機械手電氣控制系統(tǒng)的設計.doc

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井式加熱爐抓取機械手電氣 控制系統(tǒng)的設計 作者姓名：王強 專業(yè)名稱：自動化 指導教師：楊斌 講師 摘要 工業(yè)機械手是一種仿人操作、自動控制、可重復編程且能在四維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動生產設備。對穩(wěn)定和提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要作用，特別適合于多品種、變批量的柔性生產。 本課題主要任務是設計一抓取機械手來完成無人化工廠中某一階段性工作。機械手系統(tǒng)采用圓柱坐標方式，由PLC作為中央控制單元，控制三路交流伺服驅動器、位置單元模塊及其它功能塊，驅動各軸伺服電機準確定位。定位完成后，再執(zhí)行手部抓取動作，以完成指定任務。設計了上位機組態(tài)，方便人們監(jiān)視現(xiàn)場運行情況以及實現(xiàn)故障準確定位，并簡單敘述系統(tǒng)參數設置及調試方法。 本文重點解決的問題——電氣控制系統(tǒng)設計 本課題中主要內容： (1) 機械手方案設計及驅動電機選型； (2) 電氣控制系統(tǒng)硬件線路設計； (3) 控制系統(tǒng)程序設計； (4) 上位機組態(tài)設計及系統(tǒng)調試； 關鍵詞：機械手 交流伺服控制器 PLC 組態(tài) 松下 Abstract Industrial machinery hand is a fake person operation, automatic control, programmable and can complete all kinds of operations in four-dimensional space electromechanical integration automatic production equipment. To stabilize and improve product quality, improve production efficiency, improve labor conditions and the rapid upgrading of products plays a very important role, especially suitable for many varieties, varying quantities of flexible production. The main task is to design a gripping manipulator to complete no chemical plant in a phased work. Manipulator system using a cylindrical coordinate, by PLC as the central control unit, control of three AC servo driver, position unit module and other functional blocks, the axis servo motor positioning. Positioning is completed, then the execution of hand grasping movements, to complete the assigned task. Design of PC configuration, convenient for people to monitor the site operation and the realization of accurate fault location, and briefly narrates system parameter setting and debugging method. This paper focus on solving problems -- electrical control system design In this paper the main contents: (1) manipulator design and drive the motor selection; (2) the electrical control system hardware circuit design; (3) the control system program design; (4) PC configuration design and system debugging; Key words: manipulator, Panasonic, AC servo controller, PLC, configuration 目錄 摘要 2 Abstract 3 目錄 4 前言 6 1 緒論 8 1.1機械手概況 8 1.2 機械手簡史 8 1.3 機械手發(fā)展狀況 9 1.4 簡述機械手分類 10 1.5 機械手發(fā)展趨勢 12 1.6 本課題任務 12 2 抓取機械手方案設計 14 2.1機械手總體結構設計及基本參數 14 2.2手部結構設計 15 2.3機械手移動基座設計 17 2.3.1基座設計 17 2.3.2 基座伺服電機選型 18 2.4 升降系統(tǒng)機構設計 20 2.4.1 升降機構設計 20 2.4.2 升降伺服電機選型 21 3 機械手電氣控制系統(tǒng)設計 23 3.1 伺服電機及驅動器簡介 23 3.1.1 交流伺服電機 23 3.1.2 伺服控制器 24 3.2 機械手電氣系統(tǒng)設計 27 3.2.1主電路設計 27 3.2.2控制電路設計 28 4 機械手控制系統(tǒng)設計 32 4.1 可編程邏輯控制器 32 4.2 系統(tǒng)I/O點數及地址分配 36 4.3 系統(tǒng)程序設計 39 4.3.1 加熱爐放料程序設計 39 4.3.2 加熱爐取料及淬火程序設計 45 5上位機組態(tài)及系統(tǒng)調試 49 5.1 組態(tài)概念介紹 49 5.2 機械手系統(tǒng)組態(tài)設計 51 總結 53 致謝 54 參考文獻 55 附錄一 56 附錄二 57 前言 用于再現(xiàn)人手的的功能的技術裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，它有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 1 緒論 1.1機械手概況 機械手是由機械本體、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種能在四維空間完成各種作業(yè)的機電一體化設備。