毕业设计（论文）-机械手控制电路的设计.doc

目 录 摘 要.1 Abstract.2 1 绪论.3 1.1 机器人概述.3 2 机械手和 PLC 的基本概述.5 2.1 机械手的概述.5 2.2 PLC 概述.7 3 机械手电路的设计.13 3.1 机械手电路的设计任务.13 3.2 机械手电路设计的要求.13 3.3 机械手集中控制系统的结构及设计.13 3.4 机械手电路的方案确定.14 3.5 机械手系统的硬件电路设计.15 3.6 机械手电路系统设计.17 3.7 抗干扰的设计.21 3.8 机械电路系统的调试.21 结 论.22 谢辞.23 参考文献.24 附录 1.24 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 1 机械手控制电路的设计 【摘摘 要要】随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工 成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空 间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装 料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全 性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临 的重大问题。它集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体 的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控 制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化 设计，配置灵活、组态方便。本设计就 PLC 在机械手控制上的应用作了详细阐述。 【关键词关键词】 可编程控制器（PLC） 机械手 自动控制 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 2 Design of manipulator control circuit Abstract：Along with sciences and technologys changing with each new day, the automaticity request is getting higher and higher, market competition intense, labor cost rise, formerly the manual control the transporting and the stationary conveyor belt tradition thing mode of transport primarily, not only takes the space not to be easy to change the production line structure, in addition needs the manpower monitor operation, increases the production cost, the original production feeds the installment not to be able to satisfy current highly automated by far the need. Reduces the labor intensity, the safeguard production reliability, the security, reduces the production cost, reduces the environmental pollution, to enhance the product the quality and the economic efficiency is the major issue which the enterprise produces must face. It integrates the automatic control technology, the Measurement Technique, the new sensor technology, the computer management technology in a bodys integration of machinery product; Carries on the centralism surveillance, the control supervisor fully using the computer technology to the production process and disperses the control; Has absorbed the dispersion-like control system and the common control systems merit fully, uses the standardization, the modulation, the systematized design, the disposition is nimble, the configuration is convenient. This design on PLC, in the manipulator controlled on to serve as the detailed elaboration. key words: programmable controller manipulator automatic control 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 3 1 绪论 1.1 机器人概述 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产 过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用 机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是 有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装 卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些 作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬 运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有 结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有 上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。 机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑， 所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特 点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这 种机构形式的机器人。 要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关 节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系 统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般 而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。 执行机构 机 器 人 控制系统 驱动-传动系统 手部 腕部 臂部 腰部 基座部（固定或移动） 电、液或气驱动装置 单关节伺服控制器 关节协调及其它信息交换 计算机 图 1-1 机器人的一般组成 对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识 别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物， 以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 4 的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各 部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1-2 所示。 位形检测 控制系统（二） 驱动 传动 装置 执行 机构 工作对象 智能系统 控制系统（一） 图 1-2 机器人各组成部分之间的关系 机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以 完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系 统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供 机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动 所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大 部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 5 2 机械手和 PLC 的基本概述 2.1 机械手的概述 2.1.1 机械手的应用简况 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加 工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数 控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。 但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机 械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75是小批量生产；金属加工生 产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些 工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产 品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。 国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面： 1.热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作 效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就 更需要采用机械手操作。 2.冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时 的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组 成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于 段。 3.拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前 国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴 箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一 种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高 喷漆的质量和效率。 