自动装配生产线上机械手PLC控制系统的设计

第 1 章 绪论 1 1 本课题在国内外研究现状 1 1 1 国内研究综述 在我国 汽车工业仍然是工业机械手主要的使用领域 但我国在工业机械 手生产企业中 年产销量在 100 台以上 产值过 5000 万元的规模企业非常少 国外大型公司年产量都达 5000 到 10000 台 销售额为数十亿美元 目前国内机 械手的保有量在 4000 台左右 井将以每年 800 1000 台左右的速度快速增长 工业机械手应用前景极为广阔 虽然目前国内生产工业机械手的企业并不多 很多产品的生产技术还主要依靠进口 高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂 商手里 国内机械手厂家主要还是受到控制系统的困扰 没有比较成熟稳定的伺 服系统 所以不能生产高端机器 我国本土企业生产的机械手产品还主要流通在 中低端市场 因此决定了很多本土生产企业在争夺市场时主要还是采取价格战 随着技术的进步 日臻成熟 会有更多的厂商加入此行业 我国国家 863 机械手技术主题自成立以来一直重视机械手技术在产业中的推广和应用和推进 机械手技术以提升传统产业 利用机械手技术发展高新产业 目前 政府正在 使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额 井提供优惠措施鼓励 更多企业使用机械手及技术以提升技术水平 国内越来越多的企业在生产中采 用了工业机械手 各种机械手生产厂家的销售量都有大幅度的提高 1 1 2 国外研究综述 目前世界高端工业机械手均有高精化 高速化 多轴化 轻量化的发展趋 势 定位精度可以满足微米及亚微米级要求 运行速度可以达到 3M S 量产产 品达到 6 轴 负载 2KG 的产品系统总重已突破 100KG 现代式工业中 生产过 程的机械化 自动化已成为突出的主题 化工等连续性生产过程的自动化已基 本得到解决 采用全自动化机械手进行装配更是目前研究的重点 国外已研究 采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起 能确定零件的方位达到镶装 的目的 但在 机械工业中 加工 装配等生产是不连续的 因此 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 工业机械手主 要用于机床加工 铸造 热处理等方面 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 1 2 本课题的研究目的和意义 随着社会的发展和工业技术水平的不断进步 机械手在生产中得到广泛应 用 促进了工业生产的自动化 自动生产线是由工件传送系统和控制系统 将 一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来 自动完成产品全部或部分制 造过程的生产系统 简称自动线 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 PLC 可编程逻辑控制器 它采用一类可编程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作等面向用户的指令 并通过 数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程 理论上 本课题是对 于大入学里面学到的课程 例如可编程控制器 机械设计基础 控制电器及应 用等课程的加强巩固 实践上 本课题将 PLC 应用于机械手的控制电路中 具 有很强的 PLC 系统设计上意义 1 3 本课题的主要研究内容 本课题的最终目的是利用可编程控制器作为载体设计一套程序驱动机械手进行 预订动作 在装配生产线上实现自动抓取 搬运等操作 其中包含了根据调研 提出工艺要求 根据装配线机械手的执行结构和驱动部分 构思控制部分的整 体方案 提出控制系统的运动方式 根据工艺结构和机械结构设计出控制系统 的硬件结构 包括功能的设计 电机和 PLC 的选型 PLC 硬件电路的设计等 设计控制系统的软件部分 包括 I O 分配表和梯形图 第第 2 2 章章 机械手的工艺设计及其流程机械手的工艺设计及其流程 2 1 工艺设计 此次 PLC 控制机械手系统从硬件和软件设计两方面进行了设计 主要表现 在 1 硬件方面 采用液压缸来驱动机械手 