基于plc的机械手控制系统设计

1、Word文档随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、 转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化， 已愈来愈引起人们的重视。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近 年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成 为高技术领域迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使 得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要现自动抓取、 搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它

2、具有能不断重复工作和劳动、不知 疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多 部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，生产中应用机械手可以提高生产的 自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产； 尤其在咼温、咼压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环 境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。本文将通过西门子 PLCPLC控制机械手，PLCPLC是可编程控制器(ProgrammableProgrammable LogicLogic CoCo ntrollerntroller )的简称，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器 为

3、核心的通用的工业自动化控制装置。 随着电子技术和计算机技术的迅猛发展， PLCPLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能。目前PLCPLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展。该系统利用西门子PLCPLC，在步进电机驱动下，完 成对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左 旋等全过程自动化控制，并对非正常情况实行自动报警和自动保护，实现企业 的机电一体化，提高企业的生产效率。Word文档丰部1机械手概述1.1机械手简介机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要现自动抓取、搬 运或操作的自动机械装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动 化，能在

4、有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、 电子、轻工和原子能等部门。机械手是工厂企业高度自动化的标志，它能完成 许多高技术难度和繁重的体力劳动，尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不 适宜人工工作的环境中，机械手起到了不可取代的作用。1.2机械手组成机械手主要由手部、驱动系统、控制系统组成。结构如图1-11-1所示:Word文档(1) 手部即与物件接触的部件。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式， 如夹持型、托持型和吸附型等。(2) 驱动系统使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被 抓持

5、物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为 机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 6个自由度。 自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性 越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 2 23 3个自由度。1.3机械手的应用随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。在机械工业中，铸、 锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有 应用的实例。其它部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。机械工业中，应用机械手的主要目的是：一、可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于实现材料的传送、

6、工件的装卸、刀具的更换以及 机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、可以改善劳动条件、避免人身事故。在咼温、咼压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其 它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作时有危险或根本不可 能。而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改 善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行工作, 可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减少人力，并便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时 由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。

7、因此，在自动 化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设机械手，以减少人力和更准确地控 制生产的节拍，便于有节奏进行生产。由此可见，有效地应用机械手，是发展工业的必然趋势。Word文档2 PLC的简介2.1 PLC的产生19681968年美国通用汽车公司（GMGM ）招标要求：软连接代替硬接线；维护方便; ; 可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；成本低于继电器控制柜；有数 据通讯功能；输入115V;115V;可在恶劣环境下工作；扩展时，原系统变更要少；用户程序 存储容量可扩展到4K4K。核心思想：用程序代替硬接线，输入/ /输出电平可与外 部装置直接相联，结构易于扩展 ，这是PLCPLC

8、的雏形。19691969年美国DECDEC公司研制出世界上第一台 PLCPLC（ PDP-14PDP-14），并在GMGM公司 汽车生产线上应用成功。2.2 PLC的定义和特点2.2.12.2.1PLCPLC的定义美国电气协会制造商协会NEMANEMA口国际电工委员会IECIEC对可编程控制器分别 作了定义：可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主 的自动控制装置。它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入 的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开 关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器，主要用于开关

9、量逻辑控制，所以称为可编程逻辑控 制器，简称PLCPLC，后来随着计算机技术不断发展，其功能已不仅限于开关逻辑控 制，所以被称之为可编程控制器PCPC但这很容易和个人计算机PCPC相混淆，因此, 一般把PLCPLC作为可编程控制器的简称。2.2.22.2.2 PLCPLC的特点可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以 下特点：（1 1）可靠性高，抗干扰能力强 用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服 了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安 全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶 劣的工作环境，远远地超过了传统的继电

10、器控制系统和一般的计算机控制系统。Word文档（2 2）编程简单，易于掌握 PLCPLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制 逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。（3 3） 功能完善，灵活方便 随着PLCPLC技术的不断发展，其功能更加完善， 不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温 度控制、位置控制、网络通信等功能。既可以单机使用、也可联网运行，既可 集中控制、也可分布控制或者集散控制。而且在运行过程中，可随时修改控制 逻辑，增减系统的功能。（4 4） 体积小、质量轻、功耗低由于采用了单片机等集成芯片，体积小、 质量轻、机构紧凑、功耗低。2.3可编程控

