机械设计说明书-教学型机械手PLC 控制系统的设计

导言1.1课题的研究背景与意义在国家“十一五”规划的指导下，我国机器人研究与应用已经取得重大进展。21世纪，制造业将进入一个崭新的阶段，各种自动化装备、智能机器特别是机器人将在采掘、建筑、医疗、交通运输、军事、空间及海洋探索等领域具有广泛的应用。世界各国普遍在学校中开设了机器人技术的相关课程。为了培养开发、设计、生产、维护方面的人才，我国在职业类学校也开设了机器人相关课程。教学型机械手就是针对教学所研制的典型机器人设备，其有两个方面的要求：首先在硬件方面要求能让学生自己组装该设备，能正确连接电路与气路，所以涉及的知识面要适合职业类学生；其次在软件方面要能分模块，分块学习更容易接受，学后能按照要求编写控制程序。教学型机械手的研制能使学生比较全面、综合地了解现代工业设计，是机械、电子、传感器、计算机、人机交互等诸多领域的先进技术，并亲身接触和体验现代高科技。在学生获得科技知识和实践能力的同时，激发他们的创新意识和潜能，具有十分重要的现实意义[1]。1.2国内机器人发展状况和趋势国内开始机器人的研究，在20世纪70年代后期，当时我们国家在北京举办了一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，那个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是那时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段。真正进行机器人的研究是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划，在这个高技术发展计划中，将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到飞快的、迅速的发展。目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业机器人，都在国际上处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，虽然还存在很大的差距，但是在上述这些水下、空间、核工业的特殊机器人方面，我们还是取得了很多有特色的研究成就。现在机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人，它给人的最深刻的印象是一个具有独特的、进行自我控制的“活物”。其实，这个自控“活物”的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。比如筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚长鼻子、触角等动起来。智能机器人能够理解人类语言，用人类语言同操作者对话，在它自身的“意识”中单独形成了一种使它得以“生存”的外界环境——实际情况的详尽模式。目前，人工智能的推理功能已获突破，学习及联想功能正在研究之中，下一步就是模仿人类右脑的模糊处理功能和整个大脑的并行化处理功能。人工神经网络是未来人工智能应用的新领域，未来智能计算机的构成，可能就是作为主机的冯·诺依曼型机与作为智能外围的人工神经网络的结合。人工智能一直处于计算机技术的前沿，人工智能研究的理论和发现在很大程度上将决定计算机技术的发展方向。今天，已经有很多人工智能研究的成果进入人们的日常生活。将来，人工智能技术的发展将会给人们的生活、工作和教育等带来更大的影响。正是因为人们在认识自然改造自然过程中，需要各种各样的机器人，所以才促进了各项关键技术的发展，促进了机器人本身问题的发展，从另一个方面，由于关键技术的解决，以及应用的需求，就促进了机器人学本身的一个主题的发展、智能化，由原来的示教再现，发展成目前局部感知功能的第二代机器人，最终的目标，是不断地随着其它学科和先进技术的发展，使机器人内涵不断丰富，最终实现智能机器人这样一个主流。智能机器人其现状及发展趋势主要体现在以下几个方面：1.机构与材料：探索新的高强度轻质材料，不断提高负载／自重比，同时机器人机构向着模块化、可重构方向发展。2.机电一体化机器人：研究人机耦合系统与复杂生物机电系统建模方法，探索生物信息的编码机理和解码机制，以及多源生物信息的融合与理解机制等。3.多传感系统和控制技术：非线性及非平稳非正态分布的情形下有效可行的多传感器融合算法，机器人的控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器的研究；研究基于智能材料和仿生原理的高功率密度驱动器技术，研究仿生感知、控制机制与生物神经系统建型理论与方法。4.网络化技术：网络化使机器人由个体系统向群体系统发展，使远距离操作监控、维护及遥控的智能型工厂成为可能。5.机器人灵巧化和智能化发展：机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。6.医疗机器人和康复机器人：医疗机器人是近年来发展比较迅速的一个新的应用领域，借助医疗机器人可降低医生手术疲劳度，还可提高操作的精度。康复机器人可对各种神经损伤患者进行定量化的主被动康复治疗，使患者的运动机能和生活自理能力得到增强和恢复。