機械手的PLC控制完整

1、畢業(yè)設(shè)計報告課題：機械手的PLC控制系 部：機 電 系專 業(yè)：電氣自動化班 級：電氣1332姓 名：王琪學(xué) 號：2013321026指導(dǎo)老師：賈君賢2016-6摘 要機械手是工業(yè)自動化系統(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。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機械手是由PLC輸出三路脈沖，控制機械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關(guān)將位置信號傳給PLC主機；位置信號由接近開關(guān)反饋給PLC主機，通過交流電機的正反轉(zhuǎn)來控制機械手手爪的張合

2、，從而實現(xiàn)機械手精確運動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。關(guān)鍵詞：機械手 PLC 交流電機目 錄摘 要1引 言3第一章機械手機械結(jié)構(gòu)411傳動機構(gòu)412機械手夾持器和機座的結(jié)構(gòu)6第二章 機械手PLC及電機的應(yīng)用821 PLC簡介822 PLC內(nèi)部原理1023 機械手PLC選擇及參數(shù)1224 機械手電機的選用13第三章 機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計1431 機械手的工藝過程1432 PLC控制系統(tǒng)16致答謝詞21參考文獻(xiàn)22引 言在現(xiàn)代工業(yè)中，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展,自動

3、化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。

4、本課題擬開發(fā)物料搬運機械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，對機械手的上下、左右以及抓取運動進(jìn)行控制。該裝置機械部分有滾珠絲杠、滑軌、機械抓手等；電氣方面由交流電機、操作臺等部件組成。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機械手完成各種動作。由于時間倉促和個人水平限制，我的設(shè)計存在著許多還沒來得及解決的問題，希望廣大老師、同學(xué)能夠給予批評指正并予以解決。 第一章機械手機械結(jié)構(gòu)11傳動機構(gòu)螺旋機構(gòu)螺旋機構(gòu)由螺桿、螺母和機架組成，其主要功能是將轉(zhuǎn)動變換為直線運動，并同時傳遞運動和動力，按螺旋副中的摩擦性質(zhì)，螺旋機構(gòu)可以分為滑動螺旋機構(gòu)和滾動螺旋機構(gòu)兩種類型。按用途可以分為傳力螺旋、傳導(dǎo)

5、螺旋和調(diào)整螺旋三種類型。螺旋機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳動平穩(wěn)，無噪聲易于自鎖等優(yōu)點。滑動螺旋機構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滑動摩擦的的螺旋機構(gòu)，稱為滑動螺旋機構(gòu)。滑動螺旋機構(gòu)所用的螺紋為傳動性能好，效率高的矩形、梯形和鋸齒形螺紋?；瑒勇菪龣C構(gòu)由螺母和螺桿組成。根據(jù)機構(gòu)的組成及運動方式，滑動螺旋機構(gòu)又分為以下兩種。（1）由螺母和螺桿組成的滑動螺旋機構(gòu)，螺母與機架固聯(lián)，螺桿轉(zhuǎn)動并移動（如圖1-1b所示），這種螺旋機構(gòu)以傳遞動力為主，故又稱傳力螺旋機構(gòu)。一般要求用較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向力，多用在工作時間短，速度較低的場合。（2）由螺母、螺桿和機架組成的滑動螺旋機構(gòu)，如圖1-1a所示，螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，這種

6、螺旋機構(gòu)以傳遞運動為主，故又稱為傳導(dǎo)螺旋機構(gòu)。本文所介紹的機械手的豎軸就是用的傳導(dǎo)螺旋機構(gòu)。這種傳動形式結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較大，傳動效率高，精度高。 （a）螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動 (b) 螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動圖1-1滾動螺旋機構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滾動摩擦的螺旋機構(gòu)，稱為滾動螺旋機構(gòu)或滾珠絲杠。其機構(gòu)特點是在螺桿和螺母之間設(shè)有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如剛球，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動時，剛球沿螺旋滾道滾動并帶動螺母作直線運動。按循環(huán)方式的不同，分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種形式。 滾珠始終在循環(huán)過程中始終與螺桿保持接觸的循環(huán)叫內(nèi)循環(huán)。滾珠在返回時與螺桿脫離接觸的循環(huán)叫外循環(huán)（如圖1-2所示）。外循環(huán)螺母只需設(shè)置一個反向器，當(dāng)滾珠

