頁共35頁1前言1.1研究的目的和意義1.1.1傳統機械手伴隨著工業自動化發展的腳步，機械手憑借其定位精度高、工作性能穩定、結構靈活多樣、可精確復現等特點，被廣泛應用于輕、重工業、醫療衛生、軍事、科研等高新技術領域。它的運用標志著制造業向自動化、無人化、節拍化、智能化的邁進。就傳統繼電控制的機械手而言，因其控制裝置落后、接線復雜、易受干擾、可靠性差、維修困難等劣勢，逐步退出了歷史舞臺。1.1.2現代機械手可編程控制器因其諸多特點被廣泛應用于現代機械手控制系統中。可編程控制器簡稱PLC（ProgrammablelogicController）,是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置，是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產過程。其特點特點如下：1、可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。就PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。2、配套齊全，功能完善，適用性強PLC發展至今，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加之PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易為工程技術人員接受。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繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。4．系統的設計、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，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。5．體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。配套齊全，功能完善，適用性強。1.2研究的國內外現狀和發展趨勢1.2.1國內外現狀1．應用廣泛性。機械手作為一種按人類意識進行簡單替代人手操作的工具，被廣泛應用于輕、重工業、醫療衛生、軍事、科研等高新技術領域，從事目標搬移（如：搬移機械手、選擇夾持機械手、運輸機械手、挖掘機等）、精確定位（醫療機械手輔助手術、電子元器件機插設備、打印設備、數控加工中心等）、模擬（殘疾人假肢）等工作。2．結構多樣性。機械手因其模擬人類手部的工作模式而命名，并非其形狀像手。在應用的各領域、各工作層面中，機械手的形狀各異，不受到任何標準形狀的制約，實用、抽象的結構體，發揮著其獨有的高效作用。3．智能性。借助傳感器反饋系統，將機械手工作時的動態信息，及時的反饋回中央處理單元，進行動作的實時控制。即使被操作目標的表面形狀和位置存在差異，機械手都能借助檢測反饋信息，自動的判斷夾持位置（定位位置），智能的把目標送入下一工作環節。生產車間中，運用該機械手，可實現無人化生產，構建無人車間。1.2.2發展趨勢1．各種多用途機械手。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。如汽車工業中的上下料、裝配、噴涂以及各種功能的實現。2．具有熟練技術工人的機能。如開發雙臂多關節機械手，像熟練技術工人那樣進行各種裝配、檢修、焊接、噴涂等工作，能搬運液晶玻璃、半導體器件，并能和計算機連接，通過仿真軟件進行各種熟練技術工人的工作。完美的人機界面，完備的通信功能更好適應各種工業的控制場合。3．實現智能化，能進行多品種少數量的柔性生產，組成各種形式的制造系統。開發各種帶視覺、聽覺、觸覺的新型傳感器，能夠分析、判斷、遙控的智能化機器手，為未來低成本、高精度、高效率、高自動化的制造系統做準備。4．提高機器手工作定位精度。通過安裝視覺傳感器，實時控制系統等措施，使械手運動環節能實現實時位置反饋，提高機械手工作定位精度。2方案設計2.1機械手的工藝流程和實現功能2.1.1機械手工藝流程本設計要求在流水線上的物料臺之間設置一個機械手,用以完成工件在2個工位之間的空間位置轉換。根據系統的控制要求,機械手能夠以手動和自動兩種方式完成工件的搬移工作。對于手動控制方式,按照點動的方式進行,手動控制按鈕有"手動右移"、"手動左移"、手動前進"、"手動后退"、"手動上升"、"手動下降"、"手動吸附"和"手動松開",按下相應的按鈕,機械手分別執行機械手臂X軸右移、X軸左移、Y軸前進、Y軸后退、Z軸上升、Z軸下降、機械手抓取、機械手放開。