基于PLC的机械手控制系统的研究与设计-毕业论文

本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 作作者者：陈周凯 专专业业：工业电气自动化 班班级级：工电 081 指导教师指导教师：陈艳艳、陈娟 题题 目目 基于 PLC 的机械手控制系统的研究与设计 南通大学杏林学院 原原 创创 性性 声声 明明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成 果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：日 期： 本论文使用授权说明本论文使用授权说明 本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容。 （保密的论文在解密后应遵守此规定保密的论文在解密后应遵守此规定） 学生签名：指导教师签名：日期： 南通大学杏林学院毕业设计（论文）立题卡 课题名称基于 PLC 的机械手控制系统的研究与设计出题人陈艳艳、 陈娟 课题表述 （简述课 题的背景、 目的、意 义、 主要内 容、 完成课 题的条件、 成果形式 等） 目前，钢丝绳行业在我国仍属于传统制造业，其生产工艺流程具有典型的“三高” 特点：高能耗，高污染，高作业强度。而本文研究的目的主要从降低工人劳动强度和 提高工作效率的角度出发，根据钢丝绳制作工艺的特点，设计适合于本行业的机械手 控制系统。 主要工作内容包括：了解钢丝绳生产工艺流程，具体工序的实施步骤和技术要求， 从而为后期的机械手系统软硬件设计与选型奠定基础。参与机械手系统架构的设计与 制作以及成品的调试与安装。 课题来源企业技改项目课题类别应用 该课题对 学生的要 求 熟悉 PLC 编程逻辑，以及主流 PLC 的产品和指令系统 了解步进电机的工作原理 了解常用的执行机构的工作原理 了解常用的传感检测产品 学系意见 同意立题（）不同意立题（） 学系主任签名：_ _年_月_日 注：1、此表一式三份，学系、教务处、学生档案各一份。 2、课题来源是指：1.科研，2.社会生产实际，3. 其他。 3、课题类别是指：1.毕业论文，2.毕业设计。 4、学系意见：在组织专业指导委员会审核后，就该课题的工作量大小，难易程度及是否符合专业培 养目标和要求等内容提出具体的意见和建议。 南通大学杏林学院南通大学杏林学院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 姓名陈周凯 专业工业电气自动化 班级工电 081 指导教师陈艳艳、陈娟 发任务书日期2012 年2月27日 题目：基于 PLC 的机械手控制系统的研究与设计 课题的内容和要求（研究内容、研究目标和解决的关键问题） 通过对钢丝绳生产工序的了解和相关操作技术参数的咨询和测量， 结合实际 工况，利用 PLC、步进电机和相关执行、检测机构设计一种适用于钢丝绳行业的 机械手装置。从而降低工人的劳动强度，提高生产效率。研究中的几个关键点包 括：机械手的精确定位、 机械手的动作模式以及机械手系统运行的稳定性与可靠 性等。 课题的研究方法和技术路线 广泛查阅关于机械手设计的文献资料；深入生产一线，体验钢丝绳生产的 操作流程，根据特定的工况明确本文机械手设计的基本功能；设计机械手控制系 统的软体与硬体；不断测试和改进机械手功能，增强产品的适用性和普及性。 基础条件 基本电气、检测与控制方面知识的培训；机械手研制所包含的电气和机械设备的 提供； 机械设计与制作方面的配合；真实工况环境下的测试。 参考文献 1 郁汉琪.电气控制与可编程控制器应用技术M.南京:东南大学出版社，2009 2 张毅.自动检测技术及仪表控制系统M.北京:化学工业出版社，2004 3 康华光.电子技术（模拟）M.北京:高等教育出版社，2006 4 罗先觉.电路M.北京:高等教育出版社，2006 5 胡寿松.自动控制原理M.北京:科学出版社，2008 6 周泽魁.控制仪表与计算机控制装置M.北京:化工工业出版社，2002 7凌志浩.智能仪表原理与设计技术M.上海:华东理工大学出版社，2011 8 李宁, 刘启新. 电机自动控制系统M. 北京: 机械工业出版社出版, 2005 9 齐占庆. 机床电气控制技术M. 北京: 机械工业出版社出版, 2007 10程子华. PLC 原理与编程实例分析M. 北京: 国防工业出版社出版, 2007 11秦曾煌. 电工学电子技术M. 第六版, 北京: 高等教育出版社出版, 2007 12张建民. 机电一体化系统设计M. 北京: 北京理工大学出版社, 2007 13陆祥生, 杨秀莲. 机械手理论及应用M. 北京: 中国铁道出版社出版, 1985 14白传悦, 装配机械手 PLC 控制系统J. 机械制造行业用,2006,5(48),134136 15王永章 杜君文, 程国全. 数控技术M. 北京: 高等教育出版社出版, 2001. 16王兆义. 小型可编程控制器实用技术M. 北京: 机械工业出版社出版, 2001. 本课题必须完成的任务 熟练掌握基本定位控制系统的设计架构； 设计出适合钢丝绳行业工况的机械手控制系统。 成果形式 机械手控制系统； 毕业论文一篇。 进度计划 起讫日期工作内容备注 2.132.26 查阅机械手设计、PLC 的机械手控制系统、 PLC 控制步进相关中外参考文献，翻译一份 英文资料。 2.273.14 理解课题设计思想， 熟悉 PLC 的机械手控制 系统的原理，撰写开题报告提出机械手系统 设计的基本功能和架构 3.154.12 开始进行对 PLC 的机械手控制系统的深入研 究 3 月 17 日3 月 30 日完成开题答辩 4.124.13毕业设计中期检查。 4 月 27 日前 完成中期检查 4.145.18完成软硬件的设计，并进行的设备调试 5.195.25撰写毕业论文（设计说明书） 。 5 月 25 日 交毕业论文草稿 5.266.6 修改完善毕业论文，进行毕业设计成果演示 和验收。 