基于PLC的機械手自動控制

1、基于PLC的機械手的自動控制 摘要 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產過程的自動化已基本得到解決。專用機床是大批量生產自動化的有效的辦法；控制機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化,工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而生產的。機械手是能夠模仿人體上肢的部分功能，可以對其進行自動控制使其按照預定要求輸送制品或操持工具進行生產操作的自動化生產設備。自上世紀六十年代，PLC設計的機械手被實現(xiàn)為一種產品后，對它的開發(fā)應用也在不斷發(fā)展，它可以在減輕繁重

2、的體力勞動、改善勞動條件和安全生產；提高生產效率、穩(wěn)定產品質量、降低廢品率、降低生產成本、增強企業(yè)的競爭力等方面起到及其重要的作用。關鍵字：機械手，PLC，現(xiàn)代工業(yè)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 目錄第1章 緒論.4 1.1課題研究目的及意義.4 1.2設計目的及主要內容.4 1.2.1 設計目的.4 1.2.2 設計內容.5第2章 PLC及機械手的介紹及選擇.6 2.1可編程控制器PLC.6 2.1.1 PLC的結構.6 2.1.2 PLC的主要功能.6 2.1.3 PLC發(fā)展狀況及趨勢.6 2.1.4 PLC機型的選擇.7 2.2機械手.7 2.2.1機械手簡介.7 2.2.2機械手的選擇.92.3機械手電機的選用.9第3章 設計主體部分.103.1控制要求.103.2系統(tǒng)框圖和控制流程

7、圖.11 3.3 I/O分配.12 3.4梯形圖.12 3.5指令表 .15 3.6 PLC連線圖.183.7電氣原理圖.193.7仿真調試.20第4章 論文小結.21參考文獻.22附錄：PLCF仿真調試圖.23第一章 緒 論1.1 課題研究目的及意義 機械手是工業(yè)自動化領域中經常遇到的一種控制對象。近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興學科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。機械手是提高勞動生產率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產自動化的一個重要手段?？删幊绦蚩刂破?PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的實

8、時工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術、自動控制技術和計算機通信技術的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進步，已經成為工廠自動化的標準配置之一。由于自動化可以節(jié)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優(yōu)越性，如通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程方法簡單易學，因此工業(yè)領域中廣泛應用PLC。本次課題設計的機械手就是通過PLC來實現(xiàn)自動化控制的。1.2設計目的及主要內容1.2.1設計目的 1、培養(yǎng)機械設計能力；2、擴展知識結構；3、培養(yǎng)綜合運用能力；4、是課堂教學的有益補充。通過本次論文，進一步加強自己對機械手和PLC的認識，以及它

9、們在生活中廣泛應用。1.2.2設計內容 機械手自動控制:搬運機械手工作示意圖如圖1-1所示，其任務是將傳送帶A的物品搬到傳送帶B上。機械手的原位是在傳送帶B上，開始工作時，先是手臂上升，到上限位時，上升限位開關LS4閉合，手臂左旋；左旋到位時，左旋限位開關LS2閉合，手臂下降；到下限位時，下降限位開關LS5閉合，傳送帶A遠行。當光電開關PSl檢測到物品已進入手指范圍時，手指抓物品。當物品抓緊時，抓緊限位開關LS1動作，手臂上升；到上限位時，上升限位開關LS4閉合，手臂右旋；右旋到位時，右旋限位開關LS3閉合，手臂下降；下降到下限位時，下降限位開關LS5閉合，手指放開，物品被放到傳送帶B上延時2

10、s時間到，一個循環(huán)結束，再重復。圖 1-1第二章 PLC及機械手的介紹及選擇2.1.可編程控制器PLC可編程序控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC或PC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微計算機技術使之功能不斷增強，逐漸適應復雜的控制任務 。2.1.1 PLC的結構PLC和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴展單元和其他外圍設備組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據總線)連