另外還有"自動/手動"按鈕,用以選擇系統的控制方式,按下時為自動控制方式,未按下時為手動控制方式。對于自動控制方式,按照時間推移具體動作順序如下:(1) 等待接收工作方式信號;(2) 橫軸移動至XI,軸移動至Yl,啟動夾緊2秒等待;(3) 機械手從流水線將工件取下;(4) 縱軸左旋至Zl,豎軸下將移動至Y2；(5)松開工件,機械手將工件放置另一工位上2秒等待；(6) 豎軸上升,橫軸后退到X2，縱軸右旋到Z2，回原點;上述1-6為一個動作循環2.1.2機械手實現功能基于上述的控制要求,本機械手控制系統實現下述功能:機械手按手動和自動兩種方式動作:設計要求機械手可以通過手動和自動兩種方式實現控制功能,在手動方式下,用點動的方式進行機械手的移動控制,對應的控制按鈕在控制面板之上;在自動方式下,機械手根據編制的自動控制程序實現自動運行,完成工件的抓取、放下過程。2.2系統總體設計框圖圖2.1系統總體設計框圖2.3各模塊概述2.3.1控制器運動控制器是運動控制系統的核心,其在系統控制中的任務是產生控制命令和使系統輸出信號跟隨參考位置。本設計采用的控制器是三菱公司的FX2N-64MT型PLC。PLC是以微處理器為核心的工業自動化控制裝置,具有可靠性高、運算速度快、存儲量大、功能強勁、易于和計算機相連接等特點,被譽為現代工業生產自動化的三大支柱之一,現已在工業控制領域得到極廣泛應用。PLC具有很高的可靠性,這歸功與其采用的電路設計技術和生產制造工藝;PLC還能夠自我檢測系統的硬件故障;在軟件設計中,可以編寫相關的程序進行故障診斷,在硬件和軟件兩個方面保證了PLC的高可靠性。現代PLC在數據計算能力方面比之前大大提高,能控制的系統也越來越復雜;PLC將控制系統的外部接線用程序的方式表達出來,使得系統的硬件維護工作量減少很多,更重要的是若需要改變某一工藝流程,只需改變內部的控制程序即可實現。2.3.2驅動模塊驅動模塊是指驅動器及相關組件。驅動器是將運動控制器輸出的小信號放大以驅動伺服機構的部件,對于不同的伺服機構,驅動器有電動、液動和氣動等類型P4l。PLC運動控制系統采用PLC作為控制器,通常驅動器為、伺服電機驅動器、步進電機環形驅動器等。本設計采用變頻器為驅動器交流異步電機驅動器釆用全數字化結構,采用脈沖編碼器倍增功能,采用新的算法使整定的時間得以縮短;驅動裝置硬件結構簡單,參數調整方便,輸出一致性、可靠性增加。同時,驅動裝置可以集成復雜的電機控制算法和只能控制功能,如增益自動調整、網絡通信等功能,很大程度提高了交流伺服系統的適應范圍2.3.3執行模塊執行模塊的主要功能是驅動被控對象,本系統的執行模塊包括交流異步電機和液壓站。交流伺服電機包括永磁同步電機和感應式異步電機,交流伺服電機具有加減速時間短、精度高、反應速度快、過載能力強、可靠性高、效率高、外形尺寸小和質量輕等特點。采用交流伺服電機作為執行元件,將輸入的電壓信號轉換成為軸的角位移或角速度的變化,輸入的電壓信號稱為控制信號,改變其值可以改變伺服電機的轉速和轉向。交流伺服電機的轉子慣量與直流電機相比值很小,并且具有良好的動態響應性能。另外,在同樣的體積下,交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高10%-70%[24-25]。氣壓傳動將壓縮氣體經由管道和控制闊輸送給氣動執行元件,將壓縮氣體的壓力能轉換為機械能而做功。執行模塊是運動控制系統的重要組成部分。執行部件和被控對象相聯系的動力學特性對于系統的性能影響很大,也在很大程度上決定了被控對象是否能夠達到預期的控制要求,所以,執行模塊是系統性能的展現方式。3硬件設計3.1機械手夾持結構3.1.1夾緊機構——手爪機械手手爪是用來抓取工件的部件。其構造模仿人的手指，分為無關節、固定關節和自由關節三種。手指數量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得較多。可根據夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作。手爪抓取工件時應具有迅速性、靈活性、準確性和可靠性。設計過程中應根據需要對機械手的運行速度、加速度、夾持物體重量、慣性和沖擊力、開口尺寸進行校核，且能夠自鎖，防止斷電或設備故障造成被抓物掉落。3.1.2結構假定被夾持工件為有凹槽回轉體，且自重不超過機械手允許安全負載，作以下結構設計此方案未進行具體參數校核，結構僅適用于部分工作環境。。