教学型机械手PLC控制系统的设计

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1、苏州大学硕士学位论文 教学型机械手PLC控制系统的设计 姓名：徐英申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：曲波2010-10-27整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计中文摘要教学型机械手 PLC 控制系统的设计 中文摘要21 世纪，制造业将进入一个崭新的阶段，各种自动化装备、智能机器特别是机 器人将在建筑、交通运输、军事及海洋探索等方面获得广泛的应用。世界各国普遍在 学校中开设了机器人技术的相关课程。为了培养开发、设计、生产、维护方面的人才， 我国在职业类学校也开设了机器人相关课程。教学型机械手就是针对教学所研制的典 型机器人设备，因此研究出良好的机械手将具有重要

2、意义。PLC 控制的教学型机器人具备以下特点：首先是教学适用性，符合教学使用的相 关需求；其次是具有良好的性能价格比，特定的教学用户群决定了其价位不能过高； 再次就是它的开放性和可扩展性，可以根据需要方便地增、减功能模块，进行自主创 新；此外，它还应当有友好的人机交互界面。论文针对以上特点，对教学型机械手 PLC 控制系统进行了设计。首先介绍了可 编程控制器在教学型机械手系统中的应用，简单介绍了教学型机械手总体结构及工作 原理。根据系统需要完成的任务特点，确定了硬件构架和软件体系。详细的介绍了教 学型机械手 PLC 控制系统：PLC 的选型，电气控制原理图的设计，输入输出点数的 确定，线路的连

3、接及程序的设计。根据教学的需求，详细讨论了系统实施的安全策略、 提高系统定位精度的措施。经过多次实验，验证该机械手操作方便、性能稳定，可以 弥补操作工效率低，成本高等缺陷。关键词：可编程控制器；控制；机械手；自动控制；实时监控作者：徐英 指导教师：曲波整理为word格式AbstractDesign of the Eduction Robot based on PLCDesign of the Eduction Robot based on PLC AbstractIn the 21st century, the manufacturing is entering a new stage; a

4、variety of automation equipments, intelligent machines, especially the robots will play an important role in the mining, construction, transportation, military, space and ocean exploration etc. To fosterthe experts on development, design, production, maintenance of robots，many countries inthe world

5、opened robotics-related courses in the schools. It also carried out in the technology schools in our country. PLC-controlled teaching type mechanical hand is typical robot equipment developed for the teaching; therefore, to develop a good mechanical hand will be very important to promote the fosteri

6、ng of experts.PLC-controlled teaching type mechanical hand has following characteristics: first, is applicability for teaching, it must be in line with the relevant requirements of teaching; followed is Cost-effective. The user groups determine its price is not to be high; third is the openness and

7、scalability, it best to have the ability to add or modify the functional modules easily; In addition, it should have a friendly interactive interface.This paper designed a PLC control system for PLC-controlled teaching type mechanical hand.Firstly, the thesis introduces the principles of the program

8、mable-oriented system for teaching mechanical hand and describes the overall structure and working principle of teaching type mechanical hand.Secondly, we developed the hardware architecture and software system based整理为word格式 on the characteristics which need to complete the tasks.Thirdly, we design

9、ed the control system of PLC-controlled teaching type mechanical hand in detail. According to the teaching needs, we discussed the implementation of security policy, and also how to improve fix positioning in accuracy.After several experiments, we verified that the robot we designed can operate easi

10、lyand stably.Keywords: PLC; Mechanical Hand;Automatic control; configuration; real-time monitoringWrittenby Xu YingSupervised by Qu Bo整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第一章 概述第一章概述1.1 课题的研究背景与意义在国家“十一五”规划的指导下，我国机器人研究与应用已经取得重大进展。21 世纪，制造业将进入一个崭新的阶段，各种自动化装备、智能机器特别是机器人将在 采掘、建筑、医疗、交通运输、军事、空间及海洋探索等领域具有广泛的应用。世界 各

11、国普遍在学校中开设了机器人技术的相关课程。为了培养开发、设计、生产、维护 方面的人才，我国在职业类学校也开设了机器人相关课程。教学型机械手就是针对教 学所研制的典型机器人设备，其有两个方面的要求：首先在硬件方面要求能让学生自 己组装该设备，能正确连接电路与气路，所以涉及的知识面要适合职业类学生；其次 在软件方面要能分模块，分块学习更容易接受，学后能按照要求编写控制程序。教学 型机械手的研制能使学生比较全面、综合地了解现代工业设计，是机械、电子、传感 器、计算机、人机交互等诸多领域的先进技术，并亲身接触和体验现代高科技。在学 生获得科技知识和实践能力的同时，激发他们的创新意识和潜能，具有十分重要

