三 江 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 基于 PLC 的柔性制造系統(tǒng)的搬運(yùn)機(jī)構(gòu) 的 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 高 職 院 （系） 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專 業(yè) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 起訖日期 設(shè)計(jì)地點(diǎn) 摘 要 在基于 PLC 的柔性制造系統(tǒng)為核心的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行了搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的控制 設(shè)計(jì)，詳細(xì)敘述了該搬運(yùn)單元由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行綜合控制的軟、硬件的實(shí)現(xiàn)方法。 該設(shè)計(jì)利用步進(jìn)電機(jī)單位脈沖所具有的步進(jìn)距離不變的特點(diǎn)，對(duì)其采用開(kāi)環(huán)點(diǎn) 位控制。因此可將整個(gè)運(yùn)動(dòng)視為拆線運(yùn)動(dòng)，每一個(gè)動(dòng)作可視為運(yùn)動(dòng)程序相同、 特征參數(shù)各異的點(diǎn)位相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其以起點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過(guò)脈沖得到目的點(diǎn)的 位置，手動(dòng)點(diǎn)擊按鈕，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手從參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到目的點(diǎn)。 關(guān)鍵詞:柔性制造系統(tǒng)；PLC；機(jī)械手 ABSTRACT In the basis of PLC as the core, with the focus on the control of the FMS handling unit design, this paper describes the handling unit consists of stepping motor comprehensive control the hardware and the software realization method. This design using the stepping motor unit pulse with the characteristics of step distance unchanged, the position control by the open loop. So the entire movement as take out stitches movement, every movement can be regarded as exercise program is same, characteristic parameters of the relative motion dealership network. His with starting point as a reference point, through the pulse count is purpose o clock position, manual click button, realize manipulator to destination reference point movement from the point. So as to realize the “Fang Hang“ technical FMS movements. Key words：Flexible Manufacturing System;Programmable Controller;Manipulator 目 錄 第一章 緒論1 1.1 基于 PLC 的柔性制造系統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的概述 1 1.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的背景和意義 2 1.2.1 可編程序控制器背景.2 1.2.2 可編程序控制器的應(yīng)用意義.2 1.2.3 可編程序控制器的特點(diǎn).3 1.3 本課題研究的內(nèi)容 3 第二章 硬件設(shè)計(jì)5 2.1 機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 2.3 其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .10 第三章 軟件設(shè)計(jì)12 3.1 總體流程圖的設(shè)計(jì) .12 3.2 三菱 PLC 的選擇 .12 3.2.1 三菱 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則12 3.2.2 三菱 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟12 3.2.3 三菱 PLC 品牌選擇13 3.2.4 三菱 PLC 系列選擇14 3.2.5 三菱輸出方式選擇16 3.3 三菱 PLC 的 I/O 口分配 .17 3.3.1I/O 點(diǎn)數(shù).17 3.3.2I/O 口分配原則.17 3.3.3I/O 口分配論證.18 3.4 三菱 PLC 程序的設(shè)計(jì) .19 結(jié)束語(yǔ).31 致 謝.32 參考文獻(xiàn).33 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 1.1 基于 PLC 的柔性制造系統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的概述 PLC 柔性制造系統(tǒng)是一組數(shù)控機(jī)床和其他自動(dòng)化的工藝設(shè)備，由計(jì)算機(jī) 信息控制系統(tǒng)和物料自動(dòng)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的整體。柔性制造系統(tǒng)由加工、 物流、信息流三個(gè)子系統(tǒng)組成。 機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。在柔性制造系 統(tǒng)中起到了物流的作用，是其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。 機(jī)械手的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上 兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。其作業(yè)的準(zhǔn)確性和 各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓工 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。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，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 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。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。在機(jī)械工 業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦 法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效解決多品種小批量生 產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。 但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一 步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有 75是小批量生 產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí) 間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的 5。從這里可看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切 性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。機(jī)械手可在空間抓放 物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛 應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。 