7、進(jìn)入反向器時，就被阻止而轉(zhuǎn)彎，從返回通道回到滾道的另一端，形成一個循環(huán)回路。機械手的橫向運動采用的便是滾動螺旋傳動。滾動螺旋機構(gòu)摩擦阻力小，動作靈敏度高，傳動效 率高，可達(dá)90%以上。用調(diào)整的方法可消除間 隙，傳動精度高。 圖1-2 12機械手夾持器和機座的結(jié)構(gòu)機械手夾持器機械手的機械夾持器多為雙指手抓式，按其手抓的運動方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手抓有可分為單支點和雙支點回轉(zhuǎn)型，按夾持方式可以分為外夾式和內(nèi)撐式。按驅(qū)動方式可以電動、液壓和氣動三種?；剞D(zhuǎn)型夾持器結(jié)構(gòu)較簡單，但當(dāng)所夾持的工件直徑有變動時，將引起工件軸心的偏移。對平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。但其機械機構(gòu)繁雜

8、，體積大，制造精度要求高。所以當(dāng)設(shè)計機械手夾持器的時候，在滿足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結(jié)構(gòu)比較簡單回轉(zhuǎn)型夾持器。 本文設(shè)計的機械手采用的是楔槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器。如右圖所示，裝在桿上端的滾子3和楔塊之間為滾動接觸。當(dāng)電機帶動連桿前進(jìn)時，通過楔塊4的斜面和杠桿1，使兩個手抓產(chǎn)生加緊動作和加緊力。當(dāng)楔塊后移時，靠彈簧的拉力使手指松開。這種末端執(zhí)行器由于楔塊和滾子之間為滾動接觸，摩擦力小，活動靈活，且機構(gòu)簡單。機座機座是機械手的支撐部件，機座承受機械手的全部重量和工作載荷，所以機座應(yīng)有足夠的強度、剛度和承載能力。另外機座還要求有足夠大的安裝基面，以保證機械手工作時的穩(wěn)定行。如圖1-3

9、所示，機械手采用普通軸承作為支撐元件的機座支撐結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有制造簡單、成本低、安裝調(diào)整方便等優(yōu)點。圖中電動機3經(jīng)減速器4、主動小齒輪5、中間齒輪6、大齒輪7驅(qū)動絲桿2旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動升降臺上下運動。整個機座安裝在基座8上。第二章 機械手PLC及電機的應(yīng)用 21 PLC簡介自二十世紀(jì)六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了

10、模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長率保持為20%30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關(guān)資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。 PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲

11、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量

12、級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結(jié)果送給PLC的控制器。相同I/O點數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達(dá)8000多個I/O）。如果被控對象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大

13、，越來越多的中小設(shè)備開始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動化水平的不斷提高，今后一段時期內(nèi)PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。 通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)備時可以認(rèn)為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器22 PLC內(nèi)部原理 PLC實質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)和微機是基本一的。如圖2.1所示， PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖所示：編程器中央處理單元（CPU）輸入電路輸出電路系統(tǒng)程序存儲區(qū)用戶程序

14、存儲區(qū)電源圖2-1 PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖（1）中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）是PLC 的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能，接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū), 然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運算等結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出

15、裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行為止。（2）存儲器與微型計算機一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺完整的PLC。PLC的軟件分為兩部分: 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。PLC存儲空間的分配：雖然大、中、小型 PLC的CPU的最大可尋址存儲空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理， 其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶程序存儲區(qū)。（3）PLC電源PLC電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無論是小型的PLC，還是中、大型的PLC，其電源的性能都是一樣的，均能對PLC內(nèi)部的所有器件提供一個穩(wěn)定可

16、靠的直流電源。一般交流電壓波動在正負(fù)10%（15%）之間，因此可以直接將PLC接入到交流電網(wǎng)上去。可編程序控制器一般使用220V交流電源?？删幊绦蚩刂破鲀?nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)的元件提供直流電壓。某些可編程序控制器可以為輸入電路和少量的外部電子檢測裝置（如接近開關(guān)）提供24V直流電源。驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的電源一般由用戶提供?？删幊绦蚩刂破魇菑睦^電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入、輸出繼電器等。這種計算機程序?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。23 機械手PLC選擇及參數(shù) 綜合上述原則

17、機械手控制系統(tǒng)主機為西門子的S7-224XP。.主要技術(shù)數(shù)據(jù)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(guān)量輸入電流：24VDC 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(fù)載：9W.PLC主機的組成（1）、輸入單元輸入單元由8個按扭、8個開關(guān)和16個接插件組成，它們分別與PLC的16個輸入點相接。改變這些開關(guān)或按扭的通斷狀態(tài)，即可對主機輸入所需要的開關(guān)量。16個接插件可外接其它直流或開關(guān)量輸入信號。（2）、輸出單元輸出單元由24個二極管和24個接插件組成，它們分別與PLC

