PLC对搬运机械手的控制

三菱PLC控制的机械手系统设计所 在 学 院 专 业 名 称 申请学士学位所属学科 年 级 学生姓名、学号 指导教师姓名、职称 完 成 日 期 摘要随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。关键词:可编程序控制器PLC、机械手、步进电机目 录一、机械手简介（一）概述工业机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。 （二）机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。图1-1机械手的组成方框图(一)执行机构包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下:手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 二、机械手的控制方案与选择（一）控制要求如下图所示为某生产车间中自动化搬运机械手，用于将左工作台上的工件搬运到右工作台上。机械手的全部动作由液压驱动。液压泵由电磁阀控制，其上升/下降、左移/右移运动由双线圈两位电磁阀控制，即上升电磁阀得电时机械手上升，下降电磁阀得电时机械手下降。夹紧/放松运动由单线圈两位电磁阀控制，线圈得电时机械手夹紧，断电时机械手放松。图2-1机械手的动作示意图 为便于控制系统调试和维护，本控制系统应有手动功能和显示功能。当手动/自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，就可实现上升、下降、左移、右移、夹紧、放松的手动控制。当机械手处于原位时，将手动/自动转换开关置于“自动”位置时，进入自动工作状态，手动按钮无效。（二）机械手的控制系统设计方案的比较在工业自动化生产中常用的控制系统有：传统的继电器接触器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种。但从使用性、经济性、可靠性出发，本设计选用了PLC。因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是用于各种传感器在复杂的条件下工件的传输，主要动作是上升、下降、左移、右移、夹紧、放松和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主。是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，特别是替代继电器控制系统，这更是它的优势。三、机械手系统的工作过程机械手是一种模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓、吸、搬运工件或工具进行操作的自动化装置。本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成。机械手移动到传送带B工件处夹紧工件，然后将工件移动到指定位置传送带A，接着放下工件，最后机械手回到初始位置（机械手的立杆最高，手臂最短，手最松）。其中底盘由一个直流电机驱动，该电机的顺时针/逆时针旋转控制底盘的左/右旋转；立杆由一个步进电机驱动，通过改变CP脉冲的频率来改变步进电机的速度，从而改变立杆的上升/下降的速度；手臂由另一个步进电机驱动，通过改变CP脉冲的频率来改变步进电机的速度，从而改变手臂的伸/缩速度；手由一个直流电机控制，该电机的顺时针/逆时针旋转控制手的抓紧/放松。在机械手的各个相应位置都有行程开关用于定位。传 手 传送 手臂 送带 立杆 带 A B 工件 底盘图3-1 机械手的基本结构图SB1SB3SB5SB7SB9SB1SB8SB6SB4SB2 手动 单周期自动 松X21 伸X17 上升X16 启动X0 电源 10 顺时针X14 缩X20 下降X15 停止X1 急停X2 图3-2 机械手操作面板四、机械手系统的设计思想(一) 机械手的单个工作流程机械手移动到传送带B工件处夹紧工件将工件移动到指定位置传送带A放下工件机械手回到初始位置五个过程完成，机械手通过PLC来控制，可实现这五个过程全自动依次运行：1. 械手移动到工件B处：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带B）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；2. 工件移动到指定位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带A）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；3. 