機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文--多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)選擇西門子S7-200系列PLC設(shè)計(jì)出完整的多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)。硬件部分介紹了利用PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟；軟件部分闡述了程序設(shè)計(jì)思路，并給出部分梯形圖。本系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)線上，利用機(jī)械手執(zhí)行傳遞軸承等動(dòng)作。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p>

2、;<p>　　S7-200；PLC； 多關(guān)節(jié)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)； </p><p>　　Abstract The design choices Siemens S7-200 series PLC to design a complete multi-joint robot control system. Hardware section describes the use of PLC co

3、ntrol system design steps; software part of the described programming ideas, and give part of the ladder. The system used in the production line, the mechanical hand movements such as the implementation of transmission b

4、earings.</p><p>　　KeywordsS7 – 200；PLC; Multi-joint; control system design; </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　目錄2&l

5、t;/b></p><p><b>　　1. 概述3</b></p><p>　　1.1 多關(guān)節(jié)機(jī)械手簡(jiǎn)介3</p><p>　　1.2 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能要求4</p><p>　　2. 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1 多環(huán)節(jié)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)6</p&

6、gt;<p>　　2.2 多關(guān)節(jié)機(jī)械手的工作原理7</p><p>　　3. 硬件系統(tǒng)配置9</p><p>　　3.1 PLC選型10</p><p>　　3.2 PLC的I/O資源配置10</p><p>　　3.3 其他資源配置12</p><p>　　4. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)13

7、</p><p>　　4.1 總體流程設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.2 各個(gè)模塊梯形圖設(shè)計(jì)14</p><p>　　5. 安裝調(diào)試方面的問(wèn)題28</p><p>　　6. 總結(jié)28</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p>

8、<b>　　1. 概述</b></p><p>　　1.1 多關(guān)節(jié)機(jī)械手簡(jiǎn)介</p><p>　　隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，在機(jī)械加工與制造領(lǐng)域，以及各種裝配與包裝自動(dòng)化生產(chǎn)線上，機(jī)械手的應(yīng)用已相當(dāng)普遍。機(jī)械手通常擔(dān)負(fù)著上料、下料，搬動(dòng)或裝卸零件的重復(fù)動(dòng)作等，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。由于PLC順序控制具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠、控制靈活方便等特點(diǎn)，而且PLC從誕生之日起

9、，最基本，最普遍的應(yīng)用領(lǐng)域就是在工業(yè)環(huán)境下的順序控制，因此，基于PLC順序控制的機(jī)械手在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　機(jī)械手也被稱為自動(dòng)手，能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。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。</p><

10、;p>　　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。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

11、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2～3個(gè)自由度。</p><p>　　多關(guān)節(jié)機(jī)械手指的是利用關(guān)節(jié)連接兩個(gè)相鄰的剛體，關(guān)節(jié)提供連桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)機(jī)構(gòu)中，關(guān)節(jié)多是其中的一個(gè)特點(diǎn)，正是由于關(guān)節(jié)多，所以它的抓握功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)的夾鉗式等機(jī)械手。它可以完成對(duì)不同形狀，不規(guī)則工件的抓握。多關(guān)節(jié)機(jī)械手有多種結(jié)構(gòu)，其中最理想的也是應(yīng)用最多的就是類似于人手的機(jī)構(gòu)，這樣的機(jī)構(gòu)

12、能模擬人手抓握的情況。與傳統(tǒng)機(jī)械手相比，多關(guān)節(jié)機(jī)械手具有動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過(guò)集體和工件機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　1.2 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能要求</p><p>　　在機(jī)械行業(yè)中，大部分產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線不是采用人工裝配的形式就是采用傳統(tǒng)的繼電器式的控制系統(tǒng)，公認(rèn)的勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)品質(zhì)量不易保證，同時(shí)繼電器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使