6 月 6 日前 毕业论文定稿 6.76.10准备和进行毕业论文答辩 学系意见 系主任签名：_年_月_日 南通大学杏林学院南通大学杏林学院 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 杏林学院信息学部自动化系 2012 年 02 月 题目：基于 PLC 的机械手控制系统的研究与设计 作者：陈周凯 专业：工业电气自动化 班级：工电 081 指导教师：陈艳艳、陈娟 I 摘摘要要 目前，钢丝绳行业在我国仍属于传统制造业，其生产工艺流程具有典型的“三高”特点： 高能耗，高污染，高作业强度。而本文研究的目的主要从降低工人劳动强度和提高工作效率 的角度出发，根据钢丝绳制作工艺的特点，设计适合于本行业的机械手控制系统。 本文重点分析了基于 PLC 的机械手控制系统的组成，并详细叙述了在以 PLC 为核心的基 础上，对步进电动机进行综合控制的软、硬件的实现方法。该系统利用步进电动机单位脉冲 所具有的步进距离不变的特点，对其采用开环点位控制。其以起点作为参考点，通过脉冲计 数得到目的点的位置，手动操作机械手从参考点运动到目的点后，保存目的点位的特征参数。 该机械手控制系统在实际运行中能够可靠稳定运行。 关键词：可编程控制器，机械手，定位控制 II ABSTRACT At present ,wire rope industry still belongs to the traditional manufacturing industry at our country.The production process has a typical “three highs“characteristics.high energy consumption and high pollution,highintensityof homewok .And the purpose of this study mainly from reduce labor intensity and improve the work efficiency Angle, according to the characteristics of wire rope making technology, design suitable for the industrys robot control system. This paper analyzed the PLC-based control system Manipulator the composition, and described in detail in the PLC as the core on the basis of the Stepping Motor control of the integrated software and hardware of the method. The system used by the Stepping Motor unit pulse of step with the characteristics of the same distance from their point of using open-loop control. To its starting point as a reference point, through the pulse by counting purposes at the location, manually operated mechanical hand movement from the point of reference points to the purpose, the purpose of preserving points of the parameters. The robot control system in the actual operation can be reliable and stable operation. Key words:Programmable Logic Controller, Manipulator, Positioning Control I 目录 摘要I ABSTRACT. II 第一章 前言. 1 1.1 研究的目的和意义.1 1.2 主要研究内容及需要解决的关键问题和思路.2 1.2.1 课题研究内容.2 1.2.2 硬件选择.3 1.2.3 控制要求.3 1.2.4输入/输出设备.3 1.2.5 PLC 选择.3 1.2.6I/O 点数分配3 1.2.7PLC 程序设计3 第二章 硬件设计.5 2.1 机械手夹持结构.5 2.1.1 夹紧机构手爪5 2.1.2 本设计中手爪结构5 2.2 传动系统6 2.2.1 传动定位机构.6 2.2.2 传动方式.6 2.2.3 步进电机的选择及其驱动器设定.6 2.3 辅助系统11 2.3.1 原点定位及超程保护11 2.3.2 操作台13 第三章 软件设计.14 3.1 PLC 控制系统的设计及 I/O 口分配. 14 3.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则.14 3.1.2 PLC 控制系统设计步骤.14 3.1.3 PLC 的输出方式.15 II 3.1.4 I/O 点数.16 3.2 程序设计18 3.3 控制原理图20 3.4 初始化程序21 3.5 回原点程序22 3.6 手动程序24 3.7 自动程序.25 第 4 章 结语. 40 参考文献. 41 致谢42 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 1 第一章第一章 前言前言 1.1 研究的目的和意义 本课题是基于 PLC 控制器的机械手的控制系统的研究与设计， 目的是在于通 PLC 可编程 控制器和各种传感器来对机械手臂的运动进行有效的控制，来达到人们想要的运动效果，从 而代替一些由人来重复操作的机械的枯燥乏味的动作。本课题的机械手贴近钢丝绳工业的生 产要求，具有很强的可行性、实用性和经济性。该设备可以应用于钢丝绳制造自动化生产线 中的捻股车上的机械手的运用，实现工字轮在转筒内的装卸、和搬运。大大的减轻工人的劳 动强度、减少人力资源的浪费，节省生产成本，提高生产效率，减少因为人工疏忽造成的安 全事故。 