其结构简单 工作可靠 用它来实现往复运动 时 可免去减速装置 并且没有传动间隙 运动平稳 采用传感器来提高机械 手装配成功的概率 提高系统的精度 在自动生产线上有货物时执行动作 而 无货物是停止运行 2 软件方面 采用 PLC 有许多优点如可以通过改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功 能 这样可以更好的适应不同特性的自动生产线 而 PLC 的电脑软件易学易懂 具有很高的柔性 而且其设备容易操作 便于维护 3 系统的工作原理 本此设计主要研究 PLC 控制机械手执行特定运动环节 物体由传送带送至 机械手执行范围内后 传感器接收信号 经数据处理后送至控制单元 PLC 开 始控制机械手进行抓取等特定运动 其中控制单元由 PLC 等硬件组成 PLC 作 为控制系统的核心 完成各种数据的交换和处理 电机运转控制机械手相关速 度 2 2 工艺流程 机械手最终目的是将传送带 A 上的工件抓起来送到 B 传送带上 而其中传 送带 B 保持连续传送 但传送带 A 并不是连续的 而是当其要传送一个工件时 机械手抓取之前是停止运动的 当机械手拿走工件后才会传送下一个工件 机 械手要完成一个工作过程要经过上升下降 左旋右旋 抓紧放松 其中抓紧 放松工序会停顿一定的时间 机械手实物图如下所示 其具体运动描述为当开始工作时 机械手对抓手进行整体下降运动 达到 下降极限 机械手开始抓物体 此时延时 3 秒 时间到机械手抓取到工件保持 上升 达到上升极限 机械手开始向左移 达到左极限 机械手开始下降 达 到下降极限 机械手开始放物体 延时 3 秒 时间到机械手放开工件保持上升 达到上升极限 机械手开始向右移 达到右极限完成一个工作周期 重复运行 若发生紧急事故 停电等情况后 可以在系统启动时可继续完成突然停止时的 任务 这样工作可以继续 也可完成单周期 又能手动运行 具体系统工艺流 程如下 根据以上工艺设计和工艺流程的相关内容作出本次课题的系统总体框架图如下 所示 计算机 按钮输入端 4 个按钮 可编程控制器 机械手夹紧或松开 自动输入端 7 个限位开关 PLC 液压缸 机械手上升或下降 FX2N 48MR 机械手左旋或右旋 手动输入端 6 个按钮 第 3 章 机械手系统元器件的选型 3 1 PLC 的选型 3 1 1 PLC 的选择 本系统中 PLC 是整个控制单元的核心部分 通过上级的输出信号经处理 后以通信的形式向下级变频器发送指令 同时协调完成系统的其它控制 I O 点数是衡量 PLC 规模大小的重要指标 根据被控对象的输入信号与输出信号的 总点数 选择相应规模的 PLC 可编程控制器并留有 10 15 的 I O 裕量 估算 出被控对象上 I O 分配点数后 就可选择点数相当的可编程控制器 本控制系统有 17 个输入量 分别为 输入量 备注 机械手的启动 连续 按钮 1 个 负责机械手的启动 机械手的停止按钮 1 个 负责机械手的停止 机械手单周期启动按钮 1 个 负责机械手进行一个周期运动 机械手手动启动按钮 1 个 负责机械手进行单步骤运动 上升启动按钮 1 个 A 负责机械手进行上升运动 下降启动按钮 1 个 B 负责机械手进行下降运动 夹紧启动按钮 1 个 C 负责机械手进行夹紧运动 松开启动按钮 1 个 D 负责机械手进行松开运动 左旋启动按钮 1 个 E 负责机械手进行左旋运动 右旋启动按钮 1 个 F 负责机械手进行右旋运动 物品检测开关 1 个 负责检测自动生产线上是否有物品 夹紧限位开关 1 个 负责机械手是否夹紧物品的检测 松开限位开关 1 个 负责机械手是否松开物品的检测 下降限位开关 1 个 负责检测机械手到达最低位置 上升限位开关 1 个 负责检测机械手到达最高位置 右旋限位开关 1 个 负责检测机械手是否右旋转到极限 左旋限位开关 1 个 负责检测机械手是否左旋转到极限 注 1 限位开关在实际机械手中为光电开关 2 只有当旋钮开关打到单步骤档 上 A B C D E F 才起作用 本控制系统由 6 个输出量 分别为 输出量 备注 机械手夹紧拉伸液压缸 1 个 负责启动机械手夹紧物品 机械手松开收缩液压缸 1 个 负责启动机械手松开物品 机械手下降收缩液压缸 1 个 负责启动机械手的下降 机械手上升拉伸液压缸 1 个 负责启动机械手的上升 机械手右旋收缩液压缸 1 个 负责启动机械手的右旋 机械手左旋拉伸液压缸 1 个 负责启动机械手的左旋 