基于PLC的機(jī)械臂控制電路設(shè)計(jì)

頁共35頁1前言1.1研究的目的和意義1.1.1傳統(tǒng)機(jī)械手伴隨著工業(yè)自動化發(fā)展的腳步，機(jī)械手憑借其定位精度高、工作性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)靈活多樣、可精確復(fù)現(xiàn)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輕、重工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、科研等高新技術(shù)領(lǐng)域。它的運(yùn)用標(biāo)志著制造業(yè)向自動化、無人化、節(jié)拍化、智能化的邁進(jìn)。就傳統(tǒng)繼電控制的機(jī)械手而言，因其控制裝置落后、接線復(fù)雜、易受干擾、可靠性差、維修困難等劣勢，逐步退出了歷史舞臺。1.1.2現(xiàn)代機(jī)械手可編程控制器因其諸多特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械手控制系統(tǒng)中?？删幊炭刂破骱喎QPLC（ProgrammablelogicController）,是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。其特點(diǎn)特點(diǎn)如下：1、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。就PLC的機(jī)外電路來說，使用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，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。2、配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展至今，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(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)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加之PLC通信能力的增強(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)變得非常容易。易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(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。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。4．系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。5．體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于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。配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)。1.2研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.1國內(nèi)外現(xiàn)狀1．應(yīng)用廣泛性。機(jī)械手作為一種按人類意識進(jìn)行簡單替代人手操作的工具，被廣泛應(yīng)用于輕、重工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、科研等高新技術(shù)領(lǐng)域，從事目標(biāo)搬移（如：搬移機(jī)械手、選擇夾持機(jī)械手、運(yùn)輸機(jī)械手、挖掘機(jī)等）、精確定位（醫(yī)療機(jī)械手輔助手術(shù)、電子元器件機(jī)插設(shè)備、打印設(shè)備、數(shù)控加工中心等）、模擬（殘疾人假肢）等工作。2．結(jié)構(gòu)多樣性。機(jī)械手因其模擬人類手部的工作模式而命名，并非其形狀像手。在應(yīng)用的各領(lǐng)域、各工作層面中，機(jī)械手的形狀各異，不受到任何標(biāo)準(zhǔn)形狀的制約，實(shí)用、抽象的結(jié)構(gòu)體，發(fā)揮著其獨(dú)有的高效作用。3．智能性。借助傳感器反饋系統(tǒng)，將機(jī)械手工作時(shí)的動態(tài)信息，及時(shí)的反饋回中央處理單元，進(jìn)行動作的實(shí)時(shí)控制。即使被操作目標(biāo)的表面形狀和位置存在差異，機(jī)械手都能借助檢測反饋信息，自動的判斷夾持位置（定位位置），智能的把目標(biāo)送入下一工作環(huán)節(jié)。生產(chǎn)車間中，運(yùn)用該機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)，構(gòu)建無人車間。1.2.2發(fā)展趨勢1．各種多用途機(jī)械手。適用于抓取各種物件，適合于各種不同用途，具有各種新功能。如汽車工業(yè)中的上下料、裝配、噴涂以及各種功能的實(shí)現(xiàn)。2．具有熟練技術(shù)工人的機(jī)能。如開發(fā)雙臂多關(guān)節(jié)機(jī)械手，像熟練技術(shù)工人那樣進(jìn)行各種裝配、檢修、焊接、噴涂等工作，能搬運(yùn)液晶玻璃、半導(dǎo)體器件，并能和計(jì)算機(jī)連接，通過仿真軟件進(jìn)行各種熟練技術(shù)工人的工作。完美的人機(jī)界面，完備的通信功能更好適應(yīng)各種工業(yè)的控制場合。3．實(shí)現(xiàn)智能化，能進(jìn)行多品種少數(shù)量的柔性生產(chǎn)，組成各種形式的制造系統(tǒng)。開發(fā)各種帶視覺、聽覺、觸覺的新型傳感器，能夠分析、判斷、遙控的智能化機(jī)器手，為未來低成本、高精度、高效率、高自動化的制造系統(tǒng)做準(zhǔn)備。4．提高機(jī)器手工作定位精度。通過安裝視覺傳感器，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)等措施，使械手運(yùn)動環(huán)節(jié)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置反饋，提高機(jī)械手工作定位精度。2方案設(shè)計(jì)2.1機(jī)械手的工藝流程和實(shí)現(xiàn)功能2.1.1機(jī)械手工藝流程本設(shè)計(jì)要求在流水線上的物料臺之間設(shè)置一個(gè)機(jī)械手,用以完成工件在2個(gè)工位之間的空間位置轉(zhuǎn)換。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求,機(jī)械手能夠以手動和自動兩種方式完成工件的搬移工作。對于手動控制方式,按照點(diǎn)動的方式進(jìn)行,手動控制按鈕有"手動右移"、"手動左移"、手動前進(jìn)"、"手動后退"、"手動上升"、"手動下降"、"手動吸附"和"手動松開",按下相應(yīng)的按鈕,機(jī)械手分別執(zhí)行機(jī)械手臂X軸右移、X軸左移、Y軸前進(jìn)、Y軸后退、Z軸上升、Z軸下降、機(jī)械手抓取、機(jī)械手放開。