PLC機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計一、機械手概述工業(yè)機械手是五十年代末才發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[1]。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)控加工中心，它在減輕工人的勞動強度的同時，大大提高了勞動生產(chǎn)率。但數(shù)控加工中常見的上下料工序，通常仍采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工、效率低;后者因設(shè)計復(fù)雜，需較多繼電器，接線繁雜，易受車體振動干擾，而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題[2]。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸[3]；其三，它能操作必要的機具進行焊接和裝配。因此，它能大大地改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，并投入了大量的物力和財力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。二、PLC選型可編程控制器是一種工業(yè)控制微型計算機，它的結(jié)構(gòu)原理與微型計算機相似。硬件構(gòu)成有微處理器、存儲器和各種輸入、輸出接口[4]。系統(tǒng)程序和接口器件又與微機不同，這使它的操作使用方法、編程語言、工作方式等與微型機有所不同。PLC是用微處理器實現(xiàn)繼電器、定時器和計數(shù)器以及A/D、D/A模擬轉(zhuǎn)換器件的組合體的功能，采用軟件編程進行它們之間的聯(lián)系。根據(jù)設(shè)計要求，最終選擇西門子的S7-200系列的PLC,其型號為：S7-CPU226。因為本設(shè)計采用的是S7-200系列的PLC，雖然PLC的種類很多，但其結(jié)構(gòu)和功能都很相似，那就用此PLC來說明PLC的結(jié)構(gòu)功能。PLC主要由CPU、存儲器、基本I/O接口電路、外設(shè)接口、編程裝置和電源等組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖所示：圖2.1PLC的基本機構(gòu)三、機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計的通用機械手的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，在圓柱坐在圓柱坐標(biāo)式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，在本設(shè)計中關(guān)于機械手的自由度的選擇為5個。分別為立柱回轉(zhuǎn)、小臂升降、手臂伸縮、手腕旋轉(zhuǎn)、手爪夾緊放松。分別由步進電機2、升降氣缸、直流電機、步進電機1和手爪加緊放松氣缸控制。（一）機械手的各部分結(jié)構(gòu) 機械手的機械結(jié)構(gòu)與傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和環(huán)境交互系統(tǒng)一樣，是組成機械手這一整體的重要組成部分，下面將分別對此設(shè)計的機械手的結(jié)構(gòu)和其設(shè)計進行詳述。1、手部的設(shè)計機械手的手部是重要的執(zhí)行機構(gòu)[5]。機械手的首部分為兩大類：夾持類手部和吸附類手部，各類又分為很多種，如夾持類又可分為夾鉗式手部、鉤托式手部和彈簧式手部。我們可根據(jù)設(shè)計的要求，選擇外夾夾鉗式v型指手部結(jié)構(gòu)[6]。其傳力機構(gòu)根據(jù)題目要求，可選擇齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)，故本設(shè)計的氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。其手指夾緊工件是由夾緊氣缸1中的齒條活塞桿8在壓縮空氣作用下右移，經(jīng)齒條推動齒輪7并帶動扇形齒軸5回轉(zhuǎn)，因手指6與扇形齒輪5固結(jié)為一體，所以兩個手指同時回轉(zhuǎn)而夾緊工件[7]。