蘇州市職業大學畢業設計（論文）說明書設計（論文）題目PLC控制機械手系電子信息工程系專業班級電子/英語（2）姓名學號指導教師09年05月26日蘇州市職業大學畢業設計（論文）任務書課題PLC機械手控制系統2009年3月5日至2009年5月31日共13周系電子信息工程系專業班級電子/英語（2）姓名系主任教研室主任指導教師09年05月26日一、畢業設計（論文）任務的內容和要求（包括原始數據、技術要求、工作要求）機械手是工業自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。應用PLC控制機械手實現各種規定的工序動作，可以簡化控制線路，節省成本，提高勞動生產率。圖1是機械手搬運物品示意圖。圖1機械手搬物示意圖圖中機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。為使機械手動作準確，在機械手的極限位置安裝了限位開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5，對機械手分別進行抓緊、左轉、右轉、上升、下降動作的限位，并發出動作到位的輸入信號。傳送帶A上裝有光電開關SP，用于檢測傳送帶A上物品是否到位。機械手的起、停由圖中的起動按鈕SB1、停止按鈕SB2控制。傳送帶A、B由電動機拖動。機械手的上、下、左、右、抓緊、放松等動作由液壓驅動，并分別由六個電磁閥來控制。二、圖紙內容及要求1要有完整的流程圖、I/O接線圖、I/O分配表。2經調試正確的梯形圖。三、畢業設計（論文）進度計劃起訖日期工作內容備注2009年1月8日至14日填寫畢業設計選題申報表,闡明選題的意義，設計的目標和主要的技術路線，2009年3月1日學生的課題總體設計情況2009年3月1日至5月15日討論論文目前設計進展情況2009年3月18日至4月1日交開題報告2009年4月1日至4月15日畢業設計中期檢查2009年5月18日至5月31日論文初稿修改和定稿四、其他蘇州市職業大學畢業設計（論文）開題報告系部電子信息工程系專業班級05電子英語（2）班姓名學號題目PLC機械手控制系統題目類型應用結合型一、選題背景及依據（簡述國內外研究現狀、生產需求狀況，說明選題目的、意義，列出主要參考文獻）PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。隨著社會生產不斷進步和人們生活節奏不斷加快，人們對生產效率也不斷提出新要求。由于微電子技術和計算軟、硬件技術的迅猛發展和現代控制理論的不斷完善，使機械手技術快速發展，其中氣動機械手系統由于其介質來源簡便以及不污染環境、組件價格低廉、維修方便和系統安全可靠等特點，已滲透到工業領域的各個部門，在工業發展中占有重要地位。主要參考文獻1余雷聲等編電氣控制與PLC應用北京機械工業出版社，19982常斗南主編可編程控制器原理應用實驗北京機械工業出版社，19983萬東梅主編電路電子電氣應用實訓成都西南交通大學出版社，20044方承遠編工廠電氣控制技術北京機械工業出版社，1992二、主要研究（設計）內容、研究（設計）思想及工作方法或工作流程主要研究內容如何應用PLC控制機械手實現各種規定的工序動作。研究思想聯系生活，理論與實際相結合。工作方法首先，觀PLC機械手的整個工作流程，根據所找到的資料結合實際更進一步的熟悉它的工作情況，再根據PLC知識編寫機械手工作的程序。其次，根據自己所寫的程序進行實際操作，在操作中改進所編寫程序的不完善。根據老師的指導逐步改進，從而達到理論與實際的同意結合。牢記實驗中所犯的錯誤，更深刻的理解手動/自動不同的工作情況。最后，結合實踐結合理論，根據所找到的資料寫出設計論文，認真對待自己的畢業設計，順利完成畢業答辯以及其他相關任務。三、畢業設計（論文）工作進度安排2009年1月8日至14日填寫畢業設計選題申報表,闡明選題的意義，設計的目標和主要的技術路線，2009年3月1日前布置學生的課題總體設計情況2009年3月1日至5月15日，每周三與指導老師會面，討論論文目前設計進展情況，指導老師給予相應指導。