曹繼君工件傳送機械手的PLC控制系統(tǒng)設計121nn

1、2016屆 分 類 號:TP241.2 單位代碼：10452 畢業(yè)設計工件傳送機械手的PLC控制系統(tǒng)設計姓 名 曹 繼 君 學 號 201209150106 年 級 2012 專 業(yè) 自 動 化 系（院） 汽車學院 指導教師 張偉 2016年 4 月 10 日摘 要基于PLC控制的機械手，物料運輸是機械手的主要功能，循環(huán)復往地將物料從A地運往B地。機械手的機械結構是由執(zhí)行機構，傳動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，輔助裝置組成。外部的輸入信號是靠PLC來接收的，儲存放在PLC中的用戶程序處理各種輸入信號來掌握機械手的動作，驅動機械手的直流電機，使橫軸前后、豎軸上下、底盤轉動、手轉動運動，驅動電磁閥來控制機械手的

2、松緊。在設計過程中，除了要選擇合理的傳動方案、信號采集方式外，最重要的就是PLC程序的編寫，順序編制程序必須要按嚴格動作的實現(xiàn)，要盡量讓程序邏輯準確簡單。關鍵詞：機械手；電氣控制；PLC；程序設計Abstract Basing on PLC control of the manipulator, its main function is the transport material, cycling to material from A to B. The mechanical structure of the manipulator used actuators, transmission

3、system, control system, the auxiliary device. In particular, by PLC receives signals from external input, stored in a user program in a PLC processing various input signal to control the movement of the manipulator, drive dc motor of the manipulator, up and down movement before and after the horizon

4、tal axis and vertical axis, chassis, turning, hand driven solenoid valve to control the clamping and loosening of the manipulator . In the design process, in addition to choose reasonable transmission scheme, the signal acquisition mode, the most important thing is the PLC program, must be in strict

5、 accordance with the action of execution order program, make the program logic correct concise as possible.Keyword：Mainpulator;Electrical control;PLC;The design of program目 錄1課題的目的和意義12 可編程序控制器12.1 可編程序控制器概念12.2 可編程序控制器的特點12.3 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨向12.3.1 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀12.3.2 PLC 的發(fā)展趨向23機械手23.1 機械手的概述23.2 機械手的組成33

6、.3 機械手的應用33.4 機械手的總體設計33.4.1 機械手的總體結構圖和控制面板33.4.2 機械手的工作流程44 硬件的選擇44.1 機械手的夾手44.2 直流電動機的選擇54.3 步進電機的選用54.4 傳感器54.5 PLC 設置54.5.1 PLC 的選型54.5.2 PLC的組成框圖64.6 控制系統(tǒng)的操作64.6.1 手動操作運行64.6.2 自動運行65 硬件設計65.1 直流電機正/反轉硬件互鎖控制電路65.2 主電路圖75.3 PLC的I/O分配85.4 PLC接線圖86 軟件設計96.1 系統(tǒng)程序設計96.1.1 系統(tǒng)正常運行流程圖96.1.2 基本指令編程106.1

7、.3 公用程序116.1.4 手動控制126.1.5 回原位程序126.1.6 自動控制126.1.7 基本指令配合步進指令的編程方法146.1.8 基本指令、初始狀態(tài)指令和步進指令配合的編程方法156.2 系統(tǒng)的調試17結論18參 考 文 獻19謝辭201課題的目的和意義跟著工業(yè)自動化的提高和展開，工業(yè)生產(chǎn)中自動化設備已逐漸成為當代化工業(yè)發(fā)展的趨向。在工業(yè)生產(chǎn)中由于工作的需要常常需要工人在環(huán)境惡劣的條件下工作，如高溫、高壓、帶有毒氣體等工作場所，甚至有的有生命危險，所以有了機械手的誕生，很大程度上避免了工人的傷亡。機械手對于工業(yè)生產(chǎn)的多個方面都具有極為重要的意義，如汽車、電器制造業(yè)、采礦、冶

