毕业设计（论文）-基于PLC与组态王Kingview6.50实现对机械手的控制设计.doc

西南科技大学本科生毕业设计 论文 I 泸 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设计 基基于于 P PL LC C 与与组组态态王王 K Ki in ng gv vi ie ew w6 6 5 50 0 实实现现对对机机械械手手的的控控制制 设设计计 学学生生姓姓名名 所所 在在 系系机机械械工工程程系系 班班 级级2 20 01 12 2 级级 2 2 班班 专专 业业机机电电一一体体化化 指指导导教教师师 2 20 01 14 4 年年 9 9 月月 1 15 5 日日 西南科技大学本科生毕业设计 论文 II 摘摘 要要 在工业生产等相关领域内 会有一些 高温 腐蚀及 有毒气体出现在工作环境 中 危害了操作人员的健康 增加了工人的劳动强度 而机械手可以解决这些问 题 机械手可在空间抓 放 搬运物体 动作灵活多样 从而替代人工操作 适 用于可变换生产品种的中 小批量 自动化生产 本毕业设计任务主要通过 PLC 完成对一个 5 自由度的机械手模型控制 使其 完成一系列的 生产动作过程 并使用组态王软件 对机械手进行监控 将机械手的动 作过程进行了动画显示 设计所使用的机械手 系统 TVT 99D 是由三菱 FX2N 48MT PLC 主机 机械手 滚珠丝杆 滑轨 Syntron 42BYG250C 步进电机及其驱动 器 传感器 光电编码器 气动元件等组成 可实现机械手 的上下移动 左右移动 底 盘旋转及手爪旋转 抓放 等动作 主要采用了步进顺序控制及步进控制技术 涵 盖了可编程控 制技术 位置控制技术 检测技术等 是机电一体化的典型代表 设计报告首先介绍了机械手控制方式的选择和所选择方式的简介 其次介绍了 应用 PLC 设计机械手的步骤 还介绍了 PLC 机械手的程序调试 最后介绍了应用组 态王对机械手监控的过程 包括画面绘制 数据变量的设置等 关键词 机械手 PLC 滚珠丝杠 步进控制 西南科技大学本科生毕业设计 论文 III A Ab bs st tr ra ac ct t In industrial production and other domains something like high temperature corrosion and poisonous gas appear at workplace which would increased worker s labor intensity and even endangers their health With manipulator used those difficult problems can be easily solved Hand operation can be replaced by manipulator operation because it can grab put move objects flexibly and changefully So it can be applied to transform the production of variety of medium and small volume automated production The task of the graduation design is to control a mechanical hand model with 5 degrees of freedom by PLC and use it to complete a series of actions The KINGVING is used to monitor the mechanical hand and change its movement into animations The system model TVT 99D I used is composed by MITSUBISHIS FX2N MT PLC mechanical hand ball screw slide rail Syntron 42BYG250C step motor and its driver module sensor photoelectric encoder pneumatic component and so on It controls manipulator move vertically or horizontally chassis or paw rotate pack and place The design mainly uses stepping sequence control and stepping control technology The process covers programmable control technology position control technology detection technology which is a typical representative of mechatronics The design report firstly describes how to choose the way to control the mechanical hand and introductions of the ways Then introduces the design steps It also introduces program test of the manipulator At last the paper