【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 述 機(jī) 械 手 是 一 種 能 模 擬 人 的 手 臂 的 部 分 動(dòng) 作 ，按 預(yù) 定 的 程 序 軌 跡 及 其 它要 求 ，實(shí) 現(xiàn) 抓 取 、搬 運(yùn) 工 作 或 操 縱 工 具 的 自 動(dòng) 化 裝 置 。而 可 編 程 邏 輯 控 制器 (PLC)由 于 其 具 有 的 高 可 靠 性 、 編 程 方 便 、 易 于 使 用 和 修 改 、 易 于 擴(kuò) 展和 維 護(hù) 、環(huán) 境 要 求 低 、體 積 小 巧 、安 裝 測(cè) 試 方 便 等 性 能 在 工 業(yè) 控 制 中 有 著廣 泛 的 應(yīng) 用 。根 據(jù) 我 們 所 設(shè) 計(jì) 的 機(jī) 械 手 的 驅(qū) 動(dòng) 部 件 為 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器 的 特點(diǎn) ， 我 們 采 用 了 日 本 三 菱 公 司 生 產(chǎn) 的 FX2N 系 列 控 制 基 本 單 元 模 塊 ， 用 來(lái)產(chǎn) 生 控 制 脈 沖 和 電 平 ， 來(lái) 控 制 機(jī) 械 手 的 運(yùn) 行 。 2 四 自 由 度 機(jī) 械 手 的 結(jié) 構(gòu) 及 運(yùn) 動(dòng) 四 自 由 度 機(jī) 械 手 為 圓 柱 坐 標(biāo) 型 ， 可 實(shí) 現(xiàn) X 軸 伸 縮 、 Z 軸 升 降 、 底 盤 、腕 回 轉(zhuǎn) 功 能 。驅(qū) 動(dòng) 全 部 采 用 步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 ，夾 爪 采 用 氣 動(dòng) 方 式 控 制 。機(jī) 械手 主 要 完 成 從 存 貨 區(qū) 到 指 定 位 置 之 間 的 貨 物 分 揀 傳 遞 。 (1) 四 自 由 度 機(jī) 械 手 主 要 性 能 指 標(biāo) X 軸 :最 大 移 動(dòng) 距 離 420mm Z 軸 :最 大 移 動(dòng) 距 離 420mm 底 盤 回 轉(zhuǎn) :最 小 控 制 轉(zhuǎn) 角 176。， 最 大 回 轉(zhuǎn) 角 小 于 等 于 300176。 腕回轉(zhuǎn) :最 小 控 制 角 176。， 最 大 回 轉(zhuǎn) 角 小 于 等 于 300176。 3 機(jī) 械 手 的 工 作 原 理 機(jī) 械 手 的 伸 縮 、升 降 、轉(zhuǎn) 盤 、抓 手 的 運(yùn) 動(dòng) 是 由 步 進(jìn) 電 機(jī) 來(lái) 完 成 的 。其 步進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器 的 輸 入 脈 沖 和 電 平 信 號(hào) 是 由 PLC 基 本 模 塊 來(lái) 提 供 的 。其 電 路原 理 圖 如 圖 1 所 示 。 2022 屆 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 第 9 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 1 機(jī) 械 手 工 作 的 電 路 原 理 圖 (1) 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器 本 驅(qū) 動(dòng) 器 的 輸 入 信 號(hào) 共 有 3 路 ， 分 別 是 :步 進(jìn) 脈 沖 信 號(hào) CP、 方 向 電 平 信 號(hào)DIR、 脫 機(jī) 信 號(hào) FREE。 它 們 在 驅(qū) 動(dòng) 器 內(nèi) 部 分 別 通 過(guò) 270Ω 的 限 流 電 阻 接 入負(fù) 輸 入 端 ， 且 電 路 形 式 完 全 相 同 。 OPTO 端為 3 路 信 號(hào) 的 公 共 正 端 (3 路光耦 的 正 端 輸 入 )， 3 路 輸 入 信 號(hào) 在 驅(qū) 動(dòng) 器 內(nèi) 部 接 成 共 陽(yáng) 方 式 ， 所 以 OPTO 端須 接 外 部 系 統(tǒng) 的 VCC， 如 果 VCC 是 +5V 則 可 以 直 接 接 入 。