伴随着工业自动化的不断发展，机械手它凭着定位精度高、工作性能稳定、结构灵活、 可精确控制等特点，被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域。它 的运用标志着制造业向自动化、无人化、智能化的方向迈进。就传统继电器控制的机械手而 言，因其控制装置落后、接线复杂、易受干扰、稳定性差、维修困难等劣势，逐步退出了历 史舞台。现代机械手主要运用的是可编程控制器。可编程控制器因其优良的特点被广泛应用 于现代机械手的控制系统中。可编程控制器简称 PLC，是指以计算机技术为基础的新型工业 控制装置，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用的是 可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算 等操作指令，并能通过数字量或模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械手进行工业生产。 在现代工业运用中可编程控制器（PLC）的特点如下： 1）可靠性高，抗干扰能力强 可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，严格的生 产工艺和制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。就 PLC 的机外电路 来说，使用 PLC 构成控制系统和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减 少到数百甚至数千分之一，因此故障率也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功 能，出现故障时可及时发出警报信息。在软件应用中，应用者还可以编入外围器件的故障自 诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。 2）配套齐全，功能完善，适用性强 PLC 发展至今，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工 业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 2 控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、湿度 控制等各种工业控制中。加之 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各 种控制系统变得越来越容易。 3）易学易用，深受欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言容 易为工程技术人员所接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只 用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。 为不熟悉电子电路、 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建 造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是能够使同一设备经过改变程序从 而改变生产过程。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5）体积小，重量轻，能耗低 以超小型 PLC 为例，其底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗只有几瓦。由于体 积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。配套齐全，功能完善，适用 性强。 所以综上所诉现代机械手，可以逐步改善劳动条件，提高生产效率和保证产品质量，消 除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动 风险，减少工业生产中的工作量，显著地提高劳动生产率，提高企业竞争力，加快实现工业 生产机械化和自动化的步伐。本设计运用于钢丝绳生产流水线中埝股车上“工”轮的装卸和 搬运， 可代替工人在高温和危险的作业区进行作业， 可抓取重量较大的工件， 采用 PLC 控制， 和传统继电器控制相比较，具有稳定性高，接线简单，抗干扰能力强，维修方便等优点。可 以简化控制线路，节省成本，进一步提高劳动生产率。 1.2 主要研究内容及需要解决的关键问题和思路 1.2.1 课题研究内容 本课题研究任务：实现机械手在钢丝绳生产线中，埝股车台上“工”字轮的装卸、互换 和搬运的动作，来代替工人进行单调持久地搬移装卸动作。 实现功能和要求：PLC 控制，预置工作程序，动作灵活，可根据“工”字轮的位置变化 可以随时更改相关控制参数。 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 3 1.2.2 硬件选择 （1）动力源步进电机及其相应驱动设备。机械手夹持部位采用气动控制。 （2） 传动机构机械手臂 Z 轴和 Y 轴采用滚珠丝杠螺母传动， X 轴采用的是齿轮传动。 （3）减速机构采用步进电机的抱死系统。 （4) 操作台布置尽力人性化处理，显示实时工作状态及故障报警。 1.2.3 控制要求 (1）定位精确性步进电机和步进电机驱动器作为动力驱动设备，采用开环控制，满 足定位要求，用脉冲信号来控制机械手各方向的行程。 (2）行程限位保护采用接近开关作为限位信号，实现限位控制。 (3) 故障报警系统具有故障指示功能。 1.2.4输入/输出设备 （1）输入：指令按钮、旋钮、急停按钮、报警及指示装置。 （2）输出：指示灯、步进电机及其驱动设备、气动开关、电磁开关。 1.2.5 PLC 选择 保证设计所需的指令、I/O 点数、电压及输出方式的要求，选择质优、价廉、广泛应用 的产品以降低总设计成本为主要目的，所以选择台达的 PLC。 