多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計()

1、摘要： 隨著社會和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式，人類也逐漸無法完成某些生產(chǎn)過程，所以為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具機(jī)械手。與此同時也出現(xiàn)了一些新的生產(chǎn)活動，在這些生產(chǎn)活動中，有些是屬于高危險的，對人體傷害較大，有些領(lǐng)域不適宜人類工作，機(jī)械手則正好適應(yīng)這類工作。在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著

2、焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。機(jī)械手是模仿著人手部的部分動作，按照給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。本文對多關(guān)節(jié)工業(yè)液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究。關(guān)鍵詞 ：三自由度，機(jī)械手，PLC 系統(tǒng)Abstract： Associetyandthedevelopmentofscienceandtechnology，Industrialproductionoperationmodehas alsoundergonearevolutionarychange,frommanualmillof labor,graduallyev

3、olved intoautomaticandintelligentmodeofproductionand humanalsograduallyunabletocompletesomeproductionprocess,soinordertoadapttotheneedsoftheproductionof theappearedspecialproductiontools-manipulator.Meanwhile also appeared a few new production activities in these productionactivities,somearebelongto

4、highrisk,tohumanbody harm is larger,someareasnotsuitable for human work is just, manipulator to meet this kind of work.In today's large-scale manufacturers, enterprises to improve production efficiency andensure product quality, universal attention production process automation degree, industria

5、lrobotsasanimportantmemberofautomaticproductionline,graduallytheenterpriserecognizesandadopted.IndustrialrobottechnologylevelandUSESdegree ina certainextentreflectanation industrialautomationlevel,at present,the industrialrobot mainbearing welding, spraying, handling and stacking repeatability and t

6、he intensity of labor etcgreatly, work normally take the reappearance of the demonstration teaching way.Manipulator is imitatingthe peoplehand movement, accordingto agiven part of theprogram,trackandrequeststorealizetheacquirement,handlingandoperationofautomatic mechanical device. In this paper, thr

7、ee doff industrial hydraulic structure of the manipulator are studied.Keywords: three doff, manipulator, PLC system目錄前言 11 PLC概述 21.1 PLC 的定義 21.2 PLC 的由來及發(fā)展 31.3 PLC 的特點(diǎn)及用途 3具有以下幾個主要特點(diǎn)3可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域41.4 PLC 的主要技術(shù)指標(biāo)52 機(jī)械手簡介 72.1控制系統(tǒng)的功能要求7機(jī)械手結(jié)構(gòu) 73 硬件系統(tǒng)設(shè)計 103.1 PLC 的選型 113.2 PLC 的 I/O 資源配置 113.3其他資源設(shè)置 1

8、44 軟件系統(tǒng)設(shè)計 164.1 總體流程設(shè)計164.2 各個模塊梯形圖設(shè)計17結(jié)束語 31參考文獻(xiàn) 32多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計前言機(jī)械手是一種能模擬人的手臂動作，按照設(shè)定程序、軌跡和要求，代替人手進(jìn)行抓取、搬運(yùn)工件或操持工具的機(jī)電一體化自動裝置。三自由度機(jī)械手又稱 3D 機(jī)械人，能夠?qū)崿F(xiàn)三個自由度方向 ( 水平、垂直和旋轉(zhuǎn) ) 的抓取或放置物品，具有操作范圍大，靈活性好，應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。可編程控制器 (PLC)是一種專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算操作的電子控制裝置。由于其具有可靠性高，功能強(qiáng)，編程簡單，人機(jī)交互界面友好等特性而廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻?/p>

9、位移或線位移的開環(huán)執(zhí)行元件。在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)目。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差而無累計誤差的特點(diǎn)，使其在速度、定位等控制領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛。機(jī)械手按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式和機(jī)械式機(jī)械手。本文設(shè)計的三自由度機(jī)械手屬于混合式機(jī)械手，它綜合了電動式和氣動式機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)，既節(jié)省了行程開關(guān)和 PLC 的 I O 端口，又達(dá)到了簡便操作和精確定位的目的。1PLC 概述1.1 PLC 的定義可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，它具備了模擬量控制、過程控制以及遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能，所