20世纪80年代以来，机器人技术不断进步，其在各个领域的应用日益广泛，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发和研究列入国家高新技术发展计划。世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设机器人技术的有关课程。1.3本文的主要工作教学型机械手配置了实际生产过程中典型的皮带输送机、机械手和圆盘，综合了光电控制、气动控制、PLC控制、变频器控制等技术，承载了真实的生产功能。该机械手能实现抓取工件，搬运工件和旋转工件来完成工件的组装。本文主要研究了教学型机械手PLC控制系统。该设计能让学生更好的接触实际工作的整体设备，能更快的掌握类似控制系统的组装、功能修改、调试和维修。全文共分六章，主要研究工作及章节安排如下：第一章概述，讨论了本课题的研究背景、国内外的发展状况和趋势、介绍了本课题所要做的工作。第二章可编程控制器简介，介绍了可编程控制器的基本结构、工作原理、应用领域及三菱FX2N系列可编程控制器的介绍。第三章教学型机器手的系统介绍，着重介绍了教学型机械手整个系统，包括系统的组成、工艺流程和技术参数、系统自由度和坐标形式、系统的驱动方式及机械手传动方案的对比分析及选择。第四章PLC控制系统硬件设计，介绍了PLC控制系统方案、PLC选型及控制要求。第五章PLC控制系统软件设计，介绍了程序流程图、构成和相关设置、程序部分功能说明和梯形图、PLC通信及界面设计。第六章总结和展望，对本课题研究的工作做了总结以及今后针对该系统的研究。

2可编程控制器简介可编程控制器简称PC（ProgrammableController），它经历了可编程序矩阵控制器PMC（ProgrammableMatrixController）、可编程序顺序控制器PSC（ProgrammableSequenceController）、可编程序逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用PLC这个老名字。PLC是在继电器控制基础上发展起来的，以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业自动控制装置。由于PLC采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性[2]。PLC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。它采用可以编制程序的存储器，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的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计[3]。2.1PLC的基本结构PLC主要有CPU模块、输入模块、输出模块和编程器等模块组成，模块式结构框图见图2-1。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。图2-1结构框图1.CPU模块(中央处理器)CPU模块是PLC的核心部分[4]。在CPU控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。2.I/O模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来收集和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、继电器等开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备模拟量输出模块用来控制调节阀变频器等执行装置。CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC的输入/输出信号电压较高，例如DC24V和AC220V。从外部引入的尖锋电压和干扰噪声可能会损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O摸块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离内部电路和外部的I/O电路。I/O模块除了传递信号外还有电平转换和隔离的作用。3.编程器编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑体形图或指令表程序，并可以实现不同语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可存盘或打印，通过网络还可以实现远程编辑和传送。4.电源PLC一般使用AC220V和DC24V电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、DC12V和DC24V等电源。小型PLC可以为输入电路和外部电子传感器提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。2.2PLC的特点及应用PLC是实现工业自动化控制的重要支柱之一，其主要特点为：1.