8、金等領域；在現(xiàn)階段航天醫(yī)藥等高精尖范圍更是具有舉足輕重的位置。機械手是工業(yè)機器人十分重要的一支，對其的研究具有大的實際意義以及經(jīng)濟意義。由于PLC對數(shù)據(jù)較強的處理才能，在工業(yè)上實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化也就十分簡單了。2 可編程序控制器2.1 可編程序控制器概念可編程序控制器（Programmable Logic Controller）是計算機技術與繼電邏輯控制觀念相結合的產(chǎn)品，它的低端是常規(guī)繼電邏輯控制的替代裝置，高端是高性能的工業(yè)控制計算機。PLC是一種基于數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，適應于工業(yè)環(huán)境，接納可編程的存儲器。PLC及其有關外圍設施都易與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)系為一個整體，易于擴展其性能?？删幊绦蜻壿嬁?/p>

9、制器一向在提高，所以直到此刻為止都沒能對其下最后的定義。PLC仍在不停地在提高改進，從而使PLC有更多的功能和開放性，由于它的使用面廣泛，普及水平也較高，所以七天計算機控制設備都無法與之相比。2.2 可編程序控制器的特點PLC在目前工業(yè)控制中的應用是最為普及的，它具有以下特點。1）系統(tǒng)構成靈敏，容易擴充。PLC是以開關量控制的，能夠進行連續(xù)進程的PID回路的控制，還能與上機位聯(lián)結成復雜的控制系統(tǒng)。2）方便操作，編程也容易，能夠采納簡略的梯形圖、語言表或邏輯圖等編程語言，無需具備復雜的計算機常識，所以它的系統(tǒng)開發(fā)周期比較短，現(xiàn)場調試也很容易，也可對程序進行在線修改。3）適應性強，對惡劣的工作環(huán)境

10、有很強的適應性，抗干擾能才也強，可靠性高，遠優(yōu)于其余控制機。2.3 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨向2.3.1 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀  目前，跟著大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路等的微電子技術的成長，PLC已經(jīng)由剛開始的一位機發(fā)展到此刻以16位和32位的微處理器組成的微機化PC，并且PLC還完成了多處理器的多通道處理。PLC技術已經(jīng)很是成熟，不光其控制功能的增強，而且功耗和體積也在減小，可靠性也大幅進步，。隨著遠程輸入輸出和通迅網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理及圖象顯示技術的開展，使得PLC正向著用于連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)過程控制的目標發(fā)展。  現(xiàn)在，世界上已經(jīng)有200多家PLC的生產(chǎn)廠家，各廠家

11、的PLC產(chǎn)品都各具特征。其中，美國是PLC生產(chǎn)大國，馳名的有A-B公司、通用電氣公司、莫迪康公司。歐洲PLC產(chǎn)品的主要生產(chǎn)商包含德國的西門子（SIEMENS）、AEG、法國的TE。日本也有很多的PLC生產(chǎn)商，如三菱、松下、歐姆龍等，韓國有三星（SAMSUNG）等。  經(jīng)過這么多年的發(fā)展，我們國內PLC生產(chǎn)廠家也約有三十家，大陸的應用市場仍是以海外的產(chǎn)品為主。大陸在開展PLC業(yè)務時也有較大的競爭優(yōu)勢，如：需求上風、產(chǎn)物的定制特長、資本特長、服務特長。2.3.2 PLC 的發(fā)展趨向1）向高速度，大存儲方向開展。為了提高PLC的處理才能，要求其具備更好的響應速率以及更大的存儲容量

12、。目前的大中型PLC.速度可達到0.2ms/k步左右。而且各個大公司都已經(jīng)把PLC的掃描速度作為競爭指標，而且這個指標是非常重要的。2）向多種類方向發(fā)展。目前的中小型PLC 已經(jīng)非常普遍。為了適應市場的多種需要，從此PLC的發(fā)展要向著更多品種的方向發(fā)展，特別是向超大型以及超小型的方向發(fā)展。為了適應大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的需求，還需要增多的是輸入輸出點數(shù)。3）編程語言多樣化。PLC系統(tǒng)布局的在不停地成長，不斷發(fā)展的還有編程軟件。編程語言也朝著多種編程語言的方向發(fā)展。雖然大多數(shù)的PLC都是采用繼電器梯形圖語言，可是新的編程語言還是在不斷的出現(xiàn)，此刻已有部分的PLC采納了高級語言，使得個人計算機技術可以貫穿

