基于PLC的工業(yè)機械手臂控制系統(tǒng)瑤

1、基于PLC的工業(yè)機械手臂控制系統(tǒng)摘要：機械手：mechanical 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(chǎn)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，廣泛應(yīng)用于機械制造冶金部門。機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)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(gòu)的升降、

2、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。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(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)越多、自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。機械手的種類，按驅(qū)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。 關(guān)鍵詞：機械手 自由度 點位控制 連續(xù)軌跡控制目錄1 緒論61.1 課題背景與現(xiàn)實意義61.2 機械手的概述71.3 本文的主要工作82 搬運機械手總體設(shè)計方案82.1 搬運機械手結(jié)構(gòu)及其動作92.2 機械手的控制過程102.3 機

3、械手的控制要求103 搬運機械手硬件系統(tǒng)設(shè)123.1 機械手的結(jié)構(gòu)123.2 電氣控制的設(shè)計133.3 操作面板及動作說明133.4 I/O分配144 搬運機械手的軟件系統(tǒng)設(shè)計165 結(jié) 論196 謝 辭207 參考文獻211 緒論可編程序控制器(PLC)已在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制中得到了廣泛應(yīng)用。它是以微處理器為核心,綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的自動控制裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用簡單等一系列有點；氣動技術(shù)也是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段，并已廣泛應(yīng)用于各個部門，在機械產(chǎn)品自動化、工業(yè)自動化及企業(yè)技術(shù)改造方面占有重要的

4、地位。氣壓傳動的介質(zhì)來自于空氣，環(huán)境污染小，工程已于實現(xiàn)。機械手在工業(yè)自動化生產(chǎn)得到了很好的利用，它可以減少人的充分操作，并且它還可以完成人無法完成的操作，從而大大地提高了工業(yè)的生產(chǎn)效率。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)機械手是近代控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認(rèn)識:它能部分地代替人工操作；能按照生產(chǎn)工藝的要求，能遵循一定的程序、時間、位置能完成工件的傳送和裝卸；能制作必要的機具進行焊接和裝配從而大大改善工人的工作條件，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。1.1 課題背景與現(xiàn)實意義隨著人類

5、的發(fā)展、文明的進步，工業(yè)正不斷發(fā)展著，需要人們完成的工作量也不斷增大（尤其是那種重復(fù)性大的工作，像傳運貨物），涉及到危險性的工作也日趨增多，這就迫使人們研究開發(fā)一種新裝置，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的一種裝置，而機械手正是這樣一種裝置：它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)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(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。1.2 機械手的概述機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來

6、的一門新興技術(shù)，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(jié)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(fù)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(yīng)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(yīng)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，單調(diào)重復(fù)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

7、發(fā)。(6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗。1.3 本文的主要工作本文用實驗室器材來模擬用機械手把物體從傳送帶A拿到傳送帶B，從而進一步了解機械手的功能、工作方式，并且進一步熟悉PLC的控制程序。2 搬運機械手總體設(shè)計方案 PLC在機械手搬物控制中的應(yīng)用下圖為機械手動作示意圖，機械手按下述順序周而復(fù)始地工作：X5X3轉(zhuǎn)盤Y0傳送帶B 光電開關(guān)X1上限開關(guān)下限開關(guān)夾Y2松Y3左限X13右限X7左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)ZHUA轉(zhuǎn)ZHUANG 圖21轉(zhuǎn)盤Y0為步進式傳送物料，每當(dāng)機械手從轉(zhuǎn)盤Y0輸送通道上取走一個物料時，該轉(zhuǎn)盤向前步進一個步距，將使機械手在下一個循環(huán)取走物料。機械手搬物動作示意圖1中轉(zhuǎn)盤Y0由電動

8、機M控制，械手的左右回轉(zhuǎn)運動由Y10、Y11電控閥控制，機械手的上下運動由電控閥Y12、Y13控制，機械手的夾緊與放松由電控閥控制Y2、Y3，機械手的伸出與縮回由電控閥Y6、Y7控制。位置信號分別為：機械手左、右轉(zhuǎn)到位開關(guān)為磁性傳感器X13、X7，機械手手臂上升、下降到位開關(guān)為磁性傳感器X5、X3，機械手伸出、縮回到位開關(guān)為磁性傳感器X2、X6。2.1 搬運機械手結(jié)構(gòu)及其動作本機械手用于生產(chǎn)線上工件的自動搬運，根據(jù)對機械手的工藝過程及控制要求分析，機械手的動作過程如圖21所示： 圖22機械手的動作周期2.2 機械手的控制過程如圖21所示轉(zhuǎn)盤Y0為步進式傳送物料，每當(dāng)機械手從轉(zhuǎn)盤Y0輸送通道上取

