工件装卸机械手控制系统设计

题目：工件装卸机械手控制系统设计IV工件装卸机械手控制系统设计摘要工业机械手在现今的工业体系中越发的重要，在如今的机械加工制造业中，工业机械手它的主要用途是在装卸物料于机床或者是模锻压力机以及进行焊接、喷涂等工艺。并且随着工业技术的发展，尤其是在中国如此快速发展的情况下，并且提出“中国制造2025计划”，这就要求我国的工业制造技术必须要实现一个突飞猛进的跨越。工业机械手在全自动生产线上不仅仅可以代替人类而且还实时配合生产线的工作要求，让产出无限放大。并且工业机械手自动化程度高、工作灵活多变，可以适应各种各样的工作场合，比如高温、腐蚀及有毒气体空间的环境中。在如此的环境下，机械手不仅等价甚至高于的替代工人们的劳动，而且使得工人免受工作环境的危害。为了不同工业技术工作的要求，促进工业机械手的创新能够像雨后春笋一样蓬勃发展，各式各样的工业机械手的设计就显得尤为重要。本文根据本科阶段所学的机械基础知识，以及电气基础技术进行设计的工件装卸机械手控制系统设计。本设计的机械手采用交流伺服电机进行驱动，使用PLC作为控制核心，通过PLC端口输入的变化，反馈回给PLC，然后在对机体结构进行控制。本文通过对工件装卸机械手的控制要求进行分析，在各类控制期间的选择之下，决定采用西门子公司的可编程逻辑控制器CPU226AC/DC/继电器，是属于S7-200系列中的比较优秀的型号，由于系列号比较先进所以它具有许多强大的功能，因此这也是其被大部分工业生产所用的原因，根据它的功能定义，在端口数上具有24输入/16继电器输出，实现机械手的灵活控制。本文通过常用的机械设计对机械手的机械结构进行了设计，还绘制了与之相适应的电气原理图，并对PLC的I/O端口进行了分配以及编写PLC控制程序，从而实现任务要求，实现对机械手行为动作的严格把控。本文使用的方法不但可以应用于机械手控制系统的设计，对其他任务的设计应用也有一定的向导作用，并且这些工作的意义也是相当的，它对于工业机械手产品在系列化上，也具有一定的发展意义。关键字：工业机械手；控制系统；PLC；电气驱动；结构Design of Control system for workpiece loading and unloading manipulatorAbstractIndustrial manipulators are more and more important in todays industrial system. In the machinery manufacturing industry, manipulators are mainly used for machine tools, materials for forging presses, welding, spraying, and other operations, and with the development of industrial technology. Especially in the case of Chinas rapid development, and put forward the China manufacturing 2025 plan, which requires that our countrys industrial manufacturing technology must achieve a rapid leap forward.In the fully automatic production line, the industrial manipulator can not only replace humans but also cooperate with the work requirements of the production line in real time, allowing the output to be infinitely enlarged.In addition, the industrial manipulator has a high degree of automation and flexibility in its work. It can adapt to various workplaces, such as high temperatures, corrosion, and toxic gas spaces.in such environments,The manipulator is not only equivalent to or even higher than the labor of the workers, but also protects the workers from the work environment.For the requirements of different industrial technology work, the promotion of industrial manipulator innovation can flourish like a spring spring, and the design of various types of industrial manipulator is particularly important.This designs the control system