另外還有"自動/手動"按鈕,用以選擇系統(tǒng)的控制方式,按下時(shí)為自動控制方式,未按下時(shí)為手動控制方式。對于自動控制方式,按照時(shí)間推移具體動作順序如下:(1) 等待接收工作方式信號;(2) 橫軸移動至XI,軸移動至Yl,啟動夾緊2秒等待;(3) 機(jī)械手從流水線將工件取下;(4) 縱軸左旋至Zl,豎軸下將移動至Y2；(5)松開工件,機(jī)械手將工件放置另一工位上2秒等待；(6) 豎軸上升,橫軸后退到X2，縱軸右旋到Z2，回原點(diǎn);上述1-6為一個(gè)動作循環(huán)2.1.2機(jī)械手實(shí)現(xiàn)功能基于上述的控制要求,本機(jī)械手控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下述功能:機(jī)械手按手動和自動兩種方式動作:設(shè)計(jì)要求機(jī)械手可以通過手動和自動兩種方式實(shí)現(xiàn)控制功能,在手動方式下,用點(diǎn)動的方式進(jìn)行機(jī)械手的移動控制,對應(yīng)的控制按鈕在控制面板之上;在自動方式下,機(jī)械手根據(jù)編制的自動控制程序?qū)崿F(xiàn)自動運(yùn)行,完成工件的抓取、放下過程。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖圖2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2.3各模塊概述2.3.1控制器運(yùn)動控制器是運(yùn)動控制系統(tǒng)的核心,其在系統(tǒng)控制中的任務(wù)是產(chǎn)生控制命令和使系統(tǒng)輸出信號跟隨參考位置。本設(shè)計(jì)采用的控制器是三菱公司的FX2N-64MT型PLC。PLC是以微處理器為核心的工業(yè)自動化控制裝置,具有可靠性高、運(yùn)算速度快、存儲量大、功能強(qiáng)勁、易于和計(jì)算機(jī)相連接等特點(diǎn),被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱之一,現(xiàn)已在工業(yè)控制領(lǐng)域得到極廣泛應(yīng)用。PLC具有很高的可靠性,這歸功與其采用的電路設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)制造工藝;PLC還能夠自我檢測系統(tǒng)的硬件故障;在軟件設(shè)計(jì)中,可以編寫相關(guān)的程序進(jìn)行故障診斷,在硬件和軟件兩個(gè)方面保證了PLC的高可靠性?，F(xiàn)代PLC在數(shù)據(jù)計(jì)算能力方面比之前大大提高,能控制的系統(tǒng)也越來越復(fù)雜;PLC將控制系統(tǒng)的外部接線用程序的方式表達(dá)出來,使得系統(tǒng)的硬件維護(hù)工作量減少很多,更重要的是若需要改變某一工藝流程,只需改變內(nèi)部的控制程序即可實(shí)現(xiàn)。2.3.2驅(qū)動模塊驅(qū)動模塊是指驅(qū)動器及相關(guān)組件。驅(qū)動器是將運(yùn)動控制器輸出的小信號放大以驅(qū)動伺服機(jī)構(gòu)的部件,對于不同的伺服機(jī)構(gòu),驅(qū)動器有電動、液動和氣動等類型P4l。PLC運(yùn)動控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器,通常驅(qū)動器為、伺服電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)環(huán)形驅(qū)動器等。本設(shè)計(jì)采用變頻器為驅(qū)動器交流異步電機(jī)驅(qū)動器釆用全數(shù)字化結(jié)構(gòu),采用脈沖編碼器倍增功能,采用新的算法使整定的時(shí)間得以縮短;驅(qū)動裝置硬件結(jié)構(gòu)簡單,參數(shù)調(diào)整方便,輸出一致性、可靠性增加。同時(shí),驅(qū)動裝置可以集成復(fù)雜的電機(jī)控制算法和只能控制功能,如增益自動調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)通信等功能,很大程度提高了交流伺服系統(tǒng)的適應(yīng)范圍2.3.3執(zhí)行模塊執(zhí)行模塊的主要功能是驅(qū)動被控對象,本系統(tǒng)的執(zhí)行模塊包括交流異步電機(jī)和液壓站。交流伺服電機(jī)包括永磁同步電機(jī)和感應(yīng)式異步電機(jī),交流伺服電機(jī)具有加減速時(shí)間短、精度高、反應(yīng)速度快、過載能力強(qiáng)、可靠性高、效率高、外形尺寸小和質(zhì)量輕等特點(diǎn)。采用交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件,將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成為軸的角位移或角速度的變化,輸入的電壓信號稱為控制信號,改變其值可以改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量與直流電機(jī)相比值很小,并且具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能。另外,在同樣的體積下,交流伺服電機(jī)的輸出功率比直流電機(jī)提高10%-70%[24-25]。氣壓傳動將壓縮氣體經(jīng)由管道和控制闊輸送給氣動執(zhí)行元件,將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而做功。執(zhí)行模塊是運(yùn)動控制系統(tǒng)的重要組成部分。執(zhí)行部件和被控對象相聯(lián)系的動力學(xué)特性對于系統(tǒng)的性能影響很大,也在很大程度上決定了被控對象是否能夠達(dá)到預(yù)期的控制要求,所以,執(zhí)行模塊是系統(tǒng)性能的展現(xiàn)方式。3硬件設(shè)計(jì)3.1機(jī)械手夾持結(jié)構(gòu)3.1.1夾緊機(jī)構(gòu)——手爪機(jī)械手手爪是用來抓取工件的部件。其構(gòu)造模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得較多?？筛鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作。手爪抓取工件時(shí)應(yīng)具有迅速性、靈活性、準(zhǔn)確性和可靠性。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)需要對機(jī)械手的運(yùn)行速度、加速度、夾持物體重量、慣性和沖擊力、開口尺寸進(jìn)行校核，且能夠自鎖，防止斷電或設(shè)備故障造成被抓物掉落。3.1.2結(jié)構(gòu)假定被夾持工件為有凹槽回轉(zhuǎn)體，且自重不超過機(jī)械手允許安全負(fù)載，作以下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)此方案未進(jìn)行具體參數(shù)校核，結(jié)構(gòu)僅適用于部分工作環(huán)境。。此方案未進(jìn)行具體參數(shù)校核，結(jié)構(gòu)僅適用于部分工作環(huán)境。圖3.1機(jī)械手手爪示意圖1.手爪2.