introduces the steps of processing and monitoring manipulator by KingView Key words mechanical hand PLC ball screw step contr 西南科技大学本科生毕业设计 论文 1 目目录录 一 绪论 1 一 课题研究目的及意义 1 二 国内外机械手研究概况 1 1 国内方面 1 2 国外方面 2 二二 机机械械手手控控制制方方式式选选择择 3 一 机械手常用控制方法 3 1 控制方式的分类 3 2 机械手控制方式的选定 4 二 PLC 简介 5 1 PLC 组成 5 2 PLC 的特点 6 3 PLC 的主要功能 6 4 PLC 的经济性分析 7 5 PLC 的应用领域及发展状况 7 三 组态王简介 8 1 仿真的基本方法 8 2 组态王软件特点 8 西南科技大学本科生毕业设计 论文 2 四 机械手系统介绍 10 1 机械手本体 11 2 步进电机及其驱动器 12 3 直流电机驱动器单元 17 4 接近开关和限位开关 18 5 旋转码盘 19 三三 应应用用 P PL LC C 设设计计机机械械手手的的步步骤骤 20 一 工艺控制和设计要求 20 1 具体流程及步骤 20 2 设计要求 21 二 PLC 程序设计 22 1 I O 点数的确定及 PLC 类型的选择 22 2 PLC 的 I O 分配 22 3 编程方式及指令的选择 23 4 PLC 程序的设计 25 四四 P PL LC C 机机械械手手的的程程序序调调试试 31 一 PLC 控制的安装与布线 31 1 输入接线 31 2 电源接线 31 3 接地 32 西南科技大学本科生毕业设计 论文 3 二 机械手控制系统的外部接线图 33 五五 应应用用组组态态王王对对机机械械手手监监控控过过程程 34 一 画面绘制 34 二 数据变量的设置 35 三 组态王与 PLC 的通讯设置 35 四 实际监控 36 六六 小小结结 37 一 设计和调试过程遇到的问题及解决方法 37 1 外部接线问题 37 2 PLC 选型的问题 37 3 接近开关使用 37 4 合并程序 38 5 特殊辅助继电器 M8029 的使用 38 6 步进电机控制问题 38 二 心得体会 39 七七 致致谢谢 40 参参考考文文献献 41 西南科技大学本科生毕业设计 论文 4 一一 绪绪论论 一 课题研究目的及意义 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象 近年来随着工业自动化 的发展机械手逐渐成为一门新兴学科 并得到了较快的发展 机械手广泛地应用与 锻压 冲压 锻造 焊接 装配 机加 喷漆 热处理等各个行业 特别是在笨重 高温 有毒 危险 放射性 多粉尘等恶劣的劳动环境中 机械手由于其显著的优 点而受到特别重视 总之 机械手是提高劳动生产率 改善劳动条件 减轻工人劳 动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段 国内外都十分重视它的应用和发展 对于机械手的了解和控制 能加深对所学知识的理解和巩固 提高 动手能力 和解决实际问题的能力 接触与生产相关的东西 了解与实际工作有关的知识 对 于之后的学习和工作都能有很多益处 二 国内外机械手研究概况 1 国内方面 目前在一些机种方面 如喷涂机械手 弧焊机械手 点焊机械手 搬运机械手 装配机械手 特种机械手 水下 爬壁 管道 遥控等机械手 基本掌握了机械手 操作机的设计制造技术 解决了控制驱动系统的设计和配置 软件的设计和编制等 关键技术 还掌握了自动化喷漆线 弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信 协调控制技术 在基础元件方面 谐波减速器 机械手焊接电源 焊缝自动跟踪装 置也有了突破 从技术方面来说 我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的 基础 2 国外方面 机械手首先是从美国开始研制的 1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的 概念 并申请了专利 该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节 利用人手 西南科技大学本科生毕业设计 论文 5 对机器人进行动作示教 机器人能实现动作的记录和再现 这就是所谓的示教再现 机器人 现有的机器人差不多都采用这种控制方式 1958 年美国联合控制公司研 制出第一台机械手铆接机器人 作为机器人产品最早的实用机型 示教再现 是 1962 年美国 AMF 公司推出的 VERSTRAN 和 UNIMATION 公司推出的 UNIMATE 这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成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 因而广泛应用于机械制造 冶金 电子 轻工和原子能等部门 近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势 机械手性能不断提高 而单 机价格不断下降 机械结构向模块化 可重构化发展 控制系统向基于PC 机的开 放型控制器方向发展 传感器作用日益重要 虚拟现实技术在机械手中的作用已从 仿真 预演发展到用于过程控制 西南科技大学本科生毕业设计 论文 6 二二 机机械械手手控控制制方方式式选选择择 一 机械手常用控制方法 1 控制方式的分类 1 单片机 单片机具有较高的集成度 