四自由度机械手控制系统设计.doc

前 言可编程控制器是20世纪70年代以来，在集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为现实工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备，自动化生产线外，国内的机床设备已越来越多采用PLC控制系统采用控制系统取代传统的继电接触器控制系统小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀，接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传播数据等。本课题是基于PLC控制四自由度机械手运行。 工业机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，它可以代替手的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。有着广阔的发展前途。本课题通PLC自动控制对机械手实现机械手规定动作并实现回原点、手动方式和自动方式三种工作方式的选择，并对系统进行运行效率分析。 摘 要随着工业机械手的进一步发展，其发展将更趋向于人性化、智能化并将在更加广泛的领域得到应用。机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。 工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高 劳动生产率和自动化水平。通过对机械制造与自动化大学专科三年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，确定机械手的工作原理和运动机理。设计了一种四自由度机械手，采用可编程序控制器（PLC）设计其控制系统,以提高其工作的稳定性能。关键词：机械手 梯形图 PLC 电磁阀AbstractWith the further development of industrial robots, and its development tends to be more humane, intelligent and in a wider range of applications. Manipulator is a kind of imitation of the upper body movement machine, it can be scheduled according to request type or holds the automation tool operation of technical equipment, industrial automation, promote the production of industrial production of the further development plays an important role .Manipulator noted extensively and welcome by people for it has powerful vitality. Industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce labor intensity, and improve labor productivity and automation level. Mechanical manufacturing and automation through the junior college for three years to integrate the knowledge of industrial manipulator mechanical structure and function of various parts of exposition and analysis to determine the robot motion principle and mechanism. Design a four-DOF manipulator to enhance the stability of their work for using the programmable logic controller to control system.Keywords: Manipulator Ladder diagram PLC Solenoid valve目 录前 言1摘 要2第一章 绪论.51.1 本课题设计的背景51.2本课题设计的内容61.3 本课题设计的目的和意义7第二章 PLC的概述82.1 PLC介绍82.2 PLC的构成92.3 PLC 的外部设备102.4 PLC的工作原理102.5 PLC的优点12第三章 基于PLC的机械手控制方案的确定133.1 机械手的概述133.2 采用PLC控制机械手的优点133.3 机械手设计内容133.4 PLC的选型143.5 三菱FX系列的结构功能16第4章 功能实现与控制方式184.1 机械手模型的机能和特性184.2 夹紧机构184.3 躯干194.4 旋转编码盘19第5章 控制系统设计215.1 控制系统硬件设计215.2 PLC梯形图中的编程元件215.3 PLC的I/O分配225.4 机械手控制系统的外部接线图235.5 控制系统软件设计23致 谢36参 考 文 献37附录（指令表）38第一章 绪论1.1 本课题设计的背景1969年美随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。美国数字设备公司（DEC）研制出世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（Programmable Logic Controller）。70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（Programmable Controller）。但由于PC易于个人计算机（programmable computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位，可编程控制器，简称PLC。它在集成电路，计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。具有1.可靠性高、抗干扰能力强 2.设计、安装容易，维护工作量少 3.功能强、通讯性好 4.开发周期短、成功率高 5.