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三菱PLC控制的機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì) 所 在 學(xué) 院 專 業(yè) 名 稱 申請學(xué)士學(xué)位所屬學(xué)科 年 級(jí) 學(xué)生姓名、學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師姓名、職稱 完 成 日 期  摘要 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)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(duì)一線工人的操作技能也提出了更高的要求，同時(shí)操作工人的工作安全也受到了相應(yīng)的威脅。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 本課題擬開發(fā)物料搬運(yùn)機(jī)械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，對(duì)機(jī)械手的上下、左右以及抓取運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。該裝置機(jī)械部分有滾珠絲杠、滑軌、機(jī)械抓手等；電氣方面由交流電機(jī)、變頻器、操作臺(tái)等部件組成。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機(jī)械手完成各種動(dòng)作。 關(guān)鍵詞:可編程序控制器PLC、機(jī)械手、步進(jìn)電機(jī) 目 錄 一、機(jī)械手簡介 （一）概述 工業(yè)機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用. 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。 （二）機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示。 圖1-1機(jī)械手的組成方框圖 (一)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。 夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。 而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。 對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置. 工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 手臂可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)如下: 手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡單。 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。 5、行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾滾輪輪式式布行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。 6、機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 (四)位置檢測裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制 系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu) 以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。 二、機(jī)械手的控制方案與選擇 （一）控制要求 如下圖所示為某生產(chǎn)車間中自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手，用于將左工作臺(tái)上的工件搬運(yùn)到右工作臺(tái)上。機(jī)械手的全部動(dòng)作由液壓驅(qū)動(dòng)。液壓泵由電磁閥控制，其上升/下降、左移/右移運(yùn)動(dòng)由雙線圈兩位電磁閥控制，即上升電磁閥得電時(shí)機(jī)械手上升，下降電磁閥得電時(shí)機(jī)械手下降。夾緊/放松運(yùn)動(dòng)由單線圈兩位電磁閥控制，線圈得電時(shí)機(jī)械手夾緊，斷電時(shí)機(jī)械手放松。 圖2-1機(jī)械手的動(dòng)作示意圖 為便于控制系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)，本控制系統(tǒng)應(yīng)有手動(dòng)功能和顯示功能。當(dāng)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“手動(dòng)”位置時(shí)，按下相應(yīng)的手動(dòng)按鈕，就可實(shí)現(xiàn)上升、下降、左移、右移、夾緊、放松的手動(dòng)控制。當(dāng)機(jī)械手處于原位時(shí)，將手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“自動(dòng)”位置時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，手動(dòng)按鈕無效。 （二）機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較 在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中常用的控制系統(tǒng)有：傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)這三種。但從使用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性出發(fā)，本設(shè)計(jì)選用了PLC。