【正文】 杏林學院畢業(yè)設計（論文） 13 操作臺 操作面板設計以貼近人們日常工作習慣、符合人體工程學、方便工作人員直觀操作、反應自動工作狀態(tài)為原則，與后文 I/O 采用方案相匹配進行設計。同時在三個方向的另一端添加超程限位開關，使機械手到達極限位置后能鎖定其繼續(xù)前行運動， 只能反向運動，以實現(xiàn)因故障或其他原因造成的超程保護功能。 輔助系統(tǒng) 原點定位及超程保護 為保證機械手重復定位精度，對機械手每工作循環(huán)提出返回原點校零位要求。 10）撥碼開關直接設定細分數(shù)和電流。 7）可適應供陽，供陰，單 /雙脈沖多重模式。 4）最大細分 10000 步 /轉，有 16 種細分模式可以選擇。 2）交流伺服原理，雙極性橫流細分驅動。本設計選擇的步進電機驅動器是如圖 所示的MS3H13OM 驅動器。這樣電機運動平穩(wěn)，控制精確度又能提高。在電機選型過程中，必須首先計算出負載通過機械傳動系統(tǒng)對電機軸的折算扭矩 折T ，下面就幾中常見的機械傳動方式介紹折算扭矩 折T 的計算過程。一般來說， fM 與 tM 之和應小于（ ～ ) maxM 。負載力矩和最大靜力矩 maxM 。運行的最高頻率與升速時間的計算。 tfa MMMM ??? （ 23） ? ? ????? T nJJM tma （ 24） 式中： aM 電機啟動加速力矩（ mN? ) mJ 、 tJ 電機自身慣量與負載慣量 ( 2scmKg ?? ) n電機所需達到的轉速（ r/min） T電機升速時間（ s） 2102 ????? isWuM f ?? （ 25） 式中： fM 導軌摩擦折算至電機的轉矩（ mN? ) U 摩擦系數(shù) η 傳遞效率 2102 ??? ispM tt ?? （ 26） 式中： tM 切削力折算至電機力矩（ mN? ) tp 最大切削力（ N） 負載起動頻率估算。 選擇步進電機需要進行以下計算： 1)計算齒輪的減速比，根據(jù)所要求脈沖當量，齒輪減速比 i 計算如下： ???360Si ? （ 21） 式中 : φ 步進電 機的步距角（ o/脈沖） S 絲桿螺距（ mm) Δ (mm/脈沖） 2)計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量 tJ 。精度是由電機的固 有特性所決定。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。一般地說最大靜力矩 maxMj 大的電機，負載力矩大。 而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，電機的矩頻特性要能滿足機械負載，并有一定的余量保證其運行可靠。步進電動機的運行性能決定于電機與驅動電源間的良好配合。是永磁式步進電動機和反應式步進電動機兩者的結合，并兼有兩者的優(yōu)點。甚至更小，精度容易保證，起動和運行頻率較高，但功耗較大，效率較低。這種步進電動機步矩角可做到 1176。缺點是起動頻率和運行頻率較低。A 相斷電、南通大學杏林學院畢業(yè)設計（論文） 7 B 相繞組通電時，就產生一個新的磁場方向，這時，轉子就轉動一角度而位于新的磁場方向上，被激勵相的順序決定了轉子運動方向。永磁式步進電動機由四相繞組組成。螺線管線圈通電時將產生磁力，推動其鐵心心子運動，通過齒輪機構使輸出軸轉動一角度，通過抗旋轉齒輪使輸出轉軸保持在新的 工作位置；線圈再通電，轉軸又轉動一角度，依次進行步進運動。 步進電動機分為機電式及磁電式兩種基本類型?？梢酝ㄟ^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，從而達到調速的目的。 步進電機 的選擇 及其驅動器 設定 步進電動機 (stepping motor)是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執(zhí)行機構。 傳動方式 本設計中機械手的驅動設備是步進電機及其步進電機驅動器，所以機械手的位移和運動速度，可由電控系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號數(shù)量及脈沖信號頻率來控制。一般用于機械手的傳動機構，不作為定位機構。滾珠絲桿效率高，但成本高?，F(xiàn)就兩者作以下分析： (1)絲杠螺母機構：位移較準確、降速比大，運平穩(wěn)、無噪音、易自鎖，但高精度的絲杠制造比較困難，傳動效率低。機械手在 X、 Y、Z 這三個方向上作的都是直線運動，其結構基本上是由驅動機構和導向裝置組成。 其特點：由于夾緊的為鋼性工件，為了提高安全性能，防止損壞工件，我們可以在夾緊部分加上一層橡膠，這樣可以通過增大工件和手指之間的摩擦系數(shù)來增加安全性．通過橡膠氣缸 手抓 南通大學杏林學院畢業(yè)設計（論文） 6 的彈性變形來緩沖對工件的沖擊，可以減輕乃至消除對工件的損壞。 圖 機械手手爪示意圖 本設計中手爪的工作方式：機械手的夾緊 與放松由電氣閥控制。 本設計中手爪 結構 本設計中被夾持的工件是“工”字輪，是有凹槽回轉體，且滿輪的“工”字輪重量比較重，所以在機械機構方面對手爪做如圖 的設計。手爪抓取工件時應具有迅速性、 靈活性、準確性和可靠性。手指數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得較多。 