机械手控制系统的PLC设计.doc

安安徽徽机机电电职职业业技技术术学学院院 毕毕业业论论文文 机械手控制系统的 PLC 设计 系 部 电气工程系 专 业 机电一体化 班 级 机电 3082 班 姓 名 裴文佩 学 号 1302083119 指导教师 赵光艺 2010 2011 学年第 一 学期 安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表 题 目 机械手控制系统的 PLC 设计 学生姓名裴文佩学 号 1302083119 指导教师赵光艺 系 部电气工程系班 级机电 3082 班顺序号第 1 次 学生完成 毕业论文 设计 内容情况 11 月 16 日确定论文题目 机械手控制系统的 PLC 设 计 并咨询了指导教师 经老师同意后进行论文的前期准备工作 学生签名 时间 2010 年 11 月 16 日 教师指导 内容记录 教师签名 时间 年 月 日 安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表 题 目 机械手控制系统的 PLC 设计 学生姓名裴文佩学 号 1302083119 指导教师赵光艺 系 部电气工程系班 级机电 3082 班顺序号第 2 次 学生完成 毕业论文 设计 内容情况 11 月 17 18 日搜集资料 上网查找并整理有关资料 到图 书馆查书关于机械手控制系统和 PLC 设计的相关资料和图片 学生签名 时间 2010 年 11 月 18 日 教师指导 内容记录 教师签名 时间 年 月 日 安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表 题 目 机械手控制系统的 PLC 设计 学生姓名裴文佩学 号 1302083119 指导教师赵光艺 系 部电气工程系班 级机电 3082 班顺序号第 3 次 学生完成 毕业论文 设计 内容情况 11 月 19 20 日向指导老师咨询有关论文的格式 内容和要 注意的地方 并开始进行论文的电子档的写作 学生签名 时间 2010 年 11 月 20 日 教师指导 内容记录 教师签名 时间 年 月 日 安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表 题 目 机械手控制系统的 PLC 设计 学生姓名裴文佩学 号 1302083119 指导教师赵光艺 系 部电气工程系班 级机电 3082 班顺序号第 4 次 学生完成 毕业论文 设计 内容情况 11 月 21 27 日完成论文的电子档 并进行了初步的修改和完 善 学生签名 时间 2010 年 11 月 27 日 教师指导 内容记录 教师签名 时间 年 月 日 安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表 题 目 机械手控制系统的 PLC 设计 学生姓名裴文佩学 号 1302083119 指导教师赵光艺 系 部电气工程系班 级机电 3082 班顺序号第 5 次 学生完成 毕业论文 设计 内容情况 11 月 28 日把论文的电子档发给指导老师审阅 在指导老师 的帮助下对论文进行再次修改 学生签名 时间 2010 年 11 月 28 日 教师指导 内容记录 教师签名 时间 年 月 日 安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表安徽机电职业技术学院毕业论文 设计 指导过程记录表 题 目 机械手控制系统的 PLC 设计 学生姓名裴文佩学 号 1302083119 指导教师赵光艺 系 部电气工程系班 级机电 3082 班顺序号第 6 次 学生完成 毕业论文 设计 内容情况 11 月 30 日获指导老师许可 将论文打印出来 学生签名 时间 2010 年 11 月 30 日 教师指导 内容记录 教师签名 时间 年 月 日 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 摘摘 要要 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 随着工业现代 化的进一步发展 自动化已经成为现代企业中的重要支柱 无人车间 无人生产流水 线等等 已经随处可见 同时 现代生产中 存在着各种各样的生产环境 如高温 放射性 有毒气体 有害气体场合以及水下作业等 这些恶劣的生产环境不利于人 工进行操作 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术 是现代控制理论与工 业生产自动化实践相结合的产物 并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组 成部分 工业机械手是提高生产过程自动化 改善劳动条件 提高产品质量和生产 效率的有效手段之一 尤其在高温 高压 粉尘 噪声以及带有放射性和污染的场 合 应用得更为广泛 在我国 近几年来也有较快的发展 并取得一定的效果 受 到机械工业和铁路工业部门的重视 本文采用三菱公司的 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 来控制机 械手完成各种规定动作 从而简化了控制线路 达到节省成本 提高劳动生产率的 目的 关键词关键词 机械手 PLC 控制 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 I 目目 录录 目目 录录 第一章第一章 可编程控制可编程控制 PLCPLC 1 1 1 1 PLC 简介 1 1 2 PLC 内部原理 2 1 3 PLC 的工作原理 5 1 4 PLC 机型的选择方法 8 第二章第二章 机械手概机械手概况况 1010 2 1 搬运机械手的应用简况 10 2 2 机械手的应用意义 11 2 3 机械手的发展概况 11 2 4 机械手的发展趋势 12 第三章第三章 机械手控制系统的设计机械手控制系统的设计 1414 3 1 控制系统的 PLC 设计内容 14 3 2 PLC 的程序设计 15 3 2 PLC 的程序调试 18 参考文献参考文献 2020 