1.2.6I/O 点数分配 合理选用满足设备要求点数的 PLC，减少不必要的浪费。优先分配特殊 I/O 点，注意相 关指定输入输出端归类分布。 1.2.7PLC 程序设计 （1)手动程序通过控制台上的按钮，手动对机械手进行各个方向的控制和机械手夹 的加紧和放松动作。 (2)自动程序当切换到自动运行状态时，机械手可以自动的进行动作，自动的对工 字轮进行搬运、装卸、和安放。 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 5 第二章第二章硬件设计硬件设计 2.1 机械手夹持结构 2.1.1 夹紧机构手爪 机械手手爪是用来抓取工件的部件。其机构多种多样可以分为无关节、固定关节和自由 关节三种，本设计是属于固定关节的。手指数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指 用得较多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作。手爪抓 取工件时应具有迅速性、灵活性、准确性和可靠性。 设计过程中应根据需要，对机械手的运行速度、加速度、夹持物体重量、惯性和冲击力、 开口尺寸进行校核，且能够自锁，防止断电或设备故障造成被抓物掉落。 2.1.2 本设计中手爪结构 本设计中被夹持的工件是“工”字轮，是有凹槽回转体，且满轮的“工”字轮重量比较 重，所以在机械机构方面对手爪做如图 2.1 的设计。手爪的抓放动作由通过气缸的伸缩来实 现。 图 2.1 机械手手爪示意图 本设计中手爪的工作方式：机械手的夹紧与放松由电气阀控制。若电气阀得电，手爪端 汽缸运动手爪张开；若线圈失电，机械手手爪将恢复到自然状态，保持夹紧状态，实现自锁 功能，避免因偶然断电导致被抓物掉落。 其特点：由于夹紧的为钢性工件，为了提高安全性能，防止损坏工件，我们可以在夹紧 部分加上一层橡胶，这样可以通过增大工件和手指之间的摩擦系数来增加安全性通过橡胶 气缸 手抓 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 6 的弹性变形来缓冲对工件的冲击，可以减轻乃至消除对工件的损坏。 2.2 传动系统 2.2.1 传动定位机构 本设计中机械手主要做三个方向上的运动前后(X)、左右(Y)和上下(Z)。机械手在 X、Y、 Z 这三个方向上作的都是直线运动，其结构基本上是由驱动机构和导向装置组成。选用步进 电机作为动力，选用丝杠螺母机构或齿轮齿条机构作为传动机构。现就两者作以下分析： (1)丝杠螺母机构：位移较准确、降速比大，运平稳、无噪音、易自锁，但高精度的丝杠 制造比较困难，传动效率低。矩形、梯形螺纹结构，因传动力大，应用广泛。滚珠丝杆效率 高，但成本高。 (2)齿轮齿条机构：传动效率高，速度快、无自锁。一般用于机械手的传动机构，不作为 定位机构。 为满足设计要求，所以 Y、Z 方向优先选用丝杠螺母机构，X 方向选用齿轮齿条机构。 2.2.2 传动方式 本设计中机械手的驱动设备是步进电机及其步进电机驱动器，所以机械手的位移和运动 速度，可由电控系统发出脉冲信号数量及脉冲信号频率来控制。脉冲信号数是来控制机械手 的行程的，而频率是来控制其移动速度的，更重要的是步进电机能够达到比较高的重复定位 精度，没有累积误差。 2.2.3 步进电机的选择及其驱动器设定 步进电动机(stepping motor)是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。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(称为“步距 角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 步进电动机分为机电式及磁电式两种基本类型。 (1)机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产生磁力， 推动其铁心心子运动，通过齿轮机构使输出轴转动一角度，通过抗旋转齿轮使输出转轴保持 在新的工作位置；线圈再通电，转轴又转动一角度，依次进行步进运动。 (2)磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式 3 种形式。永磁式步进电动 机由四相绕组组成。A 相绕组通电时，转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向;A 相断电、 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 7 B 相绕组通电时，就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向 上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大。 缺点是起动频率和运行频率较低。 反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用 这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。 这种步进电动机步矩角可做到1 15，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低。 永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。是永磁式步进电动机和反应式步进电 动机两者的结合，并兼有两者的优点。 步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电 源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率 步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性要能满足机械负载，并有一 定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线 的范围内。