普通机械手PLC与触摸屏的控制系统设计.doc

广东工业大学 I 摘摘 要要 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 随着工业现代化 的进一步发展 自动化已经成为现代企业中的重要支柱 无人车间 无人生产流水线等等 已经随处可见 同时 现代生产中 存在着各种各样的生产环境 如高温 放射性 有毒气体 有害气体场合以及水下作业等 这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作 工业机械手就这样诞生了 机械手是工业机器人系统中任务执行机构 是机器人的关 键部件之一 其电气方面有步进电机 开关电源 电磁阀等电子器件组成 该装置涵 盖了可编程控制技术 位置控制技术 技术 触摸屏技术等 是机电一体化的典型代 表仪器之一 PLC 与触摸屏在工业控制中正得到广泛的应用 简要介绍将 PLC 与触 摸屏相结合 应用于机械手的运行控制中 其方便的人机界面 可靠的控制性能 取得了 良好的效果 关键词关键词 机械手 PLC 触摸屏 人机界面 步进电机 广东工业大学 II Abstract LiLiangLiang LiuShuiPing In the modern industry the mechanization of the production line automation have become outstanding topic Along with industry modernization of further development automation have already become a modern business enterprise in of importance pillar no man car no man produce flowing water line etc already everywhere it is thus clear that In the meantime the modern produce medium existence various each kind of produce environment like heat radio poisonous air harmful air situation and underwater homework etc these are bad production environment disadvantageous carry on operation at the artificial Industry machine hand so birth The machine hand is an industry robot the mission in the system performance the organization be one of the key partses of robot Its electricity has a step to enter electronics spare parts such as electrical engineering switch power supply and electromagnetism valve etc to constitute Should equip to cover programmable control technique position control technique spirit move a technique touch hold technique etc is machine electricity the integral whole turn of typical model representative one of the instruments The PLC hold with touch in the industry the control is get extensive of application Synopsis introduction PLC and touch hold to combine together application at the machine hand of circulate control in The man machine interface of its convenience credibility of control function obtained good effect Keyword Machine hand PLC The touch hold Man machine interface The step