特别是当前比较流行的增强型单片机 一块芯片 上集成了 CPU RAM ROM EEPROM 或 EPROM 时钟 定时器 外部中断 模数转 换 数模转换 SPI PWM PCA ISP IAP 等诸多功能 价格从几元到几十元不等 但总体来说比较便宜 其缺点是处理速度相对较慢 当要处理的数据量特别是浮点运算工作量比较 大 实时性和精度要求比较高时运用单片机开发控制系统就比较困难了 2 ARM ARM 核处理器 是具有高性能 廉价 低功耗的租 SC 处理器 同时 ARM 处 理器可以支持 8 位 16 位 32 位数据类型 采用流水线来增加处理器指令流的速 度 锁相环技术进一步提高指令运行速度 可以嵌入操作系统 运用于更加复杂 的操作对象 其缺点是开发周期长 多用于嵌入式运用 3 DSP DSP 器件具有很高的集成度 运行速度更快 多级流水线和内置的高速硬件乘 法器 并且提供了高度专业化的指令集 这些都提高了 FFT 快速傅里叶变换和滤 波器的运算速度 所以 DSP 器件多用于以算法为主的嵌入式系统 其缺点是开发难度相对比较大 而且 DSP 器件的价格也不便宜 4 LabView 虚拟仪器 虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集与控制 数据处理与分析及数据的显 示这 3 部分的物理功能 将计算机资源与仪器硬件 DSP 技术相结合 在系统内共 享软硬件资源 虚拟仪器没有常规仪器的控制面板 而是利用计算机强大的图形 环境 采用可视化的图形编程语言和平台 以在计算机屏幕上建立图形化的软面 板来替代常规的传统仪器面板 缺点有操作内存很难 设计过于程式化且对于硬件的依赖型很强 5 PLC 可编程控制器 详见下一节 西南科技大学本科生毕业设计 论文 7 2 机械手控制方式的选定 PLC 实现的自动控制系统 其控制功能基本都是通过设计软件来实现的 这种软件 是利用 PLC 厂商提供的指令系统 根据机械设备的工艺流程来设计 PLC 自问世以来 经过 20 多年的发展 在美国 欧洲 日本等工业发达国家已成 为重要产业 当前 PLC 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品 用 PLC 设 计自动控制系统已成为世界潮流 PLC 之所以有生命力 在于它更加适合工业现场和市场的要求 高可靠性 强抗各 种干扰的能力 编程安装使用简便 低价格长寿命 比之单片机 它的输入输出端更 接近现场设备 不需添加太多的中间部件或需要更多的接口 这样节省了用户时间和 成本 PLC 的下端 输入端 为继电器 晶体管和晶闸管等控制部件 而上端一般是面 向用户的微型计算机 人们在应用它时 可以不必进行计算机方面的专门培训 就能 对可编程控制器进行操作及编程 用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务 PLC 具有很多的优点 机械手控制系统若采用 PLC 控制 体积小 重量轻 控制方 式灵活 可靠性高 操作简单 维修容易 由于 PLC 所具有的灵活性 模块化 易于 扩展等特点 可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求 机械手采用 PLC 控制技 术 可以大大提高该系统的自动化程度 减少了大量的中间继电器 时间继电器和硬 件接线 提高了控制系统的可靠性 同时 用 PLC 控制系统可方便地更改生产流程 增强控制功能 上述的选择方案各有优缺点 这次对于控制系统的设计不需要选择速度最快的硬 件器件 也不需要可视化的图形编程语言和平台 而是在达到设计要求的前提下 尽 量降低系统的运行速度和开发成本 提高了系统运行的稳定性 且要求能方便地更改 工作流程 完成复杂的运动控制 综上所述 机械手的控制方式选择 PLC 控制 二 PLC 简介 PLC 和一般的微型计算机基本相同 也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的 PLC 的硬件系统由微处理器 CPU 存储器 EPROM ROM 输入输出 I O 部件 电 源部件 编程器 I O 扩展单元和其他外围设备组成 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 西南科技大学本科生毕业设计 论文 8 图 1 PLC 硬件系统组成 图 2 控制面板示意图 PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各种程序的集合 通常可分为系统程序和用户 程序两大部分 系统程序是每一个 PLC 成品必须包括的部分 由 PLC 厂家提供 用于 控制 PLC 本身的运行 系统程序固化在 EPROM 中 用户程序是由用户根据控制需要 西南科技大学本科生毕业设计 论文 9 而编写的程序 硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统 他们是相辅相成 缺一不可的 1 PLC 组成 中央处理单元 CPU 存储器 I O 单元 电源部分 扩展接口 通信接口 2 PLC 的特点 可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置 其实质是 一种工业控制用的专用计算机 国内外现有的机械手系统 它们的控制形式大都采用 可编程序控制器控制 特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中 应用更为普遍 其主要原因是因为 PLC 具有以下优点 灵活 通用 可靠性高 抗干扰能力强 操作方便 维修容易 功能强 