【正文】 ....... 19 CPU 的速度 .................................................................................................. 19 PLC 模塊的選擇 .......................................................................................... 20 PLC 品牌選擇 .............................................................................................. 20 PLC 系列選擇 .............................................................................................. 21 輸出方式 ...................................................................................................... 23 I/O 點(diǎn)數(shù) ........................................................................................................ 24 I/O 口分配原則 ............................................................................................ 24 I/O 口分配論證 ............................................................................................ 25 程序設(shè)計(jì) .................................................................................... 30 存儲(chǔ)區(qū)域分配 .............................................................................................. 30 程序指令 ...................................................................................................... 32 初始化及報(bào)警程序 ...................................................................................... 41 回原點(diǎn)程序 .................................................................................................. 43 手動(dòng)程序 ...................................................................................................... 45 自動(dòng)程序 ...................................................................................................... 49 第 4 章 后 記 ................................................................................... 53 研究?jī)r(jià)值 .................................................................................... 53 特色 ............................................................................................ 53 續(xù)改進(jìn)方向 ................................................................................. 53 參考文獻(xiàn) .................................................................................................... 54 致 謝 .................................................................................................... 55 附 錄 .................................................................................................... 56 文獻(xiàn)綜述 .................................................................................................... 57 第 1 頁(yè) 第 1章 前 言 研究的目的和意義 傳統(tǒng)機(jī)械手 伴隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的腳步，機(jī)械手憑借其定位精度高、工作性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)靈活多樣、可精確復(fù)現(xiàn)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輕、重工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、科研等高新技術(shù)領(lǐng)域。 就 傳統(tǒng)繼電控制的機(jī)械手 而言，因其 控制裝置 落后 、 接線復(fù)雜 、 易受干擾 、 可靠性差 、 維修困難等劣勢(shì) ， 逐步退出了歷史舞臺(tái)。 可編程控制器簡(jiǎn)稱 PLC（ Programmable logic Controller） ,是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)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(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。 其特點(diǎn) 特點(diǎn) 如下： 1） 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能 。例如三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無故障時(shí)間高達(dá) 30 萬(wàn)小時(shí)。 就 PLC 的機(jī)外電路來說，使用 PLC 構(gòu)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(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大 大降低。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)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(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。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、 CNC 等各種工業(yè)控制中。 3） 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。 4） 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線， 使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備 。 研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1） 應(yīng)用廣泛性。 2） 結(jié)構(gòu)多樣性。在應(yīng)用的各領(lǐng)域、各工作層面中，機(jī)械手的形狀各異，不受到任何標(biāo)準(zhǔn)形狀的制約，實(shí)用、抽象的結(jié)構(gòu)體，發(fā)揮著其獨(dú)有的高效作用。借助傳感器反饋系統(tǒng)，將機(jī)械手工作時(shí)的動(dòng)態(tài)信息，及時(shí)的反饋回中央處理單元，進(jìn)行動(dòng)作的實(shí)時(shí)控制。生產(chǎn)車間中，運(yùn)用該機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)， 構(gòu)建 無人車間。 適用于抓取各種物件，適合于各種不同用途，具有各種新功能。 