可靠性高，抗干扰能力强高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，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从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，故障也就大大降低。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。在应用软件中，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。这样，整个系统具有极高的可靠性了。2．配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，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，可用于各种数字控制领域。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、CNC等各种工业控制中。加上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非常容易。3．易学易用，深受工程技术人员欢迎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，编程语言易于为工程技术人员接受。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。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。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，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。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。目前，PLC在国内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，使用情况主要分为如下几类：1）开关量逻辑控制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）工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。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。3）运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。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，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4）数据处理PLC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。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5）通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.3三菱FX2N系列可编程控制器介绍[5]FX2N系列PLC是三菱推出的端子排型高性能标准规格机器,具有高速、高功能等基本性能，适用于从普通顺控开始的广泛领域，并具有适用于各种各样领域的充实的扩展设备，包括数字量输入输出扩展、模拟量输入输出扩展、温度控制、脉冲定位控制、高速计数控制、通信控制、现场总线控制、以太网网络系统等。它的主要性能如下：1.控制规模：16～256点。2.内置8K容量的EEPROM存储器,最大可以扩展到16K3.CPU运算处理速度0.55～0.7μS/基本指令。4.在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块。5.可以连接模拟量、定位、通信、网络等各种特殊扩展设备。6.辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数器：235点，数据寄存器：8000点。7.基本单元：16/32/48/64/80/128点，有继电器输出型和晶体管输出型。2.4PLC系统设计的一般步骤[6]PLC系统设计主要根据生产的工艺过程分析控制要求，如完成的动作和操作方式。根据控制要求确定所需要的IO设备，确定PLC的IO点数。然后再根据设计IO点数和控制系统的要求Ｗ及还要考虑其他的外围设备进斤PLC的选型。根据设汁系统确定各个IO的名称，并分配PLC的IO地址，然后再设计系统的IO连接图。最后综合考虑PLC所要完成的任务完成控制程序的设计2.5PLC的工作原理[7]运行时是以“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。也就是说，在工作时，实行的是一种顺序的扫描，按照操作者通过编辑器输入的指令依次执行，如果执行中遇到跳转指令，则按指令要求跳转至相应单元，否则处理器将从第一条指令开始顺序的执行用户程序，执行到最后一条，完成一次扫描，接着又自动返回到第一条指令，开始新一周期的扫描，在完成顺序扫描的同时，还要处理输入信号的采样和对输出状态的刷新等任务。如图2-2所示。图2-2PLC工作原理需要注意的是，虽然在梯形图中经常看到有些继电器或者计时器与计数器等名称，但是不是真正的拥有它，或者说真的有继电器或者计时器与计数器，它们只是为了完成某些功能而虚拟假设的，这样可以大大缩小了硬件空间。事实上在执行阶梯图程式时的运作方式首先是釆用逐行扫描的方式把阶梯图的程式码读入到中，最后再执行控制动作。在系统完成一个扫描周期的过程中，主要进行了三项工作，“输入采样阶段”、“程式执行阶段”和“刷新输出阶段”，

