机械手臂搬运加工流程控制设计

摘要机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。因此，研究机械手具有现实意义。基于PLC机械手臂搬运控制系统的设计工作主要包括：在充分理解任务书的要求之后，进行系统硬件配置，PLC选型，绘制主电路图以及控制接线图；再进行控制系统的软件继续设计；为了便于仿真也对系统的上位机组态监控系统进行设计；最后进行仿真联合调试。仿真结果基本符合要求。系统可以实现机械手臂搬运过程的各个工况，对加工完成的工件进行计数，还能手动进行调试。由于PLC具有可靠性、易操作性、灵活性等优点，因此，控制系统与传统人力搬运相比，大大提高了工作效率，系统调试方便、成本低、易操作、可靠性高，有很强的实用价值。关键词：机械手臂；电气控制技术；PLC

目录1引言 11.1机械手臂搬运控制系统设计的目的 11.2机械手臂搬运控制系统的设计内容和要求 12机械手臂搬运控制系统硬件设计 22.1机械手臂搬运控制系统硬件配置及组成原理 22.2机械手臂搬运控制系统输入输出点分析 22.3PLC选型 32.4机械手臂搬运控制系统变量定义及I/O地址分配 42.5机械手臂搬运控制系统硬件接线图设计 43机械手臂搬运控制系统软件设计 53.1编程语言的选择 53.2机械手臂搬运控制系统程序流程图设计 53.3PLC控制程序设计及分析 63.3.1手动模式 63.3.2自动模式 74机械手臂搬运控制系统调试及结果分析 114.1机械手臂搬运控制系统仿真调试 114.1.1静态调试 114.1.2动态调试 114.2结果分析 115设计总结 14参考文献 15致谢 16附录 17附录A系统接线图 17附录B程序梯形图 181引言1.1机械手臂搬运控制系统设计的目的通过对机械手臂搬运控制系统的设计，可以使同学们了解机械手在我国的应用邻域、发展历史和应用前景，通过同学们自己动手设计，可以更深刻的了解一般机械手的工作方式、工艺过程以及操作步骤。更重要的是让同学们运用已学到的知识，来设计一个基于PLC的机械手臂搬运控制系统，引导同学们将理论知识和生产实际知识紧密结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深和扩展；同时掌握一般生产电气控制系统的设计方法以及生产电气控制系统的施工设计、安装与调试方法；培养同学们查阅图书资料、工具书的能力；通过这样的实际训练，为后续专业课的学习、毕业设计及解决工程问题打下良好的基础。1.2机械手臂搬运控制系统的设计内容和要求设计内容有如下几点：（1）设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；（2）系统有启动、停止功能；（3）运用功能指令进行PLC程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；（4）程序结构与控制功能自行创新设计；（5）进行系统调试，实现机械手臂搬运加工流程的控制要求。系统的控制要求如下：（1）有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台1的位置进行第一步骤加工。当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码管显示加工完成的数量。（2）假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等待机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。（3）当第二加工步骤完成时，机械手再依进行下降、夹住、上升、往右、下降、释放等流程，由传送带B送出，并由7段数码管显示加工完成的数次。2机械手臂搬运控制系统硬件设计2.1机械手臂搬运控制系统硬件配置及组成原理机械手臂搬运控制系统的组成原理图如图1所示，机械手的升降和左右移动分别使用双线圈的电磁阀，在某方向的驱动线圈失电时保持原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。机械手的夹具使用单线圈电磁阀，线圈得电时夹紧工件，断电时松开工件。有关到位信号分别是：下限位开关SQ1，上限位开关SQ2，A位置限位开关SQ3，工作台1限位开关SQ4，工作台2限位开关SQ5，B位置限位开关SQ6。七段数码管用来显示加工的工件数。图1组成原理图2.2机械手臂搬运控制系统输入输出点分析对机械手臂搬运控制系统的工况分析如下：（1）系统必须要有启动和停止的功能，故需要一个启动按钮SB0（X000），一个停止按钮SB1(X001)；系统能自动工作和手动调试，故需要一个手动/自动切换开关SB2（X002）；（2）在自动模式中，先由传送带A将工件送到加工位置，因此需要一个输出点（Y000）启动传送带A，一个传感应元件SQ7（X003）感应工件到达加工位置；接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；接通夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台1限位开关SQ4（X007）停止右行；接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；断开夹紧线圈KM3（Y002）；接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2停止上升；等待工作台1加工完，假定加工完成需要时间2分钟，2分钟之后；接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；接通夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台2限位开关SQ5（X010）停止右行；接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；断开夹紧线圈KM3（Y002）；接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2停止上升；等待工作台2加工完，假定加工完成需要时间2分钟，2分钟之后；接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；接通夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到传送带B限位开关SQ6（X011）停止右行；接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；断开夹紧线圈KM3（Y002）；接通传送带启动线圈KM6（Y005）将加工完的工件送走，同时接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；接通左行线圈KM7（Y006）机械手左行，碰到传送带A限位开关SQ3（X006）停止左行一个工作周期完成。七段数码管用来统计加工的工件数，需要七个输出点即（Y010~Y016）。（3）手动模式中需要控制下降按钮SB3（X012）、上升按钮SB4（X013）、右行按钮SB5（X014）、左行按钮SB6（X015）、松紧按钮SB7（X016）。通过以上分析可知，需要PLC输入点14个（X000~X016），PLC输出点14个（Y000~Y006，Y010~Y016）。2.3PLC选型PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。国内外生产的PLC种类很多，在选用时应考虑以下几个方面：（1）规模要适当：首先要确保有足够的输入、输出点数，并留有一定的余地，还应确定用户程序存储器的容量。（2）功能要相当，结构要合理。（3）输入、输出功能及负载能力的选择：选择何种功能的输入、输出形式或模块，取决于控制系统中输入和输出信号的种类、参数要求和技术要求，选用具有相应功能的模块。（4）使用环境条件：在选择PLC时，要考虑使用环境条件是否符合规定。本控制系统的输入信号有15个，输出信号有14个，结合以上的考虑因素决定选用三菱的FX2n-32MR，I/O点数各位16点，可以满足控制要求，且留有一定的裕量。2.4机械手臂搬运控制系统变量定义及I/O地址分配系统变量定义及I/O地址分配如表1所示。表1系统变量定义及I/O地址分配PLC输入点所接输入端口PLC输出端口所接输出端口X000启动按钮Y000传送带AX001停止按钮Y001下降线圈X002手动/自动切换开关Y002夹紧线圈X003到达加工位置Y003上升线圈X004下限位开关Y004右行线圈X005上限位开关Y005传送带BX006传送带A限位开关Y006左行线圈X007工作台1限位开关Y010数码管a段X010工作台2限位开关Y011数码管b段X011传送带B限位开关Y012数码管c段X012下降按钮Y013数码管d段X013上升按钮Y014数码管e段X014右行按钮Y015数码管f段X015左行按钮Y016数码管g段X016松、紧按钮——2.5机械手臂搬运控制系统硬件接线图设计由工况分析可设计出如图2所示的硬件接线图。图2硬件接线图3机械手臂搬运控制系统软件设计3.1编程语言的选择常见的PLC编程语言有以下几种：（1）梯形图：梯形图语言具有形象、直观、实用的优点，它是在继电接触器逻辑控制的基础上演变而来，易学易懂。（2）指令表：它和单片机程序中的汇编语言有点类似，由语句指令一定的顺序排列而成。（3）顺序功能图：常用来编制顺序控制类程序。包含步、动作、转换三个要素。可以将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小的工作状态的功能处理后再依一定的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。（4）功能块图：一种类似数字逻辑电路的编程语言。（5）结构文体：用一些高级编程语言来编程的方式称为结构文体。对于机械手臂搬运控制系统，其控制过程是按顺序一步一步来完成，只有在上一个步骤完成了，才能进入下一个工步。因此决定采用顺序功能图来编写机械手臂搬运控制系统。3.2机械手臂搬运控制系统程序流程图设计由工况分析可得自动模式的程序流程图如图3所示。当传送带A将工件送到加工位置时，机械手下降，碰到下限位开关时，夹紧工件开始上升，碰到上限位开关时，开始右移，到达工作台1时，机械手下降，碰到下限位开关时，松开工件，上升到上限位等待工作台1加工完成。工作台1加工完成之后，机械手下降，碰到下限位开关时，夹紧工件又开始上升，碰到上限位开关时，开始右移，到达工作台2时，机械手下降，碰到下限位开关时，松开工件，上升到上限位等待工作台2加工完成。工作台2加工完成后，机械手下降，碰到下限位开关时，夹紧工件又开始上升，碰到上限位开关时，开始右移，到达传送带B时，机械手开始下降，碰到下限位开关时，松开工件。启动传送带B,将工件送走，同时机械手也开始上升，碰到上限位开关时，开始左移，直到碰到传送带A位置时，停止左移，关传送带B。一个工作周期结束。图3自动模式流程图3.3PLC控制程序设计及分析3.3.1手动模式当系统发生故障时，需要手动进行调试，寻找故障点。手动按钮X12~X16分别控制下降、上升、右移、左移、加紧和放松各个动作。梯形图如图4所示。