因?yàn)閺纳鲜鲈摍C(jī)械手所需完成的控制動(dòng)作分析來看，本機(jī)械手是用于各種傳感器在復(fù)雜的條件下工件的傳輸，主要?jiǎng)幼魇巧仙⑾陆?、左移、右移、夾緊、放松和工序延時(shí)控制等，控制動(dòng)作基本上是以簡單的順序邏輯動(dòng)作為主。是屬典型的繼電邏輯順序動(dòng)作控制系統(tǒng)，這是PLC最擅長的功能，而且PLC具有體積小、重量輕、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、易于維護(hù)等特點(diǎn)，特別是替代繼電器控制系統(tǒng)，這更是它的優(yōu)勢。 三、機(jī)械手系統(tǒng)的工作過程 機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按設(shè)定程序、軌跡和要求代替人手抓、吸、搬運(yùn)工件或工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化裝置。本系統(tǒng)的機(jī)械手部分由底盤、立桿、手臂、手組成。機(jī)械手移動(dòng)到傳送帶B工件處夾緊工件，然后將工件移動(dòng)到指定位置傳送帶A，接著放下工件，最后機(jī)械手回到初始位置（機(jī)械手的立桿最高，手臂最短，手最松）。其中底盤由一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該電機(jī)的順時(shí)針/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)控制底盤的左/右旋轉(zhuǎn)；立桿由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過改變CP脈沖的頻率來改變步進(jìn)電機(jī)的速度，從而改變立桿的上升/下降的速度；手臂由另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過改變CP脈沖的頻率來改變步進(jìn)電機(jī)的速度，從而改變手臂的伸/縮速度；手由一個(gè)直流電機(jī)控制，該電機(jī)的順時(shí)針/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)控制手的抓緊/放松。在機(jī)械手的各個(gè)相應(yīng)位置都有行程開關(guān)用于定位。 傳 手 傳 送 手臂 送 帶 立桿 帶 A B 工 件 底盤 圖3-1 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)圖 SB1 SB3 SB5 SB7 SB9 SB1 SB8 SB6 SB4 SB2 手動(dòng) 單周期自動(dòng) 松X21 伸X17 上升X16 啟動(dòng)X0 電源 10 順時(shí)針X14 縮X20 下降X15 停止X1 急停X2 圖3-2 機(jī)械手操作面板 四、機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想 (一) 機(jī)械手的單個(gè)工作流程 機(jī)械手移動(dòng)到傳送帶B工件處——夾緊工件——將工件移動(dòng)到指定位置傳送帶A——放下工件——機(jī)械手回到初始位置五個(gè)過程完成，機(jī)械手通過PLC來控制，可實(shí)現(xiàn)這五個(gè)過程全自動(dòng)依次運(yùn)行： 1. 械手移動(dòng)到工件B處：機(jī)械手分別通過步進(jìn)電機(jī)及直流電機(jī)來控制，使得機(jī)械手移到工件（傳送帶B）處，移動(dòng)的最大位置通過相應(yīng)的限位開關(guān)來控制； 2. 工件移動(dòng)到指定位置：機(jī)械手分別通過步進(jìn)電機(jī)及直流電機(jī)來控制，使得機(jī)械手移到工件（傳送帶A）處，移動(dòng)的最大位置通過相應(yīng)的限位開關(guān)來控制； 3. 夾放工件：通過夾緊/放下直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)來控制，夾緊工件通過定時(shí)器來控制，即憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)時(shí)間（本系統(tǒng)設(shè)為5S），在這個(gè)時(shí)間內(nèi)機(jī)械手能完全夾緊工件； 4. 放下工件：通過夾緊/放下直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)來控制，通過松限開關(guān)來控制 5. 機(jī)械手回到初始位置：機(jī)械手分別通過步進(jìn)電機(jī)及直流電機(jī)來控制，使得機(jī)械手移到初始位置處，移動(dòng)的最大位置通過相應(yīng)的限位開關(guān)來控制； (二) 機(jī)械手的操作方式 機(jī)械手的操作方式可分為手動(dòng)操作方式和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)操作方式又分為單步、單周期和連續(xù)操作方式。 1. 手動(dòng)：用按鈕操作對(duì)機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制，如：當(dāng)選擇上/下運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手上升，按下停止按鈕，機(jī)械手下降；當(dāng)選擇左/右運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手左移，按下停止按鈕，機(jī)械手右移；當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手夾緊，按下停止按鈕，機(jī)械手放松，該方式用于機(jī)械手系統(tǒng)的“回原位”操作本系統(tǒng)中，可用手動(dòng)方式用于機(jī)械手的初始狀態(tài)定位，用操作面板按鈕的（SB5，SB6，SB7，SB8，SB9，SB10）來點(diǎn)動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的各動(dòng)作； 2. 