特別適合多品種、變批量的柔性生產。它對提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用，因此，機械手廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機械手技術是綜合控制論、信息論、計算機、機構學、傳感技術、人工智能、運籌學、仿生學等多學科而形成的高技術，也是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。一般說來，機械手的應用情況，可衡量了一個國家的工業(yè)自動化水平。 機械手是綜合了人和機器的特長，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，可以說它是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 1.2 機械手簡史 現(xiàn)代意義的機械手最先是由美國開始研制的。它是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎上發(fā)展起來的，機械手研究始于二十世紀中期，隨著計算機和自動化技術的發(fā)展，特別是1946年第一臺電子計算機問世以來，計算機取得驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產的迫切需求推動了自動化技術的進展，又為機器人的開發(fā)奠定了基礎。另一方面，核能技術的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國1947年開發(fā)了遙控式機械手，第二年又開發(fā)了主從式機械手。 1958年，美國聯(lián)合控制公司研制出示教型機械手，結構是機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁閥抓放機構。1962年，公司在上述方案基礎上又研發(fā)一臺數控示教再現(xiàn)型機械手。取名為Unimate，運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，手臂可以回轉、俯仰、伸縮，使用液壓驅動，控制系統(tǒng)采用磁鼓作為存儲裝置。很多球面坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年，該公司與普爾曼公司合并出成立萬能自動公司，專門生產工業(yè)機械手。 1978年美國Unimate公司與斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Viccarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。 二十世紀八十年代以后，機械手的應用領域不斷拓展，性能指標在不斷提高。目前，機械手不僅應用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦、冶金、石油、化工、船舶等領域，同時也擴大到航空、航天、醫(yī)藥、生化、軍事等高科技領域以及諸如家庭保潔、醫(yī)療康復等服務行業(yè)。 機械手的發(fā)展可大致分為三個階段。第一階段，機械手只能根據事先編制好的程序來工作，純機械式操作。第二階段，機械手具有觸覺、視覺、聽覺、力覺等功能，它可以根據外界的不同信息做出相應的反饋。第三階段，機械手不僅能感知外面的世界，還具有自我學習，知識記憶的功能，它與電子計算機和電視設備保持實時聯(lián)系，并逐步發(fā)展為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 1.3 機械手發(fā)展狀況 現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產過程自動化已經基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產環(huán)節(jié)不是連續(xù)的。因此，比如迫切需求裝卸、搬運等工序機械化，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而生產的。 近年來全球機械手行業(yè)發(fā)展迅速（圖1-1）。人性化、重型化、微型化、智能化已經成為未來機械手產業(yè)的主要發(fā)展趨勢。有資 圖1.1 全球每年新投入使用的機械手數量 料顯示，工業(yè)機械手在汽車工業(yè)、機床工業(yè)、金屬加工業(yè)和食品工業(yè)應用明顯增加。同時，服務機械手的市場前景也不容小覷，如家用服務機械手、割草機械手、康復機械手等。 我國于1972年開始研制工業(yè)機械手，經過幾年攻關，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機械手成套技術（包括機械手本體、控制系統(tǒng)、驅動傳動單元、測試系統(tǒng)的設計、制造、應用和小批量生產的工藝技術等）的開發(fā)，研制出噴涂、弧焊、點焊和搬運等作業(yè)機械手整機，幾類專用和通用控制系統(tǒng)及關鍵元部件等，并在生產中經過實際應用考核。在國家政策的支持下，經過不懈努力，九十年代后半期實現(xiàn)了國產機械手商品化，為產業(yè)化奠定基礎。 