【正文】 由狀態(tài)； 若為高電平或懸空不接時(shí)，轉(zhuǎn)子處于鎖定狀態(tài)。（2）信號(hào)輸入部分：共有三路輸入信號(hào)，它們是：步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向電平信號(hào)DIR、脫機(jī)信號(hào)FREE。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說(shuō)控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。所用步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)是57BYG250C,2相四線輸出，176。在本次設(shè)計(jì)中采用開(kāi)環(huán)控制，因此控制精度不如閉環(huán)控制精度高，但要在一定程度上滿足機(jī)械手的控制要求就要提高各部位關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度。因此電機(jī)隨頻率或速度的增大而使電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。2）步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)。一、基本原理與特點(diǎn)(1）步進(jìn)電機(jī)基本原理步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該模塊通過(guò)FPΣ32的擴(kuò)展口連接，通過(guò)PLC直接編程傳入位置控制模塊的共享寄存器來(lái)達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。在控制模塊中，可以通過(guò)修改其控制字來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向、加/減速模式、工作方式與各種極限位置的保護(hù)等等。此項(xiàng)功能不能與脈沖發(fā)生器輸入操作同時(shí)進(jìn)行。在使用該功能中用戶中只設(shè)置控制字與終止速度兩參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)該功能。正常停止是在停止信號(hào)發(fā)出后該模塊按加速率從終止速度減速至起始速度后停上脈沖輸出使電機(jī)停止。（5）Home Return(回零點(diǎn)操作)本模塊中提供了幾種回零的模式，用戶可根據(jù)具體需要來(lái)設(shè)置控制字來(lái)選擇不同的回零方式。此工作方式與E point control有類(lèi)似之處即只能有一種終止速度，不同的是此工作方式在外部開(kāi)關(guān)閉合后電機(jī)按所設(shè)置的參數(shù)加速到終止速度后并不執(zhí)行位置操作而是位置控制開(kāi)始的輸入閉合后才按所設(shè)置輸出脈沖。（3）JOG Operation(JOG操作)JOG操作工作方式用戶只需設(shè)置控制字，起始速度、終止速度與加/減速時(shí)間四個(gè)參數(shù)便可控制電機(jī)動(dòng)作。但此控制方式只有一種終止速度。[7]在位置控制模塊中通過(guò)對(duì)控制字的控制可以選擇不同的加/減速模式、方向控制與工作模式。提供梯形控制、返回原點(diǎn)、點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行等專(zhuān)用高級(jí)指令?？蓪?shí)現(xiàn)全方位通信功能，使用工具口（RS232C）通過(guò)它主機(jī)能夠與觸摸屏或電腦實(shí)現(xiàn)通信。因此在選用PLC的型號(hào)時(shí)就應(yīng)在滿足機(jī)械手的硬件要求下完成的。（5） 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能。松下FP系列PLC有以下幾方面特點(diǎn)：[6]（1） 豐富的指令系統(tǒng)在FP系列PLC中即使是小型機(jī)也具有近200條指令，除能實(shí)現(xiàn)一般邏輯控制還可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制、復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，甚至可以控制變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速與對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。這樣，一旦檢測(cè)到外界環(huán)境正常后，便可恢復(fù)故障前的狀態(tài)，繼續(xù)原來(lái)的處理。對(duì)于較低信噪比的模擬量輸入信號(hào),PLC采用A/D模塊轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)，將形成的數(shù)據(jù)時(shí)間序列存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，利用數(shù)據(jù)濾波程序?qū)Υ诉M(jìn)行處理，從而濾去噪音部分而獲得單純信號(hào)。在PLC中，所有輸出模塊都受開(kāi)門(mén)信號(hào)控制，而這個(gè)信號(hào)只有在規(guī)定的條件都滿足時(shí)才有效，以防止被控對(duì)象誤動(dòng)作。（1）硬件措施對(duì)供電系統(tǒng)以及I/O線路采用了較多的濾波環(huán)節(jié)。由于該機(jī)械手屬于教學(xué)實(shí)驗(yàn)型機(jī)械手，因此在該型號(hào)氣動(dòng)電磁閥基本上能滿足控制要求。機(jī)械手到達(dá)起始位置或終止位置便要控制夾手開(kāi)∕合來(lái)夾起∕下放物品。選用傳感器的型號(hào)為CX24，該型號(hào)的傳感器為擴(kuò)散反射型短距離傳感器，有較強(qiáng)的抗干擾能力，能檢測(cè)出透明、半透明、不透明物品，檢測(cè)距離只有300mm,如流水線上物品的檢測(cè)。在搬運(yùn)物品的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)都應(yīng)安裝檢測(cè)物品的傳感器，起始位置上若傳感器檢測(cè)出有需要搬運(yùn)的物品時(shí)就能發(fā)出信號(hào)控制PLC，通過(guò)程序控制機(jī)械手搬運(yùn)物品。零點(diǎn)位置是機(jī)械手能按軌跡準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)的重要位置。