PLC实现对机械手的控制设计.doc

毕 业 设 计题 目： PLC实现对机械手的控制设计系 别： 机 械 系 专 业： 机 电 一 体 化班 级： 07机电一体化 学生姓名： 学 号： 指导老师： 杨 某 某 目 录前言11机械手的设计 22机械手的组成 22.1 执行机构 32.2 驱动机构 4 2.3 控制系统 53 功能与动作流程设计5 3.1 功能设计 5 3.2 机械手动作要求 6 3.3 机械手的控制要求 64 动作时序设计 75 PLC硬件设计 8 5.1 PLC的介绍 8 5.2 PLC的选型 8 5.3 I/O点编号分配 96 PLC软件设计9 6.1 编制控制状态转移9 6.2 程序设计及程序运行 107结论13致谢 14参考文献 15 PLC实现对机械手的控制设计摘要：论文主要论述了机械手中的PLC控制，重点介绍了机械手控制系统中的硬件选择方法、软件的设计过程，以及PLC 控制气动机械手装置的工作原理、运动过程和控制要求等方面。在工业自动化生产中，无论是单机还是组合机床，以及自动化生产流水线都要用到机械手来完成工件的取放。由于PLC在设计和结构上具有许多其他控制器所无法相比的特点，使得该机械手运行上做到准确无误，同时能将工件搬运到我们要求的地方。因此该机械手的可靠性高，抗干扰能力强，通用性强，使用方便。关键词：机械手 PLC（可编程控制器） 控制 前 言随着科学技术的迅速发展，我国正在进行由手工操作到机械控制的变革。机械手的设计与控制对工业自动化的发展是不可缺少的，它的到来加速了企业变革，在工业自动化的生产中，无论是单机床还是组合机床、以及自动化生产流水线都要用机械手完成工件的取放甚至更复杂、更精密的零件加工。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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线，他是一门迅速发展起来的新兴技术。目前机械手虽然还不如人手那样灵活，但是他具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，因此，机械手越来越广泛地得到应用。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、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，相应的发展通用机械手，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、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。1 机械手的设计简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，代替人工作业，实现生产自动化。设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，各动作由PLC控制电磁阀驱动气动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。图1为机械手移动物品示意图。 图1 机械手移动物品示意图2 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图：2.1、执行机构（1）手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。该论文所指的机械手仅需开闭手指。机械手手部的机构是模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。该论文所做的机械手采用三指形状。（2）手臂手臂有无关节和有关节手臂之分该论文所做的机械手的手臂采用无关节臂手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。2.2、驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。2.3 控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。3 功能与动作流程设计3.1 功能设计 图1中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5，对机械手分别进行抓紧、左转、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位置的输入信号。机械手的起、停由SB1（启动）、SB2（停止）按钮控制。 传送带A、B由电动机拖动。传送带A上装有光电开关SP，检测到物品，传送带A停止。传送带B连续运转，将物品送至后面的工序。机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由气动元件（气缸）执行，由六个相应的电磁阀驱动，统一由PLC控制。3.2机械手动作要求。 机械手及传送带A顺序动作的要求是: (1)按下起动按钮SB1时,机械手系统工作.首先上升电磁阀通电,手臂上升,至上升限位开关动作; (2)左转电磁阀通电,手臂左转,至左转限位开关动作; (3)下降电磁阀通电,手臂下降,至下降限位开关动作; (4)启动传送带A运行,由光电开关SP检测传送带A上有无物品送来,若检测到物品,则传送带A停止运转，同时抓紧电磁阀通电,机械手抓紧,至抓紧限位开关动作; (5)手臂再次上升,至上升限位开关再次动作; (6)右转电磁阀通电,手臂右转,至右转限位开关动作; (7)手臂再次下降,至下降限位开关再次动作; (8)放松电磁阀通电,机械手松开手爪,经延时2秒后,完成一次搬运任务,然后重复循环以上过程。 (9)按下停止按钮SB2或断电时,机械手停止在现行工步上,重新起动时,机械手按停止前的动作继续工作。3.3 机械手的控制要求（1）在传送带A端部安装了光电快关SP，SP是用来检测物品的到来的。