【正文】 第2章 PLC的介紹與選擇 對于機械手的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如繼電器控制、單片機控制、PLC控制等。采用模塊化結構 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設計編制。SYSMAC CPM1A的大小僅相當于一個PC卡(對于10點的機型來說)，從而使安裝體積大幅度減小，同時也進一步節(jié)省了控制柜的空間。2. 確定型號FX1N－60MR綜上，對于被控對象，采用PLC系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，力求具有較好的性價比，使用和維修方便；選用的PLC主機和配置、控制功能等必須能滿足被控對象的各種控制要求；選用的PLC主機及配置必須是功能較強的新一代PLC機型，一般最好不要選用舊機型（若采用三菱公司的PLC，則選FX系列，不選F1系列）。內(nèi)置了高達64K步的大容量RAM存儲器?？梢赃x裝高性能的顯示模塊（FX3U7DM）可以顯示用戶自定義的英文、數(shù)字和日文漢字信息，最多能夠顯示：半角16個字符(全角8個字符) 4行。FX系列PLC硬件組成與其它類型PLC基本相同，主體由三部分組成，其PLC的基本結構如圖21系統(tǒng)電源有些在CPU模塊內(nèi)，也有單獨作為一個單元的，編程器一般看作PLC的外設。 本章小結 本章主要介紹了PLC的種類、特點以及PLC具有的功能優(yōu)點，并且對本設計選擇了三菱公司的產(chǎn)品FX系列型號為FX1N－60MR的PLC，對FX1N－60MR系統(tǒng)的功能及操作進行了說明還對其具有的優(yōu)點進行了分析。設計制造夾緊機構——機械手，首先要從機械手的坐標形式，運行速度和加速度的情況來考慮。本設計采用機械式夾緊裝置。底盤采用一個直流電動機驅動，底盤旋轉時帶動一個旋轉編碼盤旋轉，機械手每旋轉三度發(fā)出一個脈沖，由傳感器檢測并送入可編程控制器，從而計算底盤旋轉的角度。步進電機以開環(huán)方式工作，可省去伺服電機驅動裝置中位置檢測與反饋部分以及A/D、D/A轉換，從而簡化了系統(tǒng)機構，使控制成本大大降低。但是結構復雜，需要正反脈沖供電，成本較高。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行只要考慮摩擦負載。步進電機驅動器有電源輸入部分、信號輸入部分、信號輸出部分等，利用驅動器可以很方便的對步進電機的轉速、方向進行控制。 圖33 PLC控制器與步進電機驅動器連接圖圖34傳感器工作原理圖接近開關：接近開關有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍色接電源的負極、黑色為輸出信號，當與檔塊接近時輸出電頻為低電頻，否則為高電頻。電平轉換板原理圖如圖36所示。由手指、傳力(或增力)機構和驅動裝置組成。同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。手指的開閉角應能保證被抓物件順利進入或脫開，其大小直接與工件和手指的形狀、尺寸及手部接近被抓物件的路線等因素有關，同時還要注意路線周圍的環(huán)境。（四） 結構簡單，維修方便。根據(jù)幾何關系，可得 （41）整理得， （42）該方程為雙曲線方程，經(jīng)過分析得出以下結論：（1） 當時，有最小的值，即 （43）的變化以為分界，左右兩部分是對稱的。根據(jù)硬鋁合金的材料性能和可加工性能，確定手爪的其它尺寸如圖44所示。圖44 手指各部分尺寸圖圖45 氣壓雙作用單桿活塞缸本課題氣動機械手的手爪驅動裝置采用雙向作用的單桿活塞缸，【】形手指的角度是，按照設計要求物品的重量約為1kg。由于所選氣缸組件為標準件，所以其它尺寸不需要計算，只需要驗算即可。由于缸筒和端蓋之間是靜密封，根據(jù)〈〈液壓氣動手冊〉〉，可選用以橡膠為材料的O形密封圈。本設計選用的是做直線運動的氣缸。主要完成手爪的夾緊與松開。當旋鈕打向連續(xù)時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。該指令由于某種條件下跳過CJ指令和指針標號之間的程序，從指針標號處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時間。圖53 程序總的結構圖 圖54公用程序梯形圖 自動操作程序 自動操作順序功能流程圖見圖55所示。延時時間到，T1接通，狀態(tài)轉移到S11上升。　如下圖所示。并可以運用軟件在線監(jiān)測PLC的運行情況，同時可以用手持編程器根據(jù)現(xiàn)場要求修改程序中的各參數(shù)，達到任意位置停止的目的。