2009年3月18日至4月1日交開題報告2009年4月1日至4月15日畢業設計中期檢查，2009年5月18日前畢業設計結題驗收，學習獨立完成設計第一稿，交指導老師審閱。指導老師提出意見后，學生進行修改直至老師認可。指導教師意見指導教師簽字_2009年3月20日系部畢業設計領導小組審核意見系（公章）_2009年3月20日蘇州市職業大學畢業設計中期檢查表2009屆學生姓名系部電子信息工程系指導教師學號有無關于指導的文字記錄課題名稱PLC機械手控制系統有無1指導情況（指導次數、方式；學生執行情況）該生來辦公室與我討論過論文情況，一共指導了6次，該生在做畢業設計時態度誠懇，最后完成了編程。2對設計思想與設計方案的執行情況設計思想合理，流程圖分析明晰，整個設計方案經測試成功。3存在的問題，擬采取解決問題的方案及措施1對捷準軟件最初不太會用，后來經過試編寫幾個簡單程序來調試，對命令集有所了解。2編程過程中對定時器、計數器編程調試不出來，后來加入起輔助功能輸出線圈來解決。指導教師簽字鄔麗娜2009年4月20日系部畢業設計質量監控小組意見組長簽字年月日系主任簽名年月日此表交系部存檔管理蘇州市職業大學畢業論文（實習報告）中期檢查表2009屆學生姓名系部電子信息工程系指導教師學號有無關于指導的文字記錄論文題目PLC機械手控制系統有無論文提綱1可編程控制器的概況2捷準可編程控制器硬件、軟件3水塔控制系統的PLC控制初稿計劃完成時間修改稿計劃完成時間定稿計劃完成時間2009年5月18日2009年5月22日2009年5月25日1指導情況（指導次數、方式；學生執行情況）3月至5月期間基本上每月均與導師見面，詳細討論論文目前進展情況，遇到的問題，學生能廣泛的搜找相關資料，提出合理設計思想。2目前論文撰寫進展情況及存在問題、擬采取解決問題的方案目前論文已搜集到一定資料，學生也已經開始著手學習和使用命令集。指導教師簽字鄔麗娜2009年4月20日系部畢業論文質量監控小組意見組長簽字年月日系主任簽名年月日此表交系部存檔管理蘇州職業大學畢業設計（論文）成績考核表課題系專業班級學生姓名指導教師審閱意見指導教師評審意見評閱人答辯意見答辯小組畢業設計（論文）成績總分評級系主任二零年月日1學生畢業設計（論文）正本存學校。2此件存入學生檔案。3此件須用鋼筆書寫。目錄第一章可編程控制器（PLC）的綜述1、PLC的發展歷程2、PLC的基本結構3、PLC的主要特點和功能4、PLC系統的其它設備、第二章PLC的階梯圖與可程控器指令1、階梯圖設計2、PLC指令集3、可程控器應用第三章PLC在機械手步進控制中的應用1、控制器件選型2、機械手的設計21機械手的動作流程22機械手的精度設計23機械手的驅動系統設計3、PLC選型及其I/O點編號分配31PLC的選型32I/O點編號分配4、編程及程序運行41用步進指令編程42各部分程序的設計43程序運行第一章可編程控制器（PLC）的綜述1、PLC的發展歷程在工業生產過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數據采集。傳統上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統來實現的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱PROGRAMMABLECONTROLLER（PC）。個人計算機（簡稱PC）發展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER（PLC），現在，仍常常將PLC簡稱PC。PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持為3040。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。2、PLC的基本結構從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。1CPU的構成CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令。