【正文】 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。可根據(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。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。l 齒輪齒條機(jī)構(gòu)：傳動(dòng)效率高，速度快、無自鎖。為滿足自鎖要求，優(yōu)先選用絲杠螺母機(jī)構(gòu)?？芍苯硬捎谬X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)新的磁場方向，這時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一角度而位于新的磁場方向上，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大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到設(shè)備所需的脈沖當(dāng)量。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。式中: φ S Δ(mm/脈沖）、W工作臺(tái)重量（N）絲桿螺距（cm） （） （） 式中： 電機(jī)啟動(dòng)加速力矩（)n電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min） （）式中： 導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（)η傳遞效率 （）式中： 切削力折算至電機(jī)力矩（)數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為：（Hz）起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（)運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。6） 負(fù)載力矩和最大靜力矩。一般來說，與之和應(yīng)小于（在電機(jī)選型過程中，必須首先計(jì)算出負(fù)載通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)軸的折算扭矩，下面就幾中常見的機(jī)械傳動(dòng)方式介紹折算扭矩的計(jì)算過程。C +55176。C Max絕緣強(qiáng)度：B 機(jī)械手步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 42HS003步進(jìn)電機(jī)電氣技術(shù)數(shù)據(jù)電機(jī)型號(hào)相數(shù)步距角相電流驅(qū)動(dòng)電壓最大靜轉(zhuǎn)矩相電阻相電感重量配套驅(qū)動(dòng)器17HS0012176。廣泛應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床，紡織機(jī)械，繞線機(jī)，噴繪機(jī)，疲勞試驗(yàn)機(jī)等用戶希望低成本，低振動(dòng)，高精度，高速度的場合。脈 沖CP脈沖信號(hào)的輸入端，工作時(shí)下降沿有效。本驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)響應(yīng)頻率為70KHz，過高的輸入頻率將可能得不到正確響應(yīng)。共陽極時(shí)該端懸空被等效認(rèn)為輸入高電平。脫機(jī)使能ENA釋放信號(hào)（低電平有效），當(dāng)輸入為低電平時(shí)，電機(jī)的激勵(lì)電流被關(guān)斷電機(jī)處于脫機(jī)自由狀態(tài),共陽極時(shí)高電平或懸空時(shí)，轉(zhuǎn)子處于鎖定狀態(tài)。在初始位置添置限位開關(guān)，當(dāng)觸及時(shí)發(fā)出已達(dá)原點(diǎn)指令，停止運(yùn)動(dòng)。非原點(diǎn)端只作超程保護(hù)不作為定位。該機(jī)械手工作方式有手動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)工作（自動(dòng)）四種形式。下面就操作面板說明如下：設(shè)備原點(diǎn)：機(jī)械手的機(jī)械設(shè)備原點(diǎn)。手動(dòng)方式：各自的按鈕使各個(gè)負(fù)載單獨(dú)接通或斷開。同時(shí)也負(fù)責(zé)起自動(dòng)工作方式中每一工步的目的點(diǎn)的記錄保存工作。單周期：旋鈕選擇單周期工作，按動(dòng)一次啟動(dòng)按鈕，運(yùn)行一個(gè)周期。LED指示燈：狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。該按鈕使用來接通或斷開PLC外部負(fù)載的電源。以起點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過脈動(dòng)計(jì)數(shù)，得到目的點(diǎn)的位置。實(shí)現(xiàn)手動(dòng)模式下關(guān)鍵點(diǎn)位輸入，自動(dòng)模式查表“仿形”運(yùn)動(dòng)。核心思想：記錄關(guān)鍵點(diǎn)，構(gòu)造工作路徑和狀態(tài)。用戶在手動(dòng)原點(diǎn)狀態(tài)下，控制機(jī)械手至A點(diǎn)位（到A點(diǎn)的路徑可制定中間點(diǎn)實(shí)現(xiàn)繞行），按下保存，記錄該點(diǎn)重要參數(shù)?？