自動裝配生產(chǎn)線上機械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、第1章 緒論1.1本課題在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1.1 國內(nèi)研究綜述 在我國，汽車工業(yè)仍然是工業(yè)機械手主要的使用領(lǐng)域。但我國在工業(yè)機械手生產(chǎn)企業(yè)中，年產(chǎn)銷量在100臺以上、產(chǎn)值過5000萬元的規(guī)模企業(yè)非常少，國外大型公司年產(chǎn)量都達(dá)5000到10000臺，銷售額為數(shù)十億美元。目前國內(nèi)機械手的保有量在4000臺左右，井將以每年8001000臺左右的速度快速增長。工業(yè)機械手應(yīng)用前景極為廣闊。雖然目前國內(nèi)生產(chǎn)工業(yè)機械手的企業(yè)并不多，很多產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)還主要依靠進口，高科技的技術(shù)主要還掌握在國際龍頭廠商手里。國內(nèi)機械手廠家主要還是受到控制系統(tǒng)的困擾,沒有比較成熟穩(wěn)定的伺服系統(tǒng),所以不能生產(chǎn)高端機器。我國本土

2、企業(yè)生產(chǎn)的機械手產(chǎn)品還主要流通在中低端市場，因此決定了很多本土生產(chǎn)企業(yè)在爭奪市場時主要還是采取價格戰(zhàn)。隨著技術(shù)的進步，日臻成熟，會有更多的廠商加入此行業(yè)。我國國家“863'機械手技術(shù)主題自成立以來一直重視機械手技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的推廣和應(yīng)用和推進機械手技術(shù)以提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，利用機械手技術(shù)發(fā)展高新產(chǎn)業(yè)。目前，政府正在使用各種辦法加大中國裝備制造業(yè)在市場中占據(jù)的份額，井提供優(yōu)惠措施鼓勵更多企業(yè)使用機械手及技術(shù)以提升技術(shù)水平。國內(nèi)越來越多的企業(yè)在生產(chǎn)中采用了工業(yè)機械手，各種機械手生產(chǎn)廠家的銷售量都有大幅度的提高。1.1.2 國外研究綜述 目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展

3、趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達(dá)到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG?，F(xiàn)代式工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。采用全自動化機械手進行裝配更是目前研究的重點，國外已研究采用攝像機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達(dá)到鑲裝的目的。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)

4、用于柔性自動線。1.2本課題的研究目的和意義 隨著社會的發(fā)展和工業(yè)技術(shù)水平的不斷進步，機械手在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，促進了工業(yè)生產(chǎn)的自動化。自動生產(chǎn)線是由工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，將一組自動機床和輔助設(shè)備按照工藝順序聯(lián)結(jié)起來，自動完成產(chǎn)品全部或部分制造過程的生產(chǎn)系統(tǒng)，簡稱自動線。機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關(guān)鍵部件之一，其中的工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，它能部分地代替人工操作；能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸和裝配從而大大改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。PLC（可編程

5、邏輯控制器），它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。理論上，本課題是對于大入學(xué)里面學(xué)到的課程，例如可編程控制器、機械設(shè)計基礎(chǔ)、控制電器及應(yīng)用等課程的加強鞏固。實踐上，本課題將PLC應(yīng)用于機械手的控制電路中，具有很強的PLC系統(tǒng)設(shè)計上意義。1.3本課題的主要研究內(nèi)容本課題的最終目的是利用可編程控制器作為載體設(shè)計一套程序驅(qū)動機械手進行預(yù)訂動作，在裝配生產(chǎn)線上實現(xiàn)自動抓取、搬運等操作。其中包含了根據(jù)調(diào)研提出工藝要求。根據(jù)裝配線機械手的執(zhí)行結(jié)構(gòu)和驅(qū)動部分，構(gòu)思控制部分的整體方