但工作節奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。2I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。開關量是指只有開和關（或1和0）兩種狀態的信號，模擬量是指連續變化的量。常用的I/O分類如下開關量按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量按信號類型分，有電流型（420MA,020MA）、電壓型（010V,05V,1010V）等，按精度分，有12BIT,14BIT,16BIT等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數確定模塊規格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。3電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。4底板或機架大多數模塊式PLC使用底板或機架，其作用是電氣上，實現各模塊間的聯系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。3、PLC的主要特點和功能PLC的主要特點1可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統具有極高的可靠性也就不奇怪了。2配套齊全，功能完善，適用性強PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。3易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。4系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。5體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100MM，重量小于150G，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。PLC的主要功能1）順序邏輯控制2）運動控制3）定時控制4）計數控制5）步進控制6）數據處理7）模/數和數/模轉換8）通信及聯網4、PLC系統的其它設備1、編程設備編程器是PLC開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統作一些設定、監控PLC及PLC所控制的系統的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。2、人機界面最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態軟件）充當人機界面非常普及。3、輸入輸出設備用于永久性地存儲用戶數據，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。第二章PLC的階梯圖與可程控器指令本論文主要以捷準科技股份有限公司發展出之WINLEADER應用程序中階梯圖設計LADDERDIAGRAMEDITOR程序為應用例。1階梯圖設計我們可以依下列幾個范例說明階梯圖設計之重點1不應該有無作用的回路或線段部分PLC循環中，多余的回路造成如同電路上的短路情形，是不被允許的；若有此情形發生，則產生錯誤訊息如下圖12不應該有開回路或斷線的部分未完成的線段則如同電路上的開路情形，同樣也是不被允許；若有此情形發生，則產生錯誤訊息如下圖23一個環流的最后一個節點不應該沒有輸出型式的節點例如輸出節點或MOV節點等若有違反此原則之情形發生，則產生錯誤訊息如下圖34一個環流的第一個節點不應該是輸出型式的節點例如輸出節點或MOV節點等若有違反此原則之情形發生，則產生錯誤訊息如下圖45輸出線圈不能是串聯的型式圖56輸出線圈可以是并聯的型式圖62PLC指令集在階梯圖程序的函數部分，包括I/O邏輯I/OLOGIC、模擬I/OANALOGI/O、流程控制函數FLOWCONTROLFUNCTION、布爾邏輯函數BOOLEANLOGICFUNCTION、比較函數COMPARISONFUNCTION、算數函數ARITHMETICFUNCTION、定時器函數TIMERFUNCTION、計數器函數COUNTERFUNCTION、數學函數MATHEMATICAL和特殊函數SPECIALFUNCTION，如下所列1、接點函數CONTACTCONTACTELEMENTFUNCTIONTIMING80486CODESIZEBYTE常開節點函數常閉節點函數常開定時函數常閉定時函數此類組件的執行時間和位大小是由它們在階梯圖中之位置所決定。接點函數的ON/OFF狀態可以決定下一個輸入節點或輔助節點函數的作用與否，主要可分為常開/常閉接點函數常開接點函數NORMALOPENCONTACT圖7常開接點函數當常開接點函數為ON時，則它將產生高電位導通，當常開接點是OFF時，則它將產生低電位不導通EX常開接點函數應用例如上圖，當常開接點在輸出之前時，表示電路未導通，為OFF的狀態；若將常開接點轉為ON的狀態時，則產生輸出。反之若上圖為常閉接點時，恰好相反。常閉接點函數NORMALCLOSECONTACT圖8常閉接點函數當常閉接點函數為ON時，則它將產生低電位不導通，當常閉接點是OFF時，則它將產生高電位導通常開定時接點函數NORMALOPENTIMERCONTACT圖9常開定時接點函數當常開定時接點函數到達設定值時，則它將產生高電位導通，當常開定時接點重置RESET時，則它將產生低電位不導通EX常開定時接點函數應用例如上圖，當常開計時接點在輸出之前時，表示電路未導通，為OFF的狀態；若將常開接點BI0002轉為ON的狀態時，則計時函數開始計時，當計時到達設定值10S時，常開計時接點ON，電路導通，產生輸出。反之若上圖為常閉計時接點時，恰好相反。常閉定時接點函數NORMALCLOSETIMERCONTACT圖10常閉定時接點函數當常閉定時接點函數到達設定值時，則它將產生低電位不導通，當常閉定時接點重置RESET時，則它將產生高電位導通2、線圈函數或稱輸出函數COILCOILELEMENTFUNCTIONTIMING80486CODESIZEBYTE常開線圈函數常閉線圈函數此類組件的執行時間和位大小是由它們在階梯圖中之位置所決定。常開保持磁線圈函數MAX20CLOCKMIN13CLOCK3860保常閉持磁線圈函數MAX16CLOCKMIN15CLOCK4062常開線圈函數NORMALOPENCOIL圖11常開線圈函數時序圖當元素A為ON時，則常開線圈函數將是ON高電位，當元素A為OFF時，則常開線圈函數將是OFF低電位EX常開線圈函數應用例如上圖，當常開接點在輸出之前時，常開線圈函數為OFF的狀態；若將常開接點轉為ON的狀態時，則產生輸出，常開線圈函數將是ON高電位。反之若上圖為常閉線圈時，恰好相反。常閉線圈函數NORMALCLOSECOIL圖12常閉線圈函數時序圖當元素A為ON時，則常閉線圈函數將是OFF低電位，當元素A為OFF時，則常閉線圈函數將是ON高電位自保持線圈函數LATCHCOIL圖13自保持線圈函數時序圖當元素A經一次ONOFF的脈波時，自保持線圈函數將繼續保持ON高電位的狀態EX自保持線圈函數應用例如上圖，當常開接點在輸出之前時，自保持線圈函數為OFF的狀態；若常開接點經一次ONOFF的脈波時，自保持線圈函數將如同字面上的定義，持續保持ON高電位的狀態。反之若上圖為常閉保持線圈函數時，恰好相反。常閉保持線圈函數UNLATCHCOIL圖14常閉保磁線圈函數時序圖當元素A經一次OFFON的脈波時，常閉保磁線圈函數將ON高電位變為OFF低電位的狀態。注意如果你沒有持續保磁一個未被保磁的線圈函數，則線圈函數將會被回復為原來的狀態ON高電位或OFF低電位3可程控器應用可程控器初期應用在于代替傳統繼電器配電盤。而隨著半導體科技的進步漸漸的增加控制器的運算功能，除了加、減、乘、除之外主要的改變在于增加網絡連結的功能，由于網絡的功能發展也使得控制器架構由集中式走向分布式的應用。因此PLC的應用范圍也越來越廣，包括汽車、鋼鐵、紡織、化工、食品制造、自動倉儲、監控系統等工業。