此方案未進行具體參數校核，結構僅適用于部分工作環境。圖3.1機械手手爪示意圖1.手爪2.轉軸3.壓縮彈簧4.電磁鐵心5.電磁線圈6.螺母7.機械手手爪殼體8.定位銷9.限位螺釘10.橡膠防滑墊工作理論：杠桿原理、胡克定律及安培定律。工作方式：機械手的夾緊與放松由電磁線圈控制。若線圈得電，手臂端產生磁力矩，當磁力矩大于彈簧被壓縮所產生的力矩時，手臂吸合，手爪張開；若線圈失電，手臂端無磁力矩，機械手手爪將在彈簧預壓縮力所產生的力矩作用下，保持夾緊狀態，實現自鎖功能，避免因偶然斷電導致被抓物掉落。特點：最小夾持半徑可調，設定夾持點半徑，可減小夾緊力對夾持物表面的破壞。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來增加安全性．通過橡膠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。3.2機械手軀干3.2.1組成機械手軀干包括立柱、機座、手臂及手手指四部分。立柱是支撐手臂帶動它升降、擺動和移動的機構，立柱與機座相聯可固定在地面上、機床設備上、或者懸掛在橫梁上，可固定在行走機座上。本設計中機座為落地固定式機座。機座是支撐機械手全部重量的構建，對其結構的要求是剛性好、占地面積小、操作方便和造型美觀。手臂是機械手的主要部分，它支持手腕、手指和工件使他們運動的機構。手臂應承載能力大、剛性好、自重輕、靈活、位置精度高、通用性強等特點。主要結構有伸縮式和關節式，本文優選伸縮式。3.2.2傳動定位機構手臂直線運動的結構手臂直線運動的結構，基本上是由驅動機構和導向裝置組成。文中選用步進電機作為動力，故選用絲杠螺母機構或齒輪齒條機構。現就兩者作以下分析：絲杠螺母機構：位移較準確、降速比大，運平穩、無噪音、易自鎖，但高精度的絲杠制造比較困難，傳動效率低。矩形、梯形螺紋結構，因傳動力大，應用廣泛。滾珠絲桿效率高，但成本高。齒輪齒條機構：傳動效率高，速度快、無自鎖。一般用于機械手的傳動機構，不作為定位機構。為滿足自鎖要求，優先選用絲杠螺母機構。手臂回轉機構由于采用交流異步電機作為驅動元件，回轉機構相對簡單，成本相對較低。可直接采用齒輪減速以實現回轉。圖3.2機械手機構圖3.3傳動系統3.3.1傳動方式電氣傳動使利用電動機直接驅動執行機構，以獲得機械手的各種運動。采用交流異步電機驅動，機械手的位移和運動速度，可由電控系統發出脈沖信號數量及脈沖信號頻率來控制。步進電機能夠達到比較高的重復定位精度。3.3.2交流異步電機調速原理實際的生產過程離不開電力傳動。生產機械通過電動機的拖動來進行預定的生產方式。直流電動機可方便地進行調速,但直流電動機體積大、造價高,并且無節能效果。而交流體積小、價格低廉、運行性能優良、重量輕,因此對交流電動機的調速具有重大的實用性。使用調速技術后,生產機械的控制精度可大為提高,并能夠較大幅度地提高勞動生產率和產品質量,而且可對諸多生產過程實施自動控制。通過大量的理論研究和實驗,人們逐漸認識到:對交流電動機進行調速控制,不僅能使電力拖動系統具有非常優秀的控制性能,而且在許多場合中,還具有非常顯著的節能效果。鑒于多種調速方式中,交流變頻調速具有系統體積小,重量輕、控制精度高、保護功能完善、工作安全可靠、操作過程簡單,通用性強,使傳動控制系統具有優良的性能,同時節能效果明顯,產生的經濟效益顯著。尤其當與計算機通信相配合時,使得變頻控制更加安全可靠,易于操作(由于計算機控制程序具有良好的人機交互功能),變頻技術必將在工業生產發揮巨大的作用,讓工業自動化程度得到更大的提高。三相交流電動機定子繞組中的三相交流電在定子隙圓周上產生一個旋轉磁場,這個旋轉磁場的轉速稱同步轉速,記為n1實際電動機轉速n要低于同步轉速,故一般稱這樣的三相交流電動機為三相異步電動機。異步電動機的同步轉速遵從電機學基本關系n1=60f/p(3-1)式中f———電源交變頻率P———電機定子磁極對數電機學中還常用轉差率s參量,其定義為s=(n1-n)/n1·100%(3-2)電機的實際轉速n=(60f/p)(1-s)(3-3)變頻調速控制方式式(3)可知,異步電動機變頻調速的控制方式基本上有以下三種。1)電源頻率低于工頻范圍調節,電源的工頻頻率在我國為50Hz。