近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用， 工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。 2.1.2 机械手的应用意义 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： 1.可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、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，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和 自动化的步伐。 2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 6 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，用人手直接操作是 有 危险或根本不可能的。而应用机械手即 可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地 改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，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。 3.可以减少人力，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。因此，在自动化机床和综合加工自动 生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节 奏地进行生产。 综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。 2.1.3 机械手的发展概况 专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用 机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不 仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通 讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新 技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直 比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。 早在 40 年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。 5060 年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种 机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特 (UniMate)机械手即属于这种类型。 6070 年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即 是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。 80-90 年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。 90 年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿 业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。 90 年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术 也得到飞速的多元化发展。 总之，目前机械手的主要经历分为三代： 第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的 方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、 触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手 具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设 备保持联系，并逐步发展成为柔性系统 FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造 单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。 2.1.4 机械手的发展趋势 目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能 方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重 点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械 手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械 手和组合式机械手等。 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 7 将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、 升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同 类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构， 以便根据不同的作业要求，选用不用的典型 部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应 用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外 还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计 算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻 压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的 操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就 将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某 些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。 如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星 计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析 物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。 触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工 件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。 手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大 小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995 年， 全世界约有 50%的汽车由机械手装配。 现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合， 从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 2.2 PLC 概述 2.2.1 PLC 简介 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC 得到了快速发展，在世界各地得 到了广泛应用。同时，PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制 技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模 拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制 等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品，PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展， 世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC 市场容量基数的不断扩大，近年来 PLC 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国 等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。综合相关资料，2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量 逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计 数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用 户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入 PLC 的用户程序存储器中。 运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC 的 CPU 内有指示 程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加 1，程序 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 8 从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为 END 指令） ，然后再返回起始步 循环运算。PLC 每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC， 循环扫描周期在 1 微秒到几十微秒之间。PLC 用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出 快速的优点，在微秒量级，解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量 来处理，16 位（也有 32 位的）为一个模拟量。大型 PLC 使用另外一个 CPU 来完成模拟 量的运算。把计算结果送给 PLC 的控制器。 相同 I/O 点数的系统，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些（大约能省 40%左右） 。 PLC 没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比 DCS 要低很多。 一个 PLC 的控制器，可以接收几千个 I/O 点（最多可达 8000 多个 I/O） 。如果被控对象主 要是设备连锁、回路很少，采用 PLC 较为合适。