在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下： 1.可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、 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，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。 2.可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、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 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全 地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)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。 3.可以減少人力，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)生產(chǎn)線上，目前幾乎 都設(shè)有機(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)奏地進(jìn)行生 產(chǎn)。 綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。 1.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的背景和意義 機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)控制方式分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按 運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。其中以可編程序 控制器控制的電動(dòng)式點(diǎn)位控制機(jī)械手應(yīng)用最為廣泛。 1.2.1 可編程序控制器背景 可編程序控制器（programmable controller） ，現(xiàn)在一般簡(jiǎn)稱為 PLC（programmable logic controller） ，它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技 術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技發(fā)展起來(lái)的一種 通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。以其顯著的優(yōu)點(diǎn)在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域 獲得了廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。 在可編程序控制器問(wèn)世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導(dǎo)地位。 傳統(tǒng)的繼電器控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于掌握、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中 應(yīng)用甚廣。但是控制裝置體積大、動(dòng)作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是 由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng)，接線繁雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對(duì)象改變時(shí)，原有 的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。 1.2.2 可編程序控制器的應(yīng)用意義 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，并在迅速擴(kuò)大，對(duì)于而今的 PLC 幾乎可以說(shuō)凡是 需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要 PLC，尤其近幾年來(lái) PLC 的性價(jià)比不斷提高已 被廣泛應(yīng)用在冶金、機(jī)械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。 按 PLC 的控制類型，其應(yīng)用大致可分為以下幾個(gè)方面： 1.用于邏輯控制。這是 PLC 最基本，也是最廣泛的應(yīng)用方面。用 PLC 取代繼 電器控制和順序控制器控制。例如機(jī)床的電氣控制、包裝機(jī)械的控制、自動(dòng)電 梯控制等。 2.用于模擬量控制。PLC 通過(guò)模擬量 I/O 模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn) 換，并對(duì)模擬量控制。 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 3.用于機(jī)械加工中的數(shù)字控制 。現(xiàn)代 PLC 具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，它可以 與機(jī)械加工中的數(shù)字控制（NC）及計(jì)算機(jī)控制（CNC）緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控 制。 4.用于工業(yè)機(jī)器人控制。 5.用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的 PLC 具有較強(qiáng)的通信聯(lián)通能力，可實(shí)現(xiàn) PLC 與 PLC 之間、PLC 與遠(yuǎn)程 I/O 之間、PLC 與上位機(jī)之間的通信。從而形成 多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。 1.2.3 可編程序控制器的特點(diǎn) 1.可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) PLC 能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等 中可靠地工作，PLC 的平均無(wú)故障間隔時(shí)間高，日本三菱公司的 F1 系列 PLC 平均無(wú)故障時(shí)間間隔長(zhǎng)達(dá) 30 萬(wàn) h，這是一般微機(jī)所不能比擬的。 2.控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng) 由于 PLC 是采用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，對(duì)同一控制對(duì)象，當(dāng)控制要求 改變需改變控制系統(tǒng)的功能時(shí)，不必改變 PLC 的硬件設(shè)備，只需相應(yīng)改變軟件 程序。 3.編程簡(jiǎn)單、使用、維護(hù)方便 4.組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣 PLC 既可用于開(kāi)關(guān)量的控制又可用于模擬量 的控制；既可用單片機(jī)控制，又可用于組成多級(jí)控制系統(tǒng)；既可控制簡(jiǎn)單系統(tǒng)， 又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。因此，PLC 應(yīng)用范圍很廣。 5.體積小、重量輕、功耗低 PLC 采用了半導(dǎo)體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時(shí)功耗也很低， 空載功耗約 1.2KW。 1.3 本課題研究的內(nèi)容 1.概要 任務(wù)：實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在兩個(gè)工作臺(tái)間代替工人進(jìn)行單調(diào)持久地搬移工作。 要求：PLC 控制，預(yù)置工作程序，動(dòng)作靈活，可根據(jù)工件的變化隨時(shí)更改 相關(guān)控制參數(shù)。 2.硬件選擇 動(dòng)力源步進(jìn)電機(jī)及其相應(yīng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。機(jī)械手夾持部位采用電磁控制。 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。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械手臂采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。 超程保護(hù)設(shè)備運(yùn)行過(guò)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)出前進(jìn)信號(hào)，燒毀步進(jìn)電機(jī)或其驅(qū)動(dòng)設(shè)備。