机械手PLC控制设计

摘 要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，本文介绍的是机械手模型基于PLC的控制系统设计。首先，对可编程控制器进行相应的介绍，选择了PLC的型号。然后，通过对机械手的各功能实现形式和控制方式研究，给出各部分的实现方案并确定了控制系统的器材。最后，进行PLC控制系统的硬件结构和软件程序设计。关键字： 可编程控制器PLC 机械手 步进电机目 录摘 要.1目 录.2第1章 绪论 .11.1 课题背景.11.2 机械手的定义与分类.11.3 机械手的发展趋势.21.4 总体设计要求.3第2章 PLC的介绍与选择.42.1 PLC的选型.42.2 三菱 FX系列的结构功能.5第3章 控制系统设计.73.1 控制系统硬件设计.73.2 旋转编码盘.83.2.1 PLC梯形图中的编程元件.83.2.2 PLC的I/O分配.83.2.3 械手控制系统的外部接线图.103.3 控制系统软件设计.113.3.1 自动操作程序.133.3.2 手动单步操作程序.193.3.3 回原位程序.22第4章 设计小结.25致 谢. .26参 考 文 献.27第1章 绪论1.1 课题背景随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。同时，借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。工业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。工业机械手是工业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。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.2 机械手的定义与分类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。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。1.3 机械手的发展趋势机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。1.4 总体设计要求1.机械手结构示意图图1-1机械手示意图1、手爪张开闭合 2、手腕旋转 3 、水平移动 4、升降 5 、立柱旋转 6、手爪 7 、手腕电动机 8、横轴 9、 竖轴 10、竖轴电动机 11、横轴电动机 12、底盘 13、底盘电动机2. 机械手工作流程机械手工作流程是：开始运行后，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转(横轴向手抓方向移动，竖轴向上移动)。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手爪电动机得电带动手爪旋转；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，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪夹紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开；延时后竖轴上升复位，然后开始下一周期动。3.控制要求(1)手臂上下直线运动。(2)手臂左右直线运动。(3)手腕旋转运动。(4)手爪夹紧动作。(5)机械手整体旋转运动。手臂采用步进电机驱动，由PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转,实现手臂的进给和定位，手爪采用气压驱动。第2章 PLC的介绍与选择对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、PLC控制等。但由于PLC可编程控制器操作灵活性强和稳定性较好，所以，我们选择PLC控制。2.1 PLC的选型对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数，扫描速度，内存容量，指令条数，功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。（1）常用PLC介绍PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小仅相当于一个PC卡(对于10点的机型来说)，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。编程环境与CQM1及SYSMAC A等机种相同。由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。三菱FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。其FX2N PLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。(2）确定型号FX1N60MR综上，对于被控对象，采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较，力求具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求；选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型，一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的PLC，则选FX系列，不选F1系列）。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。在此，我选用三菱FX1N来做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是近年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。