畢業(yè)設(shè)計---機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計 [論 文]</p><p>　　題目： 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計 </p><p>　　系 別： 電氣與電子工程系</p><p>　　專 業(yè)：自動化</p><p><b>　　姓 名：</b></p><p><b

2、>　　學(xué) 號：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p>　　2011年5月24日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p><b>　　任 　務(wù) 　書</b></p>&l

3、t;p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　注：任務(wù)書必須由指導(dǎo)教師和學(xué)生互相交流后，由指導(dǎo)老師下達并交教研室主任審核后發(fā)給學(xué)生，最后同學(xué)生畢業(yè)論文等其它材料一起存檔。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評定</p><p><b>　　答辯小組評定意見</b></p><p>　　一、評語（根據(jù)

4、學(xué)生答辯情況及其論文質(zhì)量綜合評定）。</p><p>　　二、評分（按下表要求評定）</p><p>　　答辯小組成員簽字 </p><p>　　年 月 日 </p><p><b>　　畢業(yè)答辯

5、說明</b></p><p>　　1、答辯前，答辯小組成員應(yīng)詳細審閱每個答辯學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計（論文），為答辯做好準備，并根據(jù)畢業(yè)設(shè)計（論文）質(zhì)量標準給出實際得分。</p><p>　　2、嚴肅認真組織答辯，公平、公正地給出答辯成績。</p><p>　　3、指導(dǎo)教師應(yīng)參加所指導(dǎo)學(xué)生的答辯，但在評定其成績時宜回避。</p><p>　

6、　4、答辯中要有專人作好答辯記錄。</p><p><b>　　指導(dǎo)教師評定意見</b></p><p>　　一、對畢業(yè)設(shè)計（論文）的學(xué)術(shù)評語（應(yīng)具體、準確、實事求是）：</p><p>　　簽字： </p><p>　　年 月 日</p><p&

7、gt;　　二、對畢業(yè)設(shè)計（論文）評分[按下表要求綜合評定]。</p><p><b>　?。?）理工科評分表</b></p><p><b>　?。?）文科評分表</b></p><p>　　指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日</p><p><b

8、>　　摘要</b></p><p>　　機械手是在自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域?？删幊炭刂破鳎≒LC）已在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用。論文以西門子PLC為基礎(chǔ)，介紹PLC在機械手搬運控制中的應(yīng)用，設(shè)計了一套可行的機械手控制系統(tǒng)，并給出了詳細的PLC程序。此機械運用到了步進電機、直流電機驅(qū)動和氣壓傳動，能夠使機械手滿足控制要求。介紹了機械手的動作順序及其應(yīng)

9、用PLC進行控制的設(shè)計方法，建立了相應(yīng)的原理圖，確定了PLC的輸入∕輸出量，建立了PLC控制的硬件接線圖及相應(yīng)的控制流程圖。通過PLC的軟件程序控制各電磁閥，驅(qū)動氣缸動作，給出一定的脈沖驅(qū)動步進電機，從而控制機械手的動作。本課題擬開發(fā)的物料搬運機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵字：機械手， P

10、LC， 驅(qū)動</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The manipulator is a new device developed in the automatic production process. It is widely used in industrial producing and other fields. Pr

11、ogrammable Logic Controller (PLC), has been widely used in industrial producing as well. This paper based on Siemens PLC is introduced, and control of PLC in manipulator handling applications, design a feasible robot con

12、trol system, and gives the detailed PLC program. This machine use to step motor, dc motor drive and pneumatic transmission, can make robots</p><p>　　Keywords: manipulator, PLC, drive</p><p><

13、b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1課題背景1</b></p><p>　　1.2 機械手的定義及分類2</p><p>　　1.3 機械手的應(yīng)用及組成機構(gòu)3</p><p>　　1

14、.4 機械手的發(fā)展趨勢4</p><p>　　2 可編程邏輯控制器（PLC）4</p><p>　　2.1 PLC的特點4</p><p>　　2.2 PLC的選型5</p><p>　　2.3 西門子—S7-200系列PLC的結(jié)構(gòu)功能6</p><p>　　3 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計8</p>&

15、lt;p>　　3.1 機械手的結(jié)構(gòu)概述8</p><p>　　3.1.1 機械手的運動自由度8</p><p>　　3.2 機械手的各部分結(jié)構(gòu)9</p><p>　　3.2.1手部的設(shè)計9</p><p>　　3.2.2 手腕12</p><p>　　3.2.3 臂部13</p><

16、;p>　　3.2.4 機身14</p><p>　　3.3 本設(shè)計的總體要求15</p><p>　　4 機械手的硬件設(shè)計及驅(qū)動16</p><p>　　4.1氣壓傳動16</p><p>　　4.1.1 氣壓傳動簡介16</p><p>　　4.1.2 氣壓傳動的設(shè)計16</p>&l

