1、、乙刖百隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動(dòng)化，已愈來(lái)愈引起人們的重視。機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重

2、復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用，生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率；可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。本文將通過(guò)西門子PLC控制機(jī)械手，PLC是可編程控制器(ProgrammableLogicController)的簡(jiǎn)稱，是在繼電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，更多地

3、具有計(jì)算機(jī)的功能。目前PLC已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面取得了很好的發(fā)展。該系統(tǒng)利用西門子PLC在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，完成對(duì)機(jī)械手在搬運(yùn)過(guò)程中的下降、火緊、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全過(guò)程自動(dòng)化控制，并對(duì)非正常情況實(shí)行自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的機(jī)電一體化，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。1機(jī)械手概述1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手是工廠企業(yè)高度自動(dòng)化的標(biāo)志，它能完成許多高技術(shù)難度和

4、繁重的體力勞動(dòng)，尤其對(duì)于高溫、高壓、高濕度、污染等不適宜人工工作的環(huán)境中，機(jī)械手起到了不可取代的作用。1.2 機(jī)械手組成機(jī)械手主要由手部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。結(jié)構(gòu)如圖1-1所示:Fig.1-1Manipulatorstructure(1)手部即與物件接觸的部件。手部是用來(lái)抓持工件(或工具)的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。(2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)(擺動(dòng))、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有

5、6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有23個(gè)自由度。1.3 機(jī)械手的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來(lái)越多地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、鍛、焊、怫、沖壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)例。其它部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的主要目的是：一、可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度應(yīng)用機(jī)械手，有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故。在高溫、高壓、低溫

6、、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作時(shí)有危險(xiǎn)或根本不可能。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都設(shè)機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏進(jìn)行生產(chǎn)。由此可見(jiàn)，有效地應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展工業(yè)的必

7、然趨勢(shì)。2PLC的簡(jiǎn)介2.1 PLC的產(chǎn)生1968年美國(guó)通用汽車公司（GM）招標(biāo)要求：軟連接代替硬接線；維護(hù)方便;可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；成本低于繼電器控制柜；有數(shù)據(jù)通訊功能；輸入115V;可在惡劣環(huán)境下工作；擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)變更要少；用戶程序存儲(chǔ)容量可擴(kuò)展到4Ko核心思想：用程序代替硬接線，輸入/輸出電平可與外部裝置直接相聯(lián)，結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展，這是PLC的雛形。1969年美國(guó)DEC公司研制出世界上第一臺(tái)PLC（PDP-14）,并在GM公司汽車生產(chǎn)線上應(yīng)用成功。2.2 PLC的定義和特點(diǎn)2.2.1 PLC的定義美國(guó)電氣協(xié)會(huì)制造商協(xié)會(huì)NEMA國(guó)際電工委員會(huì)IEC對(duì)可編程控制器分別

8、作了定義：可編程控制器是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開(kāi)關(guān)量邏輯控制為主的自動(dòng)控制裝置。它具有存儲(chǔ)控制程序的存儲(chǔ)器，能夠按照控制程序，將輸入的開(kāi)關(guān)量（或模擬量）進(jìn)行邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等處理后，以開(kāi)關(guān)量（或模擬量）的形式輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。早期的可編程控制器，主要用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制，所以稱為可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱PLC后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，其功能已不僅限于開(kāi)關(guān)邏輯控制，所以被稱之為可編程控制器PC但這很容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)PC相混淆，因此,一般把PLC作為可編程控制器的簡(jiǎn)稱。2.2.2 PLC的特點(diǎn)可編程控制器之所以能夠得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，主要是由于它具有以下特點(diǎn)：

