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0 引言

工业机械手(以下简称机械手)是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分，越来越多地被研究和应用。本设汁的控制系统采用小型可编程控制器S7—200PLC，具有编程简单、修改容易、可靠性高等优点。

1 机械手的选择

根据古典力学的观点，物体在三维空间内的静止位置是由三个坐标或围绕三轴旋转的角度来决定的。因此，物体的位置和方向(即关节的角度)能从理论上求得。在实际生产生活中，机械手的自由度不是盲目模仿人手的动作来确定的，而是根据实际需要的动作，设计出少自由度的机械手来满足作业要求。所以一般专用机械手(不包括握紧动作)通常只具有2～3个自由度。而通用机械手则一般取4～5个自由度。本设计采用的机械手共有5个自由度。

这五个自由度为机械手能够做出手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓紧，

2 动力装置的选择

工业机械手要求精度非常高，所以本设计采用的是步进电机，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数宋控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

不过步进电机需要在驱动器的作用下才能正常工作，所以还要选择驱动器，本设计选择的是价格便宜而又方便使用的中美合资SH系列步进电动机驱动器，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分等，

电源输入部分：由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。

信号输入部分：信号源由PTO主机提供。由于PTO提供的电平为24V，输入部分的电平为5V，中间加了保护电路。

输出部分：与步进电动机连接，注意相序。

3 传感器的使用

采用近位开关作为手爪旋转和底盘旋转眼位检测用;采用限位开关，作为横轴、纵轴限位检测用。

近位开关：有3根连接线(红、蓝、黑)，红色接电源正极、黑色接电源负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。

选用型号(磁感应式320)，

限位开关：当挡块碰到限位开关时动作(常开点闭合)，选用型号：ASL-300M(机械式310)，

5 控制流程设计

本次设计为空间内两点间的物件循环搬运动作。具体控制流程如下：开启PLC，如果机械手不在初试位置上，步进电机开始运转(橫轴向手爪方向移动，竖轴向下移动)，机座伺服电机反向旋转到零刻度位置。初始化完成后，首先载入物件所在位置在柱面坐标系下对应的脉冲数，横轴、竖轴步进电机和机座伺服电机同时工作，横轴向前伸，竖轴向上升，机座正转;当步进电机因脉冲输完而中断停止，伺服电机伸到位后，手腕电动机得电带动手腕反向旋转;当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手爪夹紧，延时一段时间后，然后载入目的地所在位置在柱面坐标系下对应的脉冲数，横轴、竖轴步进电机和机座伺服电机同时工作，返回到物件所在位置;手腕电动机得电带动手腕正向旋转，电磁阀复位，手爪松开延时一段时间;后判断主程序开关状态，若仍然开启，则开始下一周期的搬运动作

调试工作是检查PLC控制系统能否满足控制要求的关键工作，是对系统性能的一次客观、综合的评价。系统投用前必须经过全系统功能的严格调试，直到满足要求并经有关用户代表、监理和设计等签字确认后才能交付使用。调试人员应受过系统的专门培训，对控制系统的构成、硬件和软件的使用和操作都比较熟悉。调试人员在调试时发现的问题，都应及时联系有关设计人员，在设计人员同意后方可进行修改，修改需做详细的记录，修改后的软件要进行备份。并对调试修改部分做好文档的整理和归档。调试内容主要包括输入输出功能、控制逻辑功能、通信功能、处理器性能测试等。

1 .输入输出回路调试

(1)模拟量输入(AI)回路调试。要仔细核对I0模块的地址分配;检查回路供电方式(内供电或外供电)是否与现场仪表相一致;用信号发生器在现场端对每个通道加入信号，通常取0、50%或三点进行检查。对有报警、联锁值的AI回路,还要在报警联锁值(如高报、低报和联锁点以及精度)进行检查,确认有关报警、联锁状态的正确性。

(2)模拟量输出(AO)回路调试。可根据回路控制的要求，用手动输出(即直接在控制系统中设定)的办法检查执行机构(如阀门开度等)，通常也取0、50 %或100 %三点进行检查;同时通过闭环控制,检查输出是否满足有关要求。对有报警、联锁值的AO回路，还要在报警联锁值(如高报、低报和联锁点以及精度)进行检查，确认有关报警、联锁状态的正确性。

(3)开关量输入(DI)回路调试。在相应的现场端短接或断开,检查开关量输入模块对应通道地址的发光二极管的变化，同时检查通道的通、断变化。

(4)开关量输出(DO)回路调试。可通过PLC系统提供的强制功能对输出点进行检查。通过强制,检查开关量输出模块对应通道地址的发光二极管的变化，同时检查通道的通、断 变化。

2 .回路调试注意事项

(1)对开关量输入输出回路，要注意保持状态的一致性原则，通常采用正逻辑原则，即当输入输出带电时,为“ON”状态,数据值为“1”;反之，当输入输出失电时,为“OFF”状态，数据值为“0”。这样，便于理解和维护。

(2)对负载大的开关量输入输出模块应通过继电器与现场隔离，即现场接点尽量不要 直接与输入输出模块连接。

(3)使用PLC提供的强制功能时,要注意在测试完毕后，应还原状态;在同一时间内，不应对过多的点进行强制操作，以免损坏模块。

3 空制逻辑功能调试

控制逻辑功能调试，需会同设计、工艺代表和项目管理人员共同完成。要应用处理器的测试功能设定输入条件,根据处理器逻辑检查输出状态的变化是否正确，以确认系统的控制逻辑功能。对所有的联锁回路,应模拟联锁的工艺条件，仔细检查联锁动作的正确性， 并做好调试记录和会签确认。

检查工作是对设计控制程序软件进行验收的过程，是调试过程中复杂、技术要求高、难度大的一项工作。特别在有专利技术应用、专用软件等情况下，更加要仔细检查其控制的正确性,应留有一定的操作裕度，同时保证工艺操作的正常运作以及系统的安全性、 可靠性和灵活性。

4 .处理器性能测试

处理器性能测试要按照系统说明书的要求进行，确保系统具有说明书描述的功能且稳定可靠，包括系统通信、备用电池和其他特殊模块的检查。对有冗余配置的系统必须进行冗余测试。即对冗余设计的部分进行全面的检查，包括电源冗余、处理器冗余、I 0冗余和 通信冗余等。

(1)电源冗余。切断其中一路电源，系统应能继续正常运行，系统无扰动;被断电的电 源加电后能恢复正常。

(2)处理器冗余。切断主处理器电源或切换主处理器的运行开关，热备处理器应能自动成为主处理器,系统运行正常，输出无扰动;被断电的处理器加电后能恢复正常并处于备 用状态。

(3)I0冗余。选择互为冗余、地址对应的输入和输出点，输入模块施加相同的输入信号,输出模块连接状态指示仪表。分别通断(或热插拔，如果允许)冗余输入模块和输出模 块,检查其状态是否能保持不变。

(4)通信冗余。可通过切断其中一个通信模块的电源或断开一条网络，检查系统能否正常通信和运行;复位后，相应的模块状态应自动恢复正常。

冗余测试,要根据设计要求,对一切有冗余设计的模块都进行冗余检查。此外,对系统功能的检查包括系统自检、文件查找、文件编译和下装、维护信息、备份等功能。对较为复杂的PLC系统，系统功能检查还包括逻辑图组态、回路组态和特殊I0功能等内容