水果抓取机械手控制系统设计

水果抓取机械手控制系统设计。摘要水果抓取机械手控制系统的设计要求是在控制系统的指令下，能将水果迅速、灵活、准确、可靠地抓起并运送到指定位置， 因此本文采用PLC可编程控制器作为水果抓取机械手的控制系统，气压驱动作为驱动机构，根据机械手的动作流程和输入输出要求来选PLC的型号并确定I/O接口，最后进行程序的编辑与调试，从而使机械手完成最后的装夹任务。关键词 机械手 可编程控制器 水果抓取手 PLC 控制设计 ABSTRACTThe fruit captures the manipulator control systems design requirements is under control systems instruction, can the fruit rapid, nimble, accurate, work reliably and ship to assigns the position, therefore this article uses the PLC programmable controller to capture manipulators control system as the fruit, the gas drive takes the driving mechanism, chooses PLC according to manipulators movement flow and the input output request the model and the determination I/O connection, finally carries on the procedure the edition and the debugging, thus causes the manipulator to complete the final attire to clamp the duty.Keyword: Manipulator Programmable controller Fruit capture PLC Control design目 录摘要IABSTRACTII目 录III前言IV1 机械手的介绍11.1 机械手的概述11.2 机械手的工作过程21.3 机械手的工作方式31.4气动机械手31.5 机械手的工作原理52 抓取水果机械手控制系统的工作任务82.1 确定所需要的的用户I/O设备及I/O点数82.2选择PLC103 水果抓取机械手控制系统程序的设计133.1 总体结构133.2 手动操作程序143.3 自动操作程序153.4程序的下载、安装和调试19总结21参考文献22致谢23附录24前言自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，机器人技术不再局限于传统的工业和制造业，已被应用于众多领域。如我国研发出特种机器人、农业采摘机器人。机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机械手的是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手也被称为自动手，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手的控制对于很多场合需求很大，不论是机床使用的小型系统还是流水线上的这类设备，其基本动作要求类似，所以控制的实现也可以相互借鉴。 对于控制程序的编写，这里给出的只是一种实现手段，使用可编程控制器还有其他的方法可以实现这样的控制，针对所用的具体系统的情况，设计人员可以选用不同的方法来编写程序。 机械手高效的工作效率，准确的定位精度，以及简单的结构及控制方式是人手不能替代的，机械手的使用也将越来越广泛。在社会主义新农村建设中，如何进一步发挥农业机械化的作用，从而推进新农村建设，是农机工作者所面临的新课题。我国虽是一个农业大国，但随着农业生产的规模化、精确化、某些地域呈现出劳动力不足的现象，在加之苹果、桃子等水果的分类挑选是一项劳动密集型工作，以及水果生产对时令的要求，劳动力问题很难解决。广大果农由于不能及时、准确地对水果进行抓取包装，从而使水果生产受到很大的影响。水果抓取机械手的应用可以提高劳动生产率，解决劳动力不足问题、改善农业的生产环境、防止农药、化肥等化学药品对人体的伤害、提高劳动作业质量等。下面介绍采用先进的可编程控制器PLC作为机械手的控制系统，可以克服以前继电器控制的诸多缺点，利用PLC作为可靠性高、抗干扰能力强、功耗低、环境适应能力强等特点，使机械手执行机构平稳，准时，准确地工作。1 机械手的介绍1.1 机械手的概述机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，是使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体 ，需有 6个自由度 。自由度是机械手设计的关键参数 。