9、（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)用軟件實(shí)現(xiàn)大量的開(kāi)關(guān)量邏輯運(yùn)算，克服了因繼電器觸點(diǎn)接觸不良而造成的故障；輸入采用直流低電壓，更加可靠、安全；面向工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，采取了濾波、屏蔽、隔離等抗干擾措施，適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)和一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。(2)編程簡(jiǎn)單，易于掌握PLC采用梯形圖方式編寫程序，與繼電器控制邏輯的設(shè)計(jì)相似，具有直觀、簡(jiǎn)單、容易掌握等優(yōu)點(diǎn)。(3)功能完善，靈活方便隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，其功能更加完善,不僅具有開(kāi)關(guān)量邏輯控制功能和步進(jìn)、計(jì)算功能，而且還具有模擬量處理、溫度控制、位置控制、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。既可以單機(jī)使用、也可聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，既可集中控制、也可

10、分布控制或者集散控制。而且在運(yùn)行過(guò)程中，可隨時(shí)修改控制邏輯，增減系統(tǒng)的功能。(4)體積小、質(zhì)量輕、功耗低由于采用了單片機(jī)等集成芯片，體積小、質(zhì)量輕、機(jī)構(gòu)緊湊、功耗低。2.3 可編程控制器的主要性能指標(biāo)可編程控制器的性能指標(biāo)有很多，主要有以下幾項(xiàng)指標(biāo)。(1)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)(I/O)I/O點(diǎn)數(shù)是指可編程控制器外部輸入、輸出端子數(shù)的總和。它標(biāo)志著可以接多少個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕和可以控制多少個(gè)負(fù)載。(2)存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量是指可編程控制器內(nèi)部用于存放用戶程序的存儲(chǔ)容量。(3)掃描速度一般以執(zhí)行1000步指令所需的時(shí)間來(lái)衡量，單位為ms/千步，也有以執(zhí)行一步指令所需來(lái)計(jì)算，單位us/步。(4)功能擴(kuò)展能力可編程控制

11、器除了主模板塊之外，通常都可配備一些可擴(kuò)展模塊，以適應(yīng)各種特殊功能應(yīng)用的需要。如A/D模塊、D/A模塊、位置控制模塊等。(5)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是指一臺(tái)可編程控制器指令的總和，它是衡量可編程控制器功能強(qiáng)弱的主要指標(biāo)。2.4 可編程控制器的分類通常PLC產(chǎn)品可按結(jié)構(gòu)形式、控制規(guī)模等進(jìn)行分類。(1)按結(jié)構(gòu)形式分類按結(jié)構(gòu)形式不同，可分為整體式和模塊式兩類。整體式的PLC是將電源、CPU存儲(chǔ)器、輸入/輸出單元等各個(gè)功能部件集成在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，從而具有結(jié)構(gòu)經(jīng)湊、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，許多小型PLC多采用這種機(jī)構(gòu)。模塊式的PLC將各個(gè)功能部件做成獨(dú)立模塊，如電源模塊、CPU真塊、I/O模塊等，然后進(jìn)行組合。(

12、2)按控制規(guī)模分類按控制規(guī)模大小，可分為小型、中型和大型PLC三種類型。1)小型PLC。小型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)以下，存儲(chǔ)容量在2KB以內(nèi)，其中輸入輸出點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)的PLC又稱為超小型或微型PLC,具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位及自診斷、監(jiān)控等基本功能。2)中型PLC中型PLC的開(kāi)關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)通常在256-2048點(diǎn)之間，用戶程序存儲(chǔ)器的容量為2-8KB,除具有小型機(jī)的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量I/O、數(shù)字計(jì)算、過(guò)程參數(shù)調(diào)節(jié)，如比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)傳送與比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、中斷控制、遠(yuǎn)程I/O及通信聯(lián)網(wǎng)功能。3)大型PLC大型PLC也稱為高檔PLCI/O點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)

13、以上，用戶程序存儲(chǔ)容量在8KB以上，其中I/O點(diǎn)數(shù)大于8192點(diǎn)的又稱為超大型PLC除具有中型機(jī)的功能外，還具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、模擬調(diào)節(jié)、特殊功能函數(shù)運(yùn)算、監(jiān)視、記錄、打印等功能，以及強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)、中斷控制、智能控制和遠(yuǎn)程控制等功能。2.5 PLC系統(tǒng)的組成PLC是一種以微處理器為核心的工業(yè)通用自動(dòng)控制裝置，具結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相似，也是有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。2.5.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)一套PLC系統(tǒng)在硬件上由以下幾部分組成：(1)中央處理器(CPU)與計(jì)算機(jī)一樣，是PLC的核心部件。(2)存儲(chǔ)器PLC配有兩種存儲(chǔ)器：系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器。(3)輸入/輸出(I/O)接口電