單步：每按一次起動(dòng)按鈕SB3，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后，自動(dòng)停止； 3. 單周期操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按一下起動(dòng)按鈕SB3，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，返回原位（如果在動(dòng)作過程中，按下停止按鈕SB4，機(jī)械手停在該工序上，再按下起動(dòng)按鈕SB3，則又從該工序繼續(xù)工作，最后停在原位），本系統(tǒng)采用單周期方式進(jìn)行機(jī)械手的工藝過程（機(jī)械手移動(dòng)到傳送帶B工件處——夾緊工件——將工件移動(dòng)到指定位置傳送帶A——放下工件——機(jī)械手回到初始位置）； 4. 連續(xù)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按一下起動(dòng)按鈕SB3，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)，在工作中，若按一下停止按鈕SB4，則機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止 五、機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì) 分析被控對(duì)象工藝過程 提出系統(tǒng)控制要求 確定外部輸入/輸出設(shè)備 選擇PLC 分配I/O點(diǎn) 軟件滿足要求 設(shè)計(jì)梯形圖 編制程序清單 輸入程序并檢查 模擬調(diào)試 滿足要求 聯(lián)機(jī)調(diào)試 硬件滿足要求 設(shè)計(jì)控制臺(tái)（柜）及安裝接線圖 現(xiàn)場施工接線 編制技術(shù)文件 圖5-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) (一) 硬件設(shè)計(jì) PLC系統(tǒng)一般由PLC、輸入輸出設(shè)備、控制柜等設(shè)備組成。在設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮如下原則。 可靠性。可靠性是控制系統(tǒng)的生命，系統(tǒng)不可*，即使功能再完善，經(jīng)濟(jì)性再好也沒有用，可*性不好的設(shè)備是沒有市場的。在設(shè)計(jì)中，盡可能選擇可*的元件和產(chǎn)品，雖然，初始投資可能多一點(diǎn)，但是，考慮到因?yàn)榭?性不好造成的生產(chǎn)和維修費(fèi)用，還是值得的。 b、功能完善。在保證控制功能的基礎(chǔ)上，盡可能地將自檢、報(bào)警等功能納入設(shè)計(jì)方案。 c、經(jīng)濟(jì)性。在保證控制功能和可*性的基礎(chǔ)上，盡可能地降低成本。 d、在保證前三條的基礎(chǔ)之上，考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性和可擴(kuò)展性。 (二) 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)就是編寫滿足生產(chǎn)要求的梯形圖或助記符程序，設(shè)計(jì)時(shí)的原則和要求如下： a、建立PLC輸入和輸出量的接線表和接線圖； b、建立PLC存儲(chǔ)器的分配表； c、推導(dǎo)每一個(gè)輸出、中間量和指令的動(dòng)作和停止條件； d、盡量減少掃描時(shí)間，方法是減少指令和內(nèi)存的使用； e、對(duì)每一個(gè)梯形圖梯級(jí)給予注釋； f、要求邏輯關(guān)系明確，輸出、中間量和指令的名字易懂好記。 修改程序 開始 制定運(yùn)行方案 畫控制流程圖 制定抗干擾措施 編制I/O口分配表 程序元件編號(hào) 編寫程序 程序輸入PLC 測試正常 試運(yùn)行正常 固化程序 結(jié)束 流程正常 方案正確 圖5-2 軟件設(shè)計(jì) 六、機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (一) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖 (二) I/O地址分配 由于該CPU模塊有24點(diǎn)數(shù)字量輸入，24點(diǎn)數(shù)字量輸出，所以不再需要輸入模塊，采用自動(dòng)分配方式，模塊上的輸入端子對(duì)應(yīng)的輸入地址是X000-X027，輸出端子對(duì)應(yīng)的輸出地址是Y000-Y027。 下圖（圖5-5）為PLC的I/O接線圖，選用FX2N-48MT的PLC，系統(tǒng)共有15個(gè)輸入設(shè)備和6個(gè)輸出設(shè)備，分別占用PLC的15個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)，為了保證系統(tǒng)在緊急情況下(包括PLC發(fā)生故障時(shí))能可靠地切斷PLC的負(fù)載電源，設(shè)置了交流繼電器KM。在PLC開始運(yùn)行時(shí)，按下“電源”按鈕SB1，S使KM線圈得電后并自鎖，KM的主觸點(diǎn)接通，給輸出設(shè)備提供電源，出現(xiàn)緊急情況，按下“急停”按鈕SB2，KM觸點(diǎn)斷開。 