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动/(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式。机械式机械手 ；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种 ；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险 物品的主从式操作手也常称为机械手。 1.2 机械手的工作过程机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。1、机械手传送工件系统示意图，如图1所示。下降上升下限位开关夹紧电磁阀下降电磁阀原点上限位开关右移电磁阀右移左移下降电磁阀下降下限位开关夹紧电磁阀上升13245678上限位开关右位起动（a）机械手的动作过程分解左/右上/下夹/松手动连续单周期单步复位起动停止控制面板图1 机械手的动作过程分解(a)及操作面板图(b)机械手的动作过程分解图如图1所示。从原点开始按下起动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时按夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限开关，上升电磁阀断电，机械手上升停止；同时接同右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限开关，右移电磁阀断电，机械手右移停止。若此时工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过8步动作完成了一个周期。1.3 机械手的工作方式 机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。自动操作又分为单步，单周期（主要用于调试）和连续操作方式。手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一中运动单独进行控制，例如，当选择上/下运动时按下起动按钮，机械手上升：按下停止按钮，机械手下降。当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。当选择夹紧/放松运动时，按下起动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。单步操作：每按依次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将自动完成一个周期的动作，然后停止在原起始点位置。连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手的动作将自动地，连续不断地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新起动时，须用手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始连续操作。在工作中若按一下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点，自动停止。1.4气动机械手气动机械手是指一压缩空气为动力源驱动的机械手。其主要特点是:极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 本设计所用的机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制，其中，上升/下降和左移和右移分别有双线圈二位电磁阀控制。例如当下降电磁阀通电是，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。同样，左移/右移分别由左右电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松夹紧由一个单线圈二位电磁阀（称夹紧电磁阀控制）。当该线圈通电时，机械手夹紧，该线圈断电时，机械手放松。当机械手右移到位并准备下降是，为了确保安全，必须在右工作台上无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。 基于PLC的机械手控制设计随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手主要作用是完成水果的抓取工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件货物运输更快捷、便利。 1.4.1气动机械手的结构机械手结构如下图2所示，机械手为三自由度气压式圆柱坐标型机械手，主要由机座、腰部、水平手臂、垂直手臂、气爪等部分组成。手臂及气爪采用气缸等气动元件。对应的物料分拣装置由4个普通气缸构成，用以装放部同大小的水果，然后再由机械手抓取、搬运和分类堆放。 