14、路。(4)電源。(5)擴(kuò)展單元。(6)外部設(shè)備。其中，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。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：電源輸入信號(hào)輸入?yún)s件微處理器運(yùn)算器輸出部件外都設(shè)備外設(shè)I/O接n控制器/I擴(kuò)展接口的擴(kuò)展單元圖2-1PLC硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2-1PLChardwarestructure2.5.2 PLC的軟件PLC的軟件是指PLC所使用的各種程序的集合。它由系統(tǒng)程序（系統(tǒng)軟件）和用戶程序（用戶軟件）組成。（1）系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序，輸入譯碼程序及診斷程序等。（2）用戶程序用戶程序是用戶根據(jù)控制要求，用PLC的編程語(yǔ)言（如梯形圖）編制的應(yīng)用程序。2.6 可編程控制器的

15、工作方式可編程控制器在進(jìn)入RUN犬態(tài)之后，采用循環(huán)掃描方式工作。從第一條指令開(kāi)始，在無(wú)中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲(chǔ)的地址號(hào)遞增的循序逐條執(zhí)行程序，即按順序逐條執(zhí)行程序直到程序結(jié)束。然后再?gòu)念^開(kāi)始掃描，并周而復(fù)始地重復(fù)進(jìn)行。第6)不打桶周期第N個(gè)打描周期*N+l)+招一周期!輸出刷新輸入采樣用戶程序1A行輸出刷新輸入采樣圖2-2PLC工作方式圖Fig.2-2PLCworkwayfigure可編程控制器工作的掃描過(guò)程包括五個(gè)階段：內(nèi)部處理、通信處理、輸入掃描、程序執(zhí)行、輸出處理。PLC完成一次掃描過(guò)程所需的時(shí)間成為掃描周期。掃描周期的長(zhǎng)短與用戶程序的長(zhǎng)度和掃描速度有關(guān)。2.7 PLC的編程語(yǔ)

16、言PLC的編程語(yǔ)言有梯形圖語(yǔ)言、助記符語(yǔ)言、順序功能圖語(yǔ)言等。其中前兩種語(yǔ)言用的較多，流程圖語(yǔ)言也在許多場(chǎng)合被采用。1 .梯形圖語(yǔ)言(1)梯形圖從上至下編寫，每一行從左至右順序編寫。PLC程序執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致。(2)圖左、右邊垂直線稱為起始母線、終止母線。每一邏輯行必須從起始母線開(kāi)始畫起，終止母線可以省略。(3)梯形圖中的觸點(diǎn)有兩種，即動(dòng)合觸點(diǎn)和動(dòng)斷觸點(diǎn)。(4)梯形圖的最右端必須連接輸出元素。(5)梯形圖中的觸點(diǎn)可以任意申、并聯(lián)，而輸出線圈只能并聯(lián)，不能用聯(lián)。2 .助記符語(yǔ)言助記符語(yǔ)言是PLC命令的語(yǔ)言表達(dá)式。用梯形圖編程雖然直觀、簡(jiǎn)便，但要求PLC配置較大的顯示器時(shí)可輸入圖形符

17、號(hào)，這在有些小型機(jī)上常難以滿足，所以助記符語(yǔ)言也是一種較常用的一種編程方式。不同型號(hào)的PLC其助記符語(yǔ)言也不同，但其基本原理是相近的。編程時(shí)，一般先跟據(jù)要求編制梯形圖語(yǔ)言，然后再根據(jù)梯形圖轉(zhuǎn)換成助記符語(yǔ)言。3 .順序功能圖語(yǔ)言順序功能圖SFC是一種描述順序控制系統(tǒng)功能的圖解表示法，主要由“步”、“轉(zhuǎn)移”及“有限線段”等元素組成，它將一個(gè)完整的控制工程分為若干個(gè)階段（狀態(tài)），各階段具有不同的動(dòng)作，階段間有一定的轉(zhuǎn)換條件，條件滿足就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，上一狀態(tài)動(dòng)作結(jié)束，下一動(dòng)作開(kāi)始。2.8 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保