根據PLC的應用方式不同可以做大致分類1、順序控制可程控之研發主要功能為利用軟件來代替硬件繼電器之順序控制，因此主要PLC應用大多屬此一類。2、過程控制可程控器透過外增模塊，如壓力、溫度、流量等可使做精密的閉回路控制，如PID。3、位置控制可程控器可以透過高速計數器HSC來計算譯碼器回受之脈波，若配合適當之驅動器與位置控制器即可以做精密之位置控制。第三章PLC在機械手步進控制中的應用1、控制器件選型為達到精確控制的目的，根據市場情況，對各種關鍵器件選型如下1步進電機及其驅動器機械手縱軸（Y軸）和橫軸（X軸）選用的是北京四通電機技術有限公司的42BYG250C型兩相混合式步進電機，步距角為09/18，電流15A。M1是橫軸電機，帶動機械手機構伸、縮；M2是縱軸電機，帶動機械手機構上升、下降。所選用的步進電機驅動器是SH20403型，該驅動器采用1040V直流供電，H橋雙極恒相電流驅動，最大3A的8種輸出電流可選，最大64細分的7種細分模式可選，輸入信號光電隔離，標準單脈沖接口，有脫機保持功能，半密閉式機殼可適應更惡劣的工況環境，提供節能的自動半電流方式。驅動器內部的開關電源設計，保證了驅動器可適應較寬的電壓范圍，用戶可根據各自情況在1040VDC之間選擇。一般來說較高的額定電源電壓有利于提高電機的高速力矩，但卻會加大驅動器的損耗和溫升。本驅動器最大輸出電流值為3A/相（峰值），通過驅動器面板上六位撥碼開關的第5、6、7三位可組合出8種狀態，對應8種輸出電流，從09A到3A以配合不同的電機使用。本驅動器可提供整步、改善半步、4細分、8細分、16細分、32細分和64細分7種運行模式，利用驅動器面板上六位撥碼開關的第1、2、3三位可組合出不同的狀態。2伺服電機及其驅動器機械手的旋轉動作采用松下伺服電機A系列小慣量MSMA5AZA1G，其額定輸出50W、100/200V共用，旋轉編碼器規格為增量式（脈沖數2500P/R、分辨率10000P/R、引出線11線）；有油封，無制動器，軸采用鍵槽連接。該電機采用松下公司獨特算法，使速度頻率響應提高2倍，達到500HZ；定位超調整定時間縮短為以往松下伺服電機產品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全閉環控制功能，可彌補機械的剛性不足，從而實現高速定位，也可通過外接高精度的光柵尺，構成全閉環控制，進一步提高系統精度。具有常規自動增益調整和實時自動增益調整兩種自動增益調整方式，還配有RS485、RS232C通信口，使上位控制器可同時控制多達16個軸。伺服電機驅動器為A系列MSDA5A3A1A，適用于小慣量電動機。3直流電機可回旋360的轉盤機構有直流無刷電機帶動，系統選用的是北京和時利公司生產的57BL1010H1無刷直流電機，其調速范圍寬、低速力矩大、運行平穩、低噪音、效率高。無刷直流電機驅動器使用北京和時利公司生產的BL0408驅動器，其采用2448V直流供電，有起停及轉向控制、過流、過壓及堵轉保護，且有故障報警輸出、外部模擬量調速、制動快速停機等特點。4旋轉編碼器在可回旋360的轉盤機構上，安裝有OMRON公司生產的E6A2增量型旋轉編碼器，編碼器將信號傳給PLC，實現轉盤機構的精確定位。5PLC的選型根據系統的設計要求，選用OMRON公司生產的CPM2A小型機。CPM2A在一個小巧的單元內綜合有各種性能，包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、模擬量設定和時鐘功能等。CPM2A的CPU單元又是一個獨立單元，能處理廣泛的機械控制應用問題，所以它是在設備內用作內裝控制單元的理想產品。完整的通信功能保證了與個人計算機、其它OMRONPC和OMRON可編程終端的通信。這些通信能力使四軸聯動簡易機械手能方便的融合到工業控制系統中。6、工藝過程和總體布局殼體是用牌號為HPB591的有色金屬合金，經金屬模壓鑄成型，毛坯精度高。為了滿足設計要求，通常首先以殼體外表面為工藝基準，加工殼體端面和定位止口，然后再以止口、端面及外殼凸臺為定位基準，加工在殼體圓周上呈幅射狀分布的5個徑向階梯孔。