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Xinyu University 畢業(yè)設(shè)計(論文) 基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名: 何友良 學(xué) 號: 1201231016 專 業(yè): 電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師: 謝富珍 副教授 學(xué) 院: 電氣與電子工程 江西新余 獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： 所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。其中除加以標(biāo)注和致謝的地方，以及法律規(guī)定允許的之外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫完成并以某種方式公開過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而作的材料。其他同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在文中作了明確的說明并表示謝意。 本畢業(yè)設(shè)計（論文）成果是本人在新余學(xué)院期間在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下取得的，成果歸新余學(xué)院所有。 特此聲明。 作者簽名（手寫）： 簽名日期： 年 月 日 版權(quán)使用授權(quán)書 本畢業(yè)設(shè)計（論文）作者及指導(dǎo)教師完全了解新余學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交畢業(yè)設(shè)計（論文）的復(fù)印件和磁盤，允許畢業(yè)設(shè)計（論文）被查閱和借閱。 作者簽名（手寫）： 指導(dǎo)教師簽名（手寫）： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 摘 要 論文題目：基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名：何友良 指導(dǎo)教師：謝富珍 副教授 摘 要 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(yuǎn)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。目前主要應(yīng)用于機床、模鍛壓力機的上下料以及焊接、噴漆等作業(yè)，它可以按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界的變化。應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、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，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。 本文主要論述了基于PLC設(shè)計的機械手控制系統(tǒng)。首先，對可能用到的可編程控制器進(jìn)行了相關(guān)的介紹，再選擇設(shè)計所用到的PLC型號。然后，通過對機械手的控制方式及各功能的實現(xiàn)方式進(jìn)行研究，確定各功能的實現(xiàn)方案和設(shè)計控制系統(tǒng)所用到的器材。最后，對PLC控制系統(tǒng)的軟件程序和硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。 關(guān) 鍵 詞：工業(yè)自動化；可編程控制器；機械手；遠(yuǎn)程控制；傳感反饋 I ABSTRACT Title: Design of manipulator based on PLC control Specialty: Electrical Engineering and automation Applicant: Youliang He Supervisor: Fuzhen Xie associate professor Abstract With the development of modern industrial technology, industrial automation technology is more and more high, the production conditions also tended to bad situation, the front-line workers skills also put forward higher requirements, and the operation safety of workers has also been a corresponding threat. The workers work environment and work content also requires ideal for some simple, reciprocating work by robot remote control or automatic completion is very important