of workpiece handling manipulator according to the basic knowledge of mechanical and electrical basic technology. The manipulator is driven by AC servo motor, PLC is used as the control core, the input change of PLC port is fed back to PLC, and then the structure of the body is controlled.By analyzing the control requirements of workpiece handling manipulator, under the choice of various control periods, this paper decides to adopt Siemens programmable logic controller CPU226AC / DC / relay, which belongs to the excellent model of S7-200 series. Because the series number is more advanced, so it has many powerful functions, so this is why it is used by most industrial production, according to its function definition, It has 24 input / 16 relay output on the port number to realize the flexible control of manipulator. In this paper, the mechanical structure of the manipulator is designed through the commonly used mechanical design. The corresponding electrical schematic diagram is drawn, and the I / O port of PLC is allocated and the PLC control program is written to fulfill the task requirements and strictly control the behavior of manipulator.The method used in this paper not only can be used in the design of manipulator control system, but also has a certain guiding effect on the design and application of other tasks, and these works are of certain significance to the development of serial products of industrial manipulator.Key words: industrial manipulator; control system,;PLC,;electrical drive;structure主 要 符 号 表G，F 力，f 摩擦系数W，m 质量M 力矩S 面积， 许用应力WZ 抗弯截面系数P 导程J 转动惯量D，d 直径L 长度T 转矩 I 输入映像寄存器Q 输出映像寄存器SM 特殊标志位寄存器目录摘要IAbstractII主 要 符 号 表IV1 绪论11.1课题研究背景及其意义11.2工业机械手在国内外发展及现状11.3工业机械手的发展前景及趋势22 工件装卸机械手总体方案设计22.1机械手总体结构的基本要求：22.2机械结构总构图32.3机械结构方案优选32.3.1运动控制方案设计32.3.2驱动方案设计42.3.3机械爪爪型结构方案设计52.2.4控制系统设计分析53 工件装卸机械手PLC控制方案设计83.1可编程逻辑控制器（PLC）概述83.1.1可编程逻辑控制器的定义83.1.2可编程逻辑控制器的应用领域83.1.3可编程逻辑控制器的组成83.1.4可编程逻辑控制器的工作原理103.1.5PLC的选型133.2机械手其他器件概述133.2.1压力继电器133.2.2限位开关143.3工件装卸机械手控制动作顺序143.4PLCI/O的分配143.5电气接线原理图163.6PLC程序设计与调试173.6.1程序设计173.6.2程序调试214 工件装卸机械手机械结构设计244.1机械结构动作顺序244.2驱动电机选型设计计算254.2.1机械爪处电机（电机1）选用254.2.2伸缩杆丝杠以及驱动电机（电机2）选型254.2.3摆块电机（电机3）选型274.2.4升降立柱丝杠以及驱动电机（电机4）选型274.2.5变频器选择选型285 结论295.1设计总结295.2经济性分析29参考文献30致 谢33毕业设计（论文）知识产权声明34毕业设计（论文）独创性声明35附录361 绪论1.1课题研究背景及其意义随着工业技术的不断发展，工业科技实力的不断增强，以及近些年来的关于中国工业高速发展的战略也相应被提出，各种高新技术产业不断涌现，机械自动化应用愈加广泛。