畢業設計說明書基于PLC的輪式移動機器人操作手控制系統設計學生姓名：學號：學院：自動控制系系名：自動控制系電氣工程及其自動化專業：電氣工程及其自動化指導教師：年月基于PLC的輪式移動機器人操作手控制系統設計摘要：輪式移動機器人操作手是移動機器人一個重要組成部分，隨著全球經濟的發展、產業重心從制造業向非制造業的轉移，人們對機器人的靈活性、獨立性、智能化提出了更高的要求，并要求機器人能夠在一定范圍內安全運動，自主完成特定的任務，增強機器人對環境的學習和適應能力。機器人技術不僅廣泛應用于農業、工業，而且也在不斷向反恐、社會安全等領域拓展，傳統的基座固定式操作手由于工作空間的局限性已經無法滿足人們生產生活的需求，而移動機械手的出現很好的彌補了傳統機械手的這一缺陷。裝配有機械臂的智能移動機器人能夠順次自主地完成一系列動作：選定目標、跟蹤并趨近目標、機械臂伸展、夾手抓物、運動到指定位置、機械臂復位等。應用智能機器人可以幫助老年人和殘疾人來完成他們日常生活中難以做到的一些操作，解決他們生活上的困難。本設計我首先對移動機器人操作手的背景，現狀，研究意義等進行了了解。其次通過查閱資料確定了系統的控制方案。之后確定了機械手的硬件系統組成，并設計出了系統結構。再次根據系統結構確定了PLC輸入輸出點數，并繪制出了電氣原理圖，之后對PLC程序進行了編寫并進行了調試。最后利用GXDeveloper做出仿真圖，對結果進行了歸納總結。【關鍵詞】輪式移動機器人操作手，可編程序控制器(PLC)，氣動機械手

PLCwheeledmobilerobotcontrolsystemdesignAbstract：Wheeledmobilerobotisanimportantpartofmobilerobot,alongwiththedevelopmentoftheglobaleconomy,theshiftawayfrommanufacturingtononmanufacturingindustry,peopleputforwardhigherdemandontherobotflexibility,independence,intelligent,andrequirestherobotcanmoveinacertainarea,accomplishthespecialthetaskofrobot,reinforcementlearningontheenvironmentandtheabilitytoadapt.Robottechnologyisnotonlywidelyusedinagriculture,industry,butalsoinunceasinglytocounter-terrorism,socialsecurityandotherareasofdevelopment,thetraditionalbasefixedmanipulatorduetolimitationsofspacehasbeenunabletomeetthepeople'sproductionandlivingneeds,whilethemobilemanipulatorappearsverygoodtomakeupforthedefectofthetraditionalmanipulator.Equippedwithintelligentmobilerobotmanipulatorcansequentiallyindependentlycompleteaseriesofactions:theselectedtarget,trackingandcontrol,mechanicalarm,clampsthehandgrasping,movingtothespecifiedlocation,reductionandmechanicalarm.Applicationofintelligentrobotcanhelptheelderlyanddisabledpeopletoaccomplishtheoperationdifficulttodointheirdailylives,tosolvetheirdifficultiesinlife.ThistopiciscontrolledbyMitsubishiElectricCorporationandSiemensPLC,steppermotordrives,steppermotorsandotherdevicescomponents.Thisarticlefirstbrieflyintroducethetopics,includingbackground,currentstatus,significance,etc.;secondlyhardwarecomponentsofthesystem,structureandprinciplesaredescribedandanalyzed;onceagainusedthedeviceofthesystemaredescribedseparately,focusingonthePLCprogramwereprepared;finaldesignoftheprojectonknowledgelearnedandsummarized.Keywords:Wheeledmobilerobot,Programmablecontroller,Pneumaticmanipulator第頁共30頁1緒論1.1輪式移動機器人操作手設計的背景隨著全球經濟的發展、產業重心從制造業向非制造業的轉移，人們對機器人的靈活性、獨立性、智能化提出了更高的要求，并要求機器人能夠在一定范圍內安全運動，自主完成特定的任務，增強機器人對環境的學習和適應能力。機器人技術不僅廣泛應用于農業、工業，而且也在不斷向反恐、社會安全等領域拓展，傳統的基座固定式操作手由于工作空間的局限性已經無法滿足人們生產生活的需求，而移動機械手的出現很好的彌補了傳統機械手的這一缺陷。因此，近年來移動機器人成為機器人研究領域的中心之一。目前，對移動機械手的研究為國內外的研究學者所關注，它所涉及的科學領域包括：移動機械手的運動學分析，路徑規劃、自主定位與導航技術、移動機器手動力學建模、移動機械手的協調控制理論和方法等。目前而言，國內外對移動機械手的運動學研究比較多，對移動機械手的路徑規劃、最優構形，基于運動學的協調控制等問題的研究已經比較深入，并提出了一些比較合理的解決方法。但是在對移動機械手動力學方面的研究則相對要少一些，由于結構相對復雜，分析動力學特征有一定難度，而且移動機械手是一種非線性、強耦合的系統，建立精確、合理的動力學模型還有待進一步的深入研究，也給基于動力學的協調控制帶來了很大的難度，從目前的整體情況來看，移動機械手的動力學模型的建立、基于動力學模型下的解耦機制和協調控制原理還有待揭示。國外在移動機器人方面的研究可以追溯到上世紀中葉，最初只是為了學術研究的需要，通過對室外機器人的體系結構的研究和相關信息的處理，建立移動機器人實驗系統以此來驗證相關的研究結果；進入上世紀90年代，隨著科學技術的不斷進步和工業生產的需要，實現了從對移動機器人理論研究到應用的飛躍，開始應用于工業生產、科學研究等領域，如由美國NASA資助研制的火星探測機器人“索杰那”在1997年成功登上火星。國內對移動機器人領域的研究相對較晚，目前對移動機械手的相關研究還處于理論分析、跟蹤、和試驗階段，并在某些領域取得了一定的成果，例如清華大學自主研制的智能移動機器人THMR-IH，中國科學院（沈陽自動化研究所）投資研發的自動導引車AGV和防爆機器人，以及服務機器入和自動導航車在香港城市大學研制成功。

