【正文】 ign mainly consist of the hardware design and software them, hardware design contains the main circuit ，control circuit and electrical control circuit design, software design contains the design of flowchart and ladderdiagram. Main circuit consist of motor, thermal relay, fuse, contactor；control circuit consist of PLC controller, sensors and travel switch, etc. In the paper，position signal is sent to PLC host by travel switch , PLC control the acmotor39。negative respectively, so as it can control the movement of manipulator on the horizontal axis and vertival axis。s positive amp。本章主要從課題研究的背景、目的及其意義等方面對(duì)該設(shè)計(jì)作出簡(jiǎn)要概述。近年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視。國(guó)內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展。隨著微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)成為工廠自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一[1]。機(jī)械手在美國(guó)、加拿大等國(guó)家應(yīng)用較多，如用果實(shí)采摘機(jī)械手來(lái)摘果實(shí)、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機(jī)器人等。本次課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手就是通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的。 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究概況機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中重要的機(jī)電設(shè)備。這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒(méi)有感覺(jué)外界環(huán)境信息的感覺(jué)器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡(jiǎn)單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法。它能識(shí)別景物，具有觸覺(jué)、視覺(jué)、力覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)等多種感覺(jué)，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識(shí)圖等多種仿生動(dòng)作，具有專家知識(shí)、語(yǔ)音功能和自學(xué)能力等人工智能[3]。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來(lái)越多地裝備部隊(duì)[4] [5]。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制。從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，我國(guó)已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國(guó)機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ)[6]。通過(guò)設(shè)計(jì)編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。軟件部分包括總體流程圖、梯形圖、編程指令等。本章主要就系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分、控制部分等進(jìn)行方案選擇論證，并簡(jiǎn)述了系統(tǒng)的工作原理。集散控制系統(tǒng)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將輸出模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而控制電機(jī)的繼電器線圈來(lái)控制各個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，最終使機(jī)械手能夠在X軸與Y軸運(yùn)動(dòng)。（3）集散控制系統(tǒng)原理框圖： 集散控制系統(tǒng)原理框圖 ：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（IPCS）（1）硬件組成：主機(jī)板、外部總線、內(nèi)部總線、人機(jī)接口、通訊接口（2）工作原理：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱工控機(jī)）是一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的專用計(jì)算機(jī)，它能將生產(chǎn)的過(guò)程和管理調(diào)度相結(jié)合，從而使工業(yè)在就地控制加集中控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步向自動(dòng)化方向發(fā)展。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過(guò)顯示燈指示。硬件結(jié)構(gòu)方面，總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，兼容性強(qiáng)，軟件資源豐富，特別是有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，故對(duì)要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜和計(jì)算工作量大的工業(yè)對(duì)象的控制占有優(yōu)勢(shì)。PLC是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，主要應(yīng)用在工序控制上，初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面。在初期邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運(yùn)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能，增加了模擬量和PID調(diào)節(jié)等功能模塊；運(yùn)算速度提高，CPU的能力趕上了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)(LAN)，因而也可構(gòu)成為一個(gè)集散系統(tǒng)。PLC在過(guò)程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場(chǎng)總線，暨向下拓展功能，開放總線。但是由于自身的致命弱點(diǎn)，其I/O信號(hào)采用傳統(tǒng)的模擬量信號(hào)，因此它無(wú)法在TDCS工程師站上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷、維護(hù)和組態(tài)。但是它要求設(shè)計(jì)人員單獨(dú)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的I/0接口電路，獨(dú)立開發(fā)系統(tǒng)軟件，編制軟件的人員素質(zhì)水平對(duì)系統(tǒng)控制有很大影響，因此它不具有通用性。由于PLC所具有的靈活性、模塊化、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的不同工作要求。同時(shí)，用PLC控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。編程方面也有很多相同點(diǎn)。PLC用編程器或計(jì)算機(jī)編程，編程語(yǔ)言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。