12、的现 实意义。1.2 国内机器人发展状况和趋势国内开始机器人的研究，在 20 世纪 70 年代后期，当时我们国家在北京举办了一 个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是 工业机器人，那个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机 器人的研究，但是那时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段。真正进行机器人的 研究是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在1986 年我们国家成立了 863 计划，在这个高技术发展计划中，将机器人技术作为一 个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们 国家在机器

13、人这一领域得到飞快的、迅速的发展。目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人， 核工业机器人，都在国际上处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，虽然还整理为word格式第一章 概述教学型机械手 PLC 控制系统的设计存在很大的差距，但是在上述这些水下、空间、核工业的特殊机器人方面，我们还是取得了很多有特色的研究成就。 现在机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人，它给人的最深刻的印象是一个具有独特的、进行自我控制的“活 物”。其实，这个自控“活物”的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。智能 机器人具备形形色色的内部信息

14、传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅 觉。除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。比如筋肉，或称 自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。智能机器人能够理解人类语 言，用人类语言同操作者对话，在它自身的“意识”中单独形成了一种使它得以“生 存”的外界环境实际情况的详尽模式。目前，人工智能的推理功能已获突破，学习及联想功能正在研究之中，下一步就 是模仿人类右脑的模糊处理功能和整个大脑的并行化处理功能。人工神经网络是未来 人工智能应用的新领域，未来智能计算机的构成，可能就是作为主机的冯诺依曼型 机与作为智能外围的人工神经网络的结合。人工智能一直处于计算机技术的前

15、沿，人 工智能研究的理论和发现在很大程度上将决定计算机技术的发展方向。今天，已经有很多人工智能研究的成果进入人们的日常生活。将来，人工智能技 术的发展将会给人们的生活、工作和教育等带来更大的影响。正是因为人们在认识自 然改造自然过程中，需要各种各样的机器人1，所以才促进了各项关键技术的发展， 促进了机器人本身问题的发展，从另一个方面，由于关键技术的解决，以及应用的需 求，就促进了机器人学本身的一个主题的发展、智能化，由原来的示教再现，发展成 目前局部感知功能的第二代机器人，最终的目标，是不断地随着其它学科和先进技术 的发展，使机器人内涵不断丰富，最终实现智能机器人这样一个主流。智能机器人其现状

16、及发展趋势主要体现在以下几个方面：1.机构与材料：探索新的高强度轻质材料，不断提高负载自重比，同时机器人 机构向着模块化、可重构方向发展。2.机电一体化机器人：研究人机耦合系统与复杂生物机电系统建模方法，探索生 物信息的编码机理和解码机制，以及多源生物信息的融合与理解机制等。3.多传感系统和控制技术：非线性及非平稳非正态分布的情形下有效可行的多传整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第一章 概述感器融合算法，机器人的控制器的标准化和网络化以及基于 PC 机网络式控制器的研究；研究基于智能材料和仿生原理的高功率密度驱动器技术，研究仿生感知、控制机 制与生物神经系统建型理论与方法。

17、4.网络化技术：网络化使机器人由个体系统向群体系统发展，使远距离操作监控、 维护及遥控的智能型工厂成为可能。5.机器人灵巧化和智能化发展：机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其 智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。6.医疗机器人和康复机器人：医疗机器人是近年来发展比较迅速的一个新的应用 领域，借助医疗机器人可降低医生手术疲劳度，还可提高操作的精度。康复机器人可 对各种神经损伤患者进行定量化的主被动康复治疗，使患者的运动机能和生活自理能 力得到增强和恢复。20 世纪 80 年代以来，机器人技术不断进步，其在各个领域的应用日益广泛，引 起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术

18、的开发和研究列入国家 高新技术发展计划。世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设机器人技术 的有关课程。1.3本文所研究的内容教学型机械手配置了实际生产过程中典型的皮带输送机、机械手和圆盘，综合了 光电控制、气动控制、PLC 控制、变频器控制等技术，承载了真实的生产功能。该机 械手能实现抓取工件，搬运工件和旋转工件来完成工件的组装。本文主要研究了教学 型机械手 PLC 控制系统。该设计能让学生更好的接触实际工作的整体设备，能更快的 掌握类似控制系统的组装、功能修改、调试和维修。全文共分六章，主要研究工作及章节安排如下：第一章 概述，讨论了本课题的研究背景、国内外的发展状况和趋势、介绍了本