体积小、重量轻、功耗低等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为现实工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比更加可靠；占位空间比继电接触器控制系统小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。因此，进行机械手的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的扩展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。1.2本课题设计的内容现代工业生产对机械手的控制要求越来越高，若用传统的继电器控制方式进行控制，势必造成控制系统元件多，接线繁杂、稳定性差、故障率高，给工业生产带来很多不便。针对这些问题此次设计选取性价比高的可编程控制器设计其控制系统。课题以四自由度机械手的控制为研究对象，采取PLC设计其控制系统，实现机械手规定动作并实现回原点、手动方式和自动方式三种工作方式的选择，并对系统进行运行效率分析1.3 本课题设计的目的和意义机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。 在机械工业中在机械工业中，机械手的应用具有以下意义：1.3.1、可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 1.3.2、可以改善劳动条件、避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本 不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地 改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 第二章 PLC的概述一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如图2-1：图 2-1 PLC基本结构图2.1 PLC介绍可编程控制器（Programmable Logic Controller)简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已成为当代工业自动化的主要控制设备之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用，在其他领域（例如民用和家庭自动化）的应用也得到了迅速的发展。国际电工委员在1985年的PLC标准草案第3稿中,对PLC作了如下定义:“可序控制器编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。2.2 PLC的构成2.2.1 CPU模块PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。2.2.2 I/O模块PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。2.2.3 电源模块有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220V或110V，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。2.2.4 底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.3 PLC 的外部设备外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：1编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。2监控设备：有数据监视器和图形监视器，直接监视数据或通过画面监视数据。3存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。4. 输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。2.4 PLC的工作原理PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的扫描全过程如图2-2所示。图2-2 PLC的扫描全过程1 、输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。2 、程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。3 、输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响2.5 PLC的优点1、灵活性：不同类型的硬件设备采用相同的可编程序控制器，编写不同应用软件就可以了，并且可以用一台可编程控制器控制几台操作方式完全不同的设备。2、便于改进与修正：可编程序控制器为改进和修订原设计提供了极其方便的手段，以前也许要花费几周的时间才能完成的工作使用可编程序控制器只要几分钟就可以了。3、节点利用率高：在可编程序控制器中，一个输入中的开关量或程序中的一个“线圈”可提供用户所需用的连锁节点，即节点在程序中可不受限制的使用。4、成本低：可编程序控制器提供的继电器节点、计数器、计时器、顺控器的数量比采用继电器、计数器、计时器、顺控器等实际元器件要便宜的多。5、模拟调试：可编程序控制能对所空功能在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试，而古典电器线路是无法在实验室进行调试的，只能花费现场大量时间。6、能对现场进行微观调试：在可编程序控制器系统中，操作人员过显示器观测到所控每一个节点的运行情况，随时监测事故发生点。7、快速动作：传统继电器节点的响应时间一般要几百毫秒，而可编程序控制器里的节点反应很快，内部是微秒级的。8、可靠性：可编程序控制器由集成电路元件构成，因此可靠性大大高于机械和电器继电器。9、系统购置的简单化：可编程序控制器是一个完整的系统，购置了一台可编程序控制器，就相当于购买了系统所需要的所有继电器、计数器、计时器等器件。10、图纸简化：传统控制电路要靠画蓝图，而蓝图不能随着设计的不同阶段不断更新的，采用可编程序控制器很容易做到随时打印出更新后的电路图。11、易于系统的变化：可编程序控制器可以重新编程序，所以可以满足所控生产流程频繁变化的要求。第三章 基于PLC的机械手控制方案的确定3.1 机械手的概述我国国家标准（GB/T 12643-90）对机械手的定义：“具有和人手臂相似的动作功能，能在空间抓放物体，或进行其他操作的机械装置。”