13、到PLC中。4）發(fā)展智能模塊。智能模塊以微處理器為基礎，它可以與可編程控制器 的主CPU并行工作，占用時間很少，所以很利于提高PLC掃描速度。發(fā)展智能模塊可以進一步提高PLC的處理信息能力和控制功能。3機械手3.1 機械手的概述機械手是具有高度科技的工業(yè)制造設備?，F(xiàn)如今，隨著電子技術尤其是電子計算機技術的普及運用，愈加促使了機械手快速發(fā)展，使機械手能夠更好地完成與機械化以及自動化的完美聯(lián)合。機械手能夠模擬人的手和手臂的某些舉措，用來依照固定的程序抓取及搬運物件等操作工作。最早呈現(xiàn)的現(xiàn)代工業(yè)機器人就是機械手，它可代替人手完成繁重以及有危險的工作，用以減輕人的工作強度和保護人身安全，因此機械、冶金

14、、等領域得到了普及的運用。機械手目前盡管還不像人手那樣靈敏，但它能夠重復工作不知疲倦，還具有不怕困難、抓舉力大等人手所不具備的特點，因此，機械手已經(jīng)越來越受青睞。3.2 機械手的組成機械手通常是由以下四個系統(tǒng)組成。1）執(zhí)行機構。機械手的執(zhí)行機構，是由手、腕、臂、支柱構成。手實現(xiàn)抓取功能，用來夾起或放開工件，與人的手指類似，可以實現(xiàn)人手的相似動作。手腕把手指和手臂聯(lián)結起來，能夠實現(xiàn)多方位動作，如上升下降、向前向后以及拉伸回轉等動作。簡單機械手是可以不需要手腕的參與的。手臂是靠支柱來支撐的，也能夠制造成移動的。2）傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)來完成執(zhí)行機構的動作。多用機械、液壓、氣壓、電動傳動等。3）控制系

15、統(tǒng)。控制系統(tǒng)使得被控的機械手根據(jù)特定的的程序、目標、方位、速度執(zhí)行工作，控制系統(tǒng)對于簡單機械手不需要設置，只需要采納SQ、繼電器、控制閥及電路就能夠完成對傳動系統(tǒng)的各項控制，使得執(zhí)行機構的工作是按照要求來的。 如果機械手需要完成復雜的工作，那么就要采用PLC或微型計算機來對其進行控制了。4）輔助裝置。機械手的各個部位由輔助裝置來聯(lián)結起來的。3.3 機械手的應用步入信息時代，今天的科技高速發(fā)展，近些年來，自動化機械手對產(chǎn)品質量的提高、工作效率的提高、能源的節(jié)約、生產(chǎn)成本的降低以及增加企業(yè)競爭力都起到了非常重要的作用。利用機械裝置代替人來完成工作是生產(chǎn)自動化的實質所在，使工人可以從復雜危險單調的工

16、作狀況中解放出來。機械手能夠實現(xiàn)各種功能，這樣對于設計人員的設計是非常方便的。3.4 機械手的總體設計 機械手的總體結構圖和控制面板機械手基本結構圖如圖3-1所示，控制面板如圖3-2所示。圖3-1 機械手的基本結構圖圖3-2 機械手控制面板示意圖 機械手的工作流程底盤、立桿、手臂、手構成了機械手。當機械手移動到傳送帶B的工件處時工件就會被夾緊，再把工件轉移到傳送帶A的指定位置。機械手放下工件后，機械手又回到開始設置的位置，這樣就完成了一次工作。底盤是由直流電動機驅動的，底盤的左右旋轉是由電動機的順/逆時針控制的；步進電機驅動立桿，步進電動機的速度是由CP脈沖頻率的改變來變化的，達到變化立桿升降