1.2輪式移動機器人操作手設計的內容本設計用可編程控制器實現一個有單步、單周期、連續、自動回原點、手動，五種工作模式的機械手控制系統。輪式機器人主體有底盤、機械手及電氣控制等三部分組成。電氣控制部分由可編程控制器、電機驅動、各種位置電磁傳感器和一些低壓電器元件組成。可編程控制器作為控制核心，采集輸入端口信號后完成各種邏輯控制和數據的運算，然后通過輸出端口完成電機的運動和各種信號的現實。1.3輪式移動機器人操作手設計的目的和意義移動機器人操作手作為輪式機器人的重要組成部分，也有了長足的發展。關于移動機械手的研究早在60年代就己經開始了，移動機器人操作手就是在一個全方位移動平臺上通過安裝一個或若干個多自由度機械手所構成的聯合體。正由于移動機器人操作手這種構造使得它具有移動和操作兩大基本功能，移動平臺的位置移動幾乎無限制地擴大了機械手的工作空間，并能在這個空間內選擇一個更加適合的姿態來執行任務。移動機械手并非是傳統機器人與機械手的簡單組合，與他們相比具有明顯的優勢，特別是在高柔性和自主性上比較突出。裝配有機械臂的智能移動機器人能夠順次自主地完成一系列動作：選定目標、跟蹤并趨近目標、機械臂伸展、夾手抓物、運動到指定位置、機械臂復位等。應用智能機器人可以幫助老年人和殘疾人來完成他們日常生活中難以做到的一些操作，解決他們生活上的困難。而在工業生產和軍事領域中，機器人小車完成抓取搬運任務，可以避免在惡劣和危險環境中人工作業的危險性。因此，裝配機械臂的智能機器人的研究對機器人在工業、服務業、軍事等領域的開發設計與應用具有重要的實用價值和實際意義。2系統控制方案的確定2.1機械手系統的功能如圖1所示是一臺氣動機械手的動作示意圖，其作用是將工件從A點傳遞到B點。氣動機械手的升降和左右移動分別有兩個具有雙線圈的兩位電磁閥驅動氣缸來完成，其中上升和下降對應電磁閥的線圈分別為YV2和YV1，左行右行對應電磁閥的線圈分別為YV4和YV3。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，線圈得電夾住工件，線圈斷電，松開工件。機械手的工作臂都設有上、下限位和左、右限位的位置開關X2、X1和X4、X3，夾持裝置不帶限位開關，它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通電外其它線圈全部斷電的狀態為機械手的原位。機械手電氣控制系統，除了有多工步特點之外，還要求有連續控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。當旋鈕打向回原點時，系統自動地回到左上角位置待命。當旋鈕打向自動時，系統自動完成各工步操作，且循環動作。當旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現。2.2系統設計的基本步驟1.深入了解和分析的機械手條件和控制要求。2.確定I/O設備。根據機械手控制系統的功能要求，確定系統所需的輸入、輸出設備。3.根據I/O點數選擇合適的PLC類型。4.分配I/O點。分配PLC的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。5.設計機械手系統的梯形圖程序。根據工作要求設計出周密完整的梯形圖程序。6.將程序輸入PLC進行軟件測試，查找錯誤，使系統程序更加完善。機械手系統設計與調試的主要步驟，如圖2所示：圖2機械手系統設計與調試的主要步驟3系統硬件設計3.1可編程控制器(PLC)3.1.1PLC簡介自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代傳統繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發揮著十分重要的作用。作為離散控制的首選產品，PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發展，世界范圍內的PLC年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數的不斷擴大，近年來PLC在工業發達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發展中國家PLC的增長十分迅速。PLC是由繼電器控制技術發展而來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業。它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執行一步該計數器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環運算。PLC每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現出快速的優點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。相同I/O點數的系統，用PLC比用DCS，其成本要低很多。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監控軟件，在設計企業的管理信息系統方面，要容易一些。