13、用后，容易發(fā)生故障，維修工作量大，而且生產(chǎn)控制靈活性差、控制過(guò)程復(fù)雜、控制過(guò)程不易改變。在裝配線上采用PLC控制多關(guān)節(jié)機(jī)械手可以完成精確定位的要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低工人的工作量，由于PLC編程簡(jiǎn)單、組合靈活、可靠性高、控制靈活性高，可根據(jù)控制流程的不同，方便地改變控制順序來(lái)滿足工藝要求。</p><p>　　軸承裝配是軸承生產(chǎn)過(guò)程中的最后且極為重要的環(huán)節(jié)，而軸承壓蓋機(jī)則是裝配線上較為復(fù)雜的部分。本課題講述的是利

14、用多關(guān)節(jié)機(jī)械手在一個(gè)軸承裝配線上，通過(guò)PLC控制機(jī)械手的動(dòng)作，完成取軸承、加蓋及轉(zhuǎn)移工件，最后控制壓蓋機(jī)完成壓蓋的整個(gè)過(guò)程。如圖1所示為某一生產(chǎn)線上機(jī)械手的工作示意圖。</p><p>　　圖1 機(jī)械手的工作示意圖</p><p>　　該機(jī)械手在生產(chǎn)線上的主要任務(wù)是，將軸承從傳送帶1轉(zhuǎn)移到傳送帶2上，然后將蓋放置于軸承之上，最后經(jīng)過(guò)壓蓋機(jī)加工，完成呢個(gè)軸承裝配的一部分加工。整個(gè)工作過(guò)程機(jī)械

15、手包括以下動(dòng)作：</p><p>　　手臂上升→手臂下降→手爪抓緊→手爪放松→手臂左旋→手臂右旋。</p><p>　　多關(guān)節(jié)機(jī)械手完成以上動(dòng)作主要是通過(guò)機(jī)械控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即利用PLC控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和電磁閥的通斷，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂的左右旋轉(zhuǎn)，電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸的升降控制手臂的上升和下降，多關(guān)節(jié)機(jī)械手的工作過(guò)程如圖2</p><p>　　圖2 多關(guān)節(jié)機(jī)械手簡(jiǎn)單

16、工作過(guò)程示意圖</p><p>　?。?）手臂上升：使機(jī)械手相對(duì)工作臺(tái)向上移動(dòng)，提高它的高度，以滿足抓取工件的高度要求。</p><p>　?。?）手臂下降：使機(jī)械手相對(duì)于工作臺(tái)向下移動(dòng)，降低它的高度，以滿足放置工件的高度要求。</p><p>　?。?）手爪抓緊：使多關(guān)節(jié)機(jī)械手抓緊工件，以便完成工件抓起的要求。</p><p>　　（4）手

17、臂放松：使多關(guān)節(jié)機(jī)械手放松工件，以便完成工件松開(kāi)的要求。</p><p>　?。?）手臂左旋：使機(jī)械手在不改變高度的情況下，相對(duì)于工作臺(tái)向左旋轉(zhuǎn)，以便完成工件移動(dòng)的要求。</p><p>　　（6）手臂右旋：使機(jī)械手在不改變高度的情況下，相對(duì)于工作臺(tái)向右旋轉(zhuǎn)，以便完成再次抓取工件的要求。</p><p>　　由于PLC得抗干擾能力強(qiáng)，所以能在惡劣的工作環(huán)境中，可靠地

18、完成控制人物，為了使設(shè)備便于安裝、調(diào)試，以，以及從經(jīng)濟(jì)角度考慮，設(shè)計(jì)出如圖3所示的多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能圖。</p><p>　　對(duì)于機(jī)械手部分，在上文已作過(guò)比較詳細(xì)的介紹，在電氣柜中，主要將一些儀器、儀表置之其中，既減少外界工業(yè)環(huán)境的影響，又方便檢測(cè)、維修。電氣控制柜結(jié)構(gòu)如圖4所示，電氣柜中的部分線路與機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，通過(guò)繼電器、電磁閥等器件對(duì)電動(dòng)機(jī)、氣缸等進(jìn)行控制，還有一部分與控制臺(tái)的按鈕連接。</p

