【導(dǎo)讀】中，危害了操作人員的健康，增加了工人的勞動強度。而機械手可以解決這些問。機械手可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，從而替代人工操作，適。用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)。動作過程進行了動畫顯示。設(shè)計所使用的機械手系統(tǒng)是由三菱。左右移動、底盤旋轉(zhuǎn)及手爪旋轉(zhuǎn)、抓放等動作。主要采用了步進順序控制及步進。涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機電一體化。用組態(tài)王對機械手監(jiān)控的過程，包括畫面繪制、數(shù)據(jù)變量的設(shè)置等。

　　

【正文】 X17 SW0 啟動暫停 Y7 旋轉(zhuǎn)編碼控制 X16 SW1 單步運行控制 Y12 旋轉(zhuǎn)編碼控制 注： S 軸為底盤、 T 軸為手爪、 L 軸為豎軸、 U 軸為橫軸、 B 軸為電磁閥。 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 28 的選擇 （ 1） 編程方式選擇 方案一：使用起保停電路的編程方式。用輔助繼電器代表步，僅僅使用與觸電和線圈有關(guān)的指令。編出程序規(guī)范，具有易于閱讀和容易查錯的優(yōu)點，但因為存在大量的自保持觸點，使程序代碼較長。 方案二：采用以轉(zhuǎn)換為中心的 編程方式。這種編程方式與轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的基本規(guī)則之間有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，用它編制復(fù)雜的順序功能圖的梯形圖時，會有很大幫助。 方案三：采用 STL 指令的編程方式。 STL 指令（步進梯形指令）是三菱廠家設(shè)計的專門用于順序控制的指令，使用該指令可以使編制順序控制程序更加方便，而且易于調(diào)試和維護，且代碼較短。 根據(jù)具體需要及各方案優(yōu)點和缺點比較， 本次設(shè)計采用的編程方式選用方案三。 （ 2） 指令選擇 1） PLSR 指令 當(dāng)步進電機要求的轉(zhuǎn)速較高 ， 且未來保護步進電機， 采用帶加減速功能的脈沖輸出指令 PLSR 控制驅(qū)動器帶動步進電機運動 ，從而實現(xiàn)機械手的上升下降和左右移動 。 對于帶加減速功能的脈沖輸出指令 PLSR： 〔 S1 〕 用來指定最高頻率 ， 可設(shè)定的頻率范圍是 10— 100000Hz。 〔 S2 〕 用來指定產(chǎn)生的脈沖個數(shù)， 16 位指令的脈沖數(shù)范圍是 110— 32767，32 位指令的脈沖數(shù)范圍是 110— 2147483647。設(shè)定值不到 110 時， 脈沖不能正常輸出。 〔 S3 〕 用來設(shè)定加減速時間（ 50— 5000ms）。 〔 D 〕 用來指定脈沖輸出元件， 只能用晶體管輸出型可編程序控制器 Y0或Y1。 圖 19. 步進指令 PLSR 和 PLSY 2） PLSY 指令 PLSY 指令 用于產(chǎn)生指定數(shù)量和頻率的脈沖。 與 PLSR 指令的區(qū)別在于沒有加減速功能。 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 29 〔 S1 〕用來指定脈沖頻率， 16 位指令的頻率范圍是 1— 32767Hz， 32 位指令的頻率范圍是 1— 100000Hz。 〔 S2 〕用來指定產(chǎn)生的脈沖個數(shù)， 16 位指令的脈沖數(shù)范圍是 1— 3276732 位指令的脈沖數(shù)范圍是 1— 2147483647。若指定脈沖數(shù)為 0， 則持續(xù)產(chǎn)生脈沖，即控制步進電機一直轉(zhuǎn)動。 〔 D 〕用來指定脈沖輸出元件，只能用晶體管輸出型可編程序控制器的 Y0 或Y1。圖 48中所示的指令是當(dāng)可編 程序控制器 PLC的輸入點 X10有信號時，從 Y0 輸出頻率 1000Hz 的脈沖，脈沖的數(shù)量由通用數(shù)據(jù)寄存器 D0給出。 3） 參數(shù)計算 PLC 直接控制步進電機系統(tǒng)設(shè)計時，在 PLC 和步進電機選型前，必須計算出脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量 3 個參數(shù)： 根據(jù)脈沖頻率確定 PLC 高速脈沖輸出頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量確定 PLC 的位寬。根據(jù)移動距離算出 PLSR 及 指令中需要的脈沖數(shù)。 根據(jù)實際測算， 步進電機每接收 100 個脈沖，帶動機械手移動 1mm。 由于設(shè)計要求機械手順時針旋轉(zhuǎn) 30176。到達(dá) B 處，而這一過程無法通過限位開關(guān)或者 接近開關(guān)來實現(xiàn)，故采用旋轉(zhuǎn)碼盤進行控制。 經(jīng)實際測算，旋轉(zhuǎn)碼盤上共有 36個孔，每旋轉(zhuǎn) 90176。，則會輸出 60個脈沖。 故旋轉(zhuǎn) 30176。則會產(chǎn)生 20 個脈沖。 采用底數(shù)為 20的計數(shù)器，計數(shù)到 20計數(shù)器置零，同時停止機械手繼續(xù)轉(zhuǎn)動 ， 這樣實現(xiàn)這該過程。 