夹放工件：通过夹紧/放下直流电机的正转来控制，夹紧工件通过定时器来控制，即凭经验设定一个时间（本系统设为5S），在这个时间内机械手能完全夹紧工件；4. 放下工件：通过夹紧/放下直流电机的反转来控制，通过松限开关来控制5. 机械手回到初始位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到初始位置处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；(二) 机械手的操作方式机械手的操作方式可分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。1. 手动：用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制，如：当选择上/下运动时，按下起动按钮，机械手上升，按下停止按钮，机械手下降；当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移，按下停止按钮，机械手右移；当选择夹紧/放松按钮时，按下起动按钮，机械手夹紧，按下停止按钮，机械手放松，该方式用于机械手系统的“回原位”操作本系统中，可用手动方式用于机械手的初始状态定位，用操作面板按钮的（SB5，SB6，SB7，SB8，SB9，SB10）来点动执行相应的各动作；2. 单步：每按一次起动按钮SB3，机械手完成一步动作后，自动停止；3. 单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手自动完成一个周期的动作后，返回原位（如果在动作过程中，按下停止按钮SB4，机械手停在该工序上，再按下起动按钮SB3，则又从该工序继续工作，最后停在原位），本系统采用单周期方式进行机械手的工艺过程（机械手移动到传送带B工件处夹紧工件将工件移动到指定位置传送带A放下工件机械手回到初始位置）；4. 连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环，在工作中，若按一下停止按钮SB4，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止五、机械手系统设计分析被控对象工艺过程提出系统控制要求确定外部输入/输出设备选择PLC分配I/O点软件满足要求设计梯形图编制程序清单输入程序并检查模拟调试满足要求联机调试硬件满足要求设计控制台（柜）及安装接线图现场施工接线编制技术文件图5-1 系统设计(一) 硬件设计 PLC系统一般由PLC、输入输出设备、控制柜等设备组成。在设计中应该考虑如下原则。 可靠性。可靠性是控制系统的生命，系统不可*，即使功能再完善，经济性再好也没有用，可*性不好的设备是没有市场的。在设计中，尽可能选择可*的元件和产品，虽然，初始投资可能多一点，但是，考虑到因为可*性不好造成的生产和维修费用，还是值得的。 b、功能完善。在保证控制功能的基础上，尽可能地将自检、报警等功能纳入设计方案。 c、经济性。在保证控制功能和可*性的基础上，尽可能地降低成本。 d、在保证前三条的基础之上，考虑系统的先进性和可扩展性。(二) 软件设计 软件设计就是编写满足生产要求的梯形图或助记符程序，设计时的原则和要求如下： a、建立PLC输入和输出量的接线表和接线图； b、建立PLC存储器的分配表； c、推导每一个输出、中间量和指令的动作和停止条件； d、尽量减少扫描时间，方法是减少指令和内存的使用； e、对每一个梯形图梯级给予注释； f、要求逻辑关系明确，输出、中间量和指令的名字易懂好记。 修改程序开始制定运行方案画控制流程图制定抗干扰措施编制I/O口分配表程序元件编号编写程序程序输入PLC测试正常试运行正常固化程序结束流程正常方案正确图5-2 软件设计六、机械手系统结构(一) 系统结构构成图 (二) I/O地址分配 由于该CPU模块有24点数字量输入，24点数字量输出，所以不再需要输入模块，采用自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是X000-X027，输出端子对应的输出地址是Y000-Y027。下图（图5-5）为PLC的I/O接线图，选用FX2N-48MT的PLC，系统共有15个输入设备和6个输出设备，分别占用PLC的15个输入点和6个输出点，为了保证系统在紧急情况下(包括PLC发生故障时)能可靠地切断PLC的负载电源，设置了交流继电器KM。在PLC开始运行时，按下“电源”按钮SB1，S使KM线圈得电后并自锁，KM的主触点接通，给输出设备提供电源，出现紧急情况，按下“急停”按钮SB2，KM触点断开。 