体积小 重量轻和易于实现机电一体化 同样 可编程序控制器控制也有其不足的地方 在性价比上要高于继电器控制和 单片机控制 其开发潜力要差于单片机 并且通用性不好 不同厂家的可编程序控制 器以及其附属单元都是固定专用等等 3 PLC 的主要功能 PLC 是一种应用面很广 发展非常迅速的工业自动化装置 在工厂自动化 FA 和计 算机集成制造系统 CIMS 内占重要地位 PLC 系统主要有以下功能 多种控制功能 数据采集 存储与处理功能 通信联网功能 输入 输出接口调理功能 人机界面功能 西南科技大学本科生毕业设计 论文 10 编程 调试功能 PLC 的重量 体积 功耗和硬件价格一直在降低 虽然软件价格占的比重有所增 加 但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格 另外 采用 PLC 还可以大大缩短设计 编程和投产周期 使总价格进一步降低 PLC 产品面临现场总线的发展 将再次革新 满足工业与民用控制的更高需求 4 PLC 的经济性分析 综上所述 在各种环境中 使用 PLC 控制机构设备 生产流水线和生产过程的自 动化控制将越来越广泛 对 PLC 的经济分析 应从以下两个方面考虑 1 从影响成本的各个因素综合考虑 对目前生产设备控制装置来说 有继电器控制 半导体器件控制以及 PLC 控制三 种类型 价格仅是选择 PLC 品牌的一个因素 而可靠性是选择控制装置时需要考虑的 又一个重要因素 2 从设计 生产周期长短考虑 5 PLC 的应用领域及发展状况 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的界限 使控制系统 设计及建造的周期大为缩短 同时日常维护也变得容易起来 更重要的是使同一设 备经过改变程序而改变生产过程成为可能 使用情况主要分为如下几类 开关量逻辑控制 工业过程控制 运动控制 数据处理 通信及联网 现代 PLC 的发展主要有两个趋势 一是向体积更小 速度更快 功能更强和价格 更低的微小型方面发展 二是向大型网络化 高可靠性 好的兼容性和多功能方面发 展 6 PLC 的选型 西南科技大学本科生毕业设计 论文 11 对于 PLC 的选择 我们必须考虑多方面的因素 例如输入 输出的最多点数 扫 描速度 内存容量 指令条数 功能模块等 同时还要考虑其经济实用性以及工作 环境对其的影响 PLC 发展这么多年 技术成熟 各种型号的也很多 各个厂家生 产的也有一定区 别 各个重点发展方向也不同 所以我们必须根据自己设计需要 考虑如何选择 西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱 活跃在中国的 信息与通讯 自 动化与控制 电力 交通 医疗 照明以及家用电器等各个行业中 其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案 欧姆龙 S7 200 系列 PLC 突出的特点 可靠性高 操作简便 丰富的内置集成 功能 强劲通讯能力 丰富的扩展模块 简单 易用的 Micro WIN 编程软件 OMRON 的可编程序控制器更加小型化 SYSMAC CPM1A 的大小仅相当于一个 PC 卡 对于 10 点的机型来说 从而使安装体积大幅度减小 同时也进一步节省了控 制柜的空间 它不仅具备了以往小型 PLC 所具备的功能 而且还可连接可编程序终 端 为生产现场创造了新的环境 编程环境与CQM1 及 SYSMAC A 等机种相同 由 于原有 SYSMAC 支持软件及编程器都可继续使用 故而系统的扩展及维护都可简单 进行 三菱 FX 系列可编程控制器是当今国内外最新 最具特色 最具代表性的微型 PLC 在 FX 中 除基本的指令表编程方式外 还可以采用梯形土编程及对应机械动 作流程进行顺序设计的 SFC 顺序功能图编程 而且这些程序可互相转换 在 FX 系 列 PLC 中设置了高数计数器 对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理 扩大了 PLC 的应用领域 其 FX2N PLC 还可以采用作为扩展设备的硬件计数器 可 获取最高 50kHz 的高速脉冲 7 确定型号 FX2N 48MR 综上 对于被控对象 采用 PLC 系统与采用其它形式的控制系统相比较 力求 具有较好的性价比 使用和维修方便 选用的 PLC 主机和配置 控制功能等必须能 满足被控对象的各种控制要求 选用的 PLC 主机及配置必须是功能较强的新一代 PLC 机型 一般最好不要选用旧机型 若采用三菱公司的 PLC 则选 FX 系列 不 选 F1 系列 同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展 在满足确定的要求外 留有 一定的余量 确保整个控制系统可靠 还要考虑大家对产品的熟悉程度 以及编 程指令的易懂性 在此 我选用三菱 FX1N 来做控制核心 FX 系列 PLC 是由三菱公 司近年来推出的高性能小型可编程控制器 以逐步替代三菱公司原 F F1 F2 系 列 PLC 产品 其中 FX2 是近年推出的产品 FX0 是在 FX2 之后推出的超小型 PLC 近几年来又连 续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的 FX0S FX1S FX0N FX1N FX2N FX2NC 等系列 PLC 具有较高的性能价格比 应 用广泛 它们采用整体式和模块式 相结合的叠装式结构 8 三菱 FX 系列的结构功能 可编程控制器是一种工业控制微型计算机 它的结构原理与微型计算机相似 硬件构成有微处理器 存储器和各种输入 