17、速度的目的；步進電動機驅動手臂，手臂的伸縮速度是由CP脈沖頻率的改變來變化的；直流電動機控制手，手的松緊由電動機的順/逆時針來控制。行程開關用于定位。4 硬件的選擇4.1 機械手的夾手本次設計方案采用機械手的夾手為二指式。夾手是用來夾工件的，機械手夾力的大小要根據(jù)所夾取物件的質量等來確定。與此同時還需要考慮夾取不同大小得物件時夾手張開的不同程度，既要避免夾力過大損壞工件又要避免夾力過小使物件在傳送過程中脫落。夾手的控制是通過壓力傳感器來控制的。4.2 直流電動機的選擇夾手和主軸旋轉均由微型直流電動機DS-33RS528實現(xiàn)，其規(guī)格表4-1所示：表4-1 直流電機主要參數(shù)型號DS-33RS528

18、類型直流電動機額定電壓24V尺寸直徑33mm額定電流額定功率在電路中不允許正、反轉控制繼電器同時通電閉合，在這種控制方式下，僅僅靠軟件互鎖來保證正、反轉控制繼電器不同一時刻得電是不可行的，因為PLC的執(zhí)行指令速度非常快，并且外部實際繼電器是通過線圈得電到觸電閉合，以及通過線圈失電到觸點斷開都需要經(jīng)過一段時間的延遲。在此狀況下，電路中不但要有軟件互鎖，而且還要有硬件互鎖。4.3 步進電機的選用步進電動機作為執(zhí)行元件，能夠實現(xiàn)數(shù)字控制，無需轉換可以直接接受到數(shù)字信號，輸出的位移量與輸入的數(shù)字量脈沖相對應。使用步進電機可以簡化控制系統(tǒng)所以可以降低成本。步進電機的電氣規(guī)格如表4-2所示：表4-2 步進

19、電機電氣規(guī)格型號J57HB51-03類型步進電動機額定電壓36V步距角1.8°額定電流3A額定功率100W4.4 傳感器機械手采用的傳感器有接近開關，行程開關以及壓力傳感器。接近開關在一般情況下輸出的是高電頻，當其接近所要控制的位置時便變成低電頻輸出，開關一旦動作輸出端就要接地。當擋板碰到行程開關時它的常開觸點閉合。壓力傳感器主要用在機械手的夾手上，用來確定夾取物塊所需的不同張開程度。4.5 PLC 設置 PLC 的選型三菱FX系列簡單易用好上手，界面相對友好，編程方式較多，對編程者來說也十分方便。FX2N是三菱公司 FX 系列 PLC 中功能最強、速度最快的 PLC。其電源電壓為交

20、流 220V，有開關量輸入、輸出點各 40 個。輸入回路電壓為直流 24V，X0X7 的輸入電流為 7mA，其余輸入點為5mA。電阻性負載時輸出點的額定輸出為 2A、220V。4.5.2 PLC的組成框圖其PLC的基本結構如圖4-1所示。圖4-1 PLC的組成框圖4.6 控制系統(tǒng)的操作 手動操作運行（1）手動控制。機械手位置的調整是通過各個控制按鈕手動操作來實現(xiàn)的，從而進行對設備的調試工作。通過對機械手的單獨控制可以完成升降，左右，松緊等工作。（2）復位控制。按下復位鍵機械手便可以松開，碰到上限位及左限位開關，回到原點，原點的指示燈遍接通。 自動運行（1）單步運行。每按下一次單步啟動按鈕，系統(tǒng)

21、便運行一次。（2）單循環(huán)運行。機械手位于原點時按下啟動按鈕，可以實現(xiàn)一次工步后回到原點，若在此期間按下停止按鈕就會停止工作，如果再次啟動，將會在此基礎上繼續(xù)動作然后回到原點。（3）自動循環(huán)運行。機械手處于原點位置，按下啟動按鈕執(zhí)行一次工作，回到原點后繼續(xù)此工作。5 硬件設計5.1 直流電機正/反轉硬件互鎖控制電路控制電路圖如圖5-1所示。圖5-1 直流電機正/反轉硬件互鎖控制電路5.2 主電路圖PLC機械手主電路圖如圖5-2所示。圖5-2 PLC機械手主電路圖5.3 PLC的I/O分配輸入輸出分配表如表5-1所示。表5-1 PLC輸入/輸出分配表輸入信號輸出信號名稱代號輸入點編號名稱代號輸出點