如果 VCC 不是 +5V則 需 外 部 另 加 限 流 電 阻 R， 保 證 給 驅(qū) 動(dòng) 器 內(nèi) 部 光 耦 提 供 815mA 的 驅(qū) 動(dòng) 電流。 a) 步 進(jìn) 脈 沖 信 號(hào) CP 步 進(jìn) 脈 沖 信 號(hào) CP 用 于 控 制 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 位 置 和 速 度 ，也 就 是 說(shuō) ,驅(qū) 動(dòng) 器 每 接受 一 個(gè) CP 脈 沖 就 驅(qū) 動(dòng) 步 進(jìn) 電 機(jī) 旋 轉(zhuǎn) 一 個(gè) 步 距 角 ， 改 變 CP 脈 沖 的 頻 率 ,能改 變 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 ，控 制 CP 脈 沖 的 個(gè) 數(shù) ，則 可 以 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 精 確 定 位 。這 樣 就 可 以 很 方 便 的 達(dá) 到 步 進(jìn) 電 機(jī) 調(diào) 速 和 定 位 的 目 的 ， 本 驅(qū) 動(dòng) 器 的 CP 信號(hào) 為 低 電 平 有 效 ， 要 求 CP 信 號(hào) 的 驅(qū) 動(dòng) 電 流 為 815mA，對(duì) CP 的 脈 沖 寬 度也 有 一 定 的 要 求 ， 一 般 不 小 于 5μ 。 b) 方 向 信 號(hào) DIR 方 向 電 平 信 號(hào) DIR 用 于 控 制 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 旋 轉(zhuǎn) 方 向 。此 信 號(hào) 為 高 電 平 時(shí) ，電機(jī)正轉(zhuǎn) 。為 低 電 平 時(shí) ，電 機(jī) 反 轉(zhuǎn) 。電 機(jī) 要 轉(zhuǎn) 向 ，必 須 在 電 機(jī) 停 止 以 后 進(jìn) 行 ，如圖 2 所 示 。 圖 2 CP 的 脈 沖 寬 度 以 及 高 低 電 平 方 式 王波：機(jī)械手模型的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 2 方 向 信 號(hào) DIR (2) FX 模 塊 的 工 作 原 理 FX 是 用 于 位 置 控 制 的 智 能 單 元 。 它 可 以 為 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器 或 伺 服 電 機(jī) 驅(qū)動(dòng)器 提 供 控 制 脈 沖 ， 以 控 制 運(yùn) 動(dòng) 部 件 的 位 置 和 速 度 。 a) 性 能 指 標(biāo) l 每 個(gè) 單 元 可 以 控 制 一 個(gè) 軸 。 l 輸 出 控 制 脈 沖 :8388607~+8388606。 l 脈 沖 速 率 :1~99990 個(gè) /s。 l 脈 沖 速 率 的 變化 :控 制 系 統(tǒng) 可 實(shí) 現(xiàn) 階 梯 式 自 動(dòng) 加 減 速 ,加 速 度 為 每 毫 秒1~999 每 秒 脈 沖 。 l 原 點(diǎn) 搜 索 :可 監(jiān) 測(cè) 原 點(diǎn) 或 原 點(diǎn) 信 號(hào) 。也 可 進(jìn) 行 原 點(diǎn) 補(bǔ) 償 0~9999 個(gè)脈沖 。也 可 高 速 或 接 近 現(xiàn) 有 速 度 搜 索 原 點(diǎn) 。 l 間 隙 補(bǔ) 償 :0~9999 個(gè)脈沖 。 l 手 動(dòng) 操 作 :可 高 速 點(diǎn) 動(dòng) ， 低 速 點(diǎn) 動(dòng) 和 微 動(dòng) 。 l 多 點(diǎn) 定 位 :可 一 次 定 位 20 點(diǎn) ， 以 15 種 速 度 變 化 。 b) 系 統(tǒng) 配 置 圖 5 為 FX 的 結(jié) 構(gòu) 框 圖 。 位 控 單 元 有 自 己 的 微 處 理 器 和 存 儲(chǔ) 器 ，還 有 脈 沖 發(fā) 生 器 和 I/O 接 口 。位 控單 元 既 可 以 被 PC 主 CPU 單 元 控 制 ， 也 可 以 直 接 由 控 制 臺(tái) 的 外 部 輸 入 信 號(hào)控 制 。 一 方 面 它 通 過(guò) 總 路 線 及 接 口 電 路 與 PC 相 連 ， 與 主 CPU 頻 繁 交 換 信息 。另 一 方 面 又 通 過(guò) I/O 連 接 器 接 收 外 部 開 關(guān) 量 輸 入 及 輸 出 脈 沖 。 