1.4 簡述機械手分類 工業(yè)機械手的種類很多，目前國內尚無統(tǒng)一的分類標準。工業(yè)界一般按驅動方式、使用范圍和控制系統(tǒng)等進行劃分。 按驅動方式，機械手分可液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動和電力傳動。液壓機械手主要特點是，抓重可達幾百千克以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，且不宜在高溫、低溫下工作。若采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，這使得機械手通用性擴大，但其制造精度高，油液過濾嚴格。氣壓傳動機械手主要特點為輸出力小、氣動動作迅速、結構簡單、成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性差，沖擊大，抓重一般為30千克一下，適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中工作。機械傳動機械手運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變，常被用于工作主機的上、下料。電力傳動機械手不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單，維護和使用方便。 按使用用途可分為專用機械手和通用機械手兩種。專用機械手是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置，具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低廉等特點，適用于大批量自動化生產，如自動機床、自動上產線上的上下料機械手、自動換刀機械手等。而通用機械手具有獨立控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的特點。在性能范圍內，其動作程序可變，通過調整可在不同的場合中使用，工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。 按控制方式分可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制。點位控制其實是空間點到點的移動，只能控制運動過程中的幾個點的位置，不能控制其運動軌跡，若控制的點數多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。而連續(xù)軌跡控制其特點是設定點為無限個，整個移動過程平穩(wěn)、準確，并且適用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜，這類工業(yè)機械手一般采用微型計算機控制，如PLC、單片機、嵌入式PC等。 本論文機械手采用電力傳動方式，機械結構簡單，重量輕，精度高，工作迅速、平穩(wěn)、可靠，因而廣泛應用于機械加工業(yè)，如噴漆、碼垛等。 1.5 機械手發(fā)展趨勢 自20世紀90年代以來，由于具有一般功能的傳統(tǒng)工業(yè)機械手的應用趨向飽和，而許多高級生產和特種應用則需要具有各種智能的機械手參與，因而促使智能機械手獲得較為迅速的發(fā)展。無論從國際或國內角度看，復蘇和繼續(xù)發(fā)展機械手產業(yè)的一條重要路徑就是開發(fā)各種智能機械手，以提高機械手的性能，擴大其功能和應用領域。 回顧近年來國內外機械手的發(fā)展歷程，大致有以下發(fā)展趨勢。傳感型智能機械手發(fā)展較快，如臨場感技術、虛擬現(xiàn)實技術、多智能機械手系統(tǒng)、人工神經網絡、專家系統(tǒng)等。智能機械手和高級工業(yè)機械手的結構要力求簡單緊湊，其高性能部件甚至全部機構的設計已向模塊化方向發(fā)展。汽車工業(yè)、工程機械、建筑、電子、電機工業(yè)及家電行業(yè)在開發(fā)新產品時，引進高級機械手技術，采用柔性自動化和智能化設備，改造原有生產手段，使機械手及其生產系統(tǒng)的發(fā)展呈上升趨勢。重型、小型和微型機械手的研究也是熱點之一，重型機械手可應用于大型和重型裝備智能化和無人化，小型機械手移動靈活方便、速度快、精度高，適于進入大中型工件進行直接作業(yè)，微型機械手可用于醫(yī)療和軍事領域。機械手的應用領域向非制造業(yè)和服務業(yè)發(fā)展也是一個重要方向。 1.6 本課題任務 本課題主要任務是設計一機械手來完成無人化工廠中某一階段性工作。移動式機械手在將來料傳送帶上的工件放入井式加熱爐中，加熱時間不低于5小時，隨后將其取出，在淬火池F中淬火60秒，最后取出工件，放入去料傳送帶上，然后返回來了傳送帶，點并重復以上操作，其過程均為自動完。 移動式機械手將來料傳送帶A上的工件放入井式加熱爐中，加熱時間不低于5小時，隨后將其取出，在淬火池F中淬火60秒，最后取出工件，放入去料傳送帶G上，然后返回來了傳送帶，點并重復以上操作，其過程均為自動完成。系統(tǒng)設定為，當加熱爐內工件放滿后，外圍系統(tǒng)自動將爐蓋關閉，在取出工件時，又自動打開，并且來料傳送帶末端、去料傳送帶始端都安裝有工件檢測裝置。 圖1.2 機械手系統(tǒng)運行平面圖 機械手系統(tǒng)控制要求如下： 1 該抓取式機械手系統(tǒng)，機械手基座通過伺服電機驅動，可在導軌上來回滑動，為保證基座在移動的過程中不至于機械損傷，在導軌的兩端分別加入限位開關。同理，升降和回轉兩軸也分別加入限位開關，使機械手系統(tǒng)運行更可靠。 2 機械手三軸可聯(lián)動，當某一軸到達指定位置時，其余軸可繼續(xù)動作。 3 工件在井式加熱爐中保溫至少5小時，淬火60秒。 4 機械手基座和升降裝置速度最大為，加速度最大為， 其中基座可移動范圍為，升降裝置移動范圍。搖臂裝置回轉角度，其旋轉半徑為。 5 機械手系統(tǒng)還具有完善的報警功能，且故障能迅速定位。 6 對機械手的操作要有手動控制功能，手動只在應急、檢修等情況下臨時使用。 