机械手操作控制装置设计

1、机械手操作控制装置设计学 院专 业班 级组 别指导教师2013年6月13日目录摘要11 机械手操作控制简介21.1 机械手的控制要求21.2机械手的的操作功能21.3设计与报告要求32 PLC及机械手的选择和论证42.1 PLC42.1.1 PLC简介42.1.2 PLC的结构及基本配置42.1.3 PLC选择及论证52.2 机械手52.2.1 机械手简介52.2.2 机械手选择63 硬件电路设计及描述73.1操作方式73.2 输入和输出点分配表及I/O分配接线84 软件电路设计及描述104.1 机械手的操作系统程序104.2 回原位程序104.3 手动单步操作程序114.4 自动操作程序12

2、4.5 机械臂传送系统梯形图135 指令语句表156 心得体会16参考文献17摘要可编程序控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是为了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍习惯称为PLC。目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现SOFTPLC，更是PLC领域无限的发展前景。气动机械手具有成本

3、低廉、结构简单、抗干扰性强、适合各种生产环境等特点。目前,气动机械手在某些专用机床的自动上下料装置中已经得到了初步应用。PLC在工业控制方面有相当成熟的应用,功能强大,程序设计和外部接线比其他自控方式更简单。应用三菱系列PLC设计开发一套实现气动机械手上下左右运动的程序和外部接线电路及操作面板。气动系统具有许多显著的优点,在工业自动化中得到愈来愈广泛的应用,机械手的驱动和控制方式基本上都是采用高精度伺服电机,成本高、结构复杂、速度慢、工作效率较低,这些问题阻碍了自动装卸机械手在生产实际上的广泛应用。机械手采用plc控制，具有可靠性高，改变程序灵活等优点。无论进行时间控制还是控制或混合控制，都可

4、以通过设置plc的程序实现。可以根据机械手的动作顺序改变程序，是机械手通用性更好 。采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好。阻力损失和泄露减少。不会污染环境，造价低。关键词：PLC 气动机械手 自动装卸1 机械手操作控制简介1.1 机械手的控制要求机械手的动作示意图如图1所示，气动机械手的功能是将工件从A处移送到B处。控制要求为：1) 气动机械手的升降和左右移行分别由不同的双线圈电磁阀来实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动；2) 上升、下降的电磁阀线圈分别为YV2、YV1；右行、左行的电磁阀线圈为YV3、YV4；3)

5、机械手的夹钳由单线圈电磁阀YV5来实现，线圈通电时夹紧工件，线圈断电时松开工件；4) 机械手的夹钳的松开、夹紧通过延时1。7S实现；5) 机械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现；图1 机械手示意图1.2机械手的的操作功能机械手的操作面板如图2所示。机械手能实现手动、回原位、单步、单周期和连续等五种工作方式。1) 手动工作方式时，用各按钮的点动实现相应的动作；2) 回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则机械手自动返回原位；3) 单步工作方式时，每按下一次启动按钮，机械手向前执行一步；4) 单周期工作方式时，每按下一次启动按钮，机械手只运行一个周期；5

6、) 连续工作方式时，机械手在原位，只要按下启动按钮，机械手就会连续循环工作，直到按下停止按钮；6) 传送工件时，机械手必须升到最高点才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其他工件；7) 出现紧急情况，按下紧急停车按钮时，机械手停止所有的操作。图2 操作面板1.3设计与报告要求1) 控制对象及控制要求分析2) 输入输出点设置，IO表绘制3) PLC选型（DVP SX2）及硬件配置4) 系统硬件设计，采用AutoCAD绘制图纸。包括供电/主电路/PLC配置/IO接线原理图纸。5) 系统控制软件设计。完成梯形图程序设计，程序有批注。6) 实验调试方案设计。采用实验室设备（PLC、TP）验证程

7、序设计正确性采用硬件按钮/硬件输出指示灯和TP中的软元件模拟系统，搭建实验系统，实现控制功能的要求，并能在模拟的系统中证明控制功能的正确实现。2 PLC及机械手的选择和论证2.1 PLC2.1.1 PLC简介可编程控制器（简称PLC）：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界

8、潮流。2.1.2 PLC的结构及基本配置一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。CPU：PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU。与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它

9、确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 存储器：可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的。电源模块：有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。PLC 的外部设备：外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：编程设备、监控设

10、备、 存储设备、输入输出设备。2.1.3 PLC选择及论证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，采用PLC作为核心控制器，各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作，同时考虑到工作流程和造价。所以我们采用日本三菱公司的FX2N-32MR型PLC(16点输入、16点输出)。三菱FX2N系列可编程控制器是小型化，高速度，高性能的产品，是FX系列中最高档次的超小型程序装置。2.2 机械手2.2.1 机械手简介mechanical hand 也被称为自动手，auto hand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

11、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。机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。1) 执行机构机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。2) 传动系统执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等

12、几种形式。3) 控制系统机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。2.2.2 机械手选择由于机械手是在搬运中的应用，所以采用传送带加旋转的机械手类型。此机械手易于操作，性能可靠。并且根据要求，我们设计的是气动机械式。3 硬件电路设计及描述3.1操作方式设备的操作方式一般可分为手动和自动两大类，手动操作方式主要用于设备的调整，自动操作方式用于设备的自动运行。1) 手动操作方式手动操作

13、：用单个按钮接通或断开各自对应的负载。回原点：按下回原点按钮，使设备自动回归到原点位置。2) 自动操作方式单步运行：每按一次启动按钮，设备前进一个工步。单周期运行：在原点位置时，按下启动按钮设备自动运行一个周期后停止原位；途中按下停止按钮，设备停止运行；再按下启动按钮时，设备从断点处继续运行，直到原位停止。连续运行：在原点位置按下启动按钮，设备按既定工序连续反复运行。中途按下停止按钮，设备运行到原位停止。3.2 输入和输出点分配表及I/O分配接线表1 机械臂传送系统输入和输出点分配表名 称代号输入名 称代号输入名 称代号输出启动SB1X0左限位SQ1X8单周期SB13X16停止SB2X1右限位

14、SQ3X9回原点启动SB14X17上升SB3X2上限位SQ2X10电磁阀下降YV1Y0下降SB4X3下限位SQ4X11电磁阀上升YV2Y1左移SB5X4手动SB9X12电磁阀左行YV3Y2右移SB6X5自动SB10X13电磁阀右行YV4Y3放松SB7X6回原点SB11X14电磁阀夹紧YV5Y4夹紧SB8X7单步SB12X15 图3 I/O分配及接线图4 软件电路设计及描述4.1 机械手的操作系统程序 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图4所示。图4 手动单步操作和自动连续操作图其原理是把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，

15、则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。4.2 回原位程序回原位程序如图5所示。用S10S12作回零操作元件。应注意，当用S10S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。图5 回位状态转移图4.3 手动单步操作程序手动单步操作程序如图6所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。图6 手动单步操作状态转移图4.4 自动操

16、作程序自动操作状态转移见图7所示。当机械臂处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1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S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1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S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。

17、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。图7 自动操作状态转移图4.5 机械臂传送系统梯形图机械臂传送系统梯形图如图8所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。回原位程序和自动操作程序，是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。图8 机械手传送系统梯形图5 指令语句表表2 指令语句表6 心得体会可编程控制器机械手操作控制装置设计是课程当中一个重要环节，通过了这段时间的设计，我对plc设计过程有进一步了解，对plc产品的有关的控制知识有了深刻的认识。由于理论知识的有限，小组在设计遇到了不少问题，通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力。运用学习成果，把理论运用