3教学型机械手系统介绍3.1教学型机械手系统的组成教学型机械手系统主要由水平皮带输送机，变频器、垂直固定于机架上的机械手和个人电脑构成。1．个人电脑选用通信接口为RS-232C规格的计算机，用于写入PLC程序，针对不同的需要编写程序。2．PLC选用三菱FX2N-32MT系列。可编程控制器的输出，输入及电源的接线端都引出到模块的面板插孔上，这样可以方便学生接线。PLC根据传感器传递来的信息和输入的程序来控制机械手和其他的气动控制。机械手硬件按其功能分析可分为底座、立柱、悬臂、手抓，其中能控制的包括立柱、悬臂、和气抓三个部件[8]。如图3-1所示图3-1部件展示3.2教学型机械手的工艺流程和技术参数机械手工作时，首先由PLC发出电控制信号给电磁阀；电磁阀动作输出气信号到气控阀；气控阀接到信号后，将动力输给气缸；气缸运动，运动到指定行程时，触及机械阀；机械阀将气信号传到气电继电器；气电继电器将电信号传至机械手控制系统；PLC根据气缸到位情况，按程序执行下一步动作。系统工作原理框图如图3-2所示[9]。图3-2系统工作原理根据其用途和特点，其技术参数如表3-1所示：表3-1技术参数技术参数数据自由度数目2定位精度1mm负载能力1kg几何尺寸400mm*300mm*350mm运动范围手臂伸缩100mm手臂升降200mm本体重量10kg3.3教学型机械手系统的自由度和坐标形式针对本系统中机械手的任务要求，为了使它具有一定的操作灵活性、较好的使用性和普及型，在结构设计上采用圆柱坐标型。自由度是指机械手所具有的独立坐标轴运动的数目，其中不包括手爪（末端操作器）的开合自由度，手指的开合所具有的自由度不包含在内，因为这个自由度仅用于抓取工具，而对于工具的定位和定向不起作用。该教学机械手系统设计为四个自由度，分别为立柱回转（周向），手臂升降运动（轴向），手臂伸缩运动（径向）和手爪的旋转（周向）。由各关节按不同的配置方法可组合成结构类型各异的机械手，其坐标形式也各不相同，最常见的机械手结构类型主要有下列几种：1．直角坐标型：通过沿x－y－z三个互相垂直的直角坐标的移动来实现末端执行器空间位置的改变。特点是定位精度高，结构简单，三个关节运动相互独立，其间没有耦合，但是这种形式机械手占地面积大，操作灵活性差。2．球坐标型：由二个回转运动关节和一个直线移动关节分别作为方向旋转关节、俯仰旋转关节和径向直线运动关节组合而成。特点是占地面积小，工作空间较大，但是移动关节不易防护。3．多关节型：这类机械手由两个肩关节和一个肘关节进行定位，由两个或三个腕关节定向。其中一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰，这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。这种结构动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小。但是结构比较复杂。4．圆柱坐标型：由一个升降直线运动关节，一个圆周旋转运动关节和一个水平直线运动关节组合而成。这种结构优点是动作过程中负荷变动少，容易控制，缺点是动作区域狭窄。教学型机械手由两个回转关节，一个轴向移动关节和一个径向关节组成。回转关节控制前后、左右运动；轴向移动关节实现上下运动；径向移动关节实现进出运动。特点是结构轻便、响应快。最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。针对本系统中机械手的任务要求，为了使它具有一定的操作灵活性、较好的使用性和普及型，在结构设计上采用圆柱坐标型。3.4教学型机械手系统的驱动方式通常，机械手的驱动方式有以下几类[10]：1．气压驱动使用压力通常在0.4～0.6Mpa，最高可达1Mpa。气压驱动主要优点是气源方便（一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气），驱动系统具有缓冲作用，结构简单、成本低；缺点是装置体积大，气源装置存在噪声问题，定位精度也不高2．液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速；缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用于要求输出力较大，运动速度较低的场合。3．电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，以获得要求的机器人运动。由于具有易于控制、运动精度高、使用方便、成本低廉、驱动效率高、不污染环境等诸多优点，电气驱动是最普遍，应用最多的驱动方式。