2 抓取機械手方案設計 2.1機械手總體結構設計及基本參數 根據本課題機械手示意圖如圖2.1所示，機械手底座采用單軸滑臺移動方式，機械手可往復旋轉，升降采用絲杠傳動，其 圖2.1 機械手示意圖 驅動均采用交流伺服電機。手臂不可伸縮，手部采用夾持式抓取工件，由于工作環(huán)境溫度高，驅動手部動作的電磁線圈及其附屬電氣設備均遠離抓手。 本設計方案采用圓柱坐標式結構，各動作由交流伺服電機驅動控制，動作的先后順序按照運行中的限位開關、PLC的定時器和中間繼電器等控制，機械手主要作用是完成工件在加工過程中的抓取和搬運等任務。本裝置主要由機械手臂、交流伺服電機、抓手、導軌、可編程序控制器（PLC）等組成。機械手手臂為曲線運動，由伺服電機驅動，機械抓手的張、合等動作由電磁線圈驅動完成。為提高控制精度，伺服系統(tǒng)采用位置控制模式。 課題基本參數的確定 1、 手部負重：10Kg（抓取物體的形狀為正六柱體，密度） 2、 自由度數：2個，沿Z軸上下移動，繞Z軸轉動，機座可沿X軸直線往復移動 3、 坐標形式：圓柱坐標 4、 手臂運動參數： 旋轉半徑： 上下行程： 升降速度：小于或等于 回轉角度： 回轉速度：小于或等于 5、 機座（X軸）運行參數： 行程： 速度：小于或等于 6、 定位方式：閉環(huán)伺服定位 7、 重復定位精度： 8、 驅動方式：交流伺服電機，電磁方式 9、 控制方式：可編程序控制器（PLC） 2.2手部結構設計 手部機構是機械手直接與工件、工具等接觸的部件，它能模仿人手的部分功能，根據被抓去工件、工具等的形狀、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不同，工業(yè)中使用多種形式的手部機構，如鉗爪式、磁吸式等。而鉗爪式手部機構是最常見的形式之一，手爪有兩個、三個或多個，其中兩個的最多。抓取共工件方式有外卡式和內撐式，本文采用外卡式機械機構。 在設計時還要考慮以下問題。在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應該考慮在操作過程中所產生的慣性力和震動，以保證工件不致于產生松動或脫落。兩手指張開與閉合的兩個極限位置的夾角應該保證工件能順利進入或脫開。根據工件形狀選取相應的手指形狀以便準確抓取。機械手指還應有足夠的強度和剛度，并且耐高溫，以防折斷和彎曲，盡量使結構簡單緊湊，自重輕。 本課題機械手手指結構如圖2.2所示，抓取工件重量，其中 ，，V型手指的角度，摩擦系數，根據手指夾持工件方位，可得握力計算公式算公式 圖2.2 機械手手指示意圖 代入解得，其驅動力大小 代入解得，實際驅動力 傳力機構采用齒輪齒條傳動，取，，若抓取工件的最大加速度取時，則 所以 因此，夾持工件時所需加緊的驅動力為。所以，電磁線圈最小驅動力大于夾緊時的驅動力。選擇驅動能力為2500N的電磁線圈作為抓手驅動器。 2.3機械手移動基座設計 2.3.1基座設計 機械手底座由機座滑塊、導軌、交流伺服電機等組成，機座采用滾珠絲桿傳動，它可將回轉運動轉化成直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想裝置，其示意結構圖如圖2.3所示。圖2.3 基座傳動結構圖 滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力兼具高精度、可逆性和高效率等特點，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。 滾珠絲杠與滑動絲杠相比驅動力為三分之一，由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到三分之一以下，即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的三分之一，因此，在節(jié)能方面很有幫助。利用滾珠運動，啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。滾珠絲杠副可以加予壓力，由于予壓力可使軸向間隙達到負值，進而得到較高的剛性。同時，滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小，所以可實現(xiàn)高速進給運動。 2.3.2 基座伺服電機選型 機座伺服電機容量選擇。滾珠絲杠基本參數確定為：機身與負載部分總質量，滾珠絲杠的長度，滾珠絲杠直徑，滾珠絲杠螺距，滾珠絲杠效率，移動距離，聯(lián)軸器慣量，移動速度，加速度。 以下為計算主過程： 滾珠絲桿質量 負載部分慣量 預選松下交流伺服電機MSME系列 ，則 慣量比 若選用，則，其慣量比為。 轉速 最長加速時間，最長減速時間，勻速時間 移動轉矩 加速時轉矩 由于，同理可得，減速時轉矩。已知最大轉矩。查表附錄一，1.5KW額定轉矩。所以， 。 根據以上計算，轉矩有較大的余量，慣量比也在適當范圍內，選擇MSME系列的伺服電機是正確的。再根據松下電機說明書，選擇電機電壓規(guī)格200V，旋轉編碼器選擇增量式，選擇直軸、無制動器和有油封的電機結構，則該電機型號為MSME152G1S。 2.4 升降系統(tǒng)機構設計 2.4.1 升降機構設計 在當今的工程實際中，對于垂直升降機構的應用已經十分廣泛，常見的有“剪叉式”和“伺服電機+滾珠絲杠”方式，不過由于使用場合、提升要求達到的精度以及垂直方向上空間的限制的要求不同，兩種驅動方式也有很大的差異。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉旋轉運圖2.4 升降結構示意圖 動轉換成直線運動。滾珠絲杠副具有傳動效率高、磨損小、運動平衡、無爬行現(xiàn)象，傳動精度高等優(yōu)點。它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸拓展，滾珠絲杠因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛應用于各種工業(yè)設備、精密儀器。“伺服電機+滾珠絲杠+滾動直線導軌”驅動主要用于環(huán)境潔凈為100級、垂直方向上空間尺寸受限制且精度要求較高的場合。 升降機構安裝在密閉的箱子里面，其中是潔凈度為100級的環(huán)境，箱子中內部凈高，需要在里面實現(xiàn)提升有效行程為，才能把物體送達指定位置。