2） 具有熟練技術(shù)工人的機(jī)能 。 完美的人機(jī)界面，完備的通信功能更好適應(yīng)各種 工業(yè)的控制場(chǎng)合。 開發(fā)各種帶視覺、聽覺、觸覺 的 新型 傳感器，能 夠 分析、判斷、遙控的智能化機(jī)器 手 ，為未來低成本、高精度、高效率、高自動(dòng)化的制造系統(tǒng)做準(zhǔn)備。 通過安裝視覺傳感器， 實(shí)時(shí) 控制系統(tǒng)等措施，使機(jī)械 手 運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)能實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí) 位置反饋，提高機(jī) 械手 工作定位精度。 環(huán)境：高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)，可變換生產(chǎn)品種的中、小批量柔性自 動(dòng)化生產(chǎn)線。 硬件選擇 1） 動(dòng)力源 —— 步進(jìn)電機(jī)及其相應(yīng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。各元件應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境進(jìn)行校核設(shè)計(jì)，本文中所選設(shè)備僅作示范性選擇，未進(jìn)行校核，不適用于具體設(shè)備制造，不代表最終機(jī)械手硬件。 3） 減速機(jī)構(gòu) —— 本文不設(shè)計(jì)減速機(jī)構(gòu)，在實(shí)際生產(chǎn)中若動(dòng)力不足，可 另行 增加。 4） 超 程保護(hù) —— 設(shè)備運(yùn)行過程中 未能豁免發(fā)生控制程序或電路故障，造成 在極限位置仍繼續(xù)發(fā)出前行信號(hào)， 燒毀 步進(jìn) 電機(jī)或 其驅(qū)動(dòng)設(shè)備。 第 4 頁(yè) 5） 操作臺(tái)布置 —— 盡力人性化處理，顯示實(shí)時(shí)工作狀態(tài)及故障報(bào)警。 2） 路徑無干擾性 —— 無干涉，無安全隱患。 3） 故障報(bào)警系統(tǒng) —— 具有 故障位 指示 功能 。 輸 出：指示燈、二極管、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)設(shè)備、電磁機(jī)械手。 I/O 點(diǎn)數(shù)分配 合理 選用滿足設(shè)備要求 點(diǎn)數(shù) 的 PLC，減少不必要的浪費(fèi) 。 PLC 程序設(shè)計(jì) 1） 移植性 —— 制定參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)域，存儲(chǔ) 點(diǎn)位控制機(jī)械手的 關(guān)鍵點(diǎn)位置， 僅 一次手動(dòng)操作，即能 完成 自動(dòng)程序的 點(diǎn)位編程 ，降低對(duì)操作者的 專業(yè) 要求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、高柔性工件搬移。 研究對(duì)象特點(diǎn) 本設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究，貼近企業(yè)生產(chǎn)，具有很強(qiáng)的可行性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。 遠(yuǎn)程控制，對(duì)于恒溫環(huán)境、不適合人直接接觸工作 的 危險(xiǎn)環(huán)境（如：高溫、放射、劇毒、無氧、高空等惡劣環(huán)境） 下較普通機(jī)械手（如：行程開關(guān)定位順序控制） 有明顯的優(yōu)勢(shì) 。 其構(gòu)造模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種?？筛鶕?jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作。 設(shè)計(jì)過程中應(yīng) 根據(jù)需要對(duì)機(jī)械手 的 運(yùn)行速度、加速度、夾持物體重量、慣性 和沖擊力、開口尺寸進(jìn)行校核，且 能夠自鎖 ，防止斷電 或設(shè)備故障 造成被抓物掉落。 圖 機(jī)械手手爪示 意圖 ① 此方案未進(jìn)行具體參數(shù)校核，結(jié)構(gòu) 僅適用于部分工作環(huán)境 。 工作方式：機(jī)械手的夾緊與放松由電磁線圈控制。 特點(diǎn)：最小夾持半徑可調(diào)，設(shè)定夾持點(diǎn)半徑 ， 可減小 夾緊力 對(duì)夾持物 表 面的破壞。 機(jī)械手軀干 組成 機(jī)械手軀干包括立柱、機(jī)座、手臂及手腕四部分。本設(shè)計(jì)中機(jī)座為落地固定式機(jī)座。 手臂是機(jī)械手的主要部分，它支持手腕、手指和工件使他們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)有伸縮式和關(guān)節(jié)式，本文優(yōu)選伸縮式。文中選用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力，故選用絲杠螺母機(jī)構(gòu)或齒輪齒條機(jī)構(gòu)。矩形、梯形螺紋結(jié)構(gòu)，因傳動(dòng)力大，應(yīng)用廣泛。 ? 齒輪齒條機(jī)構(gòu)：傳動(dòng)效率高，速度快、無自鎖。 第 7 頁(yè) 為滿足自鎖要求，優(yōu)先選用絲杠螺母機(jī)構(gòu)。可直接采用齒輪減速以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)。 采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手的位移和運(yùn)動(dòng)速度，可由電控系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號(hào)數(shù)量及脈沖信號(hào)頻率來控制。 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) (stepping motor)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速 度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為機(jī)電式及磁電式兩種基本類型。螺線管線圈通電時(shí)將產(chǎn)生磁力，推動(dòng)其鐵心心子運(yùn)動(dòng)，通過齒輪機(jī)構(gòu)使輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，通過抗旋轉(zhuǎn)齒輪使輸出轉(zhuǎn)軸保持在新的工作位置；線圈再通電，轉(zhuǎn)軸又轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，依次進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由四相繞組組成。A 相斷電、 B 相繞組通電時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)新的磁場(chǎng)方向，這時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一角度而位于新的磁場(chǎng)方向上，被激勵(lì)相的順序決定了轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方向。缺點(diǎn)是起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率較低。這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角可做到 1176。甚至更小，精度容易保證，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，但功耗較大，效率較低。是永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的結(jié)合，并兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能決定于電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電源間的良 第 9 頁(yè) 好配合。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。一般地說最大靜力矩 maxMj 大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。在機(jī)械傳動(dòng)過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來完成。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。 選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算 ：