電機定子繞組內的感應電動勢為E1=4.44f1K1N1Φ(3-4)式中f1———定子繞組中感應電動勢的頻率,與電源頻率f相等,HzK1———電機定子繞組的繞組系數,其值取決于繞組結構,K1<1N1———電機定子繞組每相串聯的線圈匝數Φ———電機每極磁通定子電壓U1與定子繞組感應電動勢E1的關系U1=E1+I1Z1(3-5)式中Z1———定子繞組每組阻抗I1———定子繞組相電流若忽略定子壓降I1Z1則U1≈E1=4.44f1K1N1Φ(3-6)把該式整理成U1=4.44f1K1N1Φ(3-7)K=4.44K1N1(3-8)則Φ=U1/Kf1(3-9)電動機的電磁轉矩M與(U1/f1)2成正比,若下調頻率f1同時也下調U1,使(U1/f1)比值保持恒量,則磁通Φ不變,因此轉矩也保持常值,此時電動機拖動負載的能力不發生改變,這種控制方式稱為恒磁通調壓調頻調速,也叫恒轉矩調速。2)電源頻率高于工頻范圍調節由于使頻率f1增加,U1/f1變小,而U1不能高于額定電壓,在該控制方式中,保持U1不變,由于頻率變高,由式(3-9)知道,定子磁通!變小,電磁轉矩M也變小,但電源頻率增加,設電動機轉動角速度w=2πn,電機的功率是電磁轉矩M與角速度ω的乘積P=M·ω(10)調節過程中,使頻率f與轉矩的變化成一定協調關系,從而保持電機功率P為恒量,即功率不發生變化,這種升頻定壓調速為恒功率調速。3)轉差頻率控制三相異步電動機中,定子與轉子之間的圓周空隙有一旋轉磁場,轉速為n1,電機轉子實際轉速為n,(n1-n)是轉子與旋轉磁場之間的相對切割速度。對頻率、電壓進行諧調控制,使U1/f1不變,此時,磁通!也不變,在Φ不變的條件下,電磁轉矩M與(n1-n)2成正比。對頻率f進行調節,即調節(n1-n),因此,在實現轉速調節時也實現了轉矩的調節。隨著變頻調速異步電動機在國內外市場上日益擴大應用,自90年代中期以來,我國有眾多電動機生產企業設計、研制和生產適用于不同應用的各種系列變頻調速三相異步電動機,例如:通用變頻調速電動機系列、起重冶金變頻調速電動機系列、隔爆變頻調速電動機系列、電梯變頻調速電動機系列、輥道變頻調速電動機系列、牽引變頻調速電動機系列等。從目前情況看,這些系列電動機能基本滿足國內市場的需求。據資料顯示,我國對于變頻調速三相異步電動機的品種不斷擴大,產品設計也不斷改進。為了適應不同用途、不同工作條件和使用環境、不同工況等各種要求,專用系列和改型系列變頻調速電動機產品不論現在和將來,都在迅速發展。變頻器供電電源會在電動機端子和各相繞組的前幾匝線圈上產生高頻瞬間脈沖峰值電壓,因此,如果不對絕緣系統采用增強措施,將會使繞組在高電壓應力作用下過早失效,從而引起絕緣擊穿故障。據資料報道,佳木斯電機股份有限公司已在新一代變頻調速電動機上開始采用專用電磁線、槽絕緣、相間絕緣以及浸漬漆等措施。3.4輔助系統3.4.1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提出返回原點校零位要求。在初始位置添置限位開關，當觸及時發出已達原點指令，停止運動。同時鎖定繼續前行運動，能且只能反向運動，以實現因故障或暴力操作造成的超程保護功能。非原點端只作超程保護不作為定位。圖3.3傳動絲杠示意圖3.4.2操作臺操作面板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、反應自動工作狀態為原則，與后文I/O采用方案相匹配，進行設計，如圖所示。該機械手工作方式有手動、單步、單周期、連續工作（自動）四種形式。具有原點、路徑關鍵點，報警指示、工作狀態指示等功能。下面就操作面板說明如下：設備原點：機械手的機械設備原點。任何停止狀態，旋轉選擇旋鈕到原點，啟動回原點按鈕，機械手回到原點。手動方式：各自的按鈕使各個負載單獨接通或斷開。實現實時按操作者的指令進行動作。同時也負責起自動工作方式中每一工步的目的點的記錄保存工作。單步：旋鈕選擇單步工作，按動一次啟動按鈕，前進一個工步。單周期：旋鈕選擇單周期工作，按動一次啟動按鈕，運行一個周期。連續工作（自動狀態）：在用戶原點，旋鈕選擇自動，按動啟動按鈕連續反復運行，途中按動停止按鈕，運行到原點后停止。LED指示燈：狀態實時顯示。電源和急停按鈕與PLC工作無關。該按鈕使用來接通或斷開PLC外部負載的電源。圖3.4操作面板示意圖3.5PLC選擇及I/O口分配3.5.1PLC控制系統設計的基本原則1.滿足被控對象的控制要求考慮將來發展的需要，PLC選用功能較強的新產品，并留有適當的余量。2.系統安全、可靠。3.盡可能簡單、經濟、使用與維修方便。4.具有高的性能價格比。3.5.2PLC控制系統設計步驟1.分析被控對象，提出控制要求。2.確定輸入、輸出設備。3.確定PLC的I/O點數，選擇PLC機型。4.分配I/O點數，繪制PLC控制系統輸入、輸出端子接線圖。5.