图2机械手结构图当机械手处于原点使，左限位开关和上限位开关被压合，起动以后，机械手延-z方向移向A（工步1）,夹紧水果后返回到原位（工步2），再延x方向移向B，放下水果（工步3），最后返回到原位（工步4）完成一次循环，上述过程若采用常规的继电器控制，则很难识别以下两种情况：一是机械手向下移动时，不能识别是向A点，还是向B点；二是在2、3工步，是先回到原点，然后向右，还是直接由A点向右移到B点。采用PLC的步进功能来实现对这一动作过程进行控制，不仅能有效的避免上上述动作的二义性，而且使整个控制过程准确、直观。1.4.2气动机械手控制系统组成机械手控制系统共有五部分组成：支撑架、电磁阀、限位开关、气缸、气动夹具。各部分由不锈钢材料组成。（1）气缸是QGB-Q系列的，属于双电控带阀气缸，为自己保持式，电磁换向阀有记忆作用，当切断电信号时，阀位不变，气缸活塞位置保持不变，系统不受突然断电的干扰。气缸的工作压力为0.150.8Mpa。 （2）限位开关共有四个：上/下限、左/右限。在机械手控制中，除了要对垂直手臂升降气缸、气爪等普通气缸进行控制外，考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，对这种混合驱动机械手采用PLC作为核心控制器，上述各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作，PLC采用上海香岛机电有限公司的ACMY-S80 系列PLC系统主要由机械、电气、控制三大部分组成。其机械部分主要是机械手装置，由气缸、支承装载工件的机构组成。电气部分有检测传感器（4个限位开关，1个光电传感器）、电磁控制阀(其中2个双线圈电磁阀和1个单线圈电磁阀)，汽缸(2个滑动缸，1个摆动缸)，控制部分选用ACMY-S80可编程控制器。在升降气缸和气爪上都安装有磁性开关传感器，用于检测气缸活塞的位置。通过这些传感器的信号，在PLC的控制下，就能够对滑块气缸和气爪对应的电磁阀进行控制，进而实现气缸的动作。 各气缸是由电磁阀控制。电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；电磁阀并不限于液压还是气动；电磁阀用一般者用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。电磁阀控制气缸的工作原理，电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的气管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排气的孔，而进气孔是常开的，气体就会进入不同的排气管，然后通过气的压力来推动气缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械手运动。1.5 机械手的工作原理机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置. (一)执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 2、手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 5、机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 (二)驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。 (三)控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (四)位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。机械手的抓取能力可参照钳爪式手部的有关公式，结合机械手的几何参数进行计算。由于壳体重量较轻(2kg)，夹紧缸内径d=40 mm，所以在气压驱动系统中有足够大的夹紧力。由于外气源工作压力较低，抓举力较小，刚好适用于抓取水果，不至于把水果抓烂，气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题. 压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断2 抓取水果机械手控制系统的工作任务水果抓取机械手执行机构的设计要求是能在控制系统的指令下，能将水果迅速，灵活，准确，可靠地抓起并运送到指定位置，因此设计要考虑到运动的速度，加速度等情况。 机械手抓取水果的动作过程为：在原位下降（由立柱的升降气缸控制，下降过程中手指始终张开一定的角度，以保证不会损伤水果）抓取苹果（由手腕旋转气缸和手部夹紧气缸共同完成，通过视觉识别系统来确定水果的分类）上升并旋转（由立柱升降和旋转由气缸共同完成，将水果送至对应的传送带上方）下降（由立柱升降气缸实现，将水果送至传送带上）张开手指并放下水果（该过程由于受部夹紧气缸完成）上升并旋转（由立柱升降气缸共同完成，机械手臂还原至初始位置）。 机械手的全部动作由气缸马达驱动，而气缸马达又由相应的电磁换向阀控制。