因此，選用“伺服電機+滾珠絲杠”最為適宜。升降結構主要由交流伺服電機、渦輪蝸桿減速器、托板、連接塊、滾珠絲杠、直線滾動導軌等組成。機械手小臂固定在托板上面，由于絲杠僅能承受軸向力，為了避免偏載對絲杠的彎矩，設計兩根滾珠直線導軌并固定在滾珠絲杠的兩側，同時為了防止絲杠在運動中卡死現(xiàn)象，使連接塊與托板不剛性連接且留有微量間隙。絲杠傳動帶動托板上下運動，從而帶動機械手的上下運動，以達到升降的目的。 2.4.2 升降伺服電機選型 升降機構伺服電機的選型，拖動總質量為，滾珠絲杠長度為，滾珠絲杠直徑為，滾珠絲杠螺距，滾珠絲杠傳動效率，移動距離，聯(lián)軸器慣量，加速度，移動速度為。 計算主要過程如下： 滾珠絲杠質量 負載部分慣量 預選松下MSME交流伺服電機，則 慣量比 轉速 加速時間 加速升降高度 由于，減速時間 勻速運行時間 移動轉矩 加速時轉矩 由于，同理可得，減速時轉矩，已知最大轉矩。查表附錄一，750W額定轉矩。所以。 根據以上計算，轉矩有較大的余量，慣量比也在適當范圍內，選擇MSME系列的伺服電機是可行的。再根據松下電機說明書，選擇伺服電機型號為MSME082G1S。 3 機械手電氣控制系統(tǒng)設計 3.1 伺服電機及驅動器簡介 3.1.1 交流伺服電機 交流伺服電動機的結構主要可分為兩部分，即定子部分和轉子部分。其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為勵磁繞組，另一組為控制繞組， 交流伺服電動機使用時，勵磁繞組兩端施加恒定的勵磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當定子繞組加上電壓后，伺服電動機很快就會轉動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內產生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉向決定了電機的轉向，當任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉磁場的方向就發(fā)生改變，電機的方向也發(fā)生改變。 為了在電機內形成一個圓形旋轉磁場，要求勵磁電壓Uf和控制電壓UK之間應有90度的相位差，常用的方法有：利用三相電源的相電壓和線電壓構成90度的移相；利用三相電源的任意線電壓；采用移相網絡；在激磁相中串聯(lián)電容器。 交流伺服電動機的轉速能隨著控制電壓的變化在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)，整個運行范圍內的機械特性接近線性，以保證伺服電機運行的穩(wěn)定性，并有利于提高控制系統(tǒng)的動態(tài)精度。伺服電機還具有無“自轉”現(xiàn)象，即當控制電壓為零時，電機立即停止運轉，并且其機電時間常數比較小，動態(tài)響應快速，堵轉轉動力矩大，轉動慣量小等特點。因此，在控制系統(tǒng)中常被作為執(zhí)行元件。 對交流伺服電機的而言，從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載4～6倍而不損壞。為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。同時電機還應能承受頻繁啟、制動和反轉。 本文采用松下交流伺服電機A5 MSME系列產品。該系列產品它具有小型化設計，通過對通過對驅動器進行最佳熱分析實現(xiàn)小型化，與過去相比，體積75%，重量80% ，使用薄模具鋼板的新沖片工藝，大幅度降低鐵損，電機長度縮短(過去的70%)。方便備貨與維護采用電流分級法，一款驅動器適配多款電機，并且增加了高速超小慣量電機以適應更多場合。它還具有良好的速度控制特性，在整個速度區(qū)內可實現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩。效率可達到90%以上，發(fā)熱量低。高速、高精確的位置控制，并且在額定運行區(qū)域內，能實現(xiàn)恒力矩。低噪音，沒有電刷的磨損，免維護。不產生磨損顆粒、沒有火花，適用于無塵間、易暴環(huán)境，性價比較高。 圖3.1 伺服電機結構 3.1.2 伺服控制器 伺服驅動器又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術的高端產品。 圖3.2 松下伺服驅動器A5 目前主流的伺服驅動器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心，伺服驅動器可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，實現(xiàn)數字化、網絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的沖擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。 伺服進給系統(tǒng)的要求調速范圍寬、定位精度高并且有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性，同時還應具有快速響應，無超調。為了保證生產率和加工質量，除了要求有較高的定位精度外，伺服驅動器還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，因為數控系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。伺服控制器可低速大轉矩，過載能力強。一般來說，伺服驅動器具有數分鐘甚至半小時內1.5倍以上的過載能力，在短時間內可以過載4～6倍而不損壞。它可靠性高，要求數控機床的進給驅動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應能力和很強的抗干擾的能力。 本論文選用松下伺服驅動器A5系列E型產品，其前面板如圖3.2所示。該系列產品采用獨特算法，使速度頻率響應提高2倍，達到500HZ，定位超調整定時間縮短為以往產品的四分之一。