在传统的工业流水线中，装卸工作大多都是由人工进行的，显然这样的工作效率已经不能满足工业化发展的需求，并且不仅仅在工业领域，还有其他领域，由于工作的需要，劳动人员处于高温、腐蚀、或者是在有毒气体的生产环境中工作，这样的工作环境不仅增加了工人的劳动强度，而且这些不好的环境可能会工作人员的人身安全产生威胁，这些问题已经受到了人们的热切关注，于是为了减少人们直接在这样的环境中工作，工业机械手应运而生，工业机械手从仿生学原理出发，控制系统中的程序指令命令机械手各个机构的运动，这样就可以让机械手模仿出人类的动作，这样就可以替代人们去参加工作1。它们可以在对物料或者工件的抓取、转移等简单性搬运作业上工作，并且现在的机械手还在许多其他领域工种上使用，包括车间上的抓取动作、零部件的的装配工作以及喷涂作业等，这些不仅在机械行业大力推广发展，而且还在轻工业和交通运输业等都已经有了广泛的应用。但是由于大多数情况下机械手都是在工业生产环境中使用的，因此这样的机械手就有了“工业机械手”的称号2。机械手除了具有能够提高生产效率的优点，还可以在除去维护时间之外可以不停歇的进行工作，而且由于机械手是通过程序控制机械性的动作操作，就使得机械手相比人工而言，精度不仅高而且还具有可控性。因此工业机械手相比人工而言其更加有效率，并且还拥有着比人工难以达到的精度要有，尤其工业机械手还可以能够适应各种恶劣的环境，比如高温、高压、粉尘、有毒气体和放射性等环境中，使用机械手代替人们，就可以避免这种不好环境对人们身体的伤害，因此发展工业机械手的意义就显得更加重大3！工业机械手的发展不仅仅只是工业生产上的革新。由于工业机械手的技术要求也在不断的提高，更加促使可编程逻辑控制器的进一步发展。1.2工业机械手在国内外发展及现状由于国外工业起步比较早，发展也相对国内比较快，所以国外的机械手发展实力比较强，并且早已在机械制造业中加以应用。从目前来看，国外的主要应用方面是机床装卸、锻压机、点焊、喷漆等。它们按照程序规定的内容完成指令性的操作。现今工业机械手的定位精度已经能够满足微米甚至是亚微米级的要求，运行速度达到了3M/S，产品总重负载突破到100KG。并且如今国外机械手的发展是走的智能化的趋势，使其具有一定的感知能力，从外界条件的变化做出自己相对应的变化。比如当在机构运行的过程中其相对位置出现稍许的偏差，那么通过自己的传感获取变化，再修正当前的位置。目前世界高端工业机械手都向高精化，高速化发展，更是重点研究视觉与触觉功能，而且有了一定的突破。重要的是这样把机械手、柔性制造系统和柔性制造单元一块结合起来，从根本上改变了目前人工操作机械制造系统的状态4。我国的发展相对的话，起步比较晚，而且工业基础薄弱，所以我国的机械自动化水平与国外还是有一定的差距，但是在我国各界学术精英的带领下，使得国内的技术从无到有，从个体案例到实体的应用实践，历经奋斗填上国内的技术空白，现如今我国的工业机械手也主要用于机加工、铸锻、热处理等方面，国内近些年进行工业再升级，提出工业4.0，工业自动化的需求已经迫不及待，蓬勃的前景已然是唾手可得。同时，随着机械手的小型化发展和微型化处理，其应用领域得到更大的拓展，突破传统的机械领域，并且向着电子信息、生命科学技术及航空航天等高端行业发展5。1.3工业机械手的发展前景及趋势于20世纪60年代，机械手一经问世便成为人们研究的焦点，机械手通过漫长的四十多年的研究发展，一共大约经历了三代的演变。第一代的机械手是程序控制机械手，主要通过点位控制系统来形成相应的动作，对外界环境没有任何的反应；第二代的机械手在第一代的基础上进行的大大地改进，有一定的“感官”，还是以控制程序为主，但是程序中附加了一些相应的算法，通过外部的传感器把信号反馈回去，再有程序的运算可以对外界进行判断，有一定的“活力”了；第三代机械手在继承前两代的基础上强化了中央处理器的能力，加强了对环境信息处理的能力，更加的智能化，不仅仅能够判断和处理问题，更加的还可以进行自我学习，具有更强的适应能力6。所谓工业机械手只不过是工业机器人的特殊应用版，由于特定的场合，需要一定的动作，因此移植一只“手臂”而已，作为一个形状好像一个手臂的机器人，当一个手臂拥有了感官、判断、思考.那么它就是一个完整的工业机器人，并且当一个机械手拥有更高自由度的时候，它所能产生的动作就更加复杂多样化，远远超过人们的普通手臂所产生的动作，如果当一所厂房全部都是这样的机器运转，再通过物联网进行相互信息的交流，自动分配工作，一天二十四小时的全天候执勤，产出效率可是几何倍的增长，根本就不需要人力，只需要人们进行脑力活动进行监管即可，这样的工厂就是无人自动化工厂，完全性的解放人们对双手，那时人类只用进行创造性脑力劳动即可，在这样的工业基础上人类文明的进步就是飞跃性的。2 工件装卸机械手总体方案设计2.1机械手总体结构的基本要求：（1）动作要求：上升、下降、左移、右移、抓取、松开、旋转等；（2）技术指标：最大工件直径300mm，最大工件重量10kg，旋转角度180。（3）其他要求：结构稳定性，抓取放置精度，机械爪力度控制，故障警示等等。