11、制器的主要性能指标可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项指标。（1 1） 输入/ /输出点数（I/OI/O） I/OI/O 点数是指可编程控制器外部输入、输出端 子数的总和。它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。（2 2）存储容量 存储容量是指可编程控制器部用于存放用户程序的存储容 量。（3 3）扫描速度 一般以执行10001000步指令所需的时间来衡量，单位为 ms/ms/ 千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位 us/us/步。（4 4）功能扩展能力 可编程控制器除了主模板块之外， 通常都可配备一些 可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。 如A/DA/D模块、D/A

12、D/A模块、位置控 制模块等。（5 5） 指令系统 指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可 编程控制器功能强弱的主要指标。2.4可编程控制器的分类通常PLCPLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。（1 1）按结构形式分类 按结构形式不同，可分为整体式和模块式两类。整 体式的PLCPLC是将电源、CPUCPU存储器、输入/ /输出单元等各个功能部件集成在一 个机壳，从而具有结构经凑、体积小、价格低等优点，许多小型PLCPLC多采用这种机构。模块式的PLCPLC将各个功能部件做成独立模块，如电源模块、CPUCPU莫块、I/OI/O模块等，然后进行组合。(2 2)按控制规模分类按控制

13、规模大小，可分为小型、中型和大型PLCPLC三Word文档种类型。1)1) 小型PLCPLC。小型PLCPLC的I/OI/O点数在256256点以下，存储容量在2KB2KB 以, 其中输入输出点数小于6464点的PLCPLC又称为超小型或微型PLCPLC，具有逻辑运算、 定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。2)2) 中型PLCPLC 中型PLCPLC的开关量I/OI/O点数通常在256-2048256-2048点之间，用户 程序存储器的容量为2-8KB,2-8KB,除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/OI/O、 数字计算、过程参数调节，如比例、积分、微分(PIDPID)调节、数据

14、传送与比较、 数制转换、中断控制、远程I/OI/O及通信联网功能。3)3) 大型PLCPLC 大型PLCPLC也称为高档PLCPLC，I/OI/O点数在20482048点以上，用户程 序存储容量在8KB8KB以上，其中I/OI/O点数大于81928192点的又称为超大型PLCPLC，除具 有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程 控制等功能。2.5 PLC系统的组成PLCPLC是 一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其结构与微型计算机控制系统相似，也是有硬件系统和软件系统两大部分组成。2.5

15、.12.5.1 PLCPLC的硬件结构一套PLCPLC系统在硬件上由以下几部分组成：(1)(1) 中央处理器(CPU)(CPU)与计算机一样，是PLCPLC的核心部件。(2)(2) 存储器PLCPLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。(3)(3) 输入/ /输出(I/OI/O )接口电路。(4)(4) 电源。(5)(5) 扩展单元。(6)(6) 外部设备。其中，各部分通过总线( (电源总线、控制总线、地址总线、数据总线 ) )连接 而成。其结构简图如下：Word文档I/O扩展单元设I/O接口电源2.5.22.5.2 PLCPLC的软件PLCPLC的软件是指PLCPLC所使用的各种程序的集

16、合。它由系统程序（系统软件） 和用户程序（用户软件）组成。（1 1）系统程序 系统程序包括监控程序，输入译码程序及诊断程序等。（2 2） 用户程序 用户程序是用户根据控制要求，用 PLCPLC的编程语言（如梯 形图）编制的应用程序。2.6可编程控制器的工作方式可编程控制器在进入 RUNRUN犬态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指 令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的循序逐条 执行程序，即按顺序逐条执行程序直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周 而复始地重复进行。受控元件微处理器运算器控制器图2-1 PLC硬件结构图Fig. 2-1 PLC hardware stru

17、ctureI/O扩展接口输入信号Word文档i扫描周期第N亍扫捆周期掴周期i1 ri - 1i!输出刷新1输入采祎W惓户程序执行* *输岀刷新4 - !输入采样!14图2-2 PLC工作方式图Fig. 2-2 PLC work way figure可编程控制器工作的扫描过程包括五个阶段：部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLCPLC完成一次扫描过程所需的时间成为扫描周期。扫 描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。2.7 PLC的编程语言PLCPLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两 种语言用的较多，流程图语言也在许多场合被采用。1.1. 梯形图语

