1、机械手 PLC 控制设计第 1 页 共 27 页摘要机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，本文介绍的是机械手模型基于 PLC 的控制系统设计。首先，对可编程控制器进行相应的介绍，选择了 PLC 的型号。然后，通过对机械手的各功能实现形式和控制方式研究，给出各部分的实现方案并确定了控制系统的器材。最后，进行PLC 控制系统的硬件结构和软件程序设计。关键字： 可编程控制器 PLC 机械手 步进电机机械手 PLC 控制设计第 2 页 共 27 页第 1 章 绪论1.1 课题背景随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也
2、提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。应 用 机 械 手 ， 有 利 于 提 高 材料 的 传 送
3、 、 工 件 的 装 卸 、 刀 具 的 更 换 以 及 机 器 的 装 配 等 的 自 动 化 程 度 ， 从 而 可 以 提 高 劳 动 生产 率 ， 降 低 生 产 成 本 ， 加 快 实 现 工 业 生 产 机 械 化 和 自 动 化 的 步 伐 。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。近 些 年 ， 随 着 计 算 机 技 术 、 电 子 技 术 以 及 传 感 技 术等 在 机 械 手 中 越 来 越 多 的 应 用 ， 机 械 手 已 经 成 为 工 业 生 产 中 提 高 劳 动 生 产 率 的 重 要
4、 因 素 。借助 PLC 强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。同时，借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。因 此 ， 在 自 动 化 机 床 和 综合 加 工 自 动 生 产 线 上 ， 目 前 几 乎 都 设 有 机 械 手 ， 以 减 少 人 力 和 更 准 确 地 控 制 生 产 的 节 拍 ， 便于 有 节 奏 地 进 行 生 产 。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设
5、备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.2 机械手的定义与分类机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，
6、它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于机械手 PLC 控制设计第 3 页 共 27 页某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，
7、先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。1.3 机械手的发展趋势机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过 40 多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行
8、器等） 、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等） 。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特
9、种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。机械手 PLC 控制设计第 4 页 共 27 页1.4 总体设计要求1.机械手结构示意图图 1-1 机械手示意图1、手爪张开闭合 2、手腕旋转 3 、水平移动 4、升降 5 、立柱旋转 6、手爪 7 、手腕电动机 8、横轴 9、 竖轴 10、竖轴
10、电动机 11、横轴电动机 12、底盘 13、底盘电动机2. 机械手工作流程机械手工作流程是：开始运行后，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转(横轴向手抓方向移动，竖轴向上移动)。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手爪电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC 控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪夹紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开；延时后竖轴上升复位，然后开始下一周期动
11、。3.控制要求(1)手臂上下直线运动。(2)手臂左右直线运动。(3) 手腕旋转运动。(4) 手爪夹紧动作。(5)机械手整体旋转运动。手臂采用步进电机驱动，由 PLC 发出控制脉冲控制步进电动机运转,实现手臂的进给和定位，手爪采用气压驱动。机械手 PLC 控制设计第 5 页 共 27 页第 2 章 PLC 的介绍与选择对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、PLC 控制等。但由于 PLC 可编程控制器操作灵活性强和稳定性较好，所以，我们选择 PLC 控制。2.1 PLC 的选型对于 PLC 的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数，扫描速度，内存容量，指
12、令条数，功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。（1）常用 PLC 介绍PLC 发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。OMRON 的可编程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A 的大小仅相当于一个 PC 卡(对于 10点的机型来说)，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具
13、备了以往小型 PLC 所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。编程环境与 CQM1 及 SYSMAC A 等机种相同。由于原有 SYSMAC 支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。三菱 FX 系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型 PLC。在 FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC 顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。在 FX 系列 PLC 中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了 PLC 的应用领域。其 FX2N PLC 还可以采