2.2机械结构总构图图2.1 工件装卸机械手机械结构总构图按照设计要求对机械手进行基础设计，基本结构草图如图2.1所示，可以完成机械手上升、下降、左移、右移、的基础动作，抓取、松开、旋转等以与地表接触箱体和立柱（升降立柱）为工件装卸机械手的机体，其在电机4驱动的电机带动丝杠2，进行上下移动，便可带上动完成机械手的上升、下降，而与立柱接触的横梁（伸缩横梁）可以在摆块的牵引下绕着立柱做180度旋转，摆块是由电机3所驱动的导杆，带动伸缩梁进行旋转，并且横梁亦可以伸缩，也是丝杠1在电机2的驱动下，使得被带动的梁完成左右移动，末尾的机爪（机械手抓）与伸缩横梁的末端进行固联，由电机1驱动爪型的收放，这样通过控制各个驱动的电机分别控制其动作，然后各个机构联动起来就可以完成相关的目标动作78。2.3机械结构方案优选2.3.1运动控制方案设计对于升降立柱上下移动以及伸缩横梁左右移动的伸缩设计分析：方案一：采用气动技术，建立气压伸缩杆，利用气压的强弱推动机械杆件的来回伸缩，并且由于最大抓取工件质量不过10kg，因此气压技术完全可以实现其所要求的技术指标。优点：气动技术具有节能、输出力量大、没有污染、效率高、成本低、安全性强、可靠性高、结构简单等优点9。缺点：定位精度低，对工作环境要求较高（清洁度要求高），装配精度有要求。方案二：采用液压技术，运用液压缸的液压驱动力。来回往复的动作，还可以随时控制液压阀进行位置控制，而且液压力比较稳定，可承受较大的载荷，在技术上可以完成工作要求，并且液压伸缩切换快，效果好，在工业领域发展十分的成熟，有着深厚的技术案例支撑10。优点：液压驱动输出力很大，技术要求较低，并且安装尺寸比较小，可以小装置承受大载荷。缺点：定位精度一般，保养需求复杂，并且结构比较复杂，一旦缸体泄露容易造成油污染，价格较为昂贵，方案三：采用电机驱动，设计相应的机械结构，采用电机进行驱动，控制其长度的伸缩11。优点：电机驱动伸缩结构简单，并且精度高，易于控制，能够快速敏捷的执行相应的动作要求，机构的联动性好，对工作环境敏感度不高、有很强的环境适应性（可以在高温、粉尘、振动等等环境），并且其价格低廉，易于维修。缺点：机械组装的结构尺寸稍有点受限，无法在狭小的空间布置。将三种方案的优点，缺点进行比较，绘制如下表2.1进行分析对比：表2.1 驱动方式对比表总体来说，由于本次课题的设计对象针对的是定子套，将定子套感应加热系统中的工件及时取出来，然后再放入新的工件，如此的循环。说明此次机械手所处的环境于高温加热附近，在方案二中的液压有油污染的可能性，可能发生明火危险，并且液压系统造价过贵不利于大批量生产应用，经济效益有所欠缺，故这种方式不进行考虑；在方案一中的气压，由于其定位精度不高，构造稍微复杂，跟方案三相对比而言，虽然方案三的输出力中等但是此次设计工件最大质量不过10kg，只要满足要求即可，并且方案三的定位精度高，这对于机械手的工作是极大的优势，而且构造相对简单，价格也一般，故综合设计的种种因素考虑，理应选取方案三合适12。2.3.2驱动方案设计从机械结构的总体动作要求和设计的基本图样来看，该机械手需要丝杠的旋转驱动，以及机身旋转，还要有电动的伸缩梁的驱动以及最后抓手爪盘的收缩，这样共计4个驱动单元来进行各自机构的驱动，使得机械机构可以按照技术动作要求进行上移、下移、左移、右移、旋转以及伸缩抓取的动作。普通交流电动机驱动，交/直流伺服电动机驱动、步进电动机驱动都属于电力驱动。从控制方面来看，普通交/直流电动机驱动控制性能比较差，而伺服电机和步进电机控制性能相对较好，可以对实时速度和物理位置进行精确的控制。步进电机成本低、控制结构简单、不需反馈就可以对速度和位置进行准确的控制，还不会积累位置误差。但不具有过载能力，启动频率会受到一定的限制，需要配备专门的电源，当功率偏大、体积较大时，其空间分辨率就会比较低，因此步进电机它只适于传动功率不大的、小型的机器人。交流伺服电机采用三环全数字化控制，三环包括位置、速度、电流三大环节，它不仅的结构较简单，运行可靠，而且价格便宜。过去由于调速成本太高，限制了交流伺服电机在高性能调速要求方面的使用。但随着现在科学技术的发展，随着可关断晶闸管GTO、大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFFT等电子元器件的出现，以及变频调速技术和计算机控制技术的发展，交流伺服电机的调速性能也渐渐地可以与直流电机媲美。其次，交流伺服电机的过载能力很强，三倍过载输出扭矩足以可以克服惯性负载在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，有效的提高了电机的响应速度，并在功率较大的场合上大有取代直流电机的趋势。综合比较，由于交流伺服电机在精度、可靠性、过载能力上比较强，并还有宽阔的变速范围。因此，用交流伺服电机作为本次设计的驱动核心。2.3.3机械爪爪型结构方案设计方案一：根据三抓卡盘的工作原理，改造爪型，加长夹取深度，从而可以完成对任何工件的夹取，并且稳定不易脱落；方案二：以双环面型夹口夹取定子套，夹取时夹具与工件接触面积你较大，因此受力夹具不用施加太大的力，可以预防红热状态的定子套因夹具的夹取力度而变形13；方案三：以各个夹指120度分布，形成三爪，采用杆件机构对爪子进行收紧放松控制，从而达到对工件的稳定抓取14。综上分析：方案二的双环面夹具过于厚重不利于机构的运转，毕竟夹取的工件最大直径可达300mm，所以这样的机械爪对机体无论是平衡，还是灵活度，或者是美观程度上来说都是不可取的，方案三的杆件机构的夹取方法虽然看似但是由于在夹取的过程中机体会带动工件做空间上的位置转移，这就对夹具的牢固性提出了一定行的要求，所以，方案一略胜一筹，既不会如方案二那样笨重，又可以达到夹取的稳定性，故综合考虑，选区方案一为最佳方案。