程序設計，繪制工作循環圖或狀態轉移圖。6.程序調試。先進行模擬調試，再進行現場聯機調試；先進行局部、分段調試，再進行整體、系統調試。7.調試過程結束，整理技術資料，投入使用。圖3.5PLC控制系統設計步驟流程圖3.5.3CPU的速度CPU的運行速度是指執行每一步用戶程序的時間。對于以開關量為主的控制系統，不用考慮掃描速度，一般的PLC機型都可使用。對于以模擬量為主的控制系統，則需考慮掃描速度，必須選擇合適CPU種類的PLC機型。3.5.4PLC模塊的選擇遠程I/O模塊：輸入、輸出裝置比較分散，工作現場遠離控制站。高速計數器模塊：當PLC內部的高速計數器的最高計數頻率不能滿足要求時，可選擇使用。定位模塊：在機械設備中，保證加工精度進行定位。通信聯網模塊：PLC與PLC之間，或PLC與計算機之間的通信與聯網。模擬輸入模塊、輸出模塊：把流量、速度、壓力、風力、張力等變換成數字量，及把數字量變換成模擬量，進行輸入、輸出。3.5.5PLC品牌選擇世界上生產PLC的廠商有數百家，構成美國、歐洲和日本三大技術陣營，其代表機型有美國羅克韋爾（Rockwell）自動化公司所屬的A-B(Allen-Bradley)公司生產的PLC-5系列PLC、GE-Fanuc公司生產的90TM-30系列和90TM-70系列的PLC，德國西門子（Siemens）公司生產的S5系列PLC和S7系列PLC，日本三菱公司生產的FX系列、A系列、Q系列PLC、歐姆龍公司生產的CS系列、C200系列、CPM系列PLC。三大技術陣營的PLC在程序表達形式、功能及用法上有很大的差異。熟悉西門子S5系列PLC的人都知道，他是采用結構化編程的方法，盡管他也設有梯形圖、邏輯圖等多種其他編程語言，單少許復雜一點的問題就必須采用語句表，通過STEP5語言，調用各種功能來實現。然而美國A-B公司的PLC-5系列可編程控制器則與西門子S5系列PLC相去甚遠，A-B的PLC-5根本就沒有語句表，他所有的程序都要依靠梯形圖編制，因而A-B的梯形圖與西門子的梯形圖在形式、功能及用法上相差很大。日本的微型小型PLC產品是非常有特色的，他對梯形圖、語句表并重，而且配置了包括功能指令在內的功能很強的指令系統。用戶常常會發現，同一個應用問題，選用日本的小型PLC產品就能解決，而用歐美產品常要選用中型乃至大型PLC才行。這主要是歐美小型PLC產品指令系統太弱所制。日本的PLC技術是由美國引進的，因此日本的產品對美國的產品有一定的繼承性。單日本把自己主推產品定位在小型PLC上，因面臨的主要市場在亞洲，因此他對美國的PLC技術既有繼承，更多的是發展。在小型PLC方面，他已是青出于藍而勝于藍，日本產品在世界小型PLC市場上占70%的份額。據不完全統計，我國每年引進的PLC產品價值，其中美國產品約占36.3%，歐洲產品約占45.5%，日本產品約占18.2%。歐美產品以大中型PLC為主基本上是德國西門子公司與美國A-B公司平分秋色。小型PLC主要是日本產品。在國內，日本三菱公司生產的FX系列小型PLC以其良好的性能得到了廣泛的應用，同時各大高校、職業技術學校，也為其提供了專業技術人才的支持。簡單機械手運動小型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械手的核心控制系統，可以減少企業對操作人員培訓，降低使用成本，減少消費者對產品使用的顧慮。3.5.6PLC系列選擇PLC機型選擇的基本原則是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格比的最優化機型。三菱FX系列PLC包括FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC。各型號的PLC在性能上都有所區別。1.FX1S系列PLC將優良的特點融合進一個很小的控制器中。FX1S適用于最小的封裝，它是希望低成本的用戶在有限的I/0范圍內尋求功能強大的控制的首選目標。FX1S提供多達30個I/O，并且能通過串行通信傳輸數據，所以它能用在常用的緊湊型PLC不能應用的地方。

FX1S體積雖小，但功能強大：主機點數10/14/20/30，分為晶體管輸出/繼電器輸出，交流電源/直流電源。結構緊湊、性價比高。顯示模塊和擴展板使系統升級變得容易。高速運算。基本指令是0.55μs/指令~0.7μs/指令；應用指令是3.7μs/指令至幾百μs/指令。

2000步存儲容量，是以前的FX0S的2.5倍