PLC 由于采用通用监控软件，在设计企 业的管理信息系统方面，要容易一些。 近 10 年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始 采用 PLC 进行控制，PLC 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础 自动化水平的不断提高，今后一段时期内 PLC 在我国仍将保持高速增长势头。 通用 PLC 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但 PLC 相对一般嵌 入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采 用嵌入式控制器，现在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制器。 2.2.2 PLC 内部原理 PLC 实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的,如 图 2-1 所示。 图 2-1 PLC 硬件的基本结构图 1.中央处理单元（CPU） 中央处理单元（CPU）是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能，接受 并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态， 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 9 并能检查用户程序的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输 入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区, 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程 序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等 结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将 I/O 映象 区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停 止运行为止。 2.存储器 与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的 PLC。PLC 的软件分为两部分: 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 PLC 存储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC 的 CPU 的最大可寻址存储空间各不相 同，但是根据 PLC 的工作原理， 其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区， 系统 RAM 存储区（包括 I/O 映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。 （1）系统程序存储区 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、 管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在 EPROM 中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该 PLC 的各项功能。 （2）系统 RAM 存储区 系统 RAM 存储区包括 I/O 映象区以及各类软设备（例如：逻辑线圈、数据寄存器、 计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。 1）I/O 映象区 由于 PLC 投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出 刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要有一定数量的存储单元 （RAM）以供存放 I/O 的状态和数据，这些存储单元称作 I/O 映象区。一个开关量 I/O 占 用存储单元中的一个位（bit）, 一个模拟量 I/O 占用存储单元中的一个字（16 个 bit)。 因此，整个 I/O 映象区可看作由开关量的 I/O 映象区和模拟量的 I/O 映象区两部分组成。 2）系统软设备存储区 除了 I/O 映象区以外，系统 RAM 存储区还包括 PLC 内部各类软设备（逻辑线圈、数 据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）的存储区。该存储区又分为具有 失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在 PLC 断电时，由内部的锂电子供 电。使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当 PLC 停止运行时，将这部分存储单元 内的数据全部置“零” 。 （3）用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的 PLC 其存储容量各不相同， 一般来说，随着 PLC 机型增大其存储容量也相应增大。不过对于新型的 PLC，其存储容量 可根据用户的需要而改变。 （4）常用的 I/O 分类 常用的 I/O 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离 和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA） 、电压型（0-10V,0-5V,-10- 10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 10 按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的 基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 3.PLC 电源 PLC 电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的 PLC，还是中、大型的 PLC，其电源的性能都是一样的，均能对 PLC 内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电 源。一般交流电压波动在正负 10%（15%）之间，因此可以直接将 PLC 接入到交流电网上 去。 可编程序控制器一般使用 220V 交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压电源为各 模块内的元件提供直流电压。某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检 测装置（如接近开关）提供 24V 直流电源。驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。 可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电 路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。 这种计算机程序实现的“软继电器” ，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。 2.2.3 PLC 的工作原理 可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。 在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使 可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次， 而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机 或切换到 STOP 工作状态。 除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完成，内 部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段。可编程序控制器的这种周而复始 的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出 关系来看，处理过程似乎是同时完成的，如图 2-2 所示。 图 2-2 PLC 的工作原理图 在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常，将监控 定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 11 在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器 键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只 执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外 3 个阶段的操作。 在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状 态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制器梯形图中别的编 程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，可编程 序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。 外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输 入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开，对应的输入映像 寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在程序 执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态 也不会随之而 变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。 可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。 在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序 结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件 的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件 映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程 序的执行而变化。 在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。体型图某 一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合， 使外部负载通电工作。 若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段 后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断 电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为 ON，映 像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为 OFF。 