2.2.4控制系统设计分析（1）控制器件优选在如今流行的控制元器件中以单片机和可编程逻辑控制器PLC应用最为广泛，这两款控制系统的控制原理都是基于微处理器技术。两者都能够实现对仪器设备的智能化控制，其中单片机的优点是价格相对便宜、支持高级语言，高效率编程，移植性很好，但缺点就是抗干扰能力差；而可编程逻辑控制器PLC的功能比较强大、可靠性非常好、有着丰富的扩展模块和强大的联网能力，可以做大型复杂的工业控制系统，因此由于机械手本来就是工作于大型工厂，以使得工厂自动化水平更高为未来的无人工厂概念打下基础，实现强大的物联网技术，所以综上各种因素的考虑此次设计以选用PLC控制核心。当热作为核心控制的PLC，在工业体系中也发展了很多年，并且在市面上有着纷繁多样的制造商公司，各有其不一样的优势在市场上占据一席之地，比如松下，西门子，三菱，欧姆龙，台达，施耐德，信捷等，都是顶尖的企业，皆有其系列产品可以作为设计的控制核心，因此可供挑选的多不胜数，但是在此次设计中根据选型要求，和技术掌握以西门子的产品作为选择方向，根据利来的设计经验前人总结，综合考虑以S7-200型PLC控制系统作为控制核心，进行本次设计任务的主要选型，S7-200型PLC控制系统在精确度以及处理速度上皆符合本次涉及的任务需要，因此PLC的S7-200型将作为控制器件15。（2）PLC控制系统框图 在人机交互的过程中，操作人员将机械手抓取工件的主要参数输入进PLC中，然后开启机械手，再由传感器获取位置信息，发送给PLC控制器，通过控制器的分析驱动电机配套的变频器（驱动器），使得机械手产生预期的动作。控制系统框图如图2.2所示：图2.2 控制系统框图（3）控制系统分析当机械手开始工作时，系统就开始执行程序，机体进行进行初始化，让机械手的结构状态回到原先设定的机械状态，并从通讯口获取加热系统的信息，如果加热系统工作了，那么机械手进行下一步操作，反之如果没有那么机械手就一直等待，直到检测到加热系统工作的信息，然后，通过超声波传感器获取待加热零件的位置信息，如果没有新零件，就一直等待检测，当检测到新零件的时候，获取位置信息，就开始进行抓取，抓取到工件之后就，放入加热系统中，然后不断循环，放置新的工件，当加热系统加热完毕一个零件时，机械手控制系统收到信息，然后在，从加热系统中取出零件，放到下一步工序的等待位，如此不断循环。如图2.3所示控制系统加热流程图图2.3 控制系统加热流程图3 工件装卸机械手PLC控制方案设计3.1可编程逻辑控制器（PLC）概述3.1.1可编程逻辑控制器的定义可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外设，都应按易于与工业系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。并且PLC专为工业而设计，这是PLC区别于一般微型控制器的重要特征。由于PLC的可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、功能完善、安装简单、维护方便、在工业领域应用十分广泛。3.1.2可编程逻辑控制器的应用领域PLC的应用领域就其被发明之际起就在不断的扩张，在国内外早已广泛的应用于冶金、化工、机械制造、电力、轻工等行业。随着制造技术的进步，不但PLC的性能不断在完善，而且元器件的价格也大幅度下降，因此PLC的成本也相应的缩减。根据PLC在市场中的应用范围，可分为九种：开关逻辑控制、模拟量控制、顺序（步进）控制、运动控制、定时控制、计数控制、过程控制、数据处理、通信和联网16。3.1.3可编程逻辑控制器的组成 可编程逻辑控制器虽然种类繁多，但是其基本组成和工作原理基本相同。可编程逻辑控制器的结构图如图3.1所示以及外形图以S7-200为例如图3.2所示：图3.1 可编程逻辑控制器结构图图3.2可编程逻辑控制器外形图可编程逻辑控制器的各个组成部分如下：（1）中央处理器（CPU）中央处理器主要把运算器、控制器、以及寄存器集成到芯片的内部，再通过三大总线（地址总线、数据总线、控制总线）实现与输入/输出接口以及和存储器的连接17。不同品牌的PLC具有不同的CPU芯片。有的使用通用的CPU芯片，有的使用自己设计的专用芯片。CPU的芯片性能直接影响着PLC处理控制信号的能力和速度，CPU位数越高，处理的信息量越大，运算速度也越快。（2）存储器可编程逻辑控制器PLC的存储器主要有四种，分别被称为只读存储器、随机存取存储器、可电擦除的只读存储器和可编程的只读存储器，但是他们的存储器结构基本都由用户存储器与系统存储器组成。（3）输入/输出模块输入模块和输出模块两者皆是由接口电路和映像寄存器两部分组成。输入模块主要用于处理数字量、模拟量等的输入信号,然后还对其进行转换、隔离、过滤等处理，并将信号平稳地传输至可编程控制器的内部；而输出模块主要用于将控制器中程序的运算结果传输至可编程控制器的外部,除此之外，该模块还可以隔离可编程控制器外部元件对内部电路干扰，以及放大功率的作用。（4）电源可编程控制器PLC的外部电源是220V的交流电源,而内部元件则使用5V、12V、24V的直流电源。（5）接口模块使用接口模把可编程控制器的基本元件与其功能模块连接起来，以实现对不同系统的控制，从而使可编程逻辑控制器的配置方式更加灵活。（6）通信接口利用通信接口可编程控制器能够实现与计算机，打印机或者其他可编程控制器等之间的连接,从而实现人机之间信息的交互。