【正文】 第2章 PLC的介紹與選擇 對(duì)于機(jī)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(jī)控制、PLC控制等。采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)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(jié)構(gòu)。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。SYSMAC CPM1A的大小僅相當(dāng)于一個(gè)PC卡(對(duì)于10點(diǎn)的機(jī)型來說)，從而使安裝體積大幅度減小，同時(shí)也進(jìn)一步節(jié)省了控制柜的空間。2. 確定型號(hào)FX1N－60MR綜上，對(duì)于被控對(duì)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(jià)比，使用和維修方便；選用的PLC主機(jī)和配置、控制功能等必須能滿足被控對(duì)象的各種控制要求；選用的PLC主機(jī)及配置必須是功能較強(qiáng)的新一代PLC機(jī)型，一般最好不要選用舊機(jī)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(dá)64K步的大容量RAM存儲(chǔ)器。可以選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(gè)字符(全角8個(gè)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(jié)構(gòu)如圖21系統(tǒng)電源有些在CPU模塊內(nèi)，也有單獨(dú)作為一個(gè)單元的，編程器一般看作PLC的外設(shè)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了PLC的種類、特點(diǎn)以及PLC具有的功能優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)本設(shè)計(jì)選擇了三菱公司的產(chǎn)品FX系列型號(hào)為FX1N－60MR的PLC，對(duì)FX1N－60MR系統(tǒng)的功能及操作進(jìn)行了說明還對(duì)其具有的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)制造夾緊機(jī)構(gòu)——機(jī)械手，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式，運(yùn)行速度和加速度的情況來考慮。本設(shè)計(jì)采用機(jī)械式夾緊裝置。底盤采用一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，底盤旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼盤旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手每旋轉(zhuǎn)三度發(fā)出一個(gè)脈沖，由傳感器檢測并送入可編程控制器，從而計(jì)算底盤旋轉(zhuǎn)的角度。步進(jìn)電機(jī)以開環(huán)方式工作，可省去伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中位置檢測與反饋部分以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換，從而簡化了系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，使控制成本大大降低。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要正反脈沖供電，成本較高。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行只要考慮摩擦負(fù)載。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分等，利用驅(qū)動(dòng)器可以很方便的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制。 圖33 PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接圖圖34傳感器工作原理圖接近開關(guān)：接近開關(guān)有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號(hào)，當(dāng)與檔塊接近時(shí)輸出電頻為低電頻，否則為高電頻。電平轉(zhuǎn)換板原理圖如圖36所示。由手指、傳力(或增力)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置組成。同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時(shí)，就成為移動(dòng)型。手指的開閉角應(yīng)能保證被抓物件順利進(jìn)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(guān)，同時(shí)還要注意路線周圍的環(huán)境。（四） 結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。根據(jù)幾何關(guān)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(jié)論：（1） 當(dāng)時(shí)，有最小的值，即 （43）的變化以為分界，左右兩部分是對(duì)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(dòng)機(jī)械手的手爪驅(qū)動(dòng)裝置采用雙向作用的單桿活塞缸，【】形手指的角度是，按照設(shè)計(jì)要求物品的重量約為1kg。由于所選氣缸組件為標(biāo)準(zhǔn)件，所以其它尺寸不需要計(jì)算，只需要驗(yàn)算即可。由于缸筒和端蓋之間是靜密封，根據(jù)〈〈液壓氣動(dòng)手冊〉〉，可選用以橡膠為材料的O形密封圈。本設(shè)計(jì)選用的是做直線運(yùn)動(dòng)的氣缸。主要完成手爪的夾緊與松開。當(dāng)旋鈕打向連續(xù)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)完成各工步操作，且循環(huán)動(dòng)作。該指令由于某種條件下跳過CJ指令和指針標(biāo)號(hào)之間的程序，從指針標(biāo)號(hào)處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時(shí)間。圖53 程序總的結(jié)構(gòu)圖 圖54公用程序梯形圖 自動(dòng)操作程序 自動(dòng)操作順序功能流程圖見圖55所示。