19、><p>　　在電氣柜內(nèi)部，需要安裝一些顯示儀表及一些驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換電路板，這些儀器表用來(lái)顯示和調(diào)試機(jī)械手基本參數(shù)，例如，電流，電壓。電路板則用于轉(zhuǎn)換、放大各類傳感器的信號(hào)，并用PLC的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，例如，氣缸等設(shè)備。</p><p>　　圖3 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能原圖</p><p><b>　　圖4 電氣柜的結(jié)構(gòu)</b></

20、p><p><b>　　2. 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)</b></p><p>　　多關(guān)節(jié)機(jī)械手主要包括兩個(gè)方面：一個(gè)是機(jī)械方面的設(shè)計(jì)；另一個(gè)就是電氣控制方面的設(shè)計(jì)。這兩個(gè)方面既相互獨(dú)立，又有很多聯(lián)系，在設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的時(shí)候不僅需要電器部分是否能夠?qū)崿F(xiàn)，而且也需要考慮是否存在加工時(shí)的問(wèn)題；在設(shè)計(jì)電氣部分時(shí)，也需要考慮是否有這樣的機(jī)械機(jī)構(gòu)能夠滿足要求。</p><p&g

21、t;　　2.1 多環(huán)節(jié)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)</p><p>　　多指多關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是最理想的機(jī)器人手爪,其每個(gè)手指的各個(gè)關(guān)節(jié)都各有一臺(tái)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng),并配有傳感和控制系統(tǒng),使手爪能完全模擬人手動(dòng)作。</p><p>　　下面介紹的是一種目前常用設(shè)計(jì)且設(shè)計(jì)比較成熟的機(jī)械手，簡(jiǎn)略描述機(jī)械手幾個(gè)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)過(guò)程。</p><p>　　2.1.1 多關(guān)節(jié)機(jī)械手機(jī)座的設(shè)

22、計(jì)</p><p>　　該機(jī)械手主要由機(jī)座和手臂兩部分組成。幾座的主要任務(wù)是支撐和完成手臂回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)其在摸個(gè)空間的運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)固定在基座上，機(jī)座和大臂由轉(zhuǎn)動(dòng)靈活的交叉轉(zhuǎn)子軸承連接，大臂的上端關(guān)節(jié)用于支撐小臂。</p><p>　　機(jī)座的外形采用方形機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)固定在機(jī)座上，通過(guò)諧波減速器把動(dòng)力傳送到固定在大臂上的齒輪，帶動(dòng)大臂在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)。</p><p>　　2

23、.1.2. 多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)</p><p>　　此機(jī)械手臂的動(dòng)力靠同步帶傳遞，他的運(yùn)動(dòng)通過(guò)臂關(guān)節(jié)的擺轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行，為保證同步帶傳輸?shù)倪B接性和關(guān)節(jié)的正常擺轉(zhuǎn)。</p><p>　　當(dāng)手臂運(yùn)動(dòng)到所需要的位置時(shí)，通過(guò)控制器使電磁鐵帶電，離合齒受到吸引力向右轉(zhuǎn)動(dòng)而脫離，并于牙嵌盤嚙合；同時(shí)制動(dòng)器張之洞，使整個(gè)手臂在制動(dòng)器的作用下達(dá)到平衡，關(guān)節(jié)停止擺轉(zhuǎn)，手臂停止在所需要的位置上。</p&

24、gt;<p>　　2.1.3 多關(guān)節(jié)機(jī)械手的平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　除了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)以外，機(jī)械手的平衡設(shè)計(jì)也很重要。由于在機(jī)械手的操作過(guò)程呢個(gè)中會(huì)有回轉(zhuǎn)等動(dòng)作，此時(shí)就需要利用力矩平衡的原理來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)器人系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的平衡方式就是配置平衡，這是一種作為工業(yè)機(jī)器人的平衡方式為氣動(dòng)平衡。在這個(gè)機(jī)械手中，采用同步帶將動(dòng)力傳遞給各關(guān)節(jié)，為了保證手臂的精確定位和平穩(wěn)性，在各關(guān)節(jié)處都設(shè)有一個(gè)電磁