徑向孔系的加工需要由12個工步完成，其中孔1和孔2的加工過程為鉆孔攻絲鉆小孔。孔3，孔4和孔5的加工過程為鉆孔攻絲。多工步搬運機械手是加工殼體徑向孔類的專用設備。整機由框架、動力頭、機械手、夾具、排屑機構，液壓驅動和控制系統等七部分組成，整機呈口字型框架結構，框架上面的導軌上吊裝著13個機械手，下面的工作臺面上設有13個輔助定位夾具，其中第3、6、8和10號4個夾具的轉位動作由轉位液壓缸和齒條、齒輪組成的傳動副完成。除零號夾具以外，其余12個夾具后面，分別安裝有12個呈線性排列的動力頭，進行鉆孔和攻絲，動力頭的進給和后退分別由裝在分配軸上的12個凸輪來控制，分配軸的動力由主電機15KW，1440R/MIN通過行星擺線減速器帶動蝸輪和蝸桿機構提供，各動力頭的初始位置可由各自的調整機構來完成。為便于排屑，在動力頭和夾具下面設有由計數器控制的排屑電機，經減速后啟動傳送帶進行排屑，可在不停機的情況下，每加工5個工件自動地清理切屑。2、機械手的設計21機械手的動作流程傳送帶B處于連續運行狀態，故不需要用PLC控制。機械手及傳送帶C順序動作的要求是1按下起動按鈕SB1時機械手系統工作。首先上升電磁閥通電，手臂上升，至上升限位開關動作；2左轉電磁閥通電，手臂左轉，至左轉限位開關動作；3下降電磁閥通電，手臂下降，至下降限位開關動作；4啟動傳送帶A運行，由光電開關SP檢測傳送帶A上有無物品送來，若檢測到物品，則抓緊電磁閥通電，機械手抓緊，至抓緊限位開關動作；5手臂再次上升，至上升限位開關再次動作；6右轉電磁閥通電，手臂右轉，至右轉限位開關動作；7手臂再次下降，至下降限位開關再次動作；8放松電磁閥通電，機械手松開手爪，經延時2秒后，完成一次搬運任務，然后重復循環以上過程。9按下停止按鈕SB2或斷電時，機械手停止在現行工步上，重新起動時，機械手按停止前的動作繼續工作。根據對機械手的順序動作要求，可以畫出時序圖如圖2所示。由時序圖可作出圖3所示的機械手動作流程圖。圖2機械手佛那故作布序圖圖3機械手動作流程圖整機框架的導軌上安裝有一個單桿雙作用液壓缸，缸體固定。與活塞桿連接的滑塊上剛性地吊裝著13個機械手，當活塞桿運動時，可使13個機械手同步完成左右橫移動，機械手的手臂是一個伸縮式復合液壓缸，手臂缸的活塞桿是夾緊缸的缸體，夾緊缸的活塞桿作為傳力機構驅動以銷軸為鉸鏈的內卡鉗式4指抓手，完成工件的抓取和釋放。為了防止手臂在上升和下降運動中，由于受力不均產生的扭轉影響工件的定位精度，在手臂活塞桿上裝有導向螺釘，螺釘與端蓋上的彎板滑槽配合進行軸向導向。夾緊缸的下端蓋的止口端面和外徑分別作為工件加工時的第一和第二基準，13個機械手同時完成工件的自定位，夾緊，一起搬運工件進行工序間轉換，生產率大為提高。22機械手的精度設計機械手的精度設計要求工件定位準確，抓取精度高，重復定位精度和運動穩定性好，并有足夠的抓取能力。由殼體零件的設計要求知道，階梯徑向孔系與殼體端面和定位止口中心線的平行度、垂直度和同軸度均有嚴格的精度要求01MM。設計中我們取動力頭回轉中心線與夾具中心線之間的同軸度為006MM，動力頭回轉中心線與機械手中心線之間的垂直度為003MM，同時還對機械手的定位準確性提出了較高的要求。遵循基準重合原則，加工中以夾緊缸下端蓋上的止口端面和外徑作為第一和第二基準面分別清除工件的三個自由度和兩個自由度，由殼體外端面凸臺在夾具中清除第六個自由度。設計中選取夾具的定位元件為錐體結構，保證工件有較高的對中性，并確保工件在夾緊時能很好地進行自定位工件外面類似球形。工件徑向階梯孔的周向位置精度由轉位夾具予以保證。工件安裝在框架下工作臺面的夾具中，機械手吊裝在框架上面的滑軌上，每個工件都要經過機械手12次搬運才能完成全部工藝過程，所以機械手的抓取精度在設計中十分重要。影響機械手抓取精度的因素很多，例如框架上導軌面對框架下部工作臺面的平行度T1，夾具中定位元件中心線對工作臺面的垂直度T2，機械手的手部中心線對導軌安裝面的垂直度T3，機械手的手部中心線和夾具定位元件略去工件中心線與定位元件中心線之間的同軸度誤差中心線的同軸度即抓手的抓取精度為封閉環T，設計中我們取抓手抓取精度T01MM，則分配給各組成環的公差為T1005/220，T2003/130，T3003/400，同時取夾緊缸下端止口定位端面與止口外徑的垂直度為003MM，取止口定位外徑與工件止口內徑的配合尺寸44A11G8，即孔的尺寸為44A11048032，外徑即相當于軸的尺寸為44G800090048）則可以計算出最大配合間隙為0528MM，最小配合間隙為0329MM，均能滿足抓取精度要求。