6、案，提出控制系統(tǒng)的運動方式。根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計出控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，包括功能的設(shè)計、電機和PLC的選型、PLC硬件電路的設(shè)計等。設(shè)計控制系統(tǒng)的軟件部分，包括I/O分配表和梯形圖。第2章 機械手的工藝設(shè)計及其流程2.1 工藝設(shè)計 此次PLC控制機械手系統(tǒng)從硬件和軟件設(shè)計兩方面進行了設(shè)計，主要表現(xiàn)在：（1） 硬件方面 采用液壓缸來驅(qū)動機械手，其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。用它來實現(xiàn)往復(fù)運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩(wěn)。采用傳感器來提高機械手裝配成功的概率，提高系統(tǒng)的精度，在自動生產(chǎn)線上有貨物時執(zhí)行動作，而無貨物是停止運行。（2） 軟件方面 采用PLC有許多優(yōu)點如可以通過改變控制程

7、序就可輕易改變邏輯或增加功能，這樣可以更好的適應(yīng)不同特性的自動生產(chǎn)線，而PLC的電腦軟件易學(xué)易懂，具有很高的柔性，而且其設(shè)備容易操作，便于維護。（3）系統(tǒng)的工作原理本此設(shè)計主要研究PLC控制機械手執(zhí)行特定運動環(huán)節(jié)。物體由傳送帶送至機械手執(zhí)行范圍內(nèi)后，傳感器接收信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后送至控制單元，PLC開始控制機械手進行抓取等特定運動。其中控制單元由PLC等硬件組成。PLC作為控制系統(tǒng)的核心，完成各種數(shù)據(jù)的交換和處理。電機運轉(zhuǎn)控制機械手相關(guān)速度。 2.2 工藝流程 機械手最終目的是將傳送帶A上的工件抓起來送到B傳送帶上，而其中傳送帶B保持連續(xù)傳送，但傳送帶A并不是連續(xù)的，而是當(dāng)其要傳送一個工件時，機

8、械手抓取之前是停止運動的，當(dāng)機械手拿走工件后才會傳送下一個工件。機械手要完成一個工作過程要經(jīng)過上升下降，左旋右旋，抓緊放松 ，其中抓緊、放松工序會停頓一定的時間。機械手實物圖如下所示其具體運動描述為當(dāng)開始工作時，機械手對抓手進行整體下降運動，達(dá)到下降極限，機械手開始抓物體，此時延時3秒，時間到機械手抓取到工件保持上升，達(dá)到上升極限，機械手開始向左移，達(dá)到左極限，機械手開始下降，達(dá)到下降極限，機械手開始放物體，延時3秒，時間到機械手放開工件保持上升, 達(dá)到上升極限，機械手開始向右移，達(dá)到右極限完成一個工作周期，重復(fù)運行。若發(fā)生緊急事故、停電等情況后，可以在系統(tǒng)啟動時可繼續(xù)完成突然停止時的任務(wù)，這

9、樣工作可以繼續(xù)，也可完成單周期，又能手動運行，具體系統(tǒng)工藝流程如下：根據(jù)以上工藝設(shè)計和工藝流程的相關(guān)內(nèi)容作出本次課題的系統(tǒng)總體框架圖如下所示： 計算機 按鈕輸入端（4個按鈕） 可編程控制器 機械手夾緊或松開自動輸入端（7個限位開關(guān)） PLC 液壓缸 機械手上升或下降 FX2N-48MR 機械手左旋或右旋手動輸入端（6個按鈕）第3章 機械手系統(tǒng)元器件的選型3.1 PLC的選型3.1.1 PLC的選擇 本系統(tǒng)中，PLC是整個控制單元的核心部分，通過上級的輸出信號經(jīng)處理后以通信的形式向下級變頻器發(fā)送指令，同時協(xié)調(diào)完成系統(tǒng)的其它控制。I/O點數(shù)是衡量PLC規(guī)模大小的重要指標(biāo)。根據(jù)被控對象的輸入信號與輸

