基于PLC的机械手自动控制

1、基于PLC的机械手的自动控制 摘要 在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。自上世纪六十年代，PLC设计的机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，它可以在减轻繁重

2、的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。关键字：机械手，PLC，现代工业Abstract:In modern industry, the production process of mechanization, automation has become a prominent theme. Continuity of the chemical production process of automation has been basically resolved. Dedicated high-vol

3、ume production automated machine tools is an effective way; controlled machine tools. However, in addition to cutting its own, there are a lot of loading and unloading, transportation, assembly, and other operations to be further mechanized. According to the data, PLC robot was designed to achieve a

4、 product, it has been the development and application development, the most typical of this development are the producers of health products used in industry, in order to achieve the much-needed health inspection in a short period of time, a large number of sample data, but in the field of health as

5、 a result of the use of robot goods in a single sample-color reagent method, using filters and structural design, resulting in expensive reagents, restrictions The product market. With the advances in technology, the robot has actually broken the design of a single reagent, and heating the filter co

6、nstraints. Keyword: robot，PLC，modern industrial 目录第1章 绪论.4 1.1课题研究目的及意义.4 1.2设计目的及主要内容.4 1.2.1 设计目的.4 1.2.2 设计内容.5第2章 PLC及机械手的介绍及选择.6 2.1可编程控制器PLC.6 2.1.1 PLC的结构.6 2.1.2 PLC的主要功能.6 2.1.3 PLC发展状况及趋势.6 2.1.4 PLC机型的选择.7 2.2机械手.7 2.2.1机械手简介.7 2.2.2机械手的选择.92.3机械手电机的选用.9第3章 设计主体部分.103.1控制要求.103.2系统框图和控制流程

7、图.11 3.3 I/O分配.12 3.4梯形图.12 3.5指令表 .15 3.6 PLC连线图.183.7电气原理图.193.7仿真调试.20第4章 论文小结.21参考文献.22附录：PLCF仿真调试图.23第一章 绪 论1.1 课题研究目的及意义 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。可编程序控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实

8、时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一。由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。1.2设计目的及主要内容1.2.1设计目的 1、培养机械设计能力；2、扩展知识结构；3、培养综合运用能力；4、是课堂教学的有益补充。通过本次论文，进一步加强自己对机械手和PLC的认识，以及它

9、们在生活中广泛应用。1.2.2设计内容 机械手自动控制:搬运机械手工作示意图如图1-1所示，其任务是将传送带A的物品搬到传送带B上。机械手的原位是在传送带B上，开始工作时，先是手臂上升，到上限位时，上升限位开关LS4闭合，手臂左旋；左旋到位时，左旋限位开关LS2闭合，手臂下降；到下限位时，下降限位开关LS5闭合，传送带A远行。当光电开关PSl检测到物品已进入手指范围时，手指抓物品。当物品抓紧时，抓紧限位开关LS1动作，手臂上升；到上限位时，上升限位开关LS4闭合，手臂右旋；右旋到位时，右旋限位开关LS3闭合，手臂下降；下降到下限位时，下降限位开关LS5闭合，手指放开，物品被放到传送带B上延时2

10、s时间到，一个循环结束，再重复。图 1-1第二章 PLC及机械手的介绍及选择2.1.可编程控制器PLC可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适应复杂的控制任务 。2.1.1 PLC的结构PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连

11、接而成。PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。2.1.2 PLC的主要功能PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。PLC系统主要有以下功能：1) 多种控制功能；2) 数据采集、存储与处理功能；3) 通信联网功能；4) 输入、输出接口调理功能

12、；5) 人机界面功能；6) 编程、调试功能。PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。2.1.3 PLC发展状况及趋势现代PLC的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。1、大型网络化主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向

13、下可将多个PLC、I/O框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。 2、多功能随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。2.1.4 PLC机型的选择如何在实际应用时选择合适的 PLC设备 ,也是很关键的问题。首先是选用合适厂家的产品。目前市场上的 PLC 产品很多。最具代表性的有日本立石公司 欧姆龙 - OMRON 、德国西门子公司以及日本三菱公司的可编程控制器（PLC）系列产品。其中 OMRON 的 PLC,以小型产品最受欢迎。一方面是由于其价位较低,性能价格比较高;另一方面是由于它配有较强的指令系统。我国普遍使

14、用的小型(PLC 产品是 OMRON 产品。立石公司 欧姆龙 -)OMRON 首推 C系列 PLC。西门子 PLC产品品质精良但价格昂贵。三菱公司则推出整体式 PLC。当 PLC厂家确定后 ,便可根据 PLC 的技术指标来选择合适的 PLC 设备。例如:输入/输出点数(PLC外部输入、输出端子总数 ,这是 PLC 最重要)的一项指标 、扫描速度、指令条数、内存容量等。通过对我设计的机械手系统分析，使用了18个输入点,出于要预留20%的空点,故决定选择三菱FX2N-48MR的PLC。主要技术数据如下：工作电源：24VDC输入点数：24输出点数：24输入信号类型：直流或开关量输入电流：24VDC

