精品毕设电气自动化毕业设计机械手.docx

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精品毕设电气自动化毕业设计机械手

基于PLC的机械手控制设计

2.机械手模型设计

2.1机械手控制系统构件概述

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。

本设计中采用的机械手，可在三维空间内运动。

水平（X）轴、垂直（Y）轴采用步进电机控制，底盘的旋转采用直流电机控制，抓取物体的电磁阀采用气动形式。

步进电机的控制，由对应的步进电机驱动器电路完成。

完成本设计需要的实验设备有：

1）机械手模型2）计算机3）导线4）气泵5）晶体管输出型可编程控制器（带编程电缆）

机械手的控制面板分以下几个模块

（1）步进电机驱动及步进电机

驱动器电流设定为0.63A，细分设定为8细分。

将24V电源接入驱动器，此时驱动器的电源指示灯应点亮。

将24V与OPTO端（驱动器使能端）连接起来。

PUL端是脉冲输入端。

DIR是方向控制输入端。

（2）直流电机本模型用的气夹电机和底座电机均是24V直流电机，PLC控制两个直流继电器的吸合来控制电机的正转和反转。

（3）旋转编码盘

在本模型底座上有一个旋转编码盘，在底座旋转时，在此产生一个VP-P为24V的方波信号，可以提供给PLC的高速计数器，用于机械手的定位控制。

（4）接近开关

在本模型中底座和气夹的限位通过4个电感式接近开关来完成。

接近开关与触头接近时接近指示灯点亮、输出低电平，否则为高电平。

（5）行程开关

在本模型中两个滚珠丝杆的限位通过4个滚轴式行程开关来完成。

当行程开关压下时，常开触点闭合，给PLC一个控制信号。

（6）电磁阀与平行气夹

本模型使用的电磁阀动作时平行气夹夹紧，动作则张开。

2.1.1步进电机

用二相八拍混合式步进电机，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，其电气图如图2.1所示：

2.1步进电机电气图

步进电机驱动器

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。

驱动器参数如下列图表所示：

（1）电气规格

说明

最小值

典型值

最大值

单位

供电电压

18

24

40

V

均值输出电流

0.21

1

1.50

A

逻辑输入电流

6

15

30

mA

步进脉冲响应频率

—

—

100

kHz

脉冲低电平时间

5

—

1

μs

（2）电流设定

电流值

SW1

SW2

SW3

0.21A

OFF

ON

ON

0.42A

ON

OFF

ON

0.63A

OFF

OFF

ON

0.84A

ON

ON

OFF

1.05A

0FF

ON

OFF

1.26A

ON

OFF

OFF

1.50A

OFF

OFF

OFF

（3）细分设定

细分倍数

步数/圈（1.8°整步）

SW4

SW5

SW6

1

200

ON

ON

ON

2

400

OFF

ON

ON

4

800

ON

OFF

ON

8

1600

OFF

OFF

ON

16

3200

ON

ON

OFF

32

6400

OFF

ON

OFF

64

12800

OFF

ON

OFF

由外部确定

动态改细分/禁止工作

OFF

OFF

OFF

（4）接线信号描述

信号

功能

PUL

脉冲信号：

上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步

DIR

方向信号：

用于改变电机转向，TTL平驱动

OPTO

光耦驱动电源

ENA

使能信号：

禁止或允许驱动器工作，低电平禁止

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

（5）PLC控制器与步进电机驱动器连接的工作原理如图所示：

驱动器电源由面板上电源模块提供，注意正负极性，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻（见图2.2中1.5K电阻）。