延時(shí)時(shí)間到，T1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S11上升?！∪缦聢D所示。并可以運(yùn)用軟件在線監(jiān)測PLC的運(yùn)行情況，同時(shí)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(dá)到任意位置停止的目的。(5)機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；厥走@幾個(gè)月來的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的老師在本次設(shè)計(jì)中給予我們幫助和指導(dǎo)！也感謝對(duì)本次設(shè)計(jì)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(gè)人智慧的產(chǎn)品，沒有老師的指引和贈(zèng)予，沒有同學(xué)和朋友的幫助和支持，我得畢業(yè)設(shè)計(jì)也不會(huì)完成。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 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(shí)，按下回原位按鈕（X3），M3變?yōu)镺N，機(jī)械手松開和上升，當(dāng)升到上限位（X17變?yōu)镺N），機(jī)械手后退，直到后限位（X21為ON）才停止，并且M3復(fù)位。按下停止按鈕X7后，M1變?yōu)镺FF，系統(tǒng)不會(huì)立即停止，而是完成當(dāng)前的工作周期后，機(jī)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(fù)位，系統(tǒng)不能進(jìn)入連續(xù)工作方式。其中自動(dòng)程序包括單步、連續(xù)運(yùn)動(dòng)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(dòng)方式時(shí)可以通過手動(dòng)按鈕來實(shí)現(xiàn)，其控制面板如下圖51?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、氣爪旋轉(zhuǎn)、手爪夾緊松開。（2）執(zhí)行元件：將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換元件，并對(duì)外做功。按強(qiáng)度條件對(duì)活塞桿的直徑進(jìn)行計(jì)算，因采用推夾緊的結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊（液壓氣動(dòng)分卷）〉〉，選取缸筒內(nèi)徑25mm＞，故取D=25mm。在結(jié)構(gòu)上，單桿活塞缸應(yīng)用最多。此時(shí)，根據(jù)式（47）和（49）有所以夾持誤差，結(jié)果與計(jì)算法吻合。手指材料的恰當(dāng)選用，對(duì)機(jī)械手的使用效果影響也很大，為了符合手部的結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)保證手指有足夠的強(qiáng)度，本機(jī)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(gè)吸盤同時(shí)裝在一個(gè)手腕上。按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。表35所選器材列表名稱型號(hào)或規(guī)格數(shù)量名稱型號(hào)或規(guī)格數(shù)量PLCFX1N60MR1限位開關(guān)LX191118電磁閥VF31301轉(zhuǎn)換開關(guān)LW651按鈕LA101H13熔斷器RC1A30/152連接導(dǎo)線若干 本章對(duì)設(shè)計(jì)中夾緊機(jī)構(gòu)做了介紹說明，并對(duì)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、編碼盤、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元以及傳感器進(jìn)行了選型，其中還對(duì)步進(jìn)電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)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(hào)輸入端?；蜌鈯A的正反轉(zhuǎn)限位采用接近開關(guān)（金屬傳感器）如圖35，通過調(diào)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(zhuǎn)角度。驅(qū)動(dòng)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(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。（3） 混合型步進(jìn)電機(jī)：是永磁式和反應(yīng)式相結(jié)合的一種形式。 號(hào)DS45RP775類型直流電動(dòng)機(jī)額定電壓324V外形尺寸 齒輪箱直徑45（mm）步進(jìn)電機(jī)是一種可以直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件，具有控制簡單、響應(yīng)速度快、工作可靠、無累積誤差等優(yōu)點(diǎn)。采用絲杠、螺母結(jié)構(gòu)傳動(dòng)的特點(diǎn)是易于自鎖、位置精度較高，傳動(dòng)效率較高。 軀干軀干有底盤和手臂兩部分組成。夾緊結(jié)構(gòu)形式多樣、有機(jī)械式、吸盤式和電磁式等。 夾緊機(jī)構(gòu)機(jī)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(yīng)大于電源的峰值電壓。PLC是用微處理器實(shí)現(xiàn)繼電器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器以及A/D、D/A模擬轉(zhuǎn)換器件的組合體的功能，采用軟件編程進(jìn)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(diǎn)數(shù)，使用方便，在FX3U的左側(cè)最多可以連接10臺(tái)特殊適配器其中通過使用高速輸入適配器可以實(shí)現(xiàn)最多8路、最高200kHz的高速計(jì)數(shù)。它們采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)。