毕业设计搬运机械手远程监控的实现.doc

搬运机械手远程监控的实现摘要搬运机械手是能模仿人和臂的某些动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个步进电机来实现机械手的上升下降运动；利用PLC程序控制可以实现机械手的控制要求,通过梯形图程序使各动作电磁阀动作，实现机械手的夹紧与放松，配合各极限位置的限位开关，准确而又循环的连续操作。系统以液压传动为驱动方式，避免使用三相异步电动机，具有防过载的优点。机械手、PLC、液压系统组成的整体具有高效、安全、经济、实用等特点。其动作过程包括：上移、下移、左移、右移、夹紧、放松；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续等，来满足生产中的各种操作要求。关键词：搬运机械手；可编程控制器（PLC）；步进电机；电磁阀The Realization of the Handling Robot Remote MonitoringABSTRACTManipulator is to imitate some movements and arm function, with automatic operating device is fixed procedures crawling, handling objects or operating tool. The manipulator used in the industrial production is called industrial manipulator, it can replace human labor in order to realize the mechanization and automation of production. With the development and popularization of industrial automation, control demand increased year by year, carrying manipulator application also gradually popular, mainly in the automotive,electronics, machinery manufacturing, food, medicine and other fields of production lines or cargo transport, can be better to save energy and improve the efficiency of transport equipment or products, in order to reduce other handling the limitation and inadequacy, meet the needs of modern economic development.The mechanical structure of the manipulator is mainly composed of two step motor to realize the rise of manipulator motion; use PLC program control can realize the control of the manipulator, the movement of each action solenoid valve through the ladder diagram program, realize clamping manipulator and relax, limit switch with the limit position, continuous operation accurate and circulation. System with hydraulic drive mode, avoiding the use of three-phase asynchronous motor, has the advantages of preventing overload. Manipulator, PLC, hydraulic system consists of an integrated with high efficiency, safety, economy, practicality. The process includes: up, down, left, right, clamping, relax; including its mode of operation: back in situ manual, single, single cycle, continuous, to meet various operation requirements in the production.Key words: Carrying manipulator； Programmable controller (PLC)； Stepping motor；Solenoid valve目录第一章 机械手概述11.1 工业机械手的组成11.2 搬运机械手的应用简况21.3 机械手的应用意义31.4 机械手的发展概况31.5 机械手的发展趋势41.6 PLC概况及在机械手中的应用5第二章 搬运机械手总体设计方案92.1 搬运机械手总体结构设计92.2 搬运机械手结构及其动作的设计92.3 机械手的控制过程的设计102.4 机械手的控制要求的设计11第三章 搬运机械手硬件系统设计123.1 电气控制的设计12 3.1.1 步进电机的设计12 3.1.2 电磁阀的设计133.2 操作面板的设计133.3 PLC部分15第四章 搬运机械手的软件系统设计164.1 系统工作方式164.2 梯形图的总体设计164.3 各部分梯形图的设计17第五章 组态系统调试与监控27 5.1 组态的概念275.2 组态及其特点275.3 组态软件选择285.4 监控系统的编写29 5.4.1 工程的建立29 5.4.2 变量的定义31 5.4.3 脚本程序的编写32 5.4.4 动画连接与调试33结 论35参考文献36附录A37附录B37附录C39致谢45第一章机械手概述1.1 工业机械手的组成工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹、和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。