例如下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电磁阀断电时，机械手下降停止，只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。同样，左移/右移分别由放松电磁阀和夹紧电磁阀控制，上转/下转分别由上转电磁阀和下转电磁阀。2.1 确定所需要的的用户I/O设备及I/O点数2.1.1输入设备用以产生输入控制信号本设计中应包括：（1）操作方式转换开关：有手动，单步，单周期，循环等4个位置可供选择。（2）手动时的运动选择开关：应有上/下，左/右，夹紧/放松，等3个位置可供选择。（3）起动，停止及复位按钮。（4）位置检测元件：机械手的动作是按行程原则进行控制的。其上限，下限，左限，右限的位置分别用限位开关来检测。（5）无工件检测元件：右工作台上无工件用光电开关来检测。开关及按钮在操作屏上的布置如图3,所示.各限位开关几光电开关的配置见图1.左/右上/下夹/松手动连续单周期单步复位起动停止图3操作面板布置图其中光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无的。限位开关是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。限位开关主要就是限定位置，比如行车之类的，当到末端位置，限位开关就触动，停止继续运动，不至于出轨，假如光靠机械阻挡制动不仅不利于设备，也浪费电能。2.1.2输出设备由PLC的输出信号驱动的执行元件本设计中应包括下降电磁阀，上升电磁阀，夹紧电磁阀，放松电磁阀，左移电磁阀，右移电磁阀。为了机械手处于原点进行指示，还配置1个原点指示的指示灯。各配置的设置图见图1根据所确定的用户输入设备及输出设备，可画出PLC的I/O连接图,如图4所示。由图可见，PLC共需要15点输入，6点输出。运动选择100010011002100310041005100610071008100910101011101210131014200020012002200320042005起动按钮下限位开关上限位开关右限位开关左限位开关光电开关（无工件检测）手动单步单周期连续左/右夹/松上/下复位操作方式选择下降沿电磁阀夹紧电磁阀上升电磁阀左移电磁阀右移电磁阀原点指示停止按钮ACMYS80图4 PLC I/O连接图由于不同机型的PLC，其I/O点的编号不同，因此应根据所选择的机型，对PLC的I/O点分配编号。由图4给出的是ACMY-S80所对应的I/O点编号。2.2选择PLC该机械手的控制为纯开关量控制，且所需的I/O点数不多，因此选择一般的小型抵挡机PLC即可人。另外，从PLC的功能方面考虑，该系统要实现的步进控制，可以用一般PLC具有的移位寄存器和移位指令来编程，但若选择具有步进指令功能的PLC，则实现步进控制就更加非常方便。再者，由于所需的I/O点数为15和6点，考虑到机械手操作的工艺固定，PLC的I/O点基本上可不留余量。结合书上所介绍的PLC可选用GE-I（I/O点数分别为15和9）和ACMY-S80(I/O点数为24和16点)PLC均能满足要求。本设计介绍ACMY-S80 PLC来实现水果抓取机械手控制系统。当然，具有选择何种机型，还需要比较价格，配件，维修等方面的因素，使之更加经济合理。ACMY系列PLC是上海香岛机电有限公司的产品，有ACMY-S256和ACMY-S80两个品种。属小型抵挡PLC，其中ACMY-S80为更小型化的产品，它与ACMY-S256相互兼容。本设计使用ACMY-S80。2.2.1 ACMY-S80PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.2.2 ACMY系列PLC的内部构成ACMY系列PLC采用整体式结构， CPU板、存储器、I/O板、等基本单元以及电源均组装在主机内，形成一个整体。整个PLC由主机、编程器及其其它外围设备、I/O扩展机等部分组成。主机上面有外围设备插口，可以插入编程器，EPROM写入器、EPROM用户卡、A/D、D/A模块、高速计数器、RS232C联机通信接口等。其中编程器是组成PLC系统的基本部分，其它外围设备可根据用户需要来配置。图5 ACMY系列PLC的结构CPUEPROM（系统程序）RAM（用户程序）输入单元输出单元外设接口扩展接口用户输入设备用户输出设备I/O扩展机外围设备（编程器EPROM写入器用户卡A/D，D/A高速计数器RS232C）编程器用于程序的写入和修改，用户程序通过编程器上的按键写入到主机内的RAM中，然后由CPU加以处理，再通过输出端子，将CPU的输入信号送给用户输出设备。EPROM写入器用于将存储在主机RAM中的程序写入到EPROM芯片中去，几固化用户程序；还可将固化在EPROM芯片中的程序读入到主机饿RAM中。EPROM用户卡为写入了程序的EPROM提供就位插座，然后通过外设I/O接口与主机连接，并让主机按EPROM中的程序运行。 A/D、D/A模块用于将模拟量转换为数字量供主机处理，日然后可用开关量输出或通过模块的D/A口将数字量转换为模拟量输出，可构成实时反馈控制。 