用由于采用雙向電磁閥，可實現(xiàn)其手部的夾緊和松開。手部結(jié)構(gòu)中的齒輪齒條屬于傳力機構(gòu)。圖3.1齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)（1）手部夾力及驅(qū)動力的計算手指在件上的夾力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。在此次設(shè)計中，我們可有如下參數(shù)要求抓取工件的重量為30N,V型指的角度2θ=120°，b=60mm，R=40mm，摩擦系數(shù)f=0.1。當(dāng)工件重量，手指指形，工件的形狀和夾持的方位確定后（可有圖1的形狀和方位確定），可得(1)夾力的計算公式：=130N（2）根據(jù)手部機構(gòu)的傳動示意圖圖4所示，其驅(qū)動力為圖3.2齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)示意圖（3）實際驅(qū)動力P—驅(qū)動力，N—手部的機械效率，一般取0.85~0.95—安全系數(shù)，通常為1.2~2.0—工作狀況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可按下式估計，—被抓取工件運動時的最大加速度，—運載時工件最大上升速度—系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.03~0.5sg—重力加速度，g=9.8m∕G—被抓取工件所受重力（N）在此中，因為傳動機構(gòu)為齒輪齒條機構(gòu)，故取η=0.9，取=1.5,機械手達到最高響應(yīng)時間0.5s，2、手腕 此設(shè)計的手腕上端連著絲桿，從而使整個手部可以順利水平移動，下端連著手部，將載荷從手部傳遞到桿上。手腕是由上升下降氣缸，旋轉(zhuǎn)步進電機和一些機械裝置構(gòu)成，結(jié)構(gòu)緊密[8]。氣缸選的是CDM2B10－30型號，其電磁閥選型是二位五通雙電控電磁閥，選用的是AIRTAC公司型號為4V110－M5的產(chǎn)品。供電電壓是DC24V.兩位五通電磁閥具有1個進氣孔(接進氣氣源)、1個正動作出氣孔和1個反動作出氣孔(分別提供給目標(biāo)設(shè)備的一正一反動作的氣源)、1個正動作排氣孔和1個反動作排氣孔(常常安裝消聲器)。步進電機可以使氣缸和下面承載的夾持器一體轉(zhuǎn)動，從而可以控制手的順利轉(zhuǎn)動±180°，這樣大大提高了機械手的活動空間[9]。設(shè)計中是有4塊物體，放在一塊玻璃板上，夾持器一塊塊夾取，所以要求機械手轉(zhuǎn)動手部，使夾持器保持合適的角度來夾取物塊。步進電機的角度和轉(zhuǎn)動的方向是由PLC控制的。手腕的示意圖如下：圖3.3手腕示意圖3、臂部 設(shè)計中手臂是使機械手手部前伸和后縮的重要組成部分，手臂是用滾珠絲桿作用的，絲桿的后端連著直流電機，絲桿螺母連著手腕整體，直流電機通過絲桿將機械手的手部進行水平移動。 直流電機選用的型號為5D90-24。驅(qū)動電壓為24V，功率為90W。負(fù)載轉(zhuǎn)速為2800轉(zhuǎn)，力矩為3.2Kg·cm。 驅(qū)動芯片L298N通過控制直流電機的啟停從而控制絲桿螺母的移動，這樣可方便精確地控制機械手的手部的移動。 滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成[10]。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動。其實物圖如下：圖3.4滾珠實物圖絲桿的參數(shù)為：導(dǎo)程（mm）軸向平均負(fù)載（m·s2）軸向平均轉(zhuǎn)速(r/m)絲桿的長度(mm)202002000920其型號為KURODAGG1520AS-BALR系列的。4、機身 機身包括立柱和底座，立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降（或俯仰）運動均與立柱有密切的聯(lián)系，機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于基座上，故起支承和聯(lián)接的作用。立柱的下端連著底座，上端連著機械手的手臂，對手臂其支撐和將載荷傳到底座的作用，底座下面有一步進電機，控制立柱的旋轉(zhuǎn)，也即控制整個機械手上方的旋轉(zhuǎn)運動。