在工业生产中应用的工业机械手简称为“机械手”。 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成1，各部分之间的相互关系如图1.1所示。控制系统驱动系统 执行机构 工件 位置检测装置图 1.1 机构相互关系图Fig. 1.1 Relationship between organization chart1.执行机构执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。（1).手部（或称抓取机构）是与物体接触的部件，主要是抓取和放置物件的作用。（2).手腕 是连接手部和手臂的部件，可以调整和改变工件方位。（3).手臂 是支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。（4).立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分。手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。（5).机座 是机械手的基础部分。执行机构的各个部件和驱动系统均安装于机座上，起支承和连接的作用。有时为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。2.驱动系统机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的动力装置，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。3.控制系统控制系统是机械手动作的指挥系统，用来控制动作的顺序（程序）、位置和时间、速度和加速度等。4.位置检测装置位置检测装置控制执行机构的运动位置，可随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.2 搬运机械手的应用简况在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：1.热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。2.冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。3.拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。1.3 机械手的应用意义在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：1.可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2.可以改善劳动条件 避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.4 机械手的发展概况专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。5060年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特机械手即属于这种类型。6070年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。1.5 机械手的发展趋势目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.6 PLC概况及在机械手中的应用21.可编程序控制器的应用和发展概况可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC（programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通 信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。2.PLC的系统组成 PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用PLC实时控制，其实质是按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，并应用于工业现场。PLC专业工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、存储器、I/O单元、电源、通信接口、扩展接口、编程设备等组成3。图 1.2 PLC结构框图Fig. 1.2 The PLC structure diagram3.PLC的应用概况PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面4：（1）.用于逻辑控制这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。（2）.用于模拟量控制PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。（3）.用于机械加工中的数字控制现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。（4）.用于工业机器人控制（5）.用于多层分布式控制系统高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。4.PLC的特点5（1).可靠性高、抗干扰能力强PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h，这是一般微机所不能比拟的。（2).控制系统构成简单、通用性强由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。（3).编程简单、使用、维护方便（4).组合方便、功能强、应用范围广PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此，PLC应用范围很广。（5).体积小、重量轻、功耗低PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。5.PLC电气控制器件与指令简介6PLC电气控制系统常用器件的种类有很多，例如：接触器，继电器，开关电器，主令电器等等；PLC应用中的指令也有很多，如：传送指令，移位指令，运算指令，字符串指令，高速脉冲输出指令等等；在本次毕业设计的程序设计中主要用到的器件是行程开关（限位开关），用到最多的指令是传送指令和高速脉冲输出指令，下面对它们进行一些简单的说明。