图6-2七 编程软件(一) 正常运行流程图图7-1 正常运行流程图(二) 紧急停止流程图开始正常运行按动紧急停止按钮结束图7-2 紧急停止流程图八、机械手系统资源分配(一) 数字量输入部分该控制系统的输入有启动按钮、停止按钮、紧急停止按钮、上、下、伸、缩、松、底盘右、底盘左、初始限开关共11个输入点，具体的输入分配如表8-1所示表8-1输入地址分配输入地址对应的外部设备X000启动按钮X001停止按钮X002紧急停止按钮X003初始位置限位开关X004目标限位开关X005杆下限位开关X006杆上限位开关X007手臂伸限位开关X0010手臂缩限位开关X0011手松限位开关X0012手动开关X0013单周期自动X0014顺时针转X0015逆时针转X0016杆下降X0017杆上升X0020手臂伸X0021手臂缩X0022手松(二) 数字量输出部分该系统需要控制的外部设备有前进/后退步进电机，上升/下降步进电机，夹紧/放下直流电机，底盘旋转直流电机，其中步进电机可调速，直流电机有正/反转状态。具体的输出分配如表二表 8-2输出地址分配 输出地址 对应的外部状态Y000上升/下降步进电机Y001伸/缩步进电机Y002底盘顺时针旋转Y003底盘逆时针旋转Y004夹紧/放松直流电机（放松）Y005夹紧/放下直流电机（夹紧）Y006立杆步进电机方向控制Y007手臂步进电机方向控制(三) 定时器部分该系统夹紧工件时，需要定时器来控制夹紧程度，假设5S机械手可以夹紧工件，具体的定时器分配如表8-3表8-3 定时器分配定时器功能T0夹紧工件时定时5S(四) 继电器部分该控制系统的初始位置在程序中用一个内部继电器来表示，具体的内部继电器分配如表8-4所示表8-4 内部继电器分配内部继电器功能 M0 机械手的初始位置九、机械手系统程序(一) 初始化(1) 使系统达到初始位置运动控制系统在运行过程中，可能会遇到断电，急停等状况，从而使系统处于某一种不可知状态，在这种状态下，对系统进行控制是很困难的，所以用手动方式，使系统进行一系列调整，从而达到初始位置，以便于系统的正常控制。(2) 复位、清除某些继电器、数据寄存器在PLC由运行状态切换到编程状态，再切换到运行状态时，某些继电器、数据寄存器会记忆上次运行时得到的状态或结果，从而对本次程序运行产生严重影响。(3) 赋予系统运行的一些基本参数在初始化程序段中，经常使用的信号是系统初始化特殊内部继电器R9013，它在PLC的模式下处于“RUN”的状态下，从断电状态到通电状态，或者是在通电状态下，PLC的模式开关从“PROGRAMM”模式转换为“RUN”模式（不论是通过硬件开关切换还是通过软件切换）的时候闭合一个扫描周期，然后一直保持断开状态。(二) 直流电机的正/反转控制直流电机的控制电路较为简单，一般只要考虑PLC的输入、输出的接线就可以了。这样的电路单独没有什么意义，但是却是生产线上不可缺少的部分，一般应用电路如下图 D P LC SB0 X0 Y0 KM SB1 X1COM COM 24V 12VM + - KM 图9-1 直流电机基本应用电路直流电机的正、反转控制也是生产线上常见的控制要求，实现起来也是比较简单的，只是在应用中要注意以下一些方面：A.在某些应用电路中，是不允许正、反转控制继电器同时得电闭合的，在这种控制方式中，单纯的依靠软件户所来保证正、反转控制继电器不要同时得电是不可靠的，这是因为PLC执行指令的速度很快，而外部的实际继电器由线圈得电到触电闭合，以及由线圈失电到触点断开均需要延迟一段时间。在这种情况下，电路中不仅要有软件互锁，而且要由硬件互锁。具体的如图所示图9-2 直流电机正/反转硬件互锁控制电路B. 在实际应用中，可以采用H桥驱动直流电机，实现正、反转控制。常用的H桥驱动电路有两种，如图所示，各有利弊。图9-3 直流电机的H桥驱动方式（A）图所是得电路结构十分简单，广泛应用于小型低转动惯量直流电动机控制电路中。因为这种电路KM1或KM2单独闭合时，直流电动机可以正向旋转或者反向旋转；当KM1和KM2均闭合或者均不闭合，这时候直流电动机相当于电枢短接，可以将直流电动机很快的制动停止，此时制动电流与直流电动机的容量以及转动惯量有直接的关系，所已不适合大容量的直流电动机和大转动惯量的控制应用中。（B）图所时的电路结构相对来说较为复杂，这种电路当KM1或KM2单独闭合时，直流电动机也可以正向旋转或者反向旋转;当KM1和KM2均不闭合时，这时候直流电动机，相当于电枢串电阻短接制动，电阻限定了制动电流；当KM和KM2铜时闭合，此时驱动直流电动机的直流电源将会被短路，因而发生危险，所以这种电路时严禁KM1和KM2同时闭合的，一定要由硬件连锁措施。在直流电动机的正、反转应用中，还应当注意当直流电动机由一个旋转方向变换为另一个旋转方向的瞬间，此时直流电动机的直流电源和直流电动机的电枢反电动势是同乡串连的，因而此时直流电动机将承受很大的电枢电流，如果这个电流比较大,就可能造成直流电动机烧毁，解决的方法是等待直流电动机的转速降低到一定程度(可以通过时间延时来是实现，也可以通过速度极电起来检测)后，再改变直流电动机的旋转方向。