【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 式靈活、可靠性高、操作簡(jiǎn)單、維修容易。由于 PLC 所具有的靈活性、模塊化、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的不同工作要求。機(jī)械手采用 PLC 控制技術(shù)，可以大大提高該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器和硬件接線(xiàn)，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，用 PLC 控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。 上述的選擇方案各有優(yōu)缺點(diǎn) ，這次對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不需要選擇速度最快的硬件器件，也不需要可 視化的圖形編程語(yǔ)言和平臺(tái) ， 而是在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量降低系統(tǒng)的運(yùn)行速度和開(kāi)發(fā)成 本，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。且要求能方便地更改工作流程，完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。 綜上所述，機(jī)械手的控制方式選擇 PLC 控制。 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 （二） PLC 簡(jiǎn)介 PLC 和一般的微型計(jì)算機(jī)基本相同，也是由硬件系統(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(chǔ)器 (EPROM， ROM)、輸入輸出 (I/O)部件、電源部件、編程器、 I/O 擴(kuò)展單元和其他外圍設(shè)備組成。各 部分通過(guò)總線(xiàn) (電源總線(xiàn)、控制總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn) )連接而成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下： 圖 1 PLC 硬件系統(tǒng)組成 PLC 的軟件系統(tǒng)是指 PLC 所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶(hù)程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個(gè) PLC 成品必須包括的部分，由 PLC 廠家提供，用于控制 PLC 本身的運(yùn)行，系統(tǒng)程序固化在 EPROM 中。用戶(hù)程序是由用戶(hù)根據(jù)控制需要而編寫(xiě)的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個(gè)完整的 PLC 系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。 組成 中央處理單元（ CPU）、存儲(chǔ)器、 I/O 單元、電源部分、擴(kuò)展接口、 通信接口 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 的特點(diǎn) 可編程序控制器是一種以微機(jī)處理器為核心的工業(yè)通用自動(dòng)控制裝置，其實(shí)質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的機(jī)械手系統(tǒng)，它們的控制形式大都采用可編程序控制器控制，特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍。 其主要原因是因?yàn)?PLC 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 靈活、通用 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 操作方便、維修容易 功能強(qiáng) 體積小、重量輕和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 同樣，可編程序控制器控制也有其不足的地方，在性?xún)r(jià)比上要高于繼電器控制和單片機(jī)控制，其開(kāi)發(fā)潛力要差于單片 機(jī)，并且通用性不好，不同廠家的可編程序控制器以及其附屬單元都是固定專(zhuān)用等等。 3. PLC 的主要功能 PLC 是一種應(yīng)用面很廣、發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動(dòng)化裝置，在工廠自動(dòng)化 (FA)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS)內(nèi)占重要地位。 PLC 系統(tǒng)主要有以下功能： 多種控制功能； 數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能； 通信聯(lián)網(wǎng)功能； 輸入、輸出接口調(diào)理功能； 人機(jī)界面功能； 編程、調(diào)試功能。 PLC 的重量、體積、功耗和硬件價(jià)格一直在降低，雖然軟件價(jià)格占的比重有所增加，但是各廠商為了競(jìng)爭(zhēng)也相應(yīng)地降低了價(jià)格。另外，采用 PLC 還可以大大縮短設(shè)計(jì)、編程和投產(chǎn)周期，使總價(jià)格進(jìn)一步降低。 PLC 產(chǎn)品面臨現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展，將再次革新，滿(mǎn)足工業(yè)與民用控制的更高需求。 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 4. PLC 的經(jīng)濟(jì)性分析 綜上所述，在各種環(huán)境中，使用 PLC 控制機(jī)構(gòu)設(shè)備，生產(chǎn)流水線(xiàn)和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制將越來(lái)越廣泛。 對(duì) PLC 的經(jīng)濟(jì)分析，應(yīng)從以下兩個(gè)方面考慮： （ 1）從影響成本的各個(gè)因素綜合考慮 對(duì)目前生產(chǎn)設(shè)備控制裝置來(lái)說(shuō)，有繼電器控制、半導(dǎo)體器件控制以及 PLC 控制三種類(lèi)型。價(jià)格僅是選擇 PLC 品牌的一個(gè)因素，而可靠性是選擇控制裝置時(shí)需要考慮的又一個(gè)重要因素。 （ 2）從設(shè)計(jì) 、生產(chǎn)周期長(zhǎng)短考慮 的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展?fàn)顩r PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線(xiàn)邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的界限，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)日常維護(hù)也變得容易起來(lái)，更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序而改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。