其示意圖為：圖3.5機身示意圖（二）本設(shè)計的總體要求 前已講到，有很多種機械手，其實現(xiàn)的功能各種各樣，而此設(shè)計的機械手是搬運機械手，實現(xiàn)的是按照固定順序?qū)⒋庸さ墓ぜ岬絺鬏攷?。其結(jié)構(gòu)圖如下：圖3.6機械手的結(jié)構(gòu)四、機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計（一）機械手的功能介紹 本設(shè)計的機械手是搬運機械手，用于自動化線上，目的是提高生產(chǎn)率，降低勞動成本，是生產(chǎn)有序，可控。機械手具有5個自由度，可方便靈活地移動滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。 有四件物件需要投放到流水線上，每投放四件，由另一機械手將待加工的四件物件放到固定的位置。當(dāng)四件物體放到固定的位置上，按下啟動按鈕，此機械手就會去抓取物件，待一個放到流水線，又會回來抓取另一個，四個都放到流水線了為完成一個周期。 此機械手可以進行單周期、單步和連續(xù)工作三種方式，單周期和單步主要用于維修和調(diào)試所用。連續(xù)工作方式為機械手正常運作方式。這三種工作方式通過一個多檔開關(guān)來選擇。當(dāng)多檔開關(guān)撥在單周期工作方式上，按下啟動按鈕，此時機械手開始工作，只是完成一個周期，即將四件物塊抓取放到流水線上。之后自動停下來；若當(dāng)多檔開關(guān)撥在單步工作方式上，按下啟動按鈕，機械手開始進行工作，此時機械手只是會進行一步，即只完成一個工步，1/4個周期即完成一個物塊的抓取需要11個工步。在此中途中，若不想再往后檢查機械手每個工步的狀態(tài)，只需將多檔開關(guān)撥到單周期即可，這樣機械手便能自動完成剩下的工步。多檔開關(guān)撥到連續(xù)工作方式，則機械手處于正常生產(chǎn)方式，即不斷完成各個周期。 機械手的各個動作有序，需要強有力的驅(qū)動和復(fù)雜的程序控制支持，前已述及了各個驅(qū)動。下面將對其控制進行詳述。（二）機械手的控制1、S7-200PLC的CPU選擇 上已述及，小型的西門子的PLC具有控制靈活，性價比高等優(yōu)點，設(shè)計選用西門子S7-200系列的PLC。設(shè)計中機械手需要12個輸入端口，9個輸出端口，考慮PLC的余量，決定選用CPU226的。S7-CPU226的參數(shù)如下：表4.1S7-CPU226的參數(shù)用戶數(shù)據(jù)存儲類型程序空間（永久保存）主機I/O點數(shù)高速脈沖輸出24VDC電源CPU輸入電流/最大負(fù)載（mA）EEPROM4096字節(jié)24/162（20KHz）150/1050由于用的輸入和輸出用的都是24VC電壓，故PLC的選型為S7-226DC/DC/DC。2、PLC的I/O分配 根據(jù)控制要求，升降氣缸需要2個行程開關(guān)，小臂即橫梁上有5個行程開關(guān)（四個物塊的定位和小臂伸開的定位），3個工作方式選擇開關(guān)，一個啟動按鈕和一個停止按鈕。輸出方面：每個步進電機一個脈沖輸出端和轉(zhuǎn)向控制端，升降電磁閥和夾持電磁閥的開關(guān)，以及直流電機的正反轉(zhuǎn)開關(guān)。其相應(yīng)的分配點數(shù)為：表4.2I/O分配說明圖輸入點標(biāo)稱意義說明輸出點標(biāo)稱意義說明I0.0SQ1下限位Q0.01YA步進電機1脈沖輸出端I0.1SQ2上限位Q1.01YA0步進電機1輸出方向控制端I0.2SQ0右限位Q0.12YA步進電機2脈沖輸出端I0.3SQA左限位AQ1.12YA0步進電機2輸出方向控制端I0.4SQB左限位BQ0.23YA下降電磁閥I0.5SQC左限位CQ0.34YA上升電磁閥I0.6SQD左限位DQ0.45YA1直流電機正向轉(zhuǎn)動I1.2SA單周期工作方式Q0.55YA2直流電機反向轉(zhuǎn)動I1.3單步工作方式Q0.66YA夾持器電磁閥I1.4連續(xù)工作方式Q0.7DG開始指示燈I1.6SB1啟動開關(guān)I1.7SB2停止開關(guān)其PLC與器件的邏輯連線如下圖所示：圖4.1PLC外圍連接圖3、物塊的位置控制及程序流程圖機械手要完成抓取四個物塊，四個物塊的空間布置決定了程序中的設(shè)置，也即決定了各個驅(qū)動的控制。