基于plc的机械手自动化控制系统实现方法研究.pdf

贵州大学本科毕业论文（设计）第I页摘要随着可编程控制器应川技术的不断发展,PLC的应用范围巳益扩大,使得当今工程 技术人员在设计电气控制系统时,考虑选用PLC控制取代接触器控制。本文重点分析 了基于PLC的机械手控制系统的组成,并详细叙述了在以PLC为核心的基础上,对步 进电动机进行综合控制的软、硬件的实现方法。该系统利川步进电动机单位脉冲所具有 的步进距离不变的特点,对其采川开环点位控制。因此可将整个运动视为折线运动,每 个动作可视为运动程序相同、特征参数各异的点位相对运动。其以起点作为参考点,通过脉冲计数得到目的点的位置,手动操作机械手从参考点运动到目的点后,保存目的 点位的特征参数,并统进行列表管理。从而实现手动模式下运用关键点位输入及自动 模式查表方式的“仿形”动作。关键字:可编程控制器,机械手,定位控制篦贵州大学本科毕业论文（设计）第口页AbstractWith the Programmable Logic Controller the continuous development of applied technology,PLC on the application of growing,making todays engineering and technical personnel in the design of electrical control system,consider replacing optional PLC control access control.The paper analyzed the PLC-based control system Manipulator the composition,and described in detail in the PLC as the core on the basis of the Stepping Motor control of the integrated software and hardware of the method.The system used by the Stepping Motor unit pulse of step with the characteristics of the same distance from their point of using open-loop control.So the whole movement could be seen as broken line movement,every action can be considered the same as sports,characteristics of different parameters of the point of relative movement.To its starting point as a reference point,through the pulse by counting purposes at the location,manually operated mechanical hand movement from the point of reference points to the purpose,the purpose of preserving points of the parameters,and a unified list management.To achieve manual mode use of the key points of import and automatic mode look-up table means copying moves.Keyword：Programmable Logic Controller,Manipulator,Positioning Control贵州大学本科毕业论文（设计）第in页目 录第1章前言.11.1 研究的目的和意义.11.1.I 传统机械手.11.1.2 现代机械手.11.2 研究的国内外现状和发展趋势:.21.2.1 国内外现状.21.2.2 发展趋势.31.3 主要研究内容,需要解决的关键问题和思路.31.3.1 概要.31.3.2 硬件选择.31.3.3 控制要求.41.3.4 输入/输出设备.41.3.5 PLC 选择.41.3.6 I/O点数分配.41.3.7 PLC程序设计.41.3.8 研究对象特点.4第2章硬件设计.52.1 机械手夹持结构.52.1.1 夹紧机构手爪.52.1.2 结构.52.2 机械手躯干.62.2.1 组成.62.2.2 传动定位机构.62.3 传动系统.82.3.1 