。豐富的器件資源。輔助繼電器512點、定時繼電器64點、計數器32點、數據寄存器256點。具有實時時鐘功能。使用標準型號的實時時鐘滿足對時間的應用要求。聯網能力。串行擴展板通過RS-232、RS-422使聯網更容易。電源適用范圍很寬。世界任何地方的標準電壓都適合，也可以使用直流電源。基于Windows軟件。模擬電位器。密碼保護。遠程維護。脈沖輸出和定位功能。一個PLC單元中每相能同時輸出2點100KHz脈沖，PLC配備7條特殊定位指令，包括零返回、絕對位置讀出、絕對或相對地址表達方式以及特殊脈沖輸出控制。FX1N系列PLC增加了特殊功能模塊或擴展板。通信和數據鏈接功能選項使得FX1N在體積、通信和特殊功能模塊和能源控制等重要的應用方面非常完美。是一種普遍選擇方案。與FX1S相比較，在以下方面得到了很好的提升：更多的控制點數14點~128點。EEPROM寄存器更大，達8000步。更為豐富的器件資源。輔助繼電器1536點、定時器256點、計數器235點、數據寄存器8000點。增加過程控制。在系統要求精確控制時適用PID指令。FX2N系列PLC作為FX系列最高級的模塊，他擁有無以匹敵的速度、高級功能、邏輯組件以及定位控制等特點。與前者PLC相比較，在以下方面得到了很好的提升：更多的控制點數。16點~256點。靈活的配置。具有滿足特殊要求的大量特殊模塊，6個基本FX2N單元中的每一個單元可擴充到256點的I/O。更高速運算。基本指令0.08μs/指令；應用指令是1.52μs/指令至幾百μs/指令。寄存器容量擴展。更為豐富的器件資源。輔助繼電器3072點、定時器256點、計數器235點、數據寄存器8000點。特殊功能模塊。主單元可配置8個特殊功能模塊。數學指令集。使用32位處理器、浮點數、方根和三角幾何指令滿足數學功能。4.位置控制模塊擴展位置控制是對工位的控制，可由位置控制模塊實現.PLC系統可作為整個位置控制系統中的一個控制環節，配上伺服放大器或驅動放大器，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。利用PLC模塊實現位置控制的優點：在實現位置控制的時候，可充分利用PLC系統的硬件和軟件資源。更便于在柔性制造系統（FMS）、計算機集成制造系統（CIMS）或工廠自動化（FA）系統中大量應用位置控制。用戶可根據自身要求靈活配置系統，既降低成本，又能因地制宜。可靠性高，維護方便。FX-1PG脈沖輸出模塊是一種根據FROM/TO指令進行與FX2、FX2C系列PLC數據交換的特殊功能模塊。用一臺FX-1PG獨立進行一軸定位控制，而一臺PLC則最多可連8臺FX-1PG。3.5.7I/O點數I/O點數是衡量可編程控制器規模大小的依據。確定依據：將與PLC相連的全部輸入、輸出器件根據所需的電壓、電流的大小和種類分別統計，考慮將來發展的需要再相應增加10％～15％的余量。如表3.1所示。表3.1I/O點數估算統計序號電氣設備、元件輸入點數輸出點數使用數量1脈沖信號源0312電磁閘0773指示燈0114按鈕200205限位開關606合計輸入點數26合計輸出點數11總點數37由于總的I/O點數為37點，而輸入點數為26點，故此選擇64點數的PLC,結合平時最常用的型號最終選擇三菱FX2N-64MR-D型PLC.3.5.8I/O口分配論證表4.2I/O分配輸入端一覽表輸入功能(設備)輸入功能(設備)X000手動X015旋轉位移開關-（右）X001回原點啟動X016旋轉高速X002單步進運動X017旋轉中速X003單周期運動X020旋轉低速X004自動運行啟動X021手動上升X005啟動X022手動下降X006停止X023手動前進X007回原位X024手動后退X010上限位開關X025手動左旋X011下限位開關X026手動右旋X012后限位開關X027機械手放松X013前限位開關X030機械手夾緊X014旋轉位移開關+（左）X031旋轉停止表4.3I/O分配輸出端一覽表輸出功能(設備)輸出功能(設備)Y000上升電磁閘Y010高頻輸出Y001下降電磁閘Y011中頻輸出Y002左移電磁閘Y012低頻輸出Y003右移電磁閘Y004左旋電磁閘Y005右旋電磁閘Y006加緊電磁閘Y007原點指示燈4軟件設計4.1工作流程圖圖4.1工作流程圖本機械手采用點位控制，我們可將整個運動看作折線運動，每一步動作歸納為參數不同的點位之間動作。以起點作為參考點，通過脈動計數，得到目的點的位置。手動操作機械手從參考的到達目的點后，保存目的點的相對特征參數，并對每一步保存的參數進行列表管理。實現手動模式下關鍵點位輸入，自動模式查表“仿形”運動。手動設置好以后就可以按預先設置自動運行。核心思想：記錄關鍵點，構造工作路徑和狀態。