enter electrical engineering 广东工业大学 目录目录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 概述 1 1 1 工业机械手系统概论 1 1 1 1 发展设计工业机械手的目的和意义 1 1 1 2 工业机械手的应用与发展趋势 1 1 1 3 触摸屏技术与 PLC 2 1 2 机械手的机能和特性 2 1 3 本章小结 4 第二章 机械手的构成与控制要求 5 2 1 机械手的工作过程概述 5 2 2 技术要求 6 2 3 主要参数 6 2 4 设计要求 6 2 5 本章小结 7 第三章 系统的硬件设计 8 3 1 设计方案 8 3 2 PLC 机型的选择 10 3 3 触摸屏 10 3 4 步进电机及驱动器 11 3 4 1 步进电机的选型 11 3 4 2 步进驱动器 14 3 4 3 步进驱动器电源的参数 14 3 5 气缸的选择 15 3 6 元件清单 18 3 7 本章小结 19 第四章 系统软件设计 20 4 1 PLC 与触摸屏的设计 20 4 2 触摸屏设计 20 4 2 1 触摸屏界面设计 20 4 2 2 触摸屏与 PLC 的通讯 23 4 3 I O 分配表 24 4 4 控制流程图 26 4 5 梯形图设计 27 4 6 机械手 PLC 程序设计说明 28 4 7 接线图 30 4 8 本章小结 30 广东工业大学 结论与展望 31 致谢 32 参考文献 33 广东工业大学 1 第一章第一章 概述概述 1 1 工业机械手系统概论 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备 它是工业机器人 的一个重要分支 其特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务 在构造和性能上 兼有人和机器各自的优点 能模仿人手和臂的某些动作功能 用以按固定程序抓取 搬运物件或操作工具的自动操作装置 它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化 和自动化 能在有害环境下操作以保护人身安全 因此它具有一定的智能性和适 应性 1 1 1 发展设计工业机械手的目的和意义 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力 在国民经济各领域有着广阔 的发展前景 随着工业自动化的发展 出现了数控加工中心 它在减轻工人的劳动强度 的同时 大大提高了劳动生产率 但数控加工中常见的上下料工序 通常仍采用人工 操作或传统继电器控制的半自动化装置 前者费时费工 效率低 后者因设计复杂 需较多继电器 接线繁杂 易受车体振动干扰 而存在可靠性差 故障多 维修困难等 问题 可编程序控制器 PLC 控制的机械手控制系统动作简便 线路设计合理 具有较 强的抗干扰能力 保证了系统运行的可靠性 降低了维修率 提高了工作效率 在工资水平较低的中国 很多行业尽管仍属于劳动力密集型 机械手的使用已 经越来越普及 那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引 进了自动化生产 但现在的变化是那些分布在工业密集的华南 华东沿海地区也开始 对机械手表现出越来越浓厚的兴趣 因为他们要面对工人流失率高 以及经济效益带 来的挑战 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 分拣流程越来越节约劳动力 可见机械手的大力开展有着很重 要的意义 广东工业大学 2 1 1 2 工业机械手的应用与发展趋势 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 工业机械手在工业生产中能代替人做某些单调 频繁 和重复的长时间作业 或是危险 恶劣环境下的作业 例如在冲压 压力铸造 热处 理 焊接 涂装 塑料制品成形 机械加工和简单装配等工序上 以及在原子能工业 等部门中 完成对人体有害物料的搬运或工艺操作 以及轻工业 交通运输业等方面 得到越来越广泛的应用 1 1 3 触摸屏技术与 PLC 随着计算机技术的普及 在 20 世纪 90 年代初 出现了一种新的人机交互作用技 术 触摸屏技术 利用触摸屏技术用户只需用手指轻轻触碰计算机显示屏上的图符 或文字就能实现对主机的操作 摆脱了键盘和鼠标的操作 使人机交互更为直截了当 触摸屏技术使界面能够访问计算机的数据库 而不依赖于传统的键盘 鼠标界面 因此 触摸屏应用已发展成为显示器市场的一支生力军 可编程序控制器 简称PLC 已成为工业控制领域中最主要的自动化装置之一 它 是当前电气程控技术的主要实现手段 结合人机界面技术的飞速发展 