This can avoid some people can not contact with the human body damage, such as metallurgy, chemical, pharmaceutical, aerospace, etc.. In the mechanical manufacturing industry, the application of mechanical hand more, the development of faster. At present, it is mainly used in machine tools, forging press under the material and welding, painting and other operations, it can be in accordance with pre established operating procedures to complete the prescribed operation, and some also have with sensor feedback ability, can cope with external changes. Application of the manipulator, to improve the material transfer, workpiece loading and unloading, tool replacement and machine assembly automation, which can improve labor productivity, reduce production costs, accelerate the pace of industrial production mechanization and automation. This paper mainly discusses the design of manipulator control system based on PLC. First, the possible use of the programmable controller is related to the introduction, and then choose the design of the PLC model. Then, through the control mode of the manipulator and the realization way of each function, the realization scheme of each function and the equipment used in the design control system are determined. Finally, the software program and hardware structure of PLC control system are designed. Keywords: industrial; automation programmable controller ; manipulator； Remote control；sensor feedback II 目 錄 目錄 1 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 機械手的定義與分類 1 1.3 機械手的應(yīng)用及相關(guān)組成 2 1.4 機械手的發(fā)展趨勢 3 1.5 總體設(shè)計要求 3 2 PLC的介紹與選擇 5 2.1 PLC的特點 5 2.2 PLC的選型 5 2.3 三菱FX系列的結(jié)構(gòu)功能 6 2.4 PLC的保護(hù) 7 3 機械手系統(tǒng)組成 9 3.1 機械手模型的機能特性 9 3.2 夾緊機構(gòu) 9 3.3 軀干 9 3.4 旋轉(zhuǎn)編碼盤 10 4 控制系統(tǒng)設(shè)計 11 4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 11 4.1.1 PLC梯形圖中的編程元件 12 4.1.2 PLC的I/O分配 12 4.1.3 機械手控制系統(tǒng)的外部接線圖 13 4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 14 4.2.1公用程序 14 4.2.2自動操作程序 15 4.2.3 手動單步操作程序 24 4.2.4 回原位程序 29 4.3 PLC程序的上載和下載 34 4.3.1 PLC程序的上載 34 4.3.2 PLC程序的下載 34 5 設(shè)計總結(jié) 35 5.1 總結(jié) 35 5.2 展望 35 參考文獻(xiàn) 37 致 謝 39 1 基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 1 緒論 1.1 課題背景 在我國飛速發(fā)展的現(xiàn)代化經(jīng)濟中，工業(yè)生產(chǎn)力的高低是衡量發(fā)展快慢的重要因素。在不斷發(fā)展的工業(yè)經(jīng)濟中，操作工人的生產(chǎn)環(huán)境愈加惡劣，這使得在要求提高工人操作技能的同時，也使他們的工作安全也受到了不同程度的威脅。