轉(zhuǎn)軸3.壓縮彈簧4.電磁鐵心5.電磁線圈6.螺母7.機(jī)械手手爪殼體8.定位銷9.限位螺釘10.橡膠防滑墊工作理論：杠桿原理、胡克定律及安培定律。工作方式：機(jī)械手的夾緊與放松由電磁線圈控制。若線圈得電，手臂端產(chǎn)生磁力矩，當(dāng)磁力矩大于彈簧被壓縮所產(chǎn)生的力矩時(shí)，手臂吸合，手爪張開；若線圈失電，手臂端無磁力矩，機(jī)械手手爪將在彈簧預(yù)壓縮力所產(chǎn)生的力矩作用下，保持夾緊狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自鎖功能，避免因偶然斷電導(dǎo)致被抓物掉落。特點(diǎn)：最小夾持半徑可調(diào)，設(shè)定夾持點(diǎn)半徑，可減小夾緊力對夾持物表面的破壞。由于夾緊的為鋼性工件，為了提高安全性能，防止損壞工件，我們可以在夾緊部分加上一層橡膠，這樣可以通過增大工件和手指之間的摩擦系數(shù)來增加安全性．通過橡膠的彈性變形來緩沖對工件的沖擊，可以減輕乃至消除對工件的損壞。3.2機(jī)械手軀干3.2.1組成機(jī)械手軀干包括立柱、機(jī)座、手臂及手手指四部分。立柱是支撐手臂帶動它升降、擺動和移動的機(jī)構(gòu)，立柱與機(jī)座相聯(lián)可固定在地面上、機(jī)床設(shè)備上、或者懸掛在橫梁上，可固定在行走機(jī)座上。本設(shè)計(jì)中機(jī)座為落地固定式機(jī)座。機(jī)座是支撐機(jī)械手全部重量的構(gòu)建，對其結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積小、操作方便和造型美觀。手臂是機(jī)械手的主要部分，它支持手腕、手指和工件使他們運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。手臂應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕、靈活、位置精度高、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。主要結(jié)構(gòu)有伸縮式和關(guān)節(jié)式，本文優(yōu)選伸縮式。3.2.2傳動定位機(jī)構(gòu)手臂直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu)手臂直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置組成。文中選用步進(jìn)電機(jī)作為動力，故選用絲杠螺母機(jī)構(gòu)或齒輪齒條機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)就兩者作以下分析：絲杠螺母機(jī)構(gòu)：位移較準(zhǔn)確、降速比大，運(yùn)平穩(wěn)、無噪音、易自鎖，但高精度的絲杠制造比較困難，傳動效率低。矩形、梯形螺紋結(jié)構(gòu)，因傳動力大，應(yīng)用廣泛。滾珠絲桿效率高，但成本高。齒輪齒條機(jī)構(gòu)：傳動效率高，速度快、無自鎖。一般用于機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)，不作為定位機(jī)構(gòu)。為滿足自鎖要求，優(yōu)先選用絲杠螺母機(jī)構(gòu)。手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于采用交流異步電機(jī)作為驅(qū)動元件，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對簡單，成本相對較低?？芍苯硬捎谬X輪減速以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)。圖3.2機(jī)械手機(jī)構(gòu)圖3.3傳動系統(tǒng)3.3.1傳動方式電氣傳動使利用電動機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以獲得機(jī)械手的各種運(yùn)動。采用交流異步電機(jī)驅(qū)動，機(jī)械手的位移和運(yùn)動速度，可由電控系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號數(shù)量及脈沖信號頻率來控制。步進(jìn)電機(jī)能夠達(dá)到比較高的重復(fù)定位精度。3.3.2交流異步電機(jī)調(diào)速原理實(shí)際的生產(chǎn)過程離不開電力傳動。生產(chǎn)機(jī)械通過電動機(jī)的拖動來進(jìn)行預(yù)定的生產(chǎn)方式。直流電動機(jī)可方便地進(jìn)行調(diào)速,但直流電動機(jī)體積大、造價(jià)高,并且無節(jié)能效果。而交流體積小、價(jià)格低廉、運(yùn)行性能優(yōu)良、重量輕,因此對交流電動機(jī)的調(diào)速具有重大的實(shí)用性。使用調(diào)速技術(shù)后,生產(chǎn)機(jī)械的控制精度可大為提高,并能夠較大幅度地提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,而且可對諸多生產(chǎn)過程實(shí)施自動控制。通過大量的理論研究和實(shí)驗(yàn),人們逐漸認(rèn)識到:對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制,不僅能使電力拖動系統(tǒng)具有非常優(yōu)秀的控制性能,而且在許多場合中,還具有非常顯著的節(jié)能效果。鑒于多種調(diào)速方式中,交流變頻調(diào)速具有系統(tǒng)體積小,重量輕、控制精度高、保護(hù)功能完善、工作安全可靠、操作過程簡單,通用性強(qiáng),使傳動控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能,同時(shí)節(jié)能效果明顯,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益顯著。尤其當(dāng)與計(jì)算機(jī)通信相配合時(shí),使得變頻控制更加安全可靠,易于操作(由于計(jì)算機(jī)控制程序具有良好的人機(jī)交互功能),變頻技術(shù)必將在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮巨大的作用,讓工業(yè)自動化程度得到更大的提高。三相交流電動機(jī)定子繞組中的三相交流電在定子隙圓周上產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場,這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱同步轉(zhuǎn)速,記為n1實(shí)際電動機(jī)轉(zhuǎn)速n要低于同步轉(zhuǎn)速,故一般稱這樣的三相交流電動機(jī)為三相異步電動機(jī)。異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速遵從電機(jī)學(xué)基本關(guān)系n1=60f/p(3-1)式中f———電源交變頻率P———電機(jī)定子磁極對數(shù)電機(jī)學(xué)中還常用轉(zhuǎn)差率s參量,其定義為s=(n1-n)/n1·100%(3-2)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n=(60f/p)(1-s)(3-3)變頻調(diào)速控制方式式(3)可知,異步電動機(jī)變頻調(diào)速的控制方式基本上有以下三種。