18、的24個輸出點相連。發(fā)光二極管是否發(fā)光，即可表示輸出點的狀態(tài)，使用者可得到主機的輸出信息。24個輸出接插件可外接其它需要控制的設(shè)備。輸出單元的4個地端，分別引出到面板，其中只有C4與3V電源共地。（3）、電源單元PLC主機左邊有外接220V/AV的電源插座，作為PLC的工作電源。內(nèi)裝變壓器，輸出3V電源，供二極管使用。另外PLC的24VDC和24GND已引出到面板，供外接輸入器件（如傳感器）的工作電源用。24 機械手電機的選用Y2系列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(jìn)水平，是Y系列電機的更新產(chǎn)品。外殼防護(hù)等級IP54，它具有良好

19、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，電機采用E級或B級絕緣，外殼防護(hù)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(qū)動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，綜合考慮，豎軸選用Y2-63M2-2，功率250W，可滿足生產(chǎn)需要。 橫軸主要驅(qū)動橫臂的左右運動，承載重量較小，選用Y2-63M1-2，功率180W，即可滿足生產(chǎn)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(fù)載最小，因此可選用Y2-63M1-4，功率120W。第三章 機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計31 機械手的工藝過程了解設(shè)備概況機械

20、手的結(jié)構(gòu)和各部分動作示意圖，如圖3-1所示。機械手的工作均由電機驅(qū)動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機驅(qū)動螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)來完成的。分析工藝過程機械手的初始位置停在原點，按下啟動后按扭后，機械手將下降夾緊工件上升右移再下降放松工件再上升左移八個動作，完成一個工作周期。機械手的下降、上升、右移、左移等動作轉(zhuǎn)換，是由相應(yīng)的限位開關(guān)來控制的，而夾緊、放松動作的轉(zhuǎn)換是有時間來控制的。為了確保安全，機械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降，若上次搬到右工作臺上的工件尚未移走，機械手應(yīng)自動暫停，等待。為此設(shè)置了一個光電開關(guān)，以檢測“無工件”信號。控制方面的要求： 圖3-1 機械手結(jié)構(gòu)圖為了滿足生

21、產(chǎn)要求，機械手設(shè)置了手動工作方式和自動工作方式，而自動工作方式又分為單周期和連續(xù)工作方式。1） 手動工作方式：利用按鈕對機械手每一步動作進(jìn)行控制。例如，按下“下降”按鈕，機械手下降；按下“上升”按鈕，機械手上升。手動操作可用于調(diào)整工作位置和緊急停車后機械手返回原點。2） 單周期工作方式：按下啟動按鈕，機械手按工序自動自動完成一個周期的動作，返回原點后停止。3） 連續(xù)工作方式：按下按鈕，機械手從原點，按步序自動反復(fù)連續(xù)工作，在連續(xù)工作方式下設(shè)置兩種停車狀態(tài)：正常停車：在正常工作狀態(tài)下停車。按下復(fù)位按鈕，機械手在完成最后一個周期的工作后，返回原點自動停機。緊急停車：在發(fā)生事故或緊急狀態(tài)時停車。按下

22、緊急停車按鈕，機械手停止在當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)故障排除后，需手動回到原點。32 PLC控制系統(tǒng)確定輸入/輸出點數(shù)并選擇PLC型號1）輸入信號 位置檢測信號：下限、上限、右限、左限共4個行程開關(guān)，需要4個輸入端子。 “無工件檢測”信號：用光電開關(guān)作檢測元件，需要1個端子。 “工作方式”選擇開關(guān)：有手動、單周期和連續(xù)3種工作方式，需要3個輸入端子。 手動操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松6個按鈕，也需要6個輸入端子。 自動工作：尚需啟動、正常停車、緊急停車3個按鈕，也需要3個輸入端子。以上共需要18個輸入信號。2）輸出信號PLC的輸出用于控制機械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松以三個電動

23、機轉(zhuǎn)速的控制等，共需要6個輸出點。機械手從原點開始工作，需要一個原點指示燈，也需要1個輸出點。所以，至少需要6個輸出點。 由于機械手的控制屬于開關(guān)量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型號的小型PLC均可滿足要求。根據(jù)所需的I/O總點數(shù)并留有一定的備用量，可選用S7-224XP，其輸入和輸出各24點，繼電器輸出型。S7-224XP的各項工作參數(shù)已在第二章介紹，在此不在做介紹。分配PLC的輸入/輸出端子 PLC的輸入輸出端子分配接線圖，如圖3-2所示。LC控制系統(tǒng)程序設(shè)計（1）手動程序 手動操作不需要按工序順序進(jìn)行動作，所以可按普通繼電器程序來設(shè)計。手動操作的梯形圖，如圖3-3所示，手動按鈕I1.3-I2.0分別控制下降、上升、右移、左移、加緊和放松各