖7-10機(jī)械手急停界面7.2.4復(fù)位工作過程中按下復(fù)位按鈕，機(jī)械手會進(jìn)行復(fù)位動作，回到初始位置，左上角復(fù)位中指示燈亮起。當(dāng)復(fù)位動作結(jié)束，機(jī)械手回到初始位置時(shí)，左上角復(fù)位完成指示燈亮起，表示已經(jīng)復(fù)位完成，如圖7-11所示。圖7-11機(jī)械手復(fù)位界面8.總結(jié)在基于PLC控制的機(jī)械手控制系統(tǒng)中，對于機(jī)械手的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及控制方法進(jìn)行了分析分析和研究，在了解了機(jī)械手臂的控制方法，并采用三菱公司FX系列PLC，對該系列PLC也進(jìn)行簡單的闡述，簡單列出FX系列PLC的優(yōu)點(diǎn)，使用該系列PLC為主控制器控制機(jī)械手的好處。通過對該系列PLC的掌握，結(jié)合已有知識，來完成該設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)所做機(jī)械手工作移動的手動和自動控制。在本次的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手臂的上升和下降動作、機(jī)械手的伸出和回縮動作、機(jī)械手的夾緊和放松動作，到整個(gè)機(jī)械手的向左旋轉(zhuǎn)和向右旋轉(zhuǎn)動作控制要求。硬件部分配合轉(zhuǎn)換開關(guān)和氣動開關(guān)來使機(jī)械手達(dá)到限位的目的。并且可以通過控制程序可以使機(jī)械手臂按照規(guī)定的動作軌跡來執(zhí)行規(guī)定的動作，并且控制系統(tǒng)軟件還分為了手動控制系統(tǒng)和自動運(yùn)行兩種工作模式，實(shí)現(xiàn)在不同需要的情況下使機(jī)械手可以采用不同的工作模式，考