位 控 單元 根 據(jù) PC 發(fā) 出 的 控 制 指 令 和 接 收 到 的 2022 屆 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 第 11 頁(yè) 共 35 頁(yè) 4 機(jī) 械 手 流 程 圖 及 FX 模 塊 的 數(shù) 據(jù) 區(qū) 設(shè) 置 啟 動(dòng) 后 機(jī) 械 手 的 流 程 (1) 首 先 進(jìn) 行 機(jī) 械 手 的 伸 縮 、 升 降 、 轉(zhuǎn) 盤 和 抓 手 的 重 啟 動(dòng) 和 原 點(diǎn) 搜 索 。 (2) 機(jī) 械 手 的 伸 縮 臂 向 前 ， 同 時(shí) 轉(zhuǎn) 盤 順 時(shí) 針 旋 轉(zhuǎn) ， 一 直 分 別 運(yùn) 行 到 FX 模塊 0 中 設(shè) 置 的 輸 出 脈 沖 個(gè) 數(shù) 時(shí) 停 止 。 (3) 機(jī) 械 手 下 降 ，一 直 到 下 降 到 FX 模塊 0 中 設(shè) 置 的 輸 出 脈 沖 個(gè) 數(shù) 時(shí) 停 止 。 (4) 抓 手 電 磁 閘 啟 動(dòng) ， 抓 手 抓 緊 ， 抓 起 貨 物 A。 (5) 機(jī) 械 手 的 升 降 進(jìn) 行 原 點(diǎn) 搜 索 。 (6) 機(jī) 械 手 的 伸 縮 臂 向 后 ， 同 時(shí) 轉(zhuǎn) 盤 逆 時(shí) 針 旋 轉(zhuǎn) ， 一 直 分 別 運(yùn) 行 到 FX 模塊 1 中 設(shè) 置 的 輸 出 脈 沖 個(gè) 數(shù) 時(shí) 停 止 。 (7) 機(jī) 械 手 下 降 ，一 直 到 下 降 到 FX 模塊 1 中 設(shè) 置 的 輸 出 脈 沖 個(gè) 數(shù) 時(shí) 停 止 。 (8) 抓 手 電 磁 閘 再 次 啟 動(dòng) ， 抓 手 放 松 ， 貨 物 A 放下 。 (9) 再 次 對(duì) 機(jī) 械 手 的 升 降 進(jìn) 行 原 點(diǎn) 搜 索 。 (10) 機(jī) 械 手 的 伸 縮 臂 、 轉(zhuǎn) 盤 進(jìn) 行 原 點(diǎn) 搜 索 ， 全 部 復(fù) 位 。 機(jī)械手分選裝置及工 作方式 機(jī)械手選選剛制大小球（見圖 31），控制面板如圖 33 所示，圖 31 是 PLC 的外部接線圖。輸出繼電器 Y4 為 ON 時(shí)剛球被電磁鐵吸住，為 OFF 時(shí)釋放。 王波：機(jī)械手模型的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 31 工作方式的選擇開關(guān)的 5 個(gè)位置分別位于 5 種工作方式之中，操作面板左下部的 6個(gè)按鈕是手動(dòng)按鈕，為了保證在緊急的情況下（包括 PLC 發(fā)生故障時(shí)）能可靠地切斷 PLC電源，設(shè)置交流接觸器 KM 見圖 31，在 PLC 開始運(yùn) 行時(shí)按下負(fù)載電源按鈕，是 KM 線圈得電并自鎖， KM 的主觸點(diǎn)接通，給外部負(fù)載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況時(shí)用“緊急停車”按鈕斷開負(fù)載電源，對(duì)于電磁鐵吸盤這一類執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在“緊急停車”時(shí)如果斷開它的電源，它吸住的鐵磁物體會(huì)掉下來(lái)，在某些情況下可能造成事故，是不允許這樣處理的。 右行和左行是異步電動(dòng)機(jī)控制的，在控制電動(dòng)機(jī)的交流器 KM1 和 KM2 的線圈回路中，使用了由它們的常閉觸點(diǎn)組成的硬件互鎖電路。 系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)、單周期、單步、連續(xù)和回原點(diǎn) 5 種工作方式，機(jī)械手在最上面、最左邊且電磁鐵線圈斷電時(shí)，稱為系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)（或 稱為初始狀態(tài)）。在公用程序中，左線位開關(guān) X上限位 X4 的常開觸點(diǎn)和表示電磁線圈斷電的 Y4 的常閉點(diǎn)的串聯(lián)電路接通時(shí)，原點(diǎn)條件輔助繼電器 M5 變?yōu)?ON。 