10、出信號的總點數(shù)，選擇相應(yīng)規(guī)模的PLC可編程控制器并留有10%15%的I/O裕量。估算出被控對象上I/O分配點數(shù)后，就可選擇點數(shù)相當(dāng)?shù)目删幊炭刂破?。本控制系統(tǒng)有17個輸入量，分別為：輸入量 備注 機械手的啟動(連續(xù)）按鈕1個 負(fù)責(zé)機械手的啟動機械手的停止按鈕1個 負(fù)責(zé)機械手的停止機械手單周期啟動按鈕1個 負(fù)責(zé)機械手進行一個周期運動機械手手動啟動按鈕1個 負(fù)責(zé)機械手進行單步驟運動上升啟動按鈕1個A 負(fù)責(zé)機械手進行上升運動下降啟動按鈕1個B 負(fù)責(zé)機械手進行下降運動夾緊啟動按鈕1個C 負(fù)責(zé)機械手進行夾緊運動松開啟動按鈕1個D 負(fù)責(zé)機械手進行松開運動左旋啟動按鈕1個E 負(fù)責(zé)機械手進行左旋運動右旋啟動按鈕

11、1個 F 負(fù)責(zé)機械手進行右旋運動物品檢測開關(guān)1個 負(fù)責(zé)檢測自動生產(chǎn)線上是否有物品夾緊限位開關(guān)1個 負(fù)責(zé)機械手是否夾緊物品的檢測松開限位開關(guān)1個 負(fù)責(zé)機械手是否松開物品的檢測下降限位開關(guān)1個 負(fù)責(zé)檢測機械手到達(dá)最低位置上升限位開關(guān)1個 負(fù)責(zé)檢測機械手到達(dá)最高位置右旋限位開關(guān)1個 負(fù)責(zé)檢測機械手是否右旋轉(zhuǎn)到極限左旋限位開關(guān)1個 負(fù)責(zé)檢測機械手是否左旋轉(zhuǎn)到極限（注：1.限位開關(guān)在實際機械手中為光電開關(guān) 2.只有當(dāng)旋鈕開關(guān)打到單步驟檔上，A.B.C.D.E.F才起作用。）本控制系統(tǒng)由6個輸出量，分別為：輸出量 備注機械手夾緊拉伸液壓缸1個 負(fù)責(zé)啟動機械手夾緊物品機械手松開收縮液壓缸1個 負(fù)責(zé)啟動機械手

12、松開物品機械手下降收縮液壓缸1個 負(fù)責(zé)啟動機械手的下降機械手上升拉伸液壓缸1個 負(fù)責(zé)啟動機械手的上升機械手右旋收縮液壓缸1個 負(fù)責(zé)啟動機械手的右旋機械手左旋拉伸液壓缸1個 負(fù)責(zé)啟動機械手的左旋本系統(tǒng)PLC接收一路傳感器信號，另輸出一路用于控制機械手的信號。所以在本系統(tǒng)中其所需的I/O點數(shù)不是很多，因此選擇小型機即可。綜上所述，本次設(shè)計選擇由三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列型號FX2N-48MR的可編程控制作為機械手的控制器3.1.2 FX2N-48MR系列PLC的主要參數(shù)工作電源：24VDC輸入點數(shù)：24輸出點數(shù)：24輸入信號類型：直流或開關(guān)量輸入電流：24VDC 5mA模擬輸入：-10V10V（-

13、20mA+20mA）輸出晶體管允許電流0.3A/點（1.2A/COM）輸出電壓規(guī)格：30VDC最大負(fù)載：9W輸出反應(yīng)時間：OffOn 20s OnOff 30s基本指令執(zhí)行時間：數(shù)個s程序語言：指令+梯形圖+SFC程序容量：3792STEPS基本順序指令：32個（含步進梯形指令）應(yīng)用指令：100種初始步進點：S0S9一般步進點：118點，S10S127輔助繼電器：一般用512+232點（M000M511+M768M999）停電保持用256點（M512M767）特殊用280點（M1000M1279）定時器：100ms時基64點（T0T63）10ms時基63點（T64T126，M1028為ON時）