10、以美國電氣制造商協(xié)會將其正式命名為可編程控制器（Programmable Controller）, 簡稱PC。但是個人計算機(jī)（ Personal Computer）也簡稱PC，為了避免混淆，將用于邏輯控制的可編程控制叫做 PLC（Programmable Logic Controller）.PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，它其實(shí)就是一臺計算機(jī)，它采用可以編制程序的存儲器，在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，它以接入式CPU為核心，通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都是很容

11、易與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，容易擴(kuò)展其功能的?？删幊炭刂破魇且环N工業(yè)現(xiàn)場用計算機(jī)。它是為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，工業(yè)環(huán)境一般辦公環(huán)境有較大的區(qū)別。由于PLC 的特殊構(gòu)造，使它能在高粉塵、高噪音、強(qiáng)電磁干擾和溫度變化劇烈的環(huán)境下正常工作。為了能控制機(jī)械或生產(chǎn)過程，它要能很容易的與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，這些都是個人計算機(jī)無法比擬的?？删幊炭刂破魇且环N通用的工業(yè)控制計算機(jī)。它能控制各種類型的工業(yè)設(shè)備及生產(chǎn)過程。它的功能能夠很容易地擴(kuò)展，它的程序是可以根據(jù)控制對象的不同，讓使用者來編制的。也就是說，可編程控制器較其以前的工業(yè)控制計算機(jī)，如單片機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應(yīng)用在各

12、種場合。通過以上定義還可以了解到，相對一般意義上的計算機(jī)，可編程控制器不僅具有計算機(jī)的內(nèi)核，它還配置了許多使其適用于工業(yè)控制的器件。它實(shí)質(zhì)上是經(jīng)過一次開發(fā)的工業(yè)控制計算機(jī)。從另一個方面來說，它是一種通用機(jī)，經(jīng)過二次開發(fā)，它可以在任何具體的工業(yè)設(shè)備上使用。它在很大程度上使的工業(yè)自動化設(shè)計從專業(yè)設(shè)計院走進(jìn)工廠和礦山，變成了普通工程技術(shù)人員甚至普通電氣工人力所能及的工作。再加上體積小、工作可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、控制功能完善，適應(yīng)性強(qiáng)，安裝接線簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)，可編程控制器在短短的 30 年中獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用。1.2 PLC 的由來及發(fā)展1969 年，美國數(shù)字設(shè)

13、備公司（DEC）研制出第一臺可編程序控制器（ Programmable Logic Controller ，簡稱 PLC），在美國通用汽車公司的自動裝配線上使用，取得了巨大的成功。 20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算及處理的計算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。因而人們稱可編程控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控

14、制器進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20 世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，在世界第一臺可編程控制器的誕生地美國， 1982 年的統(tǒng)計數(shù)字顯示，大量應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的 82%，可編程控制器的應(yīng)用數(shù)量已位于眾多的工業(yè)自控設(shè)備之首。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。這個階段的另一個特點(diǎn)是世

15、界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機(jī)及超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元，通訊單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都的到了長足的發(fā)展。1.3 PLC 的特點(diǎn)及用途具有以下幾個主要特點(diǎn)（ 1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控

16、制設(shè)備非常關(guān)鍵的性能。PLC 由于采用大規(guī)模集成電路技術(shù)、嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝，內(nèi)部電路采取了輸入輸出信號的光電隔離、濾波、電源的屏蔽、穩(wěn)壓和保護(hù)、故障診斷等先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，它能在高粉塵、高噪音、強(qiáng)電磁干擾和溫暖變化劇烈的環(huán)境下正常工作。PLC 的平均無故障時間可高達(dá) 510 萬小時以上。從 PLC的機(jī)外電路來說， PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就大大降低。（ 2）功能完善、應(yīng)用領(lǐng)域廣到現(xiàn)在為止PLC 已經(jīng)形成各種規(guī)模、系列化的產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合，并能完成決大多數(shù)的工業(yè)控制任務(wù)。PLC

