基于plc的機械手控制系統的研究與設計(文件)

　

【正文】 開鎖 X42 反轉 /正傳 X43 安裝 /卸載 X50 模式轉化 X51 工位 1選擇按鈕 X52 工位 2選擇按鈕 X53 工位 3選擇按鈕 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 18 程序 設計 本課題的程序設計是根據鋼絲繩生產線中捻股車的生產要求來設計的，他的工作流程圖如圖 所示： 圖 機械手的工作流程圖 X54 工位 4選擇按鈕 X55 工位 5選擇按鈕 X56 工位 6選擇按鈕 N 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 19 圖 機械手的工作流程圖（續） N 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 20 控制原理圖 圖 控制原理圖 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 21 初始化程序 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 22 圖 初始程序化梯形圖 回原點程序 圖 返回原點程 序體形圖 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 23 圖 返回原點程序體形圖 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 24 圖 返回原點程序體形圖（續） 手動程序 圖 手動程序梯形圖 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 25 圖 手動程序梯形圖（續） 自 動程序 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 26 圖 自動程序梯形圖 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 27 圖 自動程序梯形圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 28 圖 自動程序梯形圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 29 圖 自動程序梯形圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 30 圖 自動程序梯形圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 31 圖 自動程序梯形圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 32 圖 自動程序梯形圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 33 圖 自動程序梯形 圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 34 圖 自動程序梯形圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 35 圖 自動程序梯形圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 36 圖 自動程序梯形圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 37 圖 自動程序梯形圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 38 圖 自動程序梯形圖（續） 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 39 圖 自動程序梯形圖（續）南通大學杏林學院畢業設計（論文） 40 第 4 章 結語 在本次課題設計中，鋼絲繩工業生產中的機械手模型控制系統采用 PLC 進行控制，大大提高了該系統的自動化程度，減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線，提高了控制系統的可靠性。如高速脈沖輸出口 Y000 或 Y001 或 Y003；方便指令中初始狀態指令等。 本文中使用步進電機作為動力源，故采用晶體管輸出，直流 D24V 電源，而兩個電磁閥用的是繼電器輸出。晶體管輸出一般用于高速輸出，如伺服、步進等，動作頻率高的輸出。 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 16 2） 負載能力不同 晶體管帶負載的能力小于繼電器帶負載的能力，用晶體管時，有時候要加其他東西來帶動大負載（如繼電器，固態繼電器等）。 圖 3. 1 PLC 控制系統設計步驟流程圖 PLC 的輸出方式 PLC 包括繼電器輸出和 晶體管輸出兩種輸出方式。 6)程序調試。 2)確定輸入、輸出設備。這就要求設計者不僅應該使控制系統簡單、經濟，而且要使控制系統的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標。這就要求設計者在系統設計、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確保控制系統安全可靠。