使用情況主要分為如下幾類(lèi)： 開(kāi)關(guān)量邏輯控制 工業(yè)過(guò)程控制 運(yùn)動(dòng)控制 數(shù)據(jù)處理 通信及聯(lián)網(wǎng) 現(xiàn)代 PLC 的發(fā)展主要有兩個(gè)趨勢(shì)：一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價(jià)格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展。 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 （三）組態(tài)王簡(jiǎn)介 組態(tài)王 是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件 ， 它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶(hù)提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)通過(guò)組態(tài) 王 軟件對(duì)機(jī)械手進(jìn)行監(jiān)控，將機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)畫(huà)顯示，使機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程更加形象化。 能夠方便的和 PLC 進(jìn)行連接，故采用組態(tài)王作為上位機(jī)軟件。 使用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真的基本方法： (1)圖形界面的設(shè)計(jì) (2)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù) (3)建立動(dòng)畫(huà)連接 (4)運(yùn)行和調(diào)試 使用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)具有以下幾個(gè)特點(diǎn) : (1)實(shí)驗(yàn)全部用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn) ,只需利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)就可完成自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn) ,從而大大減少購(gòu)置儀器的經(jīng)費(fèi)。 (2)該系統(tǒng)是中文界面 ,具有 人機(jī)界面 友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)用戶(hù)而言 ,操作簡(jiǎn)單易學(xué)且編程簡(jiǎn)單 ,參數(shù)輸入與修改靈活 ,具有多次或重復(fù)仿 真運(yùn)行的控制能力 ,可以實(shí)時(shí)地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線(xiàn) ,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn) ,這些很強(qiáng)的交互能力使其在自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)揮理想的效果。 在采用組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)編制 應(yīng)用程序 過(guò)程中要考慮以下三個(gè)方面 : (1)圖形 ,是用抽象的圖形畫(huà)面來(lái)模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的 工控 設(shè)備。 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 (2)數(shù)據(jù) ,就是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫(kù) ,并用此數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量描述工控對(duì)象的各種屬性 ,比如水位、流量等。 (3)連接 ,就是畫(huà)面上的圖素以怎樣的動(dòng)畫(huà)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行 ,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令 。 圖 2 組態(tài)王軟件操作界面 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （四）機(jī)械手系統(tǒng)介紹 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使用的是 QSPLCJXS 機(jī)械手模型裝置。 機(jī)械手實(shí)物教學(xué)模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等機(jī)械部件組成；電氣方面有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器、開(kāi)關(guān)電源、電磁閥等電子器件組成。該模型是 PLC 技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合成一體的教學(xué)儀器。 可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手五維控制，完成料塊的碼放、移動(dòng)等。 圖 該系統(tǒng)由機(jī)械手本體、 PLC 控制單元、電源單元、接口單元，其部件的實(shí)物結(jié)構(gòu)如下圖所示： **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 4. 立體機(jī)械手結(jié)構(gòu)實(shí)物示意圖 機(jī)械手本體按功能分為由二軸平移機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)底盤(pán)、 旋轉(zhuǎn)手臂機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)夾手、支架、限位開(kāi)關(guān)等部件組成； 按活動(dòng)關(guān)節(jié)分為 S 軸、 L 軸、 U 軸、 T 軸、 B 軸等機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意 圖如下所示： **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 5. 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)械手本體的活動(dòng)范圍： （ 1）底盤(pán)的旋轉(zhuǎn)角度：大于 270176。 （ 2）旋轉(zhuǎn)手臂的范圍：大于 270176。 （ 3）水平移動(dòng)的范圍：小于 21cm （ 4）垂直移動(dòng)的范圍：小于 15cm （ 1）步進(jìn)電機(jī) 采用 Syntron 42BYG250C 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制機(jī)械手的動(dòng)作，相比直流電機(jī)有更好的制動(dòng)效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣接線(xiàn)圖如圖 6 所示： 圖 6. 步進(jìn)電機(jī)電氣接線(xiàn)圖 A + ( 紅 )A ( 藍(lán) )( 綠 )B +( 黑 )B **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)如下： 電機(jī)固有步距角 ， 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如 86BYG250A 型電機(jī)給出的值為 176。/ 176。（表示半步工作時(shí)為 176。、整步工作時(shí)為 176。），這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為 ‘電機(jī)固有步距角 ’，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線(xiàn)圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一 般二相電機(jī)的步距角為 176。/ 176。、三相的為 176。/ 176。、五相的為 176。/ 176。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶(hù)主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿(mǎn)足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則 ‘相數(shù) ’將變得沒(méi)有意義，用戶(hù)只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 保持轉(zhuǎn)矩（ HOLDING TORQUE）是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增 大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō) 的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 的步進(jìn)電機(jī)。 DETENT TORQUE： 是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 DETENT ORQUE在國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒(méi)有 DETENT TORQUE。 圖 7. 步進(jìn)電機(jī) **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 （ 2） 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 實(shí)驗(yàn)室里采用 Syntron SH20403 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要有電源輸入 部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等。下圖為該細(xì)分驅(qū)動(dòng)器示意圖及 PLC 與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接圖： 圖 圖 9. PLC 與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接圖 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如下表 表 表 表 表 5 所示。 PLC 控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接及工作原理，如圖 9 所示。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。驅(qū)動(dòng)器電源由面板上電源模塊提供，驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端采用 +24V供電，需加 限流電阻（見(jiàn)圖 9 中 電阻）。驅(qū)動(dòng)器輸入 端為低電平有效。 PLC 通過(guò)控制其輸出點(diǎn)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器光耦的開(kāi)合，當(dāng) PLC 輸出線(xiàn)圈得電時(shí)，晶體管導(dǎo)通。 相應(yīng)的觸點(diǎn)輸出低電平，使驅(qū)動(dòng)器光耦導(dǎo)通，當(dāng) PLC 輸出線(xiàn)圈失電時(shí)，晶體管關(guān)斷，使驅(qū)動(dòng)器光耦截止。另外若不采用驅(qū)動(dòng)器，而采用 PLC 輸出觸點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，會(huì)占用很多的輸出觸點(diǎn)，同時(shí)給編程帶來(lái)不便。 下圖為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖： 圖 10. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 以下為驅(qū)動(dòng)器的一些性能參數(shù)表 : 表 1. 電流設(shè)定 電流值 SW5 SW6 SW7 ON ON ON ON ON OFF ON OFF ON ON OFF OFF 0FF ON ON OFF ON OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 表 2. 性能指標(biāo) 供電電源 10V40VDC,容量 重量 輸出電流 峰值 3A/相（ MAX） 絕緣電阻 在常溫常壓下小于 100MΩ 驅(qū)動(dòng)方式 恒相流 PWM 控制 絕緣強(qiáng)度 在常溫常壓下 ， 1Min 表 2. 電氣規(guī)格 說(shuō)明 最小值 典型值 最大值 單位 供電 電壓 18 24 40 V 均值輸出電流 1 A 邏輯輸入電流 6 15 30 mA 步進(jìn)脈沖響應(yīng)頻率 — — 100 kHz 脈沖低電平時(shí)間 5 — 1 μs 表 4. 細(xì)分設(shè)定 細(xì)分倍數(shù) 步數(shù) /圈（ 整步） SW1 SW2 SW3 保留 ON ON ON 半步 100 ON OFF OFF 1 200 OFF OFF OFF 4 800 OFF ON OFF 8 1600 ON ON OFF 16 3200 OFF OFF ON 32 6400 ON OFF ON 64 12800 OFF ON ON 表 5. 接線(xiàn)信號(hào)描述 信 號(hào) 功 能 CP 脈沖信號(hào)：下降沿有效，共陽(yáng)極時(shí)脈沖低電平持續(xù)時(shí)間不小于 10μ s 時(shí)間不小于 時(shí)間不小于 0%