传动方式.82.3.2 步进电机及其驱动器.8贵州大学本科毕业论文（设计）第IV页2.4 辅助系统.162.4.I 原点定位及超程保护.162.4.2 操作台.16第3章软件设计.183.I 工作流程图.183.2 PLC选择及I/O 口分配.183.2.1 PLC控制系统设计的基本原则.183.2.2 PLC控制系统设计步骤.193.2.3 CPU 的速度.193.2.4 PLC模块的选择.203.2.5 PLC品牌选择.203.2.6 PLC系列选择.213.2.7 输出方式.233.2.8 I/O 点数.243.2.9 I/O 口分配原则.243.2.10 I/O 口分配论证.253.3 程序设计.303.3.1 存储区域分配.303.3.2 程序指令.323.3.3 初始化及报警程序.413.3.4 回原点程序.433.3.5 手动程序.453.3.6 自动程序.49第4章后 记.534.1 研究价值.534.2 特色.534.3 续改进方向.53篦贵州大学本科毕业论文（设计）第V页参考文献.54致 谢.55附 录.56文献综述.57贵州大学本科毕业论文（设计）第1页第1章前言1.1 研究的目的和意义1.1.1 传统机械手伴随着工业自动化发展的脚步,机械手凭借其定位精度高、工作性能稳定、结构灵 活多样、可精确复现等特点,被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新 技术领域。它的运川标志着制造业向自动化、无人化、节拍化、智能化的迈进。就传统继电控制的机械手而言,因其控制装置落后、接线复杂、易受干扰、可靠性 差、维修困难等劣势,逐步退出了历史舞台。1.1.2 现代机械手可编程控制器因其诸多特点被广泛应用于现代机械手控制系统中。可编程控制器简称PLC Programmable logic Controller,是指以计算机技术为基础 的新型工业控制装置,是种专门为在工业环境下应川而设计的数字运算操作的电子装 置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻霜运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型 的机械和生产过程。其特点特点如下:1）可靠性高,抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采川现代大规模集成电路技术,严格的生产艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。例如 三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。些使川冗余CPU的 PLC的平均无故障工作时间则更长。就PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系 统和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分 之一,故障也就大大降低。止匕外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及 时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使 系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。2 配套齐全,功能完善,适用性强PLC发展至今,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模 的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,贵州大学本科毕业论文（设计）第2页可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控 制、温度控制、CNC等各种业控制中。加之PLC通信能力的增强及人机界面技术的 发展,使川PLC组成各种控制系统变得非常容易。3 易学易川,深受工程技术人员欢迎PLC作为通川工业控制计算机,是面向工矿企业的控设备。它接口容易,编程语 言易为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接 近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不 熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之 门。