驱动器输入端为低电平有效，在使用不同厂家的PLC产品配套此模型使用时，要选择相应的输出方式，或者加入合适的电平转换板进行电平转换。

图2.2控制驱动电路

2.2控制要求

本设计中，机械手模型的执行顺序为：

1.开机复位2.横轴前升3.手旋转到位

4.电磁阀动作，手张开5.竖轴下降6.电磁阀动作，手夹紧

7.竖轴上升8.横轴缩回9.底盘旋转到位

10.横轴前伸11.手旋转12.竖轴下降

13.电磁阀动作，手张开14.竖轴上升15.复位

气夹在电磁阀未通电动作时为夹紧状态，通电后变为张开状态。

在上述步骤中，4-5和13-15之间为电磁阀通电状态。

3.PLC程序设计

3.1I/O点数的确定及PLC类型的选择

本次设计使用的是THWJX-1型机械手实物教学实验装置。

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11个输入点和9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FX1N-24MT-D主机，该机输入点为14个，输出点为10个。

程序流程图见附录1、顺序功能图见附录2、梯形图见附录3、指令表见附录4。

3.2PLC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3.1所示。

名称

输入

名称

输出

气夹正转限位

X0

驱动器一PUL

Y0

气夹反转限位

X1

驱动器二PUL

Y1

基座正转限位

X2

驱动器一DIR

Y2

基座反转限位

X3

驱动器二DIR

Y3

旋转脉冲

X4

气夹正转ML

Y4

X轴前限位

X5

气夹反转MR

Y5

X轴后限位

X6

基座反转MR

Y6

Y轴上限位

X7

基座正转ML

Y7

Y轴上限位

X10

气夹电磁阀YV+

Y10

启动按钮

X11

复位按钮

X12

表3.1PLC的I/O分配表

3.4PLC程序的调试

由于PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。

但环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都将不能保证PLC正常、安全、可靠的运行。

因此，讨论PLC设计调试就具有十分重要的意义。

3.4.1PLC控制的安装与布线

1、输入接线

（1）输入接线一般不要超过30m。

但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。

（2）输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。

（3）利用普通二极管恰当的串接在PLC输入回路中，防止信号干扰，使PLC输入信号大大增强。

2、电源接线

PLC供电电源为50Hz、220V±10%的交流电。

由于本设计使用的是FX1N系列可编程控制器，所以有直流24V输出接线端。

该接线端可为输入及传感器（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。

3、接地

。

对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。

所以我们给可编程控制器接上了专用接地线。

3.4.2机械手控制系统的外部接线图

PLC外部电气接线图见附录5。

3.5机械手的动作实现过程

机械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。

机械手结构示意图如图3.1所示。

步进电机的运动需要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电机走一步；改变电机转向时，需要加方向信号。

机械手的上升/下降、前伸/后缩动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。

基座正转/反转和气夹正转/反转是通过两个继电器的吸合与断开来控制直流电机的转动方向来实现的。

机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。

当该线圈通电时，机械手放松；该线圈断电时，机械手夹紧。

打开电源，按下起动按钮时，开机复位。

机械手的动作示意图如图3.2所示机械手若不在原点则PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。

当后缩到位时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。

上升到底时碰到上限位开关，上升停止，回到原点。

主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。

降到底时碰到下限位开关，下降停止，气夹电磁阀断电，机械手夹紧。

夹紧后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。

上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。

图3.1机械手结构示意图

图3.2机械手的动作示意图

PLC向驱动器一只输入脉冲信号，步进电机一正转，机械手前伸，前伸到位时，碰到前限位开关，前伸停止。

主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。

降到底时碰到下限位开关，下降停止，同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。

放松后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。

上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。

上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。

PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。

机械手后缩，当后缩到底时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。

下降到底时碰到下限位开关，下降停止，回到原点。

至此，机械手经过八步动作完成一个循环。

附录

附录1程序流程图

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附录2顺序功能图

附录3梯形图

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附录4指令表

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附录5PLC外部电气接线图

[1]王承义．机械手及其应用．北京：

机械工业出版社，1981，12-25

[2]廖常初．可编程控制器的编程方法与工业应用．重庆：

重庆大学出版社，2001，26-37

[3]张凤珊．电器控制及可编程序控制器．北京：

中国轻工业出版社．1999，62-79

[4]袁秀英．组态软件技术．北京：

电子工业出版社．2003，6-37，154-159