18、及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。1、開(kāi)關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。2、模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Dig計(jì)al）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3、運(yùn)動(dòng)控制PLC可以用于圓周

19、運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開(kāi)關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。4、過(guò)程控制過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等

20、場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。5、數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無(wú)人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過(guò)程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。6、通信及聯(lián)網(wǎng)PLC®信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能,紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系

21、統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3機(jī)械手的設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械手的控制要求本機(jī)械手的控制要求：機(jī)械手搬運(yùn)零部件動(dòng)作示意圖如下圖3-1所示，該機(jī)械手可用來(lái)將工件從A工位搬到B工位，實(shí)現(xiàn)方式有手動(dòng)自動(dòng)兩種工作方式，其動(dòng)作過(guò)程分為10工步，即從原位開(kāi)始順序經(jīng)過(guò)10個(gè)動(dòng)作后完成一個(gè)周期，并返回原位，在此，定義機(jī)械手處于左旋限位，上行限位時(shí)為原點(diǎn)。具體過(guò)程是：橫軸下降，至下限位開(kāi)關(guān)，夾緊工件，橫軸上升，至上限位開(kāi)關(guān)，底盤右旋轉(zhuǎn)，至右旋限位開(kāi)關(guān)，橫軸右行，至右限位開(kāi)關(guān)，橫軸下降，至下限位開(kāi)關(guān)，松開(kāi)工件，橫軸上升，至上限位開(kāi)關(guān)，橫軸左行，至左限位開(kāi)關(guān)，底盤左旋轉(zhuǎn)，至左旋限位開(kāi)關(guān)，返回原位，完成

22、一個(gè)周期。為了便于控制系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)，本控制系統(tǒng)有手動(dòng)功能和自動(dòng)功能。當(dāng)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)”位置時(shí)，按下相應(yīng)的手動(dòng)按鈕，就可實(shí)現(xiàn)上升、下降、左移、右移、夾緊、放松的手動(dòng)控制。當(dāng)機(jī)械手處于原位時(shí)，將手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于“自動(dòng)”位置時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)。機(jī)械手工作方式說(shuō)明如下：(1)手動(dòng)工作方式即單步運(yùn)行，每按一個(gè)按鈕，執(zhí)行一步操作；(2)自動(dòng)工作方式即連續(xù)運(yùn)行，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行，一個(gè)周期后循環(huán)工作，直至完成搬運(yùn)任務(wù)；(3)運(yùn)行之前，通常對(duì)機(jī)械手進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位操作有機(jī)械手在左邊、在右邊、在中間三種情況，要逐一考慮，使機(jī)械手在任意位置都可以完成復(fù)位，回到原點(diǎn)；(4)運(yùn)行過(guò)

23、程中，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，要停止一切動(dòng)作。左右行包機(jī)左旋轉(zhuǎn)圖3-1機(jī)械手搬運(yùn)零部件示意圖Fig.3-1Manipulatorhandlingpartsschemes3.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中常用的控制系統(tǒng)有：傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)這三種。但從使用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性出發(fā)，本設(shè)計(jì)選用了PLC控制系統(tǒng)。因?yàn)閺纳鲜鲈摍C(jī)械手所需完成的控制動(dòng)作分析來(lái)看，本機(jī)械手是用于在復(fù)雜的條件下工件的傳輸，主要?jiǎng)幼魇巧仙⑾陆怠⒆笠啤⒂乙啤A緊、放松、左旋、右旋和工序延時(shí)控制等，控制動(dòng)作基本上是以簡(jiǎn)單的順序邏輯動(dòng)作為主，是屬典型的繼電邏輯順序動(dòng)作控制系統(tǒng)，這