11、接而成。PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運行，系統(tǒng)程序固化在EPROM中。用戶程序是由用戶根據控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。2.1.2 PLC的主要功能PLC是一種應用面很廣、發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動化(FA)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)內占重要地位。PLC系統(tǒng)主要有以下功能：1) 多種控制功能；2) 數(shù)據采集、存儲與處理功能；3) 通信聯(lián)網功能；4) 輸入、輸出接口調理功能

12、；5) 人機界面功能；6) 編程、調試功能。PLC的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應地降低了價格。另外，采用PLC還可以大大縮短設計、編程和投產周期，使總價格進一步降低。PLC產品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求。2.1.3 PLC發(fā)展狀況及趨勢現(xiàn)代PLC的發(fā)展主要有兩個趨勢：一是向體積更小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網絡化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展。1、大型網絡化主要是朝DCS方向發(fā)展，使其具有DCS系統(tǒng)的一些功能。網絡化和通信能力強是PLC發(fā)展的一個重要方面，向

13、下可將多個PLC、I/O框架相連，向上與工業(yè)計算機、以太網、MAP網等相連構成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。 2、多功能隨著自調整、步進電機控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領域更加寬廣。2.1.4 PLC機型的選擇如何在實際應用時選擇合適的 PLC設備 ,也是很關鍵的問題。首先是選用合適廠家的產品。目前市場上的 PLC 產品很多。最具代表性的有日本立石公司 歐姆龍 - OMRON 、德國西門子公司以及日本三菱公司的可編程控制器（PLC）系列產品。其中 OMRON 的 PLC,以小型產品最受歡迎。一方面是由于其價位較低,性能價格比較高;另一方面是由于它配有較強的指令系統(tǒng)。我國普遍使

14、用的小型(PLC 產品是 OMRON 產品。立石公司 歐姆龍 -)OMRON 首推 C系列 PLC。西門子 PLC產品品質精良但價格昂貴。三菱公司則推出整體式 PLC。當 PLC廠家確定后 ,便可根據 PLC 的技術指標來選擇合適的 PLC 設備。例如:輸入/輸出點數(shù)(PLC外部輸入、輸出端子總數(shù) ,這是 PLC 最重要)的一項指標 、掃描速度、指令條數(shù)、內存容量等。通過對我設計的機械手系統(tǒng)分析，使用了18個輸入點,出于要預留20%的空點,故決定選擇三菱FX2N-48MR的PLC。主要技術數(shù)據如下：工作電源：24VDC輸入點數(shù)：24輸出點數(shù)：24輸入信號類型：直流或開關量輸入電流：24VDC

15、5mA模擬輸入：-10V10V（-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最大負載：9W輸出反應時間：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（T

16、64T126，M1028為ON時）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：程序寫入/讀出通訊口：RS232一般功能通訊口：RS485主機電源220V AC2.2機械手2.2.1機械手簡介mechanical

17、 hand 也被稱為自動手，auto hand能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。圖2-1機械手組成方框圖機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機

18、械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有23個自由度。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手是在機械化、自

19、動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：(1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。(2)在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。(3)可在勞動條件差，單

20、調重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。(4)可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。(5）宇宙及海洋的開發(fā)。(6)軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。機械手簡述:機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復雜，但基本的組成形式是相同的，一般由執(zhí)行機構、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。1執(zhí)行機構機械手的執(zhí)行機構，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機構，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進行上下、左右和回轉動作。簡單的機械手可以沒有手腕。支柱用來支撐手臂，也可以根據需要做成移動。2驅傳動系統(tǒng)執(zhí)行機構的動作

21、要由驅動系統(tǒng)來實現(xiàn)。常用機械手傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。3.控制系統(tǒng)機械手控制系統(tǒng)的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進行動作，簡單的機械手一般不設置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關、繼電器、控制閥及電路便可實現(xiàn)動傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構按要求進行動作動作復雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。4.位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置.2.2.2機械手的選擇由于機械手是在搬運中的應用，所以采用傳送