隨著一系列現(xiàn)代化設(shè)備的推進(jìn)，大大的減輕了操作工人的勞動強度，對于以前那些操作困難、操作危險的工業(yè)操作，都是通過操作工人遠(yuǎn)程控制自動化設(shè)備自動完成生產(chǎn)的。這不但可以避免一些有害物質(zhì)對操作工人的傷害，還可以提高工廠的生產(chǎn)效率。 在各國的工業(yè)制造中，機械手技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)[1]。它能夠按照人們的事先要求完成相應(yīng)的操作，有的機械手還帶反饋能力，能夠根據(jù)生產(chǎn)條件的變化自動的調(diào)整生產(chǎn)操作，使生產(chǎn)的質(zhì)量和穩(wěn)定性得到提高。目前在一些生產(chǎn)的機床和焊接的行業(yè)中，得到大量的應(yīng)用。機械手的使用不但縮減了工業(yè)的生產(chǎn)成本，還提高了工業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，促進(jìn)了社會的現(xiàn)代化發(fā)展。 機械手技術(shù)是一門涉及多領(lǐng)域的跨學(xué)科綜合性技術(shù)。近年來，機械手的發(fā)展越加的迅速，電子技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)以及一些最新的技術(shù)也在機械手中有了應(yīng)用[2]。機械手技術(shù)的使用，已經(jīng)是我國的工業(yè)發(fā)展的重要組成部分。 PLC技術(shù)能夠遠(yuǎn)程的控制工業(yè)生產(chǎn)對象，實現(xiàn)工業(yè)的自動化生產(chǎn)。PLC技術(shù)在機械手中的應(yīng)用，在滿足完成工業(yè)生產(chǎn)操作的同時，也大大的改善了工人的操作環(huán)境，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，對自動化技術(shù)的發(fā)展有著重要的意義。 同時，機械手可以能夠借助軟件的編程，對不同的生產(chǎn)對象，完成不同的控制，提高了生產(chǎn)的效率。目前，在一些對人力要求較高的工業(yè)中，基本上都有使用機械手技術(shù)，用來減輕人力的需求和更好的控制，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的最大化。 機械手有著40多年的發(fā)展歷史，是一種類似于機器人的生產(chǎn)設(shè)備。它能夠完成事先編輯好的操作程序，在各種工業(yè)條件都能有條不紊的作業(yè)。它有著人的智能性和機器的適應(yīng)性，在現(xiàn)代化經(jīng)濟發(fā)展中有著廣闊的前景。 1.2 機械手的定義與分類 機械手是一種能夠在各種條件下工作的設(shè)備，它的工作主要是模仿人手的操作，并且可以通過改變控制程序?qū)崿F(xiàn)不同的操作的多功能機器[3]。 機械手因其對工業(yè)生產(chǎn)具有積極作用而被人們所認(rèn)識。因它能代替人們在一些條件惡劣的場合，在保證生產(chǎn)質(zhì)量的同時完成生產(chǎn)工序，大大的提高了工業(yè)生產(chǎn)率，受到了各國的強烈重視。尤其在一些帶有放射性和強污染性的場合，投入研究的財力和物力更加之多。 機械手大致可分為三類。第一類獨立機械手，第二類人工操作機械手，第三類專用機械手。獨立機械手又可稱為通用機械手，獨立機械手顧名思義就是獨立的不需要人工操作的機械手，而且它不附屬于主機，在擁有一般機械手傳統(tǒng)功能的同時還擁有記憶智能功能。人工操作機械手簡稱操作機，它由原子和軍事工業(yè)發(fā)展而來，后來發(fā)展到通信行業(yè)，在星球的探測中用通信設(shè)備控制機械手對星球進(jìn)行探測。專業(yè)機械手是專門用來工廠機床的下料和傳送的機械手，它一般附屬于自動生產(chǎn)的生產(chǎn)線上或生產(chǎn)機床上，除少數(shù)工序外，它的操作工序都是由主機驅(qū)動且固定地為主機服務(wù)。 本設(shè)計所設(shè)計的機械手屬于獨立機械手，即通用機械手。 1.3 機械手的應(yīng)用及相關(guān)組成 目前，機械手應(yīng)用已經(jīng)觸達(dá)各個領(lǐng)域。在熱加工方面，對人們不能勝任的高溫鍛造工業(yè)中，機械手可以實現(xiàn)自動化完成下料和鑄造，大大的減輕了操作負(fù)擔(dān)，提高了生產(chǎn)質(zhì)量好生產(chǎn)效率；在冷加工方面，對生產(chǎn)過程中的零配件進(jìn)行下料和安裝，代替人的手工操作，已經(jīng)成為生產(chǎn)線上的重要設(shè)備；甚至在拆、裝、修方面也有應(yīng)用，例如在勞動強度高的鐵路部門，利用機械手拆裝鐵路的閥門，清除路況等，大大的降低了工人的勞動強度。 機械手主要由：用于執(zhí)行動作的執(zhí)行機構(gòu)和用于驅(qū)動各動作運動的驅(qū)動機構(gòu)，以及用于控制機械手運動的控制系統(tǒng)構(gòu)成。 執(zhí)行機構(gòu)又由用來支撐整個機械手的軀干和手臂、手爪組成。手臂是用來引導(dǎo)機械手抓取物體的部件，在手爪抓取物體后并承擔(dān)運輸?shù)娜蝿?wù)，將抓取的物體運送到該工件需要加工的位置，手臂還應(yīng)具有多個自由度，能夠自由的旋轉(zhuǎn)，以完成機械手工作過程的精準(zhǔn)。