工业机械手控制课程设计

1、-学院PLC控制课程设计题 目:工业机械手控制 专 业：机电一体化技术 班 级：机电 班 学 号：姓 名： 指导老师：2015 年 月 日摘要可编程逻辑控制器PLC于70年代产生于美国。1969年，美国数字设备公司(BEC公司)，研制出了第一台可编程控制器PDP-14,在美国通用公司的生产线上试用成功，并取得了满意的结果，可编程控制器由此产生。可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。1971年，日本开始生产可编程控制器，1973年，欧洲开始生产可编程控制器。到现在世界各国的一些著名电器工厂几乎都在生产可编程控制器装置，可编制控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。早期

2、的可编程控制器主要有分立元件和小规模集成电路组成，它采用了一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路，对工业现场环境适应性较好，指令系统简单一般只具有逻辑运算的功能。随着微电子技术和集成电路的发展，特别是微处理器和计算器的迅速发展，在20世纪70年代中期，美日 德等国的一些厂家在可编程控制器中开始更多的引入微机技术，微处理器及其他大规模集成 电路芯片成为其核心部件，使可编程控制器的性能价格比产生了新的突破。现在的可编程控制器都采用了微处理器（CPU),只读存储器（ROM）随机处理器（RAM）或是单片机作为作为其核心。近来，可编程控制器的发展更为迅猛，更新换代周期大约为3年左右，其结构不断改进，功

3、能日益增强，性能价格比越来越高。展望未来，可编程控制器在规模和功能上将向两大方向发展一方面大型可编程控制器不断高速，大容量和高功能方向发展。另一方面，发展简易经济的超小型可编程控制器，以适应单机控制，小型自动化的需要。关键词：集成电路、单片机、自动化目录前 言1第一章 工业机械手的意义2第二章 工业机械手的用途和现状32.1 工业机械手的用途32.2 工业机械手的现状4第三章 PLC的应用和任务分析83.1 PLC应用83.2任务分析9第四章 机械手臂控制的硬件部分104.1I/O分配104.2工业机械手接线图11第五章 机械手臂的软件部分125.1工业机械手流程图125.2工业机械手梯形图1

4、35.3工业机械手助记符14总结15参考文献16前 言可编程控制器是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过30多年的发展，在工业生产中获得极其广泛的应用。目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置之一，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。由于早期的可编程控制器主要是用来替代接触器继电器控制系统，因此功能较为简单，只能进行开关量逻辑控制，称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，20

5、世纪70年代后期微处理器被用作可编程控制器的中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），从而大大扩展了可编程控制器的功能，除了进行开关量逻辑控制外，还具有模型控制、高速计数、PID回路调节、远程I/O和网络通信等许多功能。1980年，美国电器制造商协会正式将其命名为可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。16第一章 工业机械手的意义工业机械手的意义如下：1、以提高生产过程中的自动化程度2、以改善劳动条件，避免人身事故3、可以减轻人力，并便于有节奏的生产   综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必

6、然趋势。 机械手臂是具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动化设备，这种机器人系统有多关节连结并允许在平面或三度空间进行运动或使用线性位移动。  构造上由机械主体、控制器、伺服机构和感应器所组成，可以根据产品的不同设置一定的指定动作。机器人的运作由电动机驱动移动一只手臂，张开或关闭一个夹子的动作，并精确的回馈至可编程逻辑的控制器。这种自动装置机械手，以完成“腕部以及手部”的动作为主要素求，可以由熟练的操作者将作业顺序输入后，就能依样照作并且反复完成无数次的的正确规律运作。也就是说在经过最初的调试后，有不换产品的情况下，机械手可以一直不停的工作。第二章 工业机械手的用途和现

7、状2.1 工业机械手的用途用机械手不仅可以提高产品质量，更可以节省人工，提高生产效率，而且在有些人不能使用人工的作业环境下工业机器人就能帮作业。当人还有很多方面是我们必须使用机械手来帮我们完成的，        安全性高。使用人手进和模内取产品，如果注塑机故障或误按键造成合模，有夹伤工人手之危险，使用机械手确保安全。  节省人工。机械手取出产品放置在输入带或承接台上，只需一人看管或一人同时看两台甚至更多台注塑机，可节省人工，做成自动流水线更能节省厂地，所这整厂规划更小更紧凑精致。 &#