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 0 第一章第一章 可编程控制可编程控制 PLCPLC 1 1 1 1 P PL LC C 简简介介 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller PLC 取代传统继电器控制装置以来 PLC 得到了快速发展 在世界各 地得到了广泛应用 同时 PLC 的功能也不断完善 随着计算机技术 信号处理技 术 控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高 PLC 在开关量处理的基 础上增加了模拟量处理和运动控制等功能 今天的 PLC 不再局限于逻辑控制 在运 动控制 过程控制等领域也发挥着十分重要的作用 作为离散控的制的首选产品 PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速 发展 世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20 30 随着工厂自动化程度的不断提 高和 PLC 市场容量基数的不断扩大 近年来 PLC 在工业发达国家的增长速度放缓 但是 在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速 综合相关资料 2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右 在自动化领域占据着十分重要的位置 PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的 二十世纪七十年代的 PLC 只有开 关量逻辑控制 首先应用的是汽车制造行业 它以存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和运算等操作的指令 并通过数字输入和输出操作 来控制各类机械或 生产过程 用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求 并事先存入 PLC 的用 户程序存储器中 运行时按存储程序的内容逐条执行 以完成工艺流程要求的操作 PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器 在程序运行过程中 每执行一 步该计数器自动加 1 程序从起始步 步序号为零 起依次执行到最终步 通常为 END 指令 然后再返回起始步循环运算 PLC 每完成一次循环操作所需的时间称为 一个扫描周期 不同型号的 PLC 循环扫描周期在 1 微秒到几十微秒之间 PLC 用梯 形图编程 在解算逻辑方面 表现出快速的优点 在微秒量级 解算 1K 逻辑程序不 到 1 毫秒 它把所有的输入都当成开关量来处理 16 位 也有 32 位的 为一个模 拟量 大型 PLC 使用另外一个 CPU 来完成模拟量的运算 把计算结果送给 PLC 的控 制器 相同 I O 点数的系统 用 PLC 比用 DCS 其成本要低一些 大约能省 40 左右 PLC 没有专用操作站 它用的软件和硬件都是通用的 所以维护成本比 DCS 要低很 多 一个 PLC 的控制器 可以接收几千个 I O 点 最多可达 8000 多个 I O 如果 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 1 被控对象主要是设备连锁 回路很少 采用 PLC 较为合适 PLC 由于采用通用监控 软件 在设计企业的管理信息系统方面 要容易一些 近 10 年来 随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大 越来越多的中小 设备开始采用 PLC 进行控制 PLC 在我国的应用增长十分迅速 随着中国经济的高 速发展和基础自动化水平的不断提高 今后一段时期内 PLC 在我国仍将保持高速增 长势头 通用 PLC 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器 但 PLC 相对一 般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性 实际工作中碰到的一些用 户原来采用嵌入式控制器 现在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制器 1 1 2 2 P PL LC C 内内部部原原理理 PLC 实质上是一种被专用于工业控制的计算机 其硬件结构和微机是基本一体 化的 其硬件的基本结构如图 1 所示 编程器 中央处理单元 CPU 输入电路 输出 电路 系统程序存储区用户程序存储区 电源 图 1 PLC 硬件的基本结构图 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 2 1 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 是 PLC 的控制中枢 它按照 PLC 系统程序赋予的功能 接受并存储从编程器键入的用户程序和数据 检查电源 存储器 I O 以及警戒定 时器的状态 并能检查用户程序的语法错误 当 PLC 投入运行时 首先它以扫描的 方式接受现场各输入装置的状态和数据 并分别存入 I O 映象区 然后从用户程序 存储器中逐条读取用户程序 经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等 任务 并将逻辑或算术运算等结果送入 I O 映象区或数据寄存器内 等所有的用户 程序执行完毕以后 最后将 I O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到 相应的输出装置 如此循环运行 直到停止运行为止 2 存储器 与微型计算机一样 除了硬件以外 还必须有软件 才能构成一台完整的 PLC PLC 的软件分为两部分 系统软件和应用软件 存放系统软件的存储器称为系 统程序存储器 PLC 存储空间的分配 虽然大 中 小型 PLC 的 CPU 的最大可寻址存储空间各 不相同 