三菱fx plc 机械手课程设计

机电一体化系统设计 课程设计说明书 题 目 机械手 PLC 控制系统设计 机械工程 系 机械设计制造及其自动化 专业 0805 班 10 号 学生姓名 彭交清 . 指导教师 伍新 吴晨曦 . 完成日期 2011 年 11 月 23 日 . 湖南工程学院机械工程系 湖 南 工 程 学 院 课 程 设 计 任 务 书 设计题目： 机械手 PLC 控制系统设计 姓名 系别 机械工程 专业 机械设计 班级 08 级 学号 指导老师 伍 新 吴晨曦 教研室主任 陈小异 一、设计要求及任务 1设计要求 （1）用 PLC 进行控制； （2）自动循环工作方式； （3）有必要的连锁保护。 2设计任务 （1）绘制工作流程框图或顺序功能图； （2）绘制 PLC 的硬件接线图； （3）相关元器件的计算与选型，制定元器件明细表； （4）编写全程序梯形图或指令表，并通过调试； （5）编写设计说明书。 二、进度安排及完成时间 1设计时间：两周，2011 年 11 月 13 日至 2011 年 11 月 25 日。 2进度安排 第 12 周：布置设计任务，查阅资料，熟悉设计要求及任务，软硬件设计。 第 13 周：调试程序，整理资料，撰写设计说明书，答辩，交设计作业。 （打印稿及电子文档）。 2 目 录 摘要1 一引言2 二机械手的工作原理8 （一）机械手的概述8 （二）机械手的工作方 式8 三机械手控制的硬 件设计10 （一）输入和输出点分配表及原理接线图 10 四.控制程序 11 （一）通用部分梯形图设计11 （二）手动操作梯形图11 （三）返回原位流程图12 （四）返回原位梯形图13 （五）“自动”状态梯形图13 （六）“自动”状态流程图15 （七） 搬运机械手 PLC 控制梯形图及指令表16 五总结与评价20 六致谢21 参考文献22 摘要:伴随着机电一体化在各个 领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于 某些工作环境如高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度。机械手是工业 机器人系统中传统的任务执行机构。其中工 业机械手是近代自 动控制领域中出现的一项新技 术,它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工 件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提 高劳动生产率。本设计采用三菱 Q 系列 PLC 作为控制机对工业机械手进行控制及监控。 关键词：可编程控制器PLC;机械手;伺服马达 4 一、 引言 1.1 可编程控制器 PLC，它是 20 世纪 70 年代以来，在集成电路、计算机技 术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配 置灵活、使用方面以及体积小、重量轻等优点，国外已经广泛应用于自动化控制 的各个领域，并已成为实现工业生产自动化得支柱产品。近年来，国内在 PLC 技 术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备、自动化生产线， 国产的机床设备已越来越多地采用 PLC 控制系统取代传统的继电-接触器控制系 统。与继电-接触器系统相比更加可靠；占位空间更小；价格上与继电-接触器控 制系统能形成竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动 电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系 统直接传输数据等。 本课题在对一种执行机构由电动机和液压缸组成的工业机械手的结构进行分 析的基础上，将 PLC 应用于其控制系统，完成了系统的硬件设计和软件设计。根 据该机械手的工作特点，采用步进顺序控制方式，是程序简化，便于调试。将 PC 与 PLC 组成分布式控制系统，进行联网通信，工作人员可在上位机上编程、 监控设备运行情况，实时地对现场参数进行修改、调整，使系统工作与最佳状态。 搬运机械手的应用简况在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的 主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自 动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品 种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、 装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件 中，有 75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件 真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5。从这里可看出，装卸、搬运 等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机 械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自 动化生产，广泛应用于柔性自动线。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主 要应用于以下几方面： （1）热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提 高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能 胜任的作业就更需要采用机械手操作。 （2）冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机 加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为 设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上 下工序联接的重要于段。 （3）拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。 目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动 缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。 近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆， 以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。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，工业机械手已经成为工业生产中提 高劳动生产率的重要因素。 1.2 机械手的应用意义 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： （1）可以提高生产过程的自动化程度,应用机械手有利于提高材料的传送、 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。 （2）可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰 尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人 手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全 地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操 作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身 事故。 （3）可以减少人力，便于有节奏地生产。应用机械手代替人手进行工作， 这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少 人力的另一个侧面。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。 综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.3.3 机械手的发 展概况与发展趋势。 1.3 机械手的发展概况 6 专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由 于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的 知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子 技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因 此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十 年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地 增加，应用领域也在不断地扩大。