25、制動(dòng)平衡系統(tǒng)。</p><p>　　電磁制動(dòng)平衡系統(tǒng)裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部，其離合齒的離與合隨著控制信號(hào)的變化而變動(dòng)。當(dāng)電磁鐵得到電時(shí)離合齒脫離，同時(shí)使制動(dòng)器制動(dòng)而平衡手臂，手臂就停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電磁鐵失電時(shí)離合齒在彈簧力的作用下嚙合，同時(shí)制動(dòng)器打開(kāi)，手臂恢復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)手臂運(yùn)動(dòng)到所需要的位置時(shí)，通過(guò)控制器使電磁鐵帶電吸引離合器右移，將離合器脫離，使得制動(dòng)器開(kāi)始制動(dòng)，停止關(guān)節(jié)的擺轉(zhuǎn)，令手臂停在設(shè)定的位置上。</p>

26、<p>　　2.2 多關(guān)節(jié)機(jī)械手的工作原理</p><p>　　在此機(jī)械手中，電動(dòng)機(jī)被置于機(jī)座上，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)諧波減速器將動(dòng)力傳遞給固定在大臂上的齒輪，帶動(dòng)大臂在內(nèi)部有圓錐齒輪和帶輪，動(dòng)力通過(guò)齒輪傳到圓錐齒輪和同步帶上，再由同步帶將動(dòng)力傳給各關(guān)節(jié)，從而帶動(dòng)機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件的操作。</p><p>　　現(xiàn)在研究和應(yīng)用較多的是五指十五關(guān)節(jié)手爪結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5<

27、;/p><p>　　圖5　五指十五關(guān)節(jié)手爪結(jié)構(gòu)原理</p><p>　　這個(gè)類型的多關(guān)節(jié)機(jī)械手，采用的是機(jī)器人手爪，每個(gè)手指的各關(guān)節(jié)都有一臺(tái)相互獨(dú)立的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且每個(gè)手指都配有傳感器和控制系統(tǒng)，這樣每個(gè)手指的動(dòng)作都是互不影響的，使手爪能夠模擬人手的動(dòng)作可以抓取各種形狀的工件。如果抓取的工件形狀不規(guī)則，工件的中心與手爪的中心不相同，這時(shí)就可以利用五個(gè)手指相互獨(dú)立的特點(diǎn)。它們的彎曲程度可以

28、不同，因此對(duì)工件的形狀具有適應(yīng)性。先接觸到工件的手指關(guān)節(jié)由于先收到較大的壓力而無(wú)法繼續(xù)壓緊之后，其他未接觸的手指仍然可以繼續(xù)彎曲，直到所有的手指都接觸到物體，因此可以完全抓緊工件，同時(shí)由于有傳感器的檢測(cè)，所以不會(huì)因?yàn)樽ト」ぜ淖チμ笤斐蓪?duì)工件的損害。</p><p>　　多指多關(guān)節(jié)機(jī)械手爪抓規(guī)則形狀物體和不規(guī)則形狀物體的工作示意圖如圖6所示</p><p>　　圖6　抓握原理示意圖<

29、;/p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)諧波減速器減速后，帶懂動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)使螺母在導(dǎo)向桿中上下移動(dòng)，同時(shí)落幕的移動(dòng)帶動(dòng)連接五個(gè)手指的第一指節(jié)運(yùn)動(dòng)。五個(gè)手指安裝在彈性支座上，同時(shí)在彈性支座上還有五根拔桿連接第二指節(jié)上的凹槽，這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以使第一指節(jié)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，使第二指節(jié)圍繞第一、二指節(jié)間的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電動(dòng)機(jī)控制多指的要求。同樣在第一指節(jié)的下端裝有固定拔桿與第三指節(jié)的凹槽連接，實(shí)現(xiàn)了第三指節(jié)同時(shí)隨第一、二指