還具有共振抑制和控制功能，可涵蓋機械的剛性不足，從而實現(xiàn)高速定位。A5系列產品具有全閉環(huán)控制功能，通過外接高精度的光柵尺，構成全閉環(huán)控制，進一步提高系統(tǒng)精度。它還具有一系列方便使能的功能，內設有頻率解析功能（FFT），從而可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調整。驅動器上配有RS485、RS32C通信接口，上位控制器可同時控制多達16個軸。驅動器可選配多種編碼器，有普通型、高精度型和特殊型之分，因此，適用范圍比較廣。 3.2 機械手電氣系統(tǒng)設計 3.2.1主電路設計 主電路主要有漏電斷路器（RCD）、配線斷路器（MCCB）、噪音濾波器（NF）、電磁接觸器（MC）、電抗器（L）、伺服驅動器、交流伺服電機等組成。 漏電斷路器主要是當電路中漏電電流超過預定值時能自動動作的開關。常用的漏電斷路器分為電壓型和電流型兩類，而電流型又分為電磁型和電子型兩種。 漏電斷路器還可用于防止人身觸電，應根據直接接觸和間接接觸兩種觸電防護的不同要求來選擇。同時為了保護電源線路，需要配置與電源容量相匹配的配線斷路器，以作為過電流保護裝置。加入噪音濾波器是為了防止外部噪音進入驅動器電源線路，也降低驅動器對外部線路的噪音干擾。電磁接觸器是為接通或斷開驅動器的主電源，且嚴禁將其用于電機的運轉和停止操作。 電抗器可抑制浪涌電流，在大功率電力電子電路中，合閘瞬間，往往產生一個很大的沖擊電流（浪涌電流），浪涌電流雖然作用時間短，但峰值卻很大。比如，電弧爐、大型軋鋼機，大型開關電源，UPS電源，變頻器等，開機浪涌電流往往超過正常工作電流的100倍以上。在輸入側串接電抗器，能有效的抑制這種浪涌電流。同時還可以抑制諧波電流，隨著電力電子技術的廣泛圖3.3 系統(tǒng)主線路接線圖 應用，我們的電網中增加了大量的非線性負載，比如，AC－DC電源，UPS，變頻器等，它們都是以開關方式工作的。這些以開關方式工作的用電設備，往往變成了諧波電流的發(fā)生源，“污染”電網，使電網電壓波形畸變。諧波的危害之一便是中心線過載發(fā)熱燃燒。電抗器的接入，能有效抑制諧波污染。 機械手系統(tǒng)主電路接線如圖3.3所示。伺服驅動器上B2、B3之間通常保持短路狀態(tài)。該系列伺服驅動器對電源電壓等級要求比較寬泛，可在170V~250V 之間正常運行。當閉合漏電斷路器，電源經過噪音濾波器濾波，再經過熔斷器FU2，伺服驅動器控制電源馬上得電，其電源指示燈點亮。此時，按下啟動按鈕ON時，電磁接觸器MC線圈得電，其常開觸點閉合，并進入自保持狀態(tài)，為不致使控制線路因浪涌電流而出現(xiàn)故障，再加一個浪涌吸收器并聯(lián)在MC兩端。常開觸電閉合后，電源再經過電抗器后就直接進入驅動器的主回路。若斷開伺服驅動器主回路，只需按一下常閉開關OFF，電磁接觸器線圈失電，常開觸點由原來的閉合轉換成斷開狀態(tài)，同時，控制線路中的自保持解鎖，伺服驅動器主電路失電。若機械手系統(tǒng)發(fā)生故障，則常閉觸點ALM處于斷開狀態(tài)，同樣可使伺服驅動器主電路斷電，來確保系統(tǒng)故障不進一步擴大。 伺服驅動器主電路輸出端U、V和W三個接線端子分別接入伺服電機線纜的紅、白、黑三線，電機上的綠皮線與伺服控制器 圖3.5 系統(tǒng)運行框圖 接地螺釘相連接，為防止觸電，再將驅動器上的接地線端子與控制盤的地線進行連接。驅動器上的外置再生放電電阻接線端子B3與B2短路，NC端子懸空。 3.2.2控制電路設計 整個系統(tǒng)運行框圖如圖3.5所示，從圖中可以看出，PLC處于機械手系統(tǒng)的核心部位。既與上位機進行時時通訊，可監(jiān)控整個機械手系統(tǒng)運行狀態(tài)，又是控制三個伺服驅動器、位置控制器的主控元件，并且還控制手部抓取電磁閥等。驅動器主電路就直接掛接伺服電機，而編碼器將電機轉速反饋給驅動器，以達到精 確位置控制目的。由于是三軸控制，參照松下《位置控制單元用戶手冊》和《交流伺服馬達驅動器系列使用說明書》，選擇產品如下表3－1所示。 表3-1 松下選型產品 類別 伺服驅動器 位置控制器 伺服電機 基座系統(tǒng) MDDHT5540 AFPG432 MSME152G1S** 升降系統(tǒng) MDDHT3520 AFPG432 MSME082G1S** 搖臂系統(tǒng) MDDHT5540 AFPG432 MSME102G1S** 三軸上所選用產品僅功率不一致外，其他大體相同。因此，驅動部分電氣連接以基座系統(tǒng)為例。 位置控制器上的順時、逆時針脈沖指令輸出分別連接到伺服驅動器A5上的指令脈沖輸入，位置控制的原點輸入接到驅動器的Z相輸出，當驅動器輸出高電平，說明目標位置已達到原點。偏差計數器清零輸出端與驅動器的計數器清零相連接，位置控制器由晶體管輸出，當偏差計數器清零指令下達時，晶體管基極為高電平，晶體管導通，同時集電極為低電平，驅動器輸入端光耦（發(fā)光二極管）導通，計數器清零指令就進入到驅動器內部，再經過內部電路相關處理，完成該任務。位置控制器上的原點接近輸入與基座上的原點附近傳感器相連接，若機械手圖3.6 位置單元與伺服驅動器連線基座移動到原點附近，傳感器有常開開關轉換成閉合狀態(tài)，控制器輸入端光耦導通，位置信號傳入位置控制器。驅動器上的伺服ON輸入、增益切換輸入、警報解除輸入、正向和方向驅動禁止輸入分別接入到PLC I/O的輸出端，而伺服準備就緒輸出、伺服警報輸出、定位完成輸出分別接入PLC I/O的輸入端，這樣可對機械手基座進行精確、復雜的控制。另外，順時針、逆時針限位傳感器分別接入到PLC的PLC I/O的輸入端，以更好的保護系統(tǒng)的安全。位置單元與驅動器連線圖如3.6所示，它們的供電電源均使用直流24V。 轉速檢測采用數字化使得測速精度高、分辨能力強、受器件影響小的優(yōu)點，被廣泛應用于調速要求高、調速范圍大的調速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。本論文采用松下伺服電機自帶的光電式編碼器，以便于檢測轉速或轉角。當電機轉動時，帶動編碼器旋轉，產生轉速或轉角信號。