当光电开关检测到有物品过来时则抓紧电磁阀通电，机械手的手爪抓紧，到抓紧限位开关动作为止。 （2）机械手在原位时，按下起动按钮SB1，系统起动，同时传送带A运作，当光电开关检测到物品时传送带A停止。 （3）传送带A停止后机械手进行一次循环动作，把物品从传送带A上搬到传送带B上（起动后传送带B始终保持运作，直到按下停止按钮SB2才停止。） （4）机械手把物品放到传送带B后开始返回原位，回到原位后，传送带A再自动起动进行下一次的循环。 （5）按下停止按钮SB2，传送带A先停止运作，然后是机械手停止动作。传送带B是最后一个停止动作的。 （6） 传送带A和B是由电动机来拖动。 （7）机械手的上升、下降、左转、右转、抓紧、放松、等动作是由气动元件执行，由六个相应的电磁阀来驱动。还用了一些限位开关来限制它相应的位置。 4 动作时序设计 根据对机械手的顺序动作要求可作出如下所示的机械手动作流程图参见图2。 图2 机械手动作流程图5 PLC硬件设计5.1 PLC的介绍 可编程序控制器（Programmable Logic Controller）通常也可以简称为可编程控制器，英文缩写为PC与PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。5.2 PLC的选型 根据系统的设计要求 ，选Omron公司生产的Cpmla-20cdr-a小型机。该机体积小，功能强、配有标准通讯接口便于计算机对PLC进行监控和管理。使用Cqm1-pro01手持式编程器，这种Cqm1-pro01手持式编程器可以方便的在生产现场进行维护和监控。该机输入点为16，输出点为10。5.3 I/O点编号分配根据机械手动作流程图，可以确定电气控制系统的I/O点分配表如图所示。 输入设备输入点输出设备输出点起动按钮SB1X0传送带A运行Y0停止按钮SB2X1左转电磁阀Y1抓紧限位开关SQ1X2右转电磁阀Y2左转限位开关SQ2X3上升电磁阀Y3右转限位开关SQ3X4下降电磁阀Y4上升限位开关SQ4X5抓紧电磁阀Y5下降限位开关SQ5X6放松电磁阀Y6物品检测X7定时器T0附表 I/O点分配6 PLC软件设计6.1 编制控制状态转移根据流程图和I/O 分配表，可以编制出状态转移如图3所示。 图3 状态转移图6.2 程序设计及程序运行（1)用步进指令编程。根据状态转移图及动作要领，编制的步进梯形图程序如图4所示。 （图4）其中，在状态由HR0100转移HR0000的条件中，增加了保持继电器的常闭触电，其作用是：当机械手工作在某一中间工步时，若PLC断电或停止运行，机械手停止在中间工步上。PLC获电或重新投入运行后，由于保持继电器HR具有状态断电保护的功能，因此在重新起动时，其中有某一个是断开的，使得HR0000不能置位，机械手只能从停止前被置位的保持继电器的后续工步继续动作。（2）程序运行调试。按下起动按钮SB1，输入点X0闭合，则辅助继电器M0通电，辅助继电器M0的辅助常开触点闭合形成自锁。开始常闭触电都为闭合状态，保持继电器HR0000接通，输出点Y3使上升电磁阀得电，手臂上升。当手臂上升到位时，上升限位开关使输入点X5闭合，保持继电器HR0001接通，HR0000复位，上升停止，同时，输出点Y1使左转电磁阀得电，手臂左转。以后每当一步动作到位，限位条件满足时，状态转移，进行下一个工步动作。当状态转移到HR0008为接通时，输出点Y6使放松电磁阀得电，机械手放松，同时定时器T0计时。当计时到2秒到（时间可视具体情况调整），状态又转移到HR0000，程序又重新从第一工步开始循环。停止时，按下停止按钮SB2，输入点X1断开，辅助继电器M0断电，其常开触点恢复常，自锁指令解除，全部输出被禁止，各个保持继电器的状态是断电保护的，机械手停在现行的工步上。当重新按起动按钮时，辅助继电器M0为接通，停止前的输入被恢复，机械手继续在停止前保持继电器为接通时的工步动作。总 结通过这次毕业设计,对我所学的知识进行了总结,同时还学到了许多新知识,让我更深刻的了解到理论知识在实际中的应用。在这次毕业设计中,主要是PLC控制系统的应用,同时也要对机械手的动作要求非常熟悉。对机械手的控制主要是位置的识别、运动方向控制和判别物料是否存在；而对PLC要知道所需的输入输出接口，明白输入接口是用来接受生产过程的各种参数，而输出接口是用来送出PLC运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构，完成生产现场的控制。在这次毕业设计中，我要感谢老师、系领导和学校的关心和指导。特别是杨老师一直给予我精心的辅导，纠正了我设计过程中的许多错误与不足。致 谢在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了杨健伟老师的精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中饱含了杨健伟老师的汗水和心血。老师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。在此我们向杨健伟老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。感谢学校给我们提供设计场地，和系领导的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，提出了许多建设性的观点，为我完成设计给予了极大的帮助。感谢机械工程系的领导和老师对我的关心和帮助。再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。参考文献1、杨黎明.机械零件设计手册.第一版.国防工业出版社,1986,122、吴宗泽.机械设计. 第一版.中央广播电视大学出版社,1998,23、卢颂峰.机械设计课程设计手册. 第一版.中央广播电视大学出版社,1998,44、非标准零件手册.第三版.国防工业出版社5、液压与气动传动.机械工业出版社6、机械手及