大中型计算机 控制在这一领域的应用带来了更大的挑战 机械手是代替人在特殊环境下搬运工件的机械装置 他比人力搬运具有力量大 速度快 工作不受环境和时间限制 控制简单等优点 本设计中将PLC与触摸屏联合应 用与机械手的自动控制中 可以使机械手在不适合宜人直接控制的特殊环境下工作 PLC控制机械手的自动运行 并把采集到的各工作状态信息送到触摸屏显示 操作员可 以通过触摸屏对机械手的运行进行设定和选择 1 2 机械手的机能和特性机械手的机能和特性 根据古典力学观点 物体在三维空间内的静止位置时由三个坐标和绕三轴旋转的 角度来决定 因此 抓握物体的位置和方向 即关节的角度 能从理论上得 根据资 料介绍 如果采用的机械手 其机能要接近人的上肢 则需要 27 个自由度 而每一个 广东工业大学 3 自由度至少需要一个 人造肌肉 这样就需要安装 27 根重量轻 小型和高输出力的 人造肌肉 就目前的技术状况而言还是很难做得到的 而且把机械手搞那么复杂 动作彼此重叠也是完全没有必要的 如果机械手要求具有完全通用的程度 那么它的 整机 本体 手臂和手指都得由三个直线运动和三个旋转运动 总共就需要 24 个自由 度 这在实际上也是不需要的 这样会使机械手结构复杂 费用增多 因此 不应盲目 模仿人手的动作 增加过度的自由度 而应根据实际需要的动作 设计出最少的自由度就 能完成作业所需要的动作 所以一般专用的机械手 不包括握紧动作 通常具有二到 三个自由度 而通用机械手则一般取四到五个自由度 本次设计的是普通的机械手 因此共有 3 个自由度 手臂左右伸缩 手臂上下摆 动 手指抓握 1 夹紧机构 机械手手爪是用来抓取工件的部件 手爪抓取工件时要满足迅速 灵活 准确可 靠的要求 设计制造夹紧机构 手爪时 首先要从机械手的坐标形式 运行速度和 加速度的情况来考虑 其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量 惯性和冲击力来计算 则同时考虑有足够的开口尺寸 以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围 还需备有多种抓取机构 以根据需要来更换手爪 为防止损坏被夹的物体 夹紧力要 限制在一定的范围内并镶有软质垫片 弹性衬垫或自动定心结构 为防止突然断电造 成被抓物体落下 还可以有自锁结构 夹紧机构本身则结构简单 体积小 重量轻 动作灵活和工作可靠 夹紧结构形式多样 有机械式 吸盘式和电磁式等 有的夹紧机构还带有传感装 置和携带工具进行操作的装置 本设计采用机械式夹紧装置 机械式夹紧是最基本的一种 应用广泛 种类繁多 如可以按手指运动的方式和 模仿人手的动作 按夹持的方式分 按手指的数目分 按使用的动力原则分 在本次 的设计中 要设计的手爪时二指式为气动控制 由可编程控制器控制电磁阀动作 从 而控制手爪的开闭 手爪的回转则用一个步进电动机完成 同时通过两个限位开关完 成回转角度的限位 设置为 180 度 2 躯干 广东工业大学 4 躯干由底盘和手臂两在部分组成 底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构 手臂是机械手的主要部分 它是支撑手爪 工件并使它们运动的机构 本设计中 手臂由横轴和竖轴组成 可完成伸缩 升降的运动 手臂采用步进电动机带动丝杆 螺母来实现伸缩和升降的运动 由可编程控制器发出脉冲信号 经步进电动机驱动器 驱动步进电动机旋转 带动滚珠丝杆旋转 完成手臂的运动 改变发出脉冲的个数 可控制手臂的两个轴运动的距离 同时在两轴的两端分别加限位开关限位 采用丝杆 螺母结构传动的特点是易于自锁 位置精度较高 传动效率较高 1 3 本章小结 本章通过对研究和发展工业机械手的目的以及意义 发展前景的阐述 充分的了 解了设计工业机械手有着非常重要的意义 根据现代生产的需要 以及工业机械手的 设计原理和工作特性 与在诸多的控制系统的比较下 选择了 PLC 控制系统作为控 制的核心 广东工业大学 5 第二章第二章 机械手的构成与控制要求机械手的构成与控制要求 2 1 机械手的工作过程概述机械手的工作过程概述 机械手的构成及工作示意图如图1 所示 机械手设置有五种工作方式 回原点工作 方式 手动控制方式 单步运行 单周运行 连续运行 选择好工作方式开后按下对应 开关机械手就能在指定方式下运行 机械手在最上面和最左边且松开时为系统原点状态 也 称初始状态 把工件从A 点搬到B 点并返回原点的过程为机械手的一个工作周期 对机械手工作循环的要求 单周 连续循环 按下开始按钮后 要求自动完成一个循 环周期或者连续工作 自动回原点 按下回原点起动按钮后 机械手执行松开 上升和左 行动作 这时原点条件满足 系统处于初始状态 手动 要求机械能对夹紧 松开 上升 下降 左行 