17、t;p>　　4.2 步進電機的驅(qū)動17</p><p>　　4.2.1步進電機驅(qū)動的原理17</p><p>　　4.2.2 步進電機驅(qū)動的設(shè)計19</p><p>　　4.3直流電機的驅(qū)動21</p><p>　　4.3.1 驅(qū)動芯片的介紹21</p><p>　　4.3.2 驅(qū)動的設(shè)計21<

18、/p><p>　　5 機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計22</p><p>　　5.1 機械手的功能介紹22</p><p>　　5.2 機械手的控制23</p><p>　　5.2.1 S7-200 PLC的CPU選擇23</p><p>　　5.2.2 PLC的I/O分配23</p><p>　　

19、5.2.3 物塊的位置控制及程序流程圖25</p><p>　　5.3 PLC的程序設(shè)計27</p><p>　　5.4 PLC程序設(shè)計的總結(jié)31</p><p><b>　　結(jié)論32</b></p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><

20、;b>　　附錄A34</b></p><p><b>　　致謝47</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化技術(shù)越來越高，生產(chǎn)工況也有趨

21、于惡劣的態(tài)勢，這對一線工人的操作技能也提出了更高的要求，同時操作工人的工作安全也受到了相應(yīng)的威脅。工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡單化，對于一些往復(fù)的工作由機械手遠程控制或自動完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。</p><p>　　機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)

22、生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。</p><p>　　機械手發(fā)展較快，應(yīng)用較多。目前主要應(yīng)用于機床、模鍛壓力機的上下料以及焊接、噴漆等作業(yè)，它可以按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界的變化。如果機械手發(fā)生某些偏離時，會引起零部件甚至機械本身的損壞，但若有了傳感反饋自動，機械手就可以根據(jù)反饋自行調(diào)整

23、。應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。</p><p>　　機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。近些年，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機械手中越來越多的應(yīng)用，機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要

24、因素。</p><p>　　PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息；PLC采用光電隔離和濾波技術(shù)技術(shù)有效抑制外部干擾源對PLC的影響，此外PLC還可在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；具有編程簡單，易于掌握；設(shè)計安裝容易，維護工作量少；功能強、通用性好；開發(fā)周期短，功耗小等優(yōu)點。本課題對

25、現(xiàn)代工業(yè)的的發(fā)展具有很重要的意義?？删幊绦蚩刂破鱌LC控制的物料搬運機械手控制系統(tǒng)動作簡便、線路設(shè)計合理、具有較強的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運行的可靠性，降低了維修率，提高了工作效率。</p><p>　　工業(yè)機械手是近幾十年發(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</p><p>　　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

26、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。</p><p>　　綜上所述，有效地應(yīng)用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。</p><p>　　1.2 機械手的定義及分類</p><p>　　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

27、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。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

28、振動干擾，而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題。</p><p>　　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。</p><p>　　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；其三，它能操作必要

29、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。</p><p>　　機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手，它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各

30、項規(guī)定工作。它的特點是除具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號操作機械手來進行探測月球、火星等。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用于解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專

31、用的。本項目要求設(shè)計的機械手模型可歸為第一類，即通用機械手。</p><p>　　1.3 機械手的應(yīng)用及組成機構(gòu)</p><p>　　目前工業(yè)機械手主要用于流水線傳送、焊接、裝配、機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面都能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。</p><p>　　在國內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機械手，逐步擴大應(yīng)用范圍，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)

32、用專用機械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機械手，專用條件還要研制示教機械手、組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及用于不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機械手，即便于設(shè)計制造，又便于改換工作，擴大了應(yīng)用的范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機械手的作用。</p><p>　　機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)

33、、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。</p><p>　　執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉(zhuǎn)動、開閉手指。機械手手部的構(gòu)造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多?？筛鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。本設(shè)計采用二指的構(gòu)造。手臂的作用是引導(dǎo)手指準確地抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正

34、確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位?？傊?，機械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動液壓缸、電液脈沖馬達、伺服液壓馬達、交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電動機等。軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的機架。</p><p>　　驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以電氣、氣動用得最多，占90％以上，液壓、機械驅(qū)動用得較少。液壓驅(qū)動主要是

35、通過液壓缸、閥、油箱等實現(xiàn)傳動。氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。一般采用4～6個大氣壓，個別達到8～10個大氣壓。本設(shè)計的手爪部分采用氣壓驅(qū)動。電氣驅(qū)動時，直線運動可以采用電動機帶動絲杠、螺母機構(gòu)。通用機械手則考慮采用步進電動機、直流或交流的伺服電動機、變速箱等。本設(shè)計采用步進電動機驅(qū)動手臂運動，直流電動機驅(qū)動手腕和機械手的底盤旋轉(zhuǎn)運動。機械驅(qū)動只適用于動作固定的場合。</p><p>　　機械手控