（7）编程器 编程器供用户用于程序的编辑、调试、监视等操作，通常分为智能型和简易型两类，但是前者可以实现联机的程序编制额同时还可以支持脱机操作，并且它还具备图形显示和对话的功能。（8）其他部分 一部分可编程控制器还有存储器,写入器等的外部设备17。3.1.4可编程逻辑控制器的工作原理作为一种工业控制的小型计算机,可编程控制器的工作过程如图3.3所示。PLC是按周期性循环扫描的工作方式进行的，同时这个也是作为衡量一个PLC性能的优劣的指标。它的工作过程就称为可编程控制器的扫描周期，并且不断的重复。其工作过程分为输入处理、执行程序和输出处理三个阶段16。（1）输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器会对所有的输入端口进行扫描，并将各信号状态存进相应的映像寄存器。这样当程序进入执行阶段的时候，不管外面的I/O端口有任何变化，输入进映像寄存器的内容都不变。但输入信号是脉冲信号，信号宽度大于扫描周期的信号能被读入。（2） 用户程序执行阶段处于该阶段的时候，PLC按自上而下的顺序进行扫描。具体扫描每条程序时又按从左到右的逻辑顺序。自上而下的顺序对控制的每个触点进行逻辑运算，然后运算结果刷新随机存取存储器和输入/输出映像区的状态，随之对应的功能指令也会跟着变化。（3）输出刷新阶段当程序扫描介绍后，PLC进入输出刷新阶段，输出映像寄存器中各输出点的状态送往输出锁存电路，并通过输出电路驱动相应的外部负载设备，从而完成PLC的实际输出。如下图3.3所示为PLC工作过程： 图3.3 PLC的工作过程3.1.5关于PLC的选型本文中所使用的可编程控制器是选择的德国西门子。该家公司在国际上享有盛誉。针对本次的设计任务，我们选择其旗下生产的小型可编程逻辑控制器S7-200系列型号。它不仅性价比高，而且指令的功能也是纷繁多样，具有强大的扩展性和琳琅满目的功能模块，这些优点仅仅是其强大能力的冰山一角，所以此类产品深受用户的喜爱，并成为当代各种中小型控制系统的“最佳伴侣”，它有不同的主机和功能各异的扩展模块供用户选择，主机与扩展模块十分方便的组成不同规模的控制系统。尤其以S7-200CPU22中的系列产品一枝独秀，对于系统的集成十分方便。不仅在功能模块及人机界面随意搭配，而且还可以简单快速的组建非常宏大的控制器网络。除此之外,其功能齐备的编程和控制组态软件使该系列的可编程控制器能够更加简单快捷的完成系统的设计。并且通信能力极强,基本上可以完成所有的控制任务18。S7-200CPU22系列可编程控制器有许多不同结构的配置元件，但是在本设计中根据设计所需要的的I/O端口配置数目要求，故在其系列中选择S7-200CPU226型号可编程控制器，它具一共有40个接口，分别是24个输入和16个输出。它不仅是通信端口数与以前系列产品相比有所增加使得通信能力更加强大，而且其存储器容量，存储计算速度都获得了大幅度的提高。虽然S7-200CPU226型号的可编程逻辑控制器接口数不少，但是有时我们为了满足某些特殊功能控制的需求，或者是需要更多的接口，这就需要我们对中央处理器的输入输出点数进行扩展，扩展的方式其中包括对功能模块的扩展和对点数的扩展两种类型，但他们都要受到中央处理器功能的限制。所以就需要对PLC端口进行扩展，在西门子系类产品的扩展模块中，根据所需端口的缺额，选择EM223扩展模块，它是输入/输出混合系列。对于设计我们选择EM223 24V DC 数字量组合8输入/8继电器输出的类别，作为S7-200CPU226的扩展。通过CPU226AC/DC/RLY型可编程控制器加上EM223 24V DC 数字量组合8输入/8继电器输出扩展接口模块。使得硬件核心配置完成。CPU226AC/DC/RLY型可编程控制器拥不仅在输入输出端口数有优势，并且还可同时连接七个扩展模块，能够扩展到248个输入输出，再拥有两个RS485通讯，让他具有更加快速的运行速度和更加强大的功能，并且其内部还集成了许多其他的功能19。3.2机械手其他器件概述3.2.1压力继电器压力继电器在各种需要感受压力变化的系统中使用非常广泛，他可以根据压力的变化而发出信号，进而控制电机运转，和保护作用。在此次设计中，传感压力也是至关重要，因为在机械手工作时，在爪子抓取到工件时，系统就必须得知道爪子收缩到什么状态的情况下，工件已经牢牢的被夹在爪子之中，要不然如果没有这样的检测，有可能爪子只是接触到工件并没有夹到，或者夹到了但会在运动的过程中自动掉下来，因此在爪型上面加装压力传感是十分必要的，用于感受爪子对工件夹起来所施加的力，使得爪子的力量既不会太小使得工件脱落，也不会使得爪子夹取的的力度过大，让红热状态的工件时会造成工件发生变形。本次设计采用压力继电器作为对机械手压力的传感，通过简单的力的大小推动继电器开关，在接进PLC输入端口，这样就可以通过端口对机械爪的抓取进行控制，并且压力继电器的调整也是十分的方便，只需要放松或者是拧紧其调节螺母就可以改变动作呀李李的大小，来满足对控制系统的需要。3.2.2限位开关限位开关即开关的一种，通过对位置的限定来对开关量进行开启或者关闭。在大多伺服传动系统中应用的十分广泛。从本设计的机械结构上就可以看出，有两个直线运动，和一个旋转运动。