高速计数器由6位BCD高速可逆计数器构成，用以实现高速计数。 RS232C联机通信接口用于与IBM微机或兼容机连接。2.2.3 ACMY系列PLC的功能 ACMY系列PLC具有逻辑操作、计时、计数、移位以及自诊断等基本功能，主要用于逻辑控制。ACMY-S256对于,另外还具备A/D,D/A模块ii、高数计数器模块、RS232C联机通信接口模块供扩展功能使用，以实现模拟量输入、输出，数据的传送、比较、变换、算术运算、高数计数以及与IBM微机系统联机通信，以便用图形方式进行编程、调试及监控等。对于ACMY-S80系列，只具备RS232C联机通信接口。2.2.4 ACMY系列PLC的使用条件（一）工作环境 （1）工作温度：0-55（2）存放温度：-20-65（3）湿度：（35-85）%RH（不凝结）（4）空气：无腐蚀性气体。（二）电源（1）电压：AC 220V15%V，110V15%V。（2）频率：50Hz。（3）功率小于或等于25W（4）耐压：AC1500V、50Hz，1min(I/O端子和接地端)（5）抗干扰强度：1000VP-P、脉宽10us矩形波（6）抗振强度：16.7 Hz、3mm双振幅（x、y、z三个方面个30 min）3水果抓取机械手控制系统程序的设计3.1 总体结构首先先画出流程图，如图6开始处于原点按起动按钮向下运动运动到底部夹紧水果计时3s向上运动运动到顶部向右运动运动到最右端机械手向下运动运动到底部松开水果向上运动计时2s运动到顶部向右运动图6机械手动作流程图根据以上流程图，作出相应编程。本设计用ACMY-S80实现为了便于编程，先绘制出整个程序的结构框图，如图7所示手动程序JMEJMPJMP100810101009单步时断开1010单周期断开连续时断开1000KEEP手动时断开100810091014自动程序JMERS 图7总程序结构图在总程序结构图中运用了JMP跳步指令和JME跳步结束指令。这两对指令是成对使用，用于程序的跳转，其功能为当JMP前的逻辑关系为ON时，则JMP和JME之间的程序停止执行，而跳转去执行JME以下的程序。在JMP和JME之间个逻辑行的继电器保持在触点接通以前。当JMP前的逻辑关系为OFF时，则不执行跳转功能，程序仍照样按顺序执行。3.2 手动操作程序 在手动操作方式下，各种动作都是按钮操作实现的，其控制程序自动操作而另行设计。手动操作控制很简单，可以很方便地按一般继电器控制线路来设计，其梯形图8。为了安全，机械手的左/右移动，只有当机械手处于上限位置时才能进行，因此，需在左/右移动的电路中设置上限联锁保护。另外，由于左/右、上/下运动采用双线圈二位电磁阀控制，两线圈不能同时通电，因此在左/右、上/下的电路中设置了互锁环节。当运动选择开关置于“左/右“时，如机械手处于上限位置，则按起动按钮机械手右移；按停止按钮时，机械手左移。当运动选择开关置于“夹紧/放松“时按起动按钮时机械手执行夹紧动作，按停止按钮时执行放松动作。当运动开关置于“上/下”位置时，按起动按钮时下降，按停止按钮时上升。101120032004200310062004左移夹/松下降上升右移10001002R10132000200020022001 KEEP10121000100610001006 2002图8 手动操作梯形图3.3 自动操作程序 根据ACMY-S80移位寄存器的功能，便可设计机械手自动操作的梯形图程序，该系统是按顺序动作的典型步进控制，因此用步进指令可以较容易地实现。现利用步进指令编程的具体梯形如图9所示。1002 1004左限2004右移SFT300030073003 1003 3004 10013005 50013006 10023007 100420051006停止 3004 1005 10012000下限3000R30052001 KEEPS3001300150003002 10023007 4000单步 1008起动 1000INCPR10003000 10013001 50003002 1002 10021000 1002 1004 3000 3001 3002 3003 3004 3005 300630063003 100330053007右限20022003TIM5001放松计时0020左移夹紧计时0030上升下降原点指示图9自动操作梯形图程序3.3.1移位寄存器的使用在ACMY-S80中，可使用输出继电器（2000-2715），辅助继电器（3000-3715，4000-4715），断电保护继电器（6000-6715）作移位寄存器，并利用移位指令（SET）进行编程。移位寄存器有一个数据输入端IN，一个时钟脉冲端CP（移位输入端）和一个复位端R，每一个输入端由任意逻辑继电器来控制。ACMY-S80中的移位寄存器数据输入端（IN）的数据是移位输入信号（CP）到来时移入第一位，并且在移位输入消失后还能保持。以后每送入一个移位输入信号，移位寄存器的数据便从第一位开始依次向后移位。此外，ACMY-S80的移位寄存器的末位信号街道数据输入端，可构成环形移位寄存器，能更方便地实现连续（循环）控制。使用移位寄存器时，必须标明第一个寄存器（第一步）的编号和最后一个寄存器（最后一步）的编号。