综合各种驱动方式的优缺点，主要考虑成本及学校设施相对简陋的基础上，最后采用结构简单、成本低廉的气压驱动。电动机根据输出形式分，可以分为旋转型和直线型。电动机在机械手中应用时，要关注电动机的如下基本性能：1．能实现启动、停止、连续的正反转运行，且具有良好的响应特性；2．正转与反转时的特性相同，且运行特性稳定；3．维护容易，而且不用保养；4．具有良好的抗干扰能力，且相对于输出来说，体积小，重量轻。在机械手中，采用比较多的是直流电动机。因为它可以达到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反两个方向连续旋转运动平滑。因此，机械手的旋转、升降和伸缩部分及控制手爪的开合都采用直流电动机。3.5教学型机械手传动方案的对比分析及选择传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给机械手的执行部件，以实现各种预定的运动。目前常用的传动方式有：皮带轮传动、蜗轮蜗杆传动、行星齿轮传动、谐波减速传动以及螺旋传动等。谐波齿轮传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的缺点。行星齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点，是用于中等减速比传动，但存在齿轮间隙，难以实现正反转过程中精确位置要求，因此限制了它的广泛应用。蜗轮蜗杆机构常用于要求有大的传动比且传动过程中要求机构自锁的场合，这种方式安全性能高，但同样存在齿侧间隙，而且效率较低。皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑动，和链传动一样使用一段时间后易松弛，传动运转过程中还产生动载荷，因此常用于传动精度要求不高的场合。螺旋传动也是将回转运动变换为直线运动的重要传动方式，有滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳、无噪声、并且能够自锁，且丝杠的螺旋升角较小，所以用较小的驱动力矩就可以获得较大的牵引力。滚珠丝杠附属于滚动螺旋传动，传动具有传动效率高、摩擦阻力小、运转平稳且能够有效消除传动间隙的优点，但是价格较高，因此滚珠丝杠螺母被广泛应用于要求较高的数控传动系统中。经过考虑，初步对各个关节进行设计。1、手臂升降关节机械手腰部回转运动，选用蜗杆传动，其结构紧凑，可以实现大的传动比。考虑到安装的位置要求电动机的输出扭矩和转速先经过一对直齿圆柱齿轮减速，然后再经过蜗轮蜗杆传动，蜗杆为主动件正向运行时不会发生自锁，只是效率相对来说有所降低。2、悬臂伸缩关节机械手精度要求不是很高，在满足性能要求的基础上应考虑到经济性要求。因此，机械手水平手臂伸缩移动机构选用滑动螺旋传动，由一对丝杠螺母副将电动机的旋转运动转换为水平手臂的直线移动。3、手抓抓放关节机械手垂直手臂的升降关节，如手臂伸缩关节传动方法一样，使用丝杠螺母副将电动机的旋转运动转换为手臂的升降移动。3.6教学型机械手传感器的选择传感器是将机电一体化系统中被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要用于检测机电一体化系统自身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统的动作提供信息。教学型机械手系统对检测传感器的基本要求：1）体积小、重量轻、对整机的适应性好；2）精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；3）安全可靠、寿命长；4）便于与计算机连接；5）不易受被测对象（如电阻、导磁率）的影响，也不影响外部环境；6）对环境条件适应能力强；7）现场处理简单、操作性能好；8）价格便宜。传感器的种类繁多，按输出信号的性质可将传感器分为开关型、模拟型和数字型。开关型传感器分为接触型和非接触型。模拟型传感器分为电阻型，电压、电流型、电感及电容型。数字型可分为计数型和代码型。开关型传感器的两种状态就是“1”和“0”或开（ON）和关（OFF）。其工作原理是：传感器的输入物理量达到某个值以上，其输出为“1”（ON状态），在该值以下时，输出为“0”（OFF状态），其临近值就是开、关的设定值。这种“1”和“0”数字信号可直接传送到PLC进行处理，使用方便。开关型传感器，主要用作位置开关使用。例如，手臂旋转的左限位还是右限位，悬臂的伸缩的上限位还是下限位均使用这种开关型传感器进行检测；以及机械手的手抓旋转的左限位置还是右限位置，也用这种传感器来传递信息，使用非常方便。根据该系统的特性，我们选用了多个光电传感器、电感传感器和光纤传感器，光电传感器用于检测工件的到位检测；电感传感器用于金属的识别；光纤传感器用于工件的识别。传感器的电路连接。传感器选用的是直流三线制传感器，有棕色、蓝色和黑线三根连接线，其中棕色接PLC的24V的正极，蓝色接电源的负极，黑色是信号线接PLC的输入端。