下面根據本設計的特點，對操作面板的設計說明如下： 1）按鈕： 電源：控制電源的開關 停止：切斷三個方向上步進電機的電源 復位：使機械手自動回歸 到零點位置 自動運行：啟動自動運行的程序 手動 /自動：手動運行和自動運行的切換按鈕 X 方向電機：手動運行時 X 方向的電機啟動按鈕 Y 方向電機：手動運行時 Y 方向的電機啟動按鈕 Z 方向電機：手動運行時 Z 方向的電機啟動按鈕 卡抓緊：爪手電磁閥的加緊信號 卡轉松：爪手電磁閥的松開信號 反轉 /正傳 :電機的正反轉轉換按鈕 安裝 /卸載：對工字輪的安裝和卸載信號 2）指示燈 復位零點指示燈：判斷是否在復位零點的指示燈 報警燈：故障 /出錯指示燈 工作顯示燈：顯示機械手是否處于工作狀態 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 14 第三章 軟件設計 PLC 控制系 統的設計及 I/O 口分配 PLC 控制系統設計的基本原則 1. 最大限度地滿足被控對象的控制要求 充分發揮 PLC 的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設計 PLC 控制系統的首要前提，這也是設計中最重要的一條原則。同時在三個方向的另一端添加超程限位開關，使機械手到達極限位置后能鎖定其繼續前行運動， 只能反向運動，以實現因故障或其他原因造成的超程保護功能。 10）撥碼開關直接設定細分數和電流。 4）最大細分 10000 步 /轉，有 16 種細分模式可以選擇。本設計選擇的步進電機驅動器是如圖 所示的MS3H13OM 驅動器。在電機選型過程中，必須首先計算出負載通過機械傳動系統對電機軸的折算扭矩 折T ，下面就幾中常見的機械傳動方式介紹折算扭矩 折T 的計算過程。負載力矩和最大靜力矩 maxM 。 tfa MMMM ??? （ 23） ? ? ????? T nJJM tma （ 24） 式中： aM 電機啟動加速力矩（ mN? ) mJ 、 tJ 電機自身慣量與負載慣量 ( 2scmKg ?? ) n電機所需達到的轉速（ r/min） T電機升速時間（ s） 2102 ????? isWuM f ?? （ 25） 式中： fM 導軌摩擦折算至電機的轉矩（ mN? ) U 摩擦系數 η 傳遞效率 2102 ??? ispM tt ?? （ 26） 式中： tM 切削力折算至電機力矩（ mN? ) tp 最大切削力（ N） 負載起動頻率估算。精度是由電機的固 有特性所決定。一般地說最大靜力矩 maxMj 大的電機，負載力矩大。步進電動機的運行性能決定于電機與驅動電源間的良好配合。甚至更小，精度容易保證，起動和運行頻率較高，但功耗較大，效率較低。缺點是起動頻率和運行頻率較低。永磁式步進電動機由四相繞組組成。 步進電動機分為機電式及磁電式兩種基本類型。 步進電機 的選擇 及其驅動器 設定 步進電動機 (stepping motor)是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執行機構。一般用于機械手的傳動機構，不作為定位機構。現就兩者作以下分析： (1)絲杠螺母機構：位移較準確、降速比大，運平穩、無噪音、易自鎖，但高精度的絲杠制造比較困難，傳動效率低。 其特點：由于夾緊的為鋼性工件，為了提高安全性能，防止損壞工件，我們可以在夾緊部分加上一層橡膠，這樣可以通過增大工件和手指之間的摩擦系數來增加安全性．通過橡膠氣缸 手抓 南通大學杏林學院畢業設計（論文） 6 的彈性變形來緩沖對工件的沖擊，可以減輕乃至消除對工件的損壞。 本設計中手爪 結構 本設計中被夾持的工件是“工”字輪，是有凹槽回轉體，且滿輪的“工”字輪重量比較重，所以在機械機構方面對手爪做如圖 的設計。手指數量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得較多。 PLC 程序設計 （ 1)手動程序 —— 通過控制臺 上的按鈕，手動對機械手進行各個方向的控制和機械手夾的加緊和放松動作。 （ 2）輸出：指示燈、步進電機及其驅動設備、氣動開關、電磁開關。 控制要求 (1）定位精確性 —— 步進電機和步進電機驅動器作為動力驅動設備，采用開環控制，滿足定位要求，用脈沖信號來控制機械手各方向的行程。機械手夾持部位采用氣動控制。可以簡化控制線路，節省成本，進一步提高勞動生產率。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。 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。 3）易學易用，深受歡迎 PLC 作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。可以用于各種規模的工業控制場合。就 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，因此故障率也就大大降低。可編程控制器簡稱 PLC，是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置，是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它的運用標志著制造業向自動化、無人化、智能化的方向邁進。本課題的機械手貼近鋼絲繩工業的生產要求，具有很強的可行性、實用性和經濟性。其以起點作為參考點，通過脈沖計數得到目的點的位置，手動操作機械手從參考點運動到目的點后，保存目的點位的特征參數。 6 月 6 日前 畢業論文定稿 － 準備和進行畢業論文答辯 學系意見 系主任簽名： __ ______年 ___月 ___日 南通大學杏林學院 畢 業 設 計（論文） 杏林學院信息學部自動化系 2021 年 02 月 題 目 ： 基于 PLC 的機械手控制系統的研究與設計