右行各动作执行手动操作 设计中还要求具有远程控制和监视功能 根据以上要求 采用可编程序控制器和触摸屏进行控制 设计中使用通用机械手 各 控制元件和电气线路都不变 只把四个限位开关的常开触点以及控制机械手下降 夹紧 上升 左行和右行的电磁阀线圈与PLC 的输入 输出点相连 所有控制开关在触摸屏 内模拟 简化了控制电路 同时节约了PLC输入点 选用的日三菱本FX2N 48MT 可编程序 控制器和MT4200T 触摸屏 由PLC 实现机械手自动运行控制和工作状态的切换 并把采 集到的各工作状态数据信息送到触摸屏显示 操作员可以通过触摸屏对机械手的运行进 行设定和选择 广东工业大学 6 图2 1 机械手的构成及工作示意图 2 2 技术要求技术要求 1 输入电压 AC200 240V 带保护地三芯插座 或 DC24V 2 消耗功率 250W 3 外型尺寸 250 180 100CM 2 3 主要参数主要参数 1 负荷参数 额定负荷为 1kg 最大负荷为 3kg 2 臂的运动参数 横轴方向移动范围是 450mm 速度是 100 s 竖轴方向移动范 围是 450mm 速度是 100mm s 3 手爪运动参数 旋转角度为 1800 4 机械手运动参数 旋转角度为 2700 2 4 设计要求设计要求 1 手臂上下直线运动 2 手臂左右直线运动 广东工业大学 7 3 手爪夹紧动作 手臂和手爪采用气动驱动 由 PLC 发出控制脉冲控制步进电动机运转 实现手臂的 进给和定位 2 5 本章小结 在本章中 讲述了机械手的工作过程 技术设计要求 以及系统要求所达到的参 数 形成一个完善的控制和工作的设计过程 根据机械手所要达到的要求 为后续的 设计提供了依据 广东工业大学 8 第三章第三章 系统的硬件设计系统的硬件设计 3 1 设计方案设计方案 从满足机械手自动控制系统的安全性 扩展性 和可靠性 稳定性方面考虑 目 前常见的机械自动控制系统 主要有单片机控制 继电器控制以及 PLC 控制类型所以 设计机械手方案用的 PLC 有以下 3 种 方案一 随着集成芯片技术的不断提高 特别是高档 8 位 16 位单片机的普及 单片机在 自动控制中应用非常广泛 根据控制的要求 单片机可以控制机械手 但是由于单片 机可提供电源仅是 DC5V 电源的抗干扰能力很弱 外部传感器等元件的电源一般都 是 DC24V 要如果要与单片机连接 就必须采用中间转换电路 增加设计的难度和成本 对设计人员的要求也就更高 而且单片机不适合工业控制场所 方案二 继电器控制装置是采用硬逻辑的方式 一个继电器线圈的通断将会同时影响该继 电器的所有常开常闭触点动作 同触点在控制线路的位置无关 虽然继电器控制不需 要很强的软 硬件支持 价格相对便宜 但是继电器的接通和断开需要一定的时间 而且性能不稳定 精度不高 不具备自动控制功能 方案三 PLC 是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置 抗干扰性强 可 靠性高 它以微处理器为核心 有机地将微型计算机技术 自动化控制技术及通信技 术融为一体 其特点如下 高可靠性 丰富的 I O 接口模块 采用模块化结构 编 程简单易学 安装简单 维修方便 PLC 有许多特殊功能模块 适用于各种特殊控制 的要求 如 定位控制模块 CRT 模块 易于实现机电一体化 PLC 的结构紧凑 体 积小 重量轻 可靠性高 抗振防潮和耐热能力强 使之易于安装在机器设备内部 制造出机电一体化产品 而且 PLC 内部的电源是 DC24V 因此 传感器等用外部电源 驱动时 该外部电源必须为 DC24V 这样外部元件可以不经过电源的处理就可以直接 广东工业大学 9 与 PLC 连接 省去了中间电路的转换 鉴于 PLC 的诸多优势 结合机械手自动控制系统的需要 选择日本三菱公司的 FX2N 系列可编程序控制器 FX2N 系列 PLC 是日本三菱公司生产的具有高性能价格 比的小型可编程控制器 由于它具有控制能力强 体积小 抗干扰能力强等优点而得 到广泛的应用 控制系统 PLC 电磁换向阀气缸手爪 底盘 X 轴步进驱动器 步进驱动器 步进电机 步进电机 左限位 上限位 下限位 右限位 松开 夹紧 触摸屏 步进驱动器步进电机Y 轴 图 3 1 控制的系统框架图 根据控制的要求 机械手在电机的带动下需要完成五个动作 而现在 随着技术 的进步 越来越多的电机都可以完成这些控制要求 例如 直流电机 伺服电机以及 步进电机 由于这个机械手要求电机在停止时具有锁紧功能 而且可以完成指定距离 的移动或角度的旋转 综合以上的要求 步进电机和伺服电机都可以完成这些要求 但是由于系统的控制精度要求不是很高 无须考虑闭环反馈 所以步进电机就完全可 以满足控制了 步进电机与普通电机的不同之处在于它是一种将电脉冲信号转化为角 位移的执行机构 