【文章內(nèi)容簡介】 引言機械手的出現(xiàn)目的是為了減輕工人的勞動力，提高勞動生產(chǎn)率，以及代替勞動者在高溫、高壓、噪聲、等對人體有危害的場合工作，隨著工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化，越來越多的行業(yè)已經(jīng)開始大規(guī)模的使用機械手了，如：焊接、搬運、裝配等等。再加上微電子技術在機械手中的應用，特別是計算機技術的融入，機械手的發(fā)展和應用水平也進一步的提高，在軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)領域中得到了廣泛的使用。總而言之，機械手是提高勞動率，改善勞動條件，減輕勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)自動化的一個重要手段，在國內(nèi)外對其的應用和發(fā)展十分的重視?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）是其中一個控制機械手能在工業(yè)環(huán)境下能夠運行的工業(yè)控制裝置。由于其其編程簡單，可在現(xiàn)場修改編程；通用性好，能擴展；實用性強，硬件配套齊全在工業(yè)領域中廣泛應用[1]。本次課題設計的機械手就是通過PLC來自動化控制機械手的運行，通過這次的設計來提高對PLC的相關知識了解，將所知道的PLC內(nèi)容能應用到本次的課題當中，將理論能更好的應道實踐當中。機械手自20世紀60年代問世以來，經(jīng)過多年的發(fā)展已成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中重要的機電設備。在現(xiàn)代工業(yè)中，正式在使用的機械手很多屬于第一代的機械手，這些機械手基本上采用點位控制系統(tǒng)，主要用于焊接、噴漆和搬運。第二代機械手是安裝有接觸類傳感器的程序控制機械手，能夠根據(jù)外部環(huán)境的信息對控制程序進行校正[2]。隨著科學技術的不斷發(fā)展，第三代機械手在第一、二代的基礎上發(fā)展起來，它是能感知外部環(huán)境與對象，并具有對復雜信息能夠處理，能對自己行為作出自主決策的智能化機械手，具有專家知識，語音功能和自學能力等人工智能[3]。在新世紀的曙光下的人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險的勞動環(huán)境下的工作都由機器人代替人工，因此世界工業(yè)機械手的數(shù)目每年在遞增。隨著機器人應用的深化和滲透，工業(yè)機械手在不同行業(yè)不斷的開辟新用途。機械手的發(fā)展也已經(jīng)由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉變，并隨電子技術的發(fā)展和科技的進步，該項技術將日益完善。我國的工業(yè)機械手是從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的大力支持下，通過“75”“85”科技攻關，目前國內(nèi)生產(chǎn)了部分機器人關鍵元件，開發(fā)出點焊，裝配，搬運等機械手。但相較于國外的工業(yè)機械手技術我國還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品，機械手應用工程起步晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術低。國外的工業(yè)機械手發(fā)展趨勢：機械手性能不斷提高而且價格不斷下降；機械結構模塊化、可重構化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機控制方向發(fā)展；傳感器在機械手上的應用【4】。國內(nèi)的發(fā)展狀況：在一些方面基本掌握了機械手操作機的設計制造技術，解決了控制驅動系統(tǒng)的設計和配置，軟件的設計和編制等，掌握了自動化噴漆、弧焊自動線及其周邊配套設備的全套自動通信、協(xié)調(diào)控制技術【5】。2控制方案 本次設計的控制系統(tǒng)采用的是PLC控制機械手，相比于單片機雖然成本有所提高，但其輸出帶負載能力和抗干擾能力強、可靠性好、環(huán)境適應能力強。在工業(yè)中所用到的機械手大多都在環(huán)境惡劣的地方代替工人做業(yè)，將PLC的優(yōu)勢完全的體現(xiàn)出來了，因此本次的控制方案采用PLC。也許有人也會問為什么不用工控計算機來控制呢，它也有PLC的那些優(yōu)點，而且功能更完備，但由于考慮到其成本太高，編程復雜，而PLC的那些功能足以控制機械手了，因此在對于機械手的控制上大多數(shù)都采用PLC控制，這也是本次采用PLC的原因。下面是對PLC的介紹。（PLC）的概述可編程序控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC或PC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展起來的，它加入了微計算機技術后功能不斷增強，逐漸適應復雜的控制任務。PLC由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴展單元和其他外圍設備組成【6】。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成。其結構簡圖如圖1所示：外設I/O接口 輸出部件存儲器 EPROM 微處理器 運算器 控制器電源 輸入部件I/O擴展接口 I/O擴展單元 受控元件輸入信號外部設備 圖2 1 PLC結構圖PLC發(fā)展如此迅速是因為他具有一些其他控制系統(tǒng)（如DOS和通用計算機等）所不及的一些特點。