机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手：它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定（有时可调）程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，焊接机械手等装置。通用机械手：它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小自动化生产。它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。3.2 采用PLC控制机械手的优点1.控制方式上看：电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难;而PLC软界线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。2.工作方式上看：电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约。3.控制速度上看：电器控制速度慢，触电易抖动；而PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，故而无抖动一说。4.可靠、维护看：电器控制触电多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠，维护性能差；PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。3.3 机械手设计内容3.3.1.机械手结构示意图图3-1机械手示意图1、手爪张开闭合2、手腕旋转 3、水平移动 4、升降 5、立柱旋转 6、手爪 7、手腕电动机 8、横轴 9、 竖轴 10、竖轴电动机 11、横轴电动机 12、底盘 13、底盘电动机3.3.2. 机械手工作流程机械手工作流程是：开始运行后，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转(横轴向手抓方向移动，竖轴向上移动)。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手爪电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪夹紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开；延时后竖轴上升复位，然后开始下一周期动作。3.3.3. 控制要求(1)手臂上下直线运动。(2)手臂左右直线运动。(3)手腕旋转运动。(4)手爪夹紧动作。(5)机械手整体旋转运动。手臂采用步进电机驱动，由PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转,实现手臂的进给和定位，手爪采用气压驱动。3.4 PLC的选型对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数，扫描速度，内存容量，指令条数，功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。3.4.1. 常用PLC介绍PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。欧姆龙S7-200系列PLC 突出的特点：可靠性高、操作简便；丰富的内置集成功能；强劲通讯能力；丰富的扩展模块；简单、易用的Micro/WIN编程软件。OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小仅相当于一个PC卡(对于10点的机型来说)，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。编程环境与CQM1及SYSMAC A等机种相同。由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。三菱FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形图编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。其FX2N PLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。3.4.2. 确定型号FX1N60MR综上，对于被控对象，采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较，力求具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求；选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型，一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的PLC，则选FX系列，不选F1系列）。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。在此，我选用三菱FX1N来做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是近年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。3.5 三菱FX系列的结构功能可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的结构原理与微型计算机相似。硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。系统程序和接口器件又与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、D/A模拟转换器件的组合体的功能，采用软件编程进行它们之间的联系。本设计采用FX系列PLC作为控制核心，所以现在就以它来讲述PLC的应用知识、操作技能。FX系列PLC硬件组成与其它类型PLC基本相同，主体由三部分组成，其PLC的基本结构如图3-2系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。图3-2 PLC 的组成框图外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信号和数据；经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各个部分协调一致地实现对现场设备的控制。