24、是PLC最擅長(zhǎng)的功能，而且PLC具有體積小、重量輕、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等特點(diǎn)，特別是替代繼電器控制系統(tǒng)，這更是它的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，直接連接PLCPLC®過(guò)中間繼電器對(duì)電磁閥加以控制。系統(tǒng)框圖如圖3-2所示。上升展位升美二下降限研關(guān)卜夾咕卷冊(cè)關(guān)二主行限位開(kāi)關(guān)限好關(guān)urh二左右行步進(jìn)生機(jī)窕動(dòng)器=基座電磯上下行步進(jìn)蟲(chóng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器上下行步進(jìn)電札左右行步進(jìn)電機(jī)原位麻燈圖3-2系統(tǒng)框圖Fig.3-2Thesystemframe4系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)4.1 PLC的選型目前，世界上有200多個(gè)廠家生產(chǎn)可編程控制器產(chǎn)品，比較著名的PLC生產(chǎn)廠家主要有美國(guó)的A

25、B通用（GE、日本的三菱（MITSBISHD、歐姆龍（OMR。N德國(guó)的西門子（SIMENS、法國(guó)的TE、韓國(guó)的三星（SUMSUNGLG等。本文選擇的是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的S7-200PLCS7-200系列PLC是西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC其許多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC的一樣，因此它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7-200CPU22*系列PLC由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面（HMD可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡(jiǎn)單，其速度快，具有極強(qiáng)的通信能力，幾

26、乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。根據(jù)機(jī)械手的控制要求，PLC輸入、輸出點(diǎn)分配如表所示：表4-1PLC的I/O分配表Tab.4-1PLCofI/Odistributionlist名稱輸入名稱輸入啟動(dòng)按鈕SB1I0.0夾緊按鈕SB10I1.1停止按鈕SB2I0.1松開(kāi)按鈕SB11I1.2復(fù)位按鈕SB3I0.2上升限位開(kāi)關(guān)SQ1I1.3上升按鈕SB4I0.3下降限位開(kāi)關(guān)SQ2I1.4下降按鈕SB5I0.4左行限位開(kāi)關(guān)SQ3I1.5左行按鈕SB6I0.5右行限位開(kāi)關(guān)SQ4I1.6右行按鈕SB7I0.6左旋限位開(kāi)關(guān)SQ5I1.7左旋按鈕SB8I0.7右旋限位開(kāi)關(guān)SQ6I2.0右旋按鈕SB9I1.0名稱輸出

27、名稱輸出上下行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Q0.0Q0.4脈沖輸入左右行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器基座電機(jī)正轉(zhuǎn)脈沖輸入Q0.1基座電機(jī)反轉(zhuǎn)Q0.5上下行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方向輸入Q0.2松緊電磁閥Q0.6左右行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器力向輸入Q0.3原位指小燈Q0.7由上表可知，該控制系統(tǒng)共需要17個(gè)輸入點(diǎn)，8個(gè)輸出點(diǎn)，此處選用西門子公司生產(chǎn)的小型PLCS7-200系列的CPU226昧電器輸出型可編程控制器，該控制器輸入點(diǎn)24個(gè)，輸出點(diǎn)16個(gè)。4.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)的選擇機(jī)械手的全部動(dòng)作由步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)需要驅(qū)動(dòng)器，有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電機(jī)才會(huì)動(dòng)作，且每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)步進(jìn)電機(jī)走一步；改變電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，需要加方向

28、信號(hào)。機(jī)械手的上升/下降、左行/右行動(dòng)作就是通過(guò)控制這兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。基座旋轉(zhuǎn)是通過(guò)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械手的放松/夾緊由一個(gè)單線圈兩位置電磁閥控制。當(dāng)該線圈通電時(shí)，機(jī)械手放松；該線圈斷電時(shí)，機(jī)械手夾緊。4.2.1 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步距角）。通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)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。本系統(tǒng)采用二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制機(jī)械手的動(dòng)作，相