刂茩C(jī)械手移動(dòng)，同前所述記錄關(guān)鍵點(diǎn)位，到D點(diǎn)放下工件。 PLC選擇及I/O口分配 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則1） 滿足被控對(duì)象的控制要求考慮將來發(fā)展的需要， PLC選用功能較強(qiáng)的新產(chǎn)品，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?） 盡可能簡單、經(jīng)濟(jì)、使用與維修方便。 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1） 分析被控對(duì)象，提出控制要求。3） 確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，選擇PLC機(jī)型。 5） 程序設(shè)計(jì)，繪制工作循環(huán)圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。先進(jìn)行模擬調(diào)試，再進(jìn)行現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試；先進(jìn)行局部、分段調(diào)試，再進(jìn)行整體、系統(tǒng)調(diào)試。圖3. 2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟流程圖 CPU的速度 CPU的運(yùn)行速度是指執(zhí)行每一步用戶程序的時(shí)間。對(duì)于以模擬量為主的控制系統(tǒng)，則需考慮掃描速度，必須選擇合適CPU種類的PLC機(jī)型。高速計(jì)數(shù)器模塊：當(dāng)PLC內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率不能滿足要求時(shí)，可選擇使用。通信聯(lián)網(wǎng)模塊：PLC與PLC之間，或PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信與聯(lián)網(wǎng)。 PLC品牌選擇世界上生產(chǎn)PLC的廠商有數(shù)百家，構(gòu)成美國、歐洲和日本三大技術(shù)陣營，其代表機(jī)型有美國羅克韋爾（Rockwell）自動(dòng)化公司所屬的AB(AllenBradley)公司生產(chǎn)的PLC5系列PLC、GEFanuc公司生產(chǎn)的90TM30系列和90TM70系列的PLC，德國西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的S5系列PLC和S7系列PLC，日本三菱公司生產(chǎn)的FX系列、A系列、Q系列PLC、歐姆龍公司生產(chǎn)的CS系列、C200系列、CPM系列PLC。熟悉西門子S5系列PLC的人都知道，他是采用結(jié)構(gòu)化編程的方法，盡管他也設(shè)有梯形圖、邏輯圖等多種其他編程語言，單少許復(fù)雜一點(diǎn)的問題就必須采用語句表，通過STEP5語言，調(diào)用各種功能來實(shí)現(xiàn)。日本的微型小型PLC產(chǎn)品是非常有特色的，他對(duì)梯形圖、語句表并重，而且配置了包括功能指令在內(nèi)的功能很強(qiáng)的指令系統(tǒng)。這主要是歐美小型PLC產(chǎn)品指令系統(tǒng)太弱所制。單日本把自己主推產(chǎn)品定位在小型PLC上，因面臨的主要市場在亞洲，因此他對(duì)美國的PLC技術(shù)既有繼承，更多的是發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年引進(jìn)的PLC產(chǎn)品價(jià)值，%，%，%。小型PLC主要是日本產(chǎn)品。簡單機(jī)械手運(yùn)動(dòng)小型PLC足以滿足需求，選用日本三菱公司FX系列作為本文中搬移機(jī)械手的核心控制系統(tǒng)，可以減少企業(yè)對(duì)操作人員培訓(xùn)，降低使用成本，減少消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品使用的顧慮。三菱FX系列PLC包括FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC。1） FX1S系列PLC將優(yōu)良的特點(diǎn)融合進(jìn)一個(gè)很小的控制器中。FX1S提供多達(dá)30個(gè)I/O，并且能通過串行通信傳輸數(shù)據(jù)，所以它能用在常用的緊湊型PLC不能應(yīng)用的地方。FX1S體積雖小，但功能強(qiáng)大：l 主機(jī)點(diǎn)數(shù)10/14/20/30，分為晶體管輸出/繼電器輸出，交流電源/直流電源。顯示模塊和擴(kuò)展板使系統(tǒng)升級(jí)變得容易。~；。2000步存儲(chǔ)容量，輔助繼電器512點(diǎn)、定時(shí)繼電器64點(diǎn)、計(jì)數(shù)器32點(diǎn)、數(shù)據(jù)寄存器256點(diǎn)。使用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的 實(shí)時(shí)時(shí)鐘滿足對(duì)時(shí)間的應(yīng)用要求。串行擴(kuò)展板通過RS23RS422使聯(lián)網(wǎng)更容易。世界任何地方的標(biāo)準(zhǔn)電壓都適合，也可以使用直流電源。