行程开关（又称限位开关），是一种常用的小电流主令电气。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳组成。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。行程开关可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。 图 1.3 行程开关图形Fig. 1.3 The travel switch graphics传送指令：该类指令用来完成各存储单元之间进行一个或者多个数据的传送，可分为单一传送指令和块传送指令。本次毕设中用到的都是单一传送指令。高速脉冲输出指令：是指在可编程序控制器的某些输出端产生高速脉冲，用来驱动负载实现精确控制，这在运动控制中具有广泛应用。使用高速脉冲输出功能时，PLC主机应选用晶体管输出型，以满足高速输出的频率要求。图 1.4 高速脉冲指令图形Fig. 1.4 High-speed pulse instruction pattern 高速脉冲输出有高速脉冲串输出PTO和宽度可调脉冲输出PWM两张方式。PTO可以输出一串脉冲（占空比50），用启可以控制脉冲的周期和个数，如图1.5（a）所示；PWM可以输出一串占空比可调的脉冲，用启可以控制脉冲的周期和脉宽，如图1.5（b）所示。 （a） （b）图 1.5 高速脉冲的输出方式Fig. 1.5 High speed pulse output mode脉冲输出指令 功能描述：检测用程序设置的特殊存储器位，激活有控制位定义的脉冲操作，从Q0.0或Q0.1输出高速脉冲。高速脉冲串输出PTO和宽度可调脉冲输出PWM都由PLS指令激活。 图 1.6 脉冲输出指令图形Fig. 1.6 Pulse output command pattern6.PLC在机械手中的应用7机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强；编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围广；体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动7。第二章 搬运机械手总体设计方案2.1 搬运机械手总体结构设计1.该机械手具有三个自由度，即手臂的伸长缩短和机械手的夹紧与放松。2.采用液压驱动，其具有体积小、质量轻、结构紧凑、传动平稳、操作简单、安全、经济、易于实现过载保护且液压元件能够自行润滑等一系列优点。3.在控制方式选择上，由于其功能只是在两个工作台之间搬移工件，运动简单，控制要求不高，因此，采用点位控制方式。4.此搬运机械手是在两个工作台之间搬运工件，其动作比较简单，故选用限位开关进行定位。5.此机械手应用于自动生产线上，因此，它应该能够按照控制程序自动运行,即具有自动运行模式。6.该搬运机械手也具有手动运行模式，通过手动操作，可以按照要求更改各限位开关的位置 ，从而改变搬运工作的起始位置和终止位置，使其具有一定的灵活性。2.2 搬运机械手结构及其动作的设计设计其结构如图2.1所示图 2.1 机械手的结构示意图Fig. 2.1 Schematic diagram of the structure of manipulator 如图所示，机械手通过下降、夹紧、上移、右移、下降、放松，实现将工件从A点移动到B点，然后上升、左移，回到原点。本机械手用于生产线上较大型工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图2.2所示图 2.2 机械手的动作过程Fig. 2.2 The action of manipulator2.3 机械手的控制过程的设计一般控制系统都是由若干个稳定工作状态组成，每个工作状态是由于接受了某个切换主令信号而建立的。各个工作状态用一个辅助继电器进行区分，辅助继电器的状态由切换主令信号来控制，这些切换主令信号分别来自按钮、限位开关、定时器和计数器。辅助继电器同时又是执行元件的输入变量。当控制系统的输入主令信号和执行元件确定以后，将主令信号与各自工作状态的约束条件，分别代入相应的辅助继电器逻辑方程和执行元件的逻辑方程，即可完成自动工作循环的逻辑控制8。机械手上移、下移、左移、右移的动作通过两台步进电机来完成，即横轴步进电机和纵轴步进电机，分别实现机械手的左右移动和上下移动；机械手的夹紧和放松由电磁阀来实现；从而实现机械手将工件从A点移动到B点。2.4 机械手的控制要求的设计为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：单步、单周期、连续；手动操作包括手动和回原位的操作。手动操作：供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。例如，当选择手动操作时，按下上升/下降按钮，机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以此类推。回原位：当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次通电将操作方式选择置于回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原则返回到原点位置。单步运行：供试用，即每按一次启动按钮机械手向前执行一个动作后停止。单周期运行：供首次检验用，当机械手在原点时按下启动按钮，机械手自动执行一个周期后停止在原点位置连续运行：正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始的执行各工步动作。该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放置自动工作方式下。若自动工作状态解除，则硬件工作方式选择开关放置于“手从操作”位置。第三章 搬运机械手硬件系统设计3.1 电气控制的设计3.1.1 步进电机的设计在数控系统中要求点位准确控制时，通常用步进电机作为驱动电机，步进电机运行需要驱动器，步进电机驱动器的作用是把PLC控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，从而对机械手进行预定的轨迹控制。此系统驱动器电流为1.5A，细分设定为8细分，信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻，输入端为低电平有效9。