由图9中标出了第一个寄存器的编号为3000，最后一个寄存器的编号为3007，一共可移8位（步）。3.3.2该梯形图的控制原理分析（1） 连续及单周期 在连续及单周期操作方式下，单步输入点1008断开，输入继电器1008的常闭触点闭合，将移位寄存器的移位输入直接接入CP端。当机械手处于原点时，压下上限位开关和左限位开光，输入点1002和1004接通，2005接通，原点指示灯亮。 按下起动按钮，输入继电器1000接通。其两对常开触点在移位寄存器IN端和CP端同步接通（送入“1”信号 ），CP端的“1”态移入3000，2000接通，下降电磁阀得电，机械手下降，上限位开关复位，1002断开，IN端置“0“。 下降到底碰到下限位开关后，输入继电器1001接通，2000断开，下降停止，同时产生移位信号，将3000的“1”，移入到3001，IN端的“0“态移到3000。3001的常开触点将2001置“1”并保存，夹紧电磁得电，机械手夹紧工作，同时3001得常开触点接通5000，开始夹紧计时。 5000延时3s后，其常开触点闭合，产生移位信号，将3002置“1”，3001置“1，3002的常开触点将2002接通，上升电磁阀得电，机械手上升。此时，下限开关复位，1001断开，机械手上升到顶部碰到上限位开关，1002接通，上升停止。同时产生移位信号将3002的“1”移到3003，IN端置“0“移入3002，同时2003得电，机械手右移，上限位开关复位，1002断开，右移到位时碰到右限位开关，1003接通，右移电磁阀断电，2003短开，右移停止。同时将3003的”1“移到3004，IN端的”0“移到3003，同时检测右工作台无工件1005接通，2000接通，下降电磁阀通电，机械手下降，下降到底部碰到下限位开光时1001接通，同时将3004的”1“移入3005并保持，IN端的”0“移入3004，3005常开触点接通，夹紧电磁阀失电，机械手放松， 5001开始放松计时，5001延时2秒后，其常开触点闭合产生移位信号将3006置“1“，3005置”0“，3006的常开触点将2002接通，上升电磁阀得电，机械手上升。上升到顶部碰到上限位开关，1002接通，上升电磁阀断电，2002断开，上升停止。同时3007置“1”，3006置“0”，3007的常开触点接通2004，机械手开始左移。当机械手的动作完成了最后一步，即左移回到原点时，碰到左限位开关，输入继电器1004接通，2004断开，左移停止，同时产生移位信号。如果是连续操作，则4000接通，3000又置“1“，3007置“0”，又开始第二周期的循环动作。如果是单周期操作方式，则4000断开，IN端置“0”，3000保持“0“态，因此不再循环工作。 运行中，如按下停止按钮，则1006接通，移位寄存器复位，机械手停止动作，必须用手动操作将机械手移回原点，然后再重新起动自动操作程序。 （2）单步操作 在单步操作方式下，单步输入点1008接通，输入继电器1008的常闭触点断开，将移位寄存器的移位信号经输入寄存器1000的常开触点接入CP端。这样只有按下起动按钮，输入继电器1000接通时，才能将移位信号送入CP端移位寄存器才能移位。每按一次起动按钮，移位寄存器的的状态移一位，机械手的动作完成一步后自动停止。指令如下：LD 1002AND 1004OUT 2005LD 1000AND 1002AND 1004LD 3007AND 4000OR LDAND NOT 3000AND NOT 3001AND NOT 3002AND NOT 3003AND NOT 3004AND NOT 3005AND NOT 3006LD 1000LD 3000AND 1001OR LD；串联模块的并联LD 3001AND 5000OR LDLD 3002AND 1002OR LDLD 3003AND 1003 OR LDLD 3004AND 1001OR LD LD 3005AND 5001OR LDLD 3006AND 1002OR LDLD 3007AND 1004 LD 1002AND 1004OUT 2005LD 1000AND 1002AND 1004LD 3007OR LDLD NOT 1008OR 1000AND LD；并联模块的串联LD 1006SFT 3000 3007LD 3004AND 1005 OR 3000AND NOT 1001OUT 2000LD 3001LD 3005KEEP 2001LD 3001TIM 5000# 0030LD 3002OR 3006AND NOT 1002OUT 2002LD 3003AND NOT 1003OUT 2003LD 3005TIM 5001# 0020；计时2秒LD 3007AND NOT 1004OUT 20043.4程序的下载、安装和调试 将各个输入/输出端子和实际控制系统中的按钮、按所需控制设备连接，完成硬件的安装。打开机械手移动程序，即可在线调试，也可用编程器进行调试，通过编程器将程序写入RAM后，应进行调试，确认程序无误后，才能正式运行。调试的步骤如下：1. 