29、比直流電機(jī)有更好的制動(dòng)效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。此處采用串聯(lián)型接法，其電氣接線圖如下圖4-1所示。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說(shuō)：控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。圖4-1步進(jìn)電機(jī)電氣接線圖Fig.4-1Stepmotorelectricalhookup4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三

30、大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。1、步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等。2、靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般為低速）二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，包速

31、運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍最好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）3、電流的選擇靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流(參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓)。4、力矩與功率換算步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：P=QMQ=2ttn/60P=2mM/60其P為功率，單位為瓦；。為每秒角速度，單位為弧度；n為每分鐘轉(zhuǎn)速；M為力矩，單位為牛頓米；P=2fM/400(半步工作)，其中f為每秒脈沖數(shù)(簡(jiǎn)稱PPS)。止匕外，在選取電機(jī)時(shí)，我們應(yīng)該注

32、意：1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過(guò)1000轉(zhuǎn)，(0.9度時(shí)3000PPS)最女?在1000-3000PPS(0.9度)間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。3、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸開(kāi)頻提速，一是可以保證電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。4、電機(jī)在600PPS(0.9度)以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。5、應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。根據(jù)以上原則，我們選用深圳雷塞兩相57HS13系列步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)參數(shù)為：表4-2步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表Ta

33、b.4-2Stepmotorparametertable型號(hào)靜力矩(NM)步距角(0)相電流電阻()電感(mH)長(zhǎng)度L(mm)轉(zhuǎn)子慣量(g.cm2)(Kg)串聯(lián)(A)并聯(lián)(A)57HS131.31.82.04.01.02.1764601.0選用雷塞兩相M860系列步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，工作電流2.47.2A,工作電壓2480V。4.3 PLC原理接線圖根據(jù)PLC的選型、輸入/輸出端口分布表以及步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器類型，畫出PLC的外部接線圖，如下：后動(dòng)陽(yáng)QCOMro.tt(X)*om停止$圜110.1Trt巾QGJ上升期二10-2下降甌110.310.4FR|左行右行加【口$10.6g00.3左

34、旋號(hào)曬kA右鼾旭I10.7莢黑部WILIIkOQM11.2"5I】/T+j|松開(kāi)郎在_-J-上焦翔1下限買左限S511.4Q0.6T1.5IL&IL710QQ.T檸限冽左旋限5Q5右旗限期1|_COMn11I.jLL5KPtLGNDOPI'U上下行步進(jìn)電機(jī)DIR驅(qū)動(dòng)器V+PULGMt0ra.左右行步進(jìn)電機(jī)DIR驅(qū)動(dòng)器V；1./Imr+24V.,Ml基座電機(jī)及原位指示燈圖4-2PLC外部接線圖Fig.4-2PLCexternalhookup5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)，我們選取自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式，手動(dòng)控制方式即單步運(yùn)行方式，手動(dòng)操作不需要按工序順序動(dòng)作，可以按普通繼

35、電器接觸器控制系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)，利用按鈕對(duì)機(jī)械手每一動(dòng)作單獨(dú)進(jìn)行控制，如按“下降”按鈕，機(jī)械手下降；按“上升”按鈕，機(jī)械手上升。而自動(dòng)工作方式，按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始按工序自動(dòng)反復(fù)連續(xù)循環(huán)工作，直到按下停止按鈕，機(jī)械手自動(dòng)停機(jī)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況是：打開(kāi)電源，按下起動(dòng)按鈕時(shí)，開(kāi)機(jī)復(fù)位。機(jī)械手的動(dòng)作示意圖如圖3-1所示。機(jī)械手若不在原點(diǎn)則PLC向上下行驅(qū)動(dòng)器輸入脈沖信號(hào)，上下行步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升。上升到底時(shí)碰到上限位開(kāi)關(guān)，然后主機(jī)向左右行驅(qū)動(dòng)器同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，左右行步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，橫軸左行。當(dāng)行進(jìn)到位時(shí)碰到左限位開(kāi)關(guān)，左行停止，回到原點(diǎn)。主機(jī)向上下行驅(qū)動(dòng)器同時(shí)輸入脈沖