14、1ms時基1點（T127）計數(shù)器：一般用112點（C000C111，16位計數(shù)器）停電保持用16點（C112C127，16位計數(shù)器）高速用13點1相5kHz，2相2kHz（C235C254，全部為停電保持32位計數(shù)器）數(shù)據(jù)寄存器：一般用408點（D000D407）停電保持用192點（D408D599）特殊用144點（D1000D1143）指針/中斷：P64點；I4點（P0P63/I001、I101、I201、I301）串聯(lián)通信口：程序?qū)懭?讀出通訊口：RS232 一般功能通訊口：RS485主機電源220V AC FX2N-48MR可編程控制器實物圖 3.2 電機的選型 考慮本次課題的工業(yè)生產(chǎn)情

15、況可采用Y2系列三相異步電動機。此三相異步電動機具有結(jié)構(gòu)新穎、造型美觀、噪音低、振動小、絕緣等級高等特點，產(chǎn)品現(xiàn)已達(dá)到九十年代國際先進水平，是Y系列電機的更新產(chǎn)品。外殼防護等級IP54，它具有良好的起動性能和運行性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，維修方便等特點，采用E級或B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為ICO141。對于 Y2型號有如下常見種類，它們之間數(shù)據(jù)參數(shù)見下所示：型 號額定功率電流 (安培)轉(zhuǎn)速 (轉(zhuǎn)分）效率 ()功率 因數(shù)最大轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)電流噪聲 限值振動 限值重量 （千克）千瓦馬力額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩額定電流Y263M12O.18O.25O.53272065.00.802.22

16、.25.5611.89Y263M22O.25O.33O.69272068.0O.812.22.25.5611.81OY271M12O.37O.50O.99274070.OO.812.22.26.1641.814Y271M22O.550.751.40274073.OO.822.32.26.1641.815Y280M12O.751.O1.83284075.OO.832.32.26.1671.818Y280M221.11.52.58284077.OO.842.32.27.O671.819本次課題中電機承載整個機械手的所有負(fù)載，需要功率較大，而機械手主要用于生產(chǎn)線夾持較輕便物體，所需功率又較小，而為了

17、在實驗過程中提高其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性以及安全性，電動機的轉(zhuǎn)速較小為好。綜合考慮采用Y2系列Y2-63M2-2三相異步電動機可滿足需要。此型號電動機的功率要求可達(dá)到所需并且轉(zhuǎn)速不是特別的快速，是一個較好的選擇。 Y2系列電機實物圖 3.3 傳感器的選型 根據(jù)本系統(tǒng)，傳感器是數(shù)據(jù)采集單元的核心。其性能直接影響到系統(tǒng)整體的精度。在選擇傳感器時，測量精度是傳感器最為重要的一個性能指標(biāo)，同時也要綜合考慮最大量程、穩(wěn)定性和工作環(huán)境等因素，它關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器精度的精度越高，測量越準(zhǔn)，但價格也越昂貴，因此所選傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的要求就可以。傳感器量程的選擇可依系統(tǒng)要求

18、等因素綜合考慮來確定，一般應(yīng)使傳感器工作在30到70量程內(nèi)，以保證傳感器的使用安全和壽命。在本系統(tǒng)中它需要對機械手運動情況和自動生產(chǎn)線上物體進行檢測，故采用光電傳感器最為合適。 綜上所述，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T75512008中對光電傳感器各項指標(biāo)的詳細(xì)規(guī)定，選擇選擇上海普邦傳感器有限公司生產(chǎn)的型號為EDAB-2DP的光電傳感器。其檢出方式為透過型，檢測距離為5m，檢出物體不透明物體幅16mm以上，指向角3-20，應(yīng)答時間7ms以下輸出電流200mA以下。其相關(guān)參數(shù)較本次課題的所需要求如檢測距離5m等正為合適，符合本課題中機械手系統(tǒng)的實際環(huán)境，是一個很好的選擇。 EDAB-2DP光電傳感器實物圖