4 系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计 及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程 序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5 体积小,重量轻,能耗低以超小型PLC为例,其底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。由于 体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。配套齐全,功能完善,适用性强。1.2 研究的国内外现状和发展趋势1.2.1 国内外现状1 应用广泛性。机械手作为种按人类意识进行简单替代人手操作的工具,被广 泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域,从事目标搬移（如:搬 移机械手、选择夹持机械手、运输机械手、挖掘机等）、精确定位（医疗机械手辅助手 术、电子元器件机插设备、打印设备、数控加工中心等）、模拟（残疾人假肢）等工作。2 结构多样性。机械手因其模拟人类手部的工作模式而命名,并非其形状像手。在应用的各领域、各工作层面中,机械手的形状各异,不受到任何标准形状的制约,实 用、抽象的结构体,发挥着其独有的高效作用。3 智能性。借助传感器反馈系统,将机械手工作时的动态信息,及时的反馈冋中 央处理单元,进行动作的实时控制。即使被操作目标的表面形状和位置存在差异,机械 手都能借助检测反馈信息,自动的判断夹持位置（定位位置）,智能的把目标送入下 贵州大学本科毕业论文（设计）第3页工作环节。生产车间中,运用该机械手,可实现无人化生产,构建无人车间。1.2.2 发展趋势1）各种多川途机械手。适用于抓取各种物件,适合于各种不同用途,具有各种新 功能。如汽车业中的上下料、装配、喷涂以及各种功能的实现。2 具有熟练技术工人的机能。如开发双臂多关节机械手,像熟练技术工人那样进 行各种装配、检修、焊接、喷涂等工作,能搬运液晶玻璃、半导体器件,并能和计算机 连接,通过仿真软件进行各种熟练技术工人的工作。完美的人机界面,完备的通信功能 更好适应各种工业的控制场合。3 实现智能化,能进行多品种少数量的柔性生产,组成各种形式的制造系统。开 发各种带视觉、听觉、触觉的新型传感器,能够分析、判断、遥控的智能化机器手,为 未来低成本、高精度、高效率、高自动化的制造系统做准备。4 提高机器手工作定位精度。通过安装视觉传感器,实时控制系统等措施,使机 械手运动环节能实现实时位置反馈,提高机械手工作定位精度。1.3 主要研究内容,需要解决的关键问题和思路1.3.I概要任务:实现机械手在两个工作台间代替工人进行单调持久地搬移工作。环境:高温和危险的作业区,可变换生产品种的中、小批量柔性自动化生产线。要求:PLC控制,预置工作程序,动作灵活,可根据工件的变化随时更改相关控制 参数。1.3.2 硬件选择1 动力源步进电机及其相应驱动设备。机械手夹持部位采川电磁控制。各元 件应结合现场工作环境进行校核设计,本文中所选设备仅作示范性选择,未进行校核,不适川于具体设备制造,不代表最终机械手硬件。2 传动机构机械手臂采用滚珠丝杠螺母传动。3 减速机构本文不设计减速机构,在实际生产中若动力不足,可另行增加。同时为保证机械手的有足够的定位精度,应保证减速器具有满足使用要求的传动精度。4 超程保护设备运行过程中未能豁免发生控制程序或电路故障,造成在极限 位置仍继续发出前行信号,烧毁步进电机或其驱动设备。结构中在极限位置采用行程开 关进行超程保护,各极限位置保留了一定工作区域,不作为工作行程。贵州大学本科毕业论文（设计）第4页5 操作台布置尽力人性化处理,显示实时工作状态及故障报警。1.3.3 控制要求1 定位精确性步进电机和步进电机驱动器作为动驱动设备,采用开环点位 控制,满足定位要求。2 路径无干扰性无干涉,无安全隐患。可以设定中间点位避让绕行。3 故障报警系统具有故障位指示功能。1.3.4 输入/输出设备输入:指令按钮、旋钮、急停按钮、报警及指示装置。输出:指示灯、二极管、步进电机及其驱动设备、电磁机械手。1.3.5 PLC 选择保证设计所需的指令、I/O点数、电压及输出方式的要求,选择质优、价廉、广泛 应用的产品以降低总设计成本。1.3.6 I/O点数分配合理选用满足设备要求点数的PLC,减少不必要的浪费。优先分配特殊!/0点,注 意相关指定输入输出端,归类分布。1.3.7 PLC程序设计1 移植性制定参数存储区域,存储点位控制机械手的关键点位置,仅次手 动操作,即能完成自动程序的点位编程,降低对操作者的专业要求,实现远程、高柔性 工件搬移。2 继承性精炼的程序段,注明详细程序说明,对后期的维护和二次开发提供 基础。