17、所具有的完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)， PLC 通訊能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變的非常容易。（ 3）編程簡單，易學(xué)易用PLC 采用和繼電器電路圖接近的梯形圖語言，只用少量的開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。在工業(yè)現(xiàn)場，可以使用手持編程器或筆記本對 PLC進(jìn)行編程。當(dāng)PLC聯(lián)網(wǎng)后，可以在網(wǎng)絡(luò)的任一位置對PLC編程。為不熟悉電子電路、不懂計算機(jī)原理和匯編語言的人使用計算機(jī)從事工業(yè)控制提供了方便。（ 4）系統(tǒng)安裝簡單、體積小、價格低PLC 在存儲邏輯代替接線邏輯、采用模塊化的結(jié)構(gòu)，大大地減少了控制設(shè)備外

18、部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建設(shè)的周期大大縮短了?，F(xiàn)代集成電路技術(shù)的廣泛應(yīng)用，功耗僅數(shù)瓦。由于PLC 體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。使得PLC 的重量越來越輕、功耗也越來越少。在集成電路技術(shù)和生產(chǎn)廠家越來越多的情況下，PLC的價格也越來越低。可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域PLC 在鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛，主要可以歸納為以下幾類：（ 1）開關(guān)量的邏輯控制可編程控制器可實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，也可用于單臺設(shè)備的控制，又可用于多機(jī)群控制及自動化流水線。（ 2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化

19、的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog ）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。（3）運(yùn)動控制PLC 可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控制模塊。如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。（ 4）過程控制過程控制是指對連續(xù)變化的量進(jìn)行控制。如對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機(jī)， PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、熱處理、鍋爐控制

20、等場合。1.4 PLC 的主要技術(shù)指標(biāo)PLC的性能指標(biāo)較多，主要介紹與組成PLC控制系統(tǒng)關(guān)系較直接的幾個。（ 1）編程語言及指令功能用戶的 PLC 程序可以用梯形圖語言、指令標(biāo)語言、功能塊圖編寫，梯形圖語言在PLC 中較為常見，梯形圖語言一般在計算機(jī)屏幕上編輯，使用起來簡單方便?，F(xiàn)在功能圖語言的使用有上升趨勢。編程語言中還有一個內(nèi)容是指令功能。衡量指令功能強(qiáng)弱可看兩個方面：一是指令條數(shù)多少；二是指令中有多少綜合性指令。一條綜合性指令一般就能完成一項(xiàng)專門操作。用戶編制的程序完成的控制任務(wù)，取決于 PLC 指令的多少，指令功能越多，編程越簡單和方便，完成一定的控制任務(wù)越容易。（ 2）輸入輸出點(diǎn)數(shù)輸

21、入輸出點(diǎn)數(shù)是 PLC 可以接受的輸入開關(guān)信號和輸出開關(guān)信號的最大數(shù)量，值得注意的是輸入點(diǎn)數(shù)往往的大于輸出點(diǎn)數(shù)的，且二者不能相互替代。（ 3）掃描速度數(shù)掃描速度數(shù)是指 PLC 掃描 1k（ 1k=1024）字用戶程序所需的時間，通常以 ms/k 字為單位，掃描速度越快越好。（ 4）存儲容量存儲容量是存放用戶程序的存儲器的容量。通常用k 來表示。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在編制PLC 程序時，需要用到大量的寄存器來存放變量、中間結(jié)果、保持?jǐn)?shù)據(jù)、定時計數(shù)、模塊設(shè)置和各種標(biāo)志位等信息。這些寄存器的多少，直接關(guān)系到程序的編制，該存儲器的容量越大，就可以編制出更復(fù)雜的程序。（ 5）可擴(kuò)展性在