l 模擬電位器。l 遠(yuǎn)程維護(hù)。一個(gè)PLC單元中每相能同時(shí)輸出2點(diǎn)100KHz脈沖，PLC配備7條特殊定位指令，包括零返回、絕對(duì)位置讀出、絕對(duì)或相對(duì)地址表達(dá)方式以及特殊脈沖輸出控制。通信和數(shù)據(jù)鏈接功能選項(xiàng)使得FX1N在體積、通信和特殊功能模塊和能源控制等重要的應(yīng)用方面非常完美。與FX1S相比較，在以下方面得到了很好的提升：l 更多的控制點(diǎn)數(shù)14點(diǎn)~128點(diǎn)。l 更為豐富的器件資源。l 增加過程控制。3） FX2N系列PLC作為FX系列最高級(jí)的模塊，他擁有無以匹敵的速度、高級(jí)功能、邏輯組件以及定位控制等特點(diǎn)。16點(diǎn)~256點(diǎn)。具有滿足特殊要求的大量特殊模塊，6個(gè)基本FX2N單元中的每一個(gè)單元可擴(kuò)充到256點(diǎn)的I/O。；。l 更為豐富的器件資源。l 特殊功能模塊。l 數(shù)學(xué)指令集。4） 位置控制模塊擴(kuò)展位置控制是對(duì)工位的控制，配上伺服放大器或驅(qū)動(dòng)放大器，就可以將位置控制功能和邏輯控制、順序控制等一攬子解決。更便于在柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）或工廠自動(dòng)化（FA）系統(tǒng)中大量應(yīng)用位置控制。l 可靠性高，維護(hù)方便。用一臺(tái)FX1PG獨(dú)立進(jìn)行一軸定位控制，而一臺(tái)PLC則最多可連8臺(tái)FX1PG。但程序結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。但其制造總價(jià)較高，就核心控制系統(tǒng)PLC及其模塊而言，其成本將是FX1N系列的4倍以上。 輸出方式PLC包括繼電器輸出和晶體管輸出兩種輸出方式。 電流：，繼電器2A。3） 負(fù)載能力不同晶體管帶負(fù)載的能力小于繼電器帶負(fù)載的能力，用晶體管時(shí)，有時(shí)候要加其他東西來帶動(dòng)大負(fù)載（如繼電器，固態(tài)繼電器等）。5） 晶體管響應(yīng)速度快于繼電器繼電器輸出型原理是CPU驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，令觸點(diǎn)吸合，使外部電源通過閉合的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，其開路漏電流為零，響應(yīng)時(shí)間慢（約10ms），主要控制開關(guān)量。晶體管輸出一般用于高速輸出，如伺服／步進(jìn)等，用于動(dòng)作頻率高的輸出。繼電器是機(jī)械元件所以有動(dòng)作壽命，晶體管是電子元件，只有老化，沒有使用次數(shù)限制。本文中使用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，故采用晶體管輸出，直流D24V電源。確定依據(jù)：將與PLC相連的全部輸入、輸出器件根據(jù)所需的電壓、電流的大小和種類分別統(tǒng)計(jì)，考慮將來發(fā)展的需要再相應(yīng)增加 10％～15％的余量。如高速脈沖輸出口Y000或Y001；方便指令中初始狀態(tài)指令等。3） 適當(dāng)?shù)姆椒ü?jié)省I/O點(diǎn)數(shù)。 I/O口分配論證方案一： 方案一I/O分配輸入端一覽表輸入功能(設(shè)備)輸入功能(設(shè)備)X000機(jī)械手夾緊X014X001機(jī)械手放松X015X002X方向位移+X016X003X方向位移X017保存X004Y方向位移+X020手動(dòng)X005Y方向位移X021原點(diǎn)X006旋轉(zhuǎn)位移+X022單步進(jìn)運(yùn)動(dòng)X007旋轉(zhuǎn)位移X023單周期運(yùn)動(dòng)X010超程保護(hù)編碼輸入口X024自動(dòng)X011超程保護(hù)編碼輸入口X025回原點(diǎn)啟動(dòng)X012超程保護(hù)編碼輸入口X026自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)X013X027停止 方案一I/O分配輸出端一覽表輸出功能(設(shè)備)輸出功能(設(shè)備)Y000步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)Y010啟動(dòng)指示燈L0Y001X步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ENAY011停止指示燈L1Y002X步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向Y012急停/故障指示燈L2Y003Y步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ENAY013故障報(bào)警Y004Y步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向Y014位移指示燈編碼輸出口Y005旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ENAY015位移指示燈編碼輸出口Y006旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向Y016位移指示燈編碼輸出口Y