南通大學杏林學院畢業(yè)設計（論文） 5 第二章 硬件設計 機械手夾持結構 夾緊機構 —— 手爪 機械手手爪是用來抓取工件的部件。 PLC 程序設計 （ 1)手動程序 —— 通過控制臺 上的按鈕，手動對機械手進行各個方向的控制和機械手夾的加緊和放松動作。 I/O 點數(shù)分配 合理選用滿足設備要求點數(shù)的 PLC，減少不必要的浪費。 （ 2）輸出：指示燈、步進電機及其驅動設備、氣動開關、電磁開關。 (3) 故障報警系統(tǒng) —— 具有故障指示功能。 控制要求 (1）定位精確性 —— 步進電機和步進電機驅動器作為動力驅動設備，采用開環(huán)控制，滿足定位要求，用脈沖信號來控制機械手各方向的行程。 （ 3）減速機構 —— 采用步進電機的抱死系統(tǒng)。機械手夾持部位采用氣動控制。 實現(xiàn)功能和要求： PLC 控制，預置工作程序，動作靈活，可根據(jù)“工”字輪的位置變化可以隨時更改相關控制參數(shù)?？梢院喕刂凭€路，節(jié)省成本，進一步提高勞動生產率。 所以綜上所訴現(xiàn)代機械手，可以逐步改善勞動條件，提高生產效率和保證產品質量，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動力，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，減少勞動風險，減少工業(yè)生產中的工作量，顯著地提高勞動生產率，提高企業(yè)競爭力，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。這很適合多品種、小批量的生產場合。 4）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。梯形圖語言的圖形符號與表達方 式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。 3）易學易用，深受歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、濕度控制等各種工業(yè)控制中?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。在軟件應用中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及 設備也獲 得故障自診斷保護。就 PLC 的機外電路來說，使用 PLC 構成控制系統(tǒng)和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，因此故障率也就大大降低。 在現(xiàn)代工業(yè)運用中可編程控制器 （ PLC） 的特點如下： 1）可靠性高，抗干擾能力強 可靠性是電 氣控制設備的關鍵性能?？删幊炭刂破骱喎Q PLC，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置?，F(xiàn)代機械手主要運用的是可編程控制器。它的運用標志著制造業(yè)向自動化、無人化、智能化的方向邁進。大大的減輕工人的勞動強度、減少人力資源的浪費，節(jié)省生產成本，提高生產效率，減少因為人工疏忽造成的安全事故。本課題的機械手貼近鋼絲繩工業(yè)的生產要求，具有很強的可行性、實用性和經濟性。 關鍵詞 ： 可編程控制器，機械手，定位控制 II ABSTRACT At present ,wire rope industry still belongs to the traditional manufacturing industry at our production process has a typical three highs energy consumption and high pollution,high intensity of homewok .And the purpose of this study mainly from reduce labor intensity and improve the work efficiency Angle, according to the characteristics of wire rope making technology, design suitable for the industry39。其以起點作為參考點，通過脈沖計數(shù)得到目的點的位置，手動操作機械手從參考點運動到目的點后，保存目的點位的特征參數(shù)。 本文 重點分析了基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)的組成，并詳細敘述了在以 PLC 為核心的基礎上，對步進電動機進行綜合控制的軟、硬件的實現(xiàn)方法。 6 月 6 日前 畢業(yè)論文定稿 － 準備和進行畢業(yè)論文答辯 學系意見 系主任簽名： __ ______年 ___月 ___日 南通大學杏林學院 畢 業(yè) 設 計（論文） 杏林學院信息學部自動化系 2021 年 02 月 題 目 ： 基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)的研究與設計 作 者： 陳周凱 專 業(yè)