30、節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)而繞第二、三指節(jié)間的關(guān)節(jié)軸運(yùn)動(dòng)，從而形成了指節(jié)聯(lián)動(dòng)的控制結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　3. 硬件系統(tǒng)配置</b></p><p>　　前兩節(jié)敘述了多關(guān)節(jié)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本節(jié)主要根據(jù)上節(jié)所述的功能要求配置所需要的控制系統(tǒng)，按照終止系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計(jì)出如圖7所示的控制系統(tǒng)的硬件框圖。在此系統(tǒng)中僅靠PLC主機(jī)是無(wú)法完成呢個(gè)控制要求的，因此擴(kuò)展了一個(gè)I/O和

31、兩個(gè)模擬量輸入輸出模塊，以及兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)和一個(gè)可控電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　圖7 控制系統(tǒng)的硬件框圖</p><p>　　3.1 PLC選型</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求并從經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面來(lái)考慮，選擇西門子S7-200系列PLC作為此多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。在西門子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、

32、CPU226、CPU226XM等之分。本設(shè)計(jì)所用多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)共有18/個(gè)數(shù)字量輸入，9個(gè)數(shù)字量輸出，共27點(diǎn)I/O點(diǎn)數(shù)，以及程序容量，選擇了CPU224作為其主機(jī)。</p><p>　　3.2 PLC的I/O資源配置</p><p>　　根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，對(duì)PLC進(jìn)行I/O及其他資源的分配，具體分配如下。</p><p>　　3.2.1 數(shù)字量輸入

33、部分</p><p>　　在這個(gè)控制系統(tǒng)中，要求數(shù)字輸入的有急停按鈕、手動(dòng)/自動(dòng)按鈕，以及上、下、左、右限位開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等共18個(gè)輸入點(diǎn)，具體分配如表1所示。</p><p>　　表1 數(shù)字輸入地址分配</p><p>　　3.2.2 模擬量輸入部分</p><p>　　在這個(gè)系統(tǒng)中需要采集手指上傳感器的信號(hào)，所以擴(kuò)展了兩個(gè)模擬量輸入模

34、塊，一共有5個(gè)模擬量的輸入，具體分配如表2所示。</p><p>　　表2 模擬量輸入地址分配</p><p>　　3.2.3 數(shù)字量輸出部分</p><p>　　這個(gè)控制系統(tǒng)的外部設(shè)備主要由上升/下降電磁閥、左旋/右旋繼電器、抓緊/松開(kāi)電磁閥，以及控制傳送帶2啟停的繼電器，共9個(gè)數(shù)字量輸出，具體分配如表3所示。</p><p>　　表

35、3 數(shù)字輸出地址分配</p><p>　　3.3 其他資源配置</p><p>　　要完成系統(tǒng)的功能除了PLC及其擴(kuò)展模塊以外，還需要各種限位開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、傳感器及編碼盤等儀器設(shè)備。</p><p>　　3.3.1 各種限位開(kāi)關(guān)</p><p>　　在此系統(tǒng)中，共用了4個(gè)限位開(kāi)關(guān)：上升限位開(kāi)關(guān)、下降限位開(kāi)關(guān)、左旋限位開(kāi)關(guān)和右旋限位開(kāi)

36、關(guān)。限位開(kāi)關(guān)主要是用來(lái)控制機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的停止時(shí)刻和位置。</p><p>　　3.3.2 光電開(kāi)關(guān)</p><p>　　在傳送帶1和傳送帶2上各有一個(gè)光電開(kāi)關(guān)，此開(kāi)關(guān)的作用主要用來(lái)指示工件是否到位。傳送帶1上的光電開(kāi)關(guān)并用于檢測(cè)工件是否到機(jī)械手可操作的工位，若到位則傳送帶1停止，等待工件被取走；傳送帶2上的光電開(kāi)關(guān)則置于壓蓋機(jī)處，當(dāng)工件到達(dá)壓蓋及時(shí)，傳送帶2停止，對(duì)工件進(jìn)行壓蓋操作

