【基于PLC的機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4200字（論文）】

、機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能模塊1.1手動(dòng)操作功能模塊基于PLC控制器下實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，按照一般工業(yè)控制裝置采用一套手動(dòng)控制方法，主要用于斷電回位或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行排查分析。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程可用圖1.1表示。當(dāng)需要手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)機(jī)械手將零件夾緊時(shí)，只要按左側(cè)按鈕開(kāi)關(guān)通過(guò)PLC為主體的控制裝置，將編寫(xiě)程序編譯成新代碼輸出給輸出端口送入執(zhí)行裝置中，去驅(qū)動(dòng)電磁線(xiàn)路，從而接入氣路實(shí)現(xiàn)將夾緊缸動(dòng)作實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作。圖1.1手動(dòng)控制示意圖1.2半自動(dòng)化操作的功能模塊控制系統(tǒng)要求機(jī)械手從原點(diǎn)位置按起動(dòng)按鈕時(shí)，依次實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)缸向左擺→水平液壓缸伸出→垂直液壓缸伸出→吸持工件→垂直液壓缸退回→水平液壓缸退回→擺動(dòng)缸右擺→水平液壓缸伸出→垂直液壓缸伸出→放松工件→垂直液壓缸退回→水平液壓缸退回到原位。此過(guò)程要用到單流程結(jié)構(gòu)的順序功能圖來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用可編程控制器編程方法中的順序功能圖表法列出工作順序后將其轉(zhuǎn)化為梯形圖程序，其單序列流程圖如圖1.2所示。圖1.2半自動(dòng)操作流程圖2、機(jī)械手結(jié)構(gòu)硬件分析2.1步進(jìn)電機(jī)原理及介紹步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，同時(shí)通過(guò)改變通電順序，可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。本實(shí)驗(yàn)裝置采用二相四拍混合式步進(jìn)電機(jī)，混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣圖如下圖2.1所示：。每個(gè)定子磁極的內(nèi)表面都分布著多個(gè)小齒，它們大小相同，間距相同。圖2.1步進(jìn)電機(jī)電氣圖本實(shí)驗(yàn)所用兩相步進(jìn)電機(jī)42HS03具體參數(shù)如下表：表2.1蘇州市聯(lián)揚(yáng)機(jī)電有限公司兩相混合式步進(jìn)電機(jī)42HS03外型型號(hào)靜扭矩步距角引數(shù)相電流電阻電感長(zhǎng)度轉(zhuǎn)子慣量重量匹配驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)并聯(lián)4242HS030.341.880.71.44.64.048820.34M415M4202.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本實(shí)驗(yàn)裝置中用到的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為M415B如圖2.2。圖2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖該驅(qū)動(dòng)器適合驅(qū)動(dòng)中小型的任何1.5A相電流以下的兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)。其細(xì)分功能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度提高1-64倍。為了滿(mǎn)足用戶(hù)脈沖頻率不高的情況下實(shí)現(xiàn)低速高細(xì)分，高速時(shí)用低細(xì)分，上位機(jī)先檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器輸出的整步信號(hào)FSTEP，驅(qū)動(dòng)器就以新的細(xì)分?jǐn)?shù)工作。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如下列圖表所示：表2.2電氣規(guī)格說(shuō)明最小值典型值最大值單位供電電壓182440V均值輸出電流0.2111.50A邏輯輸入電流61530mA步進(jìn)脈沖響應(yīng)頻率——100kHz脈沖低電平時(shí)間5—1μs表2.3電流設(shè)定電流值SW1SW2SW30.21AOFFONON0.42AONOFFON0.63AOFFOFFON0.84AONONOFF1.05A0FFONOFF1.26AONOFFOFF1.50AOFFOFFOFF表2.4細(xì)分設(shè)定細(xì)分倍數(shù)步數(shù)/圈（1.8Ｏ整步）SW4SW5SW61200ONONON2400OFFONON4800ONOFFON81600OFFOFFON163200ONONOFF326400OFFONOFF6412800OFFONOFF由外部確定動(dòng)態(tài)改細(xì)分/禁止工作OFFOFFOFF表2.5接線(xiàn)信號(hào)描述信號(hào)功能PUL脈沖信號(hào)：上升沿有效，每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)電機(jī)走一步DIR方向信號(hào)：用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，TTL平驅(qū)動(dòng)OPTO光耦驅(qū)動(dòng)電源ENA使能信號(hào)：禁止或允許驅(qū)動(dòng)器工作，低電平禁止GND直流電源地+V直流電源正極，典型值+24VA+電機(jī)A相A-A-電機(jī)A相B+電機(jī)B相B-電機(jī)B相（5）PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接的工作原理如圖所示：驅(qū)動(dòng)器電源由面板上電源模塊提供，注意正負(fù)極性，驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻（見(jiàn)圖中1.5K電阻）。驅(qū)動(dòng)器輸入端為低電平有效，在使用不同廠(chǎng)家的PLC產(chǎn)品配套此模型使用時(shí)，要選擇相應(yīng)的輸出方式，或者加入合適的電平轉(zhuǎn)換板進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。圖2.3PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接的工作原理2.3傳感器介紹接近開(kāi)關(guān)屬于一種有開(kāi)關(guān)量輸出的位置傳感器根據(jù)工作原理的不同分為電感式和電容式，可根據(jù)客戶(hù)需要制作成耐高溫型接近開(kāi)關(guān)，最高溫度150℃。電感式接近開(kāi)關(guān)(GDKG)屬于一種有開(kāi)關(guān)量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩器、信號(hào)觸發(fā)器和開(kāi)關(guān)放大器組成。這種接近開(kāi)關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是金屬物體。本實(shí)驗(yàn)裝置中的接近開(kāi)關(guān)為電感式的NPN常開(kāi)三線(xiàn)制的：圖2.4傳感器實(shí)物圖接近開(kāi)關(guān)與PLC之間的接線(xiàn)圖如下，當(dāng)傳感器動(dòng)作時(shí)，輸出端對(duì)地接通。PLC內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路，PLC信號(hào)輸入有效。圖2.5接近開(kāi)關(guān)PLC之間的接線(xiàn)圖2.4旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)圖2.6碼盤(pán)產(chǎn)生信號(hào)圖本碼盤(pán)用于采集信號(hào)的器件是一對(duì)發(fā)光管和接收管，每個(gè)管內(nèi)有兩套收發(fā)裝置。上電后，發(fā)光管會(huì)連續(xù)不斷地發(fā)射信號(hào)，但由于圓盤(pán)是打孔的，所以當(dāng)無(wú)孔部分正對(duì)發(fā)光管時(shí)，發(fā)光管發(fā)出的信號(hào)將被阻擋，使接收管接收不到信號(hào)；而當(dāng)圓孔部分正對(duì)發(fā)光管時(shí)，發(fā)光管發(fā)出的信號(hào)將透過(guò)膠片射到接收管上。本裝置中機(jī)械手每旋轉(zhuǎn)3°編碼盤(pán)發(fā)出一個(gè)脈沖，如果要旋轉(zhuǎn)60度需要發(fā)出20個(gè)脈沖。2.5PLC硬件接線(xiàn)2.5.1PLC選擇PLC具有可靠性高、適應(yīng)面廣、控制性強(qiáng)、操作方便、抗干擾能力強(qiáng)、編程方便、對(duì)環(huán)境要求低、與其他裝置配置連接方便等特點(diǎn)。在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中占有極其重要的地位?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)。在國(guó)內(nèi)，西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-300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(zhuān)業(yè)技術(shù)人才的支持。簡(jiǎn)單機(jī)械手運(yùn)動(dòng)小型PLC足以滿(mǎn)足需求，選用西門(mén)子公司S7-300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(duì)操作人員培訓(xùn)，降低使用成本，減少消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品使用的顧慮。