1.3.8 研究对象特点本设计的应用研究,贴近企业生产,具有很强的可行性、实川性和经济性。该设备 可以应用于中、小批量生产柔性制造自动化生产线,实现件在两工作台间的搬移,大 大的减轻工人的劳动强度、减少人力资源的浪费,节省生产成本,提高生产效率,减少 因为人工疏忽造成的安全事故。远程控制,对于恒温环境、不适合人直接接触工作的危 险环境（如:高温、放射、剧毒、无氧、高空等恶劣环境）下较普通机械手（如:行程 开关定位顺序控制）有明显的优势。贵州大学本科毕业论文（设计）第5页第2章硬件设计2.1 机械手夹持结构2.1.I 夹紧机构手爪机械手手爪是用来抓取工件的部件。其构造模仿人的手指,分为无关节、固定关节 和自由关节三种。手指数量又可分为二指、三指、四指等,其中以二指用得较多。可根 据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头,以适应操作。手爪抓取工件时应 具有迅速性、灵活性、准确性和可靠性。设计过程中应根据需要对机械手的运行速度、加速度、夹持物体重量、惯性和冲击、开口尺寸进行校核,且能够自锁,防止断电或设备故障造成被抓物掉落。2.1.2 结构假定被夹持件为有凹槽冋转体,且自重不超过机械手允许安全负载,作以下结构 设计。图2.!机械手手爪小意图1.手爪2.转轴3.压缩弹簧4.电磁铁心5.电磁线圈6.螺母7.机械手手爪壳体8.定位销9.限位螺钉10.橡胶防滑垫此方案未进行具体参数校核,结构仅适用于部分工作环境。贵州大学本科毕业论文（设计）第6页工作理论:杠杆原理、胡克定律及安培定律。工作方式:机械手的夹紧与放松由电磁线圈控制。若线圈得电,手臂端产生磁力矩,当磁力矩大于弹簧被压缩所产生的矩时,手臂吸合,手爪张开;若线圈失电,手臂端 无磁力矩,机械手手爪将在弹簧预压缩所产生的力矩作用下,保持夹紧状态,实现自 锁功能,避免因偶然断电导致被抓物掉落。特点:最小夹持半径可调,设定夹持点半径,可减小夹紧对夹持物表面的破坏。由于夹紧的为钢性工件,为了提高安全性能,防止损坏件,我们可以在夹紧部分加上 层橡胶,这样可以通过增大工件和手指之间的摩擦系数来增加安全性.通过橡胶的弹 性变形来缓冲对件的冲击,可以减轻乃至消除对件的损坏。2.2机械手躯干2.2.I组成机械手躯干包括立柱、机座、手臂及手腕四部分。立柱是支撑手臂带动它升降、摆动和移动的机构,立柱与机座相联可固定在地面上、机床设备上、或者悬挂在横梁上,可固定在行走机座上。本设计中机座为落地固定式机 座。机座是支撑机械手全部重量的构建,对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作 方便和造型美观。手臂是机械手的主要部分,它支持手腕、手指和件使他们运动的机构。手臂应承 载能力大、刚性好、自重轻、灵活、位置精度高、通川性强等特点。主要结构有伸缩式 和关节式,本文优选伸缩式。2.2.2传动定位机构1 手臂直线运动的结构手臂直线运动的结构,基本上是由驱动机构和导向装置组成。文中选川步进电机作 为动,故选用丝杠螺母机构或齿轮齿条机构。现就两者作以下分析:丝杠螺母机构:位移较准确、降速比大,运平稳、无噪音、易自锁,但高精度 的丝杠制造比较困难,传动效率低。矩形、梯形螺纹结构,因传动大,应川广泛。滚珠丝杆效率高,但成本高。齿轮齿条机构:传动效率高,速度快、无自锁。一般用于机械手的传动机构,不作为定位机构。贵州大学本科毕业论文（设计）第7页为满足自锁要求,优先选用丝杠螺母机构。2 手臂冋转机构由于采川步进电机作为驱动元件,冋转机构相对简单,成本相对较低。可直接采川 齿轮减速以实现冋转。图2.2机械手机构图1.基座2.卡环3.轴承4.步进电机5.圆柱主动齿轮6.圆柱从动齿轮7.摇臂 8.联轴器9.螺母10.导向轴11.丝杠滑块12.丝杠轴13.轴承14.机械手贵州大学本科毕业论文（设计）第8页2.3传动系统2.3.I传动方式电气传动使利用电动机直接驱动执行机构,以获得机械手的各种运动。采用步进电机驱动,机械手的位移和运动速度,可由电控系统发出脉冲信号数量及 脉冲信号频率来控制。步进电机能够达到比较高的重复定位精度。2.3.2步进电机及其驱动器步进电动机 stepping motor 是种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动 器接收到个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动个固定的角度（称为“步 距角”）,它的旋转是以固定的角度步步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角 位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度 和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作为种控制用的特种电机,利用其 没有积累误差（精度为100%的特点,广泛应用于各种开环控制。