手爪是用來模仿人類手指的功能，能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行抓取，手爪的手指數(shù)量可以根據(jù)工作的需求設(shè)計出不同的手指數(shù)[4-6]。 驅(qū)動機構(gòu)是用來驅(qū)動機械手各部件運動的機構(gòu)。目前應(yīng)用最多的驅(qū)動技術(shù)主要是電氣驅(qū)動和氣壓驅(qū)動，當(dāng)然在一些自動化工業(yè)生產(chǎn)還有一些其他驅(qū)動技術(shù)，如液壓驅(qū)動和機械驅(qū)動等。 控制系統(tǒng)時用來控制機械手加工的順序，加工的快慢和在加工過程中加入適當(dāng)?shù)难訒r，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行的裝置。在機械手中一般采用PLC作為它的控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)它的可靠性比較高，使用方便，編程也相對簡單，完全能夠滿足以點動和連動為主的機械手控制。在控制過程中，首先需要弄清機械手所要完成的操作步驟，然后根據(jù)操作步驟設(shè)計合理的控制程序，用來控制機械手的運行。在一些復(fù)雜的生產(chǎn)工藝中，有的還采用計算機控制系統(tǒng)等對機械手進(jìn)行控制。本設(shè)計采用的是小型PLC控制系統(tǒng)。 1.4 機械手的發(fā)展趨勢 隨著社會的不斷進(jìn)步，各種技術(shù)也在不斷的完善。機械手技術(shù)的性能也在不斷的提高，目前，機械手發(fā)展的方向主要有以下幾個方面： 1.加大在熱加工行業(yè)的應(yīng)用 熱工業(yè)行業(yè)因其工作溫度高，工作環(huán)境復(fù)雜。這使得工業(yè)的生產(chǎn)受到了一定的影響，機械手技術(shù)能夠很好的解決這一現(xiàn)況，為鍛造、焊接、熱處理等加工行業(yè)提供很好的服務(wù)。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，機械手在這些熱加工行業(yè)的使用也將逐步的擴大。 2.提高機械手的工作性能 目前，市場的機械手性能優(yōu)劣不一，價格也不盡相同，性能的好壞會直接影響到生產(chǎn)的質(zhì)量和效率?？焖傩院推椒€(wěn)性是衡量機械手性能的主要指標(biāo)，提高二者的性能必定是機械手今后發(fā)展的有力方向。 3.發(fā)展新型組合式機械手 從工業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展來說，拓展和更新功能越強的機械手，其發(fā)展前景越好；但是這類機械手的生產(chǎn)成本過于高昂，使的這類機械手的推廣受到了限制；而專用機械手雖然價格低廉，但是其適用性遠(yuǎn)不如功能全面的機械手。為了使機械手的應(yīng)用領(lǐng)域拓寬和更好的發(fā)展，組合式機械手將會是一種具有發(fā)展前途的機械手[7]。組合式機械手可以根據(jù)工業(yè)的實際需求，將機械手的基本部件進(jìn)行基本的組合，完成工業(yè)生產(chǎn)的目的。 4.開發(fā)具有觀感能力的智能機械手 對于一些需要人工判斷的場合如事故、障礙和情況變化的場合，傳統(tǒng)的機械手已經(jīng)不能夠代替人的工作了。因此，需要對機械手提出更高的要求，設(shè)計出具有感官能力的智能型機械手能很好的解決這一現(xiàn)況。這種機械手對于一些精密的操作方面，有著不錯發(fā)展前景。 1.5 總體設(shè)計要求 1. 機械手結(jié)構(gòu)圖 圖1-1 機械手結(jié)構(gòu)圖 2.機械手工作流程 機械手工作流程是:運行機械手后，首先判斷當(dāng)前機械手是否在初始位置，如若不在，通過電機的驅(qū)動使機械手回到原來位置；然后開始由電機驅(qū)動，使機械手完成前伸動作，到達(dá)位置后，電機驅(qū)動手爪旋轉(zhuǎn)，通過檢測元件檢測限位磁頭所在的位置，使電動機停止工作；由PLC控制手爪的張開，經(jīng)過一段延時后，電機驅(qū)動機械手向下運動，下降到一定位置后，PLC又控制手爪的閉合；再經(jīng)過一段延時后，電機又驅(qū)動機械手向上運動，同時驅(qū)動機械手的手臂、底盤運動；當(dāng)機械手到達(dá)規(guī)定位置后，又驅(qū)動機械手完成前伸動作，前伸到一定位置后旋轉(zhuǎn)并向下運動，到達(dá)規(guī)定位置后，手爪張開；再經(jīng)過一段延時使機械手回到初始位置，接著進(jìn)行下一周期運動[8]。 3. 控制要求 能夠按控制要求實現(xiàn)手爪抓取物件后，手臂能夠完成上下左右的運動，手腕能夠在電機的驅(qū)動下按控制做出旋轉(zhuǎn)，機械手能夠完成整個工序周期內(nèi)所有的操作動作。 2 PLC的介紹與選擇 2.1 PLC的特點 PLC控制器由繼電器控制技術(shù)、計算機技術(shù)等發(fā)展而來的，如今已經(jīng)使用的非常廣泛，在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用[9]。它的核心部件是微型處理器，通過編輯程序?qū)崿F(xiàn)對機器的控制、計數(shù)等功能，還可以改變輸入/輸出方式來控制各環(huán)節(jié)的機械制造過程。 