一般地说最大静力矩 max Mj大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到设备所需的脉冲当量。在 机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进 电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特 性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和设备要求的启动频率，使之与步 进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足快速移动的 需要。 选择步进电机需要进行以下计算： 1)计算齿轮的减速比，根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下： 360 S i （2-1） 式中: -步进电机的步距角（o/脉冲） S-丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） 2)计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量 t J 。 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 8 2 21 22 1 s g W JJ i JJ St （2-2） 式中： t J -折算至电机轴上的惯量( 2 scmKg ) 1 J 、 2 J -齿轮惯量( 2 scmKg ) s J -丝杆惯量( 2 scmKg ) W -工作台重量（N） S -丝杆螺距（cm） 3)计算电机输出的总力矩 M。 tfa MMMM（2-3） 2 1002. 1 T nJJ M tm a （2-4） 式中： a M -电机启动加速力矩（ mN ) m J 、 t J -电机自身惯量与负载惯量( 2 scmKg ) n-电机所需达到的转速（r/min） T-电机升速时间（s） 2 10 2 i sWu M f （2-5） 式中： f M -导轨摩擦折算至电机的转矩（ mN ) U -摩擦系数 -传递效率 2 10 2 i sp M t t （2-6） 式中： t M -切削力折算至电机力矩（ mN ) t p -最大切削力（N） 负载起动频率估算。控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为： 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 9 2 1 0 1 1 m t i tf qq J J M MM ff （2-7） 式中： q f -带载起动频率（Hz） 0q f -空载起动频率（Hz） i M -起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（ mN ) 若负载参数无法精确确定，则可按 0 2 1 q q f f 进行估算。运行的最高频率与升速时间的计 算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出 力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。负载力矩和最大静力矩 max M 。负载力矩可按（2-5） 和（2-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于 f M 与 t M 之 和，并留有余量。一般来说， f M 与 t M 之和应小于（0.20.4) max M 。 步进电机和交流伺服电机是运动控制系统中最常用的两种执行电动机。在电机选型过程 中，必须首先计算出负载通过机械传动系统对电机轴的折算扭矩 折 T ，下面就几中常见的机械 传动方式介绍折算扭矩 折 T 的计算过程。丝杠螺母传动： b T Ft i T 2 1 折 （ mN ）（2-8） mgFF 0 （N）（2-9） 步进电机驱动器的选择原则，确保控制器输出频率足够高的情况下，尽量使用高细分数。 这样电机运动平稳，控制精确度又能提高。但是如果所用的控制器发不出驱动器所要求的频 率，用再高细分数的驱动器也是没用的。本设计选择的步进电机驱动器是如图 2.2 所示的 MS-3H13OM 驱动器。其驱动器特点如下： 1）AC80V-220V 交流供电，能适应恶劣的电网环境。 2）交流伺服原理，双极性横流细分驱动。 3）最大输出驱动电流 6.8A/相（有效值，峰值达 13A） ，16 挡电流选择，适用多型号步 进电机。 4）最大细分 10000 步/转，有 16 种细分模式可以选择。 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 10 5）过压，过流，短路，温度保护 6）所有输入信号都经过光电隔离。 7）可适应供阳，供阴，单/双脉冲多重模式。 8）股机保护功能 9）提供节能的自动半流锁定功能。 10）拨码开关直接设定细分数和电流。 图 2.2 步进电机驱动器实物图 本驱动器细分数及相电流设定：本驱动器是用驱动器上的拨盘开关来设定细分数及相位 电流的，根据版面的标注即可：请你在控制器频率允许的情况下，尽量选用高细分数这样的 电机运行更加平稳，所以在 X、Y、Z 方向上使用最大的细分数每转 10000 步，具体设置方法 请参考表 2.1 和表 2.2： （ON=0，OFF=1） 表 2.3 步进电机步数设定说明 步数设定 1234 位每转步数步距角 00004000.9 00015000.72 00106000.6 00118000.45 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 11 010010000.36 010112000.3 011016000.225 011120000.18 100024000.15 100130000.12 101040000.09 101150000.072 110060000.06 110164000.05625 111080000.045 1111100000.036 表 2.2 步进电机电流设定说明 电流设定（设定在 OFF 位置有效） 7 位3.6A 8 位1.8A 9 位0.9A 10 位0.5A 所有拨盘 7-10 位都在 OFF 位置时电流最大 本设计中步进电机驱动器的外部接线图如图 2.3 所示。 