简单机械手的PLC设计与控制

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，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：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，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。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; 气动目 录摘要.2第一章 绪论 .41.1 气动机械手概述 .41.2 机械手的组成和分类 .41.2.1 机械手的组成 .41.2.2 机械手的分类 .41.3 气动机械手的应用 .5第二章 机械手的设计方案 .52.1 机械手的坐标型式与自由度 .52.2 机械手的手部结构方案设计 .52.3 机械手的手腕结构方案设计 .52.4 机械手的手臂结构方案设计 .52.5 机械手的驱动方案设计 .52.6 机械手的控制方案设计 .6第三章 气动系统设计 .631 气压传动系统工作原理图 .6第四章 机械手的 PLC 控制设计 .74.1 可编程序控器的简介 .84.2 PLC 的结构，种类和分类 .84.3 接近开关传感器 .94.4I/O 接口简介 .94.5 行程开关的介绍 .94.5.1 行程开关的概念 .94.5.2 行程开关的作用及原理 .104.6 电路的总体设计 .104.6.1 回路的设计 .104.6.2 系统输入/输出分布表 .114.63 机械手的程序设计 .114.6.4 步进电机的运行控制 .124.6.5 各模块的程序设计 .13第五章 结 论 .23致谢 .24参考文献 .25第一章 绪论1.1 气动机械手概述气动机械手由操作机(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。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2 机械手的组成和分类1.2.1 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。1.2.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按驱动方式分类。(一)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手。1.3 气动机械手的应用由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和*的包装、精密仪器和军事工业等。 第二章 机械手的设计方案2.1 机械手的坐标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱坐标型式。相应的机械手具有四个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度2.2 机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2.3 机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.4 机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。2.5 机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。2.6 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。第三章 气动系统设计31 气压传动系统工作原理图图4-1为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机（排气压力大于0.4-0.6MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。图3-1 机械手气压传动原理图各执行机构调速。凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器。这样可以省去电磁阀和切换调节阀或行程节流阀的气路阻尼元件。电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量，与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。