PLC的特點主要包括: (1) 較高的可靠性：在PLC中每個I/O接口都是相對獨立的，各個模塊之間都有相應(yīng)的抗干擾屏蔽措施，PLC所使用的部件都是通過嚴(yán)格的篩選，且具有較好的自我診斷能力，一旦運行發(fā)生異常，CPU就會立即采取相關(guān)控制措施，防止故障的進(jìn)一步擴大；在一些要求比較高的場合還采用了多CPU結(jié)構(gòu)，使設(shè)備的穩(wěn)定性更加可靠。 (2) I/O接口豐富：PLC的接口針對在不同的使用場合，有不同的接口模塊用來對設(shè)備進(jìn)行通信和控制 (3) 模塊化的結(jié)構(gòu)：PLC的各個功能都是通過不同的模塊實現(xiàn)的，每個模塊之間相互獨立，可以人為的根據(jù)對設(shè)備的需求自由的組合。 (4) 編程語言簡單：PLC使用的編程相對簡單，通常采用梯形圖的形式，并不需要其他學(xué)科的專業(yè)知識，能夠很快的被操作人員所熟悉掌握。 (5) 安裝、維修簡易：PLC能在各種環(huán)境下工作，不需要建立獨立的機房。將各設(shè)備的接口與相對應(yīng)的PLC接口連接，就可以直接投入生產(chǎn)運行。PLC每個模塊都有正常工作和故障報警指示的裝置，對用戶了解生產(chǎn)狀況有著極大的幫助。 總而言之，PLC類似于一臺計算機，它能夠適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，且功能豐富；在工業(yè)的生產(chǎn)中得到了較多的應(yīng)用。 2.2 PLC的選型 在選擇PLC的型號時，我們除了要考慮PLC的I/O接口點數(shù)、指令條數(shù)等PLC性能外，還需要考慮它的經(jīng)濟性和實用性以及工作環(huán)境的影響[10]。 1.常用PLC類型 PLC技術(shù)經(jīng)過這些年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。不同廠家生產(chǎn)的PLC在側(cè)重功能上也不盡相同；因此，我們在選擇PLC要根據(jù)設(shè)計所需的功能，合理地選擇PLC型號。 西門子公司生產(chǎn)的PLC，在我國的各個行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。他們生產(chǎn)PLC不僅活躍在工業(yè)自動化控制方面，就連基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面也與涉及。 OMRON S7-200系列的PLC在內(nèi)置功能和通訊方面有著突出的特點，而且使用的編程軟件Micro/win也簡單易學(xué)。 歐姆龍的PLC設(shè)計趨于小型化。SYSMAC CPM1A只有一張PC卡那么大，在大幅度縮減安裝體積的同時，也節(jié)省了PLC控制臺的空間。它還具有一些小型PLC不具備的功能，它能夠連接程序的終端，塑造出全新的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。 三菱公司生產(chǎn)的FX系列PLC在國內(nèi)國外都獨具特色，是當(dāng)前的最新PLC的代表。這種PLC具備以往PLC所有的指令，還能夠使用梯形圖編輯程序和對一些需要有步驟的機械流程進(jìn)行順序功能設(shè)計，并且這些程序之間都是可以相互變換的。三菱PLC中還采用高速計數(shù)器，能夠?qū)^電器產(chǎn)生中斷處理，拓寬了PLC的使用范圍。 2. 確定使用型號FX1N-60MR 在選擇使用PLC控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)時，應(yīng)該盡量的提高所選器材的性價比，并且在維修和使用方面都要相對簡單；所選擇的PLC要保證能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的控制要求；不宜選用較落后的PLC機型，盡量選用功能完善的PLC新機型。同時還要為長遠(yuǎn)考慮，對以后工藝的拓寬留有余量；所選用的系統(tǒng)要能夠平穩(wěn)可靠運行[11]。本設(shè)計選用三菱的FX1N為核心部件。FX系列的PLC是原來的F系列的替代品，是近些年三菱公司推出的新型PLC，它的體積相對較小，性價比較高在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 3. FX1N的優(yōu)越性 FX1N的CPU處理速度相對較高，完成一個指令只需要0.065us。設(shè)備內(nèi)的RAM存儲器達(dá)到了64k。擁有兩百多條指令，更加完善了指令功能[12]。 內(nèi)置元件中還增加了新的指令：定位指令。能夠?qū)崿F(xiàn)對表格、中斷單速等的定位。還內(nèi)置了6個100KHZ的計數(shù)器，能夠進(jìn)行多相多頻計數(shù)。 在通信方面上，有高達(dá)115.2kbps的通信口，而且能同時使用多個通信口。還增加了新的I/O適配器，這些新的適配器并不占用原來的系統(tǒng)I/O點數(shù)，使用也相對方便，可以連接多臺適配器，實現(xiàn)多路高頻高速計數(shù)的功能。 2.3 三菱FX系列的結(jié)構(gòu)功能 PLC實質(zhì)是應(yīng)用在工業(yè)上的一臺微型計算機，且結(jié)構(gòu)也計算機類似。CPU、I/O接口、存儲器是PLC的主要組成部分。因為它的程序接口與微機的程序接口有差異，使得它的編程語言以及操作方式也與微機有所差異。