19、 课题所要做的工作。第二章 可编程控制器简介，介绍了可编程控制器的基本结构、工作原理、应用领域及三菱 FX2N 系列可编程控制器的介绍。第三章 教学型机器手的系统介绍，着重介绍了教学型机械手整个系统，包括系 统的组成、工艺流程和技术参数、系统自由度和坐标形式、系统的驱动方式及机械手整理为word格式第一章 概述教学型机械手 PLC 控制系统的设计传动方案的对比分析及选择。第四章 PLC 控制系统硬件设计，介绍了 PLC 控制系统方案、PLC 选型及控制要求。第五章 PLC 控制系统软件设计，介绍了程序流程图、构成和相关设置、程序部分功能说明和梯形图、PLC 通信及界面设计。第六章 机械手控制界

20、面的设计，介绍了编程软件和界面的设计。第七章 总结和展望，对本课题研究的工作做了总结以及今后针对该系统的研究 工作。整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第二章 可编程控制器简介第二章可编程控制器简介可编程控制器简称 PC（Programmable Control l er），它经历了可编程序矩阵控制 器 PMC（Programmable Matrix Control l er）、可编程序顺序控制器 PSC（Programmable Sequence Control l er）、可编程序逻辑控制器 PLC（Programmable Logic Control l er） 和可编

21、程序控制器 PC 几个不同时期2。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿 用 PLC 这个老名字。PLC 是在继电器控制基础上发展起来的，以微处理器为核心，将 自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业自动控制 装置3。由于 PLC 采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电 路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性4。PLC 是一种专门为在工业环境下 应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内 部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数 字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生

22、产过程。PLC 及其有关的外围 设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计5。2.1PLC 的基本结构PLC 主要有 CPU 模块、输入模块、输出模块和编程器等模块组成6，模块式结构框 图见图 2-1。PLC 的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。图 2-1PLC 模块式结构框图整理为word格式第二章 可编程控制器简介教学型机械手 PLC 控制系统的设计1.CPU 模块(中央处理器)CPU 模块是 PLC 的核心部分7。在 CPU 控制系统中，CPU 模块相当于人的大脑和 心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程 序和数据。2I/

23、 O 模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为 I/ O 模块，它们是系统的眼、 耳、手、脚，是联系外部现场设备和 CPU 模块的桥梁。输入模块用来收集和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、 数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、继电器等开关量输入信号；模拟量 输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电 压。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报 警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀变频器等执行装置。CPU 模块的工作电压一般是 5V，而 PLC 的输入/输出信号电压较高，例如

24、DC 24V 和 AC 220V。从外部引入的尖锋电压和干扰噪声可能会损坏 CPU 模块中的元器件，或 使 PLC 不能正常工作。在 I/ O 摸块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件 来隔离内部电路和外部的 I/ O 电路。I/ O 模块除了传递信号外还有电平转换和隔离的 作用。3.编程器 编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。 使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑体形图或指令表程序，并可以实现不同语言之间的相互转换。程序被编译后下载到 PLC，也可以将 PLC 中的程序 上传到计算机。程序可存盘或打印，通过网络还可以实现远程编辑和传送

25、。4.电源PLC 一般使用 AC 220V 和 DC 24V 电源8。内部的开关电源为各模块提供 DC 5V、 DC 12V 和 DC 24V 等电源。小型 PLC 可以为输入电路和外部电子传感器提供 DC 24V 电源，驱动 PLC 负载的直流电源一般由用户提供。整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第二章 可编程控制器简介2.2PLC 的特点及应用领域PLC 是实现工业自动化控制的重要支柱之一，其主要特点为：1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术， 采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可

26、靠性。 例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系 统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千 分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可 及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序， 使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高 的可靠性了。2配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模

27、的系列化产品。可以用于各种 规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能 力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位 置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技 术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。3易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程 语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相 当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能

28、。 为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了 方便之门。4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设 计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改 变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。整理为word格式第二章 可编程控制器简介教学型机械手 PLC 控制系统的设计5体积小，重量轻，能耗低以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗 仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理

29、想控制设备。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、 汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：1.开关量逻辑控制 取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、 包装生产线、电镀流水线等。2.工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC 采用相应的 A/D 和 D/A 转换模块及各种各样的控制算法程序来 处理模拟量，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较

30、多的一种调节方 法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。3.运动控制PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如 可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、 机器人、电梯等场合。4.数据处理PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、 排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于 如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5.通信及联网PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络 的发展，现在的 PLC

31、都具有通信接口，通信非常方便。整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第二章 可编程控制器简介2.3三菱 FX2N 系列可编程控制器介绍FX2N 系列 PLC 是三菱推出的端子排型高性能标准规格机器,具有高速、高功能等 基本性能，适用于从普通顺控开始的广泛领域8，并具有适用于各种各样领域的充实 的扩展设备，包括数字量输入输出扩展、模拟量输入输出扩展、温度控制、脉冲定位 控制、高速计数控制、通信控制、现场总线控制、以太网网络系统等。它的主要性能如下：1. 控制规模：16256 点。2. 内置 8K 容量的 EEPROM 存储器,最大可以扩展到 16K3. CPU 运算处理速度 0.