近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應用增長十分迅速。3.1.2PLC的基本結構可編程邏輯控制器實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：（1）電源可編程邏輯控制器的電源在整個系統中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去（2）中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。為了進一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，對大型可編程邏輯控制器還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。（3）存儲器與微型計算機一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構成一臺完整的PLC。PLC的軟件分為兩部分:系統軟件和應用軟件。存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。PLC存儲空間的分配：雖然大、中、小型PLC的CPU的最大可尋址存儲空間各不相同，但是根據PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區域：系統程序存儲區，系統RAM存儲區（包括I/O映象區和系統軟設備等）和用戶程序存儲區。（4）輸入輸出接口電路a.現場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現場控制的接口界面的輸入通道。b.現場輸出接口電路由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過輸出接口電路向現場的執行部件輸出相應的控制信號。(5)功能模塊如計數、定位等功能模塊。(6)通信模塊3.1.3PLC的工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態，即運行（RUN）狀態與停止（STOP）狀態。在運行狀態，可編程控制器通過執行反映控制要求的用戶程序來實現控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執行一次，而是反復不斷地重復執行，直至可編程序控制器停機或切換到STOP工作狀態。除了執行用戶程序之外，在每次循環過程中，可如上圖編程序控制器還要完成，內部處理、通信處理等工作，一次循環可分為5個階段。可編程序控制器的這種周而復始的循環工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關系來看，處理過程似乎是同時完成的。在內部處理聯合階段。可編程序控制器檢查CPU模塊內部的硬件是否正常，將監控定時器復位，以及完成一些別的內部工作。在通信服務階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容。當可編程序控制器處于停止（STOP）狀態時，只執行以上的操作。可編程序控制起處于（RUN）狀態時，還要完成另外3個階段的操作。在可編程序控制器的存儲器中，設置了一片區域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。可編程序控制器梯形圖中別的編程元件也有對應的映像存儲區，它們統稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態讀入輸入寄存器。外接的輸入觸點電路接通時，對應的輸入映像寄存器為“1”狀態，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開，對應的輸入映像寄存器為“0”狀態，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點斷開，常閉觸點接通。在程序執行階段，即使外部輸入信號的狀態發生了變化，輸入映像寄存器的狀態也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。可編程序控制器的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序的執行用戶程序，直到用戶程序結束之處。在執行指令時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關編程元件的0/1狀態讀出來，并根據指令的要求執行相應的邏輯運算，運算結果寫入到對應的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器的內容隨著程序的執行而變化。在輸出處理階段，CPU將輸出映像寄存器的0/1狀態傳送到輸出鎖存器。梯型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應的輸出映像寄存器為“1”狀態。信號經輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應的輸出映像寄存器為“0”狀態，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。某一編程元件對應的映像寄存器為“1”狀態時，稱該編程元件為ON，映像寄存器為“0”狀態時，稱該編程元件為OFF。掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態時，執行一次圖2.5.1aPLC的工作原理具體如圖3圖3PLC的工作原理（1）輸入采樣階段:在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數據和狀態它們存入I/O映象區的相應單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入數據和狀態發生變化I/O映象區的相應單元的數據和狀態也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。