输出接口 系统程序和接口器件又与微 机不同 这使它的操作使用方法 编程语言 工作方式等与微型机有所不同 PLC 西南科技大学本科生毕业设计 论文 12 是用微处理器实现继电器 定时器和计数器以及A D D A 模拟转换器件的组合体 的功能 采用软件编程进行它们之间的联系 本设计采用 FX 系列 PLC 作为控制核心 所以现在就以它来讲述 PLC 的应用知 识 操作技能 FX 系列 PLC 硬件组成与其它类型 PLC 基本相同 主体由三部分组 成 其 PLC 的基本结构如图 2 1 系统电源有些在 CPU 模块内 也有单独作为一个 单元的 编程器一般看作 PLC 的外设 PLC 内部采用总线结构 进行数据和指令的 传输 外部开关信号 模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC 的输入变量 它们经 PLC 的输入端子进入 PLC 的输入存储器 收集和暂存被控对象实际运行的状 态信号和数据 经 PLC 内部运算与处理后 按被控对象实际动作要求产生输出结果 输出结果送到输出端子作为输出变量 驱动执行机构 PLC 的各个部分协调一致地 实现对现场设备的控制 9 输入输出接口的安全保护 当输出口连接电感类设备时 为了防止电路关断时刻产生高压对输入 输出口造 成破坏 应在感性元件两端加保护元件 对于直流电源 应并接续流二极管 对 于交流电路应并接阻容电路 阻容电路中电阻可取51 120 电容取 0 1 0 47 F 电 容的额定电压应大于电源的峰值电压 续流二极管可选1A 的管子 其额定电压应 大于电源电压的 3 倍 图 2 2 为输入输出口的保护环节示意图 图 2 输入输出保护 三 组态王简介 组态王是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件 它具有适应 性强 开放性好 易于扩展 经济 开发周期短等优点 通过对现场数据的采集处 理 以动画显示 报警处理 流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际 工程问题的方案 在自动化领域中有着广泛的应用 本设计通过组态王软件对机 械手进行监控 将机械手的动作过程进行了动画显示 使机械手的动作过程更加形 象化 能够方便的和 PLC 进行连接 故采用组态王作为上位机软件 西南科技大学本科生毕业设计 论文 13 1 仿真的基本方法 使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法 1 图形界面的设计 2 构造数据库 3 建立动画连接 4 运行和调试 2 组态王软件特点 使用组态王软件开发具有以下几个特点 1 实验全部用软件来实现 只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程 的实验 从而大大减少购置仪器的经费 2 该系统是中文界面 具有人机界面友好 结果可视化的优点 对用户而言 操 作简单易学且编程简单 参数输入与修改灵活 具有多次或重复仿真运行的控制能力 可 以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线 能很直观地显示控制系统的实时趋势 曲线 这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果 3 编制过程注意点 在采用组态王开发系统编制 应用程序过程中要考虑以下三个方面 1 图形 是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的 工控设备 2 数据 就是创建一个具体的数据库 并用此数据库中的变量描述工控对象的 各种属性 比如水位 流量等 3 连接 就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行 以及怎样让操作 者输入控制设备的指令 西南科技大学本科生毕业设计 论文 14 图 2 组态王软件操作界面 四 机械手系统介绍 本次毕业设计使用的是 QSPLC JXS 机械手模型装置 机械手实物教学模型的机械结构采用滚珠丝杆 滑杆 气缸 气夹等机械部件组 成 电气方面有步进电机 直流电机 步进电机驱动器 传感器 开关电源 电磁阀 等电子器件组成 该模型是 PLC 技术 位置控制技术 气动技术有机结合成一体的教 学仪器 可实现机械手五维控制 完成料块的码放 移动等 西南科技大学本科生毕业设计 论文 15 图 3 机械手系统实体图 该系统由机械手本体 PLC 控制单元 电源单元 接口单元 其部件的实物结 构如下图所示 西南科技大学本科生毕业设计 论文 16 图 4 立体机械手结构实物示意图 西南科技大学本科生毕业设计 论文 17 1 机械手本体 机械手本体按功能分为由二轴平移机构 旋转底盘 旋转手臂机构 气动夹 手 支架 限位开关等部件组成 按活动关节分为 S 轴 L 轴 U 轴 T 轴 B 轴等机构 其结构示意图如下所示 图 5 机械手结构示意图 机械手本体的活动范围 1 底盘的旋转角度 大于 270 2 旋转手臂的范围 大于 270 3 水平移动的范围 小于 21cm 西南科技大学本科生毕业设计 论文 18 4 垂直移动的范围 小于 15cm 2 步进电机及其驱动器 1 步进电机 采用 Syntron 42BYG250C 两相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 本模型中采用串联 型接法 其电气接线图如图 6 所示 图 6 步进电机电气接线图 步进电机的参数如下 电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号 