結(jié)構(gòu)中在極限位 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 置采用行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行超程保護(hù)，各極限位置保留了一定工作區(qū)域，不作為工作 行程。 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。 3.控制要求 定位精確性步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為動(dòng)力啟動(dòng)設(shè)備，采用開(kāi)環(huán) 點(diǎn)位控制，滿足點(diǎn)位要求。 路徑無(wú)干擾性無(wú)干涉，無(wú)安全隱患?？梢栽O(shè)定中間點(diǎn)位避讓繞行。 4.輸入輸出設(shè)備 輸入：指令按鈕、旋鈕、急停按鈕、報(bào)警及指示裝置。 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。 5.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。 該設(shè)備可以應(yīng)用于中、小批量生產(chǎn)柔性制造自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)工件在兩工作 臺(tái)間的搬移，大大的減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少人力資源的浪費(fèi)，節(jié)省生產(chǎn)成 本，提高生產(chǎn)效率，減少因?yàn)槿斯な韬鲈斐傻陌踩鹿?。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、發(fā)射、劇毒、無(wú)氧、高 空等惡劣環(huán)境）下較普通機(jī)械手（如：行程開(kāi)關(guān)定位順序控制）有明顯的優(yōu)勢(shì)。 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 硬件設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.夾緊機(jī)構(gòu)手爪 機(jī)械手手爪是用來(lái)抓取工件的部件。其構(gòu)造模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節(jié)、 固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二 指用得較多?？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。手爪抓取工件時(shí)，應(yīng)具有迅速性、靈敏性、準(zhǔn)確性和可靠性。 設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)需要對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度、加速度、夾持物體重量、慣 性和沖擊力、開(kāi)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。 2.手爪結(jié)構(gòu)圖 假定被夾持工件為有凹槽回轉(zhuǎn)體，且自重不超過(guò)機(jī)械手允許安全負(fù)載，作 以下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 圖 2.1 機(jī)械手手爪示意圖 1.手爪 2.轉(zhuǎn)軸 3.壓縮彈簧 4.電磁鐵芯 5.電磁線圈 6.螺母 7.機(jī)械手手爪殼體 8.點(diǎn)位銷 9.限位螺釘 10.橡膠防滑墊 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 工作原理：杠桿原理、胡克定律及安培定律。 工作方式：機(jī)械手的夾緊與放松由電磁線圈控制。若線圈得電，手臂處產(chǎn) 生電磁力矩，當(dāng)電磁力矩大于彈簧被壓縮所產(chǎn)生的力矩時(shí)，手臂吸合，手爪張 開(kāi)；若線圈失點(diǎn)，手臂端無(wú)磁力矩，機(jī)械手手爪將在彈簧預(yù)壓縮力所產(chǎn)生的力 矩下，保持夾緊狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自鎖功能，避免因偶爾斷電導(dǎo)致被抓物掉落。 特點(diǎn)：最大夾持半徑可調(diào)，設(shè)定夾持點(diǎn)半徑，可減少夾持力對(duì)夾持物表面 的破壞。由于夾緊的為剛性工件，為了提高安全性能，防止破壞工件，我們可 以在夾持部分加上一層橡膠，這樣可以通過(guò)增大工件和手指之間的摩擦系數(shù)來(lái) 增加安全性，通過(guò)橡膠的彈性變形來(lái)緩沖對(duì)工件的沖擊，可以減輕乃至消除對(duì) 工件的損壞。 本設(shè)計(jì)使用的是電磁式控制吸合的機(jī)械手，適用于磁性材料，有溝槽或穿 孔的工件吸??；單位面積有較大的吸力；可以快速吸附和松放工件，從而快速 實(shí)現(xiàn)工件在兩工作臺(tái)之間的搬運(yùn)控制；此外，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命較長(zhǎng)。 3.機(jī)械手軀體的組成 機(jī)械手軀干包括立柱、機(jī)座、手臂和手腕四部分。 立柱是支撐手臂帶動(dòng)它升降、擺動(dòng)和移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，立柱和機(jī)座相聯(lián)可固定 在地面上、機(jī)床設(shè)備上、或者橫掛在梁上，可固定在行走機(jī)座上。本設(shè)計(jì)中機(jī) 座為落地固定式機(jī)座。 機(jī)座是支撐機(jī)械手全部重量的構(gòu)建，對(duì)其結(jié)構(gòu)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(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)。 手臂應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕、靈活、位置精度高、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。 主要結(jié)構(gòu)有伸縮式和關(guān)節(jié)式，本文優(yōu)選伸縮式。 4.軀干傳動(dòng)定位機(jī)構(gòu) 1) 手臂直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu) 手臂直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置組成。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)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)就兩者作以下分析： 絲杠螺母機(jī)構(gòu)：位置較準(zhǔn)確、降速比大、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)噪音、易自鎖，但 高精度的絲杠制造比較困難，傳動(dòng)效率低。矩形、梯形螺紋結(jié)構(gòu)，因傳動(dòng)力大， 應(yīng)用廣泛。滾珠絲杠效率高，但成本高。 齒輪齒條機(jī)構(gòu)：傳動(dòng)效率高、速度快、無(wú)自鎖。一般用于機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)，不作為定位機(jī)構(gòu)。 為滿足自鎖要求，優(yōu)先選用絲杠螺母機(jī)構(gòu)。 2) 手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 由于采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)比較低。 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 可直接采用齒輪減速以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)。 齒輪減速：工作可靠，使用壽命長(zhǎng)；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；減速效率高；結(jié) 構(gòu)緊湊；功率和速度適用范圍很廣等。 圖 2.2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)圖 1.機(jī)座 2.卡環(huán) 3.軸承 4.步進(jìn)電機(jī) 5.圓柱主動(dòng)齒輪 6.圓柱從動(dòng)齒輪 7.搖臂 8.聯(lián)軸器 9.螺母 10.導(dǎo)向軸 11.絲杠滑塊 12.絲杠軸 13.軸承 14.機(jī)械手 2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1.傳動(dòng)方式 電氣傳動(dòng)使利用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以獲得機(jī)械手的各種運(yùn)動(dòng)。 