機械手PLC控制(完整)

1、畢業(yè)設計報告課題：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：王琪學號： 2013321026指導老師：賈君賢2016-6摘 要機械手是工業(yè)自動化系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務執(zhí)行機構，是機器人的關鍵部件之一。機械手的機械結構采用滾珠絲桿、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，位置控制技術、檢測技術等，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，微動開關將位置信號傳給 PLC主機；位置信號由接近開關反饋給 PLC 主機，通過交流電機的正反轉來控制機械手手爪的張

2、合，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)進行作業(yè)，并可根據工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù)。關鍵詞： 機械手PLC交流電機目錄摘要 1引言 2第一章機械手機械結構31 1 傳動機構31 2 機械手夾持器和機座的結構5第二章機械手PLC 及電機的應用821 PLC 簡介 82 2 PLC 內部原理102 3 機械手PLC 選擇及參數(shù)122 4 機械手電機的選用13第三章機械手PLC 控制系統(tǒng)設計143 1 機械手的工藝過程143 2 PLC 控制系統(tǒng)16致答謝詞22參考文獻23引言在現(xiàn)代工業(yè)中，隨著工業(yè)

3、現(xiàn)代化的進一步發(fā)展, 自動化已經成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱 , 無人車間、無人生產流水線等等，已經隨處可見。同時，現(xiàn)代生產中，存在著各種各樣的生產環(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，這些惡劣的生產環(huán)境不利于人工進行操作。工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技術，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產自動化實踐相結合的產物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產過程自動化、改善勞動條件、提高產品質量和生產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

4、機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。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，結合相應的硬件裝置，控制機械手完成各種動作。由于時間倉促和個人水平限制，我的設計存在著許多還沒來得及解決的問題，希望廣大老師、同學能夠給予批評指正并予以解決。第一章 機械手機械結構1 1 傳動機構螺旋機構螺旋機構由螺桿、螺母和機架組成，其主要功能是將轉動變換為直線運動，并同時傳遞運動和動力，按螺旋副中的摩擦性質，螺旋機構可以分為滑動螺旋機構和滾動螺旋機

5、構兩種類型。按用途可以分為傳力螺旋、傳導螺旋和調整螺旋三種類型。螺旋機構具有結構簡單，制造方便，傳動平穩(wěn)，無噪聲易于自鎖等優(yōu)點。滑動螺旋機構螺旋副內為滑動摩擦的的螺旋機構，稱為滑動螺旋機構?；瑒勇菪龣C構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構由螺母和螺桿組成。根據機構的組成及運動方式，滑動螺旋機構又分為以下兩種。（ 1）由螺母和螺桿組成的滑動螺旋機構，螺母與機架固聯(lián)，螺桿轉動并移動（如圖 1-1b 所示），這種螺旋機構以傳遞動力為主，故又稱傳力螺旋機構。一般要求用較小的轉矩產生較大的軸向力，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

6、構，如圖1-1a 所示，螺桿轉動，螺母移動，這種螺旋機構以傳遞運動為主，故又稱為傳導螺旋機構。本文所介紹的機械手的豎軸就是用的傳導螺旋機構。這種傳動形式結構緊湊，剛度較大，傳動效率高，精度高。（a）螺桿轉動，螺母移動(b)螺母固定，螺桿轉動并移動圖 1-1滾動螺旋機構螺旋副內為滾動摩擦的螺旋機構，稱為滾動螺旋機構或滾珠絲杠。其機構特點是在螺桿和螺母之間設有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如剛球，當螺桿轉動時，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

7、示）。外循環(huán)螺母只需設置一個反向器，當滾珠進入反向器時，就被阻止而轉彎，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。滾動螺旋機構摩擦阻力小，動作靈敏度高，傳動效率高，可達90%以上。用調整的方法可消除間隙，傳動精度高。圖 1-21 2 機械手夾持器和機座的結構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型?；剞D型手抓有可分為單支點和雙支點回轉型，按夾持方式可以分為外夾式和內撐式。按驅動方式可以電動、液壓和氣動三種?；剞D型夾持器結構較簡單，但當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

8、變化不影響其軸心的位置。但其機械機構繁雜，體積大，制造精度要求高。所以當設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，盡可能的采用結構比較簡單回轉型夾持器。本文設計的機械手采用的是楔槽杠桿式回轉型夾持器。如右圖所示，裝在桿上端的滾子3和楔塊之間為滾動接觸。當電機帶動連桿前進時，通過楔塊4 的斜面和杠桿 1，使兩個手抓產生加緊動作和加緊力。當楔塊后移時，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

