【文章內(nèi)容簡介】 式靈活、可靠性高、操作簡單、維修容易。由于 PLC 所具有的靈活性、模塊化、易于擴展等特點，可以根據(jù)現(xiàn)場要求實現(xiàn)機械手的不同工作要求。機械手采用 PLC 控制技術(shù)，可以大大提高該系統(tǒng)的自動化程度，減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時，用 PLC 控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程，增強控制功能。 上述的選擇方案各有優(yōu)缺點 ，這次對于控制系統(tǒng)的設(shè)計不需要選擇速度最快的硬件器件，也不需要可 視化的圖形編程語言和平臺 ， 而是在達到設(shè)計要求的前提下，盡量降低系統(tǒng)的運行速度和開發(fā)成 本，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。且要求能方便地更改工作流程，完成復(fù)雜的運動控制。 綜上所述，機械手的控制方式選擇 PLC 控制。 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 （二） PLC 簡介 PLC 和一般的微型計算機基本相同，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(shè)備組成。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(jié)構(gòu)簡圖如下： 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)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個 PLC 成品必須包括的部分，由 PLC 廠家提供，用于控制 PLC 本身的運行，系統(tǒng)程序固化在 EPROM 中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的 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）、存儲器、 I/O 單元、電源部分、擴展接口、 通信接口 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 的特點 可編程序控制器是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機。國內(nèi)外現(xiàn)有的機械手系統(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)機械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍。 其主要原因是因為 PLC 具有以下優(yōu)點： 靈活、通用 可靠性高、抗干擾能力強 操作方便、維修容易 功能強 體積小、重量輕和易于實現(xiàn)機電一體化 同樣，可編程序控制器控制也有其不足的地方，在性價比上要高于繼電器控制和單片機控制，其開發(fā)潛力要差于單片 機，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)自動化裝置，在工廠自動化 (FA)和計算機集成制造系統(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； 人機界面功能； 編程、調(diào)試功能。 PLC 的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應(yīng)地降低了價格。另外，采用 PLC 還可以大大縮短設(shè)計、編程和投產(chǎn)周期，使總價格進一步降低。 PLC 產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求。 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 4. PLC 的經(jīng)濟性分析 綜上所述，在各種環(huán)境中，使用 PLC 控制機構(gòu)設(shè)備，生產(chǎn)流水線和生產(chǎn)過程的自動化控制將越來越廣泛。 對 PLC 的經(jīng)濟分析，應(yīng)從以下兩個方面考慮： （ 1）從影響成本的各個因素綜合考慮 對目前生產(chǎn)設(shè)備控制裝置來說，有繼電器控制、半導(dǎo)體器件控制以及 PLC 控制三種類型。價格僅是選擇 PLC 品牌的一個因素，而可靠性是選擇控制裝置時需要考慮的又一個重要因素。 （ 2）從設(shè)計 、生產(chǎn)周期長短考慮 的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展?fàn)顩r PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的界限，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時日常維護也變得容易起來，更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。使用情況主要分為如下幾類： 開關(guān)量邏輯控制 工業(yè)過程控制 運動控制 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（論文） 8 （三）組態(tài)王簡介 組態(tài)王 是一套用于快速構(gòu)造和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件 ， 它具有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計通過組態(tài) 王 軟件對機械手進行監(jiān)控，將機械手的動作過程進行了動畫顯示，使機械手的動作過程更加形象化。 能夠方便的和 PLC 進行連接，故采用組態(tài)王作為上位機軟件。 使用組態(tài)王實現(xiàn)控制系統(tǒng)實驗仿真的基本方法： (1)圖形界面的設(shè)計 (2)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫 (3)建立動畫連接 (4)運行和調(diào)試 使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個特點 : (1)實驗全部用軟件來實現(xiàn) ,只需利用現(xiàn)有的計算機就可完成自動控制系統(tǒng)課程的實驗 ,從而大大減少購置儀器的經(jīng)費。 (2)該系統(tǒng)是中文界面 ,具有 人機界面 友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點。對用戶而言 ,操作簡單易學(xué)且編程簡單 ,參數(shù)輸入與修改靈活 ,具有多次或重復(fù)仿 真運行的控制能力 ,可以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線 ,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實時趨勢曲線 ,這些很強的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實驗中可以發(fā)揮理想的效果。 在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制 應(yīng)用程序 過程中要考慮以下三個方面 : (1)圖形 ,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的 工控 設(shè)備。 