1、題目：工件裝卸機械手控制系統(tǒng)設計IV工件裝卸機械手控制系統(tǒng)設計摘要工業(yè)機械手在現(xiàn)今的工業(yè)體系中越發(fā)的重要，在如今的機械加工制造業(yè)中，工業(yè)機械手它的主要用途是在裝卸物料于機床或者是模鍛壓力機以及進行焊接、噴涂等工藝。并且隨著工業(yè)技術的發(fā)展，尤其是在中國如此快速發(fā)展的情況下，并且提出“中國制造2025計劃”，這就要求我國的工業(yè)制造技術必須要實現(xiàn)一個突飛猛進的跨越。工業(yè)機械手在全自動生產線上不僅僅可以代替人類而且還實時配合生產線的工作要求，讓產出無限放大。并且工業(yè)機械手自動化程度高、工作靈活多變，可以適應各種各樣的工作場合，比如高溫、腐蝕及有毒氣體空間的環(huán)境中。在如此的環(huán)境下，機械手不僅等價甚至高于

2、的替代工人們的勞動，而且使得工人免受工作環(huán)境的危害。為了不同工業(yè)技術工作的要求，促進工業(yè)機械手的創(chuàng)新能夠像雨后春筍一樣蓬勃發(fā)展，各式各樣的工業(yè)機械手的設計就顯得尤為重要。本文根據(jù)本科階段所學的機械基礎知識，以及電氣基礎技術進行設計的工件裝卸機械手控制系統(tǒng)設計。本設計的機械手采用交流伺服電機進行驅動，使用PLC作為控制核心，通過PLC端口輸入的變化，反饋回給PLC，然后在對機體結構進行控制。本文通過對工件裝卸機械手的控制要求進行分析，在各類控制期間的選擇之下，決定采用西門子公司的可編程邏輯控制器CPU226AC/DC/繼電器，是屬于S7-200系列中的比較優(yōu)秀的型號，由于系列號比較先進所以它具有

3、許多強大的功能，因此這也是其被大部分工業(yè)生產所用的原因，根據(jù)它的功能定義，在端口數(shù)上具有24輸入/16繼電器輸出，實現(xiàn)機械手的靈活控制。本文通過常用的機械設計對機械手的機械結構進行了設計，還繪制了與之相適應的電氣原理圖，并對PLC的I/O端口進行了分配以及編寫PLC控制程序，從而實現(xiàn)任務要求，實現(xiàn)對機械手行為動作的嚴格把控。本文使用的方法不但可以應用于機械手控制系統(tǒng)的設計，對其他任務的設計應用也有一定的向導作用，并且這些工作的意義也是相當?shù)?，它對于工業(yè)機械手產品在系列化上，也具有一定的發(fā)展意義。關鍵字：工業(yè)機械手；控制系統(tǒng)；PLC；電氣驅動；結構Design of Control system

4、 for workpiece loading and unloading manipulatorAbstractIndustrial manipulators are more and more important in today's industrial system. In the machinery manufacturing industry, manipulators are mainly used for machine tools, materials for forging presses, welding, spraying, and other operation

5、s, and with the development of industrial technology. Especially in the case of China's rapid development, and put forward the "China manufacturing 2025 plan", which requires that our country's industrial manufacturing technology must achieve a rapid leap forward.In the fully autom

6、atic production line, the industrial manipulator can not only replace humans but also cooperate with the work requirements of the production line in real time, allowing the output to be infinitely enlarged.In addition, the industrial manipulator has a high degree of automation and flexibility in its

7、 work. It can adapt to various workplaces, such as high temperatures, corrosion, and toxic gas spaces.in such environments,The manipulator is not only equivalent to or even higher than the labor of the workers, but also protects the workers from the work environment.For the requirements of different

8、 industrial technology work, the promotion of industrial manipulator innovation can flourish like a spring spring, and the design of various types of industrial manipulator is particularly important.This designs the control system of workpiece handling manipulator according to the basic knowledge of

9、 mechanical and electrical basic technology. The manipulator is driven by AC servo motor, PLC is used as the control core, the input change of PLC port is fed back to PLC, and then the structure of the body is controlled.By analyzing the control requirements of workpiece handling manipulator, under

10、the choice of various control periods, this paper decides to adopt Siemens programmable logic controller CPU226AC / DC / relay, which belongs to the excellent model of S7-200 series. Because the series number is more advanced, so it has many powerful functions, so this is why it is used by most indu

11、strial production, according to its function definition, It has 24 input / 16 relay output on the port number to realize the flexible control of manipulator. In this paper, the mechanical structure of the manipulator is designed through the commonly used mechanical design. The corresponding electric

12、al schematic diagram is drawn, and the I / O port of PLC is allocated and the PLC control program is written to fulfill the task requirements and strictly control the behavior of manipulator.The method used in this paper not only can be used in the design of manipulator control system, but also has

13、a certain guiding effect on the design and application of other tasks, and these works are of certain significance to the development of serial products of industrial manipulator.Key words: industrial manipulator; control system,;PLC,;electrical drive;structure主 要 符 號 表G，F(xiàn) 力，f 摩擦系數(shù)W，m 質量M 力矩S 面積， 許用

14、應力WZ 抗彎截面系數(shù)P 導程J 轉動慣量D，d 直徑L 長度T 轉矩 I 輸入映像寄存器Q 輸出映像寄存器SM 特殊標志位寄存器目錄摘要IAbstractII主 要 符 號 表IV1 緒論11.1課題研究背景及其意義11.2工業(yè)機械手在國內外發(fā)展及現(xiàn)狀11.3工業(yè)機械手的發(fā)展前景及趨勢22 工件裝卸機械手總體方案設計22.1機械手總體結構的基本要求：22.2機械結構總構圖32.3機械結構方案優(yōu)選32.3.1運動控制方案設計32.3.2驅動方案設計42.3.3機械爪爪型結構方案設計52.2.4控制系統(tǒng)設計分析53 工件裝卸機械手PLC控制方案設計83.1可編程邏輯控制器（PLC）概述83.1.