32、550.7S/基本指令。4. 在 FX2N 系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块9。5. 可以连接模拟量、定位、通信、网络等各种特殊扩展设备。6. 辅助继电器：3072 点，定时器：256 点，计数器：235 点，数据寄存器：8000点。7. 基本单元：16/32/48/64/80/128 点，有继电器输出型和晶体管输出型10。整理为word格式第三章 教学型机械手系统介绍教学型机械手 PLC 控制系统的设计第三章教学型机械手系统介绍3.1教学型机械手系统的组成教学型机械手系统主要由水平皮带输送机，变频器、垂直固定于机架上的机械手 和个人电脑构成。1皮带输送机是由三相异步电动机拖动，通

33、过联接，电动机将能量和运动传递 给皮带输送机，变频器则用于皮带输送的调速。2个人电脑选用通信接口为 RS-232C 规格的计算机，用于写入 PLC 程序，针对 不同的需要编写程序。3PLC 选用三菱 FX2N-48MR 系列。可编程控制器的输出，输入及电源的接线端 都引出到模块的面板插孔上，这样可以方便学生接线。PLC 根据传感器传递来的信息 和输入的程序来控制机械手和其他的气动控制。机械手硬件按其功能分析可分为底座、立柱、气抓、悬臂和手臂，其中能控制的 包括悬臂、手臂和气抓三个部件。机械手气动部分由 5 个气缸组成，分别使用 5 个两 位五通双控电磁阀驱动。图 3-1 为教学型机械手设备各主

34、要部件及相对位置。图 3-1教学型机械手设备各主要部件及相对位置3.2教学型机械手的工艺流程和技术参数机械手工作时，首先由 PLC 发出电控制信号给电磁阀；电磁阀动作输出气信号到整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第三章 教学型机械手系统介绍气控阀；气控阀接到信号后，将动力输给气缸；气缸运动，运动到指定行程时，触及机械阀；机械阀将气信号传到气电继电器；气电继电器将电信号传至机械手控制系统；PLC 根据气缸到位情况，按程序执行下一步动作。系统工作原理框图如图 32 所示。图3-2系统工作原理框图 根据其用途和特点，其技术参数如表 31 所示：表 31机械手技术参数自由度数目4定

35、位精度1mm负载能力（含末端执行器）1 kg几何尺寸400mm300mm350mm腰部转动1500运动范围手臂伸缩100mm手臂升降200mm最大展开半径200mm本体重量10kg驱动系统直流电动机2 台3.3教学型机械手系统的自由度和坐标形式针对本系统中机械手的任务要求，为了使它具有一定的操作灵活性、较好的使用 性和普及型，在结构设计上采用圆柱坐标型。自由度是指机械手所具有的独立坐标轴 运动的数目，其中不包括手爪（末端操作器）的开合自由度，手指的开合所具有的自 由度不包含在内，因为这个自由度仅用于抓取工具，而对于工具的定位和定向不起作 用。该教学机械手系统设计为四个自由度，分别为立柱回转（周

36、向），手臂升降运动（轴向），手臂伸缩运动（径向）和手爪的旋转（周向）。整理为word格式第三章 教学型机械手系统介绍教学型机械手 PLC 控制系统的设计由各关节按不同的配置方法可组合成结构类型各异的机械手11，其坐标形式也各不相同，最常见的机械手结构类型主要有下列几种：1直角坐标型：通过沿 xyz 三个互相垂直的直角坐标的移动来实现末端执行 器空间位置的改变。特点是定位精度高，结构简单，三个关节运动相互独立，其间没 有耦合，但是这种形式机械手占地面积大，操作灵活性差。2球坐标型：由二个回转运动关节和一个直线移动关节分别作为方向旋转关节、 俯仰旋转关节和径向直线运动关节组合而成。特点是占地面积小

37、，工作空间较大，但 是移动关节不易防护。3多关节型：这类机械手由两个肩关节和一个肘关节进行定位，由两个或三个腕 关节定向。其中一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰，这两个肩关节轴 线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。这种结构动作灵活，工作空间大，在作业 空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小。但是结构比较复杂。4圆柱坐标型：由一个升降直线运动关节，一个圆周旋转运动关节和一个水平直 线运动关节组合而成。这种结构优点是动作过程中负荷变动少，容易控制，缺点是动 作区域狭窄。教学型机械手由两个回转关节，一个轴向移动关节和一个径向关节组成。 回转关节控制前后、左右运动；轴向移动关节实现上下