它可以同时完成两个工作 一是传递转矩 二是控制转角位置或速 度 广东工业大学 10 3 2 PLC 机型的选择机型的选择 在 PLC 选型时 基本原则是满足系统的功能需要 同时要兼顾维修 设备的通用 性 控制根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求 使用了 4 个限位开关 9 个按钮 1 个转换开关 1 个工件检测光电开关 要用到的输入数量预计有 20 个 使用了 2 个 步进电机 5 个电磁换向阀 1 个原点指示灯 输出数量约有 7 个 在选择机型时还要 考虑以后系统的调整和扩充 在实际统计 I O 点数基础上 所以预留 10 20 的数量 可以确定要选择输入输出总量点数是 48 点的 PLC 日本的三菱 FX2N 系列小型 PLC 具有性价比高 功能完善 指令丰富等优点 能 满足对本对象各项控制性能要求 因此 本文系统采用三菱 FX2N 系列的 FX2N 48MT 作为基本模块 3 3 触摸屏触摸屏 按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质 把触摸屏分为 4 种 它们分别为电阻 式 电容感应式 红外线式以及表面声波式 每一类触摸屏都有各自的优缺点 看在 哪种环境下使用 在工业环境中我们选择电阻式触摸屏 电阻式触摸屏利用压力感应进行控制 电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表 面非常配合的电阻薄膜屏 这是一种多层的复合薄膜 它以一层玻璃或硬塑料平板作 为基层 表面涂有一层透明氧化金属 透明的导电电阻 导电层 上面盖有一层外表 面经硬化处理 光滑防擦的塑料层 它的内表面也有一层涂层 在它们之间有许多细 小的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘 当手指触摸屏幕时 两层导电层在触摸点位置就有了接触 电阻发生变化 在 X 和 Y 两个方向上产生信号 然后将这两个信号送至触摸屏控制器 控制器侦测到这一 接触并计算出 X 和 Y 的位置 在根据模拟鼠标的方式运作 这就是电阻触摸屏的 最基本的原理 这种触摸屏是对外界完全隔离的工作环境 不怕灰尘和水汽 它可以用任何物体来触 摸 也可以用来写字画画 比较适合工业控制领域及办公室内有限的使用 因此选用 本系统触摸屏硬件是用基于Windows XP 操作系统的MT4200T型触摸式面板 MT4200T的 显示尺寸是4 3寸 分辨率是480 272 显示色彩是65536真彩 触摸板 精密电阻网 广东工业大学 11 络 COM0 RS232 RS485 RS422 新性的操作员控制和监视功能 可通过以下方式下载 RS232 串口 USB 通过以太网 IP 图3 2 触摸屏与PLC的连接 3 4 步进电机及驱动器步进电机及驱动器 3 4 1 步进电机的选型步进电机的选型 系统要求机械手气爪的重量根据要求初步设定为 1 kg 其尺寸为 50 50 50MM 抓 举物体的额定负荷为 1kg 最大负荷为 3kg 在横轴与竖轴之间的滑块在满足刚性要求 的条件下 其重量为 1 kg 以物体的最大负荷来计算 加上机械手本身也是由一定重 量的 所以在选择步进电机的时候必须考虑步进电机的力矩和电机控制的精度 考虑 到步进电机启动运行到所设定的速度时或停止时 会产生很大的冲击力 所以步进电 机在运转中需要考虑电机的加减速时间 根据经验值并结合电机的各项性能指标 加 减速时间可以设定为 T 300MS 为了保障系统的稳定 首先设定电机的最高转速为 n 300r min 根据电机的最高转速计算得知 物体运动的速度是 1200mm s 根据步进电 机力矩的计算公式 其中 表示惯量力矩 由电机的 N TJT J J 转动惯量和系统负载惯量组成 并且 1 4 是电机 M J L J J M J L J LM JJ 的角加速度 计算 10 47 是系统外力折算到电机上的力矩 Tn 60102 2 N T 是系统的机械效率 在本系统中 根据查表得知 0 5 0 8 为了计算的方便 在这 我取 0 7 根据这个公式分别计算出两个步进电机的力矩 电机力矩的计算如下 1 手爪电机力矩的计算 广东工业大学 12 手爪部分电机力矩的计算分成两部分进行计算 第一部分是手爪块绕电机轴旋转 电机转轴通过支撑手爪块的矩形中心 且垂直于矩形所在平面 所以其转动惯量表示 20 83kg cm2 2 083 10 5kg m2 其中 12 22 mbaJL 1215050 22 a b 分别表示块的长和宽 根据计算的结果 考虑步进电机与传动系统惯量匹配条件 1 4 根据查表得知 minet 公司生产的两相混合式步进电机 MT86STH60 LM JJ 4204A 其电机惯量约为 