电机所转动的角度 电机出厂时给出了一个步距角的值 如 86BYG250A 型电机给出的值为 0 9 1 8 表 示半步工作时为 0 9 整步工作时为 1 8 这个步距角可以称之为 电机固有步距角 它不一定是电机实际工作时的真正步距角 真正的步距角和驱动器有关 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数 目前常用的有二相 三相 四相 五 相步进电机 电机相数不同 其步距角也不同 一般二相电机的步距角为 0 9 1 8 三相的为 0 75 1 5 五相的为 0 36 0 72 在没有细分驱动器时 用户主要靠选择 不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求 如果使用细分驱动器 则 相数 将变得 没有意义 用户只需在驱动器上改变细分数 就可以改变步距角 保持转矩 HOLDING TORQUE 是指步进电机通电但没有转动时 定子锁住转 子的力矩 它是步进电机最重要的参数之一 通常步进电机在低速时的力矩接近保持 A 红 A 蓝 绿 B 黑 B 西南科技大学本科生毕业设计 论文 19 转矩 由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减 输出功率也随速度的增大 而变化 所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一 比如 当人们说 2N m 的步进电机 在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N m 的步进电机 DETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下 定子锁住转子的力矩 DETENT ORQUE 在国内没有统一的翻译方式 容易使大家产生误解 由于反应式步 进电机的转子不是永磁材料 所以它没有 DETENT TORQUE 图 7 步进电机 2 步进电机驱动器 实验室里采用 Syntron SH 20403 细分驱动器 步进电机驱动器主要有电源输入部 分 信号输入部分 输出部分等 下图为该细分驱动器示意图及 PLC 与步进电机驱动 器连接图 西南科技大学本科生毕业设计 论文 20 图 8 细分驱动器示意图 图 9 PLC 与步进电机驱动器连接图 驱动器参数如下表 1 表 2 表 3 表 4 表 5 所示 PLC 控制器与步进电机驱动 器连接及工作原理 如图 9 所示 步进电机驱动器有电源输入部分 信号输入部分 信号输出部分等 利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速 方向进行控制 驱动 器电源由面板上电源模块提供 驱动器信号端采用 24V 供电 需加 1 5K 限流电阻 见图 9 中 1 5K 电阻 驱动器输入端为低电平有效 PLC 通过控制其输出点来控制 驱动器光耦的开合 当 PLC 输出线圈得电时 晶体管导通 相应的触点输出低电平 使驱动器光耦导通 当 PLC 输出线圈失电时 晶体管关 断 使驱动器光耦截止 另外若不采用驱动器 而采用 PLC 输出触点直接驱动步进电 机 会占用很多的输出触点 同时给编程带来不便 下图为步进电机驱动器实物图 图 10 步进电机驱动器 西南科技大学本科生毕业设计 论文 21 以下为驱动器的一些性能参数表 表 1 电流设定 电流值 SW5SW6SW7 0 9AONONON 1 2AONONOFF 1 5AONOFFON 1 8AONOFFOFF 2 1A0FFONON 2 4AOFFONOFF 2 7AOFFOFFON 3 0AOFFOFFOFF 表 2 性能指标 供电电源10V 40VDC 容量 0 03KVA重量 0 21Kg 输出电流峰值 3A 相 MAX 绝缘电阻在常温常压下小于 100M 驱动方式恒相流 PWM 控制绝缘强度在常温常压下 0 5Kv 1Min 表 2 电气规格 说明最小值典型值最大值单位 供电电压 182440V 均值输出电流 0 2111 50A 逻辑输入电流 61530mA 步进脉冲响应 频率 100kHz 脉冲低电平时 间 5 1 s 表 4 细分设定 细分倍数步数 圈 1 8 整步 SW1SW2SW3 保留 ONONON 半步 100ONOFFOFF 1200OFFOFFOFF 4800OFFONOFF 81600ONONOFF 163200OFFOFFON 326400ONOFFON 西南科技大学本科生毕业设计 论文 22 6412800OFFONON 表 5 接线信号描述 信 号功 能 CP 脉冲信号 下降沿有效 共阳极时脉冲低电平持续时间不 小于 10 s 时间不小于 时间不小于 0 相电流及细分数设定 12 3 4 型细分驱动器采用拨位开关设定相电流及细 分数 其中 3 位用于对相电流的设定 具体设 定如表 所示 5 9 9 细分数设定好后驱动器须 断电复位方可有效 步进电机的型号是 3 其相电流选 3 拨位 开关 3 设定值为 细分数根据实际应用的精 度 要求来选取 与步进电机驱动器的硬件连接 可编程序控制器 与步进电机驱动器的连接如图 3 所示 在图 3 中 将可编程序控制器的脉冲输出端 的公 共端 4 和输出点 的公共端 43 皆与可编程序控 时间不小于 0 DIR 方向信号 用于改变电机转向 高低电平控制电机正 反 OPTO 输入信号的公共端 接 5V FREE 脱机信号 当输入控制端为低时 电机处于脱机自由状态 低时 电机励磁电流被关断 电机处于脱机自由状态 GND 直流电源地 V 直流电源正极 典型值 24V