（2）用戶程序執行階段:在用戶程序執行階段，PLC的CPU總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態。或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。例如：算術運算、數據處理、數據傳達等。（3）輸出刷新階段:在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區內對應的數據和狀態刷新所有的數據鎖存電路，再經輸出電路驅動響應的外設。這時才是PLC真正的輸出。(4)輸入/輸出滯后時間:輸入/輸出滯后時間又稱系統響應時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號發生變化的時刻至它控制的有關外部輸出信號發生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產生的滯后時間三部分組成。輸入模塊的CPU濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點動作是產生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數決定了輸入濾波時間的長短，其典型值為10ms左右。輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關，繼電器型輸出電路的滯后時間一般在10ms左右；雙向可控硅型輸出電路在負載接通時的滯后時間約為1ms，負載由導通到斷開時的最大滯后時間為10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達到兩個多掃描周期。可編程序控制器總的響應延遲時間一般只有幾十ms，對于一般的系統是無關緊要的。要求輸入—輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統，可以選用掃描速度快的可編程序控制器或采取其他措施。3.2機械手機械結構機械手主要有手部、運動部件和控制系統三大部分組成。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裝置。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。機械手的機械夾持器多為雙指手抓式，按其手抓的運動方式可分為平移型和回轉型。回轉型手抓有可分為單支點和雙支點回轉型，按夾持方式可以分為外夾式和內撐式。按驅動方式可以電動、液壓和氣動三種。3.2.1夾持裝置回轉型夾持器結構較簡單，但當所夾持的工件直徑有變動時，將引起工件軸心的偏移。對平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。但其機械機構繁雜，體積大，制造精度要求高。所以當設計機械手夾持器的時候，在滿足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結構比較簡單回轉型夾持器。本文設計的機械手采用的是楔槽杠桿式回轉型夾持器。如右圖所示，裝在桿上端的滾子3和楔塊之間為滾動接觸。當電機帶動連桿前進時，通過楔塊4的斜面和杠桿1，使兩個手爪產生加緊動作和加緊力。當楔塊后移時，靠彈簧的拉力使手指松開。這種末端執行器由于楔塊和滾子之間為滾動接觸，摩擦力小，活動靈活，且機構簡單。3.2.2驅動方式（1）液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是:抓取重量可達幾百公斤以上、傳動平穩、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統，可實現連續軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。（2）氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是:輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣重量條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環境中進行工作，本設計采用此種驅動方式。（3）機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。（4）電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執行機構運動的械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便，此類機械手目前還不多，但有發展前途。3.3傳感器的選擇在本設計中采用的是日本歐姆龍公司的產品：歐姆龍EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式傳感器。采用能抗周圍外來光干擾的變調光式，不易受外來光干擾的影響；電源電壓采用大量程電壓輸出型（DC5-24V）；帶有便于調整的光軸標識；帶有動作確認，容易調整的入光顯示燈；反射式傳感器的時間圖和輸出回路圖如圖13所示。圖4反射式傳感器的時間圖和輸出回路圖它有三根連接線(紅、藍、黑)，紅色接電源的正極、黑色接電源的負極、藍色為輸出信號，當與擋塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。需要注意檢測距離不要離傳感器太近，否則傳感器將不能工作；用接插件方式進行連接，千萬不要焊接端子。該傳感器的電氣技術數據如下:型號EE-SPY402形狀立式檢測方式反射型檢測距離5mm(反射率90﹪15×15mm)應差距離0.2mm(檢測距離3mm,橫方向)光源(發光波長)GaAs～紅外發光二級管(940nm)顯示燈入光時燈亮