22、現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中PLC的可擴(kuò)展性也顯的非常重要。主要包括：輸入輸出點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展；存儲容量的擴(kuò)展；聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)展；可擴(kuò)展的模塊數(shù)；另外，可編程序控制器的可靠性、易操作性及經(jīng)濟(jì)性等功能指示也受用戶的關(guān)注。2 機(jī)械手簡介多關(guān)節(jié)機(jī)械手指的是利用關(guān)節(jié)連接兩個相鄰的剛體，即連桿，關(guān)節(jié)提供連桿之間的相對運(yùn)動，在這個機(jī)構(gòu)中，關(guān)節(jié)多是以其中一個特點(diǎn)，正是由于關(guān)節(jié)多，所以它的抓握功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)的夾鉗式等機(jī)械手。它可以完成對不同形狀、不規(guī)則工件的抓握。多關(guān)節(jié)機(jī)械手有多種結(jié)構(gòu)，其中最理想的也是應(yīng)用最多的就是類似于人手的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)能模擬人手抓物體時的情況。與傳統(tǒng)的機(jī)械手相比，多關(guān)節(jié)機(jī)械手具有動作靈活，運(yùn)動慣性小、通

23、用性強(qiáng)、能抓取靠近基座的工件，并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作等優(yōu)點(diǎn)。2.1控制系統(tǒng)的功能要求傳統(tǒng)的機(jī)械手采用繼電氣控制，由于其線路復(fù)雜、維護(hù)困難、可靠性差等缺點(diǎn)，無法滿足機(jī)械手控制的需求。可編程控制器（PLC）的出現(xiàn)使得這類問題得到解決， PLC 控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、可靠性高、編程簡單、功耗低和改造方便的特點(diǎn)，能夠完成動作要求精度高的工作。機(jī)械手結(jié)構(gòu)以軸承裝配為例：軸承裝配是軸承生產(chǎn)過程中的最后且極為重要的環(huán)節(jié)，而軸承壓蓋機(jī)則是裝配先上較為復(fù)雜的部分。本節(jié)講述的是利用機(jī)械手在軸承裝配線上，通過PLC 控制機(jī)械手的動作，完成取軸承、加蓋及轉(zhuǎn)移工件，最后控制壓蓋機(jī)完成壓蓋的整

24、個過程。圖2-1 是某以生產(chǎn)線上機(jī)械手的工作示意圖。圖 2-1機(jī)械手的工作示意圖該機(jī)械手在生產(chǎn)線上的主要任務(wù)是，將軸承從傳送帶1 轉(zhuǎn)移至傳送帶2 上，然后將蓋放置于軸承之上，最后經(jīng)壓蓋機(jī)加工，完成軸承裝配的一部分加工。整個工作過程機(jī)械手包括以下動作：手臂上升手臂下降手爪抓緊手爪放松手臂左旋手臂右旋多關(guān)節(jié)機(jī)械手完成以上動作主要是通過機(jī)械控制來實(shí)現(xiàn)的，即利用PLC 控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動和電磁閥的通斷，電動機(jī)的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動機(jī)械手臂的左右旋轉(zhuǎn)，電磁閥驅(qū)動氣缸的升降控制機(jī)械手臂的上升和下降。多關(guān)節(jié)機(jī)械手的工作過程如圖2-2 所示：啟動手臂上升手臂抓緊手臂下降傳送帶 1手爪抓緊手爪放松傳送帶 2手臂下降手臂右旋

25、手臂上升圖 2-2多關(guān)節(jié)機(jī)械手簡單工作過程示意圖(1)手臂上升：使機(jī)械手相對于工作臺向上移動，提高它的高度，以滿足抓取工件的高度要求。(2) 手臂下降：使機(jī)械手相對于工作臺向下移動，降低它的高度，以滿足放置工件的高度要求。(3) 手爪抓緊：使機(jī)械手抓緊工件，以便完成工件抓起的要求。(4) 手爪放松：使機(jī)械手放松工件，以便完成工件放松的要求。(5) 手臂左旋：使機(jī)械手在不改變高度的情況下，相對于工作臺向左旋轉(zhuǎn)，以便完成工件移動的要求。(6) 手臂右旋：使機(jī)械手在不改變高度的情況下，相對于工作臺向右旋轉(zhuǎn)，以便完成再次抓取工件的要求。由于 PLC 的抗干擾能力強(qiáng)，所以能在惡劣的工作環(huán)境中，可靠地完成