3 10 5 kg m2 电机的力矩是 2 8 N M 可以满足设计的惯量匹 配 2 083 10 5 3 10 5 5 08310 5 kg m2 在手爪系统中 抓举的负荷就可以看成 J 是系统的外力 根据电机系统外力的力矩计算公式 9 55 1 25 N M NFVTN 55 9 因此 1 8 N M N TJT 7 025 1 47 1010083 5 5 在计算出的力矩上再加上一个安全系数 0 5 1 根据经验值本设计取的安全系数 T 为 0 8 所以电机力矩至少要满足 上面选择的型号为 minet 公 T 8 08 1 MN 44 2 司生产的两相混合式步进电机 MT86STH60 4204A 电机的力矩是 额定电流 MN 8 2 是 1 3A 重量 1kg 完全可以满足系统的要求 2 横轴电机力矩的计算 横轴是由电机带动丝杠运转 可以看成是工作台折算到丝杠上的转动惯量 ng V JL 2 2 gp 22 3 10 5kg m2 8 98 93 0311214 3 0015 0 考虑步进电机与传动系统惯量匹配条件 1 4 根据查表得知 minet 公 LM JJ 司生产的两相混合式步进电机 MT86STH78 4204A 其电机惯量为 8 10 5 kg m2 电机 的力矩是 4 2N M 可以满足设计的惯量匹配 J kg m2 55 108103 J 5 1011 广东工业大学 13 NFVTN 55 9 3009 02 18 93 031155 9 MN 84 1 式中各个参数代 N TJT 7 084 1 47 101011 5 MN 63 2 表的含义是 W 表示可移动物体的重量 N 在横轴上可移动的物体包括丝杠 手爪 负荷以及手爪电机 P 表示丝杠的螺距 mm 根据手爪步进电机的选型方法 横轴电机力矩 2 63 0 8 3 3 N M 选择型号为 T minet 公司生产的两相混合式步进电机 MT86STH78 4204A 电机的力矩是 4 2N M 额 定电流是 1 3A 重量 1 5kg 可以满足系统的要求 3 竖轴电机力矩的计算 竖轴是也由电机带动丝杠运转 可以看成是工作台折算到丝杠上的转动惯量 转 动惯量的计算方法与横轴电机的计算方法相同 ng V JL 2 2 gp 22 8 98 95 123 03111214 3 20015 0 25 107 4mkg 考虑步进电机与传动系统惯量匹配条件 1 4 根据查表得知 minet 公司 LM JJ 生产的两相混合式步进电机 MT86STH117 4204A 其电机惯量为 10 10 5 kg m2 电机 的力矩是 8 2N M 可以满足设计的惯量匹配 2555 10 7 141010107 4mkgJ NFVTN 55 9 3009 02 18 95 123 0311155 9 MN 8 2 N TJT 7 084 1 47 1010 7 14 5 MN 4 式中各个参数代表的含义是 W 表示可移动物体的重量 kg 在竖轴上可移动的 物体包括手爪 负荷 支撑横轴上下移动的滑块以及横轴和竖轴两条丝杠 手爪和横 广东工业大学 14 轴的步进电机 P 表示丝杠的螺距 mm 竖轴电机力矩 选择型号为 minet 公司生产的两相混合式步进电 TMN 5 084 机 MT86STH117 4204A 电机的力矩是 8 2 N M 额定电流 1 68A 重量 1 7Kg 满足系 统的要求 4 两相混合式步进电机的接线原理图如下图 3 3 表示 A A B B 红 RED 红 GRE 红 YEL红 BLU M 图 3 3 步进电机接线原理图 3 4 2 步进驱动器 采用系 minet 公司生产的 GMD03 系列步进电动机驱动器 主要由电源输入部分 信号输入部分 输出部分等 如图 1 9 所示 电源输入部分由电源模块提供 用两根导线连接 注意极性 电源输入部分 信号源由 FPO 主机提供 由于 FPO 主机提供 由于 FPO 提供的 电平为 24V 而输入部分的电平为 5V 中间加了保护电路 输出部分 与步进电动机连接 注意相序 3 4 3 步进驱动器电源的参数 本次设计采用的步进驱动器电源是铭伟系列 DM150 的开关电源 其特点是输出功 率大 体积小 重量轻 可靠性高 适应宽范围的输入电压波动 具有完备的过电压 过电流 保护功能 具体参数如下表 1 所示 广东工业大学 15 表表 3 13 1 步进驱动器电源的参数步进驱动器电源的参数 输入交流电压110 220V 50HZ 60HZ 输出直流电压24V 最大功率156W 工作环境 10 40 摄氏度 图 3 4 步进驱动和保护电路原理图 3 5 气缸的选择气缸的选择 根据设计的要求 抓取物体的重量在 1 3Kg 之间 根据牛顿力学定理 手爪必须 克服物体向下的重力和静摩擦力 其中静摩擦力与物体的重力相等 