37、，操作結(jié)束后等待下一個(gè)工件。</p><p>　　3.3.3 傳感器</p><p>　　此系統(tǒng)應(yīng)用的是多關(guān)節(jié)機(jī)械手，由于要適應(yīng)各種形狀的工件，所以要在手指受力的部分安裝壓力傳感器，將壓力值轉(zhuǎn)換為電壓值傳入PLC，然后進(jìn)行判斷，防止抓緊時(shí)壓力過(guò)大對(duì)工件造成損壞。</p><p>　　3.3.4 各種電磁閥</p><p>　　此系統(tǒng)中機(jī)械

38、手手臂的上升和下降是用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用一個(gè)氣缸、一個(gè)電磁閥就能實(shí)現(xiàn)手臂的上升和下降，相對(duì)利用電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降，氣缸控制簡(jiǎn)單方便。多關(guān)節(jié)機(jī)械手手爪的抓緊和松開(kāi)共用了四個(gè)電磁閥。</p><p>　?。?）上升電磁閥：控制氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手手臂上升到設(shè)定位置。</p><p>　?。?）下降電磁閥：控制氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手手臂下降到設(shè)定位置。</p><p>　　（3）

39、抓緊電磁閥：控制電動(dòng)機(jī)使機(jī)械手手爪做抓緊動(dòng)作。</p><p>　?。?）松開(kāi)電磁閥：控制電動(dòng)機(jī)使機(jī)械手手爪做松開(kāi)動(dòng)作。</p><p>　　3.3.5 各種繼電器</p><p>　　此系統(tǒng)中，傳送帶2并不需要時(shí)刻連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)傳送，并且也不可能一直連續(xù)地傳送物品，而是根據(jù)機(jī)械手的控制系統(tǒng)來(lái)控制傳送帶2的工作與否，該在什么時(shí)候啟動(dòng)傳送，該在什么時(shí)候停止傳送。因此，就

40、必須要在傳送帶2的電動(dòng)機(jī)部分裝一個(gè)可以控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和停止的繼電器，再連接到PLC以控制接觸器，最后達(dá)到控制目的。</p><p>　　壓蓋機(jī)同樣也不需要時(shí)時(shí)刻刻工作，因此在壓蓋機(jī)附近放置的光電開(kāi)關(guān)，可以將工作到位的信號(hào)傳至PLC，從而控制傳送帶2的停止，并且控制壓蓋機(jī)在工件到位的情況下工作。</p><p>　　3.3.6 編碼盤</p><p>　　在此系統(tǒng)中

41、，需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行精確定位，所以在手臂左右轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，要將電動(dòng)機(jī)反饋的信號(hào)同PLC發(fā)出的信號(hào)相比較，以檢測(cè)是否手臂準(zhǔn)確到位。</p><p>　　3.3.7 各種按鈕</p><p>　　急停按鈕采用帶鎖的，常閉觸點(diǎn)，按下后旋轉(zhuǎn)復(fù)位；手動(dòng)/自動(dòng)按鈕采用旋鈕，一邊常閉，一邊常通；其余按鈕采用觸點(diǎn)觸發(fā)方式，按下即接通，松開(kāi)即復(fù)位。

42、 </p><p>　　4. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 總體流程設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，此機(jī)械手工作時(shí)的動(dòng)作有以下幾個(gè)步驟。</p><p>　?。?）旋鈕置于自動(dòng)方式，按下啟動(dòng)按

43、鈕，工作臺(tái)開(kāi)始工作。</p><p>　?。?）機(jī)械手在氣缸的驅(qū)動(dòng)下上升至設(shè)定位置，同時(shí)傳送帶1開(kāi)始運(yùn)行。</p><p>　?。?）機(jī)械手在到達(dá)設(shè)定的高度后，手臂開(kāi)始左旋至設(shè)定位置，同時(shí)傳送帶1上的光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)工件是否到位。</p><p>　?。?）若傳送帶1上的工件到位，則機(jī)械手在氣缸上的驅(qū)動(dòng)下下降至設(shè)定位置；如果工件未到位，則機(jī)械手在上限位置等待工件到位。&