36、制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度和加減速度等。機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點位控制為主，占90％以上。</p><p>　　控制系統(tǒng)可以根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加以儲存，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手工作。對動作復(fù)雜的機械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)。</p><p>　　本設(shè)計的控制系統(tǒng)采用小

37、型可編程控制器實現(xiàn)，具有編程簡單、修改容易、可靠性高等</p><p>　　1.4 機械手的發(fā)展趨勢</p><p>　　機械手自二十世紀六十年代初問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中重要的機電設(shè)備。目前，機械手技術(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機械手、微型機械手和微操作系統(tǒng)（如細小工業(yè)管道機械手移動探測系統(tǒng)、微型飛行器等）、機械手化機器、智能機械手（不僅可以進行事先設(shè)

38、定的動作，還可按照工作狀況相應(yīng)地進行動作，如回避障礙物的移動，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動態(tài)學(xué)習(xí)等）。機械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機械手也將越來越多地裝備部隊。</p><p>　　國外方面：近幾年國外工業(yè)機械手領(lǐng)域有如下幾個發(fā)展趨勢。機械手性能不斷提高，而單機價格不斷下降；機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實技

39、術(shù)在機械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制。</p><p>　　國內(nèi)方面：目前在一些機種方面，如噴涂機械手、弧焊機械手、點焊機械手、搬運機械手、裝配機械手、特種機械手（水下、爬壁、管道、遙控等機械手）基本掌握了機械手操作機的設(shè)計制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置，軟件的設(shè)計和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設(shè)備的全套自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機

40、械手焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術(shù)方面來說，我國已經(jīng)具備了獨立自主發(fā)展中國機械手技術(shù)的基礎(chǔ)。</p><p>　　2 可編程邏輯控制器（PLC）</p><p>　　可編程控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲和執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作命令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型

41、的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其外圍設(shè)備，都易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。</p><p>　　2.1 PLC的特點</p><p>　　可編程控制器是在計算機技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā)起來的，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。它以微處理器為核心，用編寫的程序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來控制機械設(shè)備或

42、生產(chǎn)過程。</p><p>　　高可靠性（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離；（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10～20ms；（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾；（4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。（5）對采用的器件進行嚴格的篩選；（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大；（7）

43、大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。</p><p>　　豐富的I/O接口模塊PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。</p><p>　　編程簡單易學(xué) P

44、LC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。</p><p>　　安裝簡單，維修方便 PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。</p><p>　　

45、2.2 PLC的選型</p><p>　　對于PLC的選擇，我們必須考慮多方面的因素。例如輸入、輸出的最多點數(shù)，掃描速度，內(nèi)存容量，指令條數(shù)，功能模塊等。同時還要考慮其經(jīng)濟實用性以及工作環(huán)境對其的影響。</p><p><b>　　1.常用PLC介紹</b></p><p>　　PLC發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號的也很多，各個廠家生產(chǎn)的也有

46、一定區(qū)別，各個重點發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計需要，考慮如何選擇。</p><p>　　西門子的中國業(yè)務(wù)是其亞太地區(qū)業(yè)務(wù)的主要支柱，活躍在中國的信息與通訊、自動化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個行業(yè)中，其核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工業(yè)解決方案。</p><p>　　歐姆龍S7-200系列PLC 突出的特點：可靠性高、操作簡便；豐富的內(nèi)置集成功能；強勁通訊能力；

47、豐富的擴展模塊；簡單、易用的Micro/WIN編程軟件。</p><p>　　OMRON的可編程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小僅相當(dāng)于一個PC卡(對于10點的機型來說)，從而使安裝體積大幅度減小，同時也進一步節(jié)省了控制柜的空間。它不僅具備了以往小型PLC所具備的功能，而且還可連接可編程序終端，為生產(chǎn)現(xiàn)場創(chuàng)造了新的環(huán)境。編程環(huán)境與CQM1及SYSMAC A等機種相同。由于原有SYSMAC支持軟件

48、及編程器都可繼續(xù)使用，故而系統(tǒng)的擴展及維護都可簡單進行。</p><p>　　三菱FX系列可編程控制器是當(dāng)今國內(nèi)外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在FX中，除基本的指令表編程方式外，還可以采用梯形土編程及對應(yīng)機械動作流程進行順序設(shè)計的SFC順序功能圖編程，而且這些程序可互相轉(zhuǎn)換。在FX系列PLC中設(shè)置了高數(shù)計數(shù)器，對來自特定的輸入繼電器的高頻脈沖進行中斷處理，擴大了PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。其FX2N PLC還可

49、以采用作為擴展設(shè)備的硬件計數(shù)器，可獲取最高50kHz的高速脈沖。</p><p><b>　　2. 確定型號</b></p><p>　　綜上，對于被控對象，采用PLC系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，力求具有較好的性價比，使用和維修方便；選用的PLC主機和配置、控制功能等必須能滿足被控對象的各種控制要求；選用的PLC主機及配置必須是功能較強的新一代PLC機型，一般