第四章 机械手的 PLC 控制设计 考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。4.1 可编程序控器的简介1969 年 ， 美 国 数 字 设 备 公 司 (DEC) 研 制 出 第 一 台 PLC， 在 美 国 通 用 汽 车 自 动 装 配线 上 试 用 ， 获 得 了 成 功 。 这 种 新 型 的 工 业 控 制 装 置 以 其 简 单 易 懂 ， 操 作 方 便 ， 可 靠 性 高 ，通 用 灵 活 ， 体 积 小 ， 使 用 寿 命 长 等 一 系 列 优 点 ， 很 快 地 在 美 国 其 他 工 业 领 域 推 广 应 用 。到 1971 年 ， 已 经 成 功 地 应 用 于 食 品 ， 饮 料 ， 冶 金 ， 造 纸 等 工 业 。 这 一 新 型 工 业 控 制 装置 的 出 现 ， 也 受 到 了 世 界 其 他 国 家 的 高 度 重 视 。 1971 年 ， 日 本 从 美 国 引 进 了 这 项 新 技术 ， 很 快 研 制 出 了 日 本 第 一 台 PLC。 1973 年 ， 西 欧 国 家 也 研 制 出 它 们 的 第 一 台PLC。 我 国 从 1974 年 开 始 研 制 ,于 1977 年 开 始 工 业 应 用 。4.2 PLC 的结构，种类和分类PLC 实 质 是 一 种 专 用 于 工 业 控 制 的 计 算 机 ， 其 硬 件 结 构 基 本 上 与 微 型 计 算 机 相 同 ，如 图 所 示 ：图 5-1plc 的分类有：(一 ) 小 型 PLC 小型 PLC 的 I/O 点数一般在 128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量 I/O 以外，还可以连接模拟量 I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。(二) 中型 PLC中 型 PLC 采 用 模 块 化 结 构 ， 其 I/O 点 数 一 般 在 2561024 点 之 间 。 I/O 的 处 理 方 式除 了 采 用 一 般 PLC 通 用 的 扫 描 处 理 方 式 外 ， 还 能 采 用 直 接 处 理 方 式 ， 即 在 扫 描 用 户 程序 的 过 程 中 ， 直 接 读 输 入 ， 刷 新 输 出 。 它 能 联 接 各 种 特 殊 功 能 模 块 ，通 讯 联 网 功 能 更 强 ， 指 令 系 统 更 丰 富 ， 内 存 容 量 更 大 ， 扫 描 速 度 更 快 。(三 ) 大 型 PLC一 般 I/O 点 数 在 1024 点 以 上 的 称 为 大 型 PLC。 大 型 PLC 的 软 、 硬 件 功 能 极 强 。具 有 极 强 的 自 诊 断 功 能 。 通 讯 联 网 功 能 强 ， 有 各 种 通 讯 联 网 的 模 块 ， 可 以 构 成 三 级 通 讯网 ， 实 现 工 厂 生 产 管 理 自 动 化 。 大 型 PLC 还 可 以 采 用 三 CPU 构 成 表 决 式 系 统 ， 使 机器 的 可 靠 性 更 高 。4.3 接近开关传感器1 接近开关传感器的概念 在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。2 接近传感器的选型和检测对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近传感器，以使其在系统中具有高的性能价格比， 4.4I/O 接口简介（1）I/O接口的概念 CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是指I/O接口。(2）接口的分类 I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和 外围设备联系在一起，按照电路和设备的复杂程度，I/O接口的硬件主要分为两大类： 1）I/O接口芯片 这些芯片大都是集成电路，通过CPU输入不同的命令和参数，并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作，常见的接口芯片如定时计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。 2）I/O接口控制卡 有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件，或者直接与CPU同在主板上，或是一个插件插在系统总线插槽上。 按照接口的连接对象来分，又可以将他们分为串行接口、并行接口、键盘接口和磁盘接口等。 