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 30 程序的設(shè)計 （ 1） 程序流程圖 A 點 到 C 點 循 環(huán) 過 程啟 動回 原 點 ( 上 . 左 . 逆 旋 )S 2 0爪 松 . 爪 逆 旋S 2 1 . S 2 2到 位 ( 下 . 右 )S 2 3爪 合S 2 4上 升S 2 5底 盤 順 旋S 2 6下 降S 2 7爪 松S 2 8上 升S 2 9計 時 3 sS 3 0下 降S 3 1爪 合S 3 2上 升S 3 3底 盤 順 旋S 3 4爪 逆 旋S 3 5左 移S 3 6下 降S 3 7爪 松S 3 8上 升S 3 9右 移S 4 0左 旋 . 爪 順 旋S 4 1下 降S 4 2停 放 B 點 加 工 過 程初 始 化 過 程圖 （ 2）順序功能圖 PLC 控制機械手程序： 1） 0 步： 將旋轉(zhuǎn)碼盤的脈沖計數(shù) 步 放置到程序的最上方 。 只有 Y7被置 1時，計數(shù)器 C0 才能 計數(shù)，底盤順時針旋轉(zhuǎn) 30176。 （即旋轉(zhuǎn)碼盤西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 31 給出 20 個脈沖）后，清空 C0,同時與后面的 S26 步相配合控制底盤 停止 旋轉(zhuǎn) 。 Y7和 Y12 的設(shè)置使得該計數(shù)器不會影響到其他步驟。 2）開始以及初始化階段 S0、 S20 步： PLC 開啟后，電源接通 ， M8002 發(fā)出一個脈沖，置位 S0。 開啟鍵 X17 按下時，置位 S20， 機械手 同時接收到上升、左移以及底盤逆時鐘旋轉(zhuǎn)的指令，當(dāng)?shù)竭_(dá)了上限位 SQ左限位 SQ2 以及底盤原點 SQ6 之后，置位 S21步； (注： X016 為單步運行控制，每步結(jié)束時必須接通 X016 才能進入下一步 ，一下不再贅述； X001 接限位 SQ X003 接限位 SQ X5 接限位 SQ6； ) S21 步： 定時 器計時 2秒，同時機械手爪松開，兩秒后進入下一步 S22 步：手爪旋轉(zhuǎn)，到達(dá)限位后， SQ8閉合，進入下一步。 (X010 接限位 SQ8) 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 32 S23 步： 機械手同時下降并右移，到達(dá)物品所在 A 處上方后停止。 此時采用的 PLSY指令，為使得機械手精確地到達(dá) A點，即物體的上方。機械手下降 125mm，右移 150mm，移動速率為 400Hz（ PLSY 設(shè)置為 800，驅(qū)動器細(xì)分度為 2）。到位后進入下一步。 3） A 點動作階段 S24 步：計時器 T1 計時 2秒 ，同時手爪閉合抓物，兩秒后進入下一步。 S25 步：抓物后上升 ，采用 PLSR 指令，上升和下降時間 600ms，中間移動 30mm。到位后進入下一步。為防止機械手出錯造成損傷，采用了限位保護，若未完成指令就到達(dá)上限位 SQ3，則機械手停止運動。 S26 步： Y007 置位， 0 步中的旋轉(zhuǎn)碼盤接通，底盤開始旋轉(zhuǎn)時，碼盤發(fā)出脈沖給計數(shù)器 C0， C0計滿 20個脈沖后， Y12 置位，控制底盤停止轉(zhuǎn)動，機械手到達(dá) B 點。之后 Y01 Y007 置零，進入下一步。 4） B 點動作階段 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 33 S27 步：與 S25 步相對應(yīng)下降一定高度。 S28 步：手 爪放松，將物品放置于 B點 等待加工 。 S2 S30 步： 手爪上升 ,定時器定時 3 秒，等待物品加工完成。 S3 S32 步：此時模擬加工已經(jīng)完成，手爪下降，再次夾緊物品。 S3 S34 步：機械手上升，底盤順時鐘轉(zhuǎn)動，當(dāng)機械手到 C點，限位 SQ1 控制底盤停止轉(zhuǎn)動。 5） C 點動作階段 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 34 S35 步：手爪逆時針旋轉(zhuǎn)，到位后限位 SQ9 動作，控制手爪停止。 S3 S37 步： 機械手左移、下降到適合的位置 之后，置位下一步。 S3 S3 S40 步：手爪放松，將 物件放在 C點后手爪 上升，再右移。 S41 步：底盤逆時針旋轉(zhuǎn)，同時手爪順時針旋轉(zhuǎn)，都到達(dá)限位后， SQ8 及 SQ2 動作，結(jié)束底盤和手爪旋轉(zhuǎn)，此時機械手又回到 A點，置位下一步。 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 35 6）回歸 階段 S42步 ： 機械手下降，之后回到 S24 步 。 程序結(jié)束。 至此，機械手經(jīng)過一系列動作完成一 個循環(huán)。之后再回到 S24 步 ，循環(huán)動作，將物品一一運送到 C 處。 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 36 四 、 PLC 機械手的程序調(diào)試 由于 PLC 是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán) 境過于惡劣、電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當(dāng)，都將不能保證 PLC 正常、安全、可靠的運行。