2.5.2I/O分配和外部接線(xiàn)圖根據(jù)PLC硬件中I/O點(diǎn)的分配原則，液壓機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中工作模式開(kāi)關(guān)及起停開(kāi)關(guān)5點(diǎn)、液壓爪伸出及旋轉(zhuǎn)的限位開(kāi)關(guān)6點(diǎn)、手動(dòng)按鈕6點(diǎn)及液壓爪夾緊等共20點(diǎn)，控制液壓缸電磁閥線(xiàn)圈8個(gè)及氣源電機(jī)線(xiàn)圈KM共9點(diǎn)，所用PLC的I/O分配如表2.6所示：表2.6I/O分配表X000啟動(dòng)按鈕SB1Y000水平液壓缸伸出(YV1通電)X001水平液壓缸伸出行程限位Y001水平液壓缸縮回(YV2通電)X002水平液壓缸縮回行程限位Y002垂直液壓缸上升(YV3通電)X003垂直液壓缸上升行程限位Y003垂直液壓缸下降(YV4通電)X004垂直液壓缸下降行程限位Y004擺動(dòng)缸擺動(dòng)(YVS通電)X005擺動(dòng)液壓缸擺動(dòng)行程限位Y005擺動(dòng)缸擺回(YV6通電)X006擺動(dòng)液壓缸擺回行程限位Y006液壓爪夾緊(YV7通電)X007液壓爪夾緊壓力繼電器KPY007液壓爪放松(YV8通電)X010SA1-1手動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕Y008氣源空壓機(jī)KMX011SA1-2單周期按鈕依照輸入、輸出分配情況，畫(huà)出I/O硬件接線(xiàn)如圖2.7所示。圖2.7I/O硬件接線(xiàn)3、軟件設(shè)計(jì)分析3.1運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)3.1.1控制系統(tǒng)功能框圖在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，首先控制步進(jìn)電機(jī)使之穩(wěn)步啟動(dòng)，然后高速運(yùn)動(dòng)，接近指定位置時(shí)，減速之后低速運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，再準(zhǔn)確地停在預(yù)定的位置上，最后步進(jìn)電機(jī)停2秒后，按照前進(jìn)時(shí)的加速-高速-減速-低速的步驟返回到起始點(diǎn)，起運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程平穩(wěn)，其功能框圖如圖3.1所示，其簡(jiǎn)單工作過(guò)程如圖3.2所示。圖3.1步進(jìn)電機(jī)控制功能框圖圖3.2步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)單工作過(guò)程通過(guò)數(shù)據(jù)算出：脈沖當(dāng)量為1/40，脈沖頻率上限為3000Hz，最大脈沖個(gè)數(shù)為64000個(gè)。3.1.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計(jì)出如圖3.3所示的控制流程圖，這個(gè)程序分為3個(gè)部分：主程序、子程序和中斷程序。圖3.3步進(jìn)電機(jī)控制流程圖由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率不能太高，所以編程時(shí)采用先低頻啟動(dòng)，然后升頻到高頻快速運(yùn)動(dòng)，到接近停止位置時(shí)，先降頻低速運(yùn)行，到最后預(yù)設(shè)位置停止，其脈沖頻率特性如圖3.4所示。圖3.4驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率特性在主程序中完成的主要功能有：在通電的開(kāi)始，先將輸出口Q0.0初始化置零；設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；調(diào)用子程序完成步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)和返回控制；電機(jī)的啟動(dòng)和停止控制。3.2PLC控制系統(tǒng)梯形圖程序3.2.1初始化及報(bào)警程序圖3.5初始化及報(bào)警梯形圖圖3.5初始化及報(bào)警梯形圖(續(xù))3.2.1手動(dòng)梯形圖程序手動(dòng)程序就是用按鈕單獨(dú)操作實(shí)現(xiàn)位置的移動(dòng)，主要是在調(diào)整安裝機(jī)械手位置時(shí)，需要手動(dòng)操作；當(dāng)機(jī)械手一開(kāi)始未處于原位時(shí)，利用手動(dòng)操作完成回到原始位置。輸入端的工作方式選擇開(kāi)關(guān)選擇SA1-1端點(diǎn)，即選擇手動(dòng)工作方式。對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作程序如圖3.6所示。如需要松開(kāi)機(jī)械手所抓物體合上開(kāi)關(guān)X15即實(shí)現(xiàn)。如需要手動(dòng)操作使回原位，即分別用X23使水平伸縮缸縮回；用X14合上為氣爪缸夾緊。又如X22為ON時(shí)，水平缸水平伸出；X23為ON時(shí)，水平缸則水平縮回。其他操作類(lèi)似。圖3.7液壓機(jī)械手手動(dòng)控制程序3.2.3自動(dòng)梯形圖程序自動(dòng)程序由控制單周期、連續(xù)、和單步的程序組成。結(jié)合控制要求，可繪制圖3.8所示的液壓機(jī)械手自動(dòng)控制的順序功能圖。圖3.8液壓機(jī)械手自動(dòng)控制參考文獻(xiàn)周紅梅,龔民.基于PLC控制的氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技信息.2011(14)王建軍.搬運(yùn)機(jī)械手及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓氣動(dòng)與密封.2010(10)張海英,陳子珍,翟志永.基于PLC的物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師.2010(09)鄒麗娟.淺談紅外光電傳感器的工作原理及應(yīng)用[J].