44、lt;/p><p>　?。?）工件到位后，機(jī)械手下降至設(shè)定位置后，機(jī)械手爪開(kāi)始抓緊工件。</p><p>　?。?）手爪抓緊工件后，機(jī)械手上升至設(shè)定位置。</p><p>　?。?）上升到位后，機(jī)械手開(kāi)始右旋設(shè)定位置。</p><p>　?。?）手臂右旋到位后，開(kāi)始下降至設(shè)定位置。</p><p>　?。?）下降到位后，手

45、爪松開(kāi)，放下工件，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，時(shí)間為5秒。</p><p>　　（10）放下工件后機(jī)械手再次上升至設(shè)定位置。</p><p>　?。?1）上升到位后，手爪抓緊端蓋。</p><p>　　（12）下降至設(shè)定位置，手爪松開(kāi)將端蓋置于工件之上。</p><p>　　（13）定時(shí)時(shí)間到，傳送帶2啟動(dòng)，將工件送到端蓋處。</p><

46、;p>　?。?4）工件到位，傳送帶2停止，壓蓋機(jī)工作。</p><p>　　若沒(méi)有收到停止信號(hào)，則機(jī)械手上升，繼續(xù)重復(fù)步驟（2）到（14）；若受到停止信號(hào)，則停止所有PLC設(shè)備，使多關(guān)節(jié)機(jī)械手的所有動(dòng)作停止。</p><p>　　4.2 各個(gè)模塊梯形圖設(shè)計(jì)</p><p>　　當(dāng)軟件總體流程圖設(shè)計(jì)完成之后，就需要對(duì)各個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行分解細(xì)化，這樣在程序編寫(xiě)時(shí)就

47、會(huì)簡(jiǎn)介明了，最后聯(lián)合起來(lái)調(diào)試時(shí)也便于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)控制過(guò)程特別復(fù)雜的時(shí)候采用模塊化設(shè)計(jì)，就顯得尤為重要。采用模塊化的設(shè)計(jì)，調(diào)試時(shí)先調(diào)試摸個(gè)模塊的功能，可以及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，到最后聯(lián)調(diào)時(shí)若出現(xiàn)問(wèn)題就可以很快找出原因及時(shí)解決。程序中用到的元件及設(shè)置如表4所示</p><p><b>　　表4 元件設(shè)置</b></p><p>　　由于機(jī)械手的控制過(guò)程是按順序執(zhí)行的，所以在程

48、序編寫(xiě)的時(shí)候采用順序控制指令。多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖如圖8所示</p><p>　　圖8（a）多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖</p><p>　　圖8（b）多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖</p><p>　　圖8（c）多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖</p><p>　　圖8（d）多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖</p><p>　　

49、圖8（e）多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖</p><p>　　圖8（f）多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖</p><p>　　圖8（g）多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖</p><p>　　如圖7所示的是控制系統(tǒng)的主程序，圖7（a）所示中主要是對(duì)高速計(jì)時(shí)器和高速脈沖輸出指令進(jìn)行初始化。對(duì)于高速計(jì)時(shí)器，選用高速計(jì)時(shí)器HSCO，工作方式為模式0，輸入口為10.0。設(shè)置HSCO的功能為：

50、復(fù)位和啟動(dòng)輸入信號(hào)都是高電位有效、4倍計(jì)數(shù)頻率、技術(shù)方向?yàn)樵鲇?jì)數(shù)、預(yù)設(shè)脈沖數(shù)為10000個(gè)、允許更新雙子和執(zhí)行HSC指令。</p><p>　　對(duì)于高速脈沖輸出控制，設(shè)置為脈沖輸出方式，輸出口為Q0.0。脈沖的輸出設(shè)置為多段管線輸出，本例中采用三段輸出，寫(xiě)控制字到特定存儲(chǔ)器中，完成設(shè)置的功能為：時(shí)間基準(zhǔn)為us級(jí)、不允許更新周期和脈沖數(shù)。由于是多段輸出，所以還需要建立包絡(luò)表，對(duì)3段的脈沖周期，數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，多關(guān)節(jié)機(jī)