2.3 辅助系统 2.3.1 原点定位及超程保护 为保证机械手重复定位精度，对机械手每工作循环提出返回原点校零位要求。 在三个方向的初始位置添加限位开关，当三个方向的限位开关都触及时发出已达原点指 令，系统对机械手进行校零，使各个寄存器的参数清零或复位。同时在三个方向的另一端添 加超程限位开关，使机械手到达极限位置后能锁定其继续前行运动，只能反向运动，以实现 因故障或其他原因造成的超程保护功能。图 2.4 就是其一个方向的运动示意图。 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 12 图 2.3 步进电机驱动器接线示意图 图 2.4 传动丝杠示意图 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 13 2.3.2 操作台 操作面板设计以贴近人们日常工作习惯、符合人体工程学、方便工作人员直观操作、 反应自动工作状态为原则，与后文 I/O 采用方案相匹配进行设计。该机械手工作方式有手动、 自动两种形式。下面根据本设计的特点，对操作面板的设计说明如下： 1）按钮： 电源：控制电源的开关 停止：切断三个方向上步进电机的电源 复位：使机械手自动回归到零点位置 自动运行：启动自动运行的程序 手动/自动：手动运行和自动运行的切换按钮 X 方向电机：手动运行时 X 方向的电机启动按钮 Y 方向电机：手动运行时 Y 方向的电机启动按钮 Z 方向电机：手动运行时 Z 方向的电机启动按钮 卡抓紧：爪手电磁阀的加紧信号 卡转松：爪手电磁阀的松开信号 反转/正传:电机的正反转转换按钮 安装/卸载：对工字轮的安装和卸载信号 2）指示灯 复位零点指示灯：判断是否在复位零点的指示灯 报警灯：故障/出错指示灯 工作显示灯：显示机械手是否处于工作状态 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 14 第三章第三章 软件设计软件设计 3.1 PLC 控制系统的设计及 I/O 口分配 3.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则 1. 最大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥 PLC 的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计 PLC 控制系统的首 要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调 查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程 管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点 问题和疑难问题。 2. 保证 PLC 控制系统安全可靠 保证 PLC 控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就 要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。 例如：应该保证 PLC 程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、 按钮按错等） ，也能正常工作。 3. 力求简单、经济、使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但 新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求 的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。 这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成 本低，不宜盲目追求自动化和高指标。 4. 适应发展的需要 由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控 制系统发展和完善的需要。这就要求在选择 PLC、输入/输出模块、I/O 点数和内存容量时， 要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。 3.1.2 PLC 控制系统设计步骤 1)分析被控对象，提出控制要求。 2)确定输入、输出设备。 3)确定 PLC 的 I/O 点数，选择 PLC 机型。 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 15 4)分配 I/O 点数，绘制 PLC 控制系统输入、输出端子接线图。 5)程序设计，绘制工作循环图或状态转移图。 6)程序调试。先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行 整体、系统调试。 7)调试过程结束，整理技术资料，投入使用。 PLC 控制系统的设计过程的具体流程图如图 3.1 所示。 图 3. 1PLC 控制系统设计步骤流程图 3.1.3 PLC 的输出方式 PLC 包括继电器输出和晶体管输出两种输出方式。其适输出区别如下： 1）负载电压、电流类型不同 负载类型：晶体管只能带直流负载，而继电器带交、直流负载均可。 电流：晶体管电流 0.2A-0.3A，继电器 2A。 电压：晶体管可接直流 24V（继电器可以接直流 24V 或交流 220V） 。 