1)電源頻率低于工頻范圍調(diào)節(jié),電源的工頻頻率在我國為50Hz。電機(jī)定子繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢為E1=4.44f1K1N1Φ(3-4)式中f1———定子繞組中感應(yīng)電動勢的頻率,與電源頻率f相等,HzK1———電機(jī)定子繞組的繞組系數(shù),其值取決于繞組結(jié)構(gòu),K1<1N1———電機(jī)定子繞組每相串聯(lián)的線圈匝數(shù)Φ———電機(jī)每極磁通定子電壓U1與定子繞組感應(yīng)電動勢E1的關(guān)系U1=E1+I1Z1(3-5)式中Z1———定子繞組每組阻抗I1———定子繞組相電流若忽略定子壓降I1Z1則U1≈E1=4.44f1K1N1Φ(3-6)把該式整理成U1=4.44f1K1N1Φ(3-7)K=4.44K1N1(3-8)則Φ=U1/Kf1(3-9)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M與(U1/f1)2成正比,若下調(diào)頻率f1同時(shí)也下調(diào)U1,使(U1/f1)比值保持恒量,則磁通Φ不變,因此轉(zhuǎn)矩也保持常值,此時(shí)電動機(jī)拖動負(fù)載的能力不發(fā)生改變,這種控制方式稱為恒磁通調(diào)壓調(diào)頻調(diào)速,也叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。2)電源頻率高于工頻范圍調(diào)節(jié)由于使頻率f1增加,U1/f1變小,而U1不能高于額定電壓,在該控制方式中,保持U1不變,由于頻率變高,由式(3-9)知道,定子磁通!變小,電磁轉(zhuǎn)矩M也變小,但電源頻率增加,設(shè)電動機(jī)轉(zhuǎn)動角速度w=2πn,電機(jī)的功率是電磁轉(zhuǎn)矩M與角速度ω的乘積P=M·ω(10)調(diào)節(jié)過程中,使頻率f與轉(zhuǎn)矩的變化成一定協(xié)調(diào)關(guān)系,從而保持電機(jī)功率P為恒量,即功率不發(fā)生變化,這種升頻定壓調(diào)速為恒功率調(diào)速。3)轉(zhuǎn)差頻率控制三相異步電動機(jī)中,定子與轉(zhuǎn)子之間的圓周空隙有一旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)速為n1,電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速為n,(n1-n)是轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間的相對切割速度。對頻率、電壓進(jìn)行諧調(diào)控制,使U1/f1不變,此時(shí),磁通!也不變,在Φ不變的條件下,電磁轉(zhuǎn)矩M與(n1-n)2成正比。對頻率f進(jìn)行調(diào)節(jié),即調(diào)節(jié)(n1-n),因此,在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)也實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。隨著變頻調(diào)速異步電動機(jī)在國內(nèi)外市場上日益擴(kuò)大應(yīng)用,自90年代中期以來,我國有眾多電動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)適用于不同應(yīng)用的各種系列變頻調(diào)速三相異步電動機(jī),例如:通用變頻調(diào)速電動機(jī)系列、起重冶金變頻調(diào)速電動機(jī)系列、隔爆變頻調(diào)速電動機(jī)系列、電梯變頻調(diào)速電動機(jī)系列、輥道變頻調(diào)速電動機(jī)系列、牽引變頻調(diào)速電動機(jī)系列等。從目前情況看,這些系列電動機(jī)能基本滿足國內(nèi)市場的需求。據(jù)資料顯示,我國對于變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)的品種不斷擴(kuò)大,產(chǎn)品設(shè)計(jì)也不斷改進(jìn)。為了適應(yīng)不同用途、不同工作條件和使用環(huán)境、不同工況等各種要求,專用系列和改型系列變頻調(diào)速電動機(jī)產(chǎn)品不論現(xiàn)在和將來,都在迅速發(fā)展。變頻器供電電源會在電動機(jī)端子和各相繞組的前幾匝線圈上產(chǎn)生高頻瞬間脈沖峰值電壓,因此,如果不對絕緣系統(tǒng)采用增強(qiáng)措施,將會使繞組在高電壓應(yīng)力作用下過早失效,從而引起絕緣擊穿故障。據(jù)資料報(bào)道,佳木斯電機(jī)股份有限公司已在新一代變頻調(diào)速電動機(jī)上開始采用專用電磁線、槽絕緣、相間絕緣以及浸漬漆等措施。3.4輔助系統(tǒng)3.4.1原點(diǎn)定位及超程保護(hù)為保證機(jī)械手重復(fù)定位精度，對機(jī)械手每工作循環(huán)提出返回原點(diǎn)校零位要求。在初始位置添置限位開關(guān)，當(dāng)觸及時(shí)發(fā)出已達(dá)原點(diǎn)指令，停止運(yùn)動。同時(shí)鎖定繼續(xù)前行運(yùn)動，能且只能反向運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)因故障或暴力操作造成的超程保護(hù)功能。非原點(diǎn)端只作超程保護(hù)不作為定位。圖3.3傳動絲杠示意圖3.4.2操作臺操作面板以貼近人們?nèi)粘９ぷ髁?xí)慣、符合人體工程學(xué)、方便工作人員直觀操作、反應(yīng)自動工作狀態(tài)為原則，與后文I/O采用方案相匹配，進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖所示。該機(jī)械手工作方式有手動、單步、單周期、連續(xù)工作（自動）四種形式。具有原點(diǎn)、路徑關(guān)鍵點(diǎn)，報(bào)警指示、工作狀態(tài)指示等功能。下面就操作面板說明如下：設(shè)備原點(diǎn)：機(jī)械手的機(jī)械設(shè)備原點(diǎn)。任何停止?fàn)顟B(tài)，旋轉(zhuǎn)選擇旋鈕到原點(diǎn)，啟動回原點(diǎn)按鈕，機(jī)械手回到原點(diǎn)。手動方式：各自的按鈕使各個(gè)負(fù)載單獨(dú)接通或斷開。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)按操作者的指令進(jìn)行動作。同時(shí)也負(fù)責(zé)起自動工作方式中每一工步的目的點(diǎn)的記錄保存工作。單步：旋鈕選擇單步工作，按動一次啟動按鈕，前進(jìn)一個(gè)工步。單周期：旋鈕選擇單周期工作，按動一次啟動按鈕，運(yùn)行一個(gè)周期。連續(xù)工作（自動狀態(tài)）：在用戶原點(diǎn)，旋鈕選擇自動，按動啟動按鈕連續(xù)反復(fù)運(yùn)行，途中按動停止按鈕，運(yùn)行到原點(diǎn)后停止。