51、械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖如圖8所示。手臂的左右旋轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制是為了提高定位的精度，所以需要用到高速計(jì)數(shù)器和高速脈沖輸出，對(duì)發(fā)出的脈沖數(shù)和接收到的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，如果相等，則定位準(zhǔn)確，如果兩者有偏差，則補(bǔ)發(fā)脈沖，最后到達(dá)設(shè)定的位置上。</p><p>　　圖9 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖</p><p>　　圖10 (a) 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖<

52、;/p><p>　　值1處理子程序梯形圖</p><p>　　圖10（b) 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖</p><p>　　值2處理子程序梯形圖</p><p>　　如圖8表示的是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖輸出控制，本例采用3段脈沖輸出，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身的特性啟動(dòng)頻率不宜太高，所以在啟動(dòng)階段輸出的脈沖周期為500ms，且周期逐步減少，緩慢提高其輸出

53、脈沖頻率；在第二階段，輸出脈沖周期為50ms，在這個(gè)階段手臂的移動(dòng)式最快的，當(dāng)快到達(dá)設(shè)定位置的時(shí)候，同樣不可以突然使頻率降低到0，需要逐漸降低脈沖的頻率值，所以第三階段的脈沖周期為200ms，電動(dòng)機(jī)逐步減速，到達(dá)設(shè)定位置后能可靠停止。</p><p>　　如圖9所示多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)傳感器值1處理子程序梯形多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)傳感器值2處理子程序梯形圖，都是針對(duì)傳感器采集到的值傳到PLC處理的子程序，由于機(jī)械手

54、爪在每次加工過(guò)程中，都需要移動(dòng)兩個(gè)工件，對(duì)于不同的工件，手爪的力度是不同的，為了防止抓緊力過(guò)大，對(duì)工件造成損壞，設(shè)置兩個(gè)不同的壓力對(duì)比值。</p><p>　　5. 安裝調(diào)試方面的問(wèn)題</p><p>　　雖然PLC得抗干擾能力較強(qiáng)，但是為了保證控制過(guò)程的可靠性，仍然需要采取一定的抗干擾措施，主要有以下幾項(xiàng)措施。</p><p>　　（1）電路回路的雜波可以通過(guò)電源

55、導(dǎo)線進(jìn)入控制裝置這種雜波對(duì)系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備危害很大，容易造成PLC誤動(dòng)作?？刹扇∑帘巫儔浩骱碗娫礊V波等方式預(yù)防。</p><p>　　（2）通過(guò)接地也可以有效地防止電磁干擾。</p><p>　?。?）PLC的布線要盡量遠(yuǎn)離高壓、高頻等設(shè)備。</p><p><b>　　6. 總結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)這一

56、次設(shè)計(jì)，讓我熟悉了PLC軟件的運(yùn)作，對(duì)機(jī)械手的發(fā)展和運(yùn)行有了很多認(rèn)識(shí)。特別是驚嘆于多關(guān)節(jié)機(jī)械手的人性化控制。在裝配線上采用PLC控制多關(guān)節(jié)機(jī)械手可以完成精確定位的要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低工人的工作量，由于PLC控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、功耗低和改造方便的特點(diǎn)，可以根據(jù)控制流程的不同，方便地改變控制順序來(lái)滿足工藝要求。</p><p>　　本文詳細(xì)講解了多關(guān)節(jié)機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)采用西門子S

57、7-200系列的PLC作為控制主機(jī)，以及S7-200系列的I/O和模擬輸入/輸出擴(kuò)展模塊，通過(guò)按鈕和一些開(kāi)關(guān)，對(duì)電磁閥和繼電器等設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行控制。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王建，張宏，徐洪亮，PLC操作實(shí)訓(xùn)（松下）[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.10。</p><p&g

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