18、言（1 1） 梯形图从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。PLCPLC程序执行顺序 与梯形图的编写顺序一致。（2 2）图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须从起始 母线开始画起，终止母线可以省略。（3 3）梯形图中的触点有两种，即动合触点和动断触点。（4 4）梯形图的最右端必须连接输出元素。（5 5）梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。2.2. 助记符语言助记符语言是PLCPLC命令的语言表达式。用梯形图编程虽然直观、简便，但 要求PLCPLC配置较大的显示器时可输入图形符号， 这在有些小型机上常难以满足， 所以助记符语言也是一种较常用的一种编程方式。

19、不同型号的PLCPLC其助记符语 言也不同，但其基本原理是相近的。编程时，一般先跟据要求编制梯形图语言， 然后再根据梯形图转换成助记符语言。Word文档33顺序功能图语言顺序功能图SFCSFC是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，主要由“步”、“转移”及“有限线段”等元素组成，它将一个完整的控制工程分为若干个阶 段（状态），各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，条件满足就实 现状态转移，上一状态动作结束，下一动作开始。2.8 PLC的应用领域目前，PLCPLC在国外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、 汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳

20、为 如下几类。1 1、开关量的逻辑控制这是PLCPLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻 辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流 水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流 水线等。2 2、模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位 和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（AnalogAnalog）和数字量（DigitalDigital ）之间的A/DA/D转换及D/AD/A转换。PLCPLCT家都生产 配套的A/DA/D和D/AD/A转换模块，使可编程控制器

21、用于模拟量控制。3 3、运动控制PLCPLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接 用于开关量I/OI/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控 制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各 主要PLCPLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器 人、电梯等场合。4 4、过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计 算机，PLCPLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PIDPID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLCPLC都有PIDPID模块，目前许多小

22、型Word文档PLCPLC也具有此功能模块。PIDPID处理一般是运行专用的PIDPID子程序。过程控制在冶 金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5 5、数据处理现代PLCPLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、 数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以 利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大 型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、 冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6 6通信及联网PLCPLC通信

23、含PLCPLC间的通信及PLCPLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制 的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLCPLC厂商都十分重视PLCPLC的通信功能, 纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLCPLC都具有通信接口，通信非常方便。Word文档3机械手的设计3.1机械手的控制要求本机械手的控制要求：机械手搬运零部件动作示意图如下图3-13-1所示，该机械手可用来将工件从A A工位搬到B B工位，实现方式有手动自动两种工作方式， 其动作过程分为1010工步，即从原位开始顺序经过1010个动作后完成一个周期， 并返回原位，在此，定义机械手处于左旋限位，上行限位时为原点。具体过程 是：横轴

24、下降，至下限位开关，夹紧工件，横轴上升，至上限位开关，底盘右 旋转，至右旋限位开关，横轴右行，至右限位开关，横轴下降，至下限位开关， 松开工件，横轴上升，至上限位开关，横轴左行，至左限位开关，底盘左旋转， 至左旋限位开关，返回原位，完成一个周期。为了便于控制系统调试和维护，本控制系统有手动功能和自动功能。当手 动/ /自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，就可实现上升、 下降、左移、右移、夹紧、放松的手动控制。当机械手处于原位时，将手动/ /自动转换开关置于“自动”位置时，进入自动工作状态。机械手工作方式说明如 下：（1 1）手动工作方式即单步运行，每按一个按钮，执行一步操作；（

25、2 2）自动工作方式即连续运行，按下启动按钮，机械手自动运行，一个周 期后循环工作，直至完成搬运任务；（3 3）运行之前，通常对机械手进行复位操作，复位操作有机械手在左边、 在右边、在中间三种情况，要逐一考虑，使机械手在任意位置都可以完成复位， 回到原点；（4 4）运行过程中，当按下停止按钮时，要停止一切动作。Word文档升降电机下降亍夹紧i A工位图3-1机械手搬运零部件示意图Fig. 3-1 Man ipulator han dli ng parts schemes3.2机械手控制系统设计方案的比较在工业自动化生产中常用的控制系统有：传统的继电器一接触器控制系统、PLCPLC控制系统和微机

26、控制系统这三种。但从使用性、经济性、可靠性出发，本 设计选用了 PLCPLC控制系统。因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看， 本机械手是用于在复杂的条件下工件的传输，主要动作是上升、下降、左移、 右移、夹紧、放松、左旋、右旋和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单 的顺序逻辑动作为主，是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统，这是PLCPLC最擅Word文档长的功能，而且PLCPLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简Word文档单、易于维护等特点，特别是替代继电器控制系统，这更是它的优势。本系统的开关量输入信号为数字信号， 直接连接PLCPLC PLCPLC通过中间继电器 对