校对程序用“ENTER-/+”键对程序全部指令自下而上或自上而下地逐条进行校对，若发现某一条指令有错，应重新键入正确指令，若需要校对程序中的某一条指令的内容，显示屏及指示灯即显示指令的内容。2. 进行输入输出状态的模拟试验输出端不接负载，输入端接模拟开关，用以模拟信号进行调试。3. 联机调试经过输入输出状态的模拟调试，确认程序无误后，便可将主机与用户输入输出设备相连，进行联机调试。在开机后使主机进入运行状态，此时若ERR灯未亮，RUN灯闪光，表示程序正常运行。如果被控的机械设备工作不正常，则表明输入输出设备有故障，应着重检查输入输出设备以及它们和PLC之间的连接情况，或查看程序是否有不妥之处。上述针对机械手的控制方法充分利用了PLC和其它控制装置的特性，结构紧凑、控制可靠，目前在现场运行良好。作为一个相对独立的PLC控制系统，它还可以通过RS-485总线或CC-Link总线与生产线上的其它PLC及控制器组成工业控制网络,实现更进一步的自动化生产控制。可编程控制器（Programmable Logic controller，简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的三大支柱之一。PLC提供了较完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。利用编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序”。程序由编程器送到PLC内部的存储器中，它也能方便地读出、检查与修改。总结随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。可编程控制器PLC以其丰富的I/O接口模块，高可靠性、在机械手控制的设计中起到了十分重要的作用，学习PLC的目的，最终要把它应用到实际的控制系统中。机械手的控制对于很多场合需求很大，不论是机床使用的小型系统还是流水线上的这类设备，其基本动作要求类似，所以控制的实现也可以相互借鉴。对于控制程序的编写，这里给出的只是一种实现手段，使用可编程控制器还有其他的方法可以实现这样的控制，针对所用的具体系统的情况，设计人员可以选用不同的方法来编写程序。机械手高效的工作效率，准确的定位精度，以及简单的结构及控制方式是人手不能替代的，机械手的使用也将越来越广泛。在系统设计过程中，我遇到了很多设计方面的问题。为了弄懂相关的知识，掌握相关技术，我翻阅了大量的书籍和资料，并积极利用互联网丰富的资源找取答案，从中的收获是非常丰富的。从这次设计中我有了很深的体会，任何事情都不是一蹴而就的，都需要付出很艰辛的努力。参考文献1 2 贺哲荣等.流行PLC实用程序及设计.西安：西安电子科技大学出版设.20063 王会. 基于PLC 的水果抓取机械手控制系统设计.机械工程师.20074 廖常初主编.可编程控制器应用技术（第4版）。重庆：重庆大学出版社，20025 陈立定.吴玉香，苏开才编，电气控制与可编程控制器。广州：华南理工大学出版社，20016 王永华主编.现代电气及可编程控制器原理及应用。北京：北京航空航天大学出版社，20027 王卫星等编.可编程控制器原理及应用。北京：中国水利水电出版社，20028 李俊秀，赵黎明主编.可编程序控制器应用技术实训指导。北京;化学工业出版社，20029 可编程序控制器原理与应用 西安电子科技大学出版社 主编 汪志锋 10 PLC应用开发技术与工程实践 人民邮电出版社 编著 求是科技11 可编程控制器技术及应用 北京理工大学出版社 编著 夏辛12 可编程控制器应用技术 机械工业出版社 主编 王也仿13 可编程控制器原理与应用 中国电力出版社 主编 郁汉琪14 可编程序控制器（PLC）应用技术 山东科学技术出版社 编著 徐德15 PLC机电控制系统应用设计技术 电子工业出版社 主编 鲁远东16 多自由度机械手PLC控制17 PLC在物料搬运机械手控制中的应用18 可程式控制器（PLC）与有感机械手之整合应用 19 可编程控制器（PLC）与有感机械手之整合应用20 气动逻辑元件在多气缸顺序动作气压控制回路中的应用21 工业机械手概述22 YANG Yuan-zhao. Study of Web-based integration of pneumatic manipulator and its vision positioning J. Yang et al. / J Zhejiang Univ SCI.,2005.543-54823 Lienhard Pagel. Development of a micro-manipulator based on piezoelectric technology. Department of Electrical Engineering and Information Technology, University of Rostock, D-18059 Rostock, Germany,2007致谢附录光电开关（无工件检测） 左/右上/下夹/松手动连续单周期单步复位起动停止200020012002200320042005ACMYS80-起动按纽