15、5mA模拟输入：-10V10V（-20mA+20mA）输出晶体管允许电流0.3A/点（1.2A/COM）输出电压规格：30VDC最大负载：9W输出反应时间：OffOn 20s OnOff 30s基本指令执行时间：数个s程序语言：指令+梯形图+SFC程序容量：3792STEPS基本顺序指令：32个（含步进梯形指令）应用指令：100种初始步进点：S0S9一般步进点：118点，S10S127辅助继电器：一般用512+232点（M000M511+M768M999）停电保持用256点（M512M767）特殊用280点（M1000M1279）定时器：100ms时基64点（T0T63）10ms时基63点（T

16、64T126，M1028为ON时）1ms时基1点（T127）计数器：一般用112点（C000C111，16位计数器）停电保持用16点（C112C127，16位计数器）高速用13点1相5kHz，2相2kHz（C235C254，全部为停电保持32位计数器）数据寄存器：一般用408点（D000D407）停电保持用192点（D408D599）特殊用144点（D1000D1143）指针/中断：P64点；I4点（P0P63/I001、I101、I201、I301）串联通信口：程序写入/读出通讯口：RS232一般功能通讯口：RS485主机电源220V AC2.2机械手2.2.1机械手简介mechanical

17、 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。图2-1机械手组成方框图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，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

18、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。机械手是在机械化、自

19、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

20、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。机械手简述: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。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。2驱传动系统执行机构的动作

21、要由驱动系统来实现。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。4.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.2.2.2机械手的选择由于机械手是在搬运中的应用，所以采用传送

22、带加旋转的机械手类型。此机械手易于操作，性能可靠。2.3 机械手电机的选用Y2系列三相异步电动机具有结构新颖、造型美观、噪音低、振动小、绝缘等级高等特点，产品现已达到九十年代国际先进水平，是Y系列电机的更新产品。外壳防护等级IP54，它具有良好的起动性能和运行性能，结构简单，工作可靠，维修方便等特点，电机采用E级或B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为ICO141，额定频率为50Hz，额定电压为380V。竖轴驱动电机承载整个机械手的所有负载，需要功率较大，而机械手主要用于生产线夹持较轻便物体，综合考虑，竖轴选用Y2-63M2-2，功率250W，可满足生产需要。 横轴主要驱动横臂的左右运动

23、，承载重量较小，选用Y2-63M1-2，功率180W，即可满足生产需要。电动机3主要用来控制机械手抓的加紧和放松，所承载负载最小，因此可选用Y2-63M1-4，功率120W。第三章 设计主体部分3.1控制要求搬运机械手工作示意图如图3-1所示，其任务是将传送带A的物品搬到传送带B上。机械手的原位是在传送带B上，开始工作时，先是手臂上升，到上限位时，上升限位开关LS4闭合，手臂左旋；左旋到位时，左旋限位开关LS2闭合，手臂下降；到下限位时，下降限位开关LS5闭合，传送带A远行。当光电开关PSl检测到物品已进入手指范围时，手指抓物品。当物品抓紧时，抓紧限位开关LS1动作，手臂上升；到上限位时，上升

24、限位开关LS4闭合，手臂右旋；右旋到位时，右旋限位开关LS3闭合，手臂下降；下降到下限位时，下降限位开关LS5闭合，手指放开，物品被放到传送带B上延时2s时间到，一个循环结束，再重复。图3-13.2系统框图和控制流程图图 3-2系统框图图 3-2控制流程3.3I/O分配输入电器输入点输出电器输出点起动按钮X0输送带A驱动接触器KMY0停止按钮（常开）X1手臂左旋电磁阀YV1Y1手指抓紧检测开关LS1X2手臂右旋电磁阀YV2Y2手臂左旋限位开关LS2X3手臂上升电磁阀YV3Y3手臂右旋限位开关LS3X4手臂下降电磁阀YV4Y4手臂上升限位开关LS4X5手臂抓紧电磁阀YV5Y5手臂下降限位开关LS

25、5X6手臂放松电磁阀YV6Y6物品检测光电开关PS1X73.4梯形图图3-4-1图3-4-2图3-4-3说明：SET（置位）线圈得电保持，RST（复位）线圈失电保护，SFTL位左移,ZRST区间复位3.5指令表图3-5-1图3-5-2图3-5-33.6PLC连线图图3-63.7电气原理图图3-73.8仿真调试1) 按下起动按钮SB1时，机械手系统工作。首先上升电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作； 2) 左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作；3) 下降电磁阀通电，手臂下降，至下降限位开关动作；4) 启动传送带A运行，由光电开关PS/PH检测传送带A上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作；5) 手臂再次上升，至上升限位开关再次动作；6) 右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作；7) 手臂再次下降，至下降限位开关再次动作；8) 放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。9) 按下停止按钮SB1或断电时，机