15、1可編程邏輯控制器的定義83.1.2可編程邏輯控制器的應用領域83.1.3可編程邏輯控制器的組成83.1.4可編程邏輯控制器的工作原理103.1.5PLC的選型133.2機械手其他器件概述133.2.1壓力繼電器133.2.2限位開關143.3工件裝卸機械手控制動作順序143.4PLCI/O的分配143.5電氣接線原理圖163.6PLC程序設計與調試173.6.1程序設計173.6.2程序調試214 工件裝卸機械手機械結構設計244.1機械結構動作順序244.2驅動電機選型設計計算254.2.1機械爪處電機（電機1）選用254.2.2伸縮桿絲杠以及驅動電機（電機2）選型254.2.3擺塊電機（

16、電機3）選型274.2.4升降立柱絲杠以及驅動電機（電機4）選型274.2.5變頻器選擇選型285 結論295.1設計總結295.2經(jīng)濟性分析29參考文獻30致 謝33畢業(yè)設計（論文）知識產權聲明34畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明35附錄361 緒論1.1課題研究背景及其意義隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，工業(yè)科技實力的不斷增強，以及近些年來的關于中國工業(yè)高速發(fā)展的戰(zhàn)略也相應被提出，各種高新技術產業(yè)不斷涌現(xiàn)，機械自動化應用愈加廣泛。在傳統(tǒng)的工業(yè)流水線中，裝卸工作大多都是由人工進行的，顯然這樣的工作效率已經(jīng)不能滿足工業(yè)化發(fā)展的需求，并且不僅僅在工業(yè)領域，還有其他領域，由于工作的需要，勞動人員處于高溫、腐蝕、

17、或者是在有毒氣體的生產環(huán)境中工作，這樣的工作環(huán)境不僅增加了工人的勞動強度，而且這些不好的環(huán)境可能會工作人員的人身安全產生威脅，這些問題已經(jīng)受到了人們的熱切關注，于是為了減少人們直接在這樣的環(huán)境中工作，工業(yè)機械手應運而生，工業(yè)機械手從仿生學原理出發(fā)，控制系統(tǒng)中的程序指令命令機械手各個機構的運動，這樣就可以讓機械手模仿出人類的動作，這樣就可以替代人們去參加工作1。它們可以在對物料或者工件的抓取、轉移等簡單性搬運作業(yè)上工作，并且現(xiàn)在的機械手還在許多其他領域工種上使用，包括車間上的抓取動作、零部件的的裝配工作以及噴涂作業(yè)等，這些不僅在機械行業(yè)大力推廣發(fā)展，而且還在輕工業(yè)和交通運輸業(yè)等都已經(jīng)有了廣泛的應

18、用。但是由于大多數(shù)情況下機械手都是在工業(yè)生產環(huán)境中使用的，因此這樣的機械手就有了“工業(yè)機械手”的稱號2。機械手除了具有能夠提高生產效率的優(yōu)點，還可以在除去維護時間之外可以不停歇的進行工作，而且由于機械手是通過程序控制機械性的動作操作，就使得機械手相比人工而言，精度不僅高而且還具有可控性。因此工業(yè)機械手相比人工而言其更加有效率，并且還擁有著比人工難以達到的精度要有，尤其工業(yè)機械手還可以能夠適應各種惡劣的環(huán)境，比如高溫、高壓、粉塵、有毒氣體和放射性等環(huán)境中，使用機械手代替人們，就可以避免這種不好環(huán)境對人們身體的傷害，因此發(fā)展工業(yè)機械手的意義就顯得更加重大3！工業(yè)機械手的發(fā)展不僅僅只是工業(yè)生產上的革

19、新。由于工業(yè)機械手的技術要求也在不斷的提高，更加促使可編程邏輯控制器的進一步發(fā)展。1.2工業(yè)機械手在國內外發(fā)展及現(xiàn)狀由于國外工業(yè)起步比較早，發(fā)展也相對國內比較快，所以國外的機械手發(fā)展實力比較強，并且早已在機械制造業(yè)中加以應用。從目前來看，國外的主要應用方面是機床裝卸、鍛壓機、點焊、噴漆等。它們按照程序規(guī)定的內容完成指令性的操作?，F(xiàn)今工業(yè)機械手的定位精度已經(jīng)能夠滿足微米甚至是亞微米級的要求，運行速度達到了3M/S，產品總重負載突破到100KG。并且如今國外機械手的發(fā)展是走的智能化的趨勢，使其具有一定的感知能力，從外界條件的變化做出自己相對應的變化。比如當在機構運行的過程中其相對位置出現(xiàn)稍許的偏差