在FX系列PLC中設(shè)置了高數(shù)計(jì)數(shù)器，對(duì)來自特定的輸入繼電器的高頻脈沖進(jìn)行中斷處理，擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。西門子S7200系列PLC 突出的特點(diǎn)：可靠性高、操作簡便；豐富的內(nèi)置集成功能；強(qiáng)勁通訊能力；豐富的擴(kuò)展模塊；簡單、易用的Micro/WIN編程軟件。總之，可編程控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。豐富的I/O接口模塊PLC 針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)，如：交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強(qiáng)電或弱電等?；緝?nèi)容：1．選擇和確定總體設(shè)計(jì)方案；2．設(shè)計(jì)電氣控制原理框圖；3．進(jìn)行PLC的選型及I/O分配；4．設(shè)計(jì)PLC硬件系統(tǒng)；5．PLC控制程序的編寫及調(diào)試；擬解決的問題：1．首先必須對(duì)機(jī)械手進(jìn)行調(diào)查，搞清楚PLC機(jī)械手的工藝過程、工作特點(diǎn)、明確控制要求以及各階段的特點(diǎn)之間的工作原理；2．確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設(shè)備，選擇合適的PLC類型，并分配I/O點(diǎn)；3．機(jī)械手手爪的詳細(xì)設(shè)計(jì)；4．控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。 總體設(shè)計(jì)要求圖11機(jī)械手示意圖手爪張開閉合 手腕旋轉(zhuǎn) 3 、水平移動(dòng) 升降 5 、立柱旋轉(zhuǎn) 手爪 7 、手腕電動(dòng)機(jī) 橫軸 豎軸 豎軸電動(dòng)機(jī) 1橫軸電動(dòng)機(jī) 1底盤 1底盤電動(dòng)機(jī)2. 機(jī)械手工作流程機(jī)械手工作流程是：開始運(yùn)行后，如果機(jī)械手不在初始位置上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)(橫軸向手抓方向移動(dòng)，豎軸向上移動(dòng))。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實(shí)現(xiàn)，具有編程簡單、修改容易、可靠性高等。電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)可以采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。總之，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)離不開直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服液壓馬達(dá)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂和軀干。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(yīng)用得更為廣泛。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。國家級(jí)期刊主管單位是國家部門或直屬部門。一般來說，學(xué)術(shù)論文具有論證色彩，或具有論辯色彩?！　?) 著錄參考文獻(xiàn)有利于節(jié)省論文篇幅。氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是在控制系統(tǒng)的指令下，能將工件迅速、靈活、準(zhǔn)確、可靠地抓起并運(yùn)送到指定位置，因此本設(shè)計(jì)采用PLC可編程控制器作為工件抓取機(jī)械手的控制系統(tǒng)，首先根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作流程和輸入輸出要求選擇了PLC的型號(hào)，然后根據(jù)機(jī)械手功能和特性對(duì)各原件進(jìn)行了選型并對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算與校和，之后對(duì)機(jī)械手手爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算與校和，在此基礎(chǔ)上對(duì)電氣回路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后對(duì)控制系統(tǒng)硬件及編輯原件進(jìn)行了選擇，同時(shí)確定I/O接口，進(jìn)行程序的編輯與調(diào)試，從而使機(jī)械手完成最后的裝夾任務(wù)。機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，本設(shè)計(jì)介紹的是機(jī)械手模型基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?！　?) 著錄參考文獻(xiàn)能起索引作用。三、創(chuàng)造性學(xué)術(shù)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(yīng)對(duì)大量的事實(shí)、材料進(jìn)行分析、研究，使感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。省級(jí)期刊主管單位是省級(jí)單位。應(yīng)用機(jī)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(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，并投入了大量的物力和財(cái)力加以研究和應(yīng)用。第三類是專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確地定位。本設(shè)計(jì)的手爪部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)[。從技術(shù)方面來說，本文國已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ)[。手臂采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由PLC發(fā)出控制脈沖控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)手臂的進(jìn)給和定位，手爪采用氣壓驅(qū)動(dòng)。（5）對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選；（6）良好的自診斷功能