38、运动；径向移动关节实现进出 运动。特点是结构轻便、响应快。最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。针 对本系统中机械手的任务要求，为了使它具有一定的操作灵活性、较好的使用性和普 及型，在结构设计上采用圆柱坐标型。3.4教学型机械手系统的驱动方式通常，机械手的驱动方式有以下几类：1气压驱动使用压力通常在 0.40.6Mpa，最高可达 1Mpa。气压驱动主要优点是 气源方便（一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气），驱动系统具有缓冲作用，结构 简单、成本低；缺点是装置体积大，气源装置存在噪声问题，定位精度也不高12。2液压驱动系统的功率质量比大13，驱动平稳，同时液压驱动调速比较简单，能 在很大范围

39、内实现无级调速；缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而 且污染环境。液压驱动多用于要求输出力较大，运动速度较低的场合。整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第三章 教学型机械手系统介绍3电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，以获得要求的机器人运动。由于具有易于控制、运动精度高、使用方便、成本低廉、 驱动效率高、不污染环境等诸多优点，电气驱动是最普遍，应用最多的驱动方式14。综合各种驱动方式的优缺点，主要考虑成本及学校设施相对简陋的基础上，最后 采用结构简单、成本低廉的气压驱动。电动机根据输出形式分，可以分为旋转型和直线型。电动机在机械手中

40、应用时， 要关注电动机的如下基本性能：1能实现启动、停止、连续的正反转运行，且具有良好的响应特性；2正转与反转时的特性相同，且运行特性稳定；3维护容易，而且不用保养；4具有良好的抗干扰能力，且相对于输出来说，体积小，重量轻。 在机械手中，采用比较多的是直流电动机。因为它可以达到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反两个方向连续旋转运动平滑。因此，机械手的旋转、升 降和伸缩部分及控制手爪的开合都采用直流电动机。3.5教学型机械手传动方案的对比分析及选择传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给机械手的执行部件，以实现各种预定 的运动。目前常用的传动方式有：皮带轮传动、蜗轮蜗杆传动、行星齿轮传

41、动、谐波 减速传动以及螺旋传动等。谐波齿轮传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大 的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的缺点。行星齿轮传动具有 结构紧凑、效率高的优点，是用于中等减速比传动，但存在齿轮间隙，难以实现正反 转过程中精确位置要求，因此限制了它的广泛应用。蜗轮蜗杆机构常用于要求有大的 传动比且传动过程中要求机构自锁的场合，这种方式安全性能高，但同样存在齿侧间 隙，而且效率较低。皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑动，和链传动一 样使用一段时间后易松弛，传动运转过程中还产生动载荷，因此常用于传动精度要求 不高的场合。螺旋传动也是将回转运动变换为直线运动的重要传动

42、方式，有滑动螺旋 传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平 稳、无噪声、并且能够自锁，且丝杠的螺旋升角较小，所以用较小的驱动力矩就可以整理为word格式第三章 教学型机械手系统介绍教学型机械手 PLC 控制系统的设计获得较大的牵引力。滚珠丝杠附属于滚动螺旋传动，传动具有传动效率高、摩擦阻力小、运转平稳且能够有效消除传动间隙的优点，但是价格较高，因此滚珠丝杠螺母被 广泛应用于要求较高的数控传动系统中。经过考虑，初步对各个关节进行设计。1、手臂回转关节 机械手腰部回转运动，选用蜗杆传动，其结构紧凑，可以实现大的传动比。考虑到安装的位置要求，电动机的输出扭矩和转速先

43、经过一对直齿圆柱齿轮减速，然后再 经过蜗轮蜗杆传动，蜗杆为主动件，正向运行时不会发生自锁，只是效率相对来说有 所降低。2、悬臂伸缩关节 机械手精度要求不是很高，在满足性能要求的基础上应考虑到经济性要求。因此，机械手水平手臂伸缩移动机构选用滑动螺旋传动，由一对丝杠螺母副将电动机的旋转 运动转换为水平手臂的直线移动，3、气抓抓放关节 机械手垂直手臂的升降关节，如手臂伸缩关节传动方法一样，使用丝杠螺母副将电动机的旋转运动转换为手臂的升降移动。3.6 教学型机械手传感器的选择传感器是将机电一体化系统中被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变 换器15。它主要用于检测机电一体化系统自身与作业对象、作