圖6-2 七 編程軟件 (一) 正常運(yùn)行流程圖 圖7-1 正常運(yùn)行流程圖 (二) 緊急停止流程圖 開始 正常運(yùn)行 按動(dòng)緊急停止按鈕 結(jié)束 圖7-2 緊急停止流程圖 八、機(jī)械手系統(tǒng)資源分配 (一) 數(shù)字量輸入部分 該控制系統(tǒng)的輸入有啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、緊急停止按鈕、上、下、伸、縮、松、底盤右、底盤左、初始限開關(guān)共11個(gè)輸入點(diǎn)，具體的輸入分配如表8-1所示 表8-1 輸入地址分配 輸入地址 對(duì)應(yīng)的外部設(shè)備 X000 啟動(dòng)按鈕 X001 停止按鈕 X002 緊急停止按鈕 X003 初始位置限位開關(guān) X004 目標(biāo)限位開關(guān) X005 桿下限位開關(guān) X006 桿上限位開關(guān) X007 手臂伸限位開關(guān) X0010 手臂縮限位開關(guān) X0011 手松限位開關(guān) X0012 手動(dòng)開關(guān) X0013 單周期自動(dòng) X0014 順時(shí)針轉(zhuǎn) X0015 逆時(shí)針轉(zhuǎn) X0016 桿下降 X0017 桿上升 X0020 手臂伸 X0021 手臂縮 X0022 手松 (二) 數(shù)字量輸出部分 該系統(tǒng)需要控制的外部設(shè)備有前進(jìn)/后退步進(jìn)電機(jī)，上升/下降步進(jìn)電機(jī)，夾緊/放下直流電機(jī)，底盤旋轉(zhuǎn) 直流電機(jī)，其中步進(jìn)電機(jī)可調(diào)速，直流電機(jī)有正/反轉(zhuǎn)狀態(tài)。具體的輸出分配如表二 表 8-2 輸出地址分配 輸出地址 對(duì)應(yīng)的外部狀態(tài) Y000 上升/下降步進(jìn)電機(jī) Y001 伸/縮步進(jìn)電機(jī) Y002 底盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn) Y003 底盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) Y004 夾緊/放松直流電機(jī)（放松） Y005 夾緊/放下直流電機(jī)（夾緊） Y006 立桿步進(jìn)電機(jī)方向控制 Y007 手臂步進(jìn)電機(jī)方向控制 (三) 定時(shí)器部分 該系統(tǒng)夾緊工件時(shí)，需要定時(shí)器來控制夾緊程度，假設(shè)5S機(jī)械手可以夾緊工件，具體的定時(shí)器 分配如表8-3 表8-3 定時(shí)器分配 定時(shí)器 功能 T0 夾緊工件時(shí)定時(shí)5S (四) 繼電器部分 該控制系統(tǒng)的初始位置在程序中用一個(gè)內(nèi)部繼電器來表示，具體的內(nèi)部繼電器分配如表8-4所示 表8-4 內(nèi)部繼電器分配 內(nèi)部繼電器 功能 M0 機(jī)械手的初始位置 九、機(jī)械手系統(tǒng)程序 (一) 初始化 (1) 使系統(tǒng)達(dá)到初始位置 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，可能會(huì)遇到斷電，急停等狀況，從而使系統(tǒng)處于某一種不可知狀 態(tài)，在這種狀態(tài)下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制是很困難的，所以用手動(dòng)方式，使系統(tǒng)進(jìn)行一系 列調(diào)整，從而達(dá)到初始位置，以便于系統(tǒng)的正常控制。 (2) 復(fù)位、清除某些繼電器、數(shù)據(jù)寄存器 在PLC由運(yùn)行狀態(tài)切換到編程狀態(tài)，再切換到運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，某些繼電器、數(shù)據(jù)寄存器會(huì)記憶上 次運(yùn)行時(shí)得到的狀態(tài)或結(jié)果，從而對(duì)本次程序運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。 (3) 賦予系統(tǒng)運(yùn)行的一些基本參數(shù) 在初始化程序段中，經(jīng)常使用的信號(hào)是系統(tǒng)初始化特殊內(nèi)部繼電器R9013，它在PLC的模式下處 于“RUN”的狀態(tài)下，從斷電狀態(tài)到通電狀態(tài)，或者是在通電狀態(tài)下，PLC的模式開關(guān)從“PRO GRAMM”模式轉(zhuǎn)換為“RUN”模式（不論是通過硬件開關(guān)切換還是通過軟件切換）的時(shí)候閉合 一個(gè)掃描周期，然后一直保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。 (二) 直流電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)控制 直流電機(jī)的控制電路較為簡單，一般只要考慮PLC的輸入、輸出的接線就可以了。這樣的電路單 獨(dú)沒有什么意義，但是卻是生產(chǎn)線上不可缺少的部分，一般應(yīng)用電路如下圖 D P L C SB0 X0 Y0 KM SB1 X1 COM COM 24V 12V M + - KM 圖9-1 直流電機(jī)基本應(yīng)用電路 直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制也是生產(chǎn)線上常見的控制要求，實(shí)現(xiàn)起來也是比較簡單的，只是在應(yīng)用中要注意以下一些方面： A.在某些應(yīng)用電路中，是不允許正、反轉(zhuǎn)控制繼電器同時(shí)得電閉合的，在這種控制方式中，單純的依靠軟件戶所來保證正、反轉(zhuǎn)控制繼電器不要同時(shí)得電是不可靠的，這是因?yàn)镻LC執(zhí)行指令的速度很快，而外部的實(shí)際繼電器由線圈得電到觸電閉合，以及由線圈失電到觸點(diǎn)斷開均需要延遲一段時(shí)間。在這種情況下，電路中不僅要有軟件互鎖，而且要由硬件互鎖。具體的如圖所示 圖9-2 直流電機(jī)正/反轉(zhuǎn)硬件互鎖控制電路 B. 在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用H橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制。常用的H橋驅(qū)動(dòng)電路有兩種，如圖所示，各有利弊。 圖9-3 直流電機(jī)的H橋驅(qū)動(dòng)方式 （A）圖所是得電路結(jié)構(gòu)十分簡單，廣泛應(yīng)用于小型低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量直流電動(dòng)機(jī)控制電路中。