因此，討論 PLC 設(shè)計調(diào)試就具有十分重要的意義。 （一） PLC 控制的安裝與布線 （ 1）輸入接線一般不要超過 30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當(dāng)長些。 （ 2） 輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。 （ 3）利用普通二極管恰當(dāng)?shù)拇釉?PLC 輸入回路中，防止信號干擾，使 PLC 輸入信號大大增強。 電源是 PLC 引入干擾的主要途徑之一， PLC 應(yīng)盡可能取用電壓波動較小、波形畸 變較小的電源，這對提高 PLC 的可靠性有很大幫助。 PLC 的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強干擾設(shè)備（如高頻爐、弧焊機等）分開。 為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關(guān)電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。隔離變壓器是初級和次級之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導(dǎo)磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個接地抽頭。初級與次級之間的靜電屏蔽要聯(lián)結(jié)到零點位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點。在選用交流穩(wěn)壓器時，一般可按照實際最大需求 容量的 130%計算。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓器工作可靠。 PLC供電電源為 50Hz、 220V?10%的交流電。由于本設(shè)計使用的是 FX1N系列可編程控制器，所以有直流 24V 輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關(guān)或接近開關(guān)）提供直流 24V 電源。 控制電源如圖： 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 37 正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是 PLC 控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接 接地方式和電容接地三種方式。對 PLC 控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。良好的接地是保證 PLC 可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 38 （二） 機械手控制系統(tǒng)的外部接線 圖 X 1X 2X 3X 4X 5X 6X 1 0X 1 1X 1 6C O M底 盤 逆 轉(zhuǎn) 接 近 開 關(guān)底 盤 順 轉(zhuǎn) 接 近 開 關(guān)L 軸 上 限 位L 軸 下 限 位U 軸 右 限 位U 軸 左 限 位手 逆 轉(zhuǎn) 接 近 開 關(guān)手 順 轉(zhuǎn) 接 近 開 關(guān)啟 動 開 關(guān)Y 0Y 1Y 2Y 3Y 4Y 5Y 6O P P OC PD I RF R E EA +A B +B D C +D C 步 進電 機底 盤 順 轉(zhuǎn) 信 號 輸 出 端底 盤 逆 轉(zhuǎn) 信 號 輸 出 端手 夾 電 磁 閥 Y V 端Y 1 0Y 1 1手 逆 轉(zhuǎn) 信 號 輸 出 端手 順 轉(zhuǎn) 信 號 輸 出 端X 1 7單 步 運 行 開 關(guān)O P P OC PD I RF R E EA +A B +B D C +D C 步 進電 機+ 2 4 VC O M 1C O M 2C O M 3K AK AK AK AK A 圖 21. 外 部接線圖 圖 22. 實際接線圖西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 39 五 、應(yīng)用組態(tài)王對機械手監(jiān)控過程 （一） 畫面繪制 仿照機械手原形繪制了機械手的監(jiān)控畫面，另加了用內(nèi)置程序增加了級計數(shù)功能，每完成一個物品從 A 點到 C點的循環(huán)過程 ，計數(shù)一次。 畫面使用到的動畫鏈接包括：隱含、水平移動、垂直移動、縮放、旋轉(zhuǎn)等。 圖 23. 動畫鏈接設(shè)置界面 圖 24. 機械手 總 畫面 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 40 （二）數(shù)據(jù)變量的設(shè)置 設(shè)置數(shù)據(jù)變量之后，將它們連接到畫面中的各個部分 。 圖 25. 數(shù)據(jù)變量設(shè)置 （三）組態(tài)王與 PLC 的 通訊設(shè)置 按照給配置向?qū)гO(shè)置步驟，將組態(tài)王畫面與 PLC 連接到一起，串口的配置要與實際接