44、业环境的状态，为有效 地控制机电一体化系统的动作提供信息。教学型机械手系统对检测传感器的基本要求：1）体积小、重量轻、对整机的适应 性好；2）精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；3）安全可靠、寿命长；4）便于与计算机连接；5）不易受被测对象（如电阻、导磁率）的影响，也不影响外 部环境；6）对环境条件适应能力强；7）现场处理简单、操作性能好；8）价格便宜。传感器的种类繁多，按输出信号的性质可将传感器分为开关型、模拟型和数字型。 开关型传感器分为接触型和非接触型。模拟型传感器分为电阻型，电压、电流型、电 感及电容型16。数字型可分为计数型和代码型。开关型传感器的两种状态就是“1”和“0”或

45、开（ON）和关（OFF）。其工作原理整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第三章 教学型机械手系统介绍是：传感器的输入物理量达到某个值以上，其输出为“1”（ON 状态），在该值以下时，输出为“0”（OFF 状态），其临近值就是开、关的设定值。这种“1”和“0”数字信 号可直接传送到 PLC 进行处理，使用方便。开关型传感器，主要用作位置开关使用。例如，手臂旋转的左限位还是右限位， 悬臂的伸缩的上限位还是下限位均使用这种开关型传感器进行检测；以及机械手的手 抓旋转的左限位置还是右限位置，也用这种传感器来传递信息，使用非常方便。根据 该系统的特性，我们选用了多个光电传感器、电感传感

46、器和光纤传感器，光电传感器 用于检测工件的到位检测；电感传感器用于金属的识别；光纤传感器用于工件的识别。传感器的电路连接。传感器选用的是直流三线制传感器，有棕色、蓝色和黑线三 根连接线，其中棕色接 PLC 的 24V 的正极，蓝色接电源的负极，黑色是信号线接 PLC 的输入端。整理为word格式第四章 PLC 控制系统硬件设计教学型机械手 PLC 控制系统的设计第四章PLC 控制系统硬件设计4.1PLC 控制系统方案结合现在生产企业的应用环境，在机器人系统的特点的基础上，提出了基于 PLC 的机械手控制系统的设计方案，如图 41 所示。从系统总体的角度而言，它包括硬 件和软件两大部分。硬件设计

47、过程中经过分析，机械手控制系统以开关量为主。个人 电脑作为上位机，组成 PLCPC 两级控制系统。上位机的任务是对现场采集来的信 号进行显示、处理和动态监视。PLC 根据输入端口传感器发送来的机械手的运行情况， 按照预先根据控制规律设计的控制程序，自动地进行信息处理、分析和计算，做出相 应的控制决策，并通过输出端口向机械手发出控制命令。图 41机械手控制系统框图由 PLC 与个人电脑来实现教学型机器人系统的自动控制。PLC 具有很高的稳定性 与可靠性且抗干扰能力较强，很适合现场控制，但没有一个很好的人机交互界面17； 而采用个人电脑控制具有很高的灵活性和方便性。各部分功能如下：PLC 作为下位

48、机连接机器人设备，完成工业现场数据的实时采集和分站控制、状 态判别、本地报警控制。上位机采用个人电脑，以三菱公司的 MELSOFT 系列 GX Developer 编程软件设计 实时监控界面，实现状态显示、系统设置、模式选择、参数设置、故障记录、负荷记 录、时间日期、实时数据显示与报表统计等功能，操作界面直观友好。另外它与打印 机、UPS 等其它输入输出设备相连。在个人电脑与 PLC 的集成控制系统中，如何实现工控机与 PLC 的数据交换非常重 要。一般有两种方法：利用串口通信或通过 I/ O 卡实现18。考虑到数据的实时性和可整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第四章 PL

49、C 控制系统硬件设计靠性，本系统采用的是串口通信方式。通信接口均为 PLC 与个人电脑上的 RS232 接口19-20。4.2PLC 选型PLC 选用了日本三菱电机生产的 FX2N-48MR 系列可编程控制器，它是整体式小型 PLC，内部电源为直流 24V，输入点 40 个、输出点 40 个21。将它安装在一块模块上， PLC 的输出、输入及电源的接线端都引出到模块的面板插孔上。1、本系统中控制对象的 I/ O 点数如下：直流电机 4 个：为了实现直流电机正反转，4 个直流电机占用 8 个开关量输出端 口；光电传感器 1 个：开关量输入 1 个； 限位开关 8 个：开关量输入 8 个； 控制按

50、钮 10 个：开关输入 10 个；选择开关 1 个：该选择开关具有 3 个档位，因此占用 3 个开关量输入端口。 总计：开关量输入 22 个，开关量输出 14 个。系统中没有模拟量，因此不需要选择模拟量单元。同时本控制系统为小型控制系统，采用整体型 PLC 即可22。本系统采 用日本三菱公司生产的 FX2N-48MR 系列 PLC，该 PLC 是近年来该公司推出的高性能小 型可编程控制器，它有灵活多变的系统配置，还有许多特殊功能模块可以选用，功能 强大，使用方便。它有 24 点开关量输入和 24 点开关量输出23，满足 I/ O 点数要求。 它有特殊功能模块和功能扩展板，如模拟量输入/输出模块