(紅)電源電壓DC5～24V±10﹪脈動(p-p)5﹪以下消耗電流平均值15mA以上50mA以下

控制輸出NPN電壓輸出負載電源電壓DC5～24V負載電流80mA以下殘留電壓1.0以下(負載電流80mA時

)殘留電壓0.4以下(負載電流10mA時

)應答頻率100HZ使用環境照度受光面照度白熾燈太陽光：各3，000x以下環境溫度動作時：-10～+55°C保存時-25～+環境濕度動作時：5～85﹪RH保存時-5～95﹪RH(不結露)耐久振動10～55HZ上下振幅1.5mmXYZ各方向2h耐久沖擊500m/s2X、Y、Z各方向三次保護構造IEC規格IP50連接方式接插件式(不可進行軟釬焊)質量約2.6g外殼材質聚碳酸酯(PC)表1傳感器的電氣技術數據3.4行程開關的作用及原理行程開關就是一種由物體的位移來決定電路通斷的開關。行程開關又稱限位開關,可以安裝在相對靜止的物體(如固定架、門框等，簡稱靜物)上或者運動的物體（如行車、門等，簡稱動物）上。當物體接近靜物時，開關的連桿驅動開關的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合。由開關接點開、合狀態的改變去控制電路和機構的動作。行程開關用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現電路的切換。因此，行程開關是一種根據運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關來控制開關轎門的速度、自動開關門的限位及保護。3.4PLC機型的選擇方法在PLC系統設計時，首先應確定控制方案，下一步進行PLC工程設計選型。設計選型的主要依據是工藝流程的應用要求和特點。因此，在進行工程設計選型和估算時，要全面分析工藝流程的特點以及控制要求，明確控制要求和范圍，確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算所需輸入輸出點數、存儲器容量、外部設備特性、確定PLC的功能等，最后選擇性價比較高的PLC和設計相應的控制系統。1．輸入輸出（I/O）點數的估算輸入輸出點數估算時要考慮恰當的余量，一般根據統計的I/O點數，再擴展10%～20%的余量，作為I/O點數的估算數據。實際選擇時，還應當根據不同制造廠商PLC產品的特點，對I/O點數進行圓整。根據估算的方法，故本課題的I/O點數為輸入40點，輸出21點。2．存儲器容量的估算存儲器容量是PLC本身所能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。在設計過程中，因為用戶程序還沒有編制，所以，程序容量在設計過程中是不知道的，需要在程序調試完成才知道。在設計選型時，通常采用存儲器容量的估算來替代程序容量估算。由于沒有固定的公式對存儲器內存容量進行估算，因此在文獻資料中給出了不同公式，基本上都是根據數字量I/O點數的10～15倍與模擬量I/O點數的100倍的和作為內存的總字數（16位為一個字），還應考慮總數25%的余量。因此本課題的PLC內存容量選擇應能存儲5000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。3．控制功能的選擇根據本課題所設計的自動化立體倉庫控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。（1）控制功能PLC適用于順序邏輯控制，因此，通常情況下采用單回路或者多回路控制器來解決模擬量的控制問題，也可采用專門的智能輸入輸出單元來完成所需要的控制功能，以加快PLC的處理速度以及節約存儲器容量。（2）編程功能離線編程方式：編程器和PLC共同使用同一個CPU，編程器在進行編程時，CPU只為編程器提供服務，不能控制現場設備。編程完畢后，編程器轉變為運行狀態，CPU控制現場設備，不能進行編程。離線編程方式能夠降低系統成本，但不方便進行調試和使用。在線編程方式：CPU和編程器不能共用同一個CPU，主機CPU負責控制現場設備，在每一個掃描周期內都要與編程器交換數據，并由編程器把在線編制的程序或數據傳送到主機，在下一掃描周期時，主機按照新接收的程序運行。這種方式具有較高成本，但使用和調試方便，多用于大中型PLC。五種標準化編程語言：三種圖形化語言，分別為梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC）；兩種文本語言，分別為結構文本（ST）、語句表（IL）。（3）診斷功能PLC的診斷功能分為硬件診斷和軟件診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分為內診斷和外診斷。內診斷是通過軟件診斷PLC內部的性能和功能，外診斷是通過軟件診斷PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能。PLC診斷功能的是否強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。4．機型的選擇PLC的型號的選擇，應充分考慮性價比。比較和兼顧考慮經濟性、應用的可操作性、可擴展性、投入產出比等因素，從而選出較合適的產品。輸入輸出點數直接影響價格。當輸入輸出點數增加到某一數值后，對應的存儲器容量就要增加，因此，輸入輸出點數的增加對CPU、控制功能、存儲器容量范圍等的選擇都會產生影響。在估算和選用時應統籌兼顧，使整個控制系統有較合理的性價比。3.5機械手PLC選擇及參數3.5.1機械手PLC選擇三菱FX2N系列可編程控制器主機按輸入輸出點數可分為六檔：16點、24點、32點、64點、80點、128點，還有多種可擴展單元，這樣在增加輸入輸出點數時，可通過擴展模塊實現而不改變機型，減少投入。結合課題要求可以得出本設計中PLC用到的主要輸入點有四個限位開關、六個動作過程和四種工作模式，而輸出則是機械手的五個運動動作和一個原位指示，輸入還有系統的啟動停止。所以本文用到的PLCI/O分配點為18個輸入點5個輸出點。由于機械手的控制屬于開關量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型號的小型PLC均可滿足要求。根據所需的I/O總點數并留有一定的備用量，可選用FX2N-48RM，其輸入和輸出各24點，繼電器輸出型。綜合上述原則機械手控制系統主機為三菱的FX2N-48MR。