因?yàn)檫@種電路KM1或KM2單獨(dú)閉合時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)可以正向旋轉(zhuǎn)或者反向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)KM1和KM2均閉合或者均不閉合，這時(shí)候直流電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于電樞短接，可以將直流電動(dòng)機(jī)很快的制動(dòng)停止，此時(shí)制動(dòng)電流與直流電動(dòng)機(jī)的容量以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有直接的關(guān)系，所已不適合大容量的直流電動(dòng)機(jī)和大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的控制應(yīng)用中。 （B）圖所時(shí)的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)來說較為復(fù)雜，這種電路當(dāng)KM1或KM2單獨(dú)閉合時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)也可以正向旋轉(zhuǎn)或者反向旋轉(zhuǎn);當(dāng)KM1和KM2均不閉合時(shí)，這時(shí)候直流電動(dòng)機(jī)，相當(dāng)于電樞串電阻短接制動(dòng)，電阻限定了制動(dòng)電流；當(dāng)KM和KM2銅時(shí)閉合，此時(shí)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的直流電源將會(huì)被短路，因而發(fā)生危險(xiǎn)，所以這種電路時(shí)嚴(yán)禁KM1和KM2同時(shí)閉合的，一定要由硬件連鎖措施。 在直流電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)應(yīng)用中，還應(yīng)當(dāng)注意當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)由一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向變換為另一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的瞬間，此時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的直流電源和直流電動(dòng)機(jī)的電樞反電動(dòng)勢是同鄉(xiāng)串連的，因而此時(shí)直流電動(dòng)機(jī)將承受很大的電樞電流，如果這個(gè)電流比較大,就可能造成直流電動(dòng)機(jī)燒毀，解決的方法是等待直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到一定程度(可以通過時(shí)間延時(shí)來是實(shí)現(xiàn)，也可以通過速度極電起來檢測)后，再改變直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。 (三) 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的控制微電機(jī)，其位移量嚴(yán)格正比于輸入脈沖數(shù)，平均轉(zhuǎn)速正比于輸入脈沖的頻率，同時(shí)，在其工作頻率內(nèi)，可以從一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定轉(zhuǎn)換到一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。它是一種性能很良好的數(shù)字化執(zhí)行元件，在數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)、位控制中，可利用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在開環(huán)控制中，步進(jìn)電機(jī)由一定頻率的脈沖控制，由PLC直接產(chǎn)生脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)，可以有效地簡化系統(tǒng)的硬件電路，進(jìn)一步提高可靠性，由于PLC是以循環(huán)掃描方式工作，其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，因此受到PLC工作方式的限制以及掃描周期的影響，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，而應(yīng)該在低頻下工作，脈沖信號(hào)頻率選為十至幾十HZ左右。 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其控制脈沖的頻率成正比，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在極低頻下運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速必然很低，而為了保證系統(tǒng)的定位精度，脈沖當(dāng)量即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一個(gè)步距角時(shí)，工作臺(tái)移動(dòng)的距離又不能太大，這兩個(gè)因素合在一起，帶來可一個(gè)突出的問題：定位時(shí)間太長，為了保證定位精度，脈沖信號(hào)當(dāng)量不能太大，但卻影響了定位速度，因此要解決好既能提高定位速度，同時(shí)又能保證定位精度的矛盾。 