19、3.4 液壓缸的選型液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的、做直線往復(fù)運動（或擺動運動）的液壓執(zhí)行元件。在各種機械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在本系統(tǒng)中通過電機驅(qū)動液壓缸使機械手進行運動是一種比較好的選擇，它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的特點，用它來實現(xiàn)往復(fù)運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩(wěn)。結(jié)合本系統(tǒng)的實際情況可以選擇上海永久電機設(shè)備有限公司的RD-系列精密生產(chǎn)用液壓缸，該液壓缸設(shè)計成經(jīng)久耐用型，是在自動生產(chǎn)線生產(chǎn)應(yīng)用的比較好的選擇，具有防塵環(huán)能夠減少污染，延長液壓缸使用壽命，雙作用操作在兩個方向產(chǎn)生力，提供各種多樣性能等特點。RD系列液壓缸的型號和其參數(shù)如下所示： RD-41精密生產(chǎn)用液壓

20、缸 液壓缸最大承載能力（kN）（進程/回程）：35/16行程（mm）：29 RD-46精密生產(chǎn)用液壓缸 液壓缸最大承載能力（kN）（進程/回程）：35/16行程（mm）：156 RD-91精密生產(chǎn)用液壓缸 液壓缸最大承載能力（kN）（進程/回程）：80/44行程（mm）：29 RD-96精密生產(chǎn)用液壓缸 液壓缸最大承載能力（kN）（進程/回程）：80/44，行程（mm）：156 RD-910精密生產(chǎn)用液壓缸 液壓缸最大承載能力（kN）（進程/回程）：80/44行程（mm）：257 RD-166精密生產(chǎn)用液壓缸 液壓缸最大承載能力（kN）（進程/回程）：142/77，行程（mm）：159 RD-

21、1610精密生產(chǎn)用液壓缸 液壓缸最大承載能力（kN）（進程/回程）：142/77，行程（mm）：260 RD-2510精密生產(chǎn)用液壓缸 液壓缸最大承載能力（kN）（進程/回程）：222/98，行程（mm）：260 RD-43精密生產(chǎn)用液壓缸 液壓缸最大承載能力（kN）（進程/回程）：35/16 行程（mm）：80 RD-93精密生產(chǎn)用液壓缸 液壓缸最大承載能力（kN）（進程/回程）：80/44 行程（mm）：80本次課題研究中電機帶動液壓缸使機械手進行相關(guān)運動，液壓缸承載著整個運動的相關(guān)得力，所以其最大承載能力要盡可能得大，而機械手的運動范圍也比較大，所以要求液壓缸行程也要大些才行。綜上所述，

22、結(jié)合本課題的實際要求選擇型號為RD-1610是一個比較好的選擇。 RD系列液壓缸實物圖第4章 機械手硬件系統(tǒng)的設(shè)計4.1 PLC的地址分配根據(jù)機械手的輸入信號16個，輸出信號6個，建立I/O地址分配表?？刂瓢粹o輸入分配表控制元件 符號 輸入點連續(xù)啟動按鈕 SB1 X000單周期啟動按鈕 SB2 X009手動啟動按鈕 SB3 X010停止按鈕 SB4 X008自動輸入分配表控制元件 符號 輸入點物體檢測開關(guān) SQ1 X001上升限位開關(guān) SQ2 X004下降限位開關(guān) SQ3 X002左旋限位開關(guān) SQ4 X005右旋限位開關(guān) SQ5 X007夾緊限位開關(guān) SQ6 X003松開限位開關(guān) SQ7 X

23、006手動輸入按鈕分配表控制元件 符號 輸入點上升按鈕 SL1 X011下降按鈕 SL2 XO12左旋按鈕 SL3 X013右旋按鈕 SL4 X014夾緊按鈕 SL5 X015松開按鈕 SL6 X016 輸出分配表控制元件 符號 輸入點 機械手夾緊拉伸液壓缸 YV0 Y000 機械手松開收縮液壓缸 YV1 Y001 機械手下降收縮液壓缸 YV2 Y002 機械手上升拉伸液壓缸 YV3 Y003 機械手右旋收縮液壓缸 YV4 Y004 機械手左旋拉伸液壓缸 YV5 Y005（注：其各個元件具體作用可見本文關(guān)于PLC的選型的相關(guān)內(nèi)容）4.2 PLC外部接線圖詳見電子版CAD4.3 電氣控制總圖詳見電子版CAD第5章 機械手系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.1 PLC梯形圖詳見電