現就四工位作以下說明。用戶在手動原點狀態下，控制機械手至A點位（到A點的路徑可制定中間點實現繞行），按下保存，記錄該點重要參數。之后控制機械手到B點位夾取工件，同時記錄機械手張開位置及夾緊位置，為簡化過程，可在A點設置機械手張開，B點設置夾緊。控制機械手移動，同前所述記錄關鍵點位，到D點放下工件。再用同樣的方法到下一工位進行操作。4.2程序設計4.2.1程序設計方法利用基本指令編程方法，根據系統工藝分析，這里將程序分為公共程序、自動程序、手動程序、和回原位程序4個部分，其中自動程序包括單步、單周期、連續工作的程序，這是因為他們的工作都是按照同樣的順序進行，所以將他們和在一起編程更加簡單。4.2.2編程的總體結構程序的總體結構采用了基本指令中的跳轉指令CJ，目的是使得自動程序、手動程序和回原位程序不能同時進行。假設使用“手動”方式，則X000為ON、X001為OFF,此時PLC執行完公共程序后，將跳過自動程序到P0處，由于X000常閉觸點為斷開，固執行“手動程序”，執行到P1處，由于X001常閉觸點為閉合，所以又跳過回原位程序到P2處：假設選擇“回原位”方式，則X000為OFF、X001為ON，跳過自動程序和手動程序執行回原位程序：假設選擇“單步”或“單周期”或“連續”方式，則X000、X001均為OFF，此時執行完自動程序后，跳過手動程序和回原位程序。機械手系統的PLC梯形圖的總體結構如圖3.5所示。圖4.2機械手系統PLC梯形圖的總體結構4.3各部分程序的設計4.3.1公共程序公共程序是程序設計的第一步其梯形圖如圖3.6所示，旋轉電機的速度控制按鈕X016，X017，X020、左限位開關X012、上限位開關X010、左旋限位開關X014的常開觸點和表示機械手松開的Y006，原點指示燈Y007變為ON表示機械手在原位。圖4.3公共程序的梯形圖公共程序用于自動程序和手動程序相互切換的處理，當系統處于手動工作狀態時，必須將出初始部以外的各步對應的輔助繼電器（M11-M20）復位，同時將表示連續工作狀態的M1復位，否則系統從自動工作方式切換到手動工作方式，然后又返回自動工作方式，可能出現兩個活動步異常那個情況引起錯誤動作。當機械手處于原點工作狀態(Y007為ON),在開始執行用戶(M8002為ON)，系統處于手動狀態或回原點狀態（X000或X001為ON）時，初始步對應的M10將被置位，為進入單步、單周期、連續工作狀態做好準備。如果此時Y007為OFF狀態，M10將被復位，初始步為不活動步，系統不能在單步、單周期、連續工作狀態下工作。4.3.2手動程序手動程序梯形圖如3.7所示。手動工作時用X021、X022、X023、X024、X025、X026、X027、X030對應的8個按鈕控制機械手的上升、下降、前進、后退、左旋、右旋、松開、夾緊。為了保證系統的安全運行，在手動程序中設置了一些必要的連鎖，例如上升和下降之間，向前和后退之間的互鎖：上升、下降、前進、后退的限位；上升限位開關X010的常開觸點與左旋右旋的常開觸點串聯，這樣使得只有機械手上升到最高點時才能完成下一步動作，以防機械手的位置過低與其他物體碰撞。圖4.4手動程序梯形圖4.3.3回原點程序回原點程序工作方式(X001為ON)，按下原點啟動按鈕X007，M3變為ON，機械手松開、上升和右旋每一步都有相應的限位開關控制到位后停止，停止時并將M3復位，這時原點條件滿足，Y005為ON，在公共程序中，初始步M10被置位，為進入單周期，連續和單步工作方式做好準備。自動回原點程序梯形圖如圖3.8所示。圖4.5回原位程序梯形圖4.3.4自動程序機械手控制系統的自動工作方式有單步方式、單周期方式、連續方式3種。自動程序的梯形圖如圖3.9所示，這3種工作方式的詳細工作過程介紹如下所述。圖4.6自動程序梯形圖系統工作為單步方式時，在程序的地47處，X002為ON，其常閉觸點斷開，輔助繼電器M2為OFF。此時X003、X004都為OFF,“單周期”和“連續”工作方式被禁止。假設系統處于初始狀態，M10為ON，當按下啟動按鈕X005時，M2由OFF變為ON,使得M11變為ON,Y002線圈得電機械臂開始向前行進（程序第124處）。放開啟動按鈕后，M2馬上變為OFF。在前進過程中，前限位開關X013線圈得電，此時其常閉觸點斷開前進停止。此時M11和X013均為ON，其常閉觸點接通，再按下啟動按鈕X005時，M2又變成了ON，M12得電并自動保持，機械手進入下降狀態，同時M11變成了OFF。在完成某一步驟后，必須按一次啟動按鈕才能進入下一步。設置的各個限位觸點互相限制，當完成一個步驟時將上一個動作解除。