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(lái)控制。步進(jìn)電機(jī)能夠達(dá)到比較高的重復(fù)定位精度。 2.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(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)。當(dāng)步 進(jìn)驅(qū)動(dòng)器收到一個(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(稱為“布距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(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)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。步進(jìn)電機(jī)可 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有累積誤差（精度為 100%）的特點(diǎn)， 廣泛的用于各種開(kāi)環(huán)控制。 步進(jìn)電機(jī)分為機(jī)電式及磁電式兩種基本類型。 機(jī)電式步進(jìn)電機(jī)由鐵芯、線圈、齒輪機(jī)構(gòu)等組成。螺線管線圈通電時(shí)將產(chǎn) 生磁力，推動(dòng)其鐵芯芯子運(yùn)動(dòng)，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)是輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過(guò)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)角度，依次進(jìn) 行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。 磁電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要有永磁式、反應(yīng)式和永磁感應(yīng)子式 3 種形式。 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由四相繞組組成。A 相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鋼將轉(zhuǎn)向該 相所確定的磁場(chǎng)方向；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， 這是，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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) 子轉(zhuǎn)動(dòng)方向。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)消耗功率小，步距角較大。缺點(diǎn)是啟動(dòng)頻率和 運(yùn)行頻率較低。 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在定、轉(zhuǎn)子鐵芯的內(nèi)外表面上設(shè)有按一定規(guī)律分析的相 近齒槽，利用這兩種齒槽的相對(duì)位置變化引起磁路磁阻的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角可做到 115，甚至更小，精度容易保證，起動(dòng)和運(yùn)動(dòng) 頻率較高，但消耗較大，效率較低。 永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。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)的驅(qū)動(dòng)電源由變頻脈沖信號(hào)源、脈沖分配器及脈沖放大器組成， 由驅(qū)動(dòng)電源向電機(jī)繞組提供脈沖電流。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。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。 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。在實(shí)際工作過(guò)程中，各種頻率 下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般的說(shuō)最大靜力矩大的電 max Mj 機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電動(dòng)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。在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲杠 導(dǎo)程，二是可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。但細(xì)分只能改變其分辨率， 不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣性和設(shè)備要求的啟動(dòng)頻 率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù) 工作頻率能滿足快速移動(dòng)的需要。 選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算： 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 （1）計(jì)算電機(jī)的步距角比，根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，步距角 計(jì)算如下： 8 . 1 5 1025 . 0 360 S i360 式中：S-絲杠螺距(mm) -(mm/脈沖) i-減速比 （2）計(jì)算電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M Nm F M002. 0 1114 . 3 2 10025. 0500 i2 10 33 式中：F-啟動(dòng)單元負(fù)載(N) -傳動(dòng)系統(tǒng)總效率(此處先以 1 帶入) 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以選擇 17HS001 電機(jī)。17HS001 電機(jī)的具體參數(shù)如表 2.1 所示。 表 2.1 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 17HS0012 1.8 1.7 A DC24 V 0.45 Nm 3.3 3.7 mH 0.35 Kg ST-2H B02X 與該步進(jìn)電機(jī)相匹配的驅(qū)動(dòng)器為 ST-2HB02X 驅(qū)動(dòng)器。ST-2HB02X 驅(qū)動(dòng)器采 用 MicrosChip 芯片，采用新型的雙極性恒相流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最大 64 細(xì)分高 性能驅(qū)動(dòng)，適合驅(qū)動(dòng) 2A。 以下 42 系列，57 系列兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。廣泛應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床， 紡織機(jī)械，噴繪機(jī)，疲勞測(cè)試機(jī)等用戶希望成本低，低振動(dòng)，高精度，高速度 的場(chǎng)合。 技術(shù)參數(shù)： 型號(hào) ST-2HB02X 相 數(shù)：二相 工作電壓：DC(10-40)V 驅(qū)動(dòng)電流：DC(0.1-2.0)A 驅(qū)動(dòng)方式：全橋雙極恒相流驅(qū)動(dòng) 電流設(shè)置：0.1A 分度 細(xì)分功能：相電流不高于 2A/相的兩相，四相混合式步進(jìn)電機(jī) 冷卻方式：散熱器(安裝在通風(fēng)良好的場(chǎng)合) 環(huán)境溫度：050 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 尺寸/重量：1307333mm/280g 2.3 其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1.原點(diǎn)定位及超程保護(hù) 為保證機(jī)械手重復(fù)定位精度，對(duì)機(jī)械手每工作循環(huán)提出返回原點(diǎn)校零位要 求。 在初始位置添置限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)觸及時(shí)發(fā)出已達(dá)原點(diǎn)命令，停止遠(yuǎn)動(dòng)。同時(shí) 鎖定繼續(xù)前進(jìn)行動(dòng)，能且只能反向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)因故障或暴力操作造成的超程 保護(hù)功能。