4.5 行程开关的介绍4.5.1 行程开关的概念 行程开关就 是 一 种 由 物 体 的 位 移 来 决 定 电 路 通 断 的 开 关 。行 程 开 关 又 称 限 位 开关 ,可 以 安 装 在 相 对 静 止 的 物 体 (如 固 定 架 、 门 框 等 ， 简 称 静 物 )上 或 者 运 动 的 物 体（ 如 行 车 、 门 等 ， 简 称 动 物 ） 上 。 当 物 体 接 近 静 物 时 ， 开 关 的 连 杆 驱 动 开 关 的 接 点 引起 闭 合 的 接 点 分 断 或 者 断 开 的 接 点 闭 合 。 由 开 关 接 点 开 、 合 状 态 的 改 变 去 控 制 电 路和 机 构 的 动 作 。4.5.2 行程开关的作用及原理行程开关用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。4.6 电路的总体设计4.6.1 回路的设计 整个系统的回路设计如下:机械手右旋转机械手上升机械手手臂伸长机械手下降机械手手腕右旋机械手加紧机械手上升机械手手腕左旋机械手手臂收缩机械手左旋机械手下降机械手手臂伸长机械手手腕右旋机械手下降机械手松开机械手手臂收缩 4.6.2 系统输入/输出分布表输入 输出X0 SQ1 右旋限位开关 Y0 YA1 右旋电磁阀X1 SQ2 上升限位开关 Y1 YA2 左旋电磁阀X2 SQ3 手臂伸长限位开关 Y2 YA3 手臂伸长电磁阀X3 SQ4 手腕右转限位开关 Y3 YA4 手臂收缩电磁阀X4 SQ5 下降限位开关 Y4 YA5 上升电磁阀X5 SQ6 工件光电检测开关 Y5 YA6 下降电磁阀X6 SQ7 手腕左转限位开关 Y6 YA7 手腕右转电磁阀X7 SQ8 手臂收缩限位开关 Y7 KA1 手腕左转电磁阀X10 SQ9 左转限位开关 Y10 YA8 加紧电磁阀X11 SQ10 机械手光电限位开关 Y112YA9 松开电磁阀X12 SB5 停止按钮 Y12 YA10 急停电磁阀X13 SB6 复位按钮 Y30 YA11 步进电机X14 SB7 步进电机手动启动 Y31 YA15 空气压缩机继电器X15 YJ2 步进电机停止按钮X16 SB8 暂停按钮X17 SB8 急停按钮X26 YJ4 接近传感器X27 K1 空气压缩机启动X30 K2 系统启动4.63 机械手的程序设计自 动 线 的 输 送 动 作 由 步 进 电 动 机 带 动 实 现 间 隔 输 送 ， 实 现 设 计 要 求 的 输 送 状 况 。 其 工作 的 过 程 是 ： 机 械 手 首 先 处 于 初 始 位 置 ， 然 后 经 过 一 系 列 的 动 作 将 断 续 传 送 带 上 的 工 件拿 走 ， 此 时 传 送 带 上 的 光 电 检 测 检 测 开 关 检 测 到 工 件 被 取 走 。 然 后 传 送 带 开 始 转 动 ， 当检 测 到 下 一 个 工 件 时 传 送 带 停 止 转 动 等 待 机 械 手 来 取 工 件 ， 当 然 只 要 机 械 手 取 走 工 件 传送 带 就 开 始 转 动 ， 这 样 设 计 是 为 了 节 省 工 作 时 间 从 而 不 会 出 现 机 械 手 等 待 传 送 带 的 时 间 。对 程 序 的 要 求 如 下 ：(1)首 先 启 动 机 械 手 时 机 械 手 自 动 复 位 处 于 初 始 位 置 ；(2)在 机 械 手 工 作 前 还 要 对 其 进 行 设 备 的 检 测 即 机 械 手 空 运 行 一 次 而 且 机 械 手 的 每一 个 动 作 都 有 相 应 的 定 时 器 进 行 监 控 若 超 出 规 定 的 运 行 时 间 则 认 为 是 设 备 出 现 故障 。(3)机 械 手 设 有 急 停 按 钮 （ 一 般 情 况 下 是 不 被 允 许 使 用 的 ） 只 有 出 现 紧 急 情 况 时 才允 许 按 此 按 钮 ， 按 下 此 按 钮 将 切 断 储 气 罐 与 各 汽 缸 的 联 系 将 被 切 断 各 汽 缸 处 于 无动 力 状 态 。4.6.4 步进电机的运行控制由于传送带的速度要求不高且精度也不是太高所以本设计选择三相步进电机通电方式为三相双三拍，利用 PLC 中的 M8014 特殊功能继电器向环形脉冲分配器中发送脉冲然后经光电转换和功放电路驱动步进电机。环形脉冲分配器选择 YB013 芯片此芯片为专用三相步进电机环形脉冲分配器此芯片工作稳定性能优良在实际生产中被广泛应用。1.步数控制当对射式光电检测开关检测到共建的位置时此时停止向脉冲分配器中发送脉冲步进电机将停在此位置不动。2手动控制步进电机当按下手动启动步进电机按钮时 M8013 即向环形脉冲分配器中发送脉冲步进电机开始转动，当按下停止按钮时步进电机将停下。3.此外在报警和暂停状态下步进电机也将停止转动。