4PLC控制系统硬件设计4.1PLC控制系统方案结合现在生产企业的应用环境，在机器人系统的特点的基础上，提出了基于PLC的机械手控制系统的设计方案，如图4-1所示。从系统总体的角度而言，它包括硬件和软件两大部分。硬件设计过程中经过分析，机械手控制系统以开关量为主。个人电脑作为上位机，组成PLC——PC两级控制系统。上位机的任务是对现场采集来的信号进行显示、处理和动态监视。PLC根据输入端口传感器发送来的机械手的运行情况，按照预先根据控制规律设计的控制程序，自动地进行信息处理、分析和计算，做出应的控制决策，并通过输出端口向机械手发出控制命令。图4-1控制方案由PLC与个人电脑来实现教学型机器人系统的自动控制。PLC具有很高的稳定性与可靠性且抗干扰能力较强，很适合现场控制，但没有一个很好的人机交互界面；而采用个人电脑控制具有很高的灵活性和方便性。PLC作为下位机连接机器人设备，完成工业现场数据的实时采集和分站控制、状态判别、本地报警控制。上位机采用个人电脑，以三菱公司的MELSOFT系列GXDeveloper编程软件设计实时监控界面，实现状态显示、系统设置、模式选择、参数设置、故障记录、负荷记录、时间日期、实时数据显示与报表统计等功能，操作界面直观友好。另外它与打印机、UPS等其它输入输出设备相连。在个人电脑与PLC的集成控制系统中，如何实现工控机与PLC的数据交换非常重要。一般有两种方法：利用串口通信或通过I/O卡实现。考虑到数据的实时性和可靠性，本系统采用的是串口通信方式。通信接口均为PLC与个人电脑上的RS232接口。4.2PLC选型PLC选用了日本三菱电机生产的FX2N-32MT系列可编程控制器，它是整体式小型PLC，内部电源为直流24V，输入点16个、输出点16个。将它安装在一块模块上，PLC的输出、输入及电源的接线端都引出到模块的面板插孔上。1、本系统中控制对象的I/O点数如下：限位开关4个：开关量输入4个；电流、急停、停止、启动：4个开关量输出；控制按钮6个：开关输入6个；电流、原位：2个显示输出；功能输出：6个输出；总计：开关量输入14个，开关量输出8个。系统中没有模拟量，因此不需要选择模拟量单元。同时本控制系统为小型控制系统，采用整体型PLC即可[]。本系统采用日本三菱公司生产的FX2N-48MR系列PLC，该PLC是近年来该公司推出的高性能小型可编程控制器，它有灵活多变的系统配置，还有许多特殊功能模块可以选用，功能强大，使用方便。它有24点开关量输入和24点开关量输出，满足I/O点数要求。它有特殊功能模块和功能扩展板，如模拟量输入/输出模块、RS-232/RS-422/RS-485串行通信模块，具有位置控制和联网通信等功能2、I/O地址分配由于CPU模块有16点数字量输入和16点数字量输出，所以不再需要增加输入/输出模块。I/O分配采用自动分配方式，模块上的输入端子对应输入地址是X000～X018，输出端子对应的输出地址是Y000～Y07。4.3控制要求输入设备用以产生输入控制信号，在机械手的控制系统中包括有：（1）操作方式选择开关：该开关有手动、手动自动档位选择；（2）机械手操作选择：有手爪夹紧、放松；手臂伸缩和升降；（3）发信息开关：各位置上的限位开关和光电开关；（4）另外，还有总停止按钮，起动按钮，紧急停车按钮等。操作方式选择开关选用转换开关，手动操作开关、启动和停止这些指令开关，选教学型机器人的光电传感器作为控制按钮发出运行命令，给PLC发信息的即传感器中的限位开关和光电开关。

5PLC控制系统软件设计在进行机械手程序编写之前，必须要知道机械手的运动流程，流程是根据系统的功能制定的本系统的机械手以工作台流水线上的工件为夹取对象，完成夹取和松放的功能。机械手有两种工作方式：手动和自动手动。工作方式由M1开关确定，PLC的输入点X012接通时为“自动手动”功能，如果没有接通x0012，就是手动功能。如果选择了“手动”的工作方式，就会通过自己的意愿让机械手臂做出自己想要的动作，如果选择了“自动手动”的工作方式，机械手臂就会按照预定的工作路径完成相应的任务。图5-1两种工作方式5.1系统资源分配定位功能的系统资源分配1、定位模式的要求把工件1送到工件台，抓紧-延时1秒，上升到上限位，右行到右限位，松开，延时1秒，左行到左限位，下降到下限位。2、数字量输入/输出部分数字量输入/输出地址如表5-1所示。表5-1输入输出输入地址对应的输入设备输出地址对应的输出设备X0电流y0电流X1急停y1原位X2启动y2上升X3停止y3下降X4上升y4左行X5下降y5右行X6左行y6夹紧X7右行y7松开X10夹紧X11松开X12自动手动X13上限位X14下限位X15左限位X16右限位X17X183、按照PLC输入/输出点，确定了如图5-2的机械手电气控制原理图[11]。图5-2接线图5.2程序的流程图图5-3流程图5.3程序部分功能说明和梯形图1：电源闭合当启动按钮按下，而停止按钮不动的情况下，当工件一检测传感器检测到工件一到位，则机械手运行，梯形图如图5-4所示[12]。图5-4电源闭合梯形图

2：运行图5-5运行梯形图3：工作方式的选择图5-6工作方式选择梯形图4：夹紧步骤图5-7夹紧步骤梯形图5：定时图5-8定时梯形图