PLC的定時、計數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換等功能都是通過微處理器采用編程的形式進(jìn)行聯(lián)系實現(xiàn)的。 幾乎所有的PLC硬件組成結(jié)構(gòu)都相同，圖2-1為PLC結(jié)構(gòu)示意圖；在PLC中數(shù)據(jù)的傳送和指令的傳送都是通過總線的結(jié)構(gòu)而進(jìn)行的，編程器則為用戶提供編輯控制程序而被作為PLC的外設(shè)[13]。 輸 入 接 口 電源 SB 位置開關(guān)SQ 接觸器觸點 KM 電磁閥 YA KM 外電源 輸 出 接 口 用戶存儲器 系統(tǒng)存儲器 中央處理器 手持編程器或計算機計算機 圖2-1 PLC結(jié)構(gòu)示意圖 PLC的運行過程大致可描述為：首先，外部輸入信號經(jīng)PLC輸入端進(jìn)入PLC內(nèi)部的存儲器，存儲器對這些信號的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行收集和鎖存；再由CPU[14]按生產(chǎn)的實際要求對這些信號進(jìn)行處理和運算；最后，將處理結(jié)果傳送到輸出端使執(zhí)行結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動作，完成對現(xiàn)場設(shè)備的控制。 2.4 PLC的保護(hù) 由于電感類元件，在電路的通斷時會產(chǎn)生較高的電壓，對PLC的I/O結(jié)口將造成損壞，所以需要在元件的兩端采取相應(yīng)的保護(hù)措施。當(dāng)使用的是直流電源時，應(yīng)該通過采取接入續(xù)流二極管的方式對電路進(jìn)行保護(hù)；而當(dāng)使用的是交流電源時，則需要通過接入阻容電路的方式對電路進(jìn)行保護(hù)。圖2-2為PLC的I/O端口保護(hù)電路示意圖。 圖2-2 I/O端的保護(hù) 3 機械手系統(tǒng)組成 3.1 機械手模型的機能特性 我們生活的空間是一個三維的空間，任何物體所在的位置都可以由三個坐標(biāo)和方向來確定；因此，只要求得所要搬運物體的位置坐標(biāo)和位置方向，就能確定物體的具體位置。機械手是一種用來替代人手的設(shè)備，每完成一個動作都需要有一個自由度，而制造的成本也與自由度的多少息息相關(guān)，自由度越多，成本也就越高。 3.2 夾緊機構(gòu) 手爪是機械手的抓取結(jié)構(gòu)。設(shè)計一臺合格的機械手除了要考慮良好的靈敏度和準(zhǔn)確性外，還需要考慮被夾物體的形狀、大小、重量等因素來合理的設(shè)計機械手手爪的結(jié)構(gòu)。手爪的夾緊力要設(shè)計合理，不能損壞被夾物體，可以在手爪內(nèi)鑲嵌彈性的墊片或軟質(zhì)的材料來保護(hù)被夾物體；同時還應(yīng)有自鎖的結(jié)構(gòu)，防止當(dāng)機械手因突然斷電而使物體損落。 機械手的手爪結(jié)構(gòu)形式多樣，有的甚至還帶有傳感裝置；在工業(yè)生產(chǎn)中最常見的有機械式、電磁式、吸盤式等。 機械式的手爪因其功能豐富、種類繁多，而被大量的應(yīng)用在各種工業(yè)場合。本設(shè)計采用到是二指機械式手爪，手爪的開閉由PLC控制電磁閥的通斷來控制，手爪的回旋則由一臺直流電動機和兩個限位開關(guān)共同作用控制。 3.3 軀干 軀干主要由底盤和手臂構(gòu)成。 底盤在機械手中的作用是用來承載重物和帶動手臂運動的機構(gòu)。它由一臺直流電動機和旋轉(zhuǎn)編碼盤及限位開關(guān)組成。正常工作時，直流電動機驅(qū)動底盤旋轉(zhuǎn)并帶動編碼盤一起運動，底盤每發(fā)出一個脈沖信號旋轉(zhuǎn)的角度就為3度，這些脈沖信號由傳感器檢測并傳入到PLC中；因此，只要知道發(fā)出脈沖的個數(shù)，就能夠知道底盤旋轉(zhuǎn)的角度。 手臂是用來連接和承載手爪運動的重要機構(gòu)。它由PLC控制電動機的運轉(zhuǎn)情況來控制絲桿和螺母的運動，同時采用限位開關(guān)對這些運動進(jìn)行限位，保證運動的精準(zhǔn)和高效率運行。 3.4 旋轉(zhuǎn)編碼盤 旋轉(zhuǎn)編碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-1所示。 圖3-1 旋轉(zhuǎn)編碼盤 機械手每旋轉(zhuǎn)3度就發(fā)出一個信號脈沖，只要改變PLC[15]程序計數(shù)器中的數(shù)值，就可以完成不同角度的旋轉(zhuǎn)。 本設(shè)計選用器材如表3-1. 表3-1 設(shè)計選用器材 名稱 型號或規(guī)格 數(shù)量 名稱 型號或規(guī)格 數(shù)量 PLC FX1N-60MR 1 限位開關(guān) LX19-111 8 電磁閥 VF3130 1 轉(zhuǎn)換開關(guān) LW6-5 1 按鈕 LA10-1H 13 熔斷器 RC1A-30/15 2 連接導(dǎo)線 若干 4 控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 設(shè)計出的機械手要能夠?qū)崿F(xiàn)手動控制和自動控制等控制方式，且正在工作的方式要能夠簡單明了的從操縱面板上反映出來。系統(tǒng)的控制面板如圖4-1所示，旋鈕開關(guān)可以控制機械手的手動和連動；當(dāng)控制開關(guān)撥向手動時，機械手的每一步動作都需要按下相應(yīng)的動作按鈕才能夠?qū)崿F(xiàn)；當(dāng)控制開關(guān)撥向自動時，機械手能夠連續(xù)且循環(huán)的完成每一步動作；控制開關(guān)撥向回原點時，機械手又自動的原位待命。 