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 16 2）负载能力不同 晶体管带负载的能力小于继电器带负载的能力，用晶体管时，有时候要加其他东西来带 动大负载（如继电器，固态继电器等） 。 3）晶体管过载能力小于继电器过载的能力 一般来说，存在冲击电流较大的情况时，晶体管过载能力较小，需要降额更多。 4）晶体管响应速度快于继电器 继电器输出型原理是 PLC 驱动继电器线圈，令触点吸合，使外部电源通过闭合的触点来 驱动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢（约 10ms） ，主要是来控制开关量。 晶体管输出型原理是 PLC 通过光耦合使晶体管通断，以控制外部的直流负载，响应时间 快（约 0.2ms 甚至更小） 。晶体管输出一般用于高速输出，如伺服、步进等，动作频率高的输 出。 额定工作情况下，继电器有动作次数寿命，晶体管只有老化没有使用次数的限制。继电 器是机械元件，所以有动作寿命，晶体管是电子元件，所以只有老化，没有使用次数限制。 继电器的每分钟开关次数也是有限制的，而晶体管则没有。 本文中使用步进电机作为动力源，故采用晶体管输出，直流 D24V 电源，而两个电磁阀用 的是继电器输出。 3.1.4 I/O 点数 I/O 点数是衡量可编程控制器规模大小的依据。 其确定依据是将与 PLC 相连的全部输入、 输出器件根据所需的电压、电流的大小和种类分别统计，考虑将来发展的需要再相应增加 1015的余量。I/O 口分配原则： 1)特殊、特定 I/O 点优先分配。如高速脉冲输出口 Y000 或 Y001 或 Y003；方便指令中 初始状态指令等。 2)普通无指定I/O 点的归类分配。 3)适当的方法节省I/O点数。如编码等。 所以本课题的 I/O 口分配如表 3.1 所示为： 表 3.1 PLC 的 I/O 分配说明 输入功能(设备)输出功能(设备 X0x 方向零点接近开关Y0x 横向步进电机 X1y 方向零点接近开关Y1y 水平步进电机 X2z 方向零点接近开关Y3z 垂直步进电机 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 17 X3工位接近开关（公用）Y5y 水平步进电机转向 X11捻绳筒定位信号Y6z 水平步进电机转向 X12防护罩打开信号Y7x 水平步进电机转向 X13防护罩关闭信号Y10开锁气缸电磁阀 X14x 方向极限行程Y11气爪气缸电磁阀 X15y 方向极限行程Y14电机拖死机构 X16z 方向极限行程Y15复位零点指示灯 X17夹持卡爪开关（串联）Y16报警灯 X21开锁气缸伸接近开关（串联）Y17工作显示灯 X22开锁气缸缩接近开关（串联） X23z 方向安全锁到位（里面接近开关） X24气源压力开关 X25锁可靠接触（串联） X27停止 X30复位 X31自动运行 X32手动/自动 X33x 方向电机 X34y 方向电机 X35z 方向电机 X36卡爪紧 X37卡爪松 X40关索 X41开锁 X42反转/正传 X43安装/卸载 X50模式转化 X51工位 1 选择按钮 X52工位 2 选择按钮 X53工位 3 选择按钮 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 18 3.2 程序设计 本课题的程序设计是根据钢丝绳生产线中捻股车的生产要求来设计的，他的工作流程图 如图 3.2 所示： 图 3.2机械手的工作流程图 X54工位 4 选择按钮 X55工位 5 选择按钮 X56工位 6 选择按钮 N 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 19 图 3.2机械手的工作流程图（续） N 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 20 3.3 控制原理图 图 3.3 控制原理图 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 21 3.4 初始化程序 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 22 图 3.4 初始程序化梯形图 3.5 回原点程序 图 3.5 返回原点程序体形图 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 23 图 3.5 返回原点程序体形图 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 24 图 3.5 返回原点程序体形图（续） 3.6 手动程序 图 3.6 手动程序梯形图 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 25 图 3.6 手动程序梯形图（续） 3.7 自动程序 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 26 图 3.7 自动程序梯形图 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 27 图 3.7 自动程序梯形图（续） 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 28 图 3.7 自动程序梯形图（续） 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 29 图 3.7 自动程序梯形图（续） 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 30 图 3.7 自动程序梯形图（续） 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 31 图 3.7 自动程序梯形图（续） 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 32 图 3