如果選擇的是單周期工作方式，按下啟動(dòng)按鈕 X16 后，從初始步 MO，機(jī)械手按順序功能圖的規(guī)定完成一個(gè) 周期的工作后，返回并停留在初始步。如果選擇連續(xù)工作方式，在初始狀態(tài)下按下啟動(dòng)按鈕后機(jī)械手反復(fù)連續(xù)工作，按下停止按鈕并不馬上停止工作，完成PLC L 火220V KMY 升 Y0 PLC X1 左限 K1 鍵 X2 大右限 K2 鍵 X3 小右限 K3 鍵 X4 上限 K 鍵 4 X5 下限 K 鍵 5 X10 手動(dòng) X11 回原 X12 單步 X13 單周 X14 多周 選 K0 代 自 動(dòng) PLC X15 回啟 P 1 鍵 X16 啟 P 2 鍵 X17 預(yù)停 P3 鍵 X20 手吸 P0 代 X21 釋 X22 手升 X23 降 X24 手右 X25 左 手 動(dòng) 按 鈕 N 零 COM2 (+)24V COM1 (+)24V KMΔ 降 Y1 KM 左行 Y3 KM 右行 Y2 YA 吸持 Y4 2022 屆 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 第 13 頁(yè) 共 35 頁(yè) 最后一個(gè)周期的工作后，系統(tǒng)才返回并停留在初始步。在單步工作方式，從初始步開始，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步，完成該步的任務(wù) 后，自動(dòng)停止工作并停留在該步的位置，再按一下啟動(dòng)按鈕，才往前走一步。單步工作方式常用于系統(tǒng)的調(diào)試。 在單周期、連續(xù)和單步工作方式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點(diǎn)狀態(tài)，如果不滿足這一條件，可選擇回原點(diǎn)工作方式，然后按回原點(diǎn)啟動(dòng)按鈕 X15，使系統(tǒng)自動(dòng)返回原點(diǎn)狀態(tài)。在原點(diǎn)狀態(tài)，順序功能、圖中的初始步 M0 為 ON，為進(jìn)入單周期、連續(xù)和單步工作方式做好準(zhǔn)備。 機(jī)械手大小球分選系統(tǒng)示意圖及操作面板 機(jī)械手大小球分選設(shè)備的控制要求 初始態(tài)要求機(jī)械手在原點(diǎn)位置（原點(diǎn)狀態(tài) ＝手臂位于左限位處 +右限位處 +手爪釋放）各開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)， M 停轉(zhuǎn)。按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手動(dòng)作，升降桿下件下降并要求機(jī)械手此時(shí)停留兩秒，在機(jī)械手吸球和釋放球后停留一秒后動(dòng)作。由 SITP 判斷機(jī)械手的工作方（當(dāng) S0=1 時(shí)切換到手動(dòng)方式、當(dāng) S1=1 時(shí)切換到回原點(diǎn)方式、當(dāng) S2=1 時(shí)切換到自動(dòng)方式），在由 SITL 利用 M8041 來(lái)實(shí)現(xiàn)單周、多周的運(yùn)行。當(dāng)按下預(yù)停按鈕后，一直要到一個(gè)周期完成才能停止，中途不能停止。（要有手動(dòng)、回原點(diǎn)、單步、單周、多周等 5種可選工作方式）。 X1 左限位 y2 右行→ y3 左行← X2 大球右限 X3 小球右限 X4 上限位 X5 下限位 y0 升↑ y1 降↓ 吸頭 Y4 大球 小球 (吸抵小球時(shí) )X5 動(dòng)作 (吸抵大球時(shí) )X5 不動(dòng)作 吸 王波：機(jī)械手模型的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 32 2 操作面板 工作方式選擇開關(guān)的 5 個(gè)位置分別位于 5 種方式，操作面板左下部的 6 個(gè)按鈕是手動(dòng)按鈕。 2022 屆 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 第 15 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 33 PLC 的外部接線圖 圖 34 是 PLC 的外部接線圖，輸出繼電器 Y4 為 ON 時(shí)剛球被磁鐵吸住，為 OFF 時(shí)被釋放，為了保證在緊急情況下（包括 PLC 發(fā)生故障時(shí) ）能可靠的切斷