图4手动模式梯形图3.3.2自动模式按钮SB2（X002）为手动/自动选择开关，当SB2没有接通时为自动模式，程序进入S0状态，等待启动按钮SB0（X000)接通。当SB0接通时，进入S20状态启动传送带A(Y000)将工件送到加工位置，当传感应元件SQ7（X003）感应工件到达加工位置；进入S21状态接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S22状态置位夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；定时2秒后，进入S23状态，接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；进入S24状态，接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台1限位开关SQ4（X007）停止右行；进入S25状态，接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S26状态，复位夹紧线圈KM3（Y002）；定时2秒后，进入S27状态，接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2停止上升；进入S28状态，等待工作台1加工完，假定加工完成需要时间2分钟，2分钟之后；进入S29状态，接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S30状态，置位夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；定时2秒后，进入S31状态，接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；进入S32状态，接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台2限位开关SQ5（X010）停止右行；进入S33状态，接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S34状态，复位夹紧线圈KM3（Y002）；定时2秒后，进入S35状态，接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；进入S36状态，等待工作台2加工完，假定加工完成需要时间2分钟，2分钟之后；进入S37状态，接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S38状态，置位夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；定时2秒后，进入S39状态，接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；进入S40状态，接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到传送带B限位开关SQ6（X011）停止右行；进入S41状态，接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S42状态，复位夹紧线圈KM3（Y002）；定时2秒后，进入S43状态，置位传送带启动线圈KM6（Y005）将加工完的工件送走，工件计数器加一，同时接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；进入S44状态，接通左行线圈KM7（Y006）机械手左行，碰到传送带A限位开关SQ3（X006）停止左行，进入S45状态，复位传送带B的工作，定时2秒之后，跳转到S0状态，一个工作周期完成。梯形图如图5所示。图5自动模式梯形图4机械手臂搬运控制系统调试及结果分析4.1机械手臂搬运控制系统仿真调试4.1.1静态调试按系统接线图正确连接好输入设备，进行PLC的模拟静态调试，并通过计算机监视，观察其是否与控制要求一致，发现有不符合要求的地方，就认真查找原因，直到指示正确。4.1.2动态调试（1）手动程序调试：按系统接线图正确接好输入、输出设备，进行PLC手动程序调试，观察PLC的输出是否按要求指示，否则，检查并修改程序、调节传感器的位置及灵敏度，直到指示正确。（2）自动程序调试：按下自动模式选择按钮，进入自动模式，观察机械手是否按控制要求动作，否则，检查电路并修改调试程序，直至机械手按控制要求动作。4.2结果分析按下启动按钮，传送带A开始工作，结果如图6所示。图6传送带A工作工件到达加工位置时，传送带A停止工作，机械手下降，如图7所示。图7机械手下降触发下限位开关，下降停止，机械手夹紧工件，然后上升，如图8所示。图8夹紧工件上升触发上限位开关，上升停止，机械手夹紧工件右移，如图9所示。图9机械手右移触发工作台1限位开关，机械手下降，如图10所示。图10机械手在工作台1下降触发下限位开关，松开工件，然后上升，如图11所示。图11松开工件触发上限位开关，停止上升，等待，工作台1加工完成。如图12所示。图12等待加工完加工完成后直到工件到达传送带B的过程与从加工位置到工作台1加工完成的工序基本一样，这里就不给出图片。当机械手在传送带B上到达下限位时，启动传送带B，加工完成工件数加1，机械手上升。如图13所示。图13传送带B送出工件机械手触发上限位开关时，停止上升，开始右行。如图14所示。图14机械手左行到达传送带A时，关闭传送带A，一个周期完成。如图15所示。图15工作结束5设计总结本次电气控制技术课程设计的课题是机械手臂搬运控制系统的设计，接到任务书之后，首先认真阅读和消化设计任务书，明确本次设计的题目、任务和要求，搞清楚已经得到了哪些原始数据