但是根据 PLC 的工作原理 其存储空间一般包括以下三个区域 系统程序 存储区 系统 RAM 存储区 包括 I O 映象区和系统软设备等 和用户程序存储区 A 系统程序存储区 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序 它包括监控程 序 管理程序 命令解释程序 功能子程序 系统诊断程序等 由制造厂商将其固 化在 EPROM 中 用户不能够直接存取 它和硬件一起决定了该 PLC 的各项功能 B 系统 RAM 存储区 系统 RAM 存储区包括 I O 映象区以及各类软设备 例如 逻辑线圈 数据寄存 器 计时器 计数器 变址寄存器 累加器等 存储区 A I O 映象区 由于 PLC 投入运行后 只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据 在 输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设 因此 它需要有一定数量的 存储单元 RAM 以供存放 I O 的状态和数据 这些存储单元称作 I O 映象区 一个 开关量 I O 占用存储单元中的一个位 bit 一个模拟量 I O 占用存储单元中的一 个字 16 个 bit 因此 整个 I O 映象区可看作由开关量的 I O 映象区和模拟量的 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 3 I O 映象区两部分组成 B 系统软设备存储区 除了 I O 映象区以外 系统 RAM 存储区还包括 PLC 内部各类软设备 逻辑线圈 数据寄存器 计时器 计数器 变址寄存器 累加器等 的存储区 该存储区又分 为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域 前者在 PLC 断电时 由内部 的锂电子供电 使这部分存储单元内的数据得以保留 后者当 PLC 停止运行时 将 这部分存储单元内的数据全部置 零 C 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序 不同类型的 PLC 其存储容量各不相 同 一般来说 随着 PLC 机型增大其存储容量也相应增大 不过对于新型的 PLC 其存储容量可根据用户的需要而改变 D 常用的 I O 分类 常用的 I O 分类如下 开关量 按电压水平分 有 220VAC 110VAC 24VDC 按隔离方式分 有继电 器隔离和晶体管隔离 模拟量 按信号类型分 有电流型 4 20mA 0 20mA 电压型 0 10V 0 5V 10 10V 等 按精度分 有 12bit 14bit 16bit 等 除了上述通用 I O 外 还有特殊 I O 模块 如热电阻 热电偶 脉冲等模块 按 I O 点数确定模块规格及数量 I O 模块可多可少 但其最大数受 CPU 所能 管理的基本配置的能力 即受最大的底板或机架槽数限制 3 PLC 电源 PLC 电源在整个系统中起着十分重要的作用 无论是小型的 PLC 还是中 大型 的 PLC 其电源的性能都是一样的 均能对 PLC 内部的所有器件提供一个稳定可靠 的直流电源 一般交流电压波动在正负 10 15 之间 因此可以直接将 PLC 接入 到交流电网上去 可编程序控制器一般使用 220V 交流电源 可编程序控制器内部的直流稳压电源 为各模块内的元件提供直流电压 某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外 部电子检测装置 如接近开关 提供 24V 直流电源 驱动现场执行机构的电源一般 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 4 由用户提供 可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的 它的梯形图程序与继电器系 统电路图相似 梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称 如输入 输出 继电器等 这种计算机程序实现的 软继电器 与继电器系统中的物理结构在功能 上某些相似之处 1 1 3 3 P PL LC C 的的工工作作原原理理 可编程序控制器有两种基本的工作状态 即运行 RUN 状态与停止 STOP 状 态 如图 2 所示 在运行状态 可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来 实现控制功能 为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号 用户程序不是只执行一次 而是反复不断地重复执行 直至可编程序控制器停机或 切换到 STOP 工作状态 图 2 扫描过程 除了执行用户程序之外 在每次循环过程中 可如上图编程序控制器还要完成 内部处理 通信处理等工作 一次循环可分为 5 个阶段 可编程序控制器的这种周 而复始的循环工作方式称为扫描工作方式 由于计算机执行指令的速度极高 从外 部输入 输出关系来看 处理过程似乎是同时完成的 在内部处理联合阶段 可编程序控制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常 将 监控定时器复位 以及完成一些别的内部工作 在通信服务阶段 可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信 响应编 程器键入的命令 更新编程器的显示内容 当可编程序控制器处于停止 STOP 状 态时 只执行以上的操作 可编程序控制起处于 RUN 状态时 还要完成另外 3 个 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 5 阶段的操作 在可编程序控制器的存储器中 设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号 的状态 它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器 可编程序控制器梯形图 