50、最好不要選用舊機型（若采用三菱公司的PLC，則選FX系列，不選F1系列）。同時還應(yīng)當(dāng)考慮將來工藝的變化和擴展，在滿足確定的要求外，留有一定的余量；確保整個控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對產(chǎn)品的熟悉程度，以及編程指令的易懂性。</p><p>　　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。</p><p>　　2.3 西門子—S7-200系列PLC的結(jié)

51、構(gòu)功能</p><p>　　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。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。</p><p>　　因為本設(shè)計采

52、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。</p><p>　　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。基本結(jié)構(gòu)如圖所示：</p><p>　　圖2.1 PLC的基本機構(gòu)</p><p><b>　　1 、CPU</b></

53、p><p>　　CPU是PLC的控制中樞。CPU一般由控制電路、運算器和寄存器組成。CPU在系統(tǒng)的監(jiān)控程序的控制下工作，通過掃描方式，將外部輸入信號的狀態(tài)寫入輸入映象寄存區(qū)域，PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀取用戶指令，按指令規(guī)定的任務(wù)進行數(shù)據(jù)的傳送、邏輯運算、算術(shù)運算等，然后將結(jié)果送到輸出映象寄存區(qū)域。</p><p><b>　　2、存儲器</b></p&g

54、t;<p>　　PLC的存儲器由只讀存儲器ROM、隨機存儲器RAM和可電擦寫的存儲器EEPROM三大部分構(gòu)成，主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。</p><p>　　3、基本I/O接口單元</p><p>　　PLC內(nèi)部輸入電路的作用是將PLC外部電路（如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的符合PLC輸入電路要求的電壓信號，通過光電耦合電路送至PLC內(nèi)部電路。PLC外部輸

55、出電路的作用是將輸出映像寄存器的結(jié)果通過輸出接口電路驅(qū)動外部的負載（如接觸器線圈、電磁閥、指示燈等）。</p><p><b>　　4、外設(shè)接口</b></p><p>　　外設(shè)接口電路用于連接編程器或其他圖形編程器、文本顯示器、觸摸屏、變頻器等，并能通過外設(shè)接口組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b>　　5、電源</b

56、></p><p>　　電源單元的作用是把外部電源（220V的交流電源）轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電源。外部連接的電源，通過PLC內(nèi)部配有的一個開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電路需要的工作電源，并為外部輸入元件提供24V直流電源，而驅(qū)動PLC負載的電源由用戶提供。</p><p>　　3 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　3.1 機械手的結(jié)構(gòu)概述

57、</p><p>　　機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。由于應(yīng)用場合的不同，機械手結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，在組成部分的驅(qū)動方式、傳動原理和機械結(jié)構(gòu)也有各種不同的類型。通常根據(jù)機械手各部分的功能，其機械部分主要由下列各部分構(gòu)成：</p><p><b>　　1、手部</b></p><p>　　

58、機械手為了進行作業(yè)，在手腕上配置了操作機構(gòu)，有時也稱為手抓或末端操作器，是來握持工件或工具的部件。本設(shè)計用的是齒輪齒條式夾持器。</p><p><b>　　2、手腕</b></p><p>　　手腕是聯(lián)接手部和手臂的部分，其作用是改變手部的空間方向和將作業(yè)載荷傳遞到手臂。手腕往往有三種運動方式：手腕旋轉(zhuǎn)、手腕彎曲和手腕側(cè)擺，考慮本設(shè)計的要求，設(shè)計用的是一個步進電機控

59、制可±180度旋轉(zhuǎn)的手腕。</p><p><b>　　3、臂部</b></p><p>　　臂部是聯(lián)接機身和手腕的部分，其作用是改變手部的空間位置，滿足機械手的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機座。機械手的臂部主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自轉(zhuǎn)等運動有關(guān)的部件，如傳到機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、導(dǎo)向定位裝置、支承聯(lián)接和位置檢測元件等。臂部可分為：伸縮型臂部結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動伸縮

60、型臂部結(jié)構(gòu)、屈伸型臂部結(jié)構(gòu)、其他專用的機械傳動臂部結(jié)構(gòu)。本設(shè)計共用了三個臂，有伸縮型臂部結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)動型臂部結(jié)構(gòu)。可進行上下移動和前后伸縮移動以及水平旋轉(zhuǎn)運動。</p><p><b>　　4、機身</b></p><p>　　機身是機械手的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。固定式機械手直接聯(lián)接在地面基礎(chǔ)上，移動式機械手則安裝在移動機構(gòu)上。常用的機身結(jié)構(gòu)有：升降回轉(zhuǎn)型機身結(jié)構(gòu)、俯仰型