LED指示燈：狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。電源和急停按鈕與PLC工作無關(guān)。該按鈕使用來接通或斷開PLC外部負(fù)載的電源。圖3.4操作面板示意圖3.5PLC選擇及I/O口分配3.5.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則1.滿足被控對象的控制要求考慮將來發(fā)展的需要，PLC選用功能較強(qiáng)的新產(chǎn)品，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?.系統(tǒng)安全、可靠。3.盡可能簡單、經(jīng)濟(jì)、使用與維修方便。4.具有高的性能價(jià)格比。3.5.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1.分析被控對象，提出控制要求。2.確定輸入、輸出設(shè)備。3.確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，選擇PLC機(jī)型。4.分配I/O點(diǎn)數(shù)，繪制PLC控制系統(tǒng)輸入、輸出端子接線圖。5.程序設(shè)計(jì)，繪制工作循環(huán)圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。6.程序調(diào)試。先進(jìn)行模擬調(diào)試，再進(jìn)行現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試；先進(jìn)行局部、分段調(diào)試，再進(jìn)行整體、系統(tǒng)調(diào)試。7.調(diào)試過程結(jié)束，整理技術(shù)資料，投入使用。圖3.5PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟流程圖3.5.3CPU的速度CPU的運(yùn)行速度是指執(zhí)行每一步用戶程序的時(shí)間。對于以開關(guān)量為主的控制系統(tǒng)，不用考慮掃描速度，一般的PLC機(jī)型都可使用。對于以模擬量為主的控制系統(tǒng)，則需考慮掃描速度，必須選擇合適CPU種類的PLC機(jī)型。3.5.4PLC模塊的選擇遠(yuǎn)程I/O模塊：輸入、輸出裝置比較分散，工作現(xiàn)場遠(yuǎn)離控制站。高速計(jì)數(shù)器模塊：當(dāng)PLC內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率不能滿足要求時(shí)，可選擇使用。定位模塊：在機(jī)械設(shè)備中，保證加工精度進(jìn)行定位。通信聯(lián)網(wǎng)模塊：PLC與PLC之間，或PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信與聯(lián)網(wǎng)。模擬輸入模塊、輸出模塊：把流量、速度、壓力、風(fēng)力、張力等變換成數(shù)字量，及把數(shù)字量變換成模擬量，進(jìn)行輸入、輸出。3.5.5PLC品牌選擇世界上生產(chǎn)PLC的廠商有數(shù)百家，構(gòu)成美國、歐洲和日本三大技術(shù)陣營，其代表機(jī)型有美國羅克韋爾（Rockwell）自動化公司所屬的A-B(Allen-Bradley)公司生產(chǎn)的PLC-5系列PLC、GE-Fanuc公司生產(chǎn)的90TM-30系列和90TM-70系列的PLC，德國西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的S5系列PLC和S7系列PLC，日本三菱公司生產(chǎn)的FX系列、A系列、Q系列PLC、歐姆龍公司生產(chǎn)的CS系列、C200系列、CPM系列PLC。三大技術(shù)陣營的PLC在程序表達(dá)形式、功能及用法上有很大的差異。熟悉西門子S5系列PLC的人都知道，他是采用結(jié)構(gòu)化編程的方法，盡管他也設(shè)有梯形圖、邏輯圖等多種其他編程語言，單少許復(fù)雜一點(diǎn)的問題就必須采用語句表，通過STEP5語言，調(diào)用各種功能來實(shí)現(xiàn)。然而美國A-B公司的PLC-5系列可編程控制器則與西門子S5系列PLC相去甚遠(yuǎn)，A-B的PLC-5根本就沒有語句表，他所有的程序都要依靠梯形圖編制，因而A-B的梯形圖與西門子的梯形圖在形式、功能及用法上相差很大。日本的微型小型PLC產(chǎn)品是非常有特色的，他對梯形圖、語句表并重，而且配置了包括功能指令在內(nèi)的功能很強(qiáng)的指令系統(tǒng)。用戶常常會發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)應(yīng)用問題，選用日本的小型PLC產(chǎn)品就能解決，而用歐美產(chǎn)品常要選用中型乃至大型PLC才行。這主要是歐美小型PLC產(chǎn)品指令系統(tǒng)太弱所制。日本的PLC技術(shù)是由美國引進(jìn)的，因此日本的產(chǎn)品對美國的產(chǎn)品有一定的繼承性。單日本把自己主推產(chǎn)品定位在小型PLC上，因面臨的主要市場在亞洲，因此他對美國的PLC技術(shù)既有繼承，更多的是發(fā)展。在小型PLC方面，他已是青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，日本產(chǎn)品在世界小型PLC市場上占70%的份額。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年引進(jìn)的PLC產(chǎn)品價(jià)值，其中美國產(chǎn)品約占36.3%，歐洲產(chǎn)品約占45.5%，日本產(chǎn)品約占18.2%。歐美產(chǎn)品以大中型PLC為主基本上是德國西門子公司與美國A-B公司平分秋色。小型PLC主要是日本產(chǎn)品。在國內(nèi)，日本三菱公司生產(chǎn)的FX系列小型PLC以其良好的性能得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)各大高校、職業(yè)技術(shù)學(xué)校，也為其提供了專業(yè)技術(shù)人才的支持。簡單機(jī)械手運(yùn)動小型PLC足以滿足需求，選用日本三菱公司FX系列作為本文中搬移機(jī)械手的核心控制系統(tǒng)，可以減少企業(yè)對操作人員培訓(xùn)，降低使用成本，減少消費(fèi)者對產(chǎn)品使用的顧慮。3.5.6PLC系列選擇PLC機(jī)型選擇的基本原則是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格比的最優(yōu)化機(jī)型。三菱FX系列PLC包括FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC。各型號的PLC在性能上都有所區(qū)別。1.FX1S系列PLC將優(yōu)良的特點(diǎn)融合進(jìn)一個(gè)很小的控制器中。FX1S適用于最小的封裝，它是希望低成本的用戶在有限的I/0范圍內(nèi)尋求功能強(qiáng)大的控制的首選目標(biāo)。FX1S提供多達(dá)30個(gè)I/O，并且能通過串行通信傳輸數(shù)據(jù)，所以它能用在常用的緊湊型PLC不能應(yīng)用的地方。