A 电机 A 相 A 电机 A 相 B 电机 B 相 B 电机 B 相 3 直流电机驱动器单元 采用 ZHENG ZGA37RA188i No 105A127 直流电机来控制底盘和手爪的旋转动作 本装置中直流电机驱动模块是由两个继电器的吸合与断开来控制电机的转动方向 的 从而实现基座和气夹的正反转 本模型所用输入 输出均为低电平有效 其中 IN 端接 PLC 的输出端口 OUT 端接模型的信号输入端 COM 端接 PLC 的传感器电源负 端 电平转换板原理图如图 11 所示 西南科技大学本科生毕业设计 论文 23 图 11 电平转换板原理图 图 12 直流电机 4 接近开关和限位开关 1 接近开关 本装置中使用的传感器有接近开关和开关 基座和气夹的正反转限位采用接近开 关 金属传感器 通过调整基座和气夹上的金属块的位置 可以在一定范围内改变基 座和气夹的旋转角度 机械手的伸缩 升降均采用行程开关来限位 并通过改变行程 开关的位置来调节横轴和竖轴的运动范围 接近开关有三根连接线 棕 兰 黑 棕色接电源的正极 蓝色接电源的负极 黑色为输出信号 当与档块接近时输出电平为低电平 否则为高电平 与 PLC 之间的 接线图如下 当传感器动作时 输出端对地接通 PLC 内部光耦与传感器电源构成回 路 PLC 信号输入有效 工作原理如图 13 所示 西南科技大学本科生毕业设计 论文 24 图 13 传感器工作原理图 图 14 接近开关 2 限位开关 当档块碰到开关时 常开点闭合 图 15 限位开关 5 旋转码盘 为了实现底盘的定位控制 需要用到旋转码盘 旋转码盘是一种将角位移转换 成脉冲值的检测装置 其结构如图 15 所示 当电机旋转时 带动码盘一块旋转 此时光电开关在码盘的作用下发出一组脉 冲信号 通过检测这些脉冲信号就可以检测电机的旋转角度了 西南科技大学本科生毕业设计 论文 25 图 16 旋转码盘接线图 图 17 旋转码盘 西南科技大学本科生毕业设计 论文 26 三三 应应用用 P PL LC C 设设计计机机械械手手的的步步骤骤 一 工艺控制和设计要求 本课题主要研究的是基于 PLC 的机械手模型控制系统的设计 包括硬件的设计 和软件的设计 通过设计编制 PLC 程序实现机械手模型控制系统的自动控制 利用组态软件设 计出人机界面 进行设备和数据对象的连接 实现动画连接 实现机械手的监控 通过组态王将机械手的动作过程进行动画演示 使机械手的动作形象化 提供较为 直观 清晰 准确的机械手运行状态 为维修和故障诊断提供多方面的可能性 充 分提高系统的工作效率 1 具体流程及步骤 图 18 机械手结构示意图 打开电源 按下启动按钮 机械手按下方动作依次执行 1 机械手初始化过程 西南科技大学本科生毕业设计 论文 27 S20 回原点 即机械手到达左上方 底盘转到原点 S21 手爪松开 S22 手爪顺时针旋转一定角度 S23 机械手同时下降并右移 到达物品所在 A 处上方后停止 2 A 点动作过程 S24 手爪闭合 抓住物品 S25 机械手向上升一定高度 S26 顺时针旋转 30 到达 B 点 3 B 点动作过程 模仿工业过程中 物件在传送中停放进行加工的过程 S27 手爪下降一定高度 S28 手爪放松物品放 B 点 S29 机械手上升 S30 计时 3 秒 此时模仿物品加工过程 3 秒后加工完毕 S31 S32 S33 手爪下降取物再上升 S34 底盘再次顺时钟转动到达 C 点 4 C 点动作过程 S35 手爪逆时针旋转一定角度 S36 S37 机械手左移 下降到适合的位置 S38 手爪放松 将物品放下 S39 S40 S41 S42 机械手经过一系列的动作回到 A 点物品上方 至此 机械手经过一系列动作完成一个循环 之后再回到第 2 步 循环动作 将物品一一运送到 C 处 2 设计要求 选择 PLC 机型 FX2N 系列 进行 PLC 的 I O 分配 根据控制要求绘制控制流程图 设计梯形图控制程序并加以说明 下载梯形图程序至 PLC 调试 PLC 控制程序 用组态王软件完成系统组态画面设计并实现监控功能 在实验室实际机械手调试 检验设计功能 整理资料及图纸 写毕业设计报告 西南科技大学本科生毕业设计 论文 28 二 PLC 程序设计 1 I O 点数的确定及 PLC 类型的选择 本次设计使用的是 QSPLC JXS 机械手模型装置 本装置需采用晶体管输出型可编 程控制器 可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器 控制步进电机运行 由于机械手 系统的输入 输出点少 要求电气控制部分体积小 成本低 并能够用计算机对 PLC 进 行监控和管理 该机械手的控制为纯开关量控制 且 I O 点数不多 仅需 7 个输入点 和 7 个输出点 考虑留有一定的裕量 故选用日本三菱公司生产的多功能小型 FX2N 48MT 主机 该机输入点为 24 个 输出点为 24 个 2 PLC 的 I O 分配 根据机械手动作的要求及机械手实物教学实验装置说明指导 输入 输出点分配 如表 6 所示 表 6 PLC 的 I O 分配表 输入端口输出端口 PLC 端 单元板 端口 注释 PLC 端 单元板 接口 注释 X1SQ2 S 轴原点 底盘 Y0 L 轴 CP垂直轴脉冲信号 X2SQ1 S 轴限位 底盘 Y1 U 轴 CP水平轴脉冲信号 X3SQ4 L轴原点 水平方向 Y2 L 轴 DIR垂直轴方向信号 X4SQ5 L 轴限位 水平方向 Y3 U 轴 DIR水平轴方向信号 X5SQ6 U 轴原点 垂直方向 Y4 S 轴 F底盘顺时针转动 X6SQ7 U 轴限位 垂直方向 Y5 S 轴 R底盘逆时针转动 X10SQ8 T 轴限位 手爪 Y6 B 轴 YV 