以物体的最大重 量来计 手爪至少需要 60 牛顿的力 计算公式如下 NfmgF60103103 广东工业大学 16 根据设计的要求 气源大于 0 2MPa 且小于 0 85MPa 结合气缸的理论计算公式 其中与是已知的 并且 所以得到如下的计算 FP 2 101cmkgfMPa 即 得出PAF A 5 860 2 7cmA 其中 气缸理论出力 单位是 工作压力 单位是 活塞受FkgfP 2 cmkgfA 压面积 单位是 根据计算好的活塞受压面积以及气缸的工作压力 查表得到所 2 cm 要的气缸由生产的标准气缸 复动式 型号为 SNS 公司生产的 QGB SC 40 100 S CB 其符号代码具体表示的含义 QGB SC 表示标准气缸 40 100 表示气缸的内 径 行程 S 表示该气缸是带磁性的 CB 表示后盖固定式 双耳型 选择的磁感应开 关是 SNS 公司生产的型号为 CS1 U U 表示与标准气缸配套的向上型的磁感应开关 气缸具体参数表如表 1 所示 表表 3 23 2 气缸具体参数表气缸具体参数表 型号QGB SC 40 100 S CB 内径40mm 动作形式复动型 使用流体空气 固定形式CB 型 使用压力范围0 4 0 9MPa 保证耐压力13 5 MPa 使用温度范围0 70 使用速度范围50 800mm s 缓动形式20mm 接管口径G1 8 为了准确的对手爪抓紧松开的控制 我采用了电磁换向阀 换向阀是利用阀芯在阀 体孔内做相对运动 使空气路线接通或切断而改变空气流向的阀 根据气缸的理论出 力的大小 结合电磁阀的工作方式 我选择了型号是 SNS 公司生产的 4V130C 06 的 广东工业大学 17 二位五通的电磁换向阀 符号代码 4V 代表规格代号 表示二位五通电磁阀 1 代表 系列代号 表示 1 100 系列 30C 代表线圈及位数 表示双头三位置封闭型 06 代表 接管口径 具体参数表如表 2 所示 表表 3 33 3 电磁换向阀具体参数表电磁换向阀具体参数表 型号 4V130C 06 工作介质空气 经 40 毫米滤网过滤 动作方式内部先导式 位置数二位五通 有效截面积9 平方毫米 CV 0 50 接管口径进气 出气 排气 1 8 润滑不需要 使用压力1 5 8Kgf cm 21 114Psi 最大耐压力10 5 Kgf cm 150 Psi 工作温度5 60 电压范围 10 耗电量AC 1 3VA DC 1 5W 绝缘性F 级 保护等级IP65 DIN40050 接电形式直接出线式或端子式 最高动作频率每秒 5 次 最短励磁时间0 05 秒 广东工业大学 18 图 3 5 气动工作原理图 3 6 元件清单元件清单 表表 3 4 元件清单元件清单 元件名型号数量 PLC 三菱 FX2N 48MT1 台 触摸屏 Eview MT4200T 1 台 MT86STH78 4204A 1 台 步进电机 MT86STH117 4204A 1 台 广东工业大学 19 步进驱动器 GMD03 2 个 气缸 SNS QGB SC 40 100 S CB 1 个 电磁换向阀 4V130C 06 5 个 开关电源铭伟系列 DM1501 个 熔断器 RL1 15 1 个 机械机构1 套 限位开关4 个 按钮9 个 选择开关1 个 关电开关1 个 配电箱1 个 导线若干 3 7 本章小结 本章中 重点介绍了系统的硬件选择 根据提出的设计方案 PLC 的选型根据控制的要求计算 出 IO 口数量 考虑到需要脉冲控制步进电机的运转 故应采用晶体管形式输出的 PLC 型号是三 菱 FX2N 系列的 FX2N 48M 步进电机作为整个机械机构的执行元件 在整个系统中占有非常重要 的地位 在选择时必须要满足物体运动时电机的力矩 在本章中分别计算出了四个不同型号的步进 电机 机械手手爪的抓紧或松开都是靠电磁换向阀来控制气缸的动作 气缸的选择主要是根据抓握 负荷的大小来确定气缸的推力 广东工业大学 20 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 4 1 PLC 与触摸屏的设计与触摸屏的设计 日本的三菱FX2N 48MT系列PLC 具有丰富的编程指令 软件设计环境良好 可采用梯 形图 功能指令 和指令表等基本的编程语言 在安装好了编程软件STEP 7 MicroWIN 的个人计算机上 使用PC PPI 电缆把CPU226 模块连接到计算机的串口上 把波特率设 置为19 2k 并在软件中设置好通讯参数 使计算机与PLC 建立在线联机 便可根据设 计要求进行梯形图 LAD 程序的编写 程序中使用了位逻辑指令 定时器指令 计数 器指令 程序控制指令 程序包括一个主程序 四个子程序 分别实现手动 自动 自 动回原点等 4 2 触摸屏设计触摸屏设计 