27、电磁阀加以控制。系统框图如图 3-23-2所示。停止搦a A左跡断关A苛酬开关a 左行酬联a限位开关=上下彳i步进 电机驱动器上卩亍=步进电札庁n丘右行步进 电机驱动器戶基$电机to电磁阀图3-2系统框图Fig. 3-2 The system frameWord文档Word文档4系统硬件电路的设计4.1 PLC的选型目前，世界上有200200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的 PLCPLC生 产厂家主要有美国的 ABAB通用（GEGE、日本的三菱（MITSBISHMITSBISH）欧姆龙（OMRONOMRON 德国的西门子（SIMENSIMEN） 法国的TETE、国的三星（SUMSUNG

28、SUMSUNG LGLG等。本文选择的是德国西门子公司生产的 S7-200S7-200 PLGPLG S7-200S7-200系列PLCPLC是西门 子公司生产的一种小型PLCPLC其许多功能达到大、中型PLCPLC的水平，而价格却和 小型PLCPLC的一样，因此它一经推出，即受到了广泛的关注。特别是S7-200CPU22S7-200CPU22 系列PLCPLC由于它具有多种功能模块和人机界面（HMHM、可供选择，所以系统的 集成非常方便，并且可以很容易地组成 PLCPLC网络。同时它具有功能齐全的编程 和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，其速度快，具 有极强的通信能力，几

29、乎可以完成任何功能的控制任务。根据机械手的控制要求，PLCPLC输入、输出点分配如表所示：表4-14-1 PLCPLC的I/OI/O分配表Tab.Tab. 4-14-1 PLCPLC ofof I/OI/O distributiondistribution listlist名称输入名称输入启动按钮SB1I0.0夹紧按钮SB10I1.1停止按钮SB2I0.1松开按钮SB11I1.2复位按钮SB3I0.2上升限位开关SQ1I1.3上升按钮SB410.3下降限位开关SQ2I1.4下降按钮SB5I0.4左行限位开关SQ3I1.5左行按钮SB610.5右行限位开关SQ4I1.6右行按钮SB710.6左旋

30、限位开关SQ5I1.7左旋按钮SB8I0.7右旋限位开关SQ6I2.0右旋按钮SB9I1.0Word文档名称输出名称输出上下行步进电机驱动器 脉冲输入Q0.0基座电机正转Q0.4左右仃步进电机驱动器 脉冲输入Q0.1基座电机反转Q0.5上下仃步进电机驱动器方向输入Q0.2松紧电磁阀Q0.6左右仃步进电机驱动器方向输入Q0.3原位指示灯Q0.7由上表可知，该控制系统共需要1717个输入点，8 8个输出点，此处选用西门 子公司生产的小型PLCPLC S7-200S7-200系列的CPU226CPU226继电器输出型可编程控制器，该 控制器输入点2424个，输出点1616个。4.2机械手驱动的选择机

31、械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。步进电机的运动 需要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电 机走一步；改变电机转向时，需要加方向信号。机械手的上升/ /下降、左行/ /右行动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。基座旋转是通过控制 直流电机的转动方向来实现的。机械手的放松/ /夹紧由一个单线圈两位置电磁阀 控制。当该线圈通电时，机械手放松；该线圈断电时，机械手夹紧。4.2.14.2.1步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。通俗一 点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转 动一个固定的角度（

32、即步距角）。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到 准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速 度，从而达到调速的目的。本系统采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作，相比直流电机 有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。 主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。此处采 用串联型接法，其电气接线图如下图 4-14-1所示。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动 ，这种装置就是步进电机驱动器Word文档它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步

33、距角。所以步进电机的 转速与脉冲信号的频率成正比。红蓝白棕B4B4B 图4-1步进电机电气接线图Fig. 4-1 Step motor electrical hookup4.2.24.2.2步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三 大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1 1、 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求， 将负载的最小分 辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速） 。电机 的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.360.36度 /0.72/0.72度（五相电机）、0.90.9度/1.8

34、/1.8度（二、四相电机）、1.51.5度/3/3度（三相电 机）等。2 2、 静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定 电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般为低速）二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行 进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-32-3倍最好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）Word文档3 3、电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别 很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电