步进电动机分为机电式及磁电式两种基本类型。机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产生磁力,推动其铁心心子运动,通过齿轮机构使输出轴转动角度,通过抗旋转齿轮使输出转轴 保持在新的工作位置;线圈再通电,转轴又转动角度,依次进行步进运动。磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。永磁式步进电动机由四相绕组组成。A相绕组通电时,转子磁钢将转向该相绕组所 确定的磁场方向;A相断电、B相绕组通电时,就产生一个新的磁场方向,这时,转子就 转动角度而位于新的磁场方向上,被激励相的顺序决定了转子运动方向。永磁式步进 电动机消耗功率较小,步矩角较大。缺点是起动频率和运行频率较低。反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽,利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。这种步进电动机步矩角可 做到1。15。,甚至更小,精度容易保证,起动和运行频率较高,但功耗较大,效率 较低。永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。是永磁式步进电动机和反应式步 进电动机两者的结合,并兼有两者的优点。步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成,由此驱 动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良 贵州大学本科毕业论文（设计）第9页好配合。选择步进电机时,首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选川 功率步进电机时,首先要计算机械系统的负载转矩,电机的矩频特性能满足机械负载并 有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中,各种频率下的负载矩必须在矩频 特性曲线的范围内。一般地说最大静矩跖max大的电机,负载矩大。选择步进电机时,应使步距角和机械系统匹配,这样可以得到设备所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量,是可以改变丝杆的导程,二是可以通 过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率,不改变其精度。精度是由电 机的固有特性所决定。选择功率步进电机时,应当估算机械负载的负载惯量和设备要求的启动频率,使之 与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量,使之最高速连续工作频率能满足快 速移动的需要。选择步进电机需要进行以下计算:1）计算齿轮的减速比,根据所要求脉冲当量,齿轮减速比,计算如下:._（pxS1 360A式中:p-步进电机的步距角（。/脉冲）S-丝杆螺距（mm 脉冲）2 计算工作台,丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量。（式 2.1（式 22 式中：Jt-折算至电机轴上的惯量 Kgm1 厶、2 齿轮惯量 Kg,。加/）Js-丝杆惯量 Kg on$2 W-工作台重量（N S丝杆螺距 cm 3 计算电机输出的总矩MM=Ma+Mf+Mt（式 2.3 贵州大学本科毕业论文（设计）第10页Ma=Qm 1.02义 102（式 2.4 式中:电机启动加速力矩（N四）、电机自身惯量与负载惯量 Kg-cm-52 n电机所需达到的转速 r/min T-电机升速时间（s u-W-s in_2”、M f=-X10（式 2.5）2兀i式中:一导轨摩擦折算至电机的转矩 N,m u摩擦系数T-传递效率=2xl。2（式 2.6 2兀朮式中:厂切削折算至电机力矩（N四）p-最大切削（N 4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关 系,其估算公式为:M f+Mt1-12（式 2.7 式中:厶-带载起动频率（Hz。-空载起动频率（Hz 广起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N 加）5 若负载参数无法精确确定,则可按=丄进行估算。