旋轉編碼器又分為絕對式和增量式兩種。絕對式編碼器在碼盤上分層刻上表示角度的二進制數碼或循環(huán)碼，通過接收器將該數值送入計算機，它常用為轉角檢測。增量式編碼器在碼盤上均勻的刻制一定數量的光柵，當電機旋轉時，碼盤隨之一起轉動。通過光柵的作用，持續(xù)不斷地開放或封閉光通路，因此，在接收裝置的輸出端變得到頻率與轉速成正比的方波脈沖序列，從而可計算出轉速。松下編碼器連接端的輸入電源電壓范圍為DC 4.9V-5.25V，引線連接如上圖3.7所示。 圖 3.7 20位增量式編碼器連接線路 4 機械手控制系統(tǒng)設計 4.1 可編程邏輯控制器 可編程邏輯控制器（PLC）實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，可編程邏輯控制器其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本組成包括電源、中央處理單元、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊等。 當可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，可編程邏輯控制器即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段，其運行框圖如圖4.1所示。在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數據，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應的單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數據發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內的狀態(tài)和數據不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內的狀態(tài)和數據都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。當掃描用戶程序結束后，可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。 編程語言也是PLC的重要組成部分，PLC為用戶提供了完整的編程語言，以適應編制用戶程序需要。PLC提供的編程語言通常有以下幾種：梯形圖、功能塊圖、順序功能圖、結構化文本和指令表。由于PLC生產廠家眾多，PLC的編程語言也存在或大或小的差異，這種差異限制了PLC的開放性、可復用性和互 圖4.1 PLC運行原理圖 換性，同時也為用戶學習和使用帶來諸多不變。 可編程邏輯控制器具有鮮明的特點，系統(tǒng)構成靈活，擴展容易，以開關量控制為其特長，也能進行連續(xù)過程的PID回路控制，并能與上位機構成復雜的控制系統(tǒng)，如DDC和DCS等，實現(xiàn)生產過程的綜合自動化。PLC使用方便，編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。并且能適應各種惡劣的運行環(huán)境，抗干擾能力強，可靠性強，遠高于其他各種機型。梯形圖是最早使用的一種編程語言，也是現(xiàn)在最常用的，是從繼電器控制原理圖的基礎上演變過來的，繼承了繼電器控制系統(tǒng)中的基本工作原理和電氣邏輯關系的表示方法，所以在邏輯順序控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用，它簡單明了，易于理解，是所有編程語言中的首選。 本課題采用松下可編程器，該產品通過配備32位RISC處理器，實現(xiàn)了小型PLC的超高速運算處理。為充分適應通信、定位、模擬量控制等不斷擴大的功能需求，使用備有32K部程序存儲器。即使將來進行設備改造，也因程序容量有充足余量而可放心使用。要在計算機管理程序時，常常難以確定哪個是最終的程序，從而將正在工作的設備內的PLC中所存儲的程序作為最終程序。FPΣ中配備了獨立的注視存儲器，所以注釋均可與程序一起存儲至PLC內，因此便于對程序進行管理，便于維護。中間定為控制單元，左側可擴展4臺擴展單元，右側可擴展3臺。以此可達到最大I/O點數384點，實現(xiàn)超過小型PLC領域的控制功能。位置控制單元RTEX可對應松下電器產業(yè)制造的MINAS A4N“Real Time Express”構建高速、省配線的網絡伺服系統(tǒng)。復雜的配線作業(yè)可大幅度減少，有助于實現(xiàn)多軸控制裝置的迅速啟動運行。脈沖輸出型位置控制單元可實現(xiàn)0.005ms高速啟動，最適用于電子零部件的碼垛等高速、反復進行短行程操作的應用程序。還具有開放式網絡，如果使用FNS單元，可作為從站分別與PROFIBUSDP、DeviceNet、CANopen連接。如果使用FP-WEB-SERVER2，可通過LAN電路簡單地進行檢查數據、生產數據以及錯誤信息的收集?？墒褂霉ぞ哕浖﨔P Web Configurator Tool，方便地進行FP WEBSERVER2的連接設定。在空調溫度控制等方面，發(fā)揮強大威力。如果安裝CC-Link單元，可與其他公司的PLC(三菱電機公司制造)等進行數據交換。如果使用通信插件(RS485型)，可在最多16臺FPΣ之間方便地共享位數據/字數據。(與FP-X、FP0R、FP-X0、FP2可混合使用)可簡單地對應松下開放協(xié)議“MEWTOCOL”的設備之間進行無程序通信。如果使用FP0-A80可測量最大24點的電壓/電流。具有模擬量輸出4ch單元，并配備有輸入2ch/輸出1ch混合單元。壓力、流量測量以及電磁閥開關量、變頻器輸出頻率的控制等，可在廣泛的領域中使用。 4.2 系統(tǒng)I/O點數及地址分配 通過對系統(tǒng)控制要求的分析可知，系統(tǒng)開關量輸入點28點，開關量輸出點25點，由于定位控制需要位置控制單元3塊，而單元模塊本身就自帶16個輸入點、16個輸出點，擴展單元僅安裝在控制單元的左側，擴展單元的的I/O編號從靠近控制單元的地方依次從右向左，數字從小到大自動分配，因此無需設置，其編號僅與連接位置有關。