機械手臂部復合液壓缸中配合精度的設計，全部參照液壓缸的設計要求確定。由于12個機械手固定吊裝在橫移缸活塞桿的滑塊上，各機械手之間的設計精度取003MM，橫移缸采用傳感器和機械擋塊作為定位系統，機械手的運動速度不高30CM/S，所以重復定位精度可達002MM，另外橫移液壓缸端部由于采用緩沖裝置，使機械手運動平穩性也得到了可靠的保證。機械手的抓取能力可參照鉗爪式手部的有關公式，結合機械手的幾何參數進行計算。由于殼體重量較輕2KG，夾緊缸內徑D40MM，所以在液壓驅動系統中有足夠大的夾緊力。23機械手的驅動系統設計機械手的驅動系統采用液壓方式，它具有在同等輸出功率下傳動裝置體積小、重量輕、運動平穩、動態性能好等特點，13個機械手的左右橫移，上升和下降及夾緊和松開等動作及4個自動轉位夾具的回轉運動，分別采用由方向閥和節流閥控制的18個液壓缸驅動，全部執行元件由一個4KW的6級電動機帶動一個流量為24L/MIN的單級葉片泵供油，使驅動系統的造價大幅度降低。在多工步搬運機械手的控制系統中，我們采用了PLC技術，選用霍爾傳感器作為主令檢測信號，使用日本立石公司生產的C40P作為控制器主體。常用PLC梯形圖邏輯設計方法較多，設計中我們采用流程圖法，按照零件加工過程設計出控制系統流程圖。一般控制系統都是由若干個穩定工作狀態組成，每個工作狀態是由于接受了某個切換主令信號而建立的。各個工作狀態用一個輔助繼電器進行區分，輔助繼電器的狀態由切換主令信號來控制，這些切換主令信號分別來自按鈕、傳感器、定時器和計數器。輔助繼電器同時又是執行元件的輸入變量。當控制系統的輸入主令信號和執行元件確定以后，將主令信號與各自工作狀態的約束條件，分別代入相應的輔助繼電器邏輯方程和執行元件的邏輯方程，即可完成自動工作循環的邏輯控制。最后再考慮手動控制系統及自動循環與手動控制之間的互鎖要求，即完成了全部控制系統的邏輯設計。三菱PLC控制系統設計范例機械手示意圖如上圖所示是一臺工件傳送的氣動機械手的動作示意圖，其作用是將工件從點傳遞到點。氣動機械手的升降和左右移行作分別由兩個具有雙線圈的兩位電磁閥驅動氣缸來完成，其中上升與下降對應電磁閥的線圈分別為YV1與YV2，左行、右行對應電磁閥的線圈分別為YV3與YV4。一旦電磁閥線圈通電，就一直保持現有的動作，直到相對的另一線圈通電為止。氣動機械手的夾緊、松開的動作由只有一個線圈的兩位電磁閥驅動的氣缸完成，線圈YV5斷電夾住工件，線圈YV5通電，松開工件，以防止停電時的工件跌落。機械手的工作臂都設有上、下限位和左、右限位的位置開關SQ1、SQ2和SQ3、SQ4，夾持裝置不帶限位開關，它是通過一定的延時來表示其夾持動作的完成。機械手在最上面、最左邊且除松開的電磁線圈YV5通電外其它線圈全部斷電的狀態為機械手的原位。機械手操作面板示意圖機械手具有手動、單步、單周期、連續和回原位五種工作方式，用開關SA進行選擇。手動工作方式時，用各操作按鈕SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB11來點動執行相應的各動作；單步工作方式時，每按一次起動按鈕（SB3），向前執行一步動作；單周期工作方式時，機械手在原位，按下起動按鈕SB3，自動地執行一個工作周期的動作，最后返回原位（如果在動作過程中按下停止按鈕SB4，機械手停在該工序上，再按下起動按鈕SB3，則又從該工序繼續工作，最后停在原位）；連續工作方式時，機械手在原位，按下起動按鈕（SB3），機械手就連續重復進行工作（如果按下停止按鈕SB4，機械手運行到原位后停止）；返回原位工作方式時時，按下“回原位”按鈕SB11，機械手自動回到原位狀態。