9、走一個物料時，該轉(zhuǎn)盤向前步進一個步距，將使機械手在下一個循環(huán)取走物料。機械手搬物動作示意圖1中轉(zhuǎn)盤Y0由電動機M控制，械手的左右回轉(zhuǎn)運動由Y10、Y11電控閥控制，機械手的上下運動由電控閥Y12、Y13控制，機械手的夾緊與放松由電控閥控制Y2、Y3，機械手的伸出與縮回由電控閥Y6、Y7控制。位置信號分別為：機械手左、右轉(zhuǎn)到位開關(guān)為磁性傳感器X13、X7，機械手手臂上升、下降到位開關(guān)為磁性傳感器X5、X3，機械手伸出、縮回到位開關(guān)為磁性傳感器X2、X6。2.3 機械手的控制要求 1）、在初始狀態(tài)（機械手在上限、左限、手臂縮回）下，按下啟動按鈕，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動開始輸送物料，當(dāng)光電開關(guān)檢測到物料時，機械開

10、始動作。 2）機械手伸出到權(quán)限位置時，停止伸出；然后機械手開始下降下降到下限權(quán)限位置時，停止下降；然后機械手夾緊物料。3）、機械手夾緊物料后開始上升上升到上限的權(quán)限位置時，停止上升；然后機械手縮回縮回到權(quán)限位置時，停止縮回。 4）停止縮回后機械手開始右轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)到右限位置時，停止右轉(zhuǎn)；當(dāng)右轉(zhuǎn)停止后機械手開始伸出伸出到伸出權(quán)限時，停止伸出、隨著機械手開始下降下降到下限位置時，停止下降然后松開物料。 5）、松開物料后機械手開始上升上升到上限位置后，停止上升、然后左轉(zhuǎn)到原位完成一個循環(huán)。 6）、正常工作時閃亮綠燈。 7）、按下啟動按鈕若在30S內(nèi)光電開關(guān)檢測不到物體，報警鋒鳴響起及紅燈閃亮。 8）具有斷

11、電保持功能、停電后再次來電，需按啟動按鈕才能啟動并從停電時那步繼續(xù)開始工作機械手。 9）、機械手具有急停（機械手立即停止工作、啟動后仍從此開始工作）和停止功能（要回到原始位置）。 10）、要設(shè)計有單步和循環(huán)啟動功能。所謂“循環(huán)”，即一次循環(huán)工步完畢后，隨即或延時0.5秒后自動進入下一次循環(huán)；所謂“單步”，即一次循環(huán)工步完畢后，機械手就停在初始位。若想機械手再一次開始工作，必須再次按啟動按鈕方可。 11）、適當(dāng)設(shè)計一些延時功能，在機械手工作時。3 搬運機械手硬件系統(tǒng)設(shè)3.1 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計其結(jié)構(gòu)如圖31所示圖31機械手的結(jié)構(gòu)示意圖圖中設(shè)置9個行程開關(guān)SQ1SQ9用于檢測工件、小車、機

12、械手的位置及機械手夾鉗的夾緊、放松狀態(tài)，并對系統(tǒng)實施控制。其中SQ1為工件是否到位的檢測開關(guān)；SQ2為小車原位檢測開關(guān)；SQ3、SQ4分別為機械手下降上升是否到位檢測開關(guān)；SQ5、SQ6分別為機械手夾緊放松檢測開關(guān)；SQ7、SQ8分別為小車速度轉(zhuǎn)換開關(guān)；SQ9為小車運動停止開關(guān)。3.2 電氣控制的設(shè)計包括主電路和控制電路的設(shè)計。主電路由兩臺電動機，即慢速電機和快速電機，分別拖動小車慢行和快行，其控制如下：慢速電動機M1由接觸器KM1、KM2分別控制其正傳和反轉(zhuǎn)；快速電動機M2由接觸器KM3和KM4分別控制其正傳和反轉(zhuǎn)。機械手的夾緊放松動作是由一單電兩位四通電磁閥控制的一個液壓缸完成的，在通電情

13、況下，機械手松開，得電時松開，可以防止在設(shè)備運行過程中突然斷電導(dǎo)致的機械手松開，工件脫落的情況發(fā)生。3.3 操作面板及動作說明根據(jù)控制和生產(chǎn)工藝的要求，控制操作包括手動和自動，手動又包括手動步進、回原位操作，自動控制包括單步、單周期、連續(xù)的操作。故操作方式選擇開關(guān)設(shè)置有五個檔位。手動工作方式下，手動動作包括上升、下降、放松、快進、慢進、快退、慢退和復(fù)位，故設(shè)置六個動作看官按鈕。各個動作進行的同時均設(shè)有動作指示燈。另外設(shè)有啟動停止按鈕。其操作面板如圖32所示圖32機械手操作面板示意圖3.4 I/O分配X0：啟動開關(guān) Y0：傳送帶A運行X1：停止開關(guān) Y1：驅(qū)動手臂左旋X2：抓動作限位行程開關(guān) Y