所以選擇控制單元型號為，其輸入也是16點、輸出16點，I/O端口有足夠的余量共系統(tǒng)使用。控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號及地址編號如表4-1所示。 表4-1 PLC輸入輸出信號代碼和地址編號表 PLC輸入端口 PLC輸出端口 名稱 代碼 地址編號 名稱 代碼 地址編號 自動運行按鈕 SF1 X0 基座伺服ON / Y0 手動運行按鈕 SF2 X1 搖臂原點復位啟動 / Y1 停止運行按鈕 SF3 X2 基座警報解除 / Y2 抓手電磁線圈反饋 QB1 X3 基座正向驅動禁止 / Y3 基座伺服準備就緒 / X4 基座反向驅動禁止 / Y4 基座伺服警報 / X5 搖臂伺服ON / Y5 基座定位完成 / X6 上下原點復位啟動 / Y6 基座左限位開關 BG1 X7 搖臂警報解除 / Y7 基座右限位開關 BG2 X8 搖臂正向驅動禁止 / Y8 搖臂伺服準備就緒 / X9 搖臂反向驅動禁止 / Y9 搖臂伺服報警 / XA 升降伺服ON / YA 搖臂定位完成 / XB 升降警報解除 / YC 搖臂順時針限位開關 BG3 XC 升降正向驅動禁止 / YD 搖臂逆時針限位開關 BG4 XD 升降反向驅動禁止 / YE 升降伺服準備就緒 / XE 抓手電磁線圈驅動 KF1 YF 升降伺服報警 / XF 加熱爐爐蓋開關 KF2 Y100 升降定位完成 / X100 基座原點復位啟動 / Y101 升降上限限位開關 BG5 X101 緊急停止運轉 / Y102 升降下限限位開關 BG6 X102 基座電機正轉 / Y103 來料傳送帶工件檢測 KF1 X103 基座電機反轉 / Y104 去料傳送帶工件檢測 KF2 X104 升降電機正轉 / Y105 基座復位完成 KF3 X105 升降電機反轉 / Y106 搖臂復位完成 KF4 X106 搖臂電機正轉 / Y107 升降復位完成 KF5 X107 搖臂電機反轉 / Y108 基座脈沖輸出標志 / X108 報警主電路切斷開關 KF3 Y109 搖臂脈沖輸出標志 / X109 　 　 　 升降脈沖輸出標志 / X10A 　 　 　 PLC端子和位置控制單元接線如圖4.2，圖中如A 29表示基座伺服驅動器X4接口29號端子，其電源為直流24V均是從開關電源獲取。特別說明PLC的YB號端子懸空。 再結合第三章伺服電機主電路前端接線圖3.4和位置單元與伺服驅動器連線圖3.6，整個機械手系統(tǒng)的主接線圖清晰明了。其它單元接線，諸如與上位機通信連接等，請參考相關產品說明書，由于篇幅有限，此處就不一一介紹 4.2 PLC端子和位置控制單元接線 4.3 系統(tǒng)程序設計 PLC編程工具使用FPWIN GR2.8版本的上位機軟件，其編程界面如下圖4.3所示。 圖4.3 編程工具界面圖 4.3.1 加熱爐放料程序設計 當按下自動運行按鈕SF1，手動、停止運行按鈕處于常閉，系統(tǒng)進入自檢過程，當來料傳送帶末端負責工件檢測的光電開關BG103檢測到有物料時，光電開關輸出高電平，當去料傳送帶始端負責工件檢測的光電開關BG104檢測到無物料時，光電開關輸出低電平，同時驅動三軸的伺服驅動器都無報警輸出，此時自檢過程結束，系統(tǒng)打開加熱爐爐蓋，可進入系統(tǒng)的下一步運行。若自檢到錯誤時，系統(tǒng)禁止啟動并報警輸出。 當系統(tǒng)運行準備完成后，機械手每次在啟動時，首先要進行原點復位操作。復位完成后，機械手電磁線圈驅動夾手抓取工件，PLC下達上升指令，當上升到1450mm時，機械手搖臂系統(tǒng)和基座系統(tǒng)同時動作，基座右移800mm，順時針旋轉，到達加熱爐指定工件位置B。此時機械手下降750mm后，松開夾手，工件順利放置在加熱爐中，然后上升至1450mm處。為提高生產效率，基座電機和搖臂電機實行聯(lián)動操作，基座左移800mm，且逆時針旋轉，到達指定位置后，下降750mm，又返回到原點。再次執(zhí)行抓取命令，第二次放置目標為加熱爐中的C點，基座要右移至1012mm處，搖臂擺動角度不變，完成第二次操作后，系統(tǒng)沿原路徑返回原點。系統(tǒng)開始執(zhí)行第三次抓取操作，此次在第二次基礎上，只需改變搖擺角度，就可放置在D點。第四次在上一次的路徑上修改基座移動的位置，即可把工件放在E位置。放置完成后，夾手松開，機械手上升1450mm后，逆時針旋轉后，機械手暫停工作且系統(tǒng)自動關閉加熱爐爐蓋。工件在加熱爐中保溫，當保溫結束后，機械手再次運行。機械手從來料傳送帶取料，向加熱爐中放料，其流程如圖4.4所示。 圖4.4加熱爐放料流程圖 機械手系統(tǒng)手動運行與自動運行既實現(xiàn)電氣互鎖，并且還可自由切換。當按下停止運行按鈕SF3時，系統(tǒng)即刻停止運行。系統(tǒng)啟動及報警程序如圖4.5所示，當基座、升降和搖臂系統(tǒng)有報警信號輸入時，中間報警軟繼電器R2接通，由Y109輸出高電平，使主電斷電。 圖4.5 機械手系統(tǒng)啟動及報警程序 原點復位子程序以SUB 0為標號，當主程序調用SUB0時，R0導通時，經上升沿微分指令DF后，使觸點接通一個掃描周期。基座原點復位完成脈沖指令R5斷開，R3接通并自保持，基座正處于原點復位中。當R3在處于上升沿瞬間，R4導通，原點復位啟動并輸出基座原點指令脈沖，系統(tǒng)執(zhí)行位置控制代碼。當復位完成時，PLC輸入端口輸入基座定位完成信號，上升沿觸發(fā)R5導通一個掃描周期，同時將原點復位完成信號保存在R9中。而搖臂和上升系統(tǒng)的原點復位類似，分析在此省略。由于篇幅有限，整個系統(tǒng)程序放置在附錄，而放料過程調用子程序代號如下表4-2表，所提及到的位置是表機械手相對位置。 表4-2 加熱爐子程序調用代號 子程序代號 完成功能 子程序代號 完成功能 SUB0 原點復位 SUB6 右移1012mm SUB1 上升1450mm SUB7 順時針旋轉187.6度 SUB2 下降750mm SUB8 逆時針旋轉187.6度 SUB3 左移800mm SUB9 順時針旋轉172.4