8、160;提高效率和品质。如一成型周期为30秒，人工取出时间为6秒，机械手取出为1.5秒的15千瓦的120吨注塑机，人工取出产品一个班8小时来计算可以成型800模，使用机械手可提高到915模，生产效率提高了14%,8小时注塑机用电量为120度(以千瓦每小时1度电计算)便用机械手后用电量节省120*14%=17度。  延长注塑机的使用寿命。人员取出产品需要频繁的开关安全门，会造成注塑机某些部件寿命减短甚至于损坏，影响生产。使用机要手则不需要频繁的开关安全门。  降低产品不良率。刚成型产品还有未完全冷确，存在余温人手取出会造成手痕且人工取出用力不均取出产品存在

9、不均的变型。机械手采用无纹吸具抱具用力均匀使之产品质量大有提升。  预防模具损坏。人员有时会忘了取出产品，合模会造成模具损坏，机械手若未取出产品，会自动报警停机，绝对不会伤到模具。  节省原料，降低成本。人员取出时时间不定，会造成产品缩水、变型（料管若过火。需重新注塑会浪费原料）因机械手取出时间固定，所以品质稳定。  节省人工。使用机械手，水口与产品可自动分开放置。不需要再挑选，可节省人工，若用随机粉碎自动抽到料桶内，可更节省时间和原料。  优质客户也希望选择有机械手的注塑厂家合作，使用机械手很大程度上克服了人工的

10、惰性可准确算出日产量与交期。使用机械手可增加企业的竟争力，更是一未来最大的趋势。  市场是的焊机机器人多种多样，焊机产品没有100也有50之多，但是为什么OTC焊机、OTC机器人能够占领焊接市场，为众多商家购买使用，这和器独有的技术优势是分不开的。  首先OTC机器人的控制箱，基于OS系统的机器人软件，可以在机器人控制箱内进行所有的有关操作，对各种应用功能都能适应。还有就是PC上的操作性能非常优良，保养工作也比较高效，同时利用先进的PLC功能。2其次对于弧焊机器人机器人来说，装置更加优良a、电缆内藏机器人。由于同轴电缆内藏于机器人本体中，避免了与工件及夹具的干涉。

11、b、机器人RS（回抽丝起弧）功能。使用机器人的自动化焊接生产线上影响生产性的一个重要现象是临时停止，而影响这一现象原因是起弧不良。而OTC机器人在使用伺服送丝装置时就开发了RS功能。c、焊接电源的控制。OTC机器人在焊接电源上使用了CAN通信技术，而CAN具有高反应性和高可靠性，且同时具有高耐温性和抗干扰性。最后，点焊机机器人利用RH的控制特性，具有以下的几个特点：掌握能量状态，减少点焊火花；即使使用已消耗的电极也能得到最佳的打点；能够减少由于间隙引起的打点不良；能够减少由于分流引起的打点不良；即使连续打点也没有不必要的电耗；由于连续打点的增加，延长了电极修磨器的刀片的寿命。 

12、60; OTC焊机、焊接机器人在市场上的应用非常广泛，这些都是与其优良的技术，先进的科技是分不开的，也是OTC机器人、OTC焊机在市场上取得优良成绩的原因。2.2 工业机械手的现状机械手是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。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，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。2.2.1历史由来它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别

13、是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。195

14、8年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成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。 2.2.2构成 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。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

15、）、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。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 2.2.3 分类 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

16、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。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。  2.2.4 多关节机械手的优势多关节机械手的优点是:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和

17、工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于象人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。 2.2.5油田钻柱操作机械手 本产品由山东科技大学研发而成，主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸工作。操作机械手设计有两个，一个坐落在一层台井口旁边2米左右处，简称为下手；一个坐落在二层台上的中心台上，简称为上手。下手的腰部回转角度120°，最大伸缩距离为5.7米，有5个运动关节，在手臂做伸缩运动时，手部保持

18、水平平动。上手的腰部回转角度为310°，最大伸缩距离2800mm，上手有9个运动关节，手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。机械手可以完成的操作对象参数为：钻柱高30m；钻杆重量为：40Kg/m，总重1200Kg；钻铤（七英寸直径）重量为：180Kg/m，总重5400Kg。 2.2.6 硬臂式助力机械手 硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程“漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。比如在工件重心远离臂悬挂点，或是工件需要翻转或倾斜情况下，必须选