在直线运动上每条运动线在两边都要有限位开关，所以对于升降立柱来说，它的直线运动就有一个上限位开关和下限位开关，对于机臂伸缩，这根伸缩横梁来说它的直线运动就有一个左限位开关和右限位开关，但对于摆动电机的摆动来说，因为它是旋转机臂180的工作，要先转到待加热的工件的方位，然后再旋转到加热系统的加热口的位置上，最后还有就是取出的加热好的零件要放到下一步工序的位置，所以对于这一个机臂的旋转，它一共有三个位置量的把控，因此就需要三个限位开关，做到左旋限位，中旋限位，右旋限位。通过限位开关和PLC的输入端口的连接，我们就可以对它各个自由度方位的动作进行严格的控制。3.3工件装卸机械手控制动作顺序通过打开总的开关来开启机械手的控制系统，首先机械手进行初始化手臂缩短左限位进行控制，升降立柱上升上限位进行控制，机臂左旋转到位，并且机械爪张开，初始化完成，开始夹取待加热工件，系统控制升降立柱下降到下限位开关，限位开关对其行程进行控制，伸缩横梁伸长，横梁的右限位开关进行控制伸缩，并且爪型收缩进行工件的抓取，抓取完毕后，压力继电器左位限制力的大小，停止进一步的施加抓取，伸缩横梁缩回并且升降立柱上升，再进行机臂旋转至中位，然后伸缩横梁伸长，爪型张开将抓取好的工件放置进加热系统中，然后缩回横梁，如果加热系统有可接加热工件的信号，则机械手进行下一个工件的抓取，即类似于初始化的动作。当加热系统的工件加热完毕时，发出信号，机械手由初始位，机臂缩至最短然后机臂旋转至中旋位，伸缩横梁再伸长到加热系统中。收缩爪型，抓取加热完成的工件，再缩回机械臂，机臂旋转至右旋位，并降低立柱，张开手抓放置加热好的工件，如果没有加热完成的工件，也没有加热系统有可接加热工件的信号，机械臂处于初始位待机，等待信号指令。3.4对于PLCI/O的分配如下表所示，表3.1为PLC输入端口的I/O分配，表3.2为PLC输出端口的I/O分配20。表3.1 PLC输入端口I/O分配表3.2 PLC输出端口I/O分配3.5电气接线原理图本设计的控制系统可编程逻辑控制器的外部电气接线图如图3.4所示图3.4 PLC电气接线原理图3.6PLC程序设计与调试3.6.1程序设计对于本次任务的程序设计，本人将几大机械化动作作为子程序，使用主程序对机械手进行子程序的调用。对子程序划分为机械手位姿初始化程序（即机械手复位程序），将待加热工件夹取并放置进加热系统重的程序（即放进加热系统程序），把加热完成的零件，放置到下一工位的程序（即取加热好的零件的程序）。总共三个，然后在主程序中调用即可，由于PLC工作方式是对程序的重复扫描，所以也就相当于机械手的不断自我循环工作。如图所示分别为图3.5主程序流程图，图3.6机械手复位程序流程图，图3.7工件放进加热系统程序流程图，图3.8取加热好的零件的程序流程图，详细程序见附录21。图3.5 主程序流程图图3.6机械手复位程序流程图图3.7 工件放进加热系统程序流程图图3.8 取加热好的零件的程序流程图3.6.2程序调试由于在本次设计中采用PLC控制各个电机以及其他相关器件，所以采用单纯的PLC芯片进行仿真。本次仿真主要认为就是采用对选用的PLC以及其扩展模块的接线端子，进行上电，再在输出端口观察，相应的端口是否通电，从而对本次PLC程序的设计进行简要的模拟。1、开启程序如图3.9所示，进行开机，程序进入机械手初始化，即最终要求的动作是升降立柱上升到上限位，摆动机构转动到左旋位，机臂伸缩横梁缩短到左限位。当点击I3.0端口后，M0.1自动选中，如图3.10所示的端口仿真图，然后其程序会自动进入机械手初始化复位程序。图3.9 启动梯形图程序图3.10启动梯形图程序仿真图2、 子程序机械手复位程序，进入程序开始对机械结构进行控制，控制机械手的位姿进行初始化状态，即最终要求的动作是升降立柱上升到上限位，摆动机构转动到左旋位，机臂伸缩横梁缩短到左限位。当进入机械手初始化复位程序后，四台电机动作起来，直到每台电机相应的限位开关将其停止即限位开关端口分别从I2.7-I0.2-I2.3-I0.0进行限位，从仿真系统的模拟PLC端口的变化，观察工作效用，在I/O端口的人为模拟限位开关的动作，来设定相应接口的信号变化，这样在电机驱动的端口的模拟灯就会发生变化，如图3.11所示，不断地设定即机械手触碰到各自的限位开关，模拟PLC的端口不断的在变化，于是就逐渐停止电机的运转。图3.11 子程序机械手复位程序仿真图4 工件装卸机械手机械结构设计4.1机械结构动作顺序机构首先以处于初始位置，初始位置就是升降立柱处于最高的位置，摆动机臂的机构处于最左边的左旋位，机臂的伸缩横梁缩至最短。当接收到信号是，比如：抓取未加热工件的时候，CPU再发出指令，伸缩杆缩至最小大长度，这样爪子恰好处于工件上方，并且升降立柱进行下移，收缩爪型，然后再让旋转摆块动相应角度，使得伸缩杆转向待加热工件的方向，再让机臂的伸缩杆伸长大最大位限，然后机爪张开，让工件放进加热系统中，再缩回机臂的伸缩杆，回归初始位置；当取出加热好的工件时，从初始位置开始，让摆块旋转至相应角度，然后再伸长机臂的伸缩杆，使得爪子接触到工件，然后闭合爪子，将工件抓取到位，再回缩机臂的伸缩杆，摆块摆动伸缩杆进行旋转，升降立柱下降，爪子张开，放置工件，然后再回归初始位置；继续夹取，如此反复工作2223。4.2驱动电机选型设计计算4.2.1机械爪处电机（电机1）选用根据设计任务要求，工件最大尺寸为300mm，重量最大为10KG，取系数g=10m/s2,并且设定爪型面与定子套表面之间的摩察系数为=1.5，而且爪与工件接触位置到电机中心的距离为R1=150mm,设爪对工件施加的压力为FN，由G=mg;得G=100N由摩擦力和重力平衡（二力平衡），得Ff=G；且 （4.1）；得FN=66.7N；则FN在电机轴上产生的力矩为：M=10N*m；表4.1 电机选型参数根据表4.1选择电机1PH8083-1。