2.2 三菱FX系列的结构功能可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的结构原理与微型计算机相似。硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。系统程序和接口器件又与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、D/A模拟转换器件的组合体的功能，采用软件编程进行它们之间的联系。本设计采用FX系列PLC作为控制核心，所以现在就以它来讲述PLC的应用知识、操作技能。FX系列PLC硬件组成与其它类型PLC基本相同，主体由三部分组成，其PLC的基本结构如图2-1系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。图2-1 PLC 的组成框图外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信号和数据；经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各个部分协调一致地实现对现场设备的控制。PLC输入输出接口的安全保护当输出口连接电感类设备时，为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输出口造成破坏，应在感性元件两端加保护元件。对于直流电源，应并接续流二极管，对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可取51120，电容取0.10.47F，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。续流二极管可选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍。图2-2为输入输出口的保护环节示意图。图2-2 输入输出口的保护第3章 控制系统设计3.1 控制系统硬件设计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，在手动方式时可以通过手动按钮来实现，其控制面板如下图4-1。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到右上角位置待命。当旋钮打向连续时，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。图3-1 控制面板示意图3.2 旋转编码盘机械手底盘和躯干每旋转3度发出一个脉冲，并把信号送回可编程控制器来得到转过的准确的角度。编码盘的机构如图3-2。图3-2 旋转编码盘可以通过改变程序中计数器C0的初值来确定所要转过的角度，这里可以通过用计算机读出指令表，然后修改得到不同的控制角度。综上所述，根据机械手的各部分要求条件可确定本设计机械手控制系统所选器材列表如表3.1。表3.1所选器材列表名称型号或规格数量名称型号或规格数量PLCFX1N-60MR1限位开关LX19-1118电磁阀VF31301转换开关LW6-51按钮LA10-1H13熔断器RC1A-30/152连接导线若干3.2.1 PLC梯形图中的编程元件设计选用FX1N60MR，其输入继电器（X）36点，输出继电器(Y)24点，辅助继电器(M)384点，状态继电器(S)1000点，定时器(T)256点，计数器(C)，数据寄存器(D)等。特殊辅助继电器M8000运行监控（PLC运行时自动接通，停止时断开）；M8002初始脉冲（仅在PLC运行开始时接通一个扫描周期）；M8005PLC后备锂电池电压过低时接通；M801110ms时钟脉冲； M8013100ms时钟脉冲；M80121s时钟脉冲； M80141min时钟脉冲。3.2.2 PLC的I/O分配根据机械手动作的要求，输入、输出分配如表3.2所示。表3.2 PLC输入/输出分配表输入信号输出信号手动SAX0上升/下降步进电机YA0Y0回原位SAX1YA1Y1连续SAX2YA2Y2回原位SB1X3前进/后退步进电机YA3Y3启动SB2X4YA4Y4停止SB3X5YA5Y5下降SB4X6夹紧YA6Y6上升SB5X7手顺转YA 7Y7夹紧SB6X10手逆转YA 8Y10松开SB7X11底盘顺转YA 9Y11手顺转SB8X12底盘逆转YA10Y12手逆转SB9X13底盘顺转SB10X14底盘逆转SB11X15下限位SQ1X16上限位SQ2X17前限位SQ3X20后限位SQ4X21底盘顺限位SQ5X22底盘逆限位SQ6X23手顺限位SQ7X24手逆限位SQ8X25底旋转脉冲X26前行SB12X30后退SB13X313.2.3 机械手控制系统的外部接线图PLC外部电气接线图如下图3-3图3-3 PLC外部电气接线3.3 控制系统软件设计程机械手控制系统软件设计的序总体结构如图3-4，分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、连续运动程序，因它们的工作顺序相同所以可将它们和编在一起。CJ（FNC00）是条件跳转应用指令，指针标号PX是其操作数。该指令由于某种条件下跳过CJ指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以减少程序执行时间。如果选择“手动”工作方式，即X0为ON，X1为OFF则PLC执行完公用程序后将跳过自动程序到P0处，由于X0动断触点断开所以直接执行“手动程序”。由于P1处的X1的动断触点闭合，所以又跳过回原位程序到P2处。如果选择“回原位”工作方式，同样只执行公用程序和回原位程序，如果选择“连续”方式，则只执行公用程序和自动程序。图3-4 程序总的结构图 公用程序如图3-5，简要说明如下：当Y6复位（电磁阀松开）、后限位X21和上限位X17接通时，辅助继电器M0变为ON，表示机械手在原位。