触摸屏的基本原理是用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏 所触摸 的位置由触摸屏控制器检测 并通过接口 如RS 232 串行口 送到CPU 从而确定输 入的信息 触摸屏系统一般包括两个部分 触摸屏控制器 卡 和触摸检测装置 MT4200T 使用基于Windows 的软件GT Designer Vision 进行既简单又高效的组态 其 特点有 1 可在不同显示分辨率下缩放组态 2 使用矢量图可快速而容易地创建和修改图形 3 使用预绘图象对象扩展图形库 4 标准Windows 字体 动画 精确定位 如同安装其它计算机软件一样 按提示操作把Pro Tool Pro CS 和Pro Tool Pro RT 安 装到组态计算机上 通过通讯电缆把组态计算机和触摸屏连接起来 4 2 1 触摸屏界面设计 根据系统的控制与操作要求 设计了人机交互界面 该界面直观 方便 有关部件的工作 状态 运行参数都可在触摸屏上动态显示 如图所示 广东工业大学 21 图4 1 手动方式人机界面 图4 2 回原点方式人机界面 图4 3 单步方式人机界面图 广东工业大学 22 图4 4 单周方式人机界面图 图4 5 自动方式人机界面图 广东工业大学 23 4 2 2 触摸屏与 PLC 的通讯 1 触摸屏的串口设计 广东工业大学 24 2 PLC的串口设计 4 3 I O 分配表分配表 输入 I 地址分配 序号名称符号编号 1 上限位行程开关 ST1X0 2 下限位行程开关 ST2X1 3 左限位行程开关 ST3X2 4 右限位行程开关 ST4X3 5 下降点动按钮 SB1X4 6 上升点动按钮 SB2X5 7 左移点动按钮 SB3X6 8 右移点动按钮 SB4X7 广东工业大学 25 9 手动选择开关 SA1 1X10 10 回原点选择开关 SA1 2X11 11 单步选择开关 SA1 3X12 12 单周期选择开关 SA1 4X13 13 自动循环操作方式 SA1 5X14 14 回原点启动按钮 SB5X15 15 全自动启动按钮 SB6X16 16 全自动停止按钮 SB7X17 17 工件检测光电开关 ST5X20 18 夹紧工件点动按钮 SB8X21 19 放松工件点动按钮 SB9X22 输出 O 地址分配 序号名称符号编号 1 上升电磁阀 YV1Y0 2 下降电磁阀 YV2Y1 3 右移电磁阀 YV3Y2 4 左移电磁阀 YV4Y3 广东工业大学 26 5 夹紧电磁阀 YV5Y4 6 原点指示灯 HLY5 4 4 控制流程图控制流程图 图4 6 机械手工作的流程图 原点原点 下降下降 松开工件松开工件 上升上升 左移左移 夹紧工件夹紧工件 下降下降 上升上升 右移右移 下限位行程开关下限位行程开关 工件检测光电开关工件检测光电开关 上限位行程开关上限位行程开关 右限位行程开关右限位行程开关 下限位行程开关下限位行程开关 工件检测光电开关工件检测光电开关 上限位行程开关上限位行程开关 左限位行程开关左限位行程开关 广东工业大学 27 4 5 梯形图设计梯形图设计 图4 7 机械手PLC控制初始化程序梯形图 图4 8 机械手PLC手动操作梯形图 图4 9 机械手PLC回原点控制梯形图 广东工业大学 28 图4 10 机械手PLC自动循环控制梯形图 4 6 机械手机械手 PLC 程序设计说明程序设计说明 机械手用PLC控制 接通PLC电源 特殊辅助继电器M8000闭合 如果机械手不在原 点 X0和X2不能同时闭合 特殊辅助继电器M8044和Y5不动作 原点指示灯HL亮 表示 机械手处于原点位置 1 将选择开关SA1扳至手动方式 S0为ON 由程序梯形图2可知 按下下降点动 按钮SB1 X4闭合 Y1接通 机械手下降 同理 分别按下按钮 SB2 SB3 SB4 SB8 SB9 机械手分别执行上升 左移 右移 工件夹紧 工件放松等动作 广东工业大学 29 2 将选择开关SA1扳至回原点方式 S1为ON 从程序梯形图3可知 当按下回原 点启动按钮SB5时 X15闭合 转移到状态S10 机械手上升 上升到位后压 合上限位行程开关ST1 X0闭合 转移到状态S11 机械手左移 左移到位后 压合左限位行程开关ST3 X2闭合 转移到状态S12 完成特殊辅助继电器 M8043的置位和机械手回原点的动作 3 选择开关SA1扳至单步运行方式 初始状态IST指令使M8040接通 禁止所有 状态转移 但当按下全自动启动按钮SB6时 X16闭合 特殊辅助继电器 M8042闭合 使得M8040为OFF 使状态按顺序转移一步 每按一次SB6 按程 序梯形图4所示的状态向前完成一步动作 4 选择开关扳至单周期运行方式 初始状态IST指令使转移开始辅助继电器 M8041仅在按下SB6时接通 即按下SB6时 M8041 ON 松开