11軸 22軸 33軸 44軸 5夾手 6基座 圖21 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)都存在著運(yùn)動(dòng)限位，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍都有機(jī)械限位與軟件限位兩種，機(jī)械限位一般由機(jī)械手硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)成，機(jī)械手在制作的過(guò)程中總存在著硬件的極限位置限制了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到極限位置便停止機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。（3）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)在本次設(shè)計(jì)中采用兩臺(tái)PLC通過(guò)RS232進(jìn)行串行通信對(duì)三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,并在PLC上連接位置控制模塊,通過(guò)位置控制模塊對(duì)兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。（見(jiàn)圖21）。本次設(shè)計(jì)機(jī)械手的臂部為2軸（見(jiàn)圖21）。2）腕部腕部與手部相連，通常有3個(gè)自由度，主要是帶動(dòng)手部完成預(yù)定姿態(tài)。如何選用合適的PLC與位置控制模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。機(jī)械手要達(dá)到此動(dòng)作要求需要機(jī)械手中六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)共同協(xié)作完成。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度主要由步進(jìn)電機(jī)控制精度與機(jī)械精度來(lái)決定。點(diǎn)位控制這種方式中控制機(jī)器人操作器的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，而不關(guān)心這兩點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)軌跡。[3]圖11 工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖當(dāng)今高性能的通用型工業(yè)機(jī)器人一般采用關(guān)節(jié)式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)中獨(dú)立安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的功率放大電路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的操作。手工操縱機(jī)械手可能代替人在放射性的，極熱或極冷、有毒的環(huán)境下，以及在真空或高壓有害條件下工作。3）自由飛行空間機(jī)器人。 （6）空間機(jī)器人空間機(jī)器人是代替宇航員進(jìn)行空間科學(xué)研究的有力工具，并伴隨空間技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。HYBALL 水下機(jī)器人可用于軍事上的搜索、排障、排雷等。（1）機(jī)器人在核領(lǐng)域中的應(yīng)用[2]在核能設(shè)施中存在有對(duì)人類(lèi)傷害極大的放射性物體，因此人們很早就考慮到使用遠(yuǎn)距離操作與及自動(dòng)化（機(jī)器人化）。進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，日本工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展和勞動(dòng)力的嚴(yán)重短缺，為工業(yè)機(jī)器人發(fā)展帶來(lái)了有利的客觀條件，工業(yè)機(jī)器人很快受到日本政府和工業(yè)界的廣泛重視。同年，日本山梨大學(xué)的牧野洋研制成具有平面關(guān)節(jié)的SCARS型機(jī)器人，到了1980年全世界約有2萬(wàn)余臺(tái)機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用。60年代，George C. Devol 研制出一種裝置,稱(chēng)之為可編程序關(guān)節(jié)型搬運(yùn)裝置,他將遙控操作器的連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控銑床的伺服軸結(jié)合起來(lái)，預(yù)定的機(jī)械手動(dòng)作一經(jīng)編程輸入后,并將這些位置序列記錄在數(shù)字存儲(chǔ)器內(nèi),任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中,機(jī)器人可以再現(xiàn)這些位置。[1]真正的現(xiàn)代機(jī)器人是從二次大戰(zhàn)后發(fā)展起來(lái)的?！皺C(jī)器人”這一詞出現(xiàn)的較晚，但這一概念在人們想象中早已出現(xiàn)。位置控制模塊是一種擴(kuò)展的智能單元，能獨(dú)立發(fā)出脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作，并提供了多種控制模式供用戶選擇。Manipulator天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)Tianjin University of Technology and Education畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)專(zhuān) 業(yè)： 電氣技術(shù)教育 班級(jí)學(xué)號(hào)： 電氣0711 27 學(xué)生姓名： 徐飛 指導(dǎo)教師： 田庫(kù) 副教授 二〇一二年六月 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文基于PLC控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)Designof該機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的，PLC與位置控制模塊向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖從而控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)軌跡；PLC；步進(jìn)電機(jī)ABSTRACTControl object of the present design is manipulator which is an