运行的最高频率与升速 ZjqO时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降,因此在最高频率时,由矩频 特性的输出力矩应能驱动负载,并留有足够的余量。6 负载矩和最大静力矩Mmax。负载矩可按（式2.5 和（式2.6 计算,电 贵州大学本科毕业论文（设计）第11页机在最大进给速度时,由矩频特性决定的电机输出力矩要大于与之和,并留有余 量。一般来说,与之和应小于（020.4 Mmax.步进电机和交流伺服电机是运动控制系统中最常用的两种执行电动机。在电机选型 过程中,必须首先计算出负载通过机械传动系统对电机轴的折算扭矩,折,下面就几中 常见的机械传动方式介绍折算扭矩折的计算过程。丝杠螺母传动:F=Fo+jLimg N （式 2.9 42Hs003两相混合式步进电机技术指标:工作环境:-10C+55C（温度）绝缘电阻:500VDC 100MQ Min 轴向间隙:0.1-0.3mm 径向跳动:0.02mm Max 温 升：75Max 绝缘强度:B图2.3机械手步进电动机表2.1 42HS003步进电机电气技术数据电机型号相数步距角相电流驱动 电压最大静转矩相电阻相电感重量配套驱动器17HS00121.81.7ADC24V0.45Nm3.3Q3.7 mH0.35 kgST-2HB02X数据来源于北京张前苏电子科技有限公司 地址:北京市海淀区清河永泰园13楼309 网站:http:/7 电话:[phone]贵州大学本科毕业论文（设计）第12页黄 蓝图2.5步进电机接线图表2.2步进电动机矩测试矩测试数据配套驱动器ST-2HB02X电流1.7A电压DC 28V 4细分转速(r/min)50100150250350450600转矩(Nm)0.350.30.250.210.190.170.15贵州大学本科毕业论文(设计)第13页 ST-2HB02X驱动器ST-2HB02X驱动器采用MicrosChip芯片,采用新型的双极性恒相流驱动技术,实 现最大64细分高性能驱动,适合驱动2A以下42系列,57系列两相混合式步进电机。广泛应川于各种数控机床,纺织机械,绕线机,喷绘机,疲劳试验机等川户希望低成本,低振动,高精度,高速度的场合。产品特点:工作电压范围宽10V40V直流供电 H桥双极恒相流驱动 最大2A的八种输出电流可选 最大I28细分的七种细分模式可选 输入信号光电隔离 提供节能的自动半电流锁定功能无需控制器自检功能技术参数:型号 ST-2HB02X相 数:二相工作电压:DC(10-40)V驱动电流:(0.1A-2.0A)DC驱动方式:全桥双极性恒相流驱动电流设置:0.1A分度细分功能:(1.2.4.8.16.32.64)细分适川电机:相电流不高于2A/相的两相,四相混合式步进电机冷却方式:散热器(安装在通风良好的场合)环境温度:0-50尺寸/重量:130 X 73 X 33mm/280g图2.6步进电机驱动器数据来源于北京张前苏电子科技有限公司 地址:北京市海淀区清河永泰园13楼309 网站:http:/7 电话:[phone]贵州大学本科毕业论文（设计）第14页表2.3步进电机驱动器接线端说明输入信号公共端 CP+DIR+ENA+它是输入信号的公共端,接外部系统的VCC,如果外部系统的VCC 是+5V则可直接连接,若不是,则应保证给内部光耦提供10-20mA 的驱动电流。脉冲 CP-脉冲信号的输入端,工作时下降沿有效。共阳极时脉冲低电平的 持续时间不应少于10 s。本驱动器的信号响应频率为70KHz,过 高的输入频率将可能得不到正确响应。方向 DIR-它是方向电平信号的输入端,控制电机的正/反转。共阳极时该端 悬空被等效认为输入高电平。控制电机转向时,应确保方向信号 领先脉冲信号至少10卩s建立,可避免驱动器对脉冲的错误响应。脱机使能 ENA-释放信号（低电平有效）,当输入为低电平时,电机的激励电流 被关断电机处于脱机自由状态,共阳极时高电平或悬空时,转子处 于锁定状态。贵州大学本科毕业论文（设计）第15页表2.4步进电机功能设定功能设定细分设置（开关位置8,9,10 电流设置（开关位置1,2,3 注:开关拨位N=0FF=1细分设定相电流设定拨动开关8 9 10细分拨动开关1 2 3ST-2HB02X0 0 0整步0 0 00.3A0 0 1少0 0 10.6A0 1 040 1 00.9A0 1 180 1 11.2A1 0 0161 0 01.5A1 0 1321 0 11.8A1 1 0641 1 02.1A1 1 11 1 12.4A（禁止使川）图2.6步进驱动器安装尺寸贵州大学本科毕业论文（设计）第16页2.4辅助系统2.4.I原点定位及超程保护为保证机械手重复定位精度,对机械手每工作循环提出返冋原点校零位要求。