22、編號手動擋SAX0下降電磁閥線圈YV1Y0回原位檔SAX1上升電磁閥線圈YV2Y1單步檔SAX2右行電磁閥線圈YV3Y2單周期檔SAX3左行電磁閥線圈YV4Y3連續(xù)檔SAX4松緊電磁閥線圈YV5Y4回原位按鈕SB9X5起動按鈕SB1X6停止按鈕SB2X7下降按鈕SB3X10上升按鈕SB4X11右行按鈕SB5X112左行按鈕SB6X13夾緊按鈕SB7X14松開按鈕SB8X15下限位開關SQ1X16上限位開關SQ2X17右限位開關SQ3X20左限位開關SQ4X215.4 PLC接線圖PLC外部電氣接線圖如圖5-3所示。 圖5-3 PLC外部電氣接線圖6 軟件設計6.1 系統(tǒng)程序設計 系統(tǒng)正常運行流

23、程圖系統(tǒng)運行流程圖6-1所示。圖6-1 系統(tǒng)運行流程圖 基本指令編程機械手系統(tǒng)的程序是由公用程序、自動程序、手動程序以及回原位程序四部分組成。因為單步單周期和連續(xù)運轉的程序的工作順序相同，因此可以編在一起組成自動程序。條件跳轉指令（FNC00 CJ）和指針標號（P0-P127）可以改變程序執(zhí)行的步驟。若是打到手動擋操作，觸點X0是ON，觸點X1是OFF，程序從上到下、從左到右執(zhí)行，程序執(zhí)行到跳轉指令后跳轉到P0，因為P0處的常閉觸點X0斷開，所以不再執(zhí)行跳轉程序，開始執(zhí)行手動程序。若是打到“自動擋”操作，X0和X1都是OFF，第一次跳轉程序不執(zhí)行，執(zhí)行完自動程序后，因為常閉觸點X0是0N,所以

24、第二次跳轉執(zhí)行程序，跳轉到P1，還是因為常閉觸點X1為ON，所以又執(zhí)行第三次跳轉，跳到P2結束。若是“回原位”操作，只實現(xiàn)公用程序和回原位程序。若是“單步”或“連續(xù)”操作，則只需完成公用程序和自動程序。程序的總體結構圖如圖6-2所示。圖6-2 程序的總體結構圖 公用程序公用程序如圖6-3所示，當Y4復位（即松緊電磁閥松開）、左限位X21和上限位X17接通時，輔助繼電器M0變?yōu)镺N，說明機械手在原位。假如開始執(zhí)行用戶程序（M8002為ON）、系統(tǒng)處于手動或回原位狀態(tài)（X0或X1為ON），那么初始步對應的M10被置位，連續(xù)工作方式作好準備。如果M0為OFF，M10被復位，系統(tǒng)不能進入連續(xù)工作方式。

25、指令ZRST）是成批復位的應用指令，以防止系統(tǒng)從自動方式轉換到手動方式，再返回自動方式時出現(xiàn)兩種不同的活動步。圖6-3 公共程序梯形圖 手動控制手動程序如圖6-4所示，用X10到X15對應機械手的上下左右移行和夾鉗松緊的按鈕。為了防止機械手在較低位置工作時碰到其他工件可在左/右移動的程序中串聯(lián)上限位置開關的動合觸點。程序之間的聯(lián)鎖保證了系統(tǒng)的安全運行。圖6-4 手動程序梯形圖 回原位程序如圖6-5所示為回原位程序，系統(tǒng)在回原位程序時，按下回原位按鈕（X5為ON），M3變?yōu)镺N，機械手松開和上升，當機械手升到上限位時（X17變?yōu)镺N），機械手執(zhí)行左行，直到機械手移到左限位（X21變?yōu)镺N）時才能