非原點(diǎn)端只作超程保護(hù)不作為定位。 圖 2.8 傳動(dòng)絲杠示意圖 2.操作臺(tái) 操作面板以貼近人們?nèi)粘９ぷ髁?xí)慣、符合人體工程學(xué)、方便工作人員直接 操作、反應(yīng)自動(dòng)工作狀態(tài)為原則，與后文 I/O 采用方案相匹配，進(jìn)行設(shè)計(jì)，如 圖 2.9 所示。 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。具 體有原點(diǎn)、路徑關(guān)鍵點(diǎn)、報(bào)警指示、工作狀態(tài)指示等功能。下面操作面板說(shuō)明 如下： 設(shè)備原點(diǎn)：機(jī)械手的設(shè)備原點(diǎn)。任何停止?fàn)顟B(tài)，旋轉(zhuǎn)旋鈕到原點(diǎn)，啟動(dòng)回 原點(diǎn)按鈕，機(jī)械手回到了原點(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(kāi)。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)按操作者的 指令進(jìn)行動(dòng)作。同時(shí)也負(fù)責(zé)起自動(dòng)工作方式中每一工步目的記錄保存工作。 單步：旋鈕旋轉(zhuǎn)單周期工作，按動(dòng)一次啟動(dòng)按鈕，進(jìn)行一個(gè)工步。 單周期：旋鈕旋轉(zhuǎn)單周期工作，按動(dòng)一次啟動(dòng)按鈕，進(jìn)行一個(gè)周期。 連續(xù)工作(自動(dòng)狀態(tài))：在用戶原點(diǎn)，旋鈕旋轉(zhuǎn)自動(dòng)，按動(dòng)啟動(dòng)按鈕連續(xù)反 復(fù)進(jìn)行，途中按動(dòng)停止按鈕，運(yùn)行到原定后停止。 LED 指示燈：狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。 電源和急停按鈕與 PLC 工作無(wú)關(guān)。該按鈕使用來(lái)接通或斷開(kāi) PLC 外部負(fù)載 的電源。 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 2.9 操作面板示意圖 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第三章 軟件設(shè)計(jì) 3.1 總體流程圖的設(shè)計(jì) 1.工作流程圖 圖 3.1 工作流程圖 本機(jī)械手采用點(diǎn)位控制，我們可將整個(gè)運(yùn)動(dòng)看作折線運(yùn)動(dòng)，每一步動(dòng)作歸 納為參數(shù)不同的點(diǎn)位之間動(dòng)作。以起點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)，得到目的 點(diǎn)位置。手動(dòng)操作機(jī)械手從參考點(diǎn)到達(dá)目的點(diǎn)后，保存目的點(diǎn)的相對(duì)特征參數(shù)， 并對(duì)每一步保存的參數(shù)進(jìn)行列表管理。實(shí)現(xiàn)手動(dòng)模式下點(diǎn)位輸入，自動(dòng)模式查 表“仿行”運(yùn)動(dòng)。手動(dòng)設(shè)置好以后就可以按預(yù)先設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行。 核心思想：記錄關(guān)鍵點(diǎn)，構(gòu)造工作路徑和狀態(tài)。現(xiàn)就四工位作以下說(shuō)明。 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，記錄該店重要參數(shù)。之后控制機(jī)械手到 B 點(diǎn)位夾取工件， 同時(shí)記錄機(jī)械手位置及加緊位置，為簡(jiǎn)化過(guò)程，可在 A 點(diǎn)設(shè)置機(jī)械手張開(kāi)，B 點(diǎn)設(shè)置夾緊。 控制機(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。再用同樣的 方法到下一工位進(jìn)行操作。 3.2 三菱 PLC 的選擇 3.2.1 三菱 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 1、滿足被控制對(duì)象的控制要求考慮將來(lái)的發(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?2、系統(tǒng)安全、可靠。 3、盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用與維護(hù)方便。 4、具有較高的性價(jià)比。 3.2.2 三菱 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。 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 2、確定輸入、輸出設(shè)備。 3、確定 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)，選擇 PLC 機(jī)型。 4、分配 I/O 點(diǎn)數(shù)，繪制 PLC 控制系統(tǒng)輸入、輸出端子接線圖。 5、程序設(shè)計(jì)，繪制工作循環(huán)圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。 6、程序調(diào)試。先進(jìn)行模擬調(diào)試，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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。 7、調(diào)試過(guò)程結(jié)束，整理技術(shù)資料，投入使用。 圖 3.2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟流程圖 3.2.3 三菱 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(guó)、歐洲和日本三大技術(shù)陣營(yíng)， 其代表機(jī)型有美國(guó)羅克韋爾(Rockwell)自動(dòng)化公司所屬的 A-B(Allen-Bradley) 公司生產(chǎn)的 PLC-5 系列 PLC、GE-Fanuc 公司生產(chǎn)的 90-TM30 系列和 90-YM70 系 列的 PLC、德國(guó)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、從 200 系列、CPM 系列 PLC。 三大技術(shù)陣營(yíng)的 PLC 在程序表達(dá)形式、功能及用法上有很大的差異。熟悉 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 西門子 S5 系列 PLC 的人都知道，他是采用機(jī)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(yǔ)言，但少許復(fù)雜一點(diǎn)的問(wèn)題就必須采用語(yǔ)句表， 通過(guò) STEP5 語(yǔ)言，調(diào)用各種功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而美國(guó) 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(yuǎn)，A-B 的 PLC-5 根本就沒(méi)有語(yǔ)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(chǎn)品是非常有特色的，他對(duì)梯形圖、語(yǔ)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)用戶常常會(huì)發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)應(yīng) 用問(wèn)題，選用日本的小型 PLC 產(chǎn)品就能解決，而用歐美產(chǎn)品常要選用中型乃至 大型 PLC 才行。這主要是歐美小型 PLC 產(chǎn)品指令系統(tǒng)太弱所制。 日本的 PLC 技術(shù)是由美國(guó)引進(jìn)的，因此日本的產(chǎn)品對(duì)美國(guó)的產(chǎn)品有一定的 繼承性。但日本把自己主推產(chǎn)品定位在小型 PLC 上，因面臨的主要市場(chǎng)在亞洲， 因此他對(duì)美國(guó)的 PLC 技術(shù)既有繼承，更多的是發(fā)展。在小型 PLC 方面，他已是 青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，日本產(chǎn)品在世界小型 PLC 市場(chǎng)上占 70%的份額。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)引進(jìn)的 PLC 產(chǎn)品價(jià)值，其中美國(guó)約占 36.3%，歐洲產(chǎn) 品約占 45.5%，日本產(chǎn)品約占 18.2%。