PLC输入输出接口的安全保护当输出口连接电感类设备时，为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输出口造成破坏，应在感性元件两端加保护元件。对于直流电源，应并接续流二极管，对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可取51120，电容取0.10.47F，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。续流二极管可选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍。图3-3为输入输出口的保护环节示意图。图3-3输入输出口的保护第4章 功能实现与控制方式4.1 机械手模型的机能和特性物体在三维空间内的静止位置是由三个坐标和围绕三轴旋转的角度来决定的，因此，抓握物体的位置和方向能从理论上求得。根据资料的介绍，如果采用机械手，其机能要接近于人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”来控制。我们不要那么多自由度，因为根据实际情况而言，控制的自由度越多，其各个部分也就越复杂，相应的制造成本也就增加。本设计的机械手，它共有自由度4个。即：手臂前后伸缩、手臂上下伸缩、手臂左右旋转、手腕回转。4.2 夹紧机构机械手手爪是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确可靠的要求。设计制造夹紧机构机械手，首先要从机械手的坐标形式，运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力来计算。则同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力要限制在一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然断电造成被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则结构简单、体积小、重量轻、动作灵活、和工作可靠。夹紧结构形式多样、有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式夹紧装置。机械式夹紧是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的开闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位开关完成回转角度的限位，一般可设置在180度。4.3 躯干躯干有底盘和手臂两部分组成。底盘是支撑机械手的全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转编码盘旋转，机械手每旋转三度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位开关，最大旋转角度可达180度。手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件使它们运动的机构。本设计手臂由横轴和竖轴组成、可完成伸缩、升降的运动。由可编程控制器发出信号控制步进电机运转，同时在两轴的两端分别加限位开关限位。4.4 旋转编码盘机械手底盘和躯干每旋转3度发出一个脉冲，并把信号送回可编程控制器来得到转过的准确的角度。编码盘的机构如图4-1。图4-1 旋转编码盘可以通过改变程序中计数器C0的初值来确定所要转过的角度，这里可以通过用计算机读出指令表，然后修改得到不同的控制角度。综上所述，根据机械手的各部分要求条件可确定本设计机械手控制系统所选器材列表如表4-1。表4-1所选器材列表名称型号或规格数量名称型号或规格数量PLCFX1N-60MR1限位开关LX19-1118电磁阀VF31301转换开关LW6-51按钮LA10-1H13熔断器RC1A-30/152连接导线若干第5章 控制系统设计5.1 控制系统硬件设计机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来，在手动方式时可以通过手动按钮来实现，其控制面板如下图5-1。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到右上角位置待命。当旋钮打向连续时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。图5-1 控制面板示意图5.2 PLC梯形图中的编程元件设计选用FX1N60MR，其输入继电器（X）36点，输出继电器(Y)24点，辅助继电器(M)384点，状态继电器(S)1000点，定时器(T)256点，计数器(C)，数据寄存器(D)等。特殊辅助继电器M8000运行监控（PLC运行时自动接通，停止时断开）；M8002初始脉冲（仅在PLC运行开始时接通一个扫描周期）；M8005PLC后备锂电池电压过低时接通；M801110ms时钟脉冲； M8013100ms时钟脉冲；M80121s时钟脉冲； M80141min时钟脉冲。5.3 PLC的I/O分配根据机械手动作的要求，输入、输出分配如表5-1所示。表5-1 PLC输入/输出分配表输入信号输入信号手动SAX0手顺限位SQ7X24回原位SAX1手逆限位SQ8X25连续SAX2底旋转脉冲X26回原位SB1X3前行SB12X30启动SB2X4后退SB13X31停止SB3X5下降SB4X6上升SB5X7夹紧SB6X10输出信号松开SB7X11上升/下降步进电机YA0Y0手顺转SB8X12YA1Y1手逆转SB9X13YA2Y2底盘顺转SB10X14前进/后退步进电机YA3Y3底盘逆转SB11X15YA4Y4下限位SQ1X16YA5Y5上限位SQ2X17夹紧YA6Y6前限位SQ3X20手顺转YA 7Y7后限位SQ4X21手逆转YA 8Y10底盘顺限位SQ5X22底盘顺转YA 9Y11底盘逆限位SQ6X23底盘逆转YA10Y125.4 机械手控制系统的外部接线图PLC外部电气接线图如下图5-1 图5-1 PLC外部电气接线5.5 控制系统软件设计机械手控制系统软件设计的程序总体结构如图5-2，分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、连续运动程序，因它们的工作顺序相同所以可将它们和编在一起。CJ（FNC00）是条件跳转应用指令，指针标号PX是其操作数。该指令由于某种条件下跳过CJ指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以减少程序执行时间。