35、流(参考驱动电源、及驱动电压)。4 4、力矩与功率换算 步进电机一般在较大围调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=P= QM M Q=2=2 n n/60n/60 P=2P=2 mM/60mM/60其P P为功率，单位为瓦；Q为每秒角速度，单位为弧度；n n为每分钟转速；M M为 力矩，单位为牛顿米；P=2fM/400(P=2fM/400(半步工作)，其中f f为每秒脉冲数(简称PPS)PPS)。此外，在选取电机时，我们应该注意：1 1、 步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过 10001000转，(0.90.9度时 3000PPS)3000PPS)最好在10

36、00-3000PPS(0.91000-3000PPS(0.9度)间使用，可通过减速装置使其在此间 工作，此时电机工作效率高，噪音低。2 2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3 3、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升 频提速，一是可以保证电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位 精度。4 4、电机在600PPS(0.9600PPS(0.9度)以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来 驱动。5 5、应遵循先选电机后选驱动的原则。根据以上原则，我们选用雷塞两相 57HS1357HS13系列步进电机，电机参数为：表4-24-2步进电机参数表Tab.Ta

37、b. 4-24-2 StepStep motormotor parameterparameter tabletable相电流型号静力 矩(NM)歩距 角( )串联(A)并联(A)电阻(Q)电感(mH)长度L(mm)转子惯 量(g.cm2)重量(Kg)57HS1357HS131.31.31.81.82.02.04.04.01.01.02.12.176764604601.01.0选用雷塞两相M860M860系列步进电机驱动器，工作电流 2.42.4 7.2A7.2A，工作电 压242480V80V。4.3 PLC原理接线图根据PLCPLC的选型、输入/ /输出端口分布表以及步进电机和步进电机驱动器

38、类 型，画出PLCPLC的外部接线图,如下：Word文档左齐5瓯”-右荷冊T.；-J*左旋sat-.松开和1上限叭左限妙右限WI右运限_-+MCOM【01* 1+(bQO. 110.210.3Q0.2TO. 40,5ID. 6 g10.700 JItl】Q0.411.2Q0.5I】I】川T1.500. GII.&L712. &Qi)Qi) 1COMv+1,5KPLL GND上下斤步进电机D1R 呃动器+24VV4V4UPTOWOPTO左芥厅步进电机DIR 駆动器MR+24VKL駆电机也GND匣位指示灯电琏阀图4-2 PLC外部接线图Fig. 4-2 PLC external hookup5控制

39、系统软件设计Word文档Word文档本控制系统，我们选取自动和手动两种工作方式，手动控制方式即单步运 行方式，手动操作不需要按工序顺序动作，可以按普通继电器接触器控制系统 来设计，利用按钮对机械手每一动作单独进行控制，如按“下降”按钮，机械手下降；按“上升” 按钮，机械手上升。而自动工作方式，按下启动按钮 后，机械手从原点开始按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机。自动控制系统的整体运行情况是：打开电源，按下起动按钮时，开机复位。 机械手的动作示意图如图3-13-1所示。机械手若不在原点则 PLCPLC向上下行驱动器 输入脉冲信号，上下行步进电机正转，机械手上升。上升到底

40、时碰到上限位开 关，然后主机向左右行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，左右行步进电机 反转，横轴左行。当行进到位时碰到左限位开关，左行停止，回到原点。主机 向上下行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，上下行步进电机反转，机械手 下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，夹紧电磁阀断电，机械手夹紧。 夹紧后，主机向上下行驱动器只输入脉冲信号，上下行步进电机正转，机械手 上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLCPLC向基座电机输入正转信号， 电机正转，机械手右旋，碰到右旋限位开关，右旋停止。主机向左右行驱动器 输入脉冲信号电平信号，步进电机左右行正转，机械手右行，右行到位时，碰 到右限位开关

41、，右行停止。主机向上下行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号， 上下行步进电机反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，同 时夹紧电磁阀得电，机械手放松。放松后，主机向驱动器上下行输入脉冲信号， 上下行步进电机正转，机械手上升，上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。 PLCPLC向左右行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号， 左右行步进电机反转，横轴 左行，当左行到底时碰到左限位开关，然后主机向基座电机同时输入反转信号， 电机反转，机械手左旋，碰到左旋限位开关左旋停止，回到原点。至此，机械 手经过十步动作完成一个循环。就此给出自动控制系统的功能流程图和系统整体的PLCPLC程序。5.1控制系