61、機身結(jié)構(gòu)、直移型機身結(jié)構(gòu)、類人機器人機身結(jié)構(gòu)。本設(shè)計采用的是升降回轉(zhuǎn)型機身結(jié)構(gòu)的機械手。</p><p>　　3.1.1 機械手的運動自由度</p><p>　　物體上任何一點都與坐標軸的正交集合有關(guān)。物體能夠能夠?qū)ψ鴺讼颠M行獨立運動的數(shù)目稱為自由度（DOF degree of freedom）。自由度是指描述物體運動所需的獨立坐標數(shù)，為了抓取空間中任意位置和方位的物體，三維空間需要6個自

62、由度 。物體所能進行的運動有沿著坐標軸的三個平移自由度和繞坐標軸的三個旋轉(zhuǎn)自由度。自由度是機 械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。 </p><p>　　一般固定程序的機械手，動作比較簡單，自由度數(shù)較少。工業(yè)機器人自由度數(shù)較多，動作靈活性和通用性較大。一般說來，機器人靠近機座的3個自由度是用來實現(xiàn)手臂末端的空間位置的，再用幾個自由度來定出末端執(zhí)行器的方位；7個以上的自由

63、度是冗余自由度，是用來躲避障礙物的。</p><p>　　自由度的選擇也與生產(chǎn)要求有關(guān)，若批量大，操作可靠性要求高，運行速度快，周圍設(shè)備構(gòu)成比較復(fù)雜，工件質(zhì)量輕時，機械手的自由度數(shù)可少；如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性，則機械手的自由度要多一些。</p><p>　　計算機械手的自由度時，末端執(zhí)行器的夾持器動作是不計入的，因為這個動作不改變工件的位置和姿態(tài)。在滿足機械手工作要求前提下，為簡化機

64、械手的結(jié)構(gòu)和控制，應(yīng)使自由度數(shù)最少。</p><p>　　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。</p><p>　　3.2 機械手的各部分結(jié)

65、構(gòu)</p><p>　　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。</p><p>　　3.2.1手部的設(shè)計</p><p>　　機械手的手部是重要的執(zhí)行機構(gòu)。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

66、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)。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。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)。</p>

67、<p>　　圖3.1 齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.2.1.1手部夾力及驅(qū)動力的計算</p><p>　　手指在件上的夾力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。</p><p>　　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。</p>&l

68、t;p>　　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：</p><p><b>　　=130N</b></p><p>　　(2)根據(jù)手部機構(gòu)的傳動示意圖圖5所示，其驅(qū)動力為</p><p>　　圖3.2 齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>&

69、lt;b>　?。?）實際驅(qū)動力</b></p><p><b>　　P—驅(qū)動力，N</b></p><p>　　—手部的機械效率，一般取0.85~0.95</p><p>　　—安全系數(shù)，通常為1.2~2.0</p><p>　　—工作狀況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可按下式估計，</p>

70、;<p>　　—被抓取工件運動時的最大加速度，</p><p>　　—運載時工件最大上升速度</p><p>　　—系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.03 ~0.5s</p><p>　　g—重力加速度，g=9.8m∕</p><p>　　G—被抓取工件所受重力（N）</p><p>　　在此中，因為傳

71、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 ，</p><p><b>　　3.2.2 手腕</b></p><p>　　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！</p><p>　　

72、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)。其工作原理為：給正動作線圈通電，則正動作氣路接通(正動作出氣孔有氣)，即使給正動作線圈斷電后正動作氣路仍然是接通的，

73、將會一直維持到給反動作線圈通電為止。 給反動作線圈通電，則反動作氣路接通(反動作出氣孔有氣)，即使給反動作線圈斷電后反動作氣路仍然是接通的，將會一直維持到給正動作線圈通電為止。當(dāng)要下降手部時，PLC給正動作線圈通電，機械手手部下降，當(dāng)要手部提升時，只需給反動作線圈通電即可，每次通電都要維持一段時間（大約2秒鐘）。</p><p>　　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±

74、;180°，這樣大大提高了機械手的活動空間。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。</p><p><b>　　手腕的示意圖如下：</b></p><p>　　圖3 .3 手腕示意圖</p><p><b&g

75、t;　　3.2.3 臂部</b></p><p>　　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。</p><p>　　直流電機選用的型號為5D90-24。驅(qū)動電壓為24V，功率為90W。負載轉(zhuǎn)速為2800轉(zhuǎn)，力矩為3.2Kg·cm。</p&g

76、t;<p>　　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。</p><p>　　滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器中，是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的理想的產(chǎn)品。其實物圖如下：</p><p>　　圖3 .4 滾珠實物圖

77、</p><p>　　滾珠絲桿具有很多優(yōu)點：</p><p>　　1、與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3； </p><p>　　2、高精度的保證； </p><p><b>　　3、運動平穩(wěn)；</b></p><p><b>　　4、同步性好。</b></p>