歐美產(chǎn)品以大中型 PLC 為主，基本上德國(guó) 西門子公司于美國(guó) A-B 公司平分秋色。小型 PLC 主要是日本產(chǎn)品。 在國(guó)內(nèi)，日本三菱公司生產(chǎn)的 FX 系列小型 PLC 以其良好的性能得到了廣泛 的應(yīng)用，同時(shí)各大高校、職業(yè)技術(shù)學(xué)校，也為其提供了專業(yè)技術(shù)人才的支持。 簡(jiǎn)單機(jī)械手運(yùn)動(dòng)小型 PLC 足以滿足要求，選用日本三菱公司 FX 系列作為本 文中搬運(yùn)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。 3.2.4 三菱 PLC 系列選擇 PLC 機(jī)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(hù)使用最方便以及性能價(jià)格比的最優(yōu)化機(jī)型。三菱 FX 系列 PLC 包括、 S FX1 、。各型號(hào)的 PLC 在性能上都有所區(qū)別。 N FX1 N FX2 NC FX2 1、系列 PLC S FX1 將優(yōu)良的特點(diǎn)融合進(jìn)一個(gè)很小的控制器中。適用于最小的封裝，他是 S FX1 希望低成本的用戶在有限的 I/O 范圍內(nèi)尋求功能強(qiáng)大的控制的首選目標(biāo)。 提供多達(dá) 30 個(gè) I/O，并且能通過(guò)串行通信傳輸數(shù)據(jù)，所以他能用在常用的 S FX1 緊湊型 PLC 不能應(yīng)用的地方。 體積雖小，但功能強(qiáng)大： S FX1 （1）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。 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 （2）結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高。顯示模塊和擴(kuò)展板使系統(tǒng)升級(jí)變得容易。 （3）高速運(yùn)算?；局噶钍?0.55s/指令0.7s/指令；應(yīng)用指令是 3.7s/指令至幾百 s/指令。 （4）2000 步存儲(chǔ)容量，是以前的 FXOS 的 2.5 倍。 （5）豐富的器件資源。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)。 （6）具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。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。 （7）聯(lián)網(wǎng)能力。串行擴(kuò)展通過(guò) RS-232、RS-422 使聯(lián)網(wǎng)更容易。 （8）電源使用范圍很寬。世界任何地方的標(biāo)準(zhǔn)電壓都適用，也可以使用直 流電源。 （9）基于 Windows 軟件。 （10）模擬點(diǎn)位器。 （11）密碼保護(hù)。 （12）遠(yuǎn)程維護(hù)。 （13）脈沖輸出和定位功能。一個(gè) PLC 單元中每相能同時(shí)輸出 2 點(diǎn) 100KHz 脈沖，PLC 配置 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。 2、FX1N 系列 PLC 增加了特殊功能模塊或擴(kuò)展板。通信和數(shù)據(jù)鏈接功能選項(xiàng)使用 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。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： （1）跟多的控制點(diǎn)數(shù) 14 點(diǎn)128 點(diǎn)。 （2）EEPROM 寄存器更大，達(dá) 8000 步。 （3）更為豐富的器件資源。輔助繼電器 1536 點(diǎn)、定時(shí)器 256 點(diǎn)、計(jì)數(shù)器 235 點(diǎn)、數(shù)據(jù)寄存器 8000 點(diǎn)。 （4）增加過(guò)程控制。在系統(tǒng)要求精度控制時(shí)使用 PID 指令。 3、FX2N 系列 PLC 作為 FX 系列最高級(jí)的模塊，他擁有無(wú)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)。 與前者 PLC 相比較，在以下方面得到了很好的提升： （1）更多的控制點(diǎn)數(shù)。16 點(diǎn)256 點(diǎn)。 （2）靈活的配置。具有滿足特殊要求的大量特殊模塊，6 個(gè)基本 FX2N 單 元中每一個(gè)單元可擴(kuò)充到 256 點(diǎn)的 I/O。 （3）更高速運(yùn)算?；局噶?0.08s/指令；應(yīng)用指令是 1.52s/指令至 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 幾百 s/指令。 （4）寄存器容量擴(kuò)展。 （5）更有豐富的器件資源。輔助繼電器 3072 點(diǎn)、定時(shí)器 256 點(diǎn)、計(jì)算器 235 點(diǎn)、數(shù)據(jù)寄存器 8000 點(diǎn)。 （6）特殊功能模塊。主單元可配置 8 個(gè)特殊功能模塊。 （7）數(shù)字指令集。使用 32 位處理器、浮點(diǎn)數(shù)、方根和三角幾何指令滿足 數(shù)學(xué)功能。 4、位置控制模塊擴(kuò)展 位置控制是對(duì)工位的控制，可由位置控制模塊實(shí)現(xiàn) PLC 系統(tǒng)可作為整個(gè)位 置控制系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，配上伺服放大器驅(qū)動(dòng)發(fā)達(dá)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(shí)現(xiàn)位置控制的優(yōu)點(diǎn)： （1）在實(shí)現(xiàn)位置控制的時(shí)候，可充分利用 PLC 系統(tǒng)的硬件和軟件資源。更 便于在柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)或工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中大量應(yīng)用位置 控制。 （2）用戶可根據(jù)自身要求靈活配置系統(tǒng)，既降低成本，又能因地制宜。 （3）可靠性高，維護(hù)方便。 FX-1PG 脈沖輸出模塊是一種根據(jù) FROM/TO 指令進(jìn)行與 FX2、FX2C 系列 PLC 數(shù)據(jù)交換的特殊功能模塊。用一臺(tái) FX-1PG 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) FX-1PG。 FX1N 系列以其信價(jià)比獨(dú)占鰲頭。但程序結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。就功能而言，F(xiàn)X2N 系列是不錯(cuò)之選，選配 3 個(gè) FX2N-1PG-E 脈沖輸出模塊給步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)設(shè)備提供 穩(wěn)定信號(hào)，同時(shí)模塊程序簡(jiǎn)化了 PLC 程序的結(jié)構(gòu)。 3.2.5 三菱輸出方式選擇 PLC 包括繼電器輸出和晶體管輸出兩種輸出方式。其適輸出區(qū)別如下： （1）負(fù)載電壓、電流類型不同 負(fù)載類型：晶體管只能帶直流負(fù)載，而繼電器帶交流、直流負(fù)載均可。 電流：晶體管電流 0.2A-0.3A，繼電器 2A。 電壓：晶體管可接直流 24V（繼電器可以接直流 24V 或交流 220V） 。 （2）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(lái)帶動(dòng)大負(fù)載（如繼電器，固態(tài)繼電器等） 。 （3）晶體管過(guò)載能力小于繼電器過(guò)載的能力 一般來(lái)說(shuō)，存在沖擊電流較大的情況時(shí)，晶體管過(guò)載能力較小，需要降額 更多。 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 （4）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，使外部電流通過(guò) 閉合的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，其開(kāi)路漏電流為零，響應(yīng)時(shí)間慢（約 10ms） ，主要 控制開(kāi)關(guān)量。 晶體管輸出型原理是 CPU 通過(guò)光耦合使晶體管通斷，以控制外部直流負(fù)載， 響應(yīng)時(shí)間快（約 0.2ms 甚至更小） 。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。 （5）額定工作情況下，繼電器有動(dòng)作次數(shù)壽命，晶體管只有老化沒(méi)有使用次數(shù) 限制。 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(méi)有 使用次數(shù)限制。