如果选择“手动”工作方式，即X0为ON，X1为OFF则PLC执行完公用程序后将跳过自动程序到P0处，由于X0动断触点断开所以直接执行“手动程序”。由于P1处的X1的动断触点闭合，所以又跳过回原位程序到P2处。如果选择“回原位”工作方式，同样只执行公用程序和回原位程序，如果选择“连续”方式，则只执行公用程序和自动程序。5.5.1 公用程序公用程序如图5-3，简要说明如下：当Y6复位（电磁阀松开）、后限位X21和上限位X17接通时，辅助继电器M0变为ON，表示机械手在原位。如果开始执行用户程序（M8002为ON）、系统处于手动或回原位状态（X0或X1为ON），那么初始步对应的M10被置位，连续工作方式做好准备。如果M0为OFF，M10被复位，系统不能进入连续工作方式。指令ZRST是成批复位应用指令，以防止系统从自动方式转换手动方式，再返回自动方式时出现两种不同的活动步。图5-2 程序总的结构图 图5-3公用程序梯形图图5-4 自动的功能流程图5.5.2 自动操作程序 自动操作顺序功能流程图见图5-4所示。当机械手处于原位时，按启动X4接通，状态转移到S1，驱动前伸Y3，当到达前限位使行程开关X20接通，状态转移到S2，而S1自动复位。驱动手顺转Y7，X24接通，状态转移到S3，驱动下降Y2，X16接通，状态转移到S4，S4驱动Y6置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S5，驱动Y0上升，当上升到达最高位，X17接通，状态转移到S6。S6驱动Y4后退。移到后限位，状态转移到S7底逆转Y12，状态到S8，X20接通，状态转移到S9下降。下降到最低位，X16接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S11上升。上升到最高位，X25接通，状态转移到S13后退。后退到后限位，使X21接通，状态转移到S14，底盘顺转是X21接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。自动连续程序说明：当系统处于自动连续方式时，X2为ON，它的动合触点闭合，在初始步时按下启动按钮X4，M1得电并保持，就按照图4-5自动功能图进行工作。按下停止按钮X7后，M1变为OFF，系统不会立即停止，而是完成当前的工作周期后，机械手最终停止在原位。根据自动功能流程图的顺序编写的自动程序梯形图为图5-5。 图5-5自动程序段梯形图5.5.3 手动单步操作程序如下图所示。图中上升/下降，左移/右移都有连锁和限位保护。手动程序说明：用对应机械手的上下前后移动和夹紧松开按钮。按下不同的按钮，机械手执行相应的动作。在前后移动的程序中串联上线位置开关的动合触点是为了避免机械手在较低位置移动时碰撞其他工件。为保证系统安全运行，程序之间还进行必要的连锁。图5-6手动程序梯形图5.5.4 回原位程序回原位程序；在系统处于回原位工作状态时，按下回原位按钮（X3），M3变为ON，机械手松开和上升，当升到上限位（X17变为ON），机械手后退，直到后限位（X21为ON）才停止，并且M3复位。图5-7回原位程序梯形图梯形图程序经过检验语法错误以及逻辑上的可靠性后,编译成指令表，以便后传入PLC中。并可以运用软件在线监测PLC的运行情况，同时可以用手持编程器根据现场要求修改程序中的各参数，达到任意位置停止的目的。设计总结通过PLC毕业设计，我们知道：机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。 通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。并从中学到知识，丰富自己的知识层面。致 谢在这三年大学生涯中我学到了许多专业知识，提高了理论与实践相结合的能力，提高了自学能力，这都得感谢老师的细心教导和培养，在此，我向给予我教育和帮助的老师说声谢谢。在校期间所学到的东西应该对我以后工作和生活有很大帮助。经过几个月的努力我终于完成了这篇论文，PLC课程是我们的主要课程，自从接触了这门课程我便对她产生了浓厚的兴趣，所以在做毕业设计时我毅然的选择了PLC设计。本篇论文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人智慧的产品，没有老师的指引和赠予，没有同学和朋友的帮助和支持，我得毕业设计也不会完成。当打完毕业论文的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。回首这几个月来的设计过程，可以说是收获良多，也付出了不少心力。它检验了我对PLC这门课程的掌握程度，通过老师们和同学们的帮助今天我的设计终于完成了。虽然在毕业设计中遇到很多困难，但在做的过程中我真正掌握和领会了各项知识。面对问题仔细揣摩，查阅各方文件资料，也得到老师和同学的帮助。最后感谢培育我三年的母校！参 考 文 献1 吴明亮，蔡夕忠.可编程控制实训教材M.北京：化学工业出版社，2005.82 张桂香.机电类专业毕业设计指南J.北京：机械工业出版社，2005.13 瞿大中. 可编程控制与实验P.华中科技大学出版社,2002.12.4 殷建国.工厂电气控制技术M.北京:经济管理出版社,2006.9.5 齐占庆.机床电气控制技术G.北京:机械工业出版社,2006.16 余雷声. 电器控制与PLC应用M. 北京：机械工业出版社，19967 程周. 可编程控制器技术与应用M. 北京：电子工业出版社，2002.88 郁汉琪，郭健. 可编程序控制器原理及应用M. 北京：中国电力出版社，20049 黄净. 电气及PLC控制技术M. 北京：机械工业出版社：7210 张万忠，孙晋. 可编程控制器入门与应用实例（三菱FX1N系列）M. 北京：中国电力出版社，200511 高钦和. 可编程控制器应用技术与设计实例M. 北京：人民邮电出版社，2004.712 机电一体化技术手册编委会.机电一体化技术手册J.北京：1999.7.第二版 13 梁耀光、余文休.电工新技术教程.北京:中国社会劳动保障出版社.200714 吴晓梅、钟福金.可编程序控制器.南京:东南大学出版社.200515 张凤珊主编.电气控制及可编程控制器.第2版.北京:中国轻工业出版社.200316 常斗南主编.可编程序控制器原理、应用、实验. 北京：机械工业出版社.199717 廖常初主编.PLC基础及应用.第2版.北京: 机械工业出版社.200818 陈建明.电气控制与PLC应用. 北京: 电子工业出版社.2006.820 徐益清.可编程序控制器应用技术.西安: 西安电子科技大学出版社.200920 http:/ (PLC之家)附录（指令表）图5-3公用程序梯形图指令表图5-5自动程序段梯形图指令表图5-6手动程序梯形图指令表图5-7回原位程序梯形图指令表46