3.5.2主要技術數據工作電源：24VDC輸入點數：24輸出點數：24輸入信號類型：直流或開關量輸入電流：24VDC5mA模擬輸入：-10V～10V（-20mA～+20mA）輸出晶體管允許電流0.3A/點（1.2A/COM）輸出電壓規格：30VDC最大負載：9W輸出反應時間：Off→On20μsOn→Off30μs基本指令執行時間：數個μs程序語言：指令+梯形圖+SFC程序容量：3792STEPS基本順序指令：32個（含步進梯形指令）應用指令：100種初始步進點：S0～S9一般步進點：118點，S10～S127輔助繼電器：一般用512+232點（M000～M511+M768～M999）停電保持用256點（M512～M767）特殊用280點（M1000～M1279）定時器：100ms時基64點（T0～T63）數據寄存器：一般用408點（D000～D407）停電保持用192點（D408～D599）特殊用144點（D1000～D1143）指針/中斷：P64點；I4點（P0～P63/I001、I101、I201、I301）串聯通信口：程序寫入/讀出通訊口：RS232主機電源220VAC

4機械手系統控制軟件設計4.1編程語言的介紹基本的編程語言有：梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）和語句表（STL）。LAD和FBD是面向圖形的語言。在LAD中通過串聯或并聯結構中連接各個觸點來創建控制方案，而在FBD中則是通過AND和OR方框互連在一起的。STL是一種面向文本的語言，以列表方式描述控制任務。梯形圖因為其比較直觀并且容易接受因而很受普通編程人員的歡迎。梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖及用梯形圖語言編程的主要特點，概括起來主要有：（1）梯形圖是一種圖形語言，它沿用繼電器的觸點、線圈、串并聯等術語和圖形符號，并增加了一些繼電接觸控制中沒有的符號，因此梯形圖與繼電接觸控制圖的形式及符號有許多相同或相仿的地方。梯形圖最左邊的豎線稱為起始母線也叫左母線，然后按一般以繼電器線圈（線圈可以用圓圈、橢圓形、括號來表示）結束，稱為一邏輯行或叫一“梯級”，一般在最右邊還加上一豎線，這一豎線稱為右母線，也可省去右母線。通常一個梯形圖中有若干邏輯行（梯級），形似梯子，梯形圖由此而得名。梯形圖形象直觀，容易掌握，用的很多，堪稱用戶第一編程語言。（2）梯形圖中的每個繼電器和繼電器接點不是通常物理意義上的繼電器和接點，而是存儲器中的一位。即在梯形圖中均為“軟線圈”、“軟接點”、“軟繼電器”、“軟接線”。（3）梯形圖中沒有真正意義上的物理電流流動，只有假想的“概念電流”（或稱“能流”）從梯形圖的左母線（假想為“火線”）向右母線（假想為“中線”）“流動”，而不能“逆向流動”。（4）梯形圖中的繼電器線圈包括輸出繼電器、輔助繼電器線圈等，其邏輯動作只有線圈接通之后，才能使對應的常開或常閉接點動作。（5）梯形中接點可以多次串聯或并聯，但繼電器線圈只能并聯而不能串聯。（6）PLC是按循環掃描方式沿梯形圖的梯級從上到下、從左到右的先后順序執行程序的，在同一個掃描周期中的結果保留在輸出狀態暫存器中。（7）一般完整的程序結束時要有結束標志END