FX1S體積雖小，但功能強(qiáng)大：主機(jī)點(diǎn)數(shù)10/14/20/30，分為晶體管輸出/繼電器輸出，交流電源/直流電源。結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高。顯示模塊和擴(kuò)展板使系統(tǒng)升級變得容易。高速運(yùn)算。基本指令是0.55μs/指令~0.7μs/指令；應(yīng)用指令是3.7μs/指令至幾百μs/指令。

2000步存儲容量，是以前的FX0S的2.5倍

。豐富的器件資源。輔助繼電器512點(diǎn)、定時(shí)繼電器64點(diǎn)、計(jì)數(shù)器32點(diǎn)、數(shù)據(jù)寄存器256點(diǎn)。具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。使用標(biāo)準(zhǔn)型號的實(shí)時(shí)時(shí)鐘滿足對時(shí)間的應(yīng)用要求。聯(lián)網(wǎng)能力。串行擴(kuò)展板通過RS-232、RS-422使聯(lián)網(wǎng)更容易。電源適用范圍很寬。世界任何地方的標(biāo)準(zhǔn)電壓都適合，也可以使用直流電源。基于Windows軟件。模擬電位器。密碼保護(hù)。遠(yuǎn)程維護(hù)。脈沖輸出和定位功能。一個(gè)PLC單元中每相能同時(shí)輸出2點(diǎn)100KHz脈沖，PLC配備7條特殊定位指令，包括零返回、絕對位置讀出、絕對或相對地址表達(dá)方式以及特殊脈沖輸出控制。FX1N系列PLC增加了特殊功能模塊或擴(kuò)展板。通信和數(shù)據(jù)鏈接功能選項(xiàng)使得FX1N在體積、通信和特殊功能模塊和能源控制等重要的應(yīng)用方面非常完美。是一種普遍選擇方案。與FX1S相比較，在以下方面得到了很好的提升：更多的控制點(diǎn)數(shù)14點(diǎn)~128點(diǎn)。EEPROM寄存器更大，達(dá)8000步。更為豐富的器件資源。輔助繼電器1536點(diǎn)、定時(shí)器256點(diǎn)、計(jì)數(shù)器235點(diǎn)、數(shù)據(jù)寄存器8000點(diǎn)。增加過程控制。在系統(tǒng)要求精確控制時(shí)適用PID指令。FX2N系列PLC作為FX系列最高級的模塊，他擁有無以匹敵的速度、高級功能、邏輯組件以及定位控制等特點(diǎn)。與前者PLC相比較，在以下方面得到了很好的提升：更多的控制點(diǎn)數(shù)。16點(diǎn)~256點(diǎn)。靈活的配置。具有滿足特殊要求的大量特殊模塊，6個(gè)基本FX2N單元中的每一個(gè)單元可擴(kuò)充到256點(diǎn)的I/O。更高速運(yùn)算。基本指令0.08μs/指令；應(yīng)用指令是1.52μs/指令至幾百μs/指令。寄存器容量擴(kuò)展。更為豐富的器件資源。輔助繼電器3072點(diǎn)、定時(shí)器256點(diǎn)、計(jì)數(shù)器235點(diǎn)、數(shù)據(jù)寄存器8000點(diǎn)。特殊功能模塊。主單元可配置8個(gè)特殊功能模塊。數(shù)學(xué)指令集。使用32位處理器、浮點(diǎn)數(shù)、方根和三角幾何指令滿足數(shù)學(xué)功能。4.位置控制模塊擴(kuò)展位置控制是對工位的控制，可由位置控制模塊實(shí)現(xiàn).PLC系統(tǒng)可作為整個(gè)位置控制系統(tǒng)中的一個(gè)控制環(huán)節(jié)，配上伺服放大器或驅(qū)動放大器，就可以將位置控制功能和邏輯控制、順序控制等一攬子解決。利用PLC模塊實(shí)現(xiàn)位置控制的優(yōu)點(diǎn)：在實(shí)現(xiàn)位置控制的時(shí)候，可充分利用PLC系統(tǒng)的硬件和軟件資源。更便于在柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）或工廠自動化（FA）系統(tǒng)中大量應(yīng)用位置控制。用戶可根據(jù)自身要求靈活配置系統(tǒng)，既降低成本，又能因地制宜。可靠性高，維護(hù)方便。FX-1PG脈沖輸出模塊是一種根據(jù)FROM/TO指令進(jìn)行與FX2、FX2C系列PLC數(shù)據(jù)交換的特殊功能模塊。用一臺FX-1PG獨(dú)立進(jìn)行一軸定位控制，而一臺PLC則最多可連8臺FX-1PG。3.5.7I/O點(diǎn)數(shù)I/O點(diǎn)數(shù)是衡量可編程控制器規(guī)模大小的依據(jù)。確定依據(jù)：將與PLC相連的全部輸入、輸出器件根據(jù)所需的電壓、電流的大小和種類分別統(tǒng)計(jì)，考慮將來發(fā)展的需要再相應(yīng)增加10％～15％的余量。如表3.1所示。表3.1I/O點(diǎn)數(shù)估算統(tǒng)計(jì)序號電氣設(shè)備、元件輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)使用數(shù)量1脈沖信號源0312電磁閘0773指示燈0114按鈕200205限位開關(guān)606合計(jì)輸入點(diǎn)數(shù)26合計(jì)輸出點(diǎn)數(shù)11總點(diǎn)數(shù)37由于總的I/O點(diǎn)數(shù)為37點(diǎn)，而輸入點(diǎn)數(shù)為26點(diǎn)，故此選擇64點(diǎn)數(shù)的PLC,結(jié)合平時(shí)最常用的型號最終選擇三菱FX2N-64MR-D型PLC.3.5.8I/O口分配論證表4.2I/O分配輸入端一覽表輸入功能(設(shè)備)輸入功能(設(shè)備)X000手動X015旋轉(zhuǎn)位移開關(guān)-（右）X001回原點(diǎn)啟動X016旋轉(zhuǎn)高速X002單步進(jìn)運(yùn)動X017旋轉(zhuǎn)中速X003單周期運(yùn)動X020旋轉(zhuǎn)低速X004自動運(yùn)行啟動X021手動上升X005啟動X022手動下降X006停止X023手動前進(jìn)X007回原位X024手動后退X010上限位開關(guān)X025手動左旋X011下限位開關(guān)X026手動右旋X012后限位開關(guān)X027機(jī)械手放松X013前限位開關(guān)X030機(jī)械手夾緊X014旋轉(zhuǎn)位移開關(guān)+（左）X031旋轉(zhuǎn)停止表4.3I/O分配輸出端一覽表輸出功能(設(shè)備)輸出功能(設(shè)備)Y000上升電磁閘Y010高頻輸出Y001下降電磁閘Y011中頻輸出Y002左移電磁閘Y012低頻輸出Y003右移電磁閘Y004左旋電磁閘Y005右旋電磁閘Y006加緊電磁閘Y007原點(diǎn)指示燈4軟件設(shè)計(jì)4.1工作流程圖圖4.1工作流程圖本機(jī)械手采用點(diǎn)位控制，我們可將整個(gè)運(yùn)動看作折線運(yùn)動，每一步動作歸納為參數(shù)不同的點(diǎn)位之間動作。以起點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過脈動計(jì)數(shù)，得到目的點(diǎn)的位置。手動操作機(jī)械手從參考的到達(dá)目的點(diǎn)后，保存目的點(diǎn)的相對特征參數(shù)，并對每一步保存的參數(shù)進(jìn)行列表管理。實(shí)現(xiàn)手動模式下關(guān)鍵點(diǎn)位輸入，自動模式查表“仿形”運(yùn)動。