繼電器的每分鐘開(kāi)關(guān)次數(shù)也有限制的，而晶體管則沒(méi)有。 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。 3.3 三菱 PLC 的 I/O 口分配 3.3.1I/O 點(diǎn)數(shù) I/O 點(diǎn)數(shù)是衡量可編程控制規(guī)模大小的依據(jù)。 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(lái)發(fā)展的需要相應(yīng)增加 10%-15%的余量。如表 3.1 所示。 表 3.1 I/O 點(diǎn)數(shù)估算統(tǒng)計(jì) 序號(hào)電氣設(shè)備、元件輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)使用數(shù)量 1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 023 2 脈沖信號(hào)源 011 3 行程開(kāi)關(guān) 106 4 指示燈 0111 5 報(bào)警嗡鳴器 011 6 按鈕 1012 7 5 位按鈕 501 輸入點(diǎn)數(shù) 23 輸出點(diǎn)數(shù) 19 合計(jì) 總點(diǎn)數(shù) 43 3.3.2I/O 口 分配原則 （1）特殊、特定 I/O 點(diǎn)優(yōu)先分配。如高速脈沖輸出口 Y000 或 Y001；方便指令 中初始狀態(tài)指令等。 （2）普通無(wú)指定 I/O 點(diǎn)的歸類分配。 （3）適當(dāng)?shù)姆椒ü?jié)約 I/O 點(diǎn)數(shù)。如編碼等。 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 3.3.3I/O 口 分配論證 表 3.2 I/O 分配輸入端一覽表 輸入功能（設(shè)備）輸入功能（設(shè)備） X000X014 超程保護(hù)（行程開(kāi)關(guān) LS3） X001 X 方向位移+SB4 X015 旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)（行程開(kāi)關(guān) LS4） X002 X 方向位移-SB5 X016 超程保護(hù)（行程開(kāi)關(guān) LS5） X003 Y 方向位移+SB6 X017 位置保存 SB3 X004 Y 方向位移-SB7 X020 手動(dòng) X005 旋轉(zhuǎn)位移+SB8 X021 回原點(diǎn) X006 旋轉(zhuǎn)位移-SB9 X022 單步運(yùn)動(dòng) X007 機(jī)械手夾緊 SB10 X023 單周期運(yùn)動(dòng) X010 機(jī)械手放松 SB11 X024 全自動(dòng)運(yùn)動(dòng) X011 X 原點(diǎn)（行程開(kāi)關(guān) LS0） X025 回原點(diǎn)啟動(dòng) SB0 X012 超程保護(hù)（行程開(kāi)關(guān) LS1） X026 自動(dòng)啟動(dòng) SB1 X013 Y 原點(diǎn)（行程開(kāi)關(guān) LS2） X027 停止 SB2 表 3.3 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) Y014 Y 方向位移+指示燈 L4 Y001 X 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 ENA Y015 Y 方向位移-指示燈 L5 Y002 X 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向 Y016 旋轉(zhuǎn)位移+指示燈 L6 Y003 Y 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 ENA Y017 旋轉(zhuǎn)位移-指示燈 L7 Y004 Y 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向 Y020 機(jī)械手指示燈 L9 Y005 旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 ENA Y021 故障指示燈 L10 Y006 旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向 Y022 故障報(bào)警翁鳴器 Y007 機(jī)械手夾緊/放松 L8 Y023 Y010 回原點(diǎn)指示燈 L0 Y024 Y011 自動(dòng)啟動(dòng)指示燈 L1 Y025 Y012 X 方向位移+指示燈 L2 Y026 Y013 X 方向位移-指示燈 L3 Y027 此方案對(duì)超程保護(hù)所使用的行程開(kāi)關(guān)合遠(yuǎn)動(dòng)方向的指示燈，獨(dú)立分配 I/O。 優(yōu)點(diǎn)： （1）獨(dú)立控制，互不干擾。 （2）程序簡(jiǎn)單，無(wú)需添置編碼、解碼張芯片及其抗干擾設(shè)施。 （3）良好的穩(wěn)定性。 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 （4）預(yù)留足夠的 I/O 點(diǎn)數(shù)，大于 10-20%。方便以后的擴(kuò)展升級(jí)。 缺點(diǎn)：價(jià)格略高。 綜上所述的優(yōu)點(diǎn)，選用 FX2N-48MT-D 型 PLC。 PLC 硬件接線圖見(jiàn)圖 3.3。 圖 3.3 三菱 FX2N-48MT-D 型 PLC 接線圖 1 三菱 FX2N-48MT-D 型 PLC 2.ST-2HB02X 型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 3.42HS003 兩相混合式步進(jìn)電機(jī) 3.4 三菱 PLC 程序的設(shè)計(jì) 1.存儲(chǔ)區(qū)域分配 脈沖計(jì)數(shù)存儲(chǔ)區(qū)域分為統(tǒng)計(jì)區(qū)、暫存區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)三個(gè)部分。 統(tǒng)計(jì)區(qū)：對(duì)保存數(shù)據(jù)的組數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定有效區(qū)域范圍，配備 16 位斷電 保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器 D200 和 D327。 暫存區(qū)：臨時(shí)存儲(chǔ)脈沖信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)的基本處理，執(zhí)行數(shù)據(jù)計(jì)算功能。 由于脈沖數(shù)據(jù)較大采用 32 位斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器 D201-D206。 存儲(chǔ)區(qū)：又分為脈沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和其他存儲(chǔ)區(qū)。長(zhǎng)期存儲(chǔ)自動(dòng)程序數(shù)據(jù)值。 脈沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)：存儲(chǔ)暫存區(qū)處理后的有效脈沖數(shù)。采用 32 為斷電保持?jǐn)?shù) 據(jù)寄存器。初設(shè)計(jì) 20 組控制點(diǎn)位即 D207-D326。 其他存儲(chǔ)區(qū)：運(yùn)動(dòng)方向存儲(chǔ)和機(jī)械手手爪狀態(tài)。采用斷電保持輔助繼電器 存儲(chǔ)位狀態(tài)。與脈沖數(shù)據(jù)存取區(qū)相匹配 20 組控制點(diǎn)位即 M500-M579。運(yùn)動(dòng)方 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 向存儲(chǔ)分區(qū)為 D500-D559，機(jī)械手手爪狀態(tài)存儲(chǔ)分區(qū)為 D560-D579。 