78、<p><b>　　絲桿的參數(shù)為：</b></p><p>　　其型號為KURODA GG1520AS-BALR系列的。</p><p><b>　　3.2.4 機身</b></p><p>　　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

79、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：</p><p>　　圖3.5 機身示意圖</p><p>　　3.3 本設(shè)計的總體要求</p><p>

80、;　　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稀?lt;/p><p><b>　　其結(jié)構(gòu)圖如下：</b></p><p>　　圖3.6 機械手的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　機械手的工作流程</b></p><p>

81、　　機械手的工作方式有三種：單步運行、單周期運行、連續(xù)運行。</p><p>　　⑴ 單步運行：從初始步開始，按一下啟功按鈕，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步，完成該步的任務(wù)后，自動停止工作并停留在該步。再按一下啟功按鈕，又往前走一步。單步方式常用于系統(tǒng)的調(diào)試。每按一次啟動按鈕，機械手前進一個工步（或工序）即自動停止。</p><p>　?、?單周期運行：每按一次啟動按鈕后，機械手從原點起始步開始，按照工

82、序順序自動完成一個周期的動作后停止，返回有效期停在初始步。若在中途按下停止按鈕，機械手停止運行；再按下啟動按鈕，從斷點處開始繼續(xù)運行，回到原點自動停止。</p><p>　?、?連續(xù)運行：在初始狀態(tài)下，按下啟動按鈕后，機械手從初始步開始，工作一個周期后，又開始進行下一個周期，自動、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。</p><p>　　具體流程為：機械手在載物板上方、手腕靠近立柱為初始態(tài)，當(dāng)在連續(xù)工作

83、方式下按下啟動按鈕，機械手由氣壓驅(qū)動向下伸開小臂，根據(jù)判斷取的是哪個物件，從而決定是否要進行旋轉(zhuǎn)手腕，以及旋轉(zhuǎn)多少角度。之后夾持器抓住物</p><p>　　塊，待兩秒鐘后反旋轉(zhuǎn)，再由氣壓驅(qū)動向上縮回去，步進電機2也是根據(jù)當(dāng)前抓取的是哪個物件而決定旋轉(zhuǎn)多少角度，之后直流電機啟動通過滾珠絲桿向前方伸開大臂，待到一定長度時，下降小臂，釋放物塊。再之后回去再取物塊，當(dāng)四件物塊都取走放在傳送帶上，機械手就完成了一個周期，

84、完成一個周期又回到初始態(tài)。若按下停止鍵，則機械手待完成一個工作周期后停止。</p><p>　　4 機械手的硬件設(shè)計及驅(qū)動</p><p><b>　　4.1氣壓傳動</b></p><p>　　本設(shè)計的夾持器和小臂都是用氣壓驅(qū)動的。</p><p>　　4.1.1 氣壓傳動簡介</p><p>

85、　　氣壓傳動與控制技術(shù)簡稱氣動技術(shù)，是指以壓縮空氣為工作介質(zhì)來進行能量與信號的傳遞，實現(xiàn)生產(chǎn)過程機械化、自動化的一門技術(shù)，它是流體傳動與控制學(xué)科的一個重要組成部分。從廣義上看，氣動技術(shù)范疇，除空氣壓縮機、空氣凈化器、氣動馬達、各類控制閥及輔助裝置以外，還包括真空發(fā)生裝置、真空執(zhí)行元件以及各種氣動工具等。</p><p>　　由于氣動技術(shù)相對于機械傳動、電傳動及液壓傳動而言有許多突出的優(yōu)點，因而近年來發(fā)展十分迅速，

86、現(xiàn)在氣動技術(shù)結(jié)合了液壓、機械、電氣和電子技術(shù)的眾多優(yōu)點，并與它們相互補充，成為現(xiàn)實生產(chǎn)過程自動化的一個重要手段，在機械、冶金、紡織、食品、化工、交通運輸、航空航天、國防建設(shè)等各個部門已得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　4.1.2 氣壓傳動的設(shè)計</p><p>　　機械手的氣動控制回路如圖4.1所示。氣動系統(tǒng)由氣源、氣動、三聯(lián)件OZ、電磁閥、節(jié)流閥和各種氣缸組成。氣源工作壓力：最小6b

87、ar，最大8bar。壓縮空氣經(jīng)氣源三聯(lián)件再次過濾、凈化、調(diào)壓、霧化后經(jīng)手動換向閥后分別進入三只電磁換向閥。</p><p>　　升降氣缸的換向閥采用二位五通雙電控電磁閥，夾緊氣缸的換向閥采用二位五通單電控電磁閥。電磁閥均選用AIRTAC公司型號為4V110－M5的產(chǎn)品，氣缸選用SMC公司的產(chǎn)品。升降氣缸選CDM2B10－30型號，夾緊氣缸選 MHZ2－10D1E 型號。為了使各執(zhí)行元件運動平穩(wěn)，各氣缸2個氣口裝有