14、用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高 50kHz 的高速脉冲。(2）确定型号 FX1N60MR综上，对于被控对象，采用 PLC 系统与采用其它形式的控制系统相比较，力求具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的 PLC 主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求；选用的 PLC 主机及配置必须是功能较强的新一代 PLC 机型，一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的 PLC，则选 FX 系列，不选 F1 系列） 。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。在此，我选用三菱 FX1
15、N 来做控制核心。FX 系列 PLC 是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2 系列 PLC 产品。其中 FX2 是近年推出的产品，FX0 是在 FX2 之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N 、FX2NC 等系列 PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。机械手 PLC 控制设计第 6 页 共 27 页2.2 三菱 FX 系列的结构功能可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的结构原理与微型计算机相似。硬件构成有微处理器、存储器
16、和各种输入、输出接口。系统程序和接口器件又与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。PLC 是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及 A/D、D/A 模拟转换器件的组合体的功能，采用软件编程进行它们之间的联系。本设计采用 FX 系列 PLC 作为控制核心，所以现在就以它来讲述 PLC 的应用知识、操作技能。FX 系列 PLC 硬件组成与其它类型 PLC 基本相同，主体由三部分组成，其 PLC 的基本结构如图 2-1 系统电源有些在 CPU 模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作 PLC 的外设。PLC 内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。图 2-1
17、PLC 的组成框图外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为 PLC 的输入变量，它们经 PLC 的输入端子进入 PLC 的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信号和数据；经 PLC 内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC 的各个部分协调一致地实现对现场设备的控制。机械手 PLC 控制设计第 7 页 共 27 页PLC 输入输出接口的安全保护当输出口连接电感类设备时，为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输出口造成破坏，应在感性元件两端加保护元件。对于直流电源，应并接续流二极管，对于交流电路应并接阻容电路。阻容电
18、路中电阻可取 51120，电容取 0.10.47F，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。续流二极管可选 1A 的管子，其额定电压应大于电源电压的 3 倍。图 2-2 为输入输出口的保护环节示意图。图 2-2 输入输出口的保护机械手 PLC 控制设计第 8 页 共 27 页第 3 章 控制系统设计3.1 控制系统硬件设计机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来，在手动方式时可以通过手动按钮来实现，其控制面板如下图 4-1。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到右上角位置待命。当旋钮打向连续时，系统自动完成各工步操作
19、，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。图 3-1 控制面板示意图机械手 PLC 控制设计第 9 页 共 27 页3.2 旋转编码盘机械手底盘和躯干每旋转 3 度发出一个脉冲，并把信号送回可编程控制器来得到转过的准确的角度。编码盘的机构如图 3-2。图 3-2 旋转编码盘可以通过改变程序中计数器 C0 的初值来确定所要转过的角度，这里可以通过用计算机读出指令表，然后修改得到不同的控制角度。综上所述，根据机械手的各部分要求条件可确定本设计机械手控制系统所选器材列表如表3.1。表 3.1 所选器材列表名称 型号或规格 数量 名称 型号或规格 数量PLC FX1N-60M
20、R 1 限位开关 LX19-111 8电磁阀 VF3130 1 转换开关 LW6-5 1按钮 LA10-1H 13 熔断器 RC1A-30/15 2连接导线 若干3.2.1 PLC 梯形图中的编程元件设计选用 FX1N60MR，其输入继电器（X）36 点，输出继电器(Y)24 点，辅助继电器(M)384 点，状态继电器(S)1000 点，定时器(T)256 点，计数器(C)，数据寄存器(D)等。特殊辅助继电器M8000运行监控（PLC 运行时自动接通，停止时断开） ；M8002初始脉冲（仅在 PLC 运行开始时接通一个扫描周期） ；M8005PLC 后备锂电池电压过低时接通；M801110ms
21、 时钟脉冲； M8013100ms 时钟脉冲；M80121s 时钟脉冲； M80141min 时钟脉冲。3.2.2 PLC 的 I/O 分配根据机械手动作的要求，输入、输出分配如表 3.2 所示。机械手 PLC 控制设计第 10 页 共 27 页表 3.2 PLC 输入/输出分配表输入信号 输出信号手动 SA X0 YA0 Y0回原位 SA X1 YA1 Y1连续 SA X2上升/下降步进电机YA2 Y2回原位 SB1 X3 YA3 Y3启动 SB2 X4 YA4 Y4停止 SB3 X5前进/后退步进电机YA5 Y5下降 SB4 X6 夹紧 YA6 Y6上升 SB5 X7 手顺转 YA 7 Y7夹紧 SB6 X10 手逆转 YA 8 Y10松开 SB7 X11 底盘顺转 YA 9 Y11手顺转 SB8 X12 底盘逆转 YA10 Y12手逆转 SB9 X13底盘顺转 SB10 X14底盘逆转 SB11 X15下限位 SQ1 X16上限位 SQ2 X17前限位 SQ3 X20后限位 SQ4 X21底盘顺限位 SQ5 X22底盘逆限位 SQ6 X23手顺限位 SQ7 X24手逆限位 SQ8 X25底旋转脉冲 X26前行 SB12 X30后退 SB13 X31