在初始位置添置限位开关,当触及时发出已达原点指令,停止运动。同时锁定继续 前行运动,能且只能反向运动,以实现因故障或暴力操作造成的超程保护功能。非原点 端只作超程保护不作为定位。图2.8传动丝杠小意图2.4.2操作台操作面板以贴近人们巳常工作习惯、符合人体工程学、方便工作人员直观操作、反 应自动工作状态为原则,与后文!Z0采用方案相匹配,进行设计,如图所示。该机械手工作方式有手动、单步、单周期、连续工作（自动）四种形式。具有原点、路径关键点,报警指示、工作状态指示等功能。下面就操作面板说明如下:设备原点:机械手的机械设备原点。任何停止状态,旋转选择旋钮到原点,启动冋 原点按钮,机械手回到原点。手动方式:各自的按钮使各个负载单独接通或断开。实现实时按操作者的指令进行 动作。同时也负责起自动工作方式中每步的目的点的记录保存工作。单步:旋钮选择单步工作,按动一次启动按钮,前进个步。单周期:旋钮选择单周期工作,按动一次启动按钮,运行一个周期。连续工作（自动状态）:在用户原点,旋钮选择自动,按动启动按钮连续反复运行,途中按动停止按钮,运行到原点后停止。LED指示灯：状态实时显示。电源和急停按钮与PLC工作无关。该按钮使用来接通或断开PLC外部负载的电源。神言汁俳狂举倍后林对(巧斗)1 7 同画2.9滿回河洲螂画贵州大学本科毕业论文（设计）第18页第3章软件设计3.I 工作流程图中间点位图3.I工作流程图本机械手采用点位控制,我们可将整个运动看作折线运动,每步动作归纳为参数不同的点位之间动作。以起点作为参考点,通过脉动计数,得到目的点的位置。手动操 作机械手从参考的到达目的点后,保存目的点的相对特征参数,并对每步保存的参数 进行列表管理。实现手动模式下关键点位输入,自动模式查表“仿形”运动。手动设置 好以后就可以按预先设置自动运行。核心思想:记录关键点,构造工作路径和状态。现就四工位作以下说明。川户在手动原点状态下,控制机械手至A点位（到A点的路径可制定中间点实现 绕行）,按下保存,记录该点重要参数。之后控制机械手到B点位夹取件,同时记录 机械手张开位置及夹紧位置,为简化过程,可在A点设置机械手张开,B点设置夹紧。控制机械手移动,同前所述记录关键点位,到D点放下件。再用同样的方法到下 位进行操作。3.2 PLC选择及I/O 口分配3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则1）满足被控对象的控制要求考虑将来发展的需要,PLC选用功能较强的新产品,并留有适当的余量。2 系统安全、可靠。3 尽可能简单、经济、使用与维修方便。4 具有高的性能价格比。贵州大学本科毕业论文（设计）第19页3.2.2 PLC控制系统设计步骤1）分析被控对象,提出控制要求。2 确定输入、输出设备。3 确定PLC的I/O点数,选择PLC机型。4 分配I/O点数,绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。5 程序设计,绘制工作循环图或状态转移图。6 程序调试。先进行模拟调试,再进行现场联机调试;先进行局部、分段调试,再进行整体、系统调试。7 调试过程结束,整理技术资料,投入使用。图3.2 PLC控制系统设计步骤流程图3.2.3 CPU的速度CPU的运行速度是指执行每步用户程序的时间。对于以开关量为主的控制系统,不用考虑扫描速度,一般的PLC机型都可使用。对于以模拟量为主的控制系统,则需 考虑扫描速度,必须选择合适CPU种类的PLC机型。贵州大学本科毕业论文(设计)第20页3.2.4 PLC模块的选择远程!Z0模块:输入、输出装置比较分散,工作现场远离控制站。高速计数器模块:当PLC内部的高速计数器的最高计数频率不能满足要求时,可选 择使川。定位模块:在机械设备中,保证加工精度进行定位。通信联网模块:PLC与PLC之间,或PLC与计算机之间的通信与联网。模拟输入模块、输出模块:把流量、速度、压、风、张力等变换成数字量,及 把数字量变换成模拟量,进行输入、输出。3.2.5 PLC品牌选择世界上生产PLC的厂商有数百家,构成美国、欧洲和巳本三大技术阵营,其代表机 型有美国罗克韦尔(Rockwell)自动化公司所属的A-B(Allen-Bradley)公司生产的PLC-5 系列PLC、GE-Fanuc公司生产的90TM-30系列和90TM-70系列的PLC,德国西门子(Siemens)公司生产的S5系列PLC和S7系列PLC,巳本三菱公司生产的FX系列、A系列、Q系列PLC、欧姆龙公司生产的CS系列、C200系列、CPM系歹iJPLC。三大技术阵营的PLC在程序表达形式、功能及用法上有很大的差异。熟悉西门子 S5系列PLC的人都知道,他是采川结构化编程的方法,尽管他也设有梯形图、逻辑图 等多种其他编程语言,单少许复杂点的问题就必须采川语句表,通过STEP5语言,调用各种功能来实现。