42、统功能流程Word文档图5-1控制系统功能流程图上电后原位指示灯亮下障抓紧延吋10S上升右旋右行下降松开延时10合上升左行左旋Fig. 5-1 Con trol system fun cti on flow chartWord文档Word文档5.2 PLC编程与调试5.2.15.2.1手动控制程序手动控制即单步运行，当按下一个按钮，比如说上升按钮，机械手自动上 升，什么时候停下来则由限位开关来决定。根据这一思路，编写如下程序：Natnoik 1UetwakliteUetwaklite卜升1 1D3Q02OO.CI II I I II LI I J J I IK 3 J103QO.OQO.OT

43、* h-IC 巧II 3T I1NdwnikNdwnik 3C4C4QU.Q口聪Word文档酉醫Men-k 一口 ElEl慰許Q;R )Earwoi-二- -lirlir帯一TUs sLnQMLnQM1 1 - I -)一M 也 WOWOS-S-1212 亦质刊 I I=口 21 - T_I-Mb1 Lzfzf 44 = =_彳三一sinsinIXIX - - 厂za4- X=2sin=2sini I -Word MBWord文档522522复位控制程序复位程序比较复杂，因为机械手为三自由度，十个工步，所以有三种情况: 在左边任意位置，在右边任意位置，既不在左边又不在右边而是在中间的任意 位置

44、。所以按下复位按钮时我们需要首先判断机械手的确切位置。在这里，我 们可以通过限位开关和松紧电磁阀的状态明确的判断出来。找到机械手的具体 位置，就可以驱动机械手进行下一步动作。比如机械手在右边，而且手部没有 货物，那么右行限位开关和电磁阀都应该是闭合的，机械手下一步要完成的动 作是放松上升，左移至左行限位开关再左旋，然后回到原点，完成复位工作。 在左边和在中间时，也是如此。根据这一思路，编写如下程序：NcfvMQikNcfvMQik 2C2M12闭？NetwoikNetwoik 3 3 |停止E11IE11I点U1.2NHwoikNHwoik 4 4Word文档51 iI -=CR0NHwvik

45、 5|她工在弭(W(W上升s s .區第档M1.3lJ$1.0$1.0T I -1 卜nT-GCRT)GCRT)丸i iM -SCRT)Newark BI 和畔坯 $1.2ami2M1.3115QOGSI 2T 1 -1 Hn L| | 5 5 匸 H H TTQMS13S13M)J*J* -sent)sent)NotwoikNotwoik 7s：R0hlctwoik： 9灭紧上井S1.3S1.3CCHCCH- -NtlwuikNtlwuik 1010上升n WCfl.UCfl.UT T，1 1ClW4lkClW4lk 1111CtQQOCH)1上Tl刮fZJB动K紧石尬11 3S15| |

46、-sent)sent)kl.Jd.nBX PJ/VWord文档Network 2D11.40.10.1_f L _1 / 1 -(4(4 b b J JJ:Q0L1Q0L1M啊1T ON ctwofk 21下楚刘用松幵证託1爭IV4IV413713700.600.6TII-1 * I-()n?iii ToiT5 - PIHfriwoikHfriwoik 22叶问到启旳曲怯上升T37T37G1.0G1.0T I -SCfi0SERF)NEwork 241沁一卜升S1 SCRNdmak 251冲11QOOT r(5)1H 口 1QD.UT巧NMA4tk 261|二）IM位舷总左裟1111 3 3I

47、M1IM1 -2-2引.4.4II-1,1-呦SIFl3 3_g_g- -zefc-zefc- ISCROE EHH 畫.l lltlt 一 JS理耳移吕4Word MBWord文档523523自动控制程序自动控制即连续控制，按下启动按钮，检测机械手是否在原点，若不在, 首先复位，若在则依次完成十个工步，直到按下停止按钮。程序如下：Mrfwoifc 1 目融迂叮桎辱同凍戶丨T5T5ILQOC讯”NlFtwiork 71若耳匸咔兀订堀位子疑序IDDIDD1 1M0M0 7 7SB-_DSB-_DENENNetwuikNetwuik 3 31密立G匚訪口工祗闲巴n.1HQ 21 , 1 / 1101101 1MOl?MOl?11t )Netwok 4启动下陸程呼JMQ2MQ2I II I1 - I1 1 1 1-= J1NelNel