4.2三菱編程軟件的特點三菱PLC是運用三菱公司的GXDeveloper7.0編程軟件完成的。GXDeveloper7.0軟件的特點如下：1、制作程序。2、對可編程控制器CPU的寫入/讀出。3、監視功能。監視功能包括回路監視，軟元件同時監視，軟元件登陸監視機能。此功能對于自動化立體倉庫的控制系統在查找故障的時候是非常重要的。4、模擬調試功能。把編制好的程序模擬傳入可編程控制器的CPU內，調試此程序是否能夠正常運行。此功能對于在完成自動門程序的時候進行程序的檢查是很重要的。5、PC診斷功能。可以將錯誤狀態或則故障快速診斷出來，以便在短時間內可以恢復作業。4.3系統流程圖控制流程介紹：（1）將選擇開關置于回原位操作方式，通電狀態下，按下回原位按鈕，各機構復位，即機械手在最上面、最左邊且除松開的電磁線圈通電外其它線圈全部斷電。（2）當選擇手動方式時，按下相應按鈕，執行相應動作。（3）當選擇單步方式時，系統不進行自動轉移，需要按起動按鈕執行下一步。（4）當選擇自動方式時，按下起動按鈕，系統自動從原點下降到A點拾取物品，之后上升，右移，下降到B點放下物品，循環工作，知道按下停止按鈕。4.4梯形圖的設計基本規則和技巧為了使編程正確、快速和優化，必須掌握編程的基本規則和技巧。（1）梯形圖按自上而下，從左到右的順序排列，每一列起于左母線，終于右母線（右母線也可省去不畫）。（2）在同一梯形圖中，統一編號的線圈若使用兩次或兩次以上稱為雙線圈輸出，一般情況下一個線圈只能出現一次，因為雙線圈輸出容易引起操作錯誤。（3）PLC內部幾點去的接點可以多次使用，不受限制。（4）在梯形圖中，每行串聯的節點數和每組并聯電路的并聯接點數，理論上沒有限制。但有的PLC可能有限制，要看廠家使用說明說。（5）輸入及電器的線圈是由輸入點上的外部輸出信號控制驅動的，所以梯形圖中輸入繼電器的接點用以表示對應點上的輸入信號。（6）把串聯接點最多的支路編排在上方。（7）把接點最多的并聯電路編排在最左邊。（8）有些指令必須成對使用，缺一不可。（9）定時器、計數器等的設定值和指令程序中的操作數不能超出規定允許的數據范圍。5機械手PLC控制系統設計5.1確定PLC輸入/輸出點數（1）輸入信號位置檢測信號：下限、上限、右限、左限共4個行程開關需要4個輸入端子。“工作方式”選擇開關：有手動、單步、回原位、單周期和連續5種工作方式，需要5個輸如端子。手動操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松6個按鈕，也需要6個輸入端子。自動工作：尚需起動、正常停車、回原位3個按鈕，也需要3個輸入端子。以上共需要18個輸入信號。（2）輸出信號PLC的輸出用于控制機械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松等。機械手從原點開始工作，需要一個原點指示燈，也需要1個輸出點。所以，至少需要6個輸出點。由于機械手屬于開關量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型號的小型PLC均可滿足要求。根據所需的I/O總點數并留有一定的備用量，可選用FX2N-48RM，其輸入和輸出各24點，繼電器輸出型。表2為輸入輸出點數分配表。輸入信號輸入信號名稱代號輸入點名稱代號輸入點下限SQ1X1手動SAX20上限SQ2X2原位SAX21右限SQ3X3單步SAX22左限SQ4X4單循環SAX23上升SB3X5自動SAX24左行SB4X6松開SB5X7輸出信號下降SB6X10名稱代號輸出點右行SB7X11下降YV1Y0夾緊SB8X12上升YV2Y2回原位SB9X25左行YV3Y3起動SB10X26右行YV4Y4停止SB11X27夾緊YV5Y1表2輸入輸出點數分配表