靈活、通用在繼電器控制系統(tǒng)中，使用的控制器件是大量的繼電器，整個系統(tǒng)是根據(jù)設計好的電器控制圖，由人工布線、焊接、固定等手段組裝完成的，其過程費時費力。如果因為工藝上的稍許變化，需要改變電器控制系統(tǒng)的話，那么原先的整個電器控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進行布線、焊接、固定等工作，浪費了大量的人力、物力和時間。而可編程控制器是通過存儲在存儲器中的程序實現(xiàn)控制功能的，如果控制功能需要改變的話，只需要修改程序以及改動極少量的接線即可。而且，同一臺可編程控制器還可以用于不同的控制對象，只要改變軟件就可以實現(xiàn)不同的控制要求，因此具有很大的靈活性、通用性?？煽啃愿?、抗干擾能力強對于機械手系統(tǒng)來說，可靠性、抗干擾能力是非常重要的指標，如何能在各種工作環(huán)境和條件(如電磁干擾、低溫潮濕、灰塵超高溫等)下，平穩(wěn)可靠的工作，將故障率降至最低，是研制每一種控制系統(tǒng)必須考慮的問題?，F(xiàn)代PLC采用了集成度很高的微電子器件，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，其可靠性程度是使用機械觸點的繼電器所無法比擬的。為了保證PLC能在惡劣的工業(yè)環(huán)境可靠的工作，在其設計和制造過程中采取了一系列硬件和軟件方面的抗干擾措施，使其可以適應惡劣的工業(yè)應用環(huán)境。操作方便、維修容易PLC采用電氣操作人員熟悉的梯形圖和功能助記符編程，使用戶十分方便的讀懂程序和編寫、修改程序。對于使用者來說，幾乎不需要專門的計算機知識。工程師編好的程序十分清晰直觀，只要寫好操作說明書，操作人員經(jīng)短期的學習就可以使用。功能強現(xiàn)代PLC不僅具有條件控制、計時、計數(shù)和步進等控制功能，而且還能完成A/D、D/A轉換、數(shù)字運算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等。因此，它既可控制開關量，又可控制模擬量；既可控制一個機械手，又可控制一個機械手群；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)；既可現(xiàn)場控制，又可遠程控制。體積小、重量輕和易于實現(xiàn)機電一體化由于PLC采用了半導體集成電路。因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點。且PLC是為工業(yè)控制設計的專用計算機，其結構緊湊、堅固耐用、體積小巧，并由于具備很強的可靠性和抗干擾能力，使之易于裝入機械設備內(nèi)部，因而成為實現(xiàn)機電一體化十分理想的控制設備【7】?，F(xiàn)代PLC的發(fā)展主要有兩個趨勢：一是向體積更小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展；二是想大型網(wǎng)絡化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展。網(wǎng)絡化和通信能力強勢PLC發(fā)展的一個重要方面，向下課將多個PLC、I/O框架相連，向上與工業(yè)計算機、以太網(wǎng)、MAP網(wǎng)等相連構成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。隨著自調(diào)整、步進電機、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領域更加寬廣。3機械手控制系統(tǒng)硬件介紹本系統(tǒng)的硬件主要有三大部分組成：機械手本體、PLC控制單元、觸摸屏組成。機械手本體按功能分課分為二軸平移機構、旋轉手臂機構、夾手、支架、限位開關等部件；按活動關節(jié)分為S軸、L軸、U軸、T軸、B軸等機構，其結構示意圖如圖21所示：圖31 機械手示意圖機械手的控制系統(tǒng)是安裝在機械手上的步進電機、傳感器、直流電機和驅動步進電機運行的步進電機驅動器等。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的【8】。 本次設計采用二相八拍混合式步進電機來控制機械手的動作，相比直流電機有更好的制動效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機械手的運動更加穩(wěn)定。主要特點：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉矩等優(yōu)點。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣接線圖如圖22所示：圖32 步進電機電氣接線圖 步進電機驅動器步進電機驅動器主要有電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。本次用到的型號為SH2H057。驅動器部分參數(shù)如下表21。PLC控制器與步進電機驅動器連接及工作原理，如圖23所示。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。驅動器電源由面板上電源模塊提供，驅動器信號端采用+24V供電。驅動器輸入端為低電平有效。PLC通過控制其輸出點來控制驅動器光耦的開合，當PLC輸出線圈得電時，晶體管導通，相應的觸電輸出低電平，使驅動器光耦導通，當PLC輸出線圈失電時，晶體管關斷，使驅動器光耦截止。另外若不采用驅動器，而采用PLC輸出觸點直接驅動步進電機，會占用很多的輸出觸點，同時給編程帶來不便。表31 接線信號描述信 號功 能PUL脈沖信號：上升沿有效，每當脈沖由低變高時電機走一步DIR方向信號：用于改變電機轉向，TTL平驅動OPTO光耦驅動電源ENA使能信號：禁止或允許驅動器工作，低電平禁止GND直流電源地+V直流電源正極，典型值+24VA+電機A相A電機A相B+電機B相B電機B相