其空間位置如下圖：圖4.2物塊位置示意圖根據(jù)設(shè)計的要求，則機械手控制的流程如下，圖中的繼電器都為輔助繼電器，而輸出繼電器沒有畫出。并且程序中應(yīng)用了大量的輔助繼電器，現(xiàn)列出一些重要的輔助繼電器，以便順利閱讀程序。表4.2輔助繼電器說明輔助繼電器型號意義說明M3.0步進電機1進入正向旋轉(zhuǎn)標(biāo)志位M3.1步進電機1正向脈沖輸出完標(biāo)志位M3.2步進電機1進入反向旋轉(zhuǎn)標(biāo)志位M3.3步進電機1反向脈沖輸出完標(biāo)志位M3.4步進電機2進入正向旋轉(zhuǎn)標(biāo)志位M3.5步進電機2正向脈沖輸出完標(biāo)志位M3.6步進電機2進入反向旋轉(zhuǎn)標(biāo)志位M3.7步進電機2反向脈沖輸出完標(biāo)志位M4.7絲桿后縮到位標(biāo)志位M6.0停止輔助繼電器M6.1單步運行輔助繼電器M6.2進行完一個周期標(biāo)志位M0.0M0.0M0.1下降等待2秒M4.0M0.2M4.1M0.4旋轉(zhuǎn)1-抓取旋轉(zhuǎn)1+初始化后縮旋轉(zhuǎn)2-M0.0M1.3M1.1M1.0M0.7M0.6M4.2M3.1SB4SQ1T37M3.3T38SQ1M3.5SQ0SQ2等待2秒上升放開下降旋轉(zhuǎn)2+上升伸出MI.2M4.7M3.7SQ2物件個數(shù)刷新圖4.3程序順序流程圖（三）PLC的程序設(shè)計機械手的工作的每個步驟或動作都需要一定且精確的邏輯控制，因此來說，PLC的程序設(shè)計會顯得格外重要，PLC要在程序中通過位置檢測，通過程序邏輯輸出控制各個電機及電磁閥。S7-CPU226的PLC內(nèi)置有高速脈沖，其最高輸出頻率為20KHz。其輸出脈沖的形式可以分為單段輸出和多段輸出。單段輸出即單段流水線輸出，就是流水線中只能存儲一個脈沖串的控制參數(shù)，初始PTO段一旦啟動，必須按照對第二個波形的要求立即刷新SM（脈沖控制特殊寄存器）,并再執(zhí)行PLS指令（脈沖輸出），第一個脈沖串完成，第二個波形輸出立即啟動，重復(fù)這一步驟可以實現(xiàn)多個脈沖串的輸出。多段流水線是指在變量存儲區(qū)V建立一個包絡(luò)表。包絡(luò)表存放每個脈沖的參數(shù)，執(zhí)行PLS指令，PLC會自動按包絡(luò)表中的順序及參數(shù)進行脈沖輸出。其中在抓取不同的物件，需要兩個步進電機分別調(diào)整，其中一個調(diào)整機械手的手腕的位置，另一個調(diào)整手的抓取的角度，這樣只需根據(jù)程序控制好輸出脈沖頻率和輸出方向，通過PMM8713脈沖分配器和SI27300A功率驅(qū)動器組成的四相步進電機功率驅(qū)動電路可以有序地控制機械手抓取四個放在不同的物件，四個物件的位置已有圖4.2顯示出來。而控制步進電機的脈沖輸出分為三個階段，起始頻率、運行頻率和停止頻率。因此用PLC的多段輸出功能，即分為三段。在程序中，要用到包絡(luò)表，包絡(luò)表中設(shè)置為三段，每段的初始周期、每個脈沖的增減量、脈沖數(shù)都可以設(shè)置。為此，由步進電機的矩頻特性，設(shè)置步進的三段頻率初始值分別為：1KHz,5KHz,5KHz。起始段和停止段在程序初始化中設(shè)置，在設(shè)置前首先將脈沖輸出端置零，之后的脈沖設(shè)置用調(diào)用子程序的方法設(shè)置脈沖的個數(shù)和頻率。下表給出了一個步進電機脈沖的設(shè)置參數(shù)。表4.3步進電機脈沖設(shè)置參數(shù)段的種類初始周期（ms）每個脈沖的增量(ms)脈沖數(shù)段1100-180段2200640段320180下面程序中給出了一個步進電機初始化的程序段：圖4.4步進電機控制程序初始化機械手按照固定的程序控制搬運四個物件，這就需要程序分別在不同的時候控制著步進電機的旋轉(zhuǎn)角度。設(shè)計中是這樣安排的：有一個變量存儲著當(dāng)前物塊的編號，其編號為0、1、2、3。每完成一個物塊的搬運，其會判斷是否是最后一塊，若不是，則執(zhí)行自加一次，若是，則進行清零，機械手回到原點，準(zhǔn)備進行下一個周期的搬運。在判斷好是那一塊時，兩個步進電機會按照相應(yīng)的角度進行旋轉(zhuǎn)，同時滾珠絲桿也會移動相應(yīng)的距離，從而順利地搬運要搬運的那個編號的物塊。步進電機旋轉(zhuǎn)的角度控制和絲桿螺母的移動距離控制在程序中都是用調(diào)用子程序來設(shè)置的。