20、，那么通過自己的傳感獲取變化，再修正當前的位置。目前世界高端工業(yè)機械手都向高精化，高速化發(fā)展，更是重點研究視覺與觸覺功能，而且有了一定的突破。重要的是這樣把機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元一塊結合起來，從根本上改變了目前人工操作機械制造系統(tǒng)的狀態(tài)4。我國的發(fā)展相對的話，起步比較晚，而且工業(yè)基礎薄弱，所以我國的機械自動化水平與國外還是有一定的差距，但是在我國各界學術精英的帶領下，使得國內的技術從無到有，從個體案例到實體的應用實踐，歷經(jīng)奮斗填上國內的技術空白，現(xiàn)如今我國的工業(yè)機械手也主要用于機加工、鑄鍛、熱處理等方面，國內近些年進行工業(yè)再升級，提出工業(yè)4.0，工業(yè)自動化的需求已經(jīng)迫不及待，蓬勃的

21、前景已然是唾手可得。同時，隨著機械手的小型化發(fā)展和微型化處理，其應用領域得到更大的拓展，突破傳統(tǒng)的機械領域，并且向著電子信息、生命科學技術及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展5。1.3工業(yè)機械手的發(fā)展前景及趨勢于20世紀60年代，機械手一經(jīng)問世便成為人們研究的焦點，機械手通過漫長的四十多年的研究發(fā)展，一共大約經(jīng)歷了三代的演變。第一代的機械手是程序控制機械手，主要通過點位控制系統(tǒng)來形成相應的動作，對外界環(huán)境沒有任何的反應；第二代的機械手在第一代的基礎上進行的大大地改進，有一定的“感官”，還是以控制程序為主，但是程序中附加了一些相應的算法，通過外部的傳感器把信號反饋回去，再有程序的運算可以對外界進行判斷，有一

22、定的“活力”了；第三代機械手在繼承前兩代的基礎上強化了中央處理器的能力，加強了對環(huán)境信息處理的能力，更加的智能化，不僅僅能夠判斷和處理問題，更加的還可以進行自我學習，具有更強的適應能力6。所謂工業(yè)機械手只不過是工業(yè)機器人的特殊應用版，由于特定的場合，需要一定的動作，因此移植一只“手臂”而已，作為一個形狀好像一個手臂的機器人，當一個手臂擁有了感官、判斷、思考.那么它就是一個完整的工業(yè)機器人，并且當一個機械手擁有更高自由度的時候，它所能產生的動作就更加復雜多樣化，遠遠超過人們的普通手臂所產生的動作，如果當一所廠房全部都是這樣的機器運轉，再通過物聯(lián)網(wǎng)進行相互信息的交流，自動分配工作，一天二十四小時的

23、全天候執(zhí)勤，產出效率可是幾何倍的增長，根本就不需要人力，只需要人們進行腦力活動進行監(jiān)管即可，這樣的工廠就是無人自動化工廠，完全性的解放人們對雙手，那時人類只用進行創(chuàng)造性腦力勞動即可，在這樣的工業(yè)基礎上人類文明的進步就是飛躍性的。2 工件裝卸機械手總體方案設計2.1機械手總體結構的基本要求：（1）動作要求：上升、下降、左移、右移、抓取、松開、旋轉等；（2）技術指標：最大工件直徑300mm，最大工件重量10kg，旋轉角度180°。（3）其他要求：結構穩(wěn)定性，抓取放置精度，機械爪力度控制，故障警示等等。2.2機械結構總構圖圖2.1 工件裝卸機械手機械結構總構圖按照設計要求對機械手進行基礎設

24、計，基本結構草圖如圖2.1所示，可以完成機械手上升、下降、左移、右移、的基礎動作，抓取、松開、旋轉等以與地表接觸箱體和立柱（升降立柱）為工件裝卸機械手的機體，其在電機4驅動的電機帶動絲杠2，進行上下移動，便可帶上動完成機械手的上升、下降，而與立柱接觸的橫梁（伸縮橫梁）可以在擺塊的牽引下繞著立柱做180度旋轉，擺塊是由電機3所驅動的導桿，帶動伸縮梁進行旋轉，并且橫梁亦可以伸縮，也是絲杠1在電機2的驅動下，使得被帶動的梁完成左右移動，末尾的機爪（機械手抓）與伸縮橫梁的末端進行固聯(lián)，由電機1驅動爪型的收放，這樣通過控制各個驅動的電機分別控制其動作，然后各個機構聯(lián)動起來就可以完成相關的目標動作78。2

25、.3機械結構方案優(yōu)選2.3.1運動控制方案設計對于升降立柱上下移動以及伸縮橫梁左右移動的伸縮設計分析：方案一：采用氣動技術，建立氣壓伸縮桿，利用氣壓的強弱推動機械桿件的來回伸縮，并且由于最大抓取工件質量不過10kg，因此氣壓技術完全可以實現(xiàn)其所要求的技術指標。優(yōu)點：氣動技術具有節(jié)能、輸出力量大、沒有污染、效率高、成本低、安全性強、可靠性高、結構簡單等優(yōu)點9。缺點：定位精度低，對工作環(huán)境要求較高（清潔度要求高），裝配精度有要求。方案二：采用液壓技術，運用液壓缸的液壓驅動力。來回往復的動作，還可以隨時控制液壓閥進行位置控制，而且液壓力比較穩(wěn)定，可承受較大的載荷，在技術上可以完成工作要求，并且液壓伸