這樣防止了事故的發生。系統工作在單周期工作方式時，此時X003為ON，X001和X002的常閉觸點閉合，M2為ON，允許轉換。在初始步時按下啟動按鈕X005時使得M10、X005、M2的常開觸點和X012、X015的常開觸點均閉合，使得M11為ON系統進入向前步，當系統碰到前限位開關X013時M12為ON系統進入下降步，。系統將這樣一步一步的往下工作，當系統執行完117處回到最左邊時，X004為ON，因為此時不是連續工作方式，M1處于OFF狀態，因此機械手不會連續運行。系統工作在連續方式時，X004為ON，在初始狀態下按下啟動按鈕X005，M1得電自保持，選擇連續工作方式，其他工作方式和單周期工作方式相同。按下停止按鈕X006，M1將變為OFF，但系統不會立即停止，但完成當前的一個周期后，機械手最終停在原位。系統工作在連續、單周期方式時，X002的常閉觸點接通，使得M2（轉換允許）ON，串聯在各步電路中的M2常開觸點接通，允許某步工作于某步工作間的轉換。5系統調試5.1公共程序調試圖5.1公共程序調試結果圖5.2手動程序調試圖5.2手動程序調試結果圖5.3回原位程序調試圖5.3回原位程序調試結果圖5.4自動程序調試圖5.4自動程序調試結果圖圖5.5自動程序調試結果圖6研究總結6.1成果綜述基于PLC機械手控制系統已經在工業領域運用的很成熟,它是集機械、液壓、電子、控制等多學科于一體的控制系統。本文較完整的設計了3自由度液壓驅動機械手的控制系統,具有普遍性和實用性。在可編程程序控制器(PLC)和控制面板的控制下,實現把物料從一個工位傳送到下一個工位,能夠準確的定位,可靠的完成各項動作。在工作過程中可以通過控制面板實時改變機械手的工作狀態,及控制機械手的運動速度、位移,這樣就可以方便對機械手的控制。在完成畢業設計的過程中對機械手在工業領域的運用有了較全面的認識;熟悉了液壓系統在控制方面的運用;在了解PLC基本工作原理、熟悉相關模塊的應用的基礎上,設計了以PLC為核心的控制系統。通過編寫換向回路的梯形圖控制程序和觸摸屏程序就可實現液壓系統運動過程的自動控制和信號的自動采集。6.2特色本研究方案到達設計要求，實現遠程控制，在恒溫環境、不適合人直接接觸工作的危險環境（如：高溫、放射、劇毒、無氧、高空等惡劣環境）下工作。設計設備以柔性生產為核心，秉承多功能多用途的特點、融入人性化控制的優勢，運行穩定，多重保護安全可靠。多工作臺間的準確定位搬移，可擴展用于流水線合攏與分發、產品的定位拿取與堆放、生產原料配發、裝箱等功能。自動運行以手動運行狀態下設定的每一點位移量作為運動模板，采用模仿的方法，對自動運行進行嚴格的控制。此控制方法可以降低對操作者的專業編程技術要求，只需手動操作一次，即可對設備進行完整的程序編制。6.3續改進方向設備采用點位控制，對點位間的路徑未進行嚴格的要求，使得在運行過程中有較多的不確定因素，程序未能實現兩點間的直線運動，可作為下一步的改進方向。參考文獻陸祥生,楊秀蓮.機械手理論及應用[M].北京:中國鐵道出版社出版,1985.白傳悅,裝配機械手PLC控制系統[J].機械制造行業應用,2006.5:134~136.李寧,劉啟新.電機自動控制系統[M].北京:機械工業出版社出版,2005.齊占慶.機床電氣控制技術[M].北京:機械工業出版社出版,2007.王永章?杜君文,程國全.數控技術[M].北京:高等教育出版社出版,2001.王兆義.小型可編程控制器實用技術[M].北京:機械工業出版社出版,2001.程子華.PLC原理與編程實例分析[M].北京:國防工業出版社出版,2007.秦曾煌.電工學電子技術[M].第六版,北京:高等教育出版社出版,2007.張建民.機電一體化系統設計[M].北京:北京理工大學出版社,2007.[10]白傳悅,裝配機械手PLC控制系統[J].機械制造行業應用,2006.5:134~136[11]三菱微型可編程控制器、、、系列編程手冊，步進梯形圖指令，應用指令說明書.[12]鐘肇新.《可編程序控制器原理及應用》.廣州：華南理工大學出版社，2002.[13]章文浩.《可編程控制器原理及實驗》.北京：國防工業出版社，2003.[14]陳宇.段鑫.《可編程控制器基礎及編程技巧》.廣州：華南理工大學出版社，2002.[15]常曉玲.《電氣控制系統與可編程控制器》.北京：機械工業出版社，2004.[16]李乃夫.《可編程控制器原理、應用、實驗》.北京：中國輕工業出版社，2003.[17]鐘肇新.彭侃.《可編程控制器原理與應用》.廣州：華南理工大學出版社，2004.[18]