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。它的主要特性有以下四点：1.步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有，脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。2.三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。3.步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。4.改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。步进电机是一种可以直接将数字脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，具有控制简单、响应速度快、工作可靠、无累积误差等优点。它能够直接接受数字信号，无需中间转换，直接输出的位移量与输入数字脉冲量相对应，能实现直接的数字控制。步进电机以开环方式工作，可省去伺服电机驱动装置中位置检测与反馈部分以及A/D、D/A转换，从而简化了系统机构，使控制成本大大降低。步进电机按结构和工作原理可分为反应式、永磁式以及混合式等几种。由于其要求具有较高的控制性能，又具有定位转矩，所以选择混合型步进电机。PLC与步进电机驱动器连接图如图3.1所示10。图 3.1 PLC与步进电机驱动器连接图Fig. 3.1 PLC and stepper motor drive connection diagram本设计主电路由两台步进电机，即横轴步进电机和纵轴步进电机，实现机械手的上下左右的移动；机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械手松开，得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情况发生。图 3.2 机械手系统硬件结构图11Fig. 3.2 Hardware structure of the manipulator system3.1.2 电磁阀的设计 电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。所以需要一个单电两位四通电磁换向阀即可12。电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动13。 3.2 操作面板的设计 根据工件生产和搬运的特点和控制要求，机械手的控制按钮设有以下几种。 1.急停按钮 在机械手工作过程中，当出现抓取不牢、搬运不稳、下放不到位、冲击过大或运动时超过极限位置以及其它异常现象而不得不停止工作时，按下急停按钮，使所有运动停止，并保持原来状态，直至重新启动系统。可以减少和避免事故，减少因故障引起的损失。2.电源开关在机械手工作前，首先要打开电源开关，给PLC、驱动器、伺服电机及照明设施供电，触摸终端由PLC进行供电，为系统启动做准备。在机械手工作完成后，将电源开关打到“关”的状态，将PLC、驱动器、伺服电机及照明设施与电源切断，保护机械手系统的安全。3.工作模式选择开关 当正常生产时将机械手调到自动模式，机械手会自动运行。当机械手出现故障或者出现报警时可以将机械手调到手动模式，机械手可通过点动调整。4.启动按钮当系统上电且机械手处于自动模式下，按下启动按钮，机械手开始按照指令进行搬运操作。 5.试灯/报警清除按钮当系统安装完成后，未与生产线连接前，要对系统的工作情况进行试验。此时，要按动此按钮对所有指示灯进行检测，保证与生产线连接后的工作安全。系统在工作过程中由于某种原因出现报警，当故障排除后，需按此按钮对报警进行清除，保证系统继续正常工作。6. 上升、下降、前进、后退、夹紧、松开按钮 主要是在调试或排除故障以及其它需要进行单步操作时，对机械手进行手动操作。7.复位按钮当系统安装完成或故障排除后，需要将机械手返回到工作原点时，按动此按钮。3.3 PLC部分 根据流水线搬运机械手的控制要求，考虑到I/O点数通常留有10%-15%的裕量，我们采用了德国西门子PLC S7-200 CPU226（DC/DC/DC）型号，此类型PLC具有极高的可靠性、丰富的指令集、强大的通信功能和品种丰富的扩展模块等等。此外，很高的性能价格比也是此系统采用它的重要原因。本系统采用晶体管输出类型PLC，它的高速脉冲输出（PTO）功能在步进电机控制上非常的方便，它可以直接通过驱动模块来驱动步进电机实现不同的旋转要求，来控制机械手的位移和运动速度14-15。根据控制要求，首先要确定I/O个数，进行I/O分配。系统的I/O说明见表3.3，机械手搬运产品接线图如表3.4所示。表 3.3 输入输出端子分配表16Table 3.3 The input and output terminals distribution table 图 3.4 机械手搬运产品PLC接线图17Fig. 3.4 Manipulator handling products PLC wiring diagram第四章 搬运机械手的软件系统设计4.1 系统工作方式 该机械手的工作方式有四种，分别为找原点、自动、手动和半自动。 复位操作主要用于在工作开始前或故障排除后，要将机械手的各个部位移动至原位，同时也是各部件运动的基准。 自动工作方式是机械手接收生产线指令，通过总控制台的控制进行生产作业。控制面板上工作方式选择开关处于“自动”位时，系统处于联线状态，只接受来自自动生产线上的指令信号。 手动工作方式主要是用于总控制台出现故障、调试或其它需要手动操作。处于“手动”位时，系统处于离线状态，不接受自动生产线上的信号，只接收控制面板上的指令信号。处于手动状态，且各部位处于原位，各电机处于停止状态时，按下控制面板上的上升、下降、前进、后退、夹紧、松开按钮时进行相应动作，再次按下相应按钮则停止动作。此时，除急停信号外，其他输入信号无效。半自动工作方式应用较少，主要用于故障整修时为了与主控制台分离，而还要通过自动来完成试操作的场合，所以半自动方式也是不可缺少的。处于“半自动”位时，不接受自动生产线上的控制信号，只接收两生产线上有无工件的检测信号。处于此方式，且各部位处于原位，各电机处于停止状态时，按下控制面板上的启动按钮，可进入单循环操作，此时，除急停信号和检测信号外，其他输入信号无效，一个工作循环完成后，自动退出单循环状态。机械手动控制属顺序控制，故其手动程序采用普通的PLC控制指令控制，自动程序采用步进梯形指令控制。4.2 梯形图的总体