手動設(shè)置好以后就可以按預(yù)先設(shè)置自動運(yùn)行。核心思想：記錄關(guān)鍵點(diǎn)，構(gòu)造工作路徑和狀態(tài)?，F(xiàn)就四工位作以下說明。用戶在手動原點(diǎn)狀態(tài)下，控制機(jī)械手至A點(diǎn)位（到A點(diǎn)的路徑可制定中間點(diǎn)實(shí)現(xiàn)繞行），按下保存，記錄該點(diǎn)重要參數(shù)。之后控制機(jī)械手到B點(diǎn)位夾取工件，同時(shí)記錄機(jī)械手張開位置及夾緊位置，為簡化過程，可在A點(diǎn)設(shè)置機(jī)械手張開，B點(diǎn)設(shè)置夾緊?？刂茩C(jī)械手移動，同前所述記錄關(guān)鍵點(diǎn)位，到D點(diǎn)放下工件。再用同樣的方法到下一工位進(jìn)行操作。4.2程序設(shè)計(jì)4.2.1程序設(shè)計(jì)方法利用基本指令編程方法，根據(jù)系統(tǒng)工藝分析，這里將程序分為公共程序、自動程序、手動程序、和回原位程序4個(gè)部分，其中自動程序包括單步、單周期、連續(xù)工作的程序，這是因?yàn)樗麄兊墓ぷ鞫际前凑胀瑯拥捻樞蜻M(jìn)行，所以將他們和在一起編程更加簡單。4.2.2編程的總體結(jié)構(gòu)程序的總體結(jié)構(gòu)采用了基本指令中的跳轉(zhuǎn)指令CJ，目的是使得自動程序、手動程序和回原位程序不能同時(shí)進(jìn)行。假設(shè)使用“手動”方式，則X000為ON、X001為OFF,此時(shí)PLC執(zhí)行完公共程序后，將跳過自動程序到P0處，由于X000常閉觸點(diǎn)為斷開，固執(zhí)行“手動程序”，執(zhí)行到P1處，由于X001常閉觸點(diǎn)為閉合，所以又跳過回原位程序到P2處：假設(shè)選擇“回原位”方式，則X000為OFF、X001為ON，跳過自動程序和手動程序執(zhí)行回原位程序：假設(shè)選擇“單步”或“單周期”或“連續(xù)”方式，則X000、X001均為OFF，此時(shí)執(zhí)行完自動程序后，跳過手動程序和回原位程序。機(jī)械手系統(tǒng)的PLC梯形圖的總體結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。圖4.2機(jī)械手系統(tǒng)PLC梯形圖的總體結(jié)構(gòu)4.3各部分程序的設(shè)計(jì)4.3.1公共程序公共程序是程序設(shè)計(jì)的第一步其梯形圖如圖3.6所示，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度控制按鈕X016，X017，X020、左限位開關(guān)X012、上限位開關(guān)X010、左旋限位開關(guān)X014的常開觸點(diǎn)和表示機(jī)械手松開的Y006，原點(diǎn)指示燈Y007變?yōu)镺N表示機(jī)械手在原位。圖4.3公共程序的梯形圖公共程序用于自動程序和手動程序相互切換的處理，當(dāng)系統(tǒng)處于手動工作狀態(tài)時(shí)，必須將出初始部以外的各步對應(yīng)的輔助繼電器（M11-M20）復(fù)位，同時(shí)將表示連續(xù)工作狀態(tài)的M1復(fù)位，否則系統(tǒng)從自動工作方式切換到手動工作方式，然后又返回自動工作方式，可能出現(xiàn)兩個(gè)活動步異常那個(gè)情況引起錯(cuò)誤動作。當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)工作狀態(tài)(Y007為ON),在開始執(zhí)行用戶(M8002為ON)，系統(tǒng)處于手動狀態(tài)或回原點(diǎn)狀態(tài)（X000或X001為ON）時(shí)，初始步對應(yīng)的M10將被置位，為進(jìn)入單步、單周期、連續(xù)工作狀態(tài)做好準(zhǔn)備。如果此時(shí)Y007為OFF狀態(tài)，M10將被復(fù)位，初始步為不活動步，系統(tǒng)不能在單步、單周期、連續(xù)工作狀態(tài)下工作。4.3.2手動程序手動程序梯形圖如3.7所示。手動工作時(shí)用X021、X022、X023、X024、X025、X026、X027、X030對應(yīng)的8個(gè)按鈕控制機(jī)械手的上升、下降、前進(jìn)、后退、左旋、右旋、松開、夾緊。為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在手動程序中設(shè)置了一些必要的連鎖，例如上升和下降之間，向前和后退之間的互鎖：上升、下降、前進(jìn)、后退的限位；上升限位開關(guān)X010的常開觸點(diǎn)與左旋右旋的常開觸點(diǎn)串聯(lián)，這樣使得只有機(jī)械手上升到最高點(diǎn)時(shí)才能完成下一步動作，以防機(jī)械手的位置過低與其他物體碰撞。圖4.4手動程序梯形圖4.3.3回原點(diǎn)程序回原點(diǎn)程序工作方式(X001為ON)，按下原點(diǎn)啟動按鈕X007，M3變?yōu)镺N，機(jī)械手松開、上升和右旋每一步都有相應(yīng)的限位開關(guān)控制到位后停止，停止時(shí)并將M3復(fù)位，這時(shí)原點(diǎn)條件滿足，Y005為ON，在公共程序中，初始步M10被置位，為進(jìn)入單周期，連續(xù)和單步工作方式做好準(zhǔn)備。自動回原點(diǎn)程序梯形圖如圖3.8所示。圖4.5回原位程序梯形圖4.3.4自動程序機(jī)械手控制系統(tǒng)的自動工作方式有單步方式、單周期方式、連續(xù)方式3種。自動程序的梯形圖如圖3.9所示，這3種工作方式的詳細(xì)工作過程介紹如下所述。圖4.6自動程序梯形圖系統(tǒng)工作為單步方式時(shí)，在程序的地47處，X002為ON，其常閉觸點(diǎn)斷開，輔助繼電器M2為OFF。此時(shí)X003、X004都為OFF,“單周期”和“連續(xù)”工作方式被禁止。假設(shè)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，M10為ON，當(dāng)按下啟動按鈕X005時(shí)，M2由OFF變?yōu)镺N,使得M11變?yōu)镺N,Y002線圈得電機(jī)械臂開始向前行進(jìn)（程序第124處）。放開啟動按鈕后，M2馬上變?yōu)镺FF。在前進(jìn)過程中，前限位開關(guān)X013線圈得電，此時(shí)其常閉觸點(diǎn)斷開前進(jìn)停止。此時(shí)M11和X013均為ON，其常閉觸點(diǎn)接通，再按下啟動按鈕X005時(shí)，M2又變成了ON，M12得電并自動保持，機(jī)械手進(jìn)入下降狀態(tài)，同時(shí)M11變成了OFF。在完成某一步驟后，必須按一次啟動按鈕才能進(jìn)入下一步。設(shè)置的各個(gè)限位觸點(diǎn)互相限制，當(dāng)完成一個(gè)步驟時(shí)將上一個(gè)動作解除。這樣防止了事故的發(fā)生。系統(tǒng)工作在單周期工作方式時(shí)，此時(shí)X003為ON，X001和X002的常閉觸點(diǎn)閉合，M2為ON，允許轉(zhuǎn)換。在初始步時(shí)按下啟動按鈕X005時(shí)使得M10、X005、M2的常開觸點(diǎn)和X012、X015的常開觸點(diǎn)均閉合，使得M11為ON系統(tǒng)進(jìn)入向前步，當(dāng)系統(tǒng)碰到前限位開關(guān)X013時(shí)M12為ON系統(tǒng)進(jìn)入下降步，。