在直流電機控制滾珠絲桿中，我們知道，由于機械手要將四塊物件放到流水線上，則向前伸開的位置是不會變的，但向后縮時需要判斷好是哪個編號的物塊并準(zhǔn)確回到其位置上。其程序段為：圖4.5判斷物件編號程序圖在步進電機控制中，當(dāng)需要其工作時，主程序會調(diào)用子程序，根據(jù)物塊的編號在設(shè)置好脈沖時，會啟動步進電機的工作，當(dāng)脈沖輸出完會產(chǎn)生中斷，在中斷中停止步進電機的工作和置位脈沖輸出完標(biāo)志，以此啟動下一個工步！其程序段為（只給出一個步進電機的）：圖4.6步進電機旋轉(zhuǎn)角度控制程序圖前已述及，機械手共有三種工作方式：單周期工作方式、單步工作方式、連續(xù)工作方式，大大增添了機械手的實用功能。其控制只是在啟動中和一個周期結(jié)束時起作用的。其程序如下。圖中M6.1為單步運行輔助繼電器，M6.0為停止輔助繼電器，M6.2為運行一個周期結(jié)束標(biāo)志位。在其他工作方式下，M6.1必一直為帶電狀態(tài)。當(dāng)I1.4(連續(xù)工作方式)閉合，M6.1帶電，按下啟動按鈕I1.6，則M0.0得到一個機械周期的帶電狀態(tài)，從而可以啟動機械手工作，且讓停止輔助繼電器置零。在一個物塊搬運要結(jié)束時，我們可以看到機械手自動獲得一個帶電的M0.0。因此，機械手將會連續(xù)運行，當(dāng)按下停止按鈕I1.7，M6.0得電，在搬運物塊時停下。若想工作在單步方式下，只需將多檔開關(guān)撥在單步方式下（I1.3閉合）即可，如圖中所示，按一下啟動按鈕I1.6，則M6.1得到一個機器周期的高電平，為下一步程序的轉(zhuǎn)換提供了條件，若想進行下一步，就再按一下啟動按鈕。若不想觀看以后的工步，只需將多檔開關(guān)撥在單周期工作方式下，即可自動完成以下的工步。工作在單周期方式下，I1.2閉合，M6.1得電。按下啟動按鈕I1.6，則M0.0得到一個機器周期的電，即可啟動機械手，當(dāng)一個周期完成了，由于I1.2閉合，其常閉觸點斷開，則不會自動進行到下一個循環(huán)，即很好地完成了一個周期的工作。圖4.7啟動機械手程序圖圖4.8工作方式控制程序圖（四）PLC程序設(shè)計的總結(jié) 設(shè)計好的程序必須要經(jīng)過嚴(yán)格的調(diào)試，在調(diào)試之前首先要檢查硬件連接圖，待硬件連接圖無誤后，接通電源，并啟動機械手。調(diào)試的工作是很繁瑣的，但只有經(jīng)過調(diào)試，并能長期工作或具有一定的容錯能力的程序才是關(guān)鍵。 因為本設(shè)計機械手具有三種工作方式，首先應(yīng)讓其工作在單周期方式，觀察并記錄機械手每一工步的運行狀態(tài)，每一個位置是否到位，驅(qū)動是否會產(chǎn)生如發(fā)熱、震蕩等現(xiàn)象。由于沒有在夾持器上沒有設(shè)置傳感器檢測，因此對夾持器能否正常夾持物塊以及夾到物塊在后來的運行中是否能夠安穩(wěn)，這些都需要現(xiàn)場細(xì)致調(diào)試。 待單周期工作方式大致穩(wěn)定后，可進行單步調(diào)節(jié)，單步調(diào)節(jié)屬于對機械手工作的細(xì)致調(diào)節(jié)，記錄每一工步的運行時間，關(guān)鍵是工步與工步的銜接是否順利。若有什么差錯，必須關(guān)掉電源，先從硬件處檢查問題，再從程序中檢查。當(dāng)單周期工作方式和單步運行工作方式調(diào)試符合要求后，可進行連續(xù)工作方式調(diào)試了，這個工作方式調(diào)試主要看是否能夠滿足機械手控制的整體要求，能否滿足流水線搬運的要求。五、結(jié)論 本次畢業(yè)設(shè)計是在學(xué)校學(xué)習(xí)到的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，進行了一系列的生產(chǎn)實習(xí)和以前各次課程設(shè)計的基礎(chǔ)上進行的一次綜合性的大總結(jié)。旨在培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識去分析和解決生產(chǎn)實際問題的能力及培養(yǎng)正確的設(shè)計思想，并通過運用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊、和查閱有關(guān)技術(shù)資料去進行理論計算、結(jié)構(gòu)思