articulated robot with six degrees of freedom belonging to an industrial robot. The robot not only has higher accuracy, which greatly improves production efficiency, but also makes an appropriate adjustment depending on the environment, there is a strong adaptability. Joint movement of the manipulator is controlled by the stepper motor, PLC and position control module send pulses to the stepper motor to control the stepper motor action. Position control module is an extension of the intelligent unit, which can send pulses to control the stepper motor operation, and provides a variety of control modes for the user to choose.This paper introduces the design process of the handling manipulator system, discusses the robot trajectory planning process in detail as well as PLC and position control module of the stepper motor in a controlled manner. The RS232 bus with other PLC forms an industrial control network, pleted the control on the stepper motor at the same time, which can achieve a higher control accuracy to achieve the purpose of the position control.Key Words：Manipulator；Motion trajectory；PLC；Stepper motor目 錄1緒論 1 1 32機(jī)械手系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4 4 5 6 PLC型號(hào)的選擇 6 8 11 11 12 143軌跡規(guī)劃與方案選擇 17 17 17 17 17 18 20 244 PLC控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡軟件設(shè)計(jì)與分析 25 25 I/O分配 26 28結(jié) 論 38參考文獻(xiàn) 39致 謝 4041天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2012本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1緒論機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，在該劇中，機(jī)器人“Robota”這個(gè)詞的本意是苦力，是一種人造的勞動(dòng)力,而實(shí)際上的機(jī)器人與人很少有相似之處。1893年加拿大人摩爾設(shè)計(jì)了用蒸汽驅(qū)動(dòng)的能行走的機(jī)器人。數(shù)控銑床于1953年在麻省理工學(xué)院（MIT）輻射實(shí)驗(yàn)室被研制出來(lái)。1979年Unimation公司推出PUMA系列工業(yè)機(jī)器人。據(jù)資料表明：僅2002年，美國(guó)共裝備機(jī)器人11100臺(tái)，截止至2002年底，美國(guó)共裝備各類(lèi)機(jī)器人104700臺(tái)。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不再局限于工業(yè)，而是深入到軍事、航天、醫(yī)療、服務(wù)等各領(lǐng)域。2）英國(guó)HYBALL水下機(jī)器人。4）中國(guó)無(wú)纜水下機(jī)器人。2）行星探測(cè)機(jī)器人。機(jī)械手是一種機(jī)械裝置，由一系列彼此之間裝有關(guān)節(jié)或可相對(duì)滑動(dòng)的段節(jié)構(gòu)成，為了抓握和移動(dòng)物體，一般有幾個(gè)自由度。系統(tǒng)構(gòu)成如圖11所示。機(jī)器人位置控制又分為點(diǎn)位控制和連續(xù)路徑控制。機(jī)械手有五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)分別由步進(jìn)電機(jī)控制，剩余一個(gè)自由度由氣動(dòng)電磁閥控制。此期間機(jī)械手搬運(yùn)工件運(yùn)動(dòng)的軌跡可以人為設(shè)定，機(jī)械手根據(jù)所設(shè)定的軌跡來(lái)完成運(yùn)動(dòng)。在本次設(shè)計(jì)中就涉及到對(duì)于PLC與步進(jìn)電機(jī)的選擇與控制問(wèn)題。旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)氣動(dòng)電磁閥控制夾手夾緊/放松。通常由兩個(gè)連桿組成，用以帶動(dòng)腕部作平面運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腰部為1軸。驅(qū)動(dòng)裝置采用的是步進(jìn)電機(jī)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是同步帶輪傳動(dòng),帶輪傳動(dòng)在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)帶輪會(huì)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象,在一定基礎(chǔ)上可以保護(hù)電機(jī),使電機(jī)不易損壞。在搬運(yùn)物品的起始端與終止端裝有傳感器以檢測(cè)物品是否搬運(yùn)到位。軟件限位通過(guò)軟件編程限制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍，硬件保護(hù)通過(guò)機(jī)械手的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件保護(hù)只能保護(hù)機(jī)械手不受損壞而不能停止機(jī)械手電機(jī)動(dòng)作。我們將機(jī)械手最原始的靜止位置作為機(jī)械手的零點(diǎn)，在此位置上各