26、縮切換快，效果好，在工業(yè)領域發(fā)展十分的成熟，有著深厚的技術案例支撐10。優(yōu)點：液壓驅動輸出力很大，技術要求較低，并且安裝尺寸比較小，可以小裝置承受大載荷。缺點：定位精度一般，保養(yǎng)需求復雜，并且結構比較復雜，一旦缸體泄露容易造成油污染，價格較為昂貴，方案三：采用電機驅動，設計相應的機械結構，采用電機進行驅動，控制其長度的伸縮11。優(yōu)點：電機驅動伸縮結構簡單，并且精度高，易于控制，能夠快速敏捷的執(zhí)行相應的動作要求，機構的聯(lián)動性好，對工作環(huán)境敏感度不高、有很強的環(huán)境適應性（可以在高溫、粉塵、振動等等環(huán)境），并且其價格低廉，易于維修。缺點：機械組裝的結構尺寸稍有點受限，無法在狹小的空間布置。將三種方案

27、的優(yōu)點，缺點進行比較，繪制如下表2.1進行分析對比：表2.1 驅動方式對比表總體來說，由于本次課題的設計對象針對的是定子套，將定子套感應加熱系統(tǒng)中的工件及時取出來，然后再放入新的工件，如此的循環(huán)。說明此次機械手所處的環(huán)境于高溫加熱附近，在方案二中的液壓有油污染的可能性，可能發(fā)生明火危險，并且液壓系統(tǒng)造價過貴不利于大批量生產應用，經(jīng)濟效益有所欠缺，故這種方式不進行考慮；在方案一中的氣壓，由于其定位精度不高，構造稍微復雜，跟方案三相對比而言，雖然方案三的輸出力中等但是此次設計工件最大質量不過10kg，只要滿足要求即可，并且方案三的定位精度高，這對于機械手的工作是極大的優(yōu)勢，而且構造相對簡單，價格也

28、一般，故綜合設計的種種因素考慮，理應選取方案三合適12。2.3.2驅動方案設計從機械結構的總體動作要求和設計的基本圖樣來看，該機械手需要絲杠的旋轉驅動，以及機身旋轉，還要有電動的伸縮梁的驅動以及最后抓手爪盤的收縮，這樣共計4個驅動單元來進行各自機構的驅動，使得機械機構可以按照技術動作要求進行上移、下移、左移、右移、旋轉以及伸縮抓取的動作。普通交流電動機驅動，交/直流伺服電動機驅動、步進電動機驅動都屬于電力驅動。從控制方面來看，普通交/直流電動機驅動控制性能比較差，而伺服電機和步進電機控制性能相對較好，可以對實時速度和物理位置進行精確的控制。步進電機成本低、控制結構簡單、不需反饋就可以對速度和位

29、置進行準確的控制，還不會積累位置誤差。但不具有過載能力，啟動頻率會受到一定的限制，需要配備專門的電源，當功率偏大、體積較大時，其空間分辨率就會比較低，因此步進電機它只適于傳動功率不大的、小型的機器人。交流伺服電機采用三環(huán)全數(shù)字化控制，三環(huán)包括位置、速度、電流三大環(huán)節(jié)，它不僅的結構較簡單，運行可靠，而且價格便宜。過去由于調速成本太高，限制了交流伺服電機在高性能調速要求方面的使用。但隨著現(xiàn)在科學技術的發(fā)展，隨著可關斷晶閘管GTO、大功率晶閘管GTR和場效應管MOSFFT等電子元器件的出現(xiàn)，以及變頻調速技術和計算機控制技術的發(fā)展，交流伺服電機的調速性能也漸漸地可以與直流電機媲美。其次，交流伺服電機的

30、過載能力很強，三倍過載輸出扭矩足以可以克服慣性負載在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，有效的提高了電機的響應速度，并在功率較大的場合上大有取代直流電機的趨勢。綜合比較，由于交流伺服電機在精度、可靠性、過載能力上比較強，并還有寬闊的變速范圍。因此，用交流伺服電機作為本次設計的驅動核心。2.3.3機械爪爪型結構方案設計方案一：根據(jù)三抓卡盤的工作原理，改造爪型，加長夾取深度，從而可以完成對任何工件的夾取，并且穩(wěn)定不易脫落；方案二：以雙環(huán)面型夾口夾取定子套，夾取時夾具與工件接觸面積你較大，因此受力夾具不用施加太大的力，可以預防紅熱狀態(tài)的定子套因夾具的夾取力度而變形13；方案三：以各個夾指120度分布，形成

31、三爪，采用桿件機構對爪子進行收緊放松控制，從而達到對工件的穩(wěn)定抓取14。綜上分析：方案二的雙環(huán)面夾具過于厚重不利于機構的運轉，畢竟夾取的工件最大直徑可達300mm，所以這樣的機械爪對機體無論是平衡，還是靈活度，或者是美觀程度上來說都是不可取的，方案三的桿件機構的夾取方法雖然看似但是由于在夾取的過程中機體會帶動工件做空間上的位置轉移，這就對夾具的牢固性提出了一定行的要求，所以，方案一略勝一籌，既不會如方案二那樣笨重，又可以達到夾取的穩(wěn)定性，故綜合考慮，選區(qū)方案一為最佳方案。2.2.4控制系統(tǒng)設計分析（1）控制器件優(yōu)選在如今流行的控制元器件中以單片機和可編程邏輯控制器PLC應用最為廣泛，這兩款控制

