機械手PLC控制(完整)

1、;一標代總徵業(yè)拉彳前畢業(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

2、手手爪的張合，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(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 交流電機摘要1引言2第一章機械手機械結(jié)構(gòu)31 1 傳動機構(gòu)31 2 機械手夾持器和機座的結(jié)構(gòu)5第二章機械手PLC 及電機的應(yīng)用82 1 PLC 簡介 83 2 PLC 內(nèi)部原理104 3 機械手 PLC 選擇及參數(shù)125 4 機械手電機的選用13第三章機械手PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計146 1 機械手的工藝過程147 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，

3、隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展, 自動化已經(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

4、，受到機械工業(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PLG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(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)1 1 傳動機構(gòu)1.1.1 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)

5、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)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。1.1.2 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)?；瑒勇菪龣C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) .

6、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I 循環(huán)叫內(nèi)循環(huán)。滾珠在返回時與螺桿脫離

7、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，當滾珠進入反向器 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90%Z上。用調(diào)整的方法可消除間隙，傳動精度局。圖1-21. 2機械手夾持器和機座的結(jié)構(gòu)1.1.1 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。回轉(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，但當所夾持的 工件直徑

8、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，體積大，制造 精度要求高。所以當設(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(chǎn) 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(gòu)簡單1.1.2 機座機座是機械手的支撐部件，機座承受機械手的全部

9、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。L軸承 片槌桿3-電動機4-業(yè)速黔5、6. T國艷 匕庭座 圖L3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(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)

10、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

11、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

12、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(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CPl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%fc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

13、，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(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，越來越多的中小 設(shè)備開始采用PLC進行控制，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

14、正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器2. 2 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：央 處 理 單 元(CPU)系統(tǒng)程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū)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 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

15、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PLG 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 問各不相同，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

16、存儲區(qū)，系統(tǒng) RAMff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） PLOWPLC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(wǎng)上去?？删幊绦蚩刂破饕话闶褂?20V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

17、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。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。2.3.1. 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 （-20m4 +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：9W2.3.2. PLC 主機的

18、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

19、壓器，輸出3V電源，供二極管使用。另外 PLC的24VDCW 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(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)已達到九十年代國際先進水平，是Y 系列電機的更新產(chǎn)品。外殼防護等級IP54,它具有良好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

20、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3 1 機械手的工藝過程3.1.1 了解設(shè)備簡況機械手的結(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

21、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。3.1.2 控制方面的要求：左工作臺左工作臺圖3-1機械手結(jié)構(gòu)圖為了滿足生產(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(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)3.1.1 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

23、入端子?！盁o工件檢測”信號：用光電開關(guān)作檢測元件，需要 1 個端子?！肮ぷ鞣绞健边x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。

24、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。3.1.2 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。3.1.3 PLC 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、加緊和放松各個動作。為了保證系統(tǒng)的的安全與進行，設(shè)置了一些必要的連鎖。其中在左、右移動的電路中加入I0.7 作上限連鎖，這是因為機械手只有處于上限位置時，才允許左、右移動。車車 新常急 啟正累期周接限限限單濤下上右s7ruB4xp1 OJ- 0 4 LQ