4.2.2伸缩杆丝杠以及驱动电机（电机2）选型（1）丝杠承载预估电机1（爪用）自重4.2KG，工件最大重量10KG，根据钢的密度3可得爪型结构尺寸重量约为12KG；则丝杠总称重为m=26.2KG;（2）丝杠参数设计 丝杠等级：C5；推动质量：m=26.2KG；最大行程：SMAX=300mm；最大速度：VMAX=100mm/s=6000mm/min；要求寿命：L1=25000h；导引面滑动摩擦系数：；驱动电动机转速：NMAX=3000r/min；定位精度：；反复精度：（3） 丝杠参数计算由公式 （4.2）；抗弯截面系数（4.3）；（4.4）；（4.5）考虑到丝杠的丝帽与载重连接，故将重量W1=26.2KG扩大为30KG；根据经验预设丝杠直径d=30mm;查表4.2可选调质处理的优质碳钢的=150MPa得带入数值可得;符合要求丝杠直径等于30mm。表4.2 普通碳钢及优质碳钢基本许用应力表于是拟定丝帽直径为100mm;由导程计算公式；得L=2mm;即导程必须大于2mm,故导程P选为4mm.则丝杠的长度=最大行程+丝帽长度+轴端预留量=300+100+150=550mm。（4） 电机选型由转动惯量公式（4.6）；（4.7）；W质量Kg；D外径m；L长度m；计算可得J总=0.0122*10-4Kgm2制造设计导轨的摩擦系数为0.65，考虑到倾覆力的作用，将载重扩大为35KG，效率=0.9；由公式（4.8）；得T1=3.15Nm。故查表4.1选择电机1PH8101-1。4.2.3摆块电机（电机3）选型由转动惯量公式（4.6）；（4.7）；W质量Kg；D外径m；L长度m；由公式（4.8）；效率=0.9计算可得J总=0.105*10-4Kgm2；T=7.32Nm；表4.3 电机选型参数 故查表4.3选择电机1PH8137-1。4.2.4升降立柱丝杠以及驱动电机（电机4）选型（1） 丝杠承载预估 由于在35KG之后，升降立柱又加上摆块重量，以及倾覆力等的影响，现欲将升降立柱的载重扩加为40Kg。（2）丝杠参数设计 丝杠等级：C5；推动质量：W1=m=40KG；最大行程：SMAX=1000mm；最大速度：VMAX=200mm/s=12000mm/min；要求寿命：L1=30000h；导引面滑动摩擦系数：；驱动电动机转速：NMAX=3000r/min；定位精度：；反复精度：（3）丝杠参数计算由公式；抗弯截面系数（4.3）；（4.4）；（4.5）；根据经验预设丝杠直径d=40mm;查表4.3可选调质处理的优质碳钢的=150MPa得带入数值可得;符合要求丝杠直径等于40mm。于是拟定丝帽直径为150mm;由导程计算公式；得L=4mm;即导程必须大于2mm,故导程P选为6mm.则丝杠的长度=最大行程+丝帽长度+轴端预留量=500+150+200=850mm。（5） 电机选型由转动惯量公式（4.6）；（4.7）；W质量Kg；D外径m；L长度m；计算可得J总=0.446*10-4Kgm2制造设计导轨的摩擦系数为0.065，效率=0.9；由公式（4.8）；得T1=3.6Nm。故查表4.3选择电机1PH8163-1。4.2.5变频器选择选型变频器是采用微电子技术和变频技术，来改变电机电源的频率和幅值，这样就使得电动机得到控制。并且在现今的工业生产中由于工业自动化的发展程度和调速要求，让变频器的使用越来越广泛。而且交流电动机的变频调速技术更是节能、改善工艺流程以提高产品性能的重要手段。对于电机的控制，为了减少设备器件之间的通讯异常问题，故在变频器的选择上我们仍然选择西门子公司私下的产品西门子 MM440变频器，其由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）作为功率输出器件。因此其具有很高的运行可靠性和功能的多样性。在脉冲宽度调制上，开关频率是可选的，也就降低了电动机的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。所以本设计综合考虑，四台电机皆采用MM440变频器进行驱动控制24。5 结论5.1设计总结本论文从机械手的背景、发展、意义介绍了现工业行业的机械手的基本内容，然后从任务要求出发，针对自动化生产的过程，以及自己所学的机械技术知识，设计可以完成任务的机械结构，并采用电气驱动的方式设计机械整体。并在此基础上进行硬件设计，介绍了可编程逻辑控制器PLC系列下的CPUS7-226的概念，优点，发展和组成，以及进行人机交互的界面TD-400C的相关知识，介绍了可以完成本次设计任务的传感器，光电编码器、超声波传感器等等，完成其相互之间与PLC控制器的连接电路，然后从硬件结构上出发，再根据机械动作控制要求进行PLC梯形图的设计。综合来讲本论文的主要结论如下：1、本设计机械手采用3自由度的机械结构，设计了一个旋转，加上两个直线运动，并绘制其完整装配图，和个别零件图来详细说明机械结构的工作原理。2、通过各种传动结构的对比，不同驱动方式的分析。本文采用电机驱动的工作方式，并对其工作原理做了简要阐述，并采用控制器件对电机进行直接性的控制，使得机体结构的精度更高，可控性更强。3、为了易于控制机体，采用S7-200 CPU226AC/DC/RLY型可编程逻辑控制器作为控制系统核心器件，并与传感器连接通讯，使得控制反馈信息能够及时获取，并皆采用西门子系列产品，减少其相互之间的