32、系統(tǒng)的控制原理都是基于微處理器技術。兩者都能夠實現(xiàn)對儀器設備的智能化控制，其中單片機的優(yōu)點是價格相對便宜、支持高級語言，高效率編程，移植性很好，但缺點就是抗干擾能力差；而可編程邏輯控制器PLC的功能比較強大、可靠性非常好、有著豐富的擴展模塊和強大的聯(lián)網(wǎng)能力，可以做大型復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)，因此由于機械手本來就是工作于大型工廠，以使得工廠自動化水平更高為未來的無人工廠概念打下基礎，實現(xiàn)強大的物聯(lián)網(wǎng)技術，所以綜上各種因素的考慮此次設計以選用PLC控制核心。當熱作為核心控制的PLC，在工業(yè)體系中也發(fā)展了很多年，并且在市面上有著紛繁多樣的制造商公司，各有其不一樣的優(yōu)勢在市場上占據(jù)一席之地，比如松下，西門

33、子，三菱，歐姆龍，臺達，施耐德，信捷等，都是頂尖的企業(yè)，皆有其系列產品可以作為設計的控制核心，因此可供挑選的多不勝數(shù)，但是在此次設計中根據(jù)選型要求，和技術掌握以西門子的產品作為選擇方向，根據(jù)利來的設計經(jīng)驗前人總結，綜合考慮以S7-200型PLC控制系統(tǒng)作為控制核心，進行本次設計任務的主要選型，S7-200型PLC控制系統(tǒng)在精確度以及處理速度上皆符合本次涉及的任務需要，因此PLC的S7-200型將作為控制器件15。（2）PLC控制系統(tǒng)框圖 在人機交互的過程中，操作人員將機械手抓取工件的主要參數(shù)輸入進PLC中，然后開啟機械手，再由傳感器獲取位置信息，發(fā)送給PLC控制器，通過控制器的分析驅動電機配套

34、的變頻器（驅動器），使得機械手產生預期的動作。控制系統(tǒng)框圖如圖2.2所示：圖2.2 控制系統(tǒng)框圖（3）控制系統(tǒng)分析當機械手開始工作時，系統(tǒng)就開始執(zhí)行程序，機體進行進行初始化，讓機械手的結構狀態(tài)回到原先設定的機械狀態(tài)，并從通訊口獲取加熱系統(tǒng)的信息，如果加熱系統(tǒng)工作了，那么機械手進行下一步操作，反之如果沒有那么機械手就一直等待，直到檢測到加熱系統(tǒng)工作的信息，然后，通過超聲波傳感器獲取待加熱零件的位置信息，如果沒有新零件，就一直等待檢測，當檢測到新零件的時候，獲取位置信息，就開始進行抓取，抓取到工件之后就，放入加熱系統(tǒng)中，然后不斷循環(huán)，放置新的工件，當加熱系統(tǒng)加熱完畢一個零件時，機械手控制系統(tǒng)收到信

35、息，然后在，從加熱系統(tǒng)中取出零件，放到下一步工序的等待位，如此不斷循環(huán)。如圖2.3所示控制系統(tǒng)加熱流程圖圖2.3 控制系統(tǒng)加熱流程圖3 工件裝卸機械手PLC控制方案設計3.1可編程邏輯控制器（PLC）概述3.1.1可編程邏輯控制器的定義可編程邏輯控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，它采用了可編程的存儲器，用來在其內部存儲和執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外設，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。并且PLC專為工業(yè)而設計，這是PLC區(qū)別于一般微型控制器的重要特征。由于P

36、LC的可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、使用方便、功能完善、安裝簡單、維護方便、在工業(yè)領域應用十分廣泛。3.1.2可編程邏輯控制器的應用領域PLC的應用領域就其被發(fā)明之際起就在不斷的擴張，在國內外早已廣泛的應用于冶金、化工、機械制造、電力、輕工等行業(yè)。隨著制造技術的進步，不但PLC的性能不斷在完善，而且元器件的價格也大幅度下降，因此PLC的成本也相應的縮減。根據(jù)PLC在市場中的應用范圍，可分為九種：開關邏輯控制、模擬量控制、順序（步進）控制、運動控制、定時控制、計數(shù)控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)16。3.1.3可編程邏輯控制器的組成 可編程邏輯控制器雖然種類繁多，但是其基本組成和工作原理

37、基本相同?？删幊踢壿嬁刂破鞯慕Y構圖如圖3.1所示以及外形圖以S7-200為例如圖3.2所示：圖3.1 可編程邏輯控制器結構圖圖3.2可編程邏輯控制器外形圖可編程邏輯控制器的各個組成部分如下：（1）中央處理器（CPU）中央處理器主要把運算器、控制器、以及寄存器集成到芯片的內部，再通過三大總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線）實現(xiàn)與輸入/輸出接口以及和存儲器的連接17。不同品牌的PLC具有不同的CPU芯片。有的使用通用的CPU芯片，有的使用自己設計的專用芯片。CPU的芯片性能直接影響著PLC處理控制信號的能力和速度，CPU位數(shù)越高，處理的信息量越大，運算速度也越快。（2）存儲器可編程邏輯控制器PLC