51、、RS-232/RS-422/RS-485 串行通信模块，具有位置控制和联网通信等功能24。2、I/ O 地址分配由于 CPU 模块有 40 点数字量输入和 40 点数字量输出，所以不再需要增加输入/ 输出模块。I/ O 分配采用自动分配方式，模块上的输入端子对应输入地址是 X000 X047，输出端子对应的输出地址是 Y000Y047。4.3控制要求输入设备用以产生输入控制信号，在机械手的控制系统中包括有：（1）操作方式选择开关：该开关有定位、分拣档位选择；（2）机械手操作选择：有手爪夹紧、放松；手臂伸缩和升降；腰部回转；手爪整理为word格式第四章 PLC 控制系统硬件设计教学型机械手 P

52、LC 控制系统的设计旋转；（3）发信息开关：各位置上的限位开关和光电开关；（4）另外，还有总停止按钮，起动按钮，紧急停车按钮等。 操作方式选择开关选用转换开关，手动操作开关、启动和停止这些指令开关，选教学型机器人的光电传感器作为控制按钮发出运行命令，给 PLC 发信息的即传感器中 的限位开关和光电开关25 26。整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第五章 PLC 控制软件设计第五章PLC 控制系统软件设计在进行机械手程序编写之前，必须要知道机械手的运动流程，流程是根据系统的 功能制定的。本系统的机械手以双工作台流水线上的工件为夹取对象，完成上料、下 料、定位和分拣的功能。机械

53、手有两种工作方式：定位和分拣。工作方式由定位/分拣选择开关确定，PLC 的输入点 X30 接通时为“定位”功能，输入点 X31 接通时为“分拣”功能。如果选择 了“定位”方式，程序按照先搬运后定位程序运行，如果选择“分拣”方式，程序首 先检查到位的工件是否符合抓取的要求，满足的话则进入搬运程序控制系统的流程图 如图 51。图 51控制系统总流程图5.1系统资源分配5.1.1 定位功能的系统资源分配1、定位模式的要求圆盘把工件 1 送到抓料口，机械手悬臂伸出-气爪松开-手臂下降-延时 1 秒-气抓 将工件夹紧-延时 1 秒-手臂上升-悬臂缩回-机械手左旋-左旋到左限位-悬臂伸出-手 臂下降-工件

54、 1 孔的位置不正确-气爪旋转-工件 1 孔的位置正确-延时 1 秒-气爪放松。 机械手手臂上升-气爪抓紧-悬臂缩回-机械手右摆到初始位置；机械手手臂上升的同整理为word格式第五章 PLC 控制软件设计教学型机械手 PLC 控制系统的设计时，工件 2 装入工件 1 的孔-延时 1 秒-皮带输送-组装后的工件输送到出料槽。2、数字量输入/输出部分 数字量输入/输出地址如表 5-1 所示。表 5-1数字量输入地址分配表输入地址对应的输入设备输出地址对应的输出设备X0启动Y0驱动悬臂气缸伸出X1停止Y1驱动悬臂气缸缩回X2手臂伸出传感器Y2驱动手臂气缸下降X3手臂缩回传感器Y3驱动手臂气缸上升X4

55、悬臂提升限位传感器Y4驱动手臂气缸左旋X5悬臂下降限位传感器Y5驱动手臂气缸右旋X6旋转左限位传感器Y6驱动气抓气缸左旋X7旋转右限位传感器Y7驱动气抓气缸右旋X10气抓夹紧传感器Y10驱动气抓夹紧X11气抓旋转左限位传感器Y11驱动手臂正转X12气抓旋转右限位传感器Y12驱动手臂反转X13工件一检测传感器Y13驱动转盘电机X14工件二检测传感器Y14驱动工件一气缸伸出X15工件一定位传感器Y15驱动工件二气缸伸出X16推出一伸出限位传感器Y16驱动报警X17推出一缩回限位传感器Y17运行指示X20推出二伸出限位传感器Y21停止指示X21推出二缩回限位传感器Y22驱动变频器X22启动传感器Y2