中别的编程元件也有对应的映像存储区 它们统称为元件映像寄存器 在输入处理 阶段 可编程序控制器把所有外部输入电路的接通 断开 ON OFF 状态读入输入寄 存器 外接的输入触点电路接通时 对应的输入映像寄存器为 1 状态 梯形图中对 应的输入继电器的常开触点接通 常闭触点断开 外接的输入触点电路断开 对应 的输入映像寄存器为 0 状态 梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开 常闭 触点接通 在程序执行阶段 即使外部输入信号的状态发生了变化 输入映像寄存 器的状态 也不会随之而变 输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处 理阶段被读入 可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成 指令在存储器中按步序号顺序 排列 在没有跳转指令时 CPU 从第一条指令开始 逐条顺序的执行用户程序 直 到用户程序结束之处 在执行指令时 从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中 将有关编程元件的 0 1 状态读出来 并根据指令的要求执行相应的逻辑运算 运算 结果写入到对应的元件映像寄存器中 因此 各编程元件的映像寄存器 输入映像 寄存器除外 的内容随着程序的执行而变化 在输出处理阶段 CPU 将输出映像寄存器的 0 1 状态传送到输出锁存器 体型 图某一输出继电器的线圈 通电 时 对应的输出映像寄存器为 1 状态 信号经 输出模块隔离 和功率放大后 继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电 其常开触点闭合 使外部负载通电工作 若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为 0 状态 在输出处 理阶段后 继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电 其常开触点断开 外部负载断电 停止工作 某一编程元件对应的映像寄存器为 1 状态时 称该编 程元件为 ON 映像寄存器为 0 状态时 称该编程元件为 OFF 扫描周期可编程序控制器在 RUN 工作状态时 执行一次扫描操作所需的时间称 为扫描周期 其典型值为 1 100ms 指令执行所需的时间与用户程序的长短 指令 的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系 当用户程序较长时 指令执行时间在 扫描周期中占相当大的比例 不过严格地来说扫描周期还包括自诊断 通信等 如 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 6 图 3 所示 第 N 1 个 扫描周期 输出刷新 第 N 1 个扫 描周期 输入采样 第 N 个扫描周期 输入采样输出刷新用户程序执行 图 3 PLC 的扫描运行方式 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC 以扫描方式依次读入所有的数据和状态它 们存入 I O 映象区的相应单元内 输入采样结束后 转入用户程序行和输出刷 新阶段 在这两个阶段中 即使输入数据和状态发生变化 I O 映象区的相应单元的 数据和状态也不会改变 所以输入如果是脉冲信号 它的宽度必须大于一个扫描周 期 才能保证在任何情况下 该输入均能被读入 2 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段 PLC 的 CPU 总是由上而下 从左到右的顺序依次的扫描 梯形图 并对控制线路进行逻辑运算 并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令 例如 算术运算 数据处理 数据传达等 3 输出刷新阶段 在输出刷新阶段 CPU 按照 I O 映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁 存电路 再经输出电路驱动响应的外设 这时才是 PLC 真正的输出 4 输入 输出滞后时间 输入 输出滞后时间又称系统响应时间 是指可编程序控制器的外部输入信号发 生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔 它由 输入电路滤波时间 输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分 组成 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 7 输入模块的 CPU 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声 消除因外接输入 触点动作是产生的抖动引起的不良影响 滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间 的长短 其典型值为 10ms 左右 输出模块的滞后时间与模块的类型有关 继电器型输出电路的滞后时间一般在 10ms 左右 双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为 1ms 负载由导通 到断开时的最大滞后时间为 10ms 晶体管型输出电路的滞后时间约为 1ms 由扫描 工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期 可编程序控制器总的响应延 迟时间一般只有几十 ms 对于一般的系统是无关紧要的 要求输入 输出信号之间 的滞后时间尽量短的系统 可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施 1 1 4 4 P PL LC C 机机型型的的选选择择方方法法 1 PLC 的类型 PLC 按结构分为整体型和模块型两类 按应用环境分为现场安装和控制室安装 两类 按 CPU 字长分为 1 位 4 位 8 位 16 位 32 