88、單向節(jié)流閥，型號選擇為SMC公司的ARJ1020F－M5。升降氣缸位置檢測開關(guān)選用 SMC 公司的D－C73 產(chǎn)品。夾鉗上不用位置檢測開關(guān)。電磁閥的線圈用電均為直流24V。</p><p>　　圖4.1 氣壓驅(qū)動原理圖</p><p>　　4.2 步進電機的驅(qū)動</p><p>　　機械手的小臂轉(zhuǎn)動和機身的旋轉(zhuǎn)都是用步進電機驅(qū)動的。</p><p

89、>　　4.2.1步進電機驅(qū)動的原理</p><p>　　步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載情況下，電機的轉(zhuǎn)速及停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。即給電機加一個脈沖信號，電機就轉(zhuǎn)過一個步距角。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同樣可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和方向，從而達到調(diào)

90、速的目的。</p><p>　　步進電機具有很多的優(yōu)點：</p><p>　　1、步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。</p><p>　　2、如果步進電機的步進角度為7.5 度，一圈360 度， 需要48 個脈沖完成。由此步進電機

91、轉(zhuǎn)向的角度或位移可以精確由頻率控制</p><p>　　3、步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。</p><p>　　4、改變脈沖的順序，可以方便地改變轉(zhuǎn)動的方向。</p><p>　　步進電機不同于其他交流電機，還在于,僅僅接上電源,電機并不轉(zhuǎn)動,還必須接上相應(yīng)的脈沖分配驅(qū)動器,驅(qū)動器的輸出為步進電機各相提供按通電順序的勵磁電流。所以步進電機的工作性能,在很

92、大程度上取決于所使用驅(qū)動電路的具體類型和性能指標。步進電機分為 PM型(永磁式)、VR型(磁阻式或反應(yīng)式)和 HB 型(混合式) 3種類型。相數(shù)有兩相、三相、四相、五相、六相等多種形式,目前常用的是兩相或四相混合式步進電機。</p><p>　　步進電機功率驅(qū)動電路可分為電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動式。電壓驅(qū)動又有單電壓驅(qū)動 (見圖4.2(a) )和雙電壓驅(qū)動(見圖4.2 (b) ) 。單電壓驅(qū)動在步進電機相繞組中串接一定

93、阻值和功率的電阻,用以增加繞組回路的電阻,減小時間常數(shù),為了維持電機相電流的額定值,必然要提高驅(qū)動繞組的電壓,串聯(lián)電阻驅(qū)動的效率低,但因其驅(qū)動方式簡單,成本低,在實際驅(qū)動電路中用得較多;雙電壓驅(qū)動每相繞組導(dǎo)通時,首先施加高電壓VH使步進電機相電流快速上升,當(dāng)電流上升到規(guī)定幅度時,高電壓VH被切斷,切換到低電源電壓VL維持電流,因去除了耗能很大的串聯(lián)電阻,電路驅(qū)動效率大大提高,這種驅(qū)動方式采用高低兩種驅(qū)動電源,但電源切換的控制電路相對復(fù)雜

94、,因而較少采用。恒電流源驅(qū)動是比較理想的驅(qū)動方式,應(yīng)用專用集成電路PWM恒流斬波驅(qū)動,能獲得高性能指標。</p><p>　　圖 4.2 步進電機兩種驅(qū)動方式</p><p>　　4.2.2 步進電機驅(qū)動的設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計用的是PMM8713三相或四相步進電機的脈沖分配器,SI27300A兩相或四相功率驅(qū)動器,用他們組成的四相步進電機功率驅(qū)動電路。&

95、lt;/p><p>　　SI27300是高性能步進電機集成功率放大器,為單極性四相驅(qū)動,采用SIP18 封裝,其結(jié)構(gòu)框圖見圖 3。步進電機使用較高電壓電源 ,可使繞組電流幾乎階躍地上升到預(yù)定值 ,流過檢測電阻的電流去控制斬波控制電路關(guān)斷,繞組電路在續(xù)流回路中續(xù)流并下降,當(dāng)電流下降規(guī)定時間后(達到某一電流值)由脈沖電路產(chǎn)生脈沖至斬波控制電路使斬波開關(guān)管接通,如此反復(fù)控制,由其反復(fù)開關(guān)繞組電流,進行斬波控制,使電流平均值

96、趨向于維持恒定。</p><p>　　圖4.3 SI27300內(nèi)部原理框圖</p><p>　　SI27300的典型技術(shù)指標為：</p><p>　　表 4.1 SI27300的典型技術(shù)指標</p><p>　　輸出電流 I0 與檢測電阻 Rs 的關(guān)系可由下式近似求出：</p><p>　　Ioh (max)≈(0.