26、控制任務(wù)，為了使設(shè)備便于安裝、調(diào)試，以及從經(jīng)濟(jì)角度考慮，設(shè)計出如圖2-3 所示的機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能框圖。多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械電氣控制柜手圖 2-3多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能框圖3 硬件系統(tǒng)設(shè)計前面介紹了機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本節(jié)主要根據(jù)上節(jié)所述的功能要求配置需要的控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，按照控制系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計出如圖3-1 所示的控制系統(tǒng)的硬件框圖。在此系統(tǒng)中僅靠 PLC 主機(jī)是無法完成控制要求的，因此擴(kuò)展了一個 I/O 和兩個模擬量輸入 / 輸出模塊，以及兩個光電開關(guān)和一個可控電動機(jī)?？刂瓢粹o抓緊電磁閥上升限位開關(guān)上升電磁閥下降限位開關(guān)下降電磁閥左旋限位開關(guān)左旋限位開關(guān)PLC右旋限位開關(guān)右旋限位

27、開關(guān)光電開關(guān)傳送帶 B 電磁閥松開電磁閥傳感器圖 3-1 控制系統(tǒng)的硬件框圖3.1 PLC 的選型根據(jù)系統(tǒng)控制要求并從經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面考慮，選擇西門子S7-200 系列 PLC 作為此機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。在西門子S7-200 系列 PLC 中又有CPU221、 CPU222、 CPU224、 CPU226 等之分。三自由度工業(yè)機(jī)械手PLC 控制系統(tǒng)總共有 15 個數(shù)字量輸入， 8 個數(shù)字量輸出，供需23 點(diǎn) I/O 口，根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)，選用了 CPU224作為主機(jī)。同時擴(kuò)展一個 I/O 模塊，選用 EM223輸入 / 輸出混合擴(kuò)展模塊。 EM223共 6種模塊，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求

28、和資源需求，采用EM223模塊中的 4 點(diǎn)輸入 /4 出輸出模塊。由于需要測量每個手指的壓力值，需要將傳感器的值輸入到PLC 中進(jìn)行判斷，所以擴(kuò)展兩個模擬量模塊，全部選用EM235模塊。模擬量輸入 / 輸出擴(kuò)展模塊 EM235具有 4 路模擬量輸入 /1 路模擬量輸出。EM223和 EM235與 PLC 的連接不需要其他設(shè)置，只需要將排線插到主機(jī)及擴(kuò)展模塊的插槽上。3.2 PLC的 I/O 資源配置根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，對PLC進(jìn)行 I/O 及其他資源的分配，具體分配如下。表 3-1數(shù)字量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備I0.0高速脈沖輸入I1.1自動啟動I0.1急停按鈕I1.2

29、上升限位開關(guān)I0.2手動/自動I1.3下降限位開關(guān)I0.3手臂上升I1.4左旋限位開關(guān)I0.4手臂下降I1.5右旋限位開關(guān)I0.5手臂左旋I2.0傳送帶 1光開關(guān)I0.6手臂右旋I2.1傳送帶 2光開關(guān)I0.7手爪抓緊I2.2傳送帶2 啟動I1.0手爪放松I2.3壓蓋機(jī)啟動表 3-2模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備ATW0傳感器 1ATW0傳感器 4ATW0傳感器 2ATW0傳感器 5ATW0傳感器 3表 3-3數(shù)字量輸出地址分配輸出地址輸出設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備Q0.0高速脈沖輸出Q0.5抓緊電磁閥Q0.1上升電磁閥Q0.6松開電磁閥Q0.2下降電磁閥Q0.7傳送帶 2 繼電

30、器Q0.3左旋電磁閥Q1.0壓蓋機(jī)繼電器Q0.4右旋電磁閥根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，硬件框圖及 I/O 分配情況，三自由度工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng) PLC控制部分的硬件接線如圖 3-2 所示。高速脈沖輸入急停按鈕手動 /自動手臂上升手臂下降手臂右旋手臂左旋手爪抓緊手爪松開自動啟動上升限位開關(guān)下降限位開關(guān)左旋限位開關(guān)右旋限位開關(guān)傳送帶 1光電開關(guān)傳送帶 2 啟動壓蓋機(jī)啟動I0.0I0.1Q0.0Q0.1I0.2I0.3Q0.2I0.4I0.5Q0.3S7-200I0.6CPU224Q0.4I0.7+EM223Q0.5I1.0I1.1Q0.6I1.2Q0.7I1.3I1.4Q1.0I1.5I2.0I2.1I2

