专业综合应用与工程能力实践训练-机械手臂搬运加工流程PLC设计.doc

专业综合应用与工程能力实践训练专业综合应用与工程能力实践训练 机械手臂搬运加工流程控制 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 助教 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本 1104 班 完成时间： 2014 年 12 月 11 日 1 摘 要 随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应 用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线 或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其 他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。 本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上 升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动 机的正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退的运动运动；其动作转换 靠设置在各个不同部位的行程开关（SQ1-SQ9)产生的通断信号传输到 PLC 控制 器，通过 PLC 内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁 阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、 上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操 作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要 求。 关键词：搬运机械手，可编程控制器（PLC），液压，电磁阀 2 ABSTRACT With the popularization and development of industrial automation, the controllers demand is increasing year by year, the application of carrying manipulator is gradually popular, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing, food, medicine and other production line or in the field of cargo transportation, can be better to save energy and improve the efficiency of transportation equipment or products, in order to reduce the limitation and deficiency of other ways of transportation, to meet the requirements of the modern economic development. The mechanical structure of the manipulator is mainly include the two solenoid valve control hydraulic steel to achieve the up and down movement of the manipulator and the clamping workpiece movement, two speed motor respectively through two coil control motor and reversing, so as to realize the car fast, slow, fast return, the motion of slow movement back; Its motion transformation by setting in various parts of the travel switch (SQ1 - SQ9) produced by on-off signals to PLC controller, through the PLC internal program output different signals, thus driving the external loop to control the motor or solenoid valve produce different movements, which can realize accurate positioning of the manipulator; Its action process includes: fall, clamping, rising, slow, fast forward, slowly into the, time delay, slow down, relax, up and retreat, retreat quickly, slow retreat; Its operating mode including: back in situ, manual, single step, single cycle, continuous; To meet the requirements for the various operations in the production. Key words Carrying manipulator, programmable controller (PLC), hydraulic pressure, electromagnetic valve 3 目 录 第 1 章 机械手臂搬运加工流程控制工艺流程分析.1 1.1 机械手臂搬运加工流程控制过程描述.1 1.2 机械手臂搬运加工流程控制工艺分析.1 第 2 章 机械手臂搬运加工流程控制系统总体方案设计.3 2.1 机械手臂搬运加工流程控制系统硬件组成.3 2.2 机械手臂搬运加工流程控制方法分析.3 2.3 机械手臂搬运加工流程控制系统的 I/O 分配.4 2.4 机械手臂搬运加工流程控制系统接线图设计.4 第 3 章 机械手臂搬运加工流程控制系统梯形图程序设计.5 3.1 机械手臂搬运加工流程控制程序流程图设计.5 3.2 机械手臂搬运加工流程控制程序梯形图设计.5 第 4 章 机械手臂搬运加工流程控制监控系统设计.6 4.1 PLC 与上位监控软件通讯 .6 4.2 上位监控系统组态设计.6 4.3 实现的效果.7 第 5 章 机械手臂搬运加工流程控制监控系统调试及结果分析.8 5.1 机械手臂搬运加工流程控制系统调试及解决的问题.8 5.2 结果分析.8 课程设计心得.9 参考文献.10 附录.11 4 第第 1 1 章章 机械手臂搬运加工流程控制工艺流程分析机械手臂搬运加工流程控制工艺流程分析 1.11.1 机械手臂搬运加工流程控制过程描述机械手臂搬运加工流程控制过程描述 如图1-1所示，有两部机械装置对工作物进行加工，对象由输送带A送到加工 位置，然后再由机械手臂将加工物送至工作台1的位置进行第一步骤加工。