19、用硬臂式助力机械手，还有在厂房高度有限情况下，可以选用硬臂式助力机械手。硬臂式助力机械手可以实现提升最大500Kg的工件，半径最大可以达到3000mm，提升高度最大2500mm。根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工件重量的最小型号的机器，如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感觉很笨重。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。上海永乾制造的助力机械手（含硬臂式、软索式）还可以在用户现场气压不足的

20、情况下，增加增压泵，可以使设备运行更加平稳。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。2.2.7软索式机械手软索式机械手的功能与气动平衡吊类似，具有全行程的“漂浮”功能，但是提升位移比气动平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大负载只有450Kg。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者。配合各种非标夹具，软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以固定地面或悬挂固定使用，不能使用导轨式。 2.2.8T型助力机械手  区别于硬臂式助力机械手的是T型助力机械手没有双关节机

21、械臂，它的前后左右位移靠导轨来实现。由于T型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式显得小巧，更适合于操作空间狭小的场合。T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根据客户要求设计，而且搬运范围要比硬臂式大的多。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式为导轨移动。第三章 PLC的应用和任务分析3.1 PLC应用目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、

22、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：1.开关量逻辑控制取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的

23、应用。3.运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.数据处理PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5.通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.2任务分析 按下启动按钮，输入继电器X0接通。内部辅助继

24、电器R1接通并自锁，机械手开始工作。在R1接通瞬间，经上升沿微分，使R2接通一个扫描周期，执行MV指令，将常数K1送入移位寄存器WR1。使R10=1，则R10的常开触点闭合，输出继电器Y3接通，手臂上升。当手臂上升到上限为时，输入继电器X5接通，内部辅助继电器R3接通，其常开触点接在移位指令SR的CP端，使移位寄存器WR1中的各位左移1位，即R11接通，输出继电器Y1接通，手臂左旋。当手臂作旋到位时，输入继电器X3接通，内部辅助继电器R3发一个移位脉冲，移位寄存器WR1左移1位。即R12接通，输出继电器Y4接通，手臂下降。当手臂降到下限位时。输入继电器X6接通，内部辅助继电器R3发一个移位脉冲

25、，移位寄存器WR1左移1位，即R13接通，输出继电器Y0接通，传送带A运行。当光电开关检测到物品时，输入继电器X7接通，内部辅助继电器R3发一个移位脉冲，移位寄存器WR1左移1位，即R14接通，输出继电器Y5接通，手指抓紧。当物品已抓紧时，输入继电器Y2接通，内部辅助继电器R3发一个移位脉冲，移位寄存器WR1左移1位，即R15接通，输出继电器Y3接通，手臂上升。当手臂上升到上限位时，输入继电器X5接通，内部辅助继电器R3发一个移位脉冲，移位寄存器WR1左移1位，即R16接通，输出继电器Y2接通，手臂右旋。当手臂右旋到位时，输入继电器X4接通，内部辅助继电器R3发一个移位脉冲，移位寄存器WR1左

26、移1位，即R17接通。输出继电器Y4接通，手臂下降，当手臂降到下限位时，输入继电器X6接通，内部辅助继电器R3发一个移位脉冲，移位寄存器通道WR1左移1位，即R18接通，输出继电器Y6接通。第四章 机械手臂控制的硬件部分4.1I/O分配 机械手臂控制PLC输入/输出点分配如下（表1）：输入电器输入点输出电器输出点启动按钮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手臂抓紧检测开关LS1X2手臂右旋电磁阀YV2Y2手臂左旋检测开关LS2X3手臂上升电磁阀YV3Y3手臂右旋检测开关LS3X4手臂下降电磁阀YV4Y4手臂上升检测开关LS4X5手臂抓紧电磁阀YV5Y5手臂下降检测开关LS5X6手臂放松电磁阀YV6X6物品检测光电开关PS1X7表1机械手臂控制PLC输入/输出点分配4.2工业机械手接线图如下（图1）：（图1）第五章 机械手臂的软件部分5.1工业机械手流程图如下（图2）：图2工业机械手流程图5.2工业机械手梯形图如下（图3）：图3工业机械手梯形图5.3工业机械手助记符如下（图4）： 图4工业机械手助记符总结通过这一次设计，让我熟悉了PLC软件的运作，对机械手的发展和运行有了很多认识。特别是惊叹于多关节机械手的人性化控制。在装配线上采用PLC控制