基于PLC的机械手模型控制系统的设计最新毕业设计(3)

只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。

2、可靠性高、抗干扰能力强

对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。

3、操作方便、维修容易

PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。

4、功能强

现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成AD、DA转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。

5、体积小、重量轻和易于实现机电一体化

由于PLC采用了半导体集成电路。因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。且PLC是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备[10]。

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。 2.2.3 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： 1) 多种控制功能；

2) 数据采集、存储与处理功能； 3) 通信联网功能；

4) 输入、输出接口调理功能； 5) 人机界面功能； 6) 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[11]。 2.2.4 PLC的经济分析

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，应从以下几方面考虑： 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，有三种类型：① 继电器控制；② 半导体器件控制；③ PLC控制。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

不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现。这是因为使用PLC不必改动外部设备接线，只要对软件进行一些改变就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。

据调查，目前我国70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除了可靠性差外，程序设计也很繁杂。从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯

形图能准确无误地反映生产要求。编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既简单、方便又保密。 2.2.5 PLC发展状况及趋势

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[12]。

1、大型网络化

主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、IO框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。

2、多功能

随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。

第三章 机械手模型控制系统的设计

3.1 机械手控制系统构件概述

本课题设计使用的是THWJX-1型机械手实物教学实验装置。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。 3.1.1 步进电机

采用二相八拍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3-1所示：

图3-1 步进电机电气接线图

3.1.2 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。驱动器参数如下表3-1、表3-2、表3-3、表3-4所示。PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理，如图3-2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3-2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

表3-1 电气规格

说明 供电电压 均值输出电流 逻辑输入电流 步进脉冲响应频率 脉冲低电平时间 最小值 18 0.21 6 — 5 典型值 24 1 15 — — 表3-2 电流设定

电流值 0.21A 0.42A 0.63A 0.84A 1.05A 1.26A 1.50A SW1 OFF ON OFF ON 0FF ON OFF 表3-3 细分设定

细分倍数 1 2 4 8 16 32 64 由外部确定 步数圈（1.8整步） 200 400 800 1600 3200 6400 12800 动态改细分禁止工作 Ｏ最大值 40 1.50 30 100 1 单位 V A mA kHz μs SW2 ON OFF OFF ON ON OFF OFF SW3 ON ON ON OFF OFF OFF OFF SW4 ON OFF ON OFF ON OFF OFF OFF SW5 ON ON OFF OFF ON ON ON OFF SW6 ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF 表3-4 接线信号描述

信 号 PUL DIR OPTO

功 能 脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步 方向信号：用于改变电机转向，TTL平驱动 光耦驱动电源

ENA GND +V A+ A- B+ B- 使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止 直流电源地 直流电源正极，典型值+24V 电机A相 电机A相 电机B相 电机B相 时，晶体管导通，相应的触电输出低电平，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。

图3-2 PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理

3.1.3 传感器

本装置中使用的传感器有接近开关和行程开关。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

图3-3 传感器工作原理图

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。

1、接近开关：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3-3所示。

2、行程开关：当档块碰到开关时，常开点闭合。 3.1.4 直流电机驱动单元

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3-4所示。

图3-4 电平转换板原理图

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