31、.2I2.3傳感器 1AIW0傳感器 2AIW2傳感器 3AIW4EM235傳感器 4AIW6傳感器 5AIW8高速脈沖輸出上升電磁閥下降電磁閥左旋電磁閥右旋電磁閥抓緊電磁閥松開電磁閥傳送帶 2 繼電器壓蓋機(jī)電磁閥圖 3-2多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC控制部分硬件連接圖3.3其他資源設(shè)置要完成系統(tǒng)的功能除了 PLC 及其擴(kuò)展模塊之外，還需要各種限位開關(guān)、光電開關(guān)、傳感器及編碼盤等儀器設(shè)備。（1）各種限位開關(guān)在此系統(tǒng)中，共用了 4 個限位開關(guān)：上升限位開關(guān)、下降限位開關(guān)、左旋限位開關(guān)和右旋限位開關(guān)。限位開關(guān)主要是來控制機(jī)械手在運(yùn)動過程中的停止時刻和位置。（2）光電開關(guān)在傳送帶 1 和傳送帶 2 上

32、各有一個光電開關(guān)，此開關(guān)的作用主要是指示工件是否到位。傳送帶 1 上的光電開關(guān)用于檢測工件是否已到機(jī)械手可操作的工位，若到位則傳送帶 1 停止，等待工件被取走；傳送帶 2 上的光電開關(guān)則置于壓蓋機(jī)處，當(dāng)工件到達(dá)壓蓋機(jī)時，傳送帶 2 停止，對工件進(jìn)行壓蓋操作，操作結(jié)束后等待下一個工作。(3) 傳感器在此系統(tǒng)采用的是多關(guān)節(jié)機(jī)械手，由于要適應(yīng)各種形狀的工件，所以要在手指受力的部分安裝壓力傳感器，將壓力值轉(zhuǎn)換為電壓值傳入PLC，然后進(jìn)行判斷，防止抓緊時壓力過大對工件造成損壞。(4) 各種電磁閥此系統(tǒng)中機(jī)械手手臂的上升和下降是用氣缸來實(shí)現(xiàn)的，使用一個氣缸、一個電磁閥就能實(shí)現(xiàn)手臂的上升和下降，相對于利用電

33、機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)升降，氣缸控制簡單方便。多關(guān)節(jié)機(jī)械手手爪的抓緊和松開共用了4 個電磁閥。(5) 各種繼電器此系統(tǒng)中，傳送帶2 并不需要時刻連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)傳送，并且也不可能一直連續(xù)地傳送物品，而是根據(jù)機(jī)械手的當(dāng)前工作情況有控制機(jī)械手的控制系統(tǒng)來控制傳送帶2 的工作與否，該在什么時候啟動傳送帶，該在什么時候停止傳送帶。因此，就必須在傳送帶2 的電動機(jī)部分裝一個可以控制電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和停止的繼電器，再連接到PLC以控制接觸器，最后達(dá)到控制目的。壓蓋機(jī)同樣也不需要時時刻刻工作，因此在壓蓋機(jī)附近放置的光電開關(guān)，可以將工件到位的信號傳至PLC，從而控制傳送帶2 的停止，并且控制壓蓋機(jī)在工件到位的情況下工作。(6)

34、 編碼器在此系統(tǒng)中，需要對機(jī)械手進(jìn)行精確定位，所以在手臂左右轉(zhuǎn)動的時候，要將電動機(jī)反饋的信號同PLC發(fā)出的信號做比較，以檢測是否手臂準(zhǔn)確到位。(7) 各種按鈕急停按鈕采用帶鎖的，常閉觸點(diǎn)，按下后旋轉(zhuǎn)復(fù)位；手動/ 自動按鈕采用旋鈕，一邊常閉，一邊常通；其余按鈕均采用觸點(diǎn)觸發(fā)方式，按下即接通，松開即復(fù)位。4 軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1 總體流程設(shè)計根據(jù)機(jī)械手動作和要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計出如圖4-1 所示的多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖。圖 4-1多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖4.2 各個模塊梯形圖設(shè)計當(dāng)軟件總體流程圖設(shè)計完成后，就需要對各個控制過程進(jìn)行分解細(xì)化，這樣在程序便攜式就會簡潔明了，最后聯(lián)合起來調(diào)試也便于發(fā)現(xiàn)