22、帶加旋轉的機械手類型。此機械手易于操作，性能可靠。2.3 機械手電機的選用Y2系列三相異步電動機具有結構新穎、造型美觀、噪音低、振動小、絕緣等級高等特點，產品現(xiàn)已達到九十年代國際先進水平，是Y系列電機的更新產品。外殼防護等級IP54，它具有良好的起動性能和運行性能，結構簡單，工作可靠，維修方便等特點，電機采用E級或B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為ICO141，額定頻率為50Hz，額定電壓為380V。豎軸驅動電機承載整個機械手的所有負載，需要功率較大，而機械手主要用于生產線夾持較輕便物體，綜合考慮，豎軸選用Y2-63M2-2，功率250W，可滿足生產需要。 橫軸主要驅動橫臂的左右運動

23、，承載重量較小，選用Y2-63M1-2，功率180W，即可滿足生產需要。電動機3主要用來控制機械手抓的加緊和放松，所承載負載最小，因此可選用Y2-63M1-4，功率120W。第三章 設計主體部分3.1控制要求搬運機械手工作示意圖如圖3-1所示，其任務是將傳送帶A的物品搬到傳送帶B上。機械手的原位是在傳送帶B上，開始工作時，先是手臂上升，到上限位時，上升限位開關LS4閉合，手臂左旋；左旋到位時，左旋限位開關LS2閉合，手臂下降；到下限位時，下降限位開關LS5閉合，傳送帶A遠行。當光電開關PSl檢測到物品已進入手指范圍時，手指抓物品。當物品抓緊時，抓緊限位開關LS1動作，手臂上升；到上限位時，上升

24、限位開關LS4閉合，手臂右旋；右旋到位時，右旋限位開關LS3閉合，手臂下降；下降到下限位時，下降限位開關LS5閉合，手指放開，物品被放到傳送帶B上延時2s時間到，一個循環(huán)結束，再重復。圖3-13.2系統(tǒng)框圖和控制流程圖圖 3-2系統(tǒng)框圖圖 3-2控制流程3.3I/O分配輸入電器輸入點輸出電器輸出點起動按鈕X0輸送帶A驅動接觸器KMY0停止按鈕（常開）X1手臂左旋電磁閥YV1Y1手指抓緊檢測開關LS1X2手臂右旋電磁閥YV2Y2手臂左旋限位開關LS2X3手臂上升電磁閥YV3Y3手臂右旋限位開關LS3X4手臂下降電磁閥YV4Y4手臂上升限位開關LS4X5手臂抓緊電磁閥YV5Y5手臂下降限位開關LS

25、5X6手臂放松電磁閥YV6Y6物品檢測光電開關PS1X73.4梯形圖圖3-4-1圖3-4-2圖3-4-3說明：SET（置位）線圈得電保持，RST（復位）線圈失電保護，SFTL位左移,ZRST區(qū)間復位3.5指令表圖3-5-1圖3-5-2圖3-5-33.6PLC連線圖圖3-63.7電氣原理圖圖3-73.8仿真調試1) 按下起動按鈕SB1時，機械手系統(tǒng)工作。首先上升電磁閥通電，手臂上升，至上升限位開關動作； 2) 左轉電磁閥通電，手臂左轉，至左轉限位開關動作；3) 下降電磁閥通電，手臂下降，至下降限位開關動作；4) 啟動傳送帶A運行，由光電開關PS/PH檢測傳送帶A上有無物品送來，若檢測到物品，則抓緊電磁閥通電，機械手抓緊，至抓緊限位開關動作；5) 手臂再次上升，至上升限位開關再次動作；6) 右轉電磁閥通電，手臂右轉，至右轉限位開關動作；7) 手臂再次下降，至下降限位開關再次動作；8) 放松電磁閥通電，機械手松開手爪，經延時2秒后，完成一次搬運任務，然后重復循環(huán)以上過程。9) 按下停止按鈕SB1或斷電時，機