(三) 步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制微电机，其位移量严格正比于输入脉冲数，平均转速正比于输入脉冲的频率，同时，在其工作频率内，可以从一种运动状态稳定转换到一种运动状态。它是一种性能很良好的数字化执行元件，在数控系统的点、位控制中，可利用步进电机作为驱动电机，在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制，由PLC直接产生脉冲来控制步进电机，可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高可靠性，由于PLC是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，而应该在低频下工作，脉冲信号频率选为十至几十HZ左右。步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在极低频下运行时，其转速必然很低，而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时，工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起，带来可一个突出的问题：定位时间太长，为了保证定位精度，脉冲信号当量不能太大，但却影响了定位速度，因此要解决好既能提高定位速度，同时又能保证定位精度的矛盾。步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种时步进电机和丝杠杆连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动在这种应用中，关系运动直接后果的参数有以下几个：N ：PLC发出的控制脉冲的个数：步进电机驱动器的脉冲细分数（如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动）：不仅电机的布距角，即步进电机每受到一个脉冲变化，周所转过的角度：丝杠的螺纹距，他决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离根据以上的参数，我们可以得到以下的结果：LC发出的脉冲个数到达步进电机上，脉冲实际有效数应为N/n 步进电机每转过一周，需要的脉冲个数为360/则PLC发出N个脉冲，工作台面移动的距离为：L=Nd/360nPLC要和步进电机配合实现运动控制，还要在PLC内部进行一系列的设定，或者是编制一定的程序设计。不同的PLC类型索要编制的程序不同，控制字也有不同，参考说明书就可以知道这种差异。另外，步进电机控制是要用高速脉冲控制的，所以PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的PLC来控制步进电机。图9-4不同的步进电机驱动器需配合适当的PLC，原则是势PLC的输出高速脉冲可以传输到步进电器驱动器内部。在上图中，步进电机驱动器的输入信号所采用的是公共阳极，则PLC就应当采用NPN晶体管输出类型的，并且连线如图9-5所示如果步进电机驱动器所采用的输入信号采取的是公共阴极，则PLC就应当采用PNP晶体管输出类型。内部电路内部电路图9-5九、机械手系统调试(一) 硬件调试首先在PLC处于编程状态下，检测各种按钮、开关、传感器，以确认这些信号能够正确地连接到了输入端口,确认运动机构均可以正常运动，不会产生碰撞、卡死、打滑等现象(二) 软件调试在运动控制系统中，因为涉及到运动控制的内容，所以在编程时，建议将可运动部件的运动速度不要设定得太高.在调试软件时，要充分利用特殊内部继电器和特殊数据寄存器，以及各种指令。例如R9010，R9011，CNDE指令，END指令等。调试程序是可以充分利用这些指令及继电器，使程序执行一段后停止，观察上一段程序的执行结果，这样做近似于计算机中的断点调试方法。在系统中有很多种功能，要本着先单一，后多种，先简单，后复杂的顺序来调试程序。系统中的功能可以先是实现一种，然后往上添加。比较复杂的功能控制，如运动中变换速度，可以先使系统以一定速度运动起来，运行过程正确无误后，再考虑加、减速的问题。 参考文献1 吴勇翀. 浅析基于PLC的机械手控制系统的设计J. 电子技术与软件工程. 2014(14)2 关明,周希伦,马立静,宋蔚. 基于PLC的机械手控制系统设计J. 制造业自动化. 2012(14)3 李景魁. 基于PLC的机械手控制系统设计J. 煤矿机械. 2012(10)4 王月芹. 基于PLC机械手控制系统设计与实现J. 机电产品开发与创新. 2011(03)5 董茂起,于复生,王雪,孙永亮. 基于S7-200 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