機械手控制系統PLC的I/O接線圖如上圖所示為PLC的I/O接線圖，選用FX2N48MR的PLC，系統共有18個輸入設備和5個輸出設備分別占用PLC的18個輸入點和5個輸出點，請讀者考慮是否可以用本章第四節介紹的方法來減少占用PLC的I/O點數。為了保證在緊急情況下（包括PLC發生故障時），能可靠地切斷PLC的負載電源，設置了交流接觸器KM。在PLC開始運行時按下“電源”按鈕SB1，使KM線圈得電并自鎖，KM的主觸點接通，給輸出設備提供電源；出現緊急情況時，按下“急停”按鈕SB2，KM觸點斷開電源。機械手系統PLC梯形圖的總體結構如上圖所示為機械手系統的PLC梯形圖程序的總體結構，將程序分為公用程序、自動程序、手動程序和回原位程序四個部分，其中自動程序包括單步、單周期和連續工作的程序，這是因為它們的工作都是按照同樣的順序進行，所以將它們合在一起編程更加簡單。梯形圖中使用跳轉指令使得自動程序、手動程序和回原位程序不會同時執行。假設選擇“手動”方式，則X0為ON、X1為OFF，此時PLC執行完公用程序后，將跳過自動程序到P0處，由于X0常閉觸點為斷開，故執行“手動程序”，執行到P1處，由于X1常閉觸點為閉合，所以又跳過回原位程序到P2處；假設選擇分“回原位”方式，則X0為OFF、X1為ON，跳過自動程序和手動程序執行回原位程序；假設選擇“單步”或“單周期”或“連續”方式，則X0、X1均為OFF，此時執行完自動程序后，跳過手動程序和回原位程序3、PLC選型及其I/O點編號分配31PLC的選型由于機械手系統的輸入/輸出接點少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機對PLC進行監控和管理，故選用日本OMRON（立石）公司生產的多功能小型C20P主機。該機輸入點為12，輸出點為8。內部主要有136個輔助繼電器、16個特殊功能繼電器、160個保持繼電器、8個暫存繼電器、48個定時/計數器、64個16位數據存貯器。32I/O點編號分配根據機械手動作流程圖，可以確定電氣控制系統的I/O點分配，如下表所示。機械手控制I/O分配表根據圖3流程圖和表1的I/O分配表，可以編制出狀態轉移圖如圖4所示。機械手狀態轉移圖4、編程及程序運行41用步進指令編程根據狀態轉移圖，編制的步進梯形圖程序如下圖所示圖中，“全部輸出禁止”部分的作用是在停止時禁止全部輸出，使機械手停止在現行的工步上；重新起動時又能從停止前的工步繼續動作。在狀態由HR010轉移至HR000的條件中，增加了保持繼電器的常閉觸點，其作用是當機械手工作在某一中間工步時，若PLC斷電或停止運行，機械手停止在中間工步上。PLC復電或重新投入運行后，由于保持繼電器HR具有狀態斷電保護的功能，因此在重新起動時，中有某一個是斷開的，使得HR000不能置位，機械手只能從停止前被置位的保持繼電器的后續工步繼續動作。軟件流程圖流程圖是PLC程序設計的基礎。只有設計出流程圖，才可能順利而便捷地編寫出梯形圖并寫出語句表，最終完成程序的設計。所以寫出流程圖非常關鍵也是程序設計首先要做的任務。依據四軸聯動簡易機械手的控制要求，繪制流程圖如圖2所示。42各部分程序的設計（1）公用程序公用程序公用程序如上圖所示，左限位開關X12、上限位開關X10的常開觸點和表示機械手松開的Y4的常開觸點的串聯電路接通時，輔助繼電器M0變為ON，表示機械手在原位。公用程序用于自動程序和手動程序相互切換的處理，當系統處于手動工作方式時，必須將除初始步以外的各步對應的輔助繼電器（M11M18）復位，同時將表示連續工作狀態的M1復位，否則當系統從自動工作方式切換到手動工作方式，然后又返回自動工作方式時，可能會出現同時有兩個活動步的異常情況，引起錯誤的動作當機械手處于原點狀態（M0為ON），在開始執行用戶程序（M8002為ON）、系統處于手動狀態或回原點狀態（X0或X1為ON）時，初始步對應的M1O將被置位，為進入單步、單同期和連續工作方式作好準備。如果此時M0為OFF狀態，M1O將被復位，初始步為不活動步，系統不能在單步、單周期和連續工作方式下工作。（2）手動程序手動程序如上圖所示，手動工作時用X14X21對應的6個按鈕控制機械手的上升、下降、左行、右行、松開和夾緊。為了保證系統的安全運行，在手動程序中設置了一些必要的