系統(tǒng)將這樣一步一步的往下工作，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行完117處回到最左邊時(shí)，X004為ON，因?yàn)榇藭r(shí)不是連續(xù)工作方式，M1處于OFF狀態(tài)，因此機(jī)械手不會連續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)工作在連續(xù)方式時(shí)，X004為ON，在初始狀態(tài)下按下啟動按鈕X005，M1得電自保持，選擇連續(xù)工作方式，其他工作方式和單周期工作方式相同。按下停止按鈕X006，M1將變?yōu)镺FF，但系統(tǒng)不會立即停止，但完成當(dāng)前的一個(gè)周期后，機(jī)械手最終停在原位。系統(tǒng)工作在連續(xù)、單周期方式時(shí)，X002的常閉觸點(diǎn)接通，使得M2（轉(zhuǎn)換允許）ON，串聯(lián)在各步電路中的M2常開觸點(diǎn)接通，允許某步工作于某步工作間的轉(zhuǎn)換。5系統(tǒng)調(diào)試5.1公共程序調(diào)試圖5.1公共程序調(diào)試結(jié)果圖5.2手動程序調(diào)試圖5.2手動程序調(diào)試結(jié)果圖5.3回原位程序調(diào)試圖5.3回原位程序調(diào)試結(jié)果圖5.4自動程序調(diào)試圖5.4自動程序調(diào)試結(jié)果圖圖5.5自動程序調(diào)試結(jié)果圖6研究總結(jié)6.1成果綜述基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用的很成熟,它是集機(jī)械、液壓、電子、控制等多學(xué)科于一體的控制系統(tǒng)。本文較完整的設(shè)計(jì)了3自由度液壓驅(qū)動機(jī)械手的控制系統(tǒng),具有普遍性和實(shí)用性。在可編程程序控制器(PLC)和控制面板的控制下,實(shí)現(xiàn)把物料從一個(gè)工位傳送到下一個(gè)工位,能夠準(zhǔn)確的定位,可靠的完成各項(xiàng)動作。在工作過程中可以通過控制面板實(shí)時(shí)改變機(jī)械手的工作狀態(tài),及控制機(jī)械手的運(yùn)動速度、位移,這樣就可以方便對機(jī)械手的控制。在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中對機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用有了較全面的認(rèn)識;熟悉了液壓系統(tǒng)在控制方面的運(yùn)用;在了解PLC基本工作原理、熟悉相關(guān)模塊的應(yīng)用的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了以PLC為核心的控制系統(tǒng)。通過編寫換向回路的梯形圖控制程序和觸摸屏程序就可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)運(yùn)動過程的自動控制和信號的自動采集。6.2特色本研究方案到達(dá)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在恒溫環(huán)境、不適合人直接接觸工作的危險(xiǎn)環(huán)境（如：高溫、放射、劇毒、無氧、高空等惡劣環(huán)境）下工作。設(shè)計(jì)設(shè)備以柔性生產(chǎn)為核心，秉承多功能多用途的特點(diǎn)、融入人性化控制的優(yōu)勢，運(yùn)行穩(wěn)定，多重保護(hù)安全可靠。多工作臺間的準(zhǔn)確定位搬移，可擴(kuò)展用于流水線合攏與分發(fā)、產(chǎn)品的定位拿取與堆放、生產(chǎn)原料配發(fā)、裝箱等功能。自動運(yùn)行以手動運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)定的每一點(diǎn)位移量作為運(yùn)動模板，采用模仿的方法，對自動運(yùn)行進(jìn)行嚴(yán)格的控制。此控制方法可以降低對操作者的專業(yè)編程技術(shù)要求，只需手動操作一次，即可對設(shè)備進(jìn)行完整的程序編制。6.3續(xù)改進(jìn)方向設(shè)備采用點(diǎn)位控制，對點(diǎn)位間的路徑未進(jìn)行嚴(yán)格的要求，使得在運(yùn)行過程中有較多的不確定因素，程序未能實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的直線運(yùn)動，可作為下一步的改進(jìn)方向。參考文獻(xiàn)陸祥生,楊秀蓮.機(jī)械手理論及應(yīng)用[M].北京:中國鐵道出版社出版,1985.白傳悅,裝配機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)[J].機(jī)械制造行業(yè)應(yīng)用,2006.5:134~136.李寧,劉啟新.電機(jī)自動控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社出版,2005.齊占慶.機(jī)床電氣控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社出版,2007.王永章?杜君文,程國全.數(shù)控技術(shù)[M].北京:高等教育出版社出版,2001.王兆義.小型可編程控制器實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社出版,2001.程子華.PLC原理與編程實(shí)例分析[M].北京:國防工業(yè)出版社出版,2007.秦曾煌.電工學(xué)電子技術(shù)[M].第六版,北京:高等教育出版社出版,2007.張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2007.[10]白傳悅,裝配機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)[J].機(jī)械制造行業(yè)應(yīng)用,2006.5:134~136[11]三菱微型可編程控制器、、、系列編程手冊，步進(jìn)梯形圖指令，應(yīng)用指令說明書.[12]鐘肇新.《可編程序控制器原理及應(yīng)用》.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002.[13]章文浩.《可編程控制器原理及實(shí)驗(yàn)》.北京：國防工業(yè)出版社，2003.[14]陳宇.段鑫.《可編程控制器基礎(chǔ)及編程技巧》.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002.[15]常曉玲.《電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.[16]李乃夫.《可編程控制器原理、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)》.北京：中國輕工業(yè)出版社，2003.[17]鐘肇新.彭侃.《可編程控制器原理與應(yīng)用》.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004.[18]