特別需要提出的是，PLC與STD總線工控機(jī)的區(qū)別，無(wú)論從維修、安裝和模件功能都很相似?？偟膩?lái)說(shuō)，在選擇控制器時(shí)，首先要從工程要求、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮。 機(jī)械手控制方式的選定PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制功能基本都是通過(guò)設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種軟件是利用PLC廠商提供的指令系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械設(shè)備的工藝流程來(lái)設(shè)計(jì)。PLC之所以有生命力，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和市場(chǎng)的要求：高可靠性、強(qiáng)抗各種干擾的能力。比之單片機(jī)，它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不需添加太多的中間部件或需要更多的接口，這樣節(jié)省了用戶時(shí)間和成本。人們?cè)趹?yīng)用它時(shí)，可以不必進(jìn)行計(jì)算機(jī)方面的專門培訓(xùn)，就能對(duì)可編程控制器進(jìn)行操作及編程，用來(lái)完成各種各樣的復(fù)雜程度不同的工業(yè)控制任務(wù)。 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)以可編程控制器PLC作為控制核心，為完成系統(tǒng)工藝所需要求，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件兩大部分，硬件的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。 主電路設(shè)計(jì) 熔斷器的選擇熔斷器是根據(jù)電流超過(guò)規(guī)定值一段時(shí)間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開；運(yùn)用這種原理制成的一種電流保護(hù)器。熔斷器是一種過(guò)電流保護(hù)器。使用時(shí)，將熔斷器串聯(lián)于被保護(hù)電路中，當(dāng)被保護(hù)電路的電流超過(guò)規(guī)定值，并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，由熔體自身產(chǎn)生的熱量熔斷熔體，使電路斷開，從而起到保護(hù)的作用。具有反時(shí)延特性，當(dāng)過(guò)載電流小時(shí)，熔斷時(shí)間長(zhǎng)；過(guò)載電流大時(shí)，熔斷時(shí)間短。熔斷器主要由熔體、外殼和支座三部分組成，其中熔體是控制熔斷特性的關(guān)鍵元件。 熱繼電器的選擇熱繼電器是由流入熱元件的電流產(chǎn)生熱量，使有不同膨脹系數(shù)的雙金屬片發(fā)生形變，當(dāng)形變達(dá)到一定距離時(shí)，就推動(dòng)連桿動(dòng)作，使控制電路斷開，從而使接觸器失電，主電路斷開，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)。熱繼電器的作用是：主要用來(lái)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，他的工作原理是過(guò)載電流通過(guò)熱元件后，使雙金屬片加熱彎曲去推動(dòng)動(dòng)作機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作，從而將電動(dòng)機(jī)控制電路斷開實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)斷電停車，起到過(guò)載保護(hù)的作用。由于本設(shè)計(jì)中的電機(jī)的工作狀態(tài)是反復(fù)短時(shí)工作制，熱繼電器僅有一定范圍的適應(yīng)性，因此，選用帶速飽和電流互感器的熱繼電器，其額定電壓為220V。接觸器由電磁系統(tǒng)（鐵心，靜鐵心，電磁線圈）觸頭系統(tǒng)（常開觸頭和常閉觸頭）和滅弧裝置組成。當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁吸力消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸頭復(fù)原：常閉觸頭閉合；常開觸頭斷開。接觸器控制容量大，適用于頻繁操作和遠(yuǎn)距離控制。本設(shè)計(jì)采用額定電壓為220V的交流接觸器，驅(qū)動(dòng)方式為電磁式驅(qū)動(dòng)，動(dòng)作方式為直動(dòng)式。 主接點(diǎn)一般是常開接點(diǎn)，而輔助接點(diǎn)常有兩對(duì)常開接點(diǎn)和常閉接點(diǎn)，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。 系統(tǒng)主電路圖本系統(tǒng)采用三相交流電為系統(tǒng)進(jìn)行供電，三相空氣開關(guān)QS控制整個(gè)系統(tǒng)的電源通斷，既可完成主電路的短路保護(hù)又可方便日常的維護(hù)。三個(gè)電流接觸器KM0/KM2/KM4分別控制三個(gè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，KM1/KM3/KM5分別控制三個(gè)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。機(jī)械手的夾緊與放松限位采用接近開關(guān)（金屬傳感器），通過(guò)調(diào)整金屬塊的位置，可以在一定范圍內(nèi)改變氣夾的張合角度。對(duì)鋁、黃銅和不銹鋼類檢測(cè)體，其檢測(cè)靈敏度就低。 3）金屬體和非金屬要進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)和控制時(shí)，應(yīng)選用光電型接近開關(guān)或超聲波型接近開關(guān)。本設(shè)計(jì)選用的是光電型接近開關(guān)。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一個(gè)檢測(cè)頭內(nèi)。傳感器工作原理圖如下：接近開關(guān)：接近開關(guān)有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號(hào)，當(dāng)與檔塊接近時(shí)輸出電平為低電平，否則為高電平。PLC內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路，PLC信號(hào)輸入有效。行程開關(guān)按其結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)式、滾動(dòng)式、微動(dòng)式和組合式，本設(shè)計(jì)選用直動(dòng)式行程開關(guān)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時(shí)，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。行程開關(guān)廣泛用于各類機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。 PLC控制電路設(shè)計(jì) PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC和一般的微型計(jì)算機(jī)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。各部分通過(guò)總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成[9]。系統(tǒng)程序是每一個(gè)PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運(yùn)行，系統(tǒng)程序固化在EPROM中。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個(gè)完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過(guò)程中，可編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個(gè)階段。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入輸出關(guān)系來(lái)看，處理過(guò)程似乎是同時(shí)完成的。當(dāng)PLC加電后，首先進(jìn)行初始化處理，包括清除I/O及內(nèi)部輔助繼電器、復(fù)位所有定時(shí)器、檢查I/O單元的連接等。（1）輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們