上升 回原位 停止 啟動 底盤順轉(zhuǎn) 手順轉(zhuǎn) 夾緊 下降 前進(jìn) 后退 放松 底盤反轉(zhuǎn) 手反轉(zhuǎn) 手動 自動 回原位 圖4-1 控制面板圖 4.1.1 PLC梯形圖中的編程元件 本設(shè)計采用FX1N-60MR[16]系列PLC，其內(nèi)部元件如表4-1所示。 表4-1 內(nèi)部元件表 名稱 點數(shù)或用途 名稱 點數(shù)或用途 輸入繼電器(X) 36點 數(shù)據(jù)寄存器(D) 存儲數(shù)據(jù) 輸出繼電器(Y) 24點 特殊繼電器M8000 運行監(jiān)控 輔助繼電器(M) 384點 特殊繼電器M8002 初始化脈沖 狀態(tài)繼電器(S) 1000點 特殊繼電器M8005 電池異常報警 定時器(T) 256點 特殊繼電器M8011 10ms時鐘脈沖 計數(shù)器(C) 計數(shù) 特殊繼電器M8012 1s時鐘脈沖 特殊繼電器M8013 100ms時鐘脈沖 特殊繼電器M8014 60s時鐘脈沖 4.1.2 PLC的I/O分配 機械手的PLC輸入、輸出分配如表4-2所示。 表4-2 I/O分配表 輸入信號 輸出信號 手動 SA X0 上升/下降步進(jìn)電機 YA0 Y0 回原位 SA X1 YA1 Y1 連續(xù) SA X2 YA2 Y2 回原位 SB1 X3 前進(jìn)/后退步進(jìn)電機 YA3 Y3 啟動 SB2 X4 YA4 Y4 停止 SB3 X5 YA5 Y5 下降 SB4 X6 夾緊 YA6 Y6 上升 SB5 X7 手順轉(zhuǎn) YA 7 Y7 夾緊 SB6 X10 手逆轉(zhuǎn) YA 8 Y10 松開 SB7 X11 底盤順轉(zhuǎn) YA 9 Y11 手順轉(zhuǎn) SB8 X12 底盤逆轉(zhuǎn) YA10 Y12 手逆轉(zhuǎn) SB9 X13 底盤順轉(zhuǎn) SB10 X14 底盤逆轉(zhuǎn) SB11 X15 下限位 SQ1 X16 上限位 SQ2 X17 前限位 SQ3 X20 續(xù)表4-2 輸入信號 后限位 SQ4 X21 底盤順限位 SQ5 X22 底盤逆限位 SQ6 X23 手順限位 SQ7 X24 手逆限位 SQ8 X25 底旋轉(zhuǎn)脈沖 X26 前行 SB12 X30 后退 SB13 X31 4.1.3 機械手控制系統(tǒng)的外部接線圖 PLC外部接線示意圖如圖4-2所示 圖4-2 PLC外部電氣接線 4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 公用程序、手動程序、自動程序以及回原位程序是機械手控制系統(tǒng)的軟件程序的主要組成部分[16]，其結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。自動程序把工作順序相同的單步運動程序和連續(xù)運動程序編在一起。本設(shè)計中應(yīng)用最多的是條件跳轉(zhuǎn)指令CJ，該指令能夠按要求跳轉(zhuǎn)程序，并從指針標(biāo)號PX處繼續(xù)執(zhí)行下一條程序，能夠減少不必要的程序執(zhí)行時間。當(dāng)PLC執(zhí)行“手動”的工作方式時，PLC執(zhí)行完公用程序?qū)⒂锰D(zhuǎn)指令，直接跳轉(zhuǎn)到“手動程序”并執(zhí)行；當(dāng)PLC執(zhí)行“自動”的工作方式時，PLC則只執(zhí)行公用程序和自動程序；同樣，當(dāng)PLC執(zhí)行“回原位”工作方式時，PLC只執(zhí)行公用程序和回原位程序。 圖4-3 程序結(jié)構(gòu)圖 4.2.1公用程序 公用程序如圖4-4所示。Y6為復(fù)位鍵，X21和X17分別為后限位和上限位，當(dāng)Y6、X21、X17和輔助繼電器M0接通時，表示機械手在原位。若執(zhí)行用戶程序時，機械手處于手動狀態(tài)或回原位狀態(tài)，則M10被初始化置位，為自動狀態(tài)做好準(zhǔn)備。在輔助繼電器M0斷開時，M10被復(fù)位，PLC是不能夠進(jìn)入自動工作方式的。ZRST是全部復(fù)位指令，能夠使所有繼電器復(fù)位。 圖4-4 公用程序梯形圖 4.2.2自動操作程序 自動操作流程如圖4-5所示。機械手在初始位置的時候，按下X4啟動，運行狀態(tài)S1，使完成動作前伸Y3接通，前伸到限位值后X20接通；狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至S2，此時S1復(fù)位，手順轉(zhuǎn)Y7、X24接通；狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至S3，使完成動作下降Y2、X16接通；狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至S4，使Y6產(chǎn)生1秒的延時置位來增強夾緊力。當(dāng)T0接通時，跳轉(zhuǎn)至S5，使完成動作上升Y0，上升到限位值后X17接通；此時狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至S6，使完成動作后退Y4；后退到限位值后，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至S9，使完成動作下降，下降到限位值后，X16接通，此時電磁鐵斷電完成松開動作。