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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。
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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
3.2 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3-5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[13]。
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3-6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
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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。PLC向驱动器一只输入
图3-5 机械手结构示意图
图3-6 机械手的动作示意图
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[14]。
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3.3 PLC程序设计
3.3.1 I/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[15]。 3.3.2 PLC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3-5所示。
表3-5 PLC的I/O分配表
名称 气夹正转限位 气夹反转限位 基座正转限位 基座反转限位 旋转脉冲 X轴前限位 X轴后限位 Y轴上限位 Y轴上限位 启动按钮 复位按钮 输入 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 名称 驱动器一 PUL 驱动器二 PUL 驱动器一 DIR 驱动器二 DIR 气夹正转 ML 气夹反转 MR 基座反转 MR 基座正转 ML 气夹电磁阀 YV+ 输出 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10
3.3.3 编程指令的选择
方案一：使用起保停电路的编程方式。用辅助继电器代表步，仅仅使用与触电和线圈有关的指令。编出程序规范，具有易于阅读和容易查错的优点，但因为存在大量的自保持触点，使程序代码较长。
方案二：采用以转换为中心的编程方式。这种编程方式与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，会有很大帮助。
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方案三：采用STL指令的编程方式。STL指令（步进梯形指令）是三菱厂家设计的专门用于顺序控制的指令，使用该指令可以使编制顺序控制程序更加方便，而且易于调试和维护，且代码较短。
经论证本次设计采用的编程方式选用方案三。 3.3.4 PLC程序的设计
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。
3.4 PLC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。
3.4.1 PLC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
电源是PLC引入干扰的主要途径之一，PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源，这对提高PLC的可靠性有很大帮助。PLC的供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备（如高频炉、弧焊机等）分开。为了提高整个系统的抗干扰能力，可编程序控制器供电回路一般可采用隔离变压器、交流稳压器、晶体管开关电源等。我们正是用了隔离变压器和交流稳压器来抗干扰。隔离变压器是初级和次级之间采用隔离屏蔽层，用漆包线或同等非导磁材料组成，电器回路上不允许短路，两极各引出一个接地抽头。初级与次级之间的静电屏蔽要联结到零点位，接地抽头配电容耦合最后引出到接地点。在选用交流稳压器时，一般可按照实际最大需求容量的130%计算。这样可以保证稳压特性又有助于稳压器工作可靠[16]。
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山东大学本科机械电子工程-