6：上升步骤图5-9上升步骤梯形图7：右行步骤图5-10右行步骤梯形图 8 ：计时、松开、左行步骤图5-1计时、松开、左行步骤梯形图9：下降步骤图5-12下降步骤梯形图10：结束图5-13结束步骤梯形图5.4程序调试输入信号调试：输入信号调试前，对信号的供电应再一次进行检查，防止因供电电压不符造成元件的损坏。对PLC的各个开关量输入点，用手动的方法使这些输入点分别动作，观察相应的信号灯是否点亮，如果信号灯不亮，则应检查外部的线路和接线是否良好和正确。输出信号调试：对系统中的8个中间继电器的供电电压也要进行一次检查。对PLC的各个开关量输出点，可采用在编程器内强制输出信号的方法，对各开关量输出点发出动作信号，检查相应的输出信号灯是否点亮或熄灭。此外，应对相应的输出设备状态进行检查，如果某一输出设备不动作，则应检查输出模块、相应的输出设备和外部接线。总调试和运行调试：机械手PLC控制系统的总调试在电机和继电器不供电的情况下进行。根据程序的执行次序先后，分别用手动的方法对各个输入点进行开闭的动作，检查程序是否按照控制的要求进行动作，相应的输出信号是否存在，延时的时间是否正确，直到整个程序正确运行。然后按设计要求进行运行调试，直到满足要求为止。

6设计小结本文对PLC控制的教学型机械手的控制系统进行了设计。以PLC为主控制器实现了机械手的自动化操作。基本能够展示机械手臂的运动轨迹。在本设计中，主要进行了如下工作：（1）收集资料，找到专业的书籍和有所借鉴的期刊、论文（2）在电脑上安装编写PLC的软件进行编辑，测试我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大，同时也要求更精良的控制系统。我制作的机械手控制系统能够在初级展示方面达到预期的效果，能够制造成本，达到教学展示的作用。

参考文献[1]徐英．教学型机械手PLC控制系统的设计[D]．苏州：苏州大学，2010：1-9．[2]向晓汉．三菱FX系列PLC完全精通教程[M]．北京：化学工业出版社，2012：80-86．[3]张豪．三菱PLC应用案例解析[M]．北京：中国电力出版社，2012．[4]王阿根．PLC控制程序精编108例[M]．北京：电子工业出版社，2015．[5]王莉莉．基于PLC控制的气动搬运机械手系统设计[J]．电子科技，2013，（4）：1-3．[6]原慧军．PLC控制步进电机的程序设计[J]．机械工程与自动化，2016，（2）：174-175．[7]戴俊．基于化Ｃ控制的物解自动检测与分掠系统设计[D]．大连：大连理工大学，2015：20-25．[8]杨海燕．载重升降机控制系统的设计[D]．山东：山东大学，2015：20-25．[9]李清香，丁时锋，熊俭．PLC控制的多点气动上料教学系统的设计[M]．北京：电子工业版社，2010．[10]俞国亮．PLC原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2005：259-268．[11]史宜巧．PLC技术及应用[M]．北京：机械工业出版社，2009：177-184．[12]SasakiT，MiyataT，KawashimaK．Developmentofremotecontrolsystemofconstructionmachineryusingpneumaticrobotarm.IntelligentRobotsandSystems．2004：(8)：748～753

附录：开题报告工业机器人的控制系统设计开题报告1背景1.1机器人在工业生产的广泛应用自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。目前，汽车制造业是制造业所有行业中人均拥有工业机器人密度最高的行业，如，2004年德国制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为162台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则为1140台；意大利的这一数值更能说明问题，2004年意大利制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为123台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则高达1600台。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。2005年，亚洲地区电子电气行业对工业机器人的需求仅次于汽车及汽车零部件制造业，其占所有行业总需求的比例为31%；而在欧洲地区橡胶及塑料工业对工业机器人的需求则远远超过电子电气行业而排名第二位；美洲地区由于汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求遥遥领先，所以金属制品业(包括机械)、橡胶及塑料工业以及电子电气行业对工业机器人的需求比例相当，均在7%左右。另外诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。而且，随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场的繁荣兴旺将指日可待。1.2工业机器人的发展趋势

新的市场和新的需求为工业机器人的发展提供了新的机遇。敏捷制造的基本思想是企业能迅速将其组织和装备重组,快速响应市场变化,生产出满足用户需求的个性化产品。敏捷制造要求企业底层的生产设备具有柔性和可动态重组的能力。机器人是一种具有高度柔性的自动化生产设备。如果我们站在更高的层次,将机器人视为一种有“感知、思维和行动”的机器,那么,敏捷生产设备就应当是新一代机器人化的机器。这将为工业机器人的发展提出更高的要求。这要求着工业机器人朝着以下几种方式发展。朝着