表 3.4 脈沖計(jì)數(shù)存儲(chǔ)區(qū) D201D202D203D204D205D206D200 D327X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉(zhuǎn)脈沖信息 統(tǒng)計(jì)區(qū)暫存區(qū) D207D208D209D210D211D212 X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉(zhuǎn)脈沖信息1 存儲(chǔ)區(qū) D213D214D215D216D217D218 X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉(zhuǎn)脈沖信息2 存儲(chǔ)區(qū) D219D220D221D222D223D224 X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉(zhuǎn)脈沖信息3 存儲(chǔ)區(qū) D314D315D316D317D318D319 X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉(zhuǎn)脈沖信息 存儲(chǔ)區(qū) D320D321D323D324D325D326 X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉(zhuǎn)脈沖信息 存儲(chǔ)區(qū) 表 3.5 其他存儲(chǔ)區(qū) M500M501M502M560 X 運(yùn)動(dòng)方向Y 運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向手爪狀態(tài)1 其他存儲(chǔ)區(qū) M503M504M505M561 X 運(yùn)動(dòng)方向Y 運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向手爪狀態(tài)2 其他存儲(chǔ)區(qū) M506M507M518M562 X 運(yùn)動(dòng)方向Y 運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向手爪狀態(tài)3 其他存儲(chǔ)區(qū) M554M555M556M578 X 運(yùn)動(dòng)方向Y 運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向手爪狀態(tài)19 其他存儲(chǔ)區(qū) M557M558M559M579 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 X 運(yùn)動(dòng)方向Y 運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向手爪狀態(tài)20 其他存儲(chǔ)區(qū) 2.初始化及報(bào)警程序 圖 3.4 初始化及報(bào)警梯形圖 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 3.4 初始化及報(bào)警梯形圖（續(xù)） 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 3.回原點(diǎn)程序 圖 3.5 回原點(diǎn)步進(jìn)梯形圖（續(xù)） 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 3.5 回原點(diǎn)步進(jìn)梯形圖（續(xù)） 4.手動(dòng)程序 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 3.6 手動(dòng)程序流程圖 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 3.7 手動(dòng)程序梯形圖 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 3.7 手動(dòng)程序梯形圖（續(xù)） 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 5.自動(dòng)程序 圖 3.8 自動(dòng)程序流程圖 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 3.9 自動(dòng)程序步進(jìn)梯形圖 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 3.9 自動(dòng)程序步進(jìn)梯形圖（續(xù)） 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 結(jié)束語(yǔ) 大四的最后一學(xué)期進(jìn)行了畢業(yè)設(shè)計(jì)。作為畢業(yè)之前的最后一次也是最全面 的一次系統(tǒng)性的檢驗(yàn)，我是非常認(rèn)真的對(duì)待。 我設(shè)計(jì)的是題目是基于 PLC 的柔性制造的搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本設(shè) 計(jì)設(shè)備用于少批量多批次柔性生產(chǎn)企業(yè)工作臺(tái)間的工件搬移。 本研究方案到達(dá)的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在恒溫環(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(wú)氧、高空等惡劣環(huán)境）下工 作。 設(shè)計(jì)設(shè)備以柔性生產(chǎn)為核心，秉承多功能多用途的特點(diǎn)、融入人性化控制 的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行穩(wěn)定，多重保護(hù)安全可靠。 多工作臺(tái)間的準(zhǔn)確定位搬移，可擴(kuò)展用于流水線合攏與分發(fā)、產(chǎn)品的定位 拿取與堆放、生產(chǎn)原料配發(fā)、裝箱等功能。 自動(dòng)運(yùn)行以手動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下設(shè)定的每一點(diǎn)位移量作為運(yùn)動(dòng)模板，采用模仿 的方法，對(duì)自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)行嚴(yán)格的控制。此控制方法可以降低對(duì)操作者的專業(yè)編 程技術(shù)要求，只需手動(dòng)操作一次，即可對(duì)設(shè)備進(jìn)行完整的程序編制。 本設(shè)備雖花費(fèi)許多汗水，但還有很多美中不足的地方。此采用點(diǎn)位控制， 對(duì)點(diǎn)位間的路徑未進(jìn)行嚴(yán)格的要求，使得在運(yùn)行過(guò)程中有較多的不確定因素， 程序未能實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的直線運(yùn)動(dòng)，可作下一步的改進(jìn)方向。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我對(duì)專業(yè)知識(shí)又有了一定的拓展及鞏固，相信在以后的工 作中能更好的加以運(yùn)用。 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 致 謝 經(jīng)過(guò)了一個(gè)學(xué)期的奮斗，我終于完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。在此，感謝王志斌老師 對(duì)我的教導(dǎo)，感謝同學(xué)們對(duì)我的幫助，還要感謝二年來(lái)每個(gè)教過(guò)我的老師，使 我不僅學(xué)習(xí)到了專業(yè)知識(shí)，更是讓我成熟了不少，感謝學(xué)校對(duì)我的栽培，讓我 更好的面對(duì)社會(huì)上的激烈競(jìng)爭(zhēng)。 王志斌老師作為我畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師，在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中給了我 很大的指導(dǎo)和幫助。王志斌老師，經(jīng)驗(yàn)豐富，對(duì)我們的指導(dǎo)是認(rèn)真負(fù)責(zé)。他每 周都給我交代任務(wù)，每次都叮囑我要抓緊時(shí)間好好做設(shè)計(jì)，同時(shí)也給我解決一 些畢業(yè)設(shè)計(jì)中的難題，這讓我倍受鼓舞。王老師秉著一絲不茍的態(tài)度，對(duì)待我 的每一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程都仔細(xì)審閱，在指出每一個(gè)微小錯(cuò)誤的同時(shí)也結(jié)合自己豐富 的機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，給我講解一些常用的設(shè)計(jì)方法和注意事項(xiàng)，讓我受益匪淺。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我是單獨(dú)的課題，但在完成此設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還得到了許 多同學(xué)和其他老師的幫助，在此一并致以誠(chéng)摯的謝意。 三江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 參考文獻(xiàn) 1齊占慶.機(jī)床電氣控制技術(shù)G.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.1 2余雷聲. 電器控制與 PLC 應(yīng)用M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996：58-63 3郁漢琪，郭健. 可編程序控制器原理及應(yīng)用M. 北京：中國(guó)電力出版社，2004：88-90 4程周. 可編程控制器技術(shù)與應(yīng)用M. 北京：電子工業(yè)出版社，2002.8：99-102 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