5.2PLC接線圖

5.3指令表公共程序：49STLS1199SETS260LDX00450SETM8043101STLS261ANDX00252LDM8043102LDIX0022ANIY001自動方式：103OUTY0023OUTM804455STLS2104LDX0025LDM800056LDM8041105SETS276ISTX20S20S2757ANDM8044107STLS27手動方式：58ANDX026108LDIX00413STLS059SETS20109OUTY00414LDX01261STLS20110LDX00415SETY00162LDIX001111OUTS216LDX00763OUTY000113RET17RSTY00164LDX001114END18LDX00565SETS2119ANIX00267STLS2120OUTY00268SETY00121LDX01069OUTT0K1022ANIX00172LDT023OUTY00273SETS2224LDX00675STLS2225ANIX00476LDIX00226ANDX00277OUTY00227OUTY00478LDX00228LDX01179SETS2329ANIX00381STLS2330ANDX00281STLS2331OUTY00382LDIX003回原點方式：83OUTY00332STLS184LDX00333LDX2585SETS2434SETS1087STLS2436STLS1088LDIX00137ZRSTY00089OUTY00042LDIX00290LDX00143OUTY00291SETS2544LDX00293STLS2545OUTY00494RSTY00146LDX00495OUTT1K1047SETS1198LDT1

5.4梯形圖

5.5仿真圖5.5.1自動方式仿真圖：圖5.1自動方式仿真圖5.5.2手動方式仿真圖圖5.2手動操作機械手夾緊，放松仿真圖

圖5.3手動操作機械手上升，下降仿真圖圖5.4手動操作機械手左移，右移仿真圖

6結論本次設計是基于PLC控制的輪式機器人操作手，利用PLC的強大的控制功能，實現了利用可編程控制器控制機械手的功能，具有接線簡單、編程直觀、擴展容易等特點。而且，當系統要求的功能增加時，只需要對軟件程序進行簡易更改。論文首先介紹了課題設計的背景、內容、目的和意義。隨著全球經濟的發展、產業重心從制造業向非制造業的轉移，人們對機器人的靈活性、獨立性、智能化提出了更高的要求。其次圍繞系統方案的確定，對輪式機器人操作手進行了簡單的介紹。輪式機器人操作手是機械和電氣控制相結合的產品。主要由載具，機械手和控制系統三部分所組成。然后闡述了本課題設計的機械手實現要求功能的具體步驟。最后講述了PLC的優點和選擇PLC進行控制的原因。本次畢業設計的大體思路是第一，對控制系統的結構進行設計；第二，對PLC（可編程控制器），氣動機械手，傳感器，微動開關進行慎重的選擇；第三，列出了PLC輸入輸出分配表，并繪制了本設計的電氣原理圖；第四，據系統工作過程的要求，繪制出了系統流程圖，進而設計出了滿足機械手各功能的梯形圖。

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