如果开始执行用户程序（M8002为ON）、系统处于手动或回原位状态（X0或X1为ON），那么初始步对应的M10被置位，连续工作方式做好准备。如果M0为OFF，M10被复位，系统不能进入连续工作方式。指令ZRST是成批复位应用指令，以防止系统从自动方式转换手动方式，再返回自动方式时出现两种不同的活动步。图3-5公用程序梯形图图3-6 自动的功能流程图3.3.1 自动操作程序自动操作顺序功能流程图见图3-6所示。当机械手处于原位时，按启动X4接通，状态转移到S1，驱动前伸Y3，当到达前限位使行程开关X20接通，状态转移到S2，而S1自动复位。驱动手顺转Y7，X24接通，状态转移到S3，驱动下降Y2，X16接通，状态转移到S4，S4驱动Y6置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S5，驱动Y0上升，当上升到达最高位，X17接通，状态转移到S6。S6驱动Y4后退。移到后限位，状态转移到S7底逆转Y12，状态到S8，X20接通，状态转移到S9下降。下降到最低位，X16接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S11上升。上升到最高位，X25接通，状态转移到S13后退。后退到后限位，使X21接通，状态转移到S14，底盘顺转是X21接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。自动连续程序说明：当系统处于自动连续方式时，X2为ON，它的动合触点闭合，在初始步时按下启动按钮X4，M1得电并保持，就按照图3-5自动功能图进行工作。按下停止按钮X7后，M1变为OFF，系统不会立即停止，而是完成当前的工作周期后，机械手最终停止在原位。根据自动功能流程图的顺序编写的自动程序梯形图为图3-7。图3-7 自动程序段梯形图3.3.2手动单步操作程序如图3-8所示。图中上升/下降，左移/右移都有连锁和限位保护。手动程序说明：用对应机械手的上下前后移动和夹紧松开按钮。按下不同的按钮，机械手执行相应的动作。在前后移动的程序中串联上线位置开关的动合触点是为了避免机械手在较低位置移动时碰撞其他工件。为保证系统安全运行，程序之间还进行必要的连锁。图3-8 手动程序梯形图3.3.3 回原位程序回原位程序；在系统处于回原位工作状态时，按下回原位按钮（X3），M3变为ON，机械手松开和上升，当升到上限位（X17变为ON），机械手后退，直到后限位（X21为ON）才停止，并且M3复位。图3-8 回原位程序梯形图第4章 设计小结通过本设计可以让大家清楚的了解三菱公司FX系列PLC的特点,机械手模型控制系统利用了三菱FX系列PLC的特点，对按钮、电磁阀、编码盘以及其他一些输入/输出点进行控制，实现了工业机械手模型的手动和自动控制。采用PLC进行工业机械手模型运行控制，控制系统的硬件结构大为简化，同时由于采用的是“软接线”方法的程序控制，系统的可靠性和灵活性都大大提高。当然，机械手模型系统的信号输入点数较多，工作方式多样，所以程序较复杂。通过本次设计对所涉及的知识有了更透彻的掌握，对实用化的技术理论有了更清晰了解。知道设计的方法，如何去查阅资料，怎样去解决问题，为以后做设计铺平道路。致 谢在这三年中我学到了许多专业知识，提高了理论与实践相结合的能力，提高了自学能力，这都得感谢老师的细心教导和培养，在此，我向给予我教育和帮助的老师说声谢谢。在校期间所学到的东西应该对我以后工作和生活有很大帮助。经过近一个多月的努力我终于完成了这篇论文，PLC课程是我们的主要课程，自从接触了这门课程我便对她产生了浓厚的兴趣，所以在做毕业设计时我毅然的选择了PLC设计。本篇论文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人智慧的产品，没有老师的指引和赠予，没有同学和朋友的帮助和支持，我得毕业设计也不会完成。当我打完毕业论文的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。回首这一个多月来的设计过程，可以说是收获良多，也付出了不少心力。它检验了我对PLC这门课程的掌握程度，通过老师们和同学们的帮助今天我的设计终于做完了。虽然在毕业设计中遇到很多困难，但在做的过程中我真正掌握和领会了各项知识。面对问题仔细揣摩，查阅各方文件资料，也得到老师和同学的帮助。我首先要感谢我的指导老师徐洁老师，徐老师每周安排见面会，她对我们的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点，使我在完成论文的同时也深受启发和教育。徐老师不仅治学严谨而且为人师表，堪称良师益友，教给我们的不仅是知识还有待人处世的积极态度，在此表示衷心的感谢。我还要感谢其他带毕业设计的老师在本次设计中给予我们帮助和指导！也感谢对本次设计提供帮助的人。参 考 文 献1 吴明亮，蔡夕忠.可编程控制实训教材M.北京：化学工业出版社，2005.82 张桂香.机电类专业毕业设计指南J.北京：机械工业出版社，2005.13 瞿大中. 可编程控制与实验P.华中科技大学出版社,2002.12.4 殷建国.工厂电气控制技术M.北京:经济管理出版社,2006.9.5 齐占庆.机床电气控制技术G.北京:机械工业出版社,2006.1.6 余雷声. 电器控制与PLC应用M. 北京：机械工业出版社，1996：58-637 程周. 可编程控制器技术与应用M. 北京：电子工业出版社，2002.8：99-1028 郁汉琪，郭健. 可编程序控制器原理及应用M. 北京：中国电力出版社，2004：88-909 黄净. 电气及PLC控制技术M. 北京：机械工业出版社：7210 张万忠，孙晋. 可编程控制器入门与应用实例（三菱FX2N系列）M. 北京：中国电力出版社，2005：86-9811 王孙.关节式机械手本体及控制系统设计M.西安交大机械电子工程研究所,CN 44-1259/TH. 12 高钦和. 可编程控制器应用技术与设计实例M. 北京：人民邮电出版社，2004.7：7-10第 26 页 共 27 页