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 (2)數(shù)據(jù) ,就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫 ,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性 ,比如水位、流量等。 (3)連接 ,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運行 ,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（論文） 10 （四）機械手系統(tǒng)介紹 本次畢業(yè)設(shè)計使用的是 QSPLCJXS 機械手模型裝置。 機械手實物教學(xué)模型的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等機械部件組成；電氣方面有步進電機、直流電機、步進電 機驅(qū)動器、傳感器、開關(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)、氣動技術(shù)有機結(jié)合成一體的教學(xué)儀器。 可實現(xiàn)機械手五維控制，完成料塊的碼放、移動等。 圖 該系統(tǒng)由機械手本體、 PLC 控制單元、電源單元、接口單元，其部件的實物結(jié)構(gòu)如下圖所示： **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 4. 立體機械手結(jié)構(gòu)實物示意圖 機械手本體按功能分為由二軸平移機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)底盤、 旋轉(zhuǎn)手臂機構(gòu)、氣動夾手、支架、限位開關(guān)等部件組成； 按活動關(guān)節(jié)分為 S 軸、 L 軸、 U 軸、 T 軸、 B 軸等機構(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（論文） 12 圖 5. 機械手結(jié)構(gòu)示意圖 機械手本體的活動范圍： （ 1）底盤的旋轉(zhuǎn)角度：大于 270176。 （ 2）旋轉(zhuǎn)手臂的范圍：大于 270176。 （ 3）水平移動的范圍：小于 21cm （ 4）垂直移動的范圍：小于 15cm （ 1）步進電機 采用 Syntron 42BYG250C 兩相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(zhuǎn)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 6 所示： 圖 6. 步進電機電氣接線圖 A + ( 紅 )A ( 藍 )( 綠 )B +( 黑 )B **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 步進電機的參數(shù)如下： 電機固有步距角 ， 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為 176。/ 176。（表示半步工作時為 176。、整步工作時為 176。），這個步距角可以稱之為 ‘電機固有步距角 ’，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。 步進電機的相數(shù)是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一 般二相電機的步距角為 176。/ 176。、三相的為 176。/ 176。、五相的為 176。/ 176。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則 ‘相數(shù) ’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 保持轉(zhuǎn)矩（ HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機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電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說 的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 的步進電機。 DETENT TORQUE： 是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 DETENT ORQUE在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有 DETENT TORQUE。 圖 7. 步進電機 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 （ 2） 步進電機驅(qū)動器 實驗室里采用 Syntron SH20403 細(xì)分驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動器主要有電源輸入 部分、信號輸入部分、輸出部分等。下圖為該細(xì)分驅(qū)動器示意圖及 PLC 與步進電機驅(qū)動器連接圖： 圖 圖 9. PLC 與步進電機驅(qū)動器連接圖 **大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 驅(qū)動器參數(shù)如下表 表 表 表 表 5 所示。 PLC 控制器與步進電機驅(qū)動器連接及工作原理，如圖 9 所示。步進電機驅(qū)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(qū)動器可以很方便的對步進電機的轉(zhuǎn)速、方向進行控制。驅(qū)動器電源由面板上電源模塊提供，驅(qū)動器信號端采用 +24V供電，需加 限流電阻（見圖 9 中 電阻）。驅(qū)動器輸入 端為低電平有效。 PLC 通過控制其輸出點來控制驅(qū)動器光耦的開合，當(dāng) PLC 輸出線圈得電時，晶體管導(dǎo)通。 相應(yīng)的觸點輸出低電平，使驅(qū)動器光耦導(dǎo)通，當(dāng) PLC 輸出線圈失電時，晶體管關(guān)斷，使驅(qū)動器光耦截止。另外若不采用驅(qū)動器，而采用 PLC 輸出觸點直接驅(qū)動步進電機，會占用很多的輸出觸點，同時給編程帶來不便。 下圖為步進電機驅(qū)動器實物圖： 圖 10. 步進電機驅(qū)動器 以下為驅(qū)動器的一些性能參數(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（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)動方式 恒相流 PWM 控制 絕緣強度 在常溫常壓下 ， 1Min 表 2. 電氣規(guī)格 說明 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 步進脈沖響應(yīng)頻率 — — 100 kHz 脈沖低電平時間 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. 接線信號描述 信 號 功 能 CP 脈沖信號：下降沿有效，共陽極時脈沖低電平持續(xù)時間不小于 10μ s 時間不小于 時間不小于 0%