38、的存儲器主要有四種，分別被稱為只讀存儲器、隨機存取存儲器、可電擦除的只讀存儲器和可編程的只讀存儲器，但是他們的存儲器結構基本都由用戶存儲器與系統(tǒng)存儲器組成。（3）輸入/輸出模塊輸入模塊和輸出模塊兩者皆是由接口電路和映像寄存器兩部分組成。輸入模塊主要用于處理數(shù)字量、模擬量等的輸入信號,然后還對其進行轉換、隔離、過濾等處理，并將信號平穩(wěn)地傳輸至可編程控制器的內部；而輸出模塊主要用于將控制器中程序的運算結果傳輸至可編程控制器的外部,除此之外，該模塊還可以隔離可編程控制器外部元件對內部電路干擾，以及放大功率的作用。（4）電源可編程控制器PLC的外部電源是220V的交流電源,而內部元件則使用5V、12V

39、、24V的直流電源。（5）接口模塊使用接口模把可編程控制器的基本元件與其功能模塊連接起來，以實現(xiàn)對不同系統(tǒng)的控制，從而使可編程邏輯控制器的配置方式更加靈活。（6）通信接口利用通信接口可編程控制器能夠實現(xiàn)與計算機，打印機或者其他可編程控制器等之間的連接,從而實現(xiàn)人機之間信息的交互。（7）編程器 編程器供用戶用于程序的編輯、調試、監(jiān)視等操作，通常分為智能型和簡易型兩類，但是前者可以實現(xiàn)聯(lián)機的程序編制額同時還可以支持脫機操作，并且它還具備圖形顯示和對話的功能。（8）其他部分 一部分可編程控制器還有存儲器,寫入器等的外部設備17。3.1.4可編程邏輯控制器的工作原理作為一種工業(yè)控制的小型計算機,可編程

40、控制器的工作過程如圖3.3所示。PLC是按周期性循環(huán)掃描的工作方式進行的，同時這個也是作為衡量一個PLC性能的優(yōu)劣的指標。它的工作過程就稱為可編程控制器的掃描周期，并且不斷的重復。其工作過程分為輸入處理、執(zhí)行程序和輸出處理三個階段16。（1）輸入采樣階段在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器會對所有的輸入端口進行掃描，并將各信號狀態(tài)存進相應的映像寄存器。這樣當程序進入執(zhí)行階段的時候，不管外面的I/O端口有任何變化，輸入進映像寄存器的內容都不變。但輸入信號是脈沖信號，信號寬度大于掃描周期的信號能被讀入。（2） 用戶程序執(zhí)行階段處于該階段的時候，PLC按自上而下的順序進行掃描。具體掃描每條程序時又按從左

41、到右的邏輯順序。自上而下的順序對控制的每個觸點進行邏輯運算，然后運算結果刷新隨機存取存儲器和輸入/輸出映像區(qū)的狀態(tài)，隨之對應的功能指令也會跟著變化。（3）輸出刷新階段當程序掃描介紹后，PLC進入輸出刷新階段，輸出映像寄存器中各輸出點的狀態(tài)送往輸出鎖存電路，并通過輸出電路驅動相應的外部負載設備，從而完成PLC的實際輸出。如下圖3.3所示為PLC工作過程： 圖3.3 PLC的工作過程3.1.5關于PLC的選型本文中所使用的可編程控制器是選擇的德國西門子。該家公司在國際上享有盛譽。針對本次的設計任務，我們選擇其旗下生產的小型可編程邏輯控制器S7-200系列型號。它不僅性價比高，而且指令的功能也是紛繁

42、多樣，具有強大的擴展性和琳瑯滿目的功能模塊，這些優(yōu)點僅僅是其強大能力的冰山一角，所以此類產品深受用戶的喜愛，并成為當代各種中小型控制系統(tǒng)的“最佳伴侶”，它有不同的主機和功能各異的擴展模塊供用戶選擇，主機與擴展模塊十分方便的組成不同規(guī)模的控制系統(tǒng)。尤其以S7-200CPU22中的系列產品一枝獨秀，對于系統(tǒng)的集成十分方便。不僅在功能模塊及人機界面隨意搭配，而且還可以簡單快速的組建非常宏大的控制器網(wǎng)絡。除此之外,其功能齊備的編程和控制組態(tài)軟件使該系列的可編程控制器能夠更加簡單快捷的完成系統(tǒng)的設計。并且通信能力極強,基本上可以完成所有的控制任務18。S7-200CPU22系列可編程控制器有許多不同結構

43、的配置元件，但是在本設計中根據(jù)設計所需要的的I/O端口配置數(shù)目要求，故在其系列中選擇S7-200CPU226型號可編程控制器，它具一共有40個接口，分別是24個輸入和16個輸出。它不僅是通信端口數(shù)與以前系列產品相比有所增加使得通信能力更加強大，而且其存儲器容量，存儲計算速度都獲得了大幅度的提高。雖然S7-200CPU226型號的可編程邏輯控制器接口數(shù)不少，但是有時我們?yōu)榱藵M足某些特殊功能控制的需求，或者是需要更多的接口，這就需要我們對中央處理器的輸入輸出點數(shù)進行擴展，擴展的方式其中包括對功能模塊的擴展和對點數(shù)的擴展兩種類型，但他們都要受到中央處理器功能的限制。所以就需要對PLC端口進行擴展，在

44、西門子系類產品的擴展模塊中，根據(jù)所需端口的缺額，選擇EM223擴展模塊，它是輸入/輸出混合系列。對于設計我們選擇EM223 24V DC 數(shù)字量組合8輸入/8繼電器輸出的類別，作為S7-200CPU226的擴展。通過CPU226AC/DC/RLY型可編程控制器加上EM223 24V DC 數(shù)字量組合8輸入/8繼電器輸出擴展接口模塊。使得硬件核心配置完成。CPU226AC/DC/RLY型可編程控制器擁不僅在輸入輸出端口數(shù)有優(yōu)勢，并且還可同時連接七個擴展模塊，能夠擴展到248個輸入輸出，再擁有兩個RS485通訊，讓他具有更加快速的運行速度和更加強大的功能，并且其內部還集成了許多其他的功能19。3.