35、問題。當(dāng)控制過程特別復(fù)雜的時候，采用模塊化設(shè)計，就顯得尤為重要。采用模塊化的設(shè)計，調(diào)試時先調(diào)試摸個模塊的功能，可以及早發(fā)現(xiàn)問題，到最后聯(lián)調(diào)試若出現(xiàn)問題就可以很快找出原因及時解決。程序中用到的元件及設(shè)置如表4-2 所示。表 4-2元件設(shè)置編號意義內(nèi)容備注M0.0急停標(biāo)志on 有效M0.1手動標(biāo)志on 有效M0.2自動標(biāo)志on 有效M1.0機(jī)械手上升標(biāo)志on 有效M1.1手臂左旋標(biāo)志on 有效M1.2機(jī)械手下降標(biāo)志on 有效M1.3手爪抓緊工件標(biāo)志on 有效M1.4機(jī)械手上升標(biāo)志on 有效M1.5手臂右旋標(biāo)志on 有效M1.6機(jī)械手下降標(biāo)志on 有效M1.7手爪松開標(biāo)志on 有效M2.0機(jī)械手上升

36、標(biāo)志on 有效M2.1手爪抓緊工件標(biāo)志on 有效M2.2機(jī)械手下降標(biāo)志on 有效M2.3手爪松開端蓋標(biāo)志on 有效M2.4傳送帶 2 啟動標(biāo)志on 有效M2.5壓蓋機(jī)啟動標(biāo)志on 有效T37一個循環(huán)結(jié)束后等待的時間101sVW01#傳感器值存儲單元VW22#傳感器置存儲單元VW43#傳感器置存儲單元VW64#傳感器置存儲單元VW85#傳感器置存儲單元VW10抓取工件的標(biāo)志壓力值存儲單元VW20抓取蓋端的標(biāo)準(zhǔn)壓力值由于機(jī)械手的控制過程是按順序執(zhí)行的，所以在程序編寫的時候采用順序控制指令。多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖如圖 4-3 所示。圖 4-3多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖如圖 4-3 所示的是控制系

37、統(tǒng)的主程序，如圖4-3 （ a）所示中主要是對高速計數(shù)器和高速脈沖輸出進(jìn)行初始化。對于高速計數(shù)器，選用高速計數(shù)器HSC0，工作方式為模式0，輸入口為I0.0 。設(shè)置 HSC0的功能為：復(fù)位與啟動輸入信號都是高電位有效、 4 倍計數(shù)頻率、計數(shù)方向?yàn)樵鲇嫈?shù)、預(yù)設(shè)脈沖為10000 個、允許更新雙子和執(zhí)行HSC指令。對于高速脈沖輸出控制，設(shè)置為脈沖輸出方式，輸出口為Q0.0。脈沖的輸出設(shè)置為多段管線輸出，本例中采用 3 段輸出，寫控制字到特定存儲器中，完成設(shè)置的功能為：時間基準(zhǔn)為 s 級、不允許更新周期和脈沖數(shù)。由于是多段輸出，所以還需要簡歷包絡(luò)表，對 3 段脈沖周期、數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖如圖 4-4 所示。圖 4-4多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖手臂的左右旋轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制是為了提高定位的精度，所以需要用到高速計數(shù)器和高速脈沖輸出，對發(fā)出的脈沖數(shù)和接收到的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，如果相等，則定位準(zhǔn)確，如果兩者有偏差，則補(bǔ)發(fā)脈沖，最后達(dá)到設(shè)定的位置上。如圖 4-4 表示的是對步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出控制，本例采用3 段脈沖輸出，由于步進(jìn)電機(jī)本身的特性，啟動頻率不宜太高，所以在啟動階段輸出的脈沖周期為500ms，且周期逐步減少，緩慢提高其輸出脈沖頻率；在第二