机械手的PLC控制摘 要机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、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、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数目 录摘 要 1ABSTRACT 2引 言 4第一章 机械械结构 51．1 传动机构 51．2机械手夹持器和机座的结构 6第二章可编程控制PLC 82．1 PLC简介 82．2 PLC内部原理 10A. 系统程序存储区 11B. 系统RAM存储区 11C．用户程序存储区 112．3 PLC的工作原理 122．4 PLC机型的选择方法 152．6 机械手PLC选择及参数 17第三章 三相异步电动机的工作原理及结构 193．1 三相异步电动机的结构 193．2 三相交流电机工作原理 233．3 三相电动机的转动原理 253．3 机械手电机的选用 29第四章 变频器 294.1变频器的构成 304.2 变频器的分类和控制方式 344.3 FR-A540变频器 37第五章 机械手PLC控制系统设计 405．1 机械手的工艺过程 405．2 PLC控制系统 42致答谢词 48参考文献 49引 言在现代工业中，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是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决第一章 机械械结构1．1 传动机构1．螺旋机构螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，其主要功能是将转动变换为直线运动，并同时传递运动和动力，按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构可以分为滑动螺旋机构和滚动螺旋机构两种类型。
按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型螺旋机构具有结构简单，制造方便，传动平稳，无噪声易于自锁等优点2. 滑动螺旋机构 螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构，称为滑动螺旋机构滑动螺旋机构所用的螺纹为传动性能好，效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成根据机构的组成及运动方式，滑动螺旋机构又分为以下两种1）．由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构，螺母与机架固联，螺杆转动并移动（如图1-1b所示），这种螺旋机构以传递动力为主，故又称传力螺旋机构一般要求用较小的转矩产生较大的轴向力，多用在工作时间短，速度较低的场合2）．由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构，如图1-1a所示，螺杆转动，螺母移动，这种螺旋机构以传递运动为主，故又称为传导螺旋机构本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构这种传动形式结构紧凑，刚度较大，传动效率高，精度高 （a）螺杆转动，螺母移动 (b) 螺母固定，螺杆转动并移动图1-13．滚动螺旋机构 螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构，称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠其机构特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道，并在其间放如刚球，当螺杆转动时，刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。
按循环方式的不同，分为外循环和内循环两种形式 滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环叫外循环（如图1-2所示）外循环螺母只需设置一个反向器，当滚珠进入反向器时，就被阻止而转弯，从返回通道回到滚道的另一端，形成一个循环回路机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动滚动螺旋机构摩擦阻力小，动作灵敏度高，传动效 率高，可达90%以上用调整的方法可消除间 隙，传动精度高 图1-2 1．2机械手夹持器和机座的结构1．机械手夹持器机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型和回转型回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为外夹式和内撑式按驱动方式可以电动、液压和气动三种回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置但其机械机构繁杂，体积大，制造精度要求高所以当设计机械手夹持器的时候，在满足工件的定位精度要求的条件下，尽可能的采用结构比较简单回转型夹持器。
本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回转型夹持器如右图所示，装在杆上端的滚子3和楔块之间为滚动接触当电机带动连杆前进时，通过楔块4的斜面和杠杆1，使两个手抓产生加紧动作和加紧力当楔块后移时，靠弹簧的拉力使手指松开这种末端执行器由于楔块和滚子之间为滚动接触，摩擦力小，活动灵活，且机构简单2．机座机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时的稳定行如图1-3所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构这种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点图中电动机3经减速器4、主动小齿轮5、中间齿轮6、大齿轮7驱动丝杆2旋转，从而驱动升降台上下运动整个机座安装在基座8上第二章可编程控制PLC 2．1 PLC简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用同时，PLC的功能也不断完善随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算把计算结果送给PLC的控制器 相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些 近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头 通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器2．2 PLC内部原理 PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一的。
如图2.1所示， PLC硬件的基本结构图所示：编程器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储区用户程序存储区电源图2-1 PLC硬件的基本结构图（1）中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区, 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器内等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行为止2）存储器与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件才能构成一台完整的PLCPLC的软件分为两部分: 系统软件和应用软件存放系统软件的存储器称为系统程序存储器PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理， 其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。