26、終止，并且M3復位。圖6-5 回原位程序 自動控制自動程序如圖6-6所示，系統(tǒng)為單步工作方式時，X2是ON，其動斷觸點是斷開的，輔助繼電器在通常情況下M2是OFF 。X3和X4都是OFF，“單周期”和“連續(xù)”工作方式被禁止。如果系統(tǒng)處在初始狀態(tài)，M10是ON,起動按鈕X6被按下時，M2變成了ON,使得M11是ON，Y0線圈便得電，機械手隨即下降。起動按鈕被放開后，M2馬上變成OFF。當機械手到達下限位時， X16動斷觸點也跟著斷開，Y0線圈立即失電，機械手的下降動作會停止。這時，M11、X16都是ON，他們的動合觸點也接通，起動按鈕X6再次被按下時，M2又變成了ON，M12得電，而且保持，機械

27、手處于夾緊狀態(tài)，這時M11也變成了OFF。圖6-6 自動控制程序圖 基本指令配合步進指令的編程方法應用步進指令去編機械手順序控制的程序很容易也非常直觀，如圖6-7所示。圖6-7 機械手自動連續(xù)運行的順序功能圖M8002只有在開始運行時才會接通，而且僅此一次。S0為初始狀態(tài)，是回原位程序的象征。在工作狀態(tài)是續(xù)連的情況下，X4為ON，回原位按鈕X5被按下后，可以確保機械手在原位狀態(tài)。在原位的機械手，夾手松開是Y4，Y4是OFF，上限位X17是ON、左限位X21也是ON，這個時候按下起動按鈕X6，狀態(tài)轉到S20，Y0線圈通電，機械手開始下降。在機械手碰到下限位開關X16時，X16變成ON，狀態(tài)又變到

28、S21，Y0線圈失電，機械手便停止下降，Y4被置位，夾手開始夾起工件，定時器T0啟動，1.7s后定時器的觸頭接通，狀態(tài)又轉為S22，此時機械手便開始上升。機械手到達原位時，X21變成ON，狀態(tài)變?yōu)镾0，機械手自動進入運行下一次程序。 基本指令、初始狀態(tài)指令和步進指令配合的編程方法初始狀態(tài)指令順序控制的程序如下所示。圖6-8為初始化程序，當機械手處于原位時才能對其進行自動控制。圖6-9為手動方式程序，通過手動按鈕完成各項操作。圖6-10是回原位程序，只要按回原位按鈕就可以。圖6-11為自動方式程序，M8041和M8044在初始化程序中已經(jīng)設定不需要再改變。指令表如圖6-12所示。圖6-8 初始化

29、程序圖6-9 手動方式程序圖6-10 回原位程序 圖6-11 自動方式程序圖6-12 指令表6.2 系統(tǒng)的調試系統(tǒng)的調試首先對PLC外部接線進行檢查，外部接線要準確。為了人生安全要將主電路斷開。外部接線正確后再連接主電路，模擬調試好的程序要送到用戶存儲器才能進行調試，當各部分能正常工作并完成整體的控制說明調試成功。運用硬件設備模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其實時性很強。 結論設計中根據(jù)對系統(tǒng)的分析完成了PLC的梯形圖，繪制了順序流程圖。完成了機械手的各項工作。本設計主要實現(xiàn)了以下功能:（1） 水平軸的升降、左右移、伸縮;（2） 夾手的松緊;（3） 主軸的旋轉。實現(xiàn)工件的傳送，循環(huán)往復地將物件在兩地傳送。由PLC和電機配合驅動機械手完成工作。在設計過程中，除了要選擇合理的傳動方案、信號采集方式外，PLC的設計占了本次設計的大量篇幅，也是設計的主要內容，所以要使設計更好運行，PLC的程序編輯就必須準確。智能機械手是未來發(fā)展的趨勢，其發(fā)展也朝著微型化發(fā)展，以后一定會涉及更廣泛的領域。參 考 文 獻1田濤.過程計算機控制及先進控制策略的實現(xiàn)M.北京：機械工業(yè)出版社，2006.2熊幸明.電