当第 一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工； 当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，最后由7段数码管 显示加工完成的数量。 工作台 1工作台 2 输送带 A 工作 机械手臂 输送带 B 图1-1机械手臂搬运加工流程控制过程示意图 1.21.2 机械手臂搬运加工流程控制工艺分析机械手臂搬运加工流程控制工艺分析 机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或 操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化， 能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、 轻工和原子能等部门。 目前机械手的主要发展经历可以分为三代：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和柔性制造单元FMC中重要的环节。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工 件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而 有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转 5 动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。 运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取 空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参 数。 机械手的运动机构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升 下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机 的正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退的运动运动；其动作转换靠 设置在各个不同部位的行程开关产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内 部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动 作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进、快 进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回 原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。 本次设计使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起 动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限 开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等待机械对工作物加工；当 工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降 一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。当第二加工步骤完成 时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放 置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完成的数次。动作示意图如图1-2所 示。 原位 左移上升放松下降 右移 上升夹紧下降 图1-2机械手控制动作示意图 6 第第 2 2 章章 机械手臂搬运加工流程控制系统总体方案设计机械手臂搬运加工流程控制系统总体方案设计 2.12.1 机械手臂搬运加工流程控制系统硬件组成机械手臂搬运加工流程控制系统硬件组成 本设计中采用的机械手，水平（X）轴、垂直（Y）轴采用步进电机控制， 底盘的旋转采用直流电机控制，抓取物体的电磁阀采用气动形式。步进电机的控 制，由对应的步进电机驱动器电路完成。完成本设计需要的实验设备有：1）机 械手模型 2）计算机 3）导线 4）气泵 5）晶体管输出型可编程控制器 机械手的控制面板分以下几个模块： 1.步进电机驱动及步进电机 驱动器电流设定为 0.63A，细分设定为 8 细分，将 24V 电源接入驱动器，此 时驱动器的电源指示灯应点亮；将 24V 与 OPTO 端（驱动器使能端）连接起来； PUL 端是脉冲输入端；DIR 是方向控制输入端。 2.直流电机本设计用的气夹电机和底座电机均是 24V 直流电机，PLC 控制两 个直流继电器的吸合来控制电机的正转和反转。 3.旋转编码盘 在本设计模型的底座上有一个旋转编码盘，在底座旋转时，在此产生一个 VP-P 为 24V 的方波信号，可以提供给 PLC 的高速计数器，用于机械手的定位控 制。 4.接近开关 在本设计模型中底座和气夹的限位通过 4 个电感式接近开关来完成。接近开 关与触头接近时接近指示灯点亮、输出低电平，否则为高电平。 5.行程开关 在本设计模型中两个滚珠丝杆的限位通过 4 个滚轴式行程开关来完成。当行 程开关压下时，常开触点闭合，给 PLC 一个控制信号。 2.22.2 机械手臂搬运加工流程控制方法分析机械手臂搬运加工流程控制方法分析 本次的设计使用的是 THWJX-1 型机械手实物教学实验装置。本装置需采用 晶体管输出型可编程控制器，可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进 电机运行。由于机械手系统的输入/输出点少，要求电气控制部分体积小，成本低， 并能够用计算机对 PLC 进行监控和管理，该机械手的控制为纯开关量控制，且 I/O 点数不多，考虑留有一定的裕量，故选用日本三菱公司生产的多功能小型 FX1N-24MT-D 主机。 7 2.32.3 机械手臂搬运加工流程控制系统的机械手臂搬运加工流程控制系统的 I/OI/O 分配分配 根据机械手动作的要求及机械手实物教学实验装置说明指导，输入、输出点 分配情况如表 2-1 所示。 表 2-1PLC 的 I/O 分配表 名称输入名称输出输出 气夹正转限位X0驱动器一 PULY0 气夹反转限位X1驱动器二 PULY1 基座正转限位X2驱动器一 DIRY2 基座反转限位X3驱动器二 DIRY3 旋转脉冲X4气夹正转Y4 X 轴前限位X5气夹反转Y5 X 轴后限位X6基座反转Y6 Y 轴上限位X7基座正转Y7 Y 轴下限位X10气夹电磁阀 YV+Y10 启动按钮X11 复位按钮复位按钮X12 2.42.4 机械手臂搬运加工流程控制系统接线图设计机械手臂搬运加工流程控制系统接线图设计 本模型的接线设计如图 2-1 所示如下。 