位 64 位等 从应用角度出发 通常可按控制功能或输入输出点数选型 整体型 PLC 的 I O 点数固定 因此用户选 择的余地较小 用于小型控制系统 模块型 PLC 提供多种 I O 卡件或插卡 因此用 户可较合理地选择和配置控制系统的 I O 点数 功能扩展方便灵活 一般用于大中 型控制系统 2 输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一 例如对输入模块 应考虑信号 电平 信号传输距离 信号隔离 信号供电方式等应用要求 对输出模块 应考虑 选用的输出模块类型 通常继电器输出模块具有价格低 使用电压范围广 寿命短 响应时间较长等特点 可控硅输出模块适用于开关频繁 电感性低功率因数负荷场 合 但价格较贵 过载能力较差 输出模块还有直流输出 交流输出和模拟量输出 等 与应用要求应一致 可根据应用要求 合理选用智能型输入输出模块 以便提 高控制水平和降低应用成本 考虑是否需要扩展机架或远程 I O 机架等 3 电源的选择 PLC 的供电电源 除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和 选用外 一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源 与国内电网电压一致 重要 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 8 的应用场合 应采用不间断电源或稳压电源供电 如果 PLC 本身带有可使用电源时 应核对提供的电流是否满足应用要求 否则应设计外接供电电源 为防止外部高压 电源因误操作而引入 PLC 对输入和输出信号的隔离是必要的 有时也可采用简单 的二极管或熔丝管隔离 4 存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展 存储器的价格已下降 因此 为保证应用项 目的正常投运 一般要求 PLC 的存储器容量 按 256 个 I O 点至少选 8K 存储器选择 需要复杂控制功能时 应选择容量更大 档次更高的存储器 5 冗余功能的选择 a 控制单元的冗余 1 重要的过程单元 CPU 包括存储器 及电源均应 1B1 冗余 2 在需要时也可选用 PLC 硬件与热备软件构成的热备冗余系统 2 重化或 3 重化冗余容错系统等 b I O 接口单元的冗余 1 控制回路的多点 I O 卡应冗余配置 2 重要检测点的多点 I O 卡可冗余配置 3 根据需要对重要的 I O 信号 可选用 2 重化或 3 重化的 I O 接口单元 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 9 第二章第二章 机械手概况机械手概况 2 12 1 搬运机械手的应用简况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 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 10 2 2 2 2 机机械械手手的的应应用用意意义义 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 2 2 3 3 机机械械手手的的发发展展概概况况 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 50 60 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 60 70 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 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 11 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 2 2 4 4 机机械械手手的的发发展展趋趋势势 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 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 12 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 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 13 第第三三章章 机机械械手手控控制制系系统统设设计计 3 3 1 1 控控制制系系统统的的 P PL LC C 设设计计内内容容 1 控制系统的设计要求 按启动按钮 输送带 A 连续运行 机械手上升 到位撞 H1 停止上升 左旋 到位撞 H2 停止左旋 下降 到位撞 H3 停止下降 接通输送带 B 移动零件 零 件通过检测器 H6 输送带 B 停止 机械手抓零件 抓紧撞 H4 上升 到位撞 H1 停止上升 右旋 到位撞 H5 停止右旋 下降 到位撞 H3 停止下降 将零件放在 输送带 A 上延时 5 秒 上升 再次循环 图 2 输入输出控制 输入输出 X0SB1启动G上升Y1 X1H1上限位K下降Y2 X2H2左限位E左旋Y3 X3H3下限位F右旋Y4 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 14 X4H4抓紧限位C抓紧Y5 X5H5右限位D放松Y6 X6H6零件检测B输送带 B Y7 X7SB2停止A输送带 A Y10 3 3 1 1 程程序序设设计计 1 功能图 H6 H4 H1 H5 H3 H3 H1 H2 0 1 4 3 2 5 上升 左旋 下降 右旋 7 6 上升 抓紧 下降 图 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 15 2 梯形图 图 3 指令表 0 LD X000 OR Y010 OUT Y010 3 LD X000 OR X004 机械手控制系统的 PLC 设计 裴文佩 机电一体化 16 OR T0 OR Y001 ANI X0