9、面，以保證機械手工作時的穩(wěn)定行。如圖 1-3 所示，機械手采用普通軸承作為支撐元件的機座支撐結構。這種結構有制造簡單、成本低、安裝調整方便等優(yōu)點。圖中電動機3 經減速器4、主動小齒輪5、中間齒輪 6、大齒輪 7 驅動絲桿 2 旋轉，從而驅動升降臺上下運動。整個機座安裝在基座8 上。第二章 機械手 PLC 及電機的應用2 1 PLC 簡介自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable LogicController ，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用。同時， PLC 的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技

10、術網絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC 在開關量處理的基礎上增加了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、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。作為離散控的制的首選產品， PLC 在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內的 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。綜合相關資料， 2004 年全球 PLC的銷售收入為 100 億美元左右，在自動化領域占據著十分重要的位置。PLC 是

11、由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的PLC 只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(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過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，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容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。 PLC 的 CPU內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

12、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，在微秒量級，解算1K 邏輯程序不到 1 毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，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8000 多個 I/O ）。如果被控對象主要是設

13、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，越來越多的中小設備開始采用 PLC 進行控制， PLC 在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經濟的高速發(fā)展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內 PLC 在我國仍將保持高速增長勢頭。通用 PLC 應用于專用設備時可以認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2 2

14、 PLC 內部原理PLC實質上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構和微機是基本一的。如圖 2.1 所示， PLC 硬件的基本結構圖所示：編程器輸輸入中央處理單元出電（ CPU）電路路電系統(tǒng)程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū)源圖 2-1 PLC 硬件的基本結構圖（ 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，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，并分別存入I/O 映象區(qū) ,然后從用戶程序

15、存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術運算等任務。并將邏輯或算術運算等結果送入I/O 映象區(qū)或數(shù)據寄存器內。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)或輸出寄存器內的數(shù)據傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行（3）PLC電源PLC 電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無論是小型的間各不相同，但是根據系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng)程序存儲區(qū)。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。才能構成一臺完整的PLC。 PLC 的軟件分為兩部分 : 系統(tǒng)軟件和應用軟件。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

16、、中、小型PLC 的 CPU的最大可尋址存儲空PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：RAM存儲區(qū)（包括I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等）和用戶PLC，還是中、大型的PLC，其電源的性能都是一樣的，均能對PLC 內部的所有器件提供一個穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動在正負 10%（15%）之間，因此可以直接將 PLC接入到交流電網上去?？删幊绦蚩刂破饕话闶褂?220V 交流電源?？删幊绦蚩刂破鲀炔康闹绷鞣€(wěn)壓電源為各模塊內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）提供 24V 直流電源。驅動現(xiàn)場執(zhí)行機構的電源一般由用戶提供。可編程序控制器

17、是從繼電器控制系統(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。這種計算機程序實現(xiàn)的“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理結構在功能上某些相似之處。2 3 機械手 PLC 選擇及參數(shù)綜合上述原則機械手控制系統(tǒng)主機為西門子的S7-224XP。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 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主機的組成（ 1

18、）、輸入單元輸入單元由 8 個按扭、 8 個開關和 16 個接插件組成，它們分別與PLC的 16個輸入點相接。改變這些開關或按扭的通斷狀態(tài)，即可對主機輸入所需要的開關量。 16 個接插件可外接其它直流或開關量輸入信號。（ 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

19、工作電源。內裝變壓器，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。2 4 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

20、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，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 機械手 PLC 控制系統(tǒng)設計3 1 機械手的工藝過程了解設備簡況機械手的結構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動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機驅動螺紋絲桿旋轉來完成的。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

21、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、左移等動作轉換，是由相應的限位開關來控制的，而夾緊、放松動作的轉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，機械手應自動暫停，等待。為此設置了一個光電開關，以檢測“無工件”信號?？刂品矫娴囊螅簣D 3-1 機械手結構圖為了滿足生產要求，機械手設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

22、作可用于調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，按步序自動反復連續(xù)工作，在連續(xù)工作方式下設置兩種停車狀態(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。按下緊急停車按鈕，機械手停止在當前狀態(tài)。當故障排除后，需手動回到原點。3 2 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，需要4 個輸入端子?！盁o工件

23、檢測”信號：用光電開關作檢測元件，需要1 個端子。“工作方式”選擇開關：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、放松以三個電動機轉速的控制等，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?？刂葡到y(tǒng)程序設計（ 1）手動程序 手動操作不需要按工序順序進行動作，所以可按普通繼電器程序來設計。手動操作的梯形圖，如圖 3-3 所示