45、2機械手其他器件概述3.2.1壓力繼電器壓力繼電器在各種需要感受壓力變化的系統(tǒng)中使用非常廣泛，他可以根據(jù)壓力的變化而發(fā)出信號，進而控制電機運轉，和保護作用。在此次設計中，傳感壓力也是至關重要，因為在機械手工作時，在爪子抓取到工件時，系統(tǒng)就必須得知道爪子收縮到什么狀態(tài)的情況下，工件已經(jīng)牢牢的被夾在爪子之中，要不然如果沒有這樣的檢測，有可能爪子只是接觸到工件并沒有夾到，或者夾到了但會在運動的過程中自動掉下來，因此在爪型上面加裝壓力傳感是十分必要的，用于感受爪子對工件夾起來所施加的力，使得爪子的力量既不會太小使得工件脫落，也不會使得爪子夾取的的力度過大，讓紅熱狀態(tài)的工件時會造成工件發(fā)生變形。本次設計

46、采用壓力繼電器作為對機械手壓力的傳感，通過簡單的力的大小推動繼電器開關，在接進PLC輸入端口，這樣就可以通過端口對機械爪的抓取進行控制，并且壓力繼電器的調整也是十分的方便，只需要放松或者是擰緊其調節(jié)螺母就可以改變動作呀李李的大小，來滿足對控制系統(tǒng)的需要。3.2.2限位開關限位開關即開關的一種，通過對位置的限定來對開關量進行開啟或者關閉。在大多伺服傳動系統(tǒng)中應用的十分廣泛。從本設計的機械結構上就可以看出，有兩個直線運動，和一個旋轉運動。在直線運動上每條運動線在兩邊都要有限位開關，所以對于升降立柱來說，它的直線運動就有一個上限位開關和下限位開關，對于機臂伸縮，這根伸縮橫梁來說它的直線運動就有一個左

47、限位開關和右限位開關，但對于擺動電機的擺動來說，因為它是旋轉機臂180°的工作，要先轉到待加熱的工件的方位，然后再旋轉到加熱系統(tǒng)的加熱口的位置上，最后還有就是取出的加熱好的零件要放到下一步工序的位置，所以對于這一個機臂的旋轉，它一共有三個位置量的把控，因此就需要三個限位開關，做到左旋限位，中旋限位，右旋限位。通過限位開關和PLC的輸入端口的連接，我們就可以對它各個自由度方位的動作進行嚴格的控制。3.3工件裝卸機械手控制動作順序通過打開總的開關來開啟機械手的控制系統(tǒng)，首先機械手進行初始化手臂縮短左限位進行控制，升降立柱上升上限位進行控制，機臂左旋轉到位，并且機械爪張開，初始化完成，開始

48、夾取待加熱工件，系統(tǒng)控制升降立柱下降到下限位開關，限位開關對其行程進行控制，伸縮橫梁伸長，橫梁的右限位開關進行控制伸縮，并且爪型收縮進行工件的抓取，抓取完畢后，壓力繼電器左位限制力的大小，停止進一步的施加抓取，伸縮橫梁縮回并且升降立柱上升，再進行機臂旋轉至中位，然后伸縮橫梁伸長，爪型張開將抓取好的工件放置進加熱系統(tǒng)中，然后縮回橫梁，如果加熱系統(tǒng)有可接加熱工件的信號，則機械手進行下一個工件的抓取，即類似于初始化的動作。當加熱系統(tǒng)的工件加熱完畢時，發(fā)出信號，機械手由初始位，機臂縮至最短然后機臂旋轉至中旋位，伸縮橫梁再伸長到加熱系統(tǒng)中。收縮爪型，抓取加熱完成的工件，再縮回機械臂，機臂旋轉至右旋位，并

49、降低立柱，張開手抓放置加熱好的工件，如果沒有加熱完成的工件，也沒有加熱系統(tǒng)有可接加熱工件的信號，機械臂處于初始位待機，等待信號指令。3.4對于PLCI/O的分配如下表所示，表3.1為PLC輸入端口的I/O分配，表3.2為PLC輸出端口的I/O分配20。表3.1 PLC輸入端口I/O分配表3.2 PLC輸出端口I/O分配3.5電氣接線原理圖本設計的控制系統(tǒng)可編程邏輯控制器的外部電氣接線圖如圖3.4所示圖3.4 PLC電氣接線原理圖3.6PLC程序設計與調試3.6.1程序設計對于本次任務的程序設計，本人將幾大機械化動作作為子程序，使用主程序對機械手進行子程序的調用。對子程序劃分為機械手位姿初始化程