早在 40 年代，随着原子能工业的发展，已出 现了模拟关节式的第一代机械手。5060 年代即制成了传送和装卸工件的通用机 械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特 (Unimate)机械手即属于这种类型。6070 年代，又相继把通用机械手用于汽车车 身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。 80-90 年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90 年代机械手在特殊用途 上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、 体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90 年代以后，随着计算机技术、 微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总 之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控 制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二 代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。 研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机 械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐 步发展成为柔性系统 FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。 1.4 机械手的发展趋势 目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、 性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应 用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。 在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机 械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆 动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通 用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用 途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提 高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究 伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联 用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中，工业 机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点 焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具 备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部 件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智 能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变 更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触 觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器） 以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计 算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工 作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指 寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住 工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整 握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提 高。到 1995 年，全世界约有 50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要 的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械 制造系统的人工操作状态。 1.5 PLC 概况及在机械手中的应用 （1）可编程序控制器的应用和发展概况 可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为 PLC（programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算 机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通 信网络技发展起来的 一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领 域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。在可编程序控制器问 世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构 简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积 大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接 8 线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之 改变或更换，通用性和灵活性较差 （2）PLC 的应用概况 PLC 的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的 PLC 几乎可以说凡是需要控 制系统存在的地方就需要 PLC，尤其近几年来 PLC 的性价比不断提高已被广泛应 用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。 按 PLC 的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。 （1）用于逻辑控制 这是 PLC 最基本，也是最广泛的应用方面。用 PLC 取代继电器控制和顺序控制器 控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。 （2）用于模拟量控制 PLC 通过模拟量 I/O 模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。 （3）用于机械加工中的数字控制 现代 PLC 具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计 算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。 （4）用于工业机器人控制 （5）用于多层分布式控制系统 高功能的 PLC 具有较强的通信联通能力，可实现 PLC 与 PLC 之间、PLC 与远程 I/O 之间、PLC 与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动 化网络。 1.5 PLC 概况及在机械手中的应用 （1）可靠性高、抗干扰能力强 PLC 能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠 地工作，PLC 的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的 F1 系列 PLC 平均无故障 时间间隔长达 30 万 h，这是一般微机所不能比拟的。 （2）. 控制系统构成简单、通用性强由于 PLC 是采用软件编程来实现控制功 能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变 PLC 的硬件设备，只需相应改变软件程序。 （3）. 编程简单、使用、维护方便 （4）. 组合方便、功能强、应用范围广 PLC 既可用于开关量的控制又可用于 模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单 系统，又可控制复杂系统。因此，PLC 应用范围很广。 （5）. 体积小、重量轻、功耗低 PLC 采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载 功耗约 1.2KW。 5.PLC 在机械手中的应用 机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳 动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气 及流水线控制，而 PLC 以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用 性强;编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围广; 体积小、重 量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正 是以 PLC 控制为基础从而实现机械手的各种动。 10 二、机械手的工作原理 （一）机械手的概述 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来， 随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术 领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手 能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不 知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多 部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如： （1）机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 （2）在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机 械行业中它可以用来组装零部件。 （3）可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 （4）在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 （5）宇宙及海洋的开发。 （6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。 （二）机械手的工作方式 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。当旋钮打 向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完 成各工步操作，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。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。 1 本次课程设计的机械手用于车间生产线上工件的自动搬运，根据对机械手 的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如下图所示： 图 1 机械手的动作周期 如图所示机械手能实现手动、回复位、单步、单周期和连续等五种工作方式。 手动工作方式时，用各按钮的点动实现相应的动作；回复位工作方式时，按下 “回复位”按钮，则机械手自动返回原位；单步工作方式时，每按一次起动按钮 机械手向前执行一步；选择单周期工作方式时，每按一次起动按钮，机械手只运 行一个周期就停下；连续工作方式时，机械手向前执行一步；只要按下起动按钮， 机械手就会连续循环动作，直到按下停止按钮，机械手才会最后运行到原位并停 下；而在传送工件的过程中，机械手必须升到最高位置才能左右移动，以防止机 械手在较低位置运行时碰到其它工件。 图 2 机械手传送示意及操作动作传送图 12 图 3 机械手传送示意及操作动作执行图 三、机械手控制的硬件设计 （一）输入和输出点分配表及原理接线图 表 1 机械手传送系统输入和输出点分配表 输入触 点 功能 输入触 点 功能 输入触 点 功能 输出触 点 功能 X1-SQ2 左限位 X10 手动 X16 启动 Y0 上升 X2-SQ2 右限位 X11 回原点 X17 停止 Y1 下降 X4-SQ2 上限位 X12 单步 X20 夹紧 Y2 右行 X5-SQ2 下限位 X13 单周期 X21 松开 Y3 左行 X14 连续 X22 上升 Y4 夹紧/放松 X23 下降 X24 右行 X25 左行 表 1 机械手传送系统输入和输出点分配表 图 4 机械手硬件控制连线图 四、控制程序 （一）通用部分梯形图设计 公用程序用于自动程序和手动程序相互切换处理。左限位开关 X1、上线位开 关 X4 的常开触点和表示夹紧装置松开的 Y4 的常闭触点组成的串联电路接通时， “远点条件”辅助继电器 M5 变为 ON。 当机械手处于原点状态（M5 为 ON），在开始执行用户程序（M8002 为 ON）、 系统处于手动状态或回原点状态（X10 或 X11 为 ON）时，初始步对应的 M0 将被 置位，为进入单步、单周期和连续工作方式工作方式作好准备。如果此时 M5 为 OFF 状态，M0 将被复位，初始步为不活动步，进入单步、单周期和连续工作方式 工作后按启动按钮也不会转换到下一步，因此禁止了单步、单周期和连续工作方 式的运行。 系统处于手动工作方式时，必须将除初始步以外的各步对应的辅助继电器 （M20M27）复位。在非连续方式，将表示连续工作状态的 M7 复位。否则当系统 从自动方式切换到手动方式，然后又返回自动方式时，可能会出现同时有两个活 动步的异常情况，引起错误的动作。 （二） 手动操作梯形图 14 1.手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方 式来设计梯形图。“手动操作时”按下放松按钮时，机械手卡抓松开，当松开放 松按钮时，机械手卡爪在液压缸作用下自动加紧并保持；按下上升按钮，上升输 出 Y000 保持接通；按下下降按钮，Y001 保持接通；在上限位按下右行按钮，右 行输出 Y002 接通，至行程开关 SQ2 闭合。手动操作梯形图设置有互锁，只有在 小车处于左限位（即 X001 闭合）或右限位（即 X002 闭合）时机械手的上升下降 动作才能进行，只有当机械手处于下限位（即 X005 接通）机械手的加紧放松动 作才可以手动控制；为了安全，同一个电动机的正反转线圈不能同时接通，设计 中设计了自锁开关，防止线圈同时接通造成的短路。故手动操作时梯形图如图所 示： 手动操作梯形图 从梯形图可以看出，用上限位开关 X4 为 ON 作为手动左行和右行的条件，禁 止机械手在较低的位置水平运动 （三）.返回原位流程图 在“返回原位”状态下，“夹紧”与“下降”动作应被停止，上限位未动作 时，应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位 置。故返回原位梯形图如图所示： （四）. 返回原位梯形图 在“返回原位”状态下，“夹紧”与“下降”动作应被停止，上限位未动作 时，应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位 置。故返回原位梯形图如图所示： 返回原位梯形图 （五）.“自动”状态梯形图 自动程序里面有单步与非单步、单周期与连续的区分，工作于单步的时， X12 的常闭触点断开，这时 M6 为 OFF 不允许步与步之间的转换：在连续工作方式， X14 为 ON，按下启动按钮 X16，连续标志 M7 变为 ON 并锁存。在单周期工作方式， 因为 X14 为 OFF,M7 不会变为 ON。程序流程图如下： 16 (六)“自动”状态流程图 18 （七）搬运机械手 PLC 控制梯形图及指令表： 20 搬运机械手 PLC 控制梯形图 22 五总结与评价 机械手的控制对于很多场合需求很大，不论是机床使用的小型系统还是 流水线上的这类设备，其基本动作要求类似，所以控制的实现也可以相互借 鉴。对于控制程序的编写，这里给出的只是一种实现手段，使用可编程控制 器还有其他的方法可以实现这样的控制，针对所用的具体系统的情况，设计 人员可以选用不同的方法来编写程序。机械手高效的工作效率，准确的定位 精度，以及简单的结构及控制方式是人手不能替