14、2：驅(qū)動手臂右旋X3：左旋限位行程開關(guān) Y3：驅(qū)動手臂上升X4：右旋限位行程開關(guān) Y4：驅(qū)動手臂下降X5：上升限位行程開關(guān) Y5：驅(qū)動機械手抓動作X6：下降限位行程開關(guān) Y6：驅(qū)動機械手放動作X7：物品檢測開關(guān)（光電開關(guān)）4 搬運機械手的軟件系統(tǒng)設(shè)計機械手動控制屬順序控制，故其手動程序采用普通的PLC控制指令控制，自動程序采用步進梯形指令控制5 結(jié) 論本設(shè)計主要應(yīng)用于機加工生產(chǎn)，貨物調(diào)運等場合。搬運機械手采用PLC控制，體積小，重量輕，控制方式靈活，可靠性高，操作簡單，維修容易。使用該機械手代替人工搬運工件，既安全，又準(zhǔn)確，提高了勞動生產(chǎn)率，保證了工件的質(zhì)量，降低了工人的勞動強度，具有較好的經(jīng)

15、濟效益和社會效益。可編程控制器PLC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性,可以在機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計中起到了十分重要的作用。本文就設(shè)計過程中的幾項關(guān)鍵的問題提出了自己的一些看法,可以有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力,對PLC讀、寫,事件響應(yīng)等通信時間可進行精確的控制,取得了良好的效果.隨著機械手應(yīng)用的普及，機械手向著專用化，機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化的方向發(fā)展，機械手的動作更加靈活多樣，其控制方式也在向著多元化的方向發(fā)展，在PLC控制的過程中,還有許多的問題需要解決，PLC在機械手開發(fā)中的開發(fā)應(yīng)用還有很大的空間。6謝 辭此次設(shè)計是在韓星海老師的悉心指導(dǎo)下完成的。老師為論文課題的研究提出了許多指導(dǎo)性的

16、意見，為論文的撰寫、修改提供了許多具體的指導(dǎo)和幫助。韓星海老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、不斷探索的科研作風(fēng)，敏銳深邃的學(xué)術(shù)洞察力，孜孜不倦的敬業(yè)精神，給我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文結(jié)束之際，特向我敬愛的導(dǎo)師致以最崇高的敬禮和深深的感謝！通過此次設(shè)計，一方面讓我認(rèn)識到自己的不足，發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經(jīng)驗，增強對復(fù)雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。再一方面也加強了我和老師的交流，認(rèn)識到知識的淵博度。經(jīng)過這次的努力，使我順利的完成了畢業(yè)設(shè)計。這份課程設(shè)計既是對這學(xué)期所學(xué)知識的總結(jié)，又是自己知識的積累，也

17、大大加深了對單片機技術(shù)的了解。課程設(shè)計中既動腦又動手，是一個理論與實際結(jié)合的過程。僅僅有理論是不夠的，更重要的是實際的，是我們所設(shè)計的實物，具有設(shè)計合理，經(jīng)濟實用的優(yōu)點。這就需要我們設(shè)計者考慮問題是要仔細、周密，不能有絲毫的大意。對設(shè)計方案的優(yōu)越化，也需要我們綜合各方面的因素考慮，尤其是實際。再次像教育指導(dǎo)我的老師及同學(xué)表示誠摯的感謝！鑒于本人所學(xué)知識有限，經(jīng)驗不足，又是初次研究這種復(fù)雜的設(shè)計，在此過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請各位老師給予批評和指正。177參考文獻1 王炳實. 機床電氣控制.第三版. 北京：機械工業(yè)出版社，2004年：146-1622 王本軼. 機床設(shè)備控制基礎(chǔ). 北

18、京：機械工業(yè)出版社，2005年：283-2883 丁樹模. 液壓傳動. 北京：機械工業(yè)出版社，2007年4 林平勇. 高崇. 電工電子技術(shù).第二版：北京：高等教育出版社，2004年5 熊幸明. 曹才開. 一種工業(yè)機械手的PLC控制.微計算機信息，2006年，第22卷第11期:120-1226 孔秀艷. 一種四軸搬運機械手的PLC控制. 大眾科技，2008年，第7期：112-1137 劉軒.王麗偉. 機械手的PLC控制. 機床電器. 2006年，34-498 張應(yīng)金. PLC在機械手搬運控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.自動化博覽，2008年02月刊：71-739  曾繁鈴. 一種PLC控制的工業(yè)機械手. 常熟理工學(xué)院報，2008年4月第22卷第四期：101-1