50、序（即機械手復位程序），將待加熱工件夾取并放置進加熱系統(tǒng)重的程序（即放進加熱系統(tǒng)程序），把加熱完成的零件，放置到下一工位的程序（即取加熱好的零件的程序）?？偣踩齻€，然后在主程序中調用即可，由于PLC工作方式是對程序的重復掃描，所以也就相當于機械手的不斷自我循環(huán)工作。如圖所示分別為圖3.5主程序流程圖，圖3.6機械手復位程序流程圖，圖3.7工件放進加熱系統(tǒng)程序流程圖，圖3.8取加熱好的零件的程序流程圖，詳細程序見附錄21。圖3.5 主程序流程圖圖3.6機械手復位程序流程圖圖3.7 工件放進加熱系統(tǒng)程序流程圖圖3.8 取加熱好的零件的程序流程圖3.6.2程序調試由于在本次設計中采用PLC控制各個電

51、機以及其他相關器件，所以采用單純的PLC芯片進行仿真。本次仿真主要認為就是采用對選用的PLC以及其擴展模塊的接線端子，進行上電，再在輸出端口觀察，相應的端口是否通電，從而對本次PLC程序的設計進行簡要的模擬。1、開啟程序如圖3.9所示，進行開機，程序進入機械手初始化，即最終要求的動作是升降立柱上升到上限位，擺動機構轉動到左旋位，機臂伸縮橫梁縮短到左限位。當點擊I3.0端口后，M0.1自動選中，如圖3.10所示的端口仿真圖，然后其程序會自動進入機械手初始化復位程序。圖3.9 啟動梯形圖程序圖3.10啟動梯形圖程序仿真圖2、 子程序機械手復位程序，進入程序開始對機械結構進行控制，控制機械手的位姿進

52、行初始化狀態(tài)，即最終要求的動作是升降立柱上升到上限位，擺動機構轉動到左旋位，機臂伸縮橫梁縮短到左限位。當進入機械手初始化復位程序后，四臺電機動作起來，直到每臺電機相應的限位開關將其停止即限位開關端口分別從I2.7-I0.2-I2.3-I0.0進行限位，從仿真系統(tǒng)的模擬PLC端口的變化，觀察工作效用，在I/O端口的人為模擬限位開關的動作，來設定相應接口的信號變化，這樣在電機驅動的端口的模擬燈就會發(fā)生變化，如圖3.11所示，不斷地設定即機械手觸碰到各自的限位開關，模擬PLC的端口不斷的在變化，于是就逐漸停止電機的運轉。圖3.11 子程序機械手復位程序仿真圖4 工件裝卸機械手機械結構設計4.1機械結

53、構動作順序機構首先以處于初始位置，初始位置就是升降立柱處于最高的位置，擺動機臂的機構處于最左邊的左旋位，機臂的伸縮橫梁縮至最短。當接收到信號是，比如：抓取未加熱工件的時候，CPU再發(fā)出指令，伸縮桿縮至最小大長度，這樣爪子恰好處于工件上方，并且升降立柱進行下移，收縮爪型，然后再讓旋轉擺塊動相應角度，使得伸縮桿轉向待加熱工件的方向，再讓機臂的伸縮桿伸長大最大位限，然后機爪張開，讓工件放進加熱系統(tǒng)中，再縮回機臂的伸縮桿，回歸初始位置；當取出加熱好的工件時，從初始位置開始，讓擺塊旋轉至相應角度，然后再伸長機臂的伸縮桿，使得爪子接觸到工件，然后閉合爪子，將工件抓取到位，再回縮機臂的伸縮桿，擺塊擺動伸縮桿

54、進行旋轉，升降立柱下降，爪子張開，放置工件，然后再回歸初始位置；繼續(xù)夾取，如此反復工作2223。4.2驅動電機選型設計計算4.2.1機械爪處電機（電機1）選用根據(jù)設計任務要求，工件最大尺寸為300mm，重量最大為10KG，取系數(shù)g=10m/s2,并且設定爪型面與定子套表面之間的摩察系數(shù)為=1.5，而且爪與工件接觸位置到電機中心的距離為R1=150mm,設爪對工件施加的壓力為FN，由G=mg;得G=100N由摩擦力和重力平衡（二力平衡），得Ff=G；且 （4.1）；得FN=66.7N；則FN在電機軸上產生的力矩為：M=10N*m；表4.1 電機選型參數(shù)根據(jù)表4.1選擇電機1PH8083-1。4.

55、2.2伸縮桿絲杠以及驅動電機（電機2）選型（1）絲杠承載預估電機1（爪用）自重4.2KG，工件最大重量10KG，根據(jù)鋼的密度3可得爪型結構尺寸重量約為12KG；則絲杠總稱重為m=26.2KG;（2）絲杠參數(shù)設計 絲杠等級：C5；推動質量：m=26.2KG；最大行程：SMAX=300mm；最大速度：VMAX=100mm/s=6000mm/min；要求壽命：L1=25000h；導引面滑動摩擦系數(shù)：；驅動電動機轉速：NMAX=3000r/min；定位精度：；反復精度：（3） 絲杠參數(shù)計算由公式 （4.2）；抗彎截面系數(shù)（4.3）；（4.4）；（4.5）考慮到絲杠的絲帽與載重連接，故將重量W1=26.2KG擴大為30KG；根據(jù)經(jīng)驗預設絲杠直徑d=30mm;查表4.2可選調質處理的優(yōu)質碳鋼的=150MPa得帶入數(shù)值可得;符合要求絲杠直徑等于30mm。表4.