36、信號(hào)和電平信號(hào)，上下行步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)械手下降。降到底時(shí)碰到下限位開(kāi)關(guān)，下降停止，夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手夾緊。夾緊后，主機(jī)向上下行驅(qū)動(dòng)器只輸入脈沖信號(hào)，上下行步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開(kāi)關(guān)，上升停止。PLC向基座電機(jī)輸入正轉(zhuǎn)信號(hào)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)械手右旋，碰到右旋限位開(kāi)關(guān)，右旋停止。主機(jī)向左右行驅(qū)動(dòng)器輸入脈沖信號(hào)電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)左右行正轉(zhuǎn)，機(jī)械手右行，右行到位時(shí)，碰到右限位開(kāi)關(guān)，右行停止。主機(jī)向上下行驅(qū)動(dòng)器同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，上下行步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)械手下降。降到底時(shí)碰到下限位開(kāi)關(guān)，下降停止，同時(shí)夾緊電磁閥得電，機(jī)械手放松。放松后，主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器上下行輸入脈沖信號(hào)，上下

37、行步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升，上升到頂時(shí)，碰到上限位開(kāi)關(guān)，上升停止。PLC向左右行驅(qū)動(dòng)器同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，左右行步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，橫軸左行，當(dāng)左行到底時(shí)碰到左限位開(kāi)關(guān)，然后主機(jī)向基座電機(jī)同時(shí)輸入反轉(zhuǎn)信號(hào)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)械手左旋，碰到左旋限位開(kāi)關(guān)左旋停止，回到原點(diǎn)。至此，機(jī)械手經(jīng)過(guò)十步動(dòng)作完成一個(gè)循環(huán)。就此給出自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能流程圖和系統(tǒng)整體的PLC程序。5.1 控制系統(tǒng)功能流程圖5-1控制系統(tǒng)功能流程圖上電后原位指示燈亮下降抓緊延時(shí)10S上升右旋右行下降松開(kāi)延時(shí)10s上升左行左旋Fig.5-1Controlsystemfunctionflowchart5.2 PLC編程與調(diào)試5.2.1 手

38、動(dòng)控制程序手動(dòng)控制即單步運(yùn)行，當(dāng)按下一個(gè)按鈕，比如說(shuō)上升按鈕，機(jī)械手自動(dòng)上開(kāi)，什么時(shí)候停下來(lái)則由限位開(kāi)關(guān)來(lái)決定。根據(jù)這一思路，編寫如下程序：Network4I下陣司忙C,1。口£1'I)Vi>=)H酎1uh7ICGQQ1QtlJI|11|(S)IMetwokUI七二十2Networif3|左推107QQ4QQ5II1'I()1MelwoikID位IQ7QU5Natwork11-nJQQ.50口4TI1,IC)iNetwork12I4錢化一11,000.45.2.2復(fù)位控制程序復(fù)位程序比較復(fù)雜，因?yàn)闄C(jī)械手為三自由度，十個(gè)工步，所以有三種情況:在左邊任意位置，在右邊任意位置，既不在左邊又不在右邊而是在中間的任意位置。所以按下復(fù)位按鈕時(shí)我們需要首先判斷機(jī)械手的確切位置。在這里，我們可以通過(guò)限位開(kāi)關(guān)和松緊電磁閥的狀態(tài)明確的判斷出來(lái)。找到機(jī)械手的具體位置，就可以驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行下一步動(dòng)作。比如機(jī)械手在右邊，而且手部沒(méi)有貨物，那么右行限位開(kāi)關(guān)和電磁閥都應(yīng)該是閉合的，機(jī)械手下一步要完成的動(dòng)作是放松上升，左移至左行限位開(kāi)關(guān)再左旋，然后回到原點(diǎn)，完成復(fù)位工作。在左邊和在中間時(shí)，也是如此。根據(jù)這一思路，編寫如下程序：IFRUERMI匚JMMEhlTSHeiwoik1復(fù)位性序|史許鰭回原點(diǎn)I口？M12TICDNctnoik2扇雕點(diǎn)舊2M12M1.3TI1