图2-1PLC控制系统接线图 8 第第3 3章章 机械手臂搬运加工流程控制系统梯形图程序设计机械手臂搬运加工流程控制系统梯形图程序设计 3.13.1 机械手臂搬运加工流程控制程序流程图设计机械手臂搬运加工流程控制程序流程图设计 见附录1。 3.23.2 机械手臂搬运加工流程控制程序梯形图设计机械手臂搬运加工流程控制程序梯形图设计 见附录2。 9 第第 4 4 章章 机械手臂搬运加工流程控制机械手臂搬运加工流程控制监控系统设计监控系统设计 4.14.1 PLCPLC 与上位监控软件通讯与上位监控软件通讯 机械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。步进电机的运动需 要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电机走 一步；改变电机转向时，需要加方向信号。机械手的上升/下降、前伸/后缩动作 就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。基座正转/反转和气夹正转/反 转是通过两个继电器的吸合与断开来控制直流电机的转动方向来实现的。机械手 的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手放松；该 线圈断电时，机械手夹紧。 4.24.2 上位监控系统组态设计上位监控系统组态设计 根据控制和生产工艺的要求，控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步 进、回原位操作，自动控制包括单步、单周期、连续的操作。故操作方式选择开 关设置有五个档位。手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、快进、 慢进、快退、慢退和复位，故设置六个动作看官按钮。各个动作进行的同时均设 有动作指示灯。另外设有启动停止按钮。其操作面板如图 4-1 所示。 图 4-1 机械手操作面板示意图 10 4.34.3 实现的效果实现的效果 打开电源，按下起动按钮时，开机复位。机械手若不在原点则PLC向驱动器 一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。当后缩到位时碰 到后限位开关，然后主机向驱动器二输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上 升。上升到底时碰到上限位开关，上升停止，回到原点。主机向驱动器二同时输 入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开 关，下降停止，气夹电磁阀断电，机械手夹紧。夹紧后，主机向驱动器二只输入 脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升 停止。 PLC 向驱动器一只输入脉冲信号，步进电机一正转，机械手前伸，前伸到位 时，碰到前限位开关前伸停止。主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号， 步进电机二反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关下降停止，同时夹紧电 磁阀断电，机械手放松。放松后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二 正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关上升停止。上升到顶时，碰到 上限位开关，上升停止。PLC 向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电 机一反转，横轴后缩。机械手后缩，当后缩到底时碰到后限位开关，然后主机向 驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。下降到 底时碰到下限位开关，下降停止，回到原点。至此，机械手经过八步动作完成一 个循环。 11 第第 5 5 章章 机械手臂搬运加工流程控制监控系统调试及结果分析机械手臂搬运加工流程控制监控系统调试及结果分析 5.15.1 机械手臂搬运加工流程控制系统调试及解决的问题机械手臂搬运加工流程控制系统调试及解决的问题 1.编程指令的选择 我们设计了三个方案 方案一：使用起保停电路的编程方式。用辅助继电器代表步，仅仅使用与触 电和线圈有关的指令。编出程序规范，具有易于阅读和容易查错的优点，但因为 存在大量的自保持触点，使程序代码较长。 方案二：采用以转换为中心的编程方式。这种编程方式与转换实现的基本规 则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，会有很大 帮助。 方案三：采用STL指令的编程方式。STL指令（步进梯形指令）是三菱厂家 设计的专门用于顺序控制的指令，使用该指令可以使编制顺序控制程序更加方便， 而且易于调试和维护，且代码较短。 2.接地点的选择 完善接地系统接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是10为了抑制干 扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。系统接地方式 有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属 高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。 5.25.2 结果分析结果分析 经过论证和老师讲解，本设计采用的编程方式选用方案三。 良好的接地是保证 PLC 可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击 危害。所以最后我们给 PLC 接上了专用接地线。 搬运机械手采用 PLC 控制，体积小，重量轻，控制方式灵活，可靠性高，操 作简单，维修容易。使用该机械手代替人工搬运工件，既安全，又准确，提高了 劳动生产率，保证了工件的质量，降低了工人的劳动强度，具有较好的经济效益 和社会效益。可编程控制器 PLC 以其丰富的 I/O 接口模块、高可靠性,在机械手的 控制系统的设计中起到了十分重要的作用。 12 课程设计心得课程设计心得 这次的课程设计让我学会了很多，在老师和同学的指导学习下，终于完成了 这一份课程设计。本来以为自己对可编程序控制器原理的知识掌握的还比较好， 但是到做课程设计的时候才发现自己存在着诸多不足，其中就有很多基础知识都 不是很完善，很多知识都掌握的不是很扎实。 课程设计是一个理论与实际结合的过程。仅仅有理论是不够的，更重要的是 实际的，是我们所设计的实物，具有设计合理，经济实用的优点。这就需要我们 设计者考虑问题是要仔细、周密，不能有丝毫的大意。对设计方案的优越化，也 需要我们综合各方面的因素考虑，尤其是实际。设计的同时也加强了我和老师