然而美国A-B公司的PLC-5系列可编程控制器则与西门子S5系 列PLC相去甚远,A-B的PLC-5根本就没有语句表,他所有的程序都要依靠梯形图编 制,因而A-B的梯形图与西门子的梯形图在形式、功能及用法上相差很大。日本的微型小型PLC产品是非常有特色的,他对梯形图、语句表并重,而且配置了 包括功能指令在内的功能很强的指令系统。用户常常会发现,同一个应用问题,选用巳 本的小型PLC产品就能解决,而用欧美产品常要选用中型乃至大型PLC行。这主要 是欧美小型PLC产品指令系统太弱所制。日本的PLC技术是由美国引进的,因此巳本的产品对美国的产品有一定的继承性。单巳本把自己主推产品定位在小型PLC上,因面临的主要市场在亚洲,因此他对美国 的PLC技术既有继承,更多的是发展。在小型PLC方面,他已是青出于蓝而胜于蓝,日本产品在世界小型PLC市场上占70%的份额。据不完全统计,我国每年引进的PLC产品价值,其中美国产品约占36.3%,欧洲产 贵州大学本科毕业论文（设计）第21页品约占45.5%,日本产品约占18.2%。欧美产品以大中型PLC为主基本上是德国西门子 公司与美国A-B公司平分秋色。小型PLC主要是巳本产品。在国内,日本三菱公司生产的FX系列小型PLC以其良好的性能得到了广泛的应用,同时各大高校、职业技术学校,也为其提供了专业技术人才的支持。简单机械手运动小型PLC足以满足需求,选川日本三菱公司FX系列作为本文中搬 移机械手的核心控制系统,可以减少企业对操作人员培训,降低使用成本,减少消费者 对产品使用的顾虑。3.2.6 PLC系列选择PLC机型选择的基本原则是,在功能满足要求的前提下,选择最可靠、维护使用最 方便以及性能价格比的最优化机型。三菱FX系列PLC包括FXis、FXIN、FX2N、FX2NC。各型号的PLC在性能上都有所区别。1 FX1S 系列 PLC将优良的特点融合进个很小的控制器中。FX1S适用于最小的封装,它是希望低 成本的用户在有限的I/O范围内寻求功能强大的控制的首选目标。FX1S提供多达30个 I/O,并且能通过审行通信传输数据,所以它能用在常用的紧凑型PLC不能应用的地方。FX1S体积虽小,但功能强大:主机点数10/14/20/30,分为晶体管输出/继电器输出,交流电源/直流电源。结构紧凑、性价比高。显示模块和扩展板使系统升级变得容易。高速运算。基本指令是0.55 s/指令口 s/指令;应用指令是3.7 口 s/指令至几 百 s/指令。2000步存储容量,是以前的FXOS的2.5倍。丰富的器件资源。辅助继电器512点、定时继电器64点、计数器32点、数据 寄存器256点。具有实时时钟功能。使用标准型号的实时时钟满足对时间的应用要求。联网能力。审行扩展板通过RS-232、RS-422使联网更容易。电源适用范围很宽。世界任何地方的标准电压都适合,也可以使用直流电源。基于Windows软件。模拟电位器。密码保护。贵州大学本科毕业论文（设计）第22页 远程维护。脉冲输出和定位功能。个PLC单元中每相能同时输出2点100KHz脉冲,PLC 配备7条特殊定位指令,包括零返冋、绝对位置读出、绝对或相对地址表达方式以及 特殊脉冲输出控制。2 FX1N 系歹PLC增加了特殊功能模块或扩展板。通信和数据链接功能选项使得FX1N在体积、通信 和特殊功能模块和能源控制等重要的应用方面非常完美。是种普遍选择方案。与FX1S相比较,在以下方面得到了很好的提升:更多的控制点数14点128点。EEPROM寄存器更大,达8000步。更为丰富的器件资源。辅助继电器1536点、定时器256点、计数器235点、数 据寄存器8000点。增加过程控制。在系统要求精确控制时适川PID指令。3 FX2N 系列 PLC作为FX系列最高级的模块,他拥有无以匹敌的速度、高级功能、逻辑组件以及定 位控制等特点。与前者PLC相比较,在以下方面得到了很好的提升:更多的控制点数。16点256点。灵活的配置。具有满足特殊要求的大量特殊模块,6个基本FX2N单元中的每 个单元可扩充到256点的I/O 更高速运算。基本指令0.08 s/指令;应用指令是!.52 s/指令至几百 s/指令。寄存器容量扩展。更为丰富的器件资源。辅助继电器3072点、定时器256点、计数器235点、数 据寄存器8000点。特殊功能模块。主单元可配置8个特殊功能模块。数学指令集。使川32位处理器、浮点数、方根和三角几何指令满足数学功能。4 位置控制模块扩展位置控制是对工位的控制,可由位置控制模块实现.PLC系统可作为整个位置控制系 统中的个控制环节,配上伺服放大器或驱动放大器,就可以将位置控制功能和逻辑控 贵州大学本科毕业论文（设计）第23页制、顺序控制等揽子解决。利川PLC模块实现位置控制的优点:在