步進(jìn)電機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的連接有很多種，常見的一種時(shí)步進(jìn)電機(jī)和絲杠桿連接，將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成工作臺(tái)面的直線運(yùn)動(dòng) 在這種應(yīng)用中，關(guān)系運(yùn)動(dòng)直接后果的參數(shù)有以下幾個(gè)： N ：PLC發(fā)出的控制脈沖的個(gè)數(shù) ｎ：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)（如果步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有脈沖細(xì)分驅(qū)動(dòng)） 　θ：不僅電機(jī)的布距角，即步進(jìn)電機(jī)每受到一個(gè)脈沖變化，周所轉(zhuǎn)過的角度 ｄ：絲杠的螺紋距，他決定了絲杠每轉(zhuǎn)過一圈，工作臺(tái)面前進(jìn)的距離 根據(jù)以上的參數(shù)，我們可以得到以下的結(jié)果： 　　ＰLC發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)到達(dá)步進(jìn)電機(jī)上，脈沖實(shí)際有效數(shù)應(yīng)為N/n 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一周，需要的脈沖個(gè)數(shù)為360/θ 則PLC發(fā)出N個(gè)脈沖，工作臺(tái)面移動(dòng)的距離為： L=Ndθ/360n PLC要和步進(jìn)電機(jī)配合實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，還要在PLC內(nèi)部進(jìn)行一系列的設(shè)定，或者是編制一定的程序設(shè)計(jì)。不同的PLC類型索要編制的程序不同，控制字也有不同，參考說明書就可以知道這種差異。另外，步進(jìn)電機(jī)控制是要用高速脈沖控制的，所以PLC必須是可以輸出高速脈沖的晶體管輸出形式，不可以使用繼電器輸出形式的PLC來控制步進(jìn)電機(jī)。 圖9-4 不同的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需配合適當(dāng)?shù)腜LC，原則是勢PLC的輸出高速脈沖可以傳輸?shù)讲竭M(jìn)電器驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部。在上圖中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)所采用的是公共陽極，則PLC就應(yīng)當(dāng)采用NPN晶體管輸出類型的，并且連線如圖9-5所示如果步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所采用的輸入信號(hào)采取的是公共陰極，則PLC就應(yīng)當(dāng)采用PNP晶體管輸出類型。 內(nèi) 部 電 路 內(nèi)部電路 圖9-5 九、機(jī)械手系統(tǒng)調(diào)試 (一) 硬件調(diào)試 首先在PLC處于編程狀態(tài)下，檢測各種按鈕、開關(guān)、傳感器，以確認(rèn)這些信號(hào)能夠正確地連 接到了輸入端口,確認(rèn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均可以正常運(yùn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生碰撞、卡死、打滑等現(xiàn)象 (二) 軟件調(diào)試 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，因?yàn)樯婕暗竭\(yùn)動(dòng)控制的內(nèi)容，所以在編程時(shí)，建議將可運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速 度不要設(shè)定得太高.在調(diào)試軟件時(shí)，要充分利用特殊內(nèi)部繼電器和特殊數(shù)據(jù)寄存器，以及各種指令。例如R9010，R9011，CNDE指令，END指令等。調(diào)試程序是可以充分利用這些指令及繼電器，使程序執(zhí)行一段 后停止，觀察上一段程序的執(zhí)行結(jié)果，這樣做近似于計(jì)算機(jī)中的斷點(diǎn)調(diào)試方法。在系統(tǒng)中有很多種功能，要本著先單一，后多種，先簡單，后復(fù)雜的順序來調(diào)試程序。系統(tǒng)中的 功能可以先是實(shí)現(xiàn)一種，然后往上添加。比較復(fù)雜的功能控制，如運(yùn)動(dòng)中變換速度，可以先使系統(tǒng)以 一定速度運(yùn)動(dòng)起來，運(yùn)行過程正確無誤后，再考慮加、減速的問題。  參考文獻(xiàn) [1] 吳勇翀. 淺析基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程. 2014(14) [2] 關(guān)明,周希倫,馬立靜,宋蔚. 基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化. 2012(14) [3] 李景魁. 基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)械. 2012(10) [4] 王月芹. 基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新. 2011(03) [5] 董茂起,于復(fù)生,王雪,孫永亮. 基于S7-200 PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng). 2010(08) [6] 喻偉闖,羅曉曙,陳赤,楊春慧. 基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2009(11) [7] 袁森,肖軍,羅衛(wèi)東. 基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)械. 2009(05) [8] 張應(yīng)金. 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