(5)機械手整體旋轉運動。回首這幾個月來的設計過程，可以說是收獲良多，也付出了不少心力。我還要感謝其他帶畢業(yè)設計的老師在本次設計中給予我們幫助和指導！也感謝對本次設計提供幫助的人。本篇論文雖然凝聚著自己的汗水，但卻不是個人智慧的產(chǎn)品，沒有老師的指引和贈予，沒有同學和朋友的幫助和支持，我得畢業(yè)設計也不會完成。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。目前已經(jīng)取得一定成績。(3)手腕旋轉運動。 回原位程序回原位程序；在系統(tǒng)處于回原位工作狀態(tài)時，按下回原位按鈕（X3），M3變?yōu)镺N，機械手松開和上升，當升到上限位（X17變?yōu)镺N），機械手后退，直到后限位（X21為ON）才停止，并且M3復位。按下停止按鈕X7后，M1變?yōu)镺FF，系統(tǒng)不會立即停止，而是完成當前的工作周期后，機械手最終停止在原位。下降到最低位，X16接通，電磁鐵放松。如果M0為OFF，M10被復位，系統(tǒng)不能進入連續(xù)工作方式。其中自動程序包括單步、連續(xù)運動程序，因它們的工作順序相同所以可將它們和編在一起。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來，在手動方式時可以通過手動按鈕來實現(xiàn)，其控制面板如下圖51。回轉運動、氣爪旋轉、手爪夾緊松開。（2）執(zhí)行元件：將壓縮空氣的壓力能轉變?yōu)闄C械能的能量轉換元件，并對外做功。按強度條件對活塞桿的直徑進行計算，因采用推夾緊的結構，故按受壓桿考慮得 （416）式中：—活塞桿所需的輸出壓力，N； d—活塞桿直徑，mm； —活塞桿材料的需用應力（MPa），=,n為安全系數(shù)（一般取n＞此處取n=）， ==。該處取工作壓力 ，；所以有 查〈〈機械設計手冊（液壓氣動分卷）〉〉，選取缸筒內(nèi)徑25mm＞，故取D=25mm。在結構上，單桿活塞缸應用最多。此時，根據(jù)式（47）和（49）有所以夾持誤差，結果與計算法吻合。手指材料的恰當選用，對機械手的使用效果影響也很大，為了符合手部的結構尺寸，同時保證手指有足夠的強度，本機械手的手指采用硬鋁合金（2A12）。在通常情況下，所需要的握力是物件重量的2～3倍。根據(jù)工件的大小和輕重，可將幾個吸盤同時裝在一個手腕上。按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型，其中以二支點回轉型為基本型式。表35所選器材列表名稱型號或規(guī)格數(shù)量名稱型號或規(guī)格數(shù)量PLCFX1N60MR1限位開關LX191118電磁閥VF31301轉換開關LW651按鈕LA101H13熔斷器RC1A30/152連接導線若干 本章對設計中夾緊機構做了介紹說明，并對直流電機、步進電機、編碼盤、直流電機驅動單元、步進電機驅動單元以及傳感器進行了選型，其中還對步進電機相關數(shù)據(jù)進行了計算與校和，最后繪制了器材列表。其中IN端接PLC的輸出端口，OUT端接模型的信號輸入端?；蜌鈯A的正反轉限位采用接近開關（金屬傳感器）如圖35，通過調整基座和氣夾上的金屬物的位置，可以在一定范圍內(nèi)改變基座和氣夾的旋轉角度。驅動器參數(shù)如下表3表3表3表34所示。（二）靜力矩的選擇 靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。（3） 混合型步進電機：是永磁式和反應式相結合的一種形式。 號DS45RP775類型直流電動機額定電壓324V外形尺寸 齒輪箱直徑45（mm）步進電機是一種可以直接將數(shù)字脈沖信號轉換成機械位移的機電執(zhí)行元件，具有控制簡單、響應速度快、工作可靠、無累積誤差等優(yōu)點。采用絲杠、螺母結構傳動的特點是易于自鎖、位置精度較高，傳動效率較高。 軀干軀干有底盤和手臂兩部分組成。夾緊結構形式多樣、有機械式、吸盤式和電磁式等。 夾緊機構機械手手爪是用來抓取工件的部件。阻容電路中電阻可取51～120Ω，～，電容的額定電壓應大于電源的峰值電壓。PLC是用微處理器實現(xiàn)繼電器、定時器和計數(shù)器以及A/D、D/A模擬轉換器件的組合體的功能，采用軟件編程進行它們之間的聯(lián)系。新增了高速輸入輸出適配器，模擬量輸入輸出適配器和溫度輸入適配器，這些適配器不占用系統(tǒng)點數(shù)，使用方便，在FX3U的左側最多可以連接10臺特殊適配器其中通過使用高速輸入適配器可以實現(xiàn)最多8路、最高200kHz的高速計數(shù)。它們采用整體式和模塊式相結合的疊裝式結構。