電磁鐵的電磁力的消失需要適當(dāng)?shù)难訒r時間，延時1s后，T1開始接通，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至S13，完成后退動作，后退到限位值后，X21接通，接著跳轉(zhuǎn)至S14，接通X21完成底盤順轉(zhuǎn)，并返回初始狀態(tài)，準(zhǔn)備二次循環(huán)動作。 38 圖4-5 自動的功能流程圖 自動操作程序說明：當(dāng)運行的是自動操作方式時，X2接通，常開觸點閉合，按下X4啟動運行程序，M1開始得電并保持；當(dāng)系統(tǒng)需要停止時，只要按下X5就可以使M1斷電。需要注意的是，按下停止后，系統(tǒng)并不會立即停止運行，需要完成正在運行的工作周期才能夠完全停止下來，停止時機械手在初始位置。程序如圖4-6所示。 圖4-6 自動操作程序梯形圖 4.2.3 手動單步操作程序 手動操作程序說明：手動操作時，機械手每按一下按鈕，就完成一次相應(yīng)的操作。手動操作程序梯形圖如圖4-7所示。 圖4-7 手動操作程序梯形圖 4.2.4 回原位程序 回原位操作說明：當(dāng)系統(tǒng)需要回原位時，按下X3使M3接通，機械手松開并開始上升，上升到限位值后X17接通，機械手進(jìn)行后退操作，達(dá)到后退限位值后X21接通，機械手停止操作并使M3復(fù)位?；卦徊僮鞒绦蛉鐖D4-8所示。 圖4-8 回原位操作程序 4.3 PLC程序的上載和下載 4.3.1 PLC程序的上載 程序上載是指把已經(jīng)編輯好PLC程序上傳到計算機中，供運行使用。操作如下： 1.用通信電纜連接好計算機與PLC的通信接口 2.用計算機設(shè)置好與PLC進(jìn)行通信的端口 3.點擊“PLC”菜單下的“傳送”，接著點擊“傳送”菜單下的“讀入”，彈出圖 4-10 所示對話框，選擇好所用的PLC型號后，點擊“確定”，就可以將所編寫的程序上傳到計算機中。 圖4-10 PLC類型設(shè)置對話框 4.3.2 PLC程序的下載 程序下載是指把在計算機中編寫好的控制程序下載寫入到PLC中去，供運行使用。它的步驟1和2與程序的上傳步驟1/2相同，步驟3為：將PLC控制面板撥向“STOP”，如使用了ram存儲器或存儲卡，因?qū)⑵鋵懕Ｗo(hù)關(guān)斷。點擊“PLC”菜單下的“傳送”，接著點擊“傳送”菜單下的“寫入”，彈出如圖4-11所示對話框，選擇“范圍設(shè)置”縮短PLC的寫入時間。 圖4-11 程序?qū)懭雽υ捒? 5 設(shè)計總結(jié) 5.1 總結(jié) 通過本設(shè)計讓大家清楚的知道了機械手的組成部分和應(yīng)用范圍，以及機械手對現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展的重要性。本論文主要論述的是PLC對機械手進(jìn)行的控制，得出以下結(jié)論： （1） PLC的軟接線方式能夠很好的對機械手運動系統(tǒng)進(jìn)行控制，PLC的可靠性和靈活性是機械手具有良好通用性的保證。 （2） 機械手的操作過程需要各組件的相互配合才能完成，各部件的合理連接，正確的控制程序是機械手運動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 （3） 旋轉(zhuǎn)編碼盤是機械手定位的重要結(jié)構(gòu)，PLC通過收集編碼盤發(fā)出的脈沖信號來控制底盤的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)機械手的應(yīng)用場合有所改變時，底盤需要旋轉(zhuǎn)的角度也隨之改變，這時可以通過改變PLC內(nèi)部的計數(shù)器數(shù)值來實現(xiàn)機械手新位置的定位。 5.2 展望 本設(shè)計所設(shè)計的機械手只有三個自由度，對于一些復(fù)雜操作且需要自由度較多的場合無法滿足需求，需要使用多個機械手同時工作或重新設(shè)計具有多自由度的機械手控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。 PLC控制的機械手因其通用性較強被使用的場合很多，無論是一些大型的工廠還是單個的小型控制系統(tǒng)領(lǐng)域都有它的涉及。隨著新技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)的不斷擴大，機械手的作用和控制方式也將發(fā)生日新月異的改變，更多的新型控制系統(tǒng)機械手將大量的投入到工業(yè)生產(chǎn)中去，智能性、靈活性是機械手發(fā)展的主要方向。 參考文獻(xiàn) [1] 吳明亮，蔡夕忠.可編程控制實訓(xùn)教材[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.8 [2] 張桂香.機電類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計指南[J].北京：機械工業(yè)出版社，2015.1 [3] 瞿大中. 可編程控制與實驗[P].華中科技大學(xué)出版社,2002.12. 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