扫描周期可编程序控制器在 RUN 工作状态时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫 描周期，其典型值为 1100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占 相当大的比例。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。如图 2-3 所示。 图 2-3 PLC 的扫描运行方式 1.输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次读入所有的数据和状态，将它们存入 I/O 映象 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 12 区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。在这两个阶段中， 即使输入数据和状态发生变化 I/O 映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。所以输 入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入 均能被读入。 2.用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC 的 CPU 总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。 并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统 RAM 存储区中对 应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。例如：算术运算、 数据处理、数据传达等。 3.输出刷新阶段 在输出刷新阶段，CPU 按照 I/O 映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路， 再经输出电路驱动响应的外设。这时才是 PLC 真正的输出。 4.输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号发生变 化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路 滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。 输入模块的 CPU 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点 动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短， 其典型值为 10ms 左右。 输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在 10ms 左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为 1ms，负载由导通到断开时的 最大滞后时间为 10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为 1ms。由扫描工作方式引起的 滞后时间最长可达到两个多扫描周期。可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十 ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统， 可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 13 3 机械手电路的设计 3.1 机械手电路的设计任务 机械手电路的控设计任务用欧姆龙型 PLC 技术设计机械手控制电路，模拟机械手工 作过程，每次循环动作均从原位开始如图 3-1 所示： 图 3-1 机械手控制电路 3.2 机械手电路设计的要求 1.在传输带 A 端部，安装了光电开关 PS，用以检测物品的到来。当光电开关检测到 物品时为 ON 状态。 2.机械手在原位时，按下起动按钮，系统起动，传送带 A 运转。当光电开关检测到物 品后，传送带 A 停。 3.传输带 A 停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带 A 上搬到传送带 B(连续运转）上。 4.机械手返回原位后，自动再起动传送带 A 运转，进行下一个循环。 5.按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返回原位，停止工作。 6.机械手的上升下降和左移右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压 装置实现，每个线圈完成一个动作。 7.抓紧放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作，线 圈断电时执行放松动作。 8.械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制。 9.抓紧动作由压力继电器控制，当抓紧时，压力继电器动合触点闭合。放松动作为时 间控制（设为 2s） 。 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 14 3.3 机械手集中控制系统的结构及设计 机械手的主要结构由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 3.3.1 执行机构 1.手部 既于直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结 构简单） 。手指多为两指（也有多指） ；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负 压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板）和电磁吸盘。 传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母 式、弹簧式和重力式。 2.腕部 是连接手部和臂部的部件，并可才用来调节被抓的方位，以扩大机械手的动 作范围，并使机械手变得更灵巧，适应更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下 摆动、左右摆动。一般腕部没有回转运动在增加一个上下运动的即可满足工作要求，有 些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动 手部搬用工件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但 回转角小（一般小于 270 度） ，并且要求严格密封，否则就难保稳定的输出扭矩。因此在 要求较大的回转角的情况下，采用齿条传动做空间运动。 3.臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用支撑腕部和手部（包括工作或 夹具） ，并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方 位） ，则用腕部的自由度加以实现。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小的 定位精度直接影响机械手的工作性能。 4.行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。 3.3.2 驱动机构 驱动机构是工业是机械手的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动 机构大致可以分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机驱动机械手，结构 简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 3.3.3 控制系统分类 在机械手的控制上，有点动控制和连续控制方式。大多数的插销板进行点位控制， 也有采用可编程控制器、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。 主要控制是坐标位置，并注意其加速度特性。 3.4 机械手电路的方案确定 3.4.1 方案 机械手控制电路采用 PLC 控制，PLC 控制的优点： 方式: PLC 采用存储器逻辑，其控制逻辑是以程勋方式存储在内存中。要改变控制逻 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 15 辑，只需改变程序即可。 速度：是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无 抖动。 控制：PLC 用半导体集成电路做定时器，时钟脉冲由晶体振荡产生，精度高，调整 时间方便，不受环境影响。 PLC 控制可实现机械手的自动化。 PLC 控制方式可分为集中控制和分散控制两块。集中控制就是一台多个 I/O 点 PLC 控制多台设备,实行的是一对多的控制方式；分散控制是多台 PLC，而每台的 PLC 的 I/O 点相当说就比较少,实现的多对多的控制方式。 如表 3-1 所示： 表 3-1 两者的优缺点比较 考虑到控制成本，占地等综合因数还是采用 PLC 集中控制方式较为合理。 结合 PLC 控制与集中控制，本篇论文对机械手控制电路就采用 PLC 集中控制方案。 3.53.5 机械手系统的硬件电路设计机械手系统的硬件电路设计 3.5.1 PLC 选型及 I/O 表的分配 输入信号： 启动开关 需要 1 个输入端 停车开关 需要 2 个输入端 上限位开关 需要 4 个输入端 下限为开关 需要 3 个输入端 左限位开关 需要 4 个输入端 右限位开关 需要 4 个输入端 光电开关 PS 需要 1 个输出端 原点限位开关需要 2 个输入端 以上共需 21 个输入信号，考虑到以后对系统的调整与扩充，留有 15%的备用点，共 需 22 个输入点。 输出点： 传动带 A 电动机 M1 需要 1 个输出端 传动带 B 电动机 M7 需要 0 个输出端 双线圈的二位电磁阀驱动上升 M2 需要 1 个输出端 双线圈的二位电磁阀驱动下降 M3 需要 1 个输出端 双线圈的二位电磁阀驱动左移 M4 需要 1 个输出端 双线圈的二位电磁阀驱动右移 M5 需要 1 个输出端 单线圈的二位电磁阀驱动抓紧 M6 需要 1 个输出端 单线圈的二位电磁阀驱动放松 M6 需要 1 个输出端 以上共需 7 个输出点，考虑到对以后系统的调整与扩充，应该留有 15%的备用点， 方案优点缺点 一 控制集中、紧凑、抑郁安装、占地少。 费用少。 一旦故障影响全装置、运行 时难于维护。 二控制分散、互不影响，便于维护。占地较大、费用较高。 黄冈职业技术学院机电学院毕业论文 16 共需 8 个输出点。所以我们选用日本的欧姆龙（ORMON）公司 CPM2A 系列 40 点 I/O(输 入点 24 个, 输出点 16 个 )可编程控制器,它具有以下几个特点: 1.同步控制 CPM2A/2C 的高速计数功能可以和脉冲输出功能结合起来，依照输入脉冲频率按比 例产生一个特定的出脉冲。 2.高速处理 高速处理包括 50ms 的快速响应输入，更短的扫描周期（0.64ms/LD）和 1ms 的定时 器,高速处理可以在很大的程度上提高生产效率，以包装机械为例,这可以显著缩短检测记 号和检测产品之间的时间间隔。 3.高速计数器 CPM2A/2C 支持单轴高速计数器 20kHz 单相或 5kHz，线性计数方式（加/减）从- 8388608 到 388607 四轴高速计算（中断计数方式）2kHz 单相加或减从 0000 到 FFFF 4.脉冲输出位置控制 CPM2A/2C 支持 4 种脉冲方式 2 点：10-10kHz（加/减速定位）脉冲输出 2 个点： PWM 输出 0.1-999.9Hz 0-100% I 点