在FX系列PLC中設置了高數(shù)計數(shù)器，對來自特定的輸入繼電器的高頻脈沖進行中斷處理，擴大了PLC的應用領域。西門子S7200系列PLC 突出的特點：可靠性高、操作簡便；豐富的內(nèi)置集成功能；強勁通訊能力；豐富的擴展模塊；簡單、易用的Micro/WIN編程軟件?？傊?，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。豐富的I/O接口模塊PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流、開關量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或弱電等?；緝?nèi)容：1．選擇和確定總體設計方案；2．設計電氣控制原理框圖；3．進行PLC的選型及I/O分配；4．設計PLC硬件系統(tǒng)；5．PLC控制程序的編寫及調試；擬解決的問題：1．首先必須對機械手進行調查，搞清楚PLC機械手的工藝過程、工作特點、明確控制要求以及各階段的特點之間的工作原理；2．確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設備，選擇合適的PLC類型，并分配I/O點；3．機械手手爪的詳細設計；4．控制系統(tǒng)的程序設計。 總體設計要求圖11機械手示意圖手爪張開閉合 手腕旋轉 3 、水平移動 升降 5 、立柱旋轉 手爪 7 、手腕電動機 橫軸 豎軸 豎軸電動機 1橫軸電動機 1底盤 1底盤電動機2. 機械手工作流程機械手工作流程是：開始運行后，如果機械手不在初始位置上，步進電動機開始運轉(橫軸向手抓方向移動，豎軸向上移動)。本設計的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實現(xiàn)，具有編程簡單、修改容易、可靠性高等。電氣驅動時，直線運動可以采用電動機帶動絲杠、螺母機構。總之，機械手的運動離不開直線移動和轉動二種，因此它采用的執(zhí)行機構主要是直線液壓缸、擺動液壓缸、電液脈沖馬達、伺服液壓馬達、交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電動機等。執(zhí)行機構包括手部、手臂和軀干。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。國家級期刊主管單位是國家部門或直屬部門。一般來說，學術論文具有論證色彩，或具有論辯色彩?！　?) 著錄參考文獻有利于節(jié)省論文篇幅。氣動機械手控制系統(tǒng)的設計要求是在控制系統(tǒng)的指令下，能將工件迅速、靈活、準確、可靠地抓起并運送到指定位置，因此本設計采用PLC可編程控制器作為工件抓取機械手的控制系統(tǒng)，首先根據(jù)機械手的動作流程和輸入輸出要求選擇了PLC的型號，然后根據(jù)機械手功能和特性對各原件進行了選型并對其進行了計算與校和，之后對機械手手爪進行了設計并對其進行計算與校和，在此基礎上對電氣回路進行了設計，最后對控制系統(tǒng)硬件及編輯原件進行了選擇，同時確定I/O接口，進行程序的編輯與調試，從而使機械手完成最后的裝夾任務。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，本設計介紹的是機械手模型基于PLC的控制系統(tǒng)設計。　　3) 著錄參考文獻能起索引作用。三、創(chuàng)造性學術論文在形式上是屬于議論文的，但它與一般議論文不同，它必須是有自己的理論系統(tǒng)的，不能只是材料的羅列，應對大量的事實、材料進行分析、研究，使感性認識上升到理性認識。省級期刊主管單位是省級單位。應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，并投入了大量的物力和財力加以研究和應用。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用于解決機床上下料和工件傳送。機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)構成。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位。本設計的手爪部分采用氣壓驅動。對動作復雜的機械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)[。從技術方面來說，本文國已經(jīng)具備了獨立自主發(fā)展中國機械手技術的基礎[。手臂采用步進電機驅動，由PLC發(fā)出控制脈沖控制步進電動機運轉,實現(xiàn)手臂的進給和定位，手爪采用氣壓驅動。（5）對采用的器件進行嚴格的篩選；（6）良好的自診斷功能