97、 233·Vcc2 - 0. 026)/PRs</p><p>　　Ioh (min)≈(0. 214·Vcc2 - 0. 021)/PRs.</p><p>　　PMM8713 是步進電機脈沖分配器,采用DIP16封裝,適用于控制三相或四相步進電機。</p><p>　　脈沖輸入方法有兩種圖4.4(a)為雙脈沖輸入法,CU、CD分別控制步進電機

98、正反轉(zhuǎn)脈沖,圖4.4(b)為單脈沖輸入法,CK脈沖輸入,步進電機正反轉(zhuǎn)方向由CPD的電位高低決定。本設(shè)計考慮為了用PLC方便控制及節(jié)省PLC的內(nèi)部資源，采用的時第二種脈沖輸入方法，即用PLC的晶體管輸出方式分別給出脈沖和轉(zhuǎn)動方向。</p><p>　　圖4.4 PMM8713的兩種脈沖輸入方法</p><p>　　PMM8713可以擇3種勵磁方式 ,每相最小灌入與拉出電流為20mA ,滿足

99、后級功率放大器的輸出要求, 激勵方式控制決定選擇何種勵磁方式(1相勵磁、2相勵磁、1-2相勵磁3種勵磁方式之一)。</p><p>　　設(shè)計的結(jié)構(gòu)原理圖如下，勵磁方式選擇的是1-2勵磁方式。</p><p>　　圖4.5 步進電機驅(qū)動電路圖</p><p>　　步進電機選用的是42BYG009型混合式步進電機,驅(qū)動電壓為直流24V。其參數(shù)為：</p>

100、<p>　　表4.2 42BYG009型混合式步進電機部分參數(shù)</p><p>　　手腕的轉(zhuǎn)動和機身的轉(zhuǎn)動用的驅(qū)動和步進電機都是一樣的。</p><p>　　4.3直流電機的驅(qū)動</p><p>　　機械手的水平方向上的伸縮是用直流電機驅(qū)動的，設(shè)計中采用H橋驅(qū)動，驅(qū)動芯片為L298n。</p><p>　　4.3.1 驅(qū)動芯片的介紹

101、</p><p>　　L298N為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的的雙全橋電機驅(qū)動芯片內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路。可以用來驅(qū)動二相和四相步進電機，也可以用來驅(qū)動直流電機。它內(nèi)含兩個H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯準位信號。可以驅(qū)動46V電壓、2A以下的電機，且可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓。其內(nèi)部電路圖為：</p><p>

102、;　　圖4.6 L298N內(nèi)部原理簡圖</p><p>　　4.3.2 驅(qū)動的設(shè)計</p><p>　　因設(shè)計中只用一個直流電機，所以L298N芯片只用一個全橋。其連接電路為圖為：</p><p>　　圖4.7 直流電機驅(qū)動電路</p><p>　　其中Port0端口作為電機的正向轉(zhuǎn)動控制端口，為高電平1時，直流電機正向轉(zhuǎn)動，機械手的手部通

103、過絲桿向前方移動，觸到行程開關(guān)時則關(guān)閉；Port1端口作為電機的反向轉(zhuǎn)動控制端口，為高電平1時，直流電機反向轉(zhuǎn)動，機械手的手部通過絲桿向后方移動，觸到相應(yīng)的行程開關(guān)時則關(guān)閉。VCC是用來作為器件內(nèi)部控制電路的電源，VDD是用來作為電機的驅(qū)動電源。其使能端直接接高電平，不作為控制端口。直流電機旁的四個二極管作續(xù)流保護電路用的，型號為1N4148，直流電機的型號為5D90-24。</p><p>　　5 機械手的控制

104、系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　5.1 機械手的功能介紹</p><p>　　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。</p><p>　　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

105、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。</p><p>　　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；

106、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。</p><p>　　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

107、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！</p><p>　　5.2 機械手的控制</p><p>　　5.2.1 S7-200 PLC的CPU選擇</p><p>　　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，</p><p&

108、gt;　　考慮PLC的余量，決定選用CPU226的。S7-CPU226的參數(shù)如下：</p><p>　　表 5.1 S7-CPU226的參數(shù)</p><p>　　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。</p><p>　　5.2.2 PLC的I/O分配</p><p>　　根據(jù)控制要求，升降氣缸

109、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：</p><p>　　表 5.2 I/O分配說明圖</p><p>　　其PLC與器件的邏輯連線如下圖所示：</p>&l

110、t;p>　　圖5.1 PLC外圍連接圖</p><p>　　5.2.3 物塊的位置控制及程序流程圖</p><p>　　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：</p><p>　　圖5.2 物塊位置示意圖</p><p>　　根據(jù)設(shè)計的要求，則機械手控制的流程如下，圖

111、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。</p><p>　　表 5.2 輔助繼電器說明</p><p>　　圖5.3 程序順序流程圖</p><p>　　5.3 PLC的程序設(shè)計</p><p>　　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