综合上述情况步进电机控制程序如下：STL 507 OUT M20LD M8013 ANI M574ANI M4AND M20OUT Y314.6.5 各模块的程序设计程序初始化采用中间继电器 M8002 中间继电器对系统各部分复位，定义个种标志包括系统初始化标志，系统启动暂停急停复位等标志；LD M8002ZRST Y000 Y267ZRST M0 M1023ZRST S0 S899SET S0 系统处于初始状态M0 定义为系统初复位标志它由机械手的右限位开关 X0，下限位开关 X4，收缩限位开关 X7，手腕右转限位开关 X3 同时激活；LD X0AND X4AND X7AND X3OUT M0 定义系统复位标志M1 定义为系统启动标志由启动按钮和 M0 共同激活；LD X30AND M0OR M1OUT M1 定义系统启动标志M2 为暂停标志由暂停按钮激活；LD X16AND M1OR M2OUT M2M4 定义为急停标志由急停按钮 X17 激活 M4 被激活同时激活特殊功能继电M574（禁止状态转换）安全阀将储气罐与机械手的联系切断； LD X17OUT M4LD M4SET M574LD M574OUT Y12 定义急停标志M5 定义为系统复位标志由复位按钮激活，当按下复位按钮系统将按右转，手腕右转，手臂收回，机械手下降,机械手右转，的顺序进行复位，当最后一个动作完成下限位开关有效时程序将 RSTM5；LD X13RST M574RST M4SET M5LD M5MPSANI X3OOUT Y6LD X3SET Y3AND X7RST Y3 SET Y5LD X4RST Y5SET YOLD X0RST M5 系统复位机械手自检程序机械手按照给定的顺序（手抓加紧松开手腕右转左转手臂伸长收缩机械手左转右转）空执行一次在每一个动作执行的过程中都会有定时器对每个动作进行监控若超过设定时间（定时器设定的时间都超过每个动作的时间）则认为是机械系统出错，停止当前的动作发出报警信号；STL S0LD X3 SET S24STLS24MPSOUT Y7MRDOUT T0 K40MPPLD X6SET S25STL S25MPSOUT Y2MRDOUT T0 K40MPPSET S26STL S26MPSOUT Y3MRDOUT T0 K40MPPLD X7SET S27STL S27MPSOUT Y1MRDOUT T0 K400SET S21OUT Y10MPSOUT Y10MRDOUT T0 K40MPPLD X26SET S22STL S22MPSOUT Y11MRDOUT T0 K40MPPLD X31SET S23STL S23MPSOUT Y6MRD OUT T0 K40MPPLD X3SET S24STLS24MPSOUT Y7MRDOUT T0 K40MPPLD X6SET S25STL S25MPSOUT Y2MRDOUT T0 K40MPPSET S26STL S26MPSOUT Y3MRDOUT T0 K40MPPLD X7SET S27STL S27MPSOUT Y1MRDOUT T0 K40MPPLD X10 SET S28STL S28MPSOUT Y0MRDOUT T0 K40MPPLD X0SET S29STL S29MPSOUT Y4MRD OUT K40MPPLD X1 SET S30STL S30MPS OUT Y5MRD OUT T0 K40MPPSET S31STL S31OUT S2 自检程序结束 自动运行程序此模式为机械手工作的主要模式,这部分采用具有保持功能的状态组件 S500-S899,可以让机械手在断电后再次通电继续执行断电前的动作，程序如下：STL S2LD M0 SET S500STL S500MPS OUT Y0MPPLD X0 SET S501STL S501MPS OUT Y4MPPLD X1SET S502STL S502MPS OUT Y2MPPLD X2SET S503STL S503MPS OUT Y7MPP LD X6SET S504STL S504 MPSOUT Y5MPPLD X11SET S505STL S505MPS SET Y10MPPLD X26SET S506SET S507STL S506MPSOUT Y4MPPLD X1SET S508STL S508MPSOUT Y6MPPLD X3SET S508STL S508MPSOUT Y3MPPLD X0SET S510STL S510MPSOUT Y5MPPLD X4SET S511STL S511MPS OUY Y7MPPLD X6SET S512STL S512MPSOUT Y2MPPLD X2SET S513STL S513MPSOUT Y5MPPLD X4S