气动夹手 X11SQ9 T 轴原点 手爪 Y10 T 轴 F 手臂顺时针转动 X0SQ3 旋转码盘脉冲输出 Y11 T 轴 R手臂逆时针转动 X17SW0 启动暂停 Y7 旋转编码控制 X16SW1 单步运行控制 Y12 旋转编码控制 注 S 轴为底盘 T 轴为手爪 L 轴为竖轴 U 轴为横轴 B 轴为电磁阀 西南科技大学本科生毕业设计 论文 29 3 编程方式及指令的选择 1 编程方式选择 方案一 使用起保停电路的编程方式 用辅助继电器代表步 仅仅使用与触电和 线圈有关的指令 编出程序规范 具有易于阅读和容易查错的优点 但因为存在大量 的自保持触点 使程序代码较长 方案二 采用以转换为中心的编程方式 这种编程方式与转换实现的基本规则之 间有着严格的对应关系 用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时 会有很大帮助 方案三 采用 STL 指令的编程方式 STL 指令 步进梯形指令 是三菱厂家设计的 专门用于顺序控制的指令 使用该指令可以使编制顺序控制程序更加方便 而且易于 调试和维护 且代码较短 根据具体需要及各方案优点和缺点比较 本次设计采用的编程方式选用方案三 2 指令选择 1 PLSR 指令 当步进电机要求的转速较高 且未来保护步进电机 采用带加减速功能的脉冲 输出指令 PLSR 控制驱动器带动步进电机运动 从而实现机械手的上升下降和左右移 动 对于带加减速功能的脉冲输出指令 PLSR S1 用来指定最高频率 可设定的频率范围是 10 100000Hz S2 用来指定产生的脉冲个数 16 位指令的脉冲数范围是 110 32767 32 位指令的脉冲数范围是 110 2147483647 设定值不到 110 时 脉冲 不能正常输出 S3 用来设定加减速时间 50 5000ms D 用来指定脉冲输出元件 只能用晶体管输出型可编程序控制器 Y0 或 Y1 图 19 步进指令 PLSR 和 PLSY 2 PLSY 指令 PLSY 指令用于产生指定数量和频率的脉冲 与 PLSR 指令的区别在于没有加减 速功能 西南科技大学本科生毕业设计 论文 30 S1 用来指定脉冲频率 16 位指令的频率范围是 1 32767Hz 32 位指令 的频率范围是 1 100000Hz S2 用来指定产生的脉冲个数 16 位指令的脉冲数范围是 1 3276732 位 指令的脉冲数范围是 1 2147483647 若指定脉冲数为 0 则持续产生脉冲 即 控制步进电机一直转动 D 用来指定脉冲输出元件 只能用晶体管输出型可编程序控制器的Y0 或 Y1 图 4 8 中所示的指令是当可编程序控制器 PLC 的输入点 X10 有信号时 从 Y0 输出频率 1000Hz 的脉冲 脉冲的数量由通用数据寄存器 D0 给出 3 参数计算 PLC 直接控制步进电机系统设计时 在 PLC 和步进电机选型前 必须计算出 脉冲当量 脉冲频率上限和最大脉冲数量3 个参数 根据脉冲频率确定 PLC 高速脉冲输出频率 根据脉冲数量确定 PLC 的位宽 根据移动距离算出 PLSR 及指令中需要的脉冲数 根据实际测算 步进电机每接收 100 个脉冲 带动机械手移动 1mm 由于设计要求机械手顺时针旋转 30 到达 B 处 而这一过程无法通过限位开关或 者接近开关来实现 故采用旋转码盘进行控制 经实际测算 旋转码盘上共有 36 个孔 每旋转 90 则会输出 60 个脉冲 故旋转 30 则会产生 20 个脉冲 采用底数为 20 的计数器 计数到 20 计数器置零 同时停止机械手继续转动 这样实现这该过程 西南科技大学本科生毕业设计 论文 31 4 PLC 程序的设计 1 程序流程图 A点到C点循环过程 启动 回原点 上 左 逆旋 S20 爪松 爪逆旋 S21 S22 到位 下 右 S23 爪合 S24 上升 S25 底盘顺旋 S26 下降 S27 爪松 S28 上升 S29 计时3s S30 下降 S31 爪合 S32 上升 S33 底盘顺旋 S34 爪逆旋 S35 左移 S36 下降 S37 爪松 S38 上升 S39 右移 S40 左旋 爪顺旋 S41 下降 S42 停放B点加工过程 初始化过程 图 20 机械手总体工作流程图 2 顺序功能图 PLC 控制机械手程序 1 0 步 将旋转码盘的脉冲计数 步放置到程序的最上方 只有 Y7 被置 1 时 计数器 C0 才能计数 底盘顺时针旋转 30 即旋转码盘 西南科技大学本科生毕业设计 论文 32 给出 20 个脉冲 后 清空 C0 同时与后面的 S26 步相配合控制底盘 停止旋转 Y7 和 Y12 的设置使得该计数器不会影响 到其他步骤 2 开始以及初始化阶段 S0 S20 步 PLC 开启后 电源接通 M8002 发出一个脉冲 置位 S0 开启键 X17 按下时 置位 S20 机械手同时接收到上升 左移以及底盘逆时钟旋转 的指令 当到达了上限位 SQ4 左限位 SQ2 以及底盘原点 SQ6 之后 置位 S21 步 注 X016 为单步运行控制 每步结束时必须接通 X016 才能进入下一步 一下不再 赘述 X001 接限位 SQ2 X003 接限位 SQ4 X5 接限位 SQ6 S21 步 定时器计时 2 秒 同时机械手爪松开 两秒后进入下一步 S22 步 手爪旋转 到达限位后 SQ8 闭合 进入下一步 X010 接限位 SQ8 西南科技大学本科生毕业设计 论文 33 S23 步 机械手同时下降并右移 到达物品所在 A 处上方后停止 此时采用的 PLSY 指令 为使得机械手精确地到达 A 点 即物体的上方 机械手下降 125mm 右移 150mm 移动速率为 400Hz PLSY 设置为 800 驱动器细分度为 2 到位后进入下一