56、3备用X23紧急停止按钮Y24备用X24备用Y25备用X25备用X26备用3、按照PLC输入/输出点，确定了如图5-2的机械手电气控制原理图。整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第五章 PLC 控制软件设计图5-2机械手PLC电气控制原理图5.1.2 分拣功能的系统资源分配1、设计手动模式的要求 生产线生产金属圆柱形和塑料圆柱形两种元件，该生产线的分拣设备的任务是将金属元件、白色塑料元件和黑色塑料元件进行加工、分拣和组合。各分拣设备部件组 装图如图 5-3。图 5-3各分拣设备部件组装图 第一部分：启动前，设备的运动部件必须在规定的位置。 有关部件的初始位置是，机械手的悬臂在

57、右限位，手臂气缸的活塞杆缩回，手指整理为word格式第五章 PLC 控制软件设计教学型机械手 PLC 控制系统的设计松开。圆盘、皮带输送机的电动机不转。如果初次上电，处于初始位置，绿色警示灯闪亮。否则红灯亮。 第二部分：正常工作1)启动：按下启动按钮 SB5，设备启动。拖动皮带输送机的三相交流电动机的低 速运行，赫兹为 15HZ，皮带输送机按有位置 A 向位置 C 的方向。指示灯 HL2 长亮。2)工作：设备启动后，当工件从进料口放在皮带输送机时，皮带输送机由低速运 行变为高速运行，此时拖动皮带输送的三相交流电动机的运行频率为 35HZ。皮带输 送机上的工件到达位置 B 时停止加工，若工件是金

58、属工件加工时间 4 秒，若工件是白 色加工时间为 3 秒，若工件是黑色元件加工时间为 2 秒。工件在位置 B 完成加工后， 按下面原则进行组合分拣：(1)如果工件需要输送到位置 A 或 C，皮带输送机应以中速运行，三相交流电动机 的运行频率为 25HZ。(2)推出斜槽 1 的工件必须满足一个金属工件，连续两的白色塑料工件构成的套 件关系。工件推入斜槽且气缸活塞杆缩回后，皮带输送机又低速运行，到工件放上皮 带输送机变为高速运行。(3)由皮带传送到 C 处的工件满足一个金属工件和一个的黑色塑料工件构成的套 件关系；在工件到达位置 C 时，皮带输送机停止运行。机械手悬臂伸出-手臂下降- 手指合拢抓取

59、元件-手臂上升-悬臂缩回-机械手向左转动-悬臂伸出-手指松开，工件 掉到圆盘时-悬臂缩回-机械手回原位。工件到原盘时，支流电机启动，转动 3 秒。当 机械手取出工件后，皮带输送机又低速运行，到工件放到皮带输送机变为高速运行。(4)不满足套件关系的工件应推入斜槽 2，当气缸活塞缩回后，皮带输送机又低速 运行，到工件放到皮带输送机变为高速运行。(5)同时满足(2)和(3)的套件关系的金属工件，优先入槽 1。而后是传送到 C 处。 第三部分：停止 设备对推入斜槽或送往处理盘的套件进行包装，计划包装的总套数为 4 套。 自动停止：当设备完成所计划的包装数时，自动停在初始位置。手动停止：按下 SB6 时

60、，应在当前工件的分拣和处理后，设备停止在初始位置。 设备停止后，运行指示灯 HL2 熄灭。整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第五章 PLC 控制软件设计设备在重新启动前，可以持续按下停止按钮 3 秒将上次工作任务的套数数据清除，并同时将斜槽和圆盘的工件拿走。如不清除上次的工作数据，设备重新启动后应接着 去完成上次的工作任务。2、电气原理图的设计和接线(1)根据设计出来的手动模式的要求定义输入/输出点，数字量输入/输出地址如 表 5-2 所示整理为word格式第五章 PLC 控制软件设计教学型机械手 PLC 控制系统的设计输出点注释Y0悬臂伸出Y1悬臂缩回Y2手臂上升Y3手臂

61、下降Y4向左旋转Y5向右旋转Y6气抓夹紧Y7气抓放松Y10气缸 1Y11气缸 2Y12气缸 3Y13拨杆电动机Y14中速Y15低速Y16正转Y17反转Y20HL1Y21HL2Y22警示红灯Y23警示绿灯Y24HL3Y25HL4Y26HL5Y27HL6表 5-2数字量输出地址分配表输入点注释X0机械手前限X1机械手后限X2机械手上限X3机械手下限X4机械手左限X5机械手右限X6机械手抓放X7金属检测X10白色检测X11黑色检测X12物料检测X13启动X14停止X15红外传感器X16SA1X17SA2X20气缸 1 限位X21气缸 2 限位X22气缸 3 限位整理为word格式教学型机械手 PLC 控制系统的设计第五章 PLC 控制软件设计(2)电气原理图的设计，分拣功能的电气原理图如下图 5-4。图 5-4分拣功能的电气原理图PLC