本系统 PLC 接收一路传感器信号 另输出一路用于控制机械手的信号 所以在 本系统中其所需的 I O 点数不是很多 因此选择小型机即可 综上所述 本次 设计选择由三菱公司生产的 FX2N 系列型号 FX2N 48MR 的可编程控制作为机械手 的控制器 3 1 2 FX2N 48MR 系列 PLC 的主要参数 工作电源 24VDC 输入点数 24 输出点数 24 输入信号类型 直流或开关量 输入电流 24VDC 5mA 模拟输入 10V 10V 20mA 20mA 输出晶体管允许电流 0 3A 点 1 2A COM 输出电压规格 30VDC 最大负载 9W 输出反应时间 Off On 20 s On Off 30 s 基本指令执行时间 数个 s 程序语言 指令 梯形图 SFC 程序容量 3792STEPS 基本顺序指令 32 个 含步进梯形指令 应用指令 100 种 初始步进点 S0 S9 一般步进点 118 点 S10 S127 辅助继电器 一般用 512 232 点 M000 M511 M768 M999 停电保持用 256 点 M512 M767 特殊用 280 点 M1000 M1279 定时器 100ms 时基 64 点 T0 T63 10ms 时基 63 点 T64 T126 M1028 为 ON 时 1ms 时基 1 点 T127 计数器 一般用 112 点 C000 C111 16 位计数器 停电保持用 16 点 C112 C127 16 位计数器 高速用 13 点 1 相 5kHz 2 相 2kHz C235 C254 全部为停电保 持 32 位计数器 数据寄存器 一般用 408 点 D000 D407 停电保持用 192 点 D408 D599 特殊用 144 点 D1000 D1143 指针 中断 P64 点 I4 点 P0 P63 I001 I101 I201 I301 串联通信口 程序写入 读出通讯口 RS232 一般功能通讯口 RS485 主机电源 220V AC FX2N 48MR 可编程控制器实物图 3 2 电机的选型 考虑本次课题的工业生产情况可采用 Y2 系列三相异步电动机 此三相异步 电动机具有结构新颖 造型美观 噪音低 振动小 绝缘等级高等特点 产品 现已达到九十年代国际先进水平 是 Y 系列电机的更新产品 外壳防护等级 IP54 它具有良好的起动性能和运行性能 结构简单 工作可靠 维修方便等 特点 采用 E 级或 B 级绝缘 外壳防护等级为 IP44 冷却方式为 ICO141 对 于 Y2 型号有如下常见种类 它们之间数据参数见下所示 型 号 额定 功率 电流 安培 转速 转 分 效率 功率 因数 最大 转矩 堵转 转矩 堵转 电流 噪声 限值 振 动 限 值 重量 千 克 千瓦马力 额定 转矩 额定 转矩 额定 电流 Y2 63M1 2 O 18 O 25O 532720 65 0 0 80 2 2 2 2 5 5 611 89 Y2 63M2 2 O 25 O 33O 692720 68 0 O 81 2 2 2 2 5 5 611 81O Y2 71M1 2 O 37 O 50O 992740 70 O O 81 2 2 2 2 6 1 641 814 Y2 71M2 2 O 55 0 751 402740 73 O O 82 2 3 2 2 6 1 641 815 Y2 80M1 2 O 75 1 O1 832840 75 O O 83 2 3 2 2 6 1 671 818 Y2 80M2 2 1 11 52 582840 77 O O 84 2 3 2 2 7 O 671 819 本次课题中电机承载整个机械手的所有负载 需要功率较大 而机械手主要用 于生产线夹持较轻便物体 所需功率又较小 而为了在实验过程中提高其准确 性和稳定性以及安全性 电动机的转速较小为好 综合考虑采用 Y2 系列 Y2 63M2 2 三相异步电动机可满足需要 此型号电动机的功率要求可达到所需并且 转速不是特别的快速 是一个较好的选择 Y2 系列电机实物图 3 3 传感器的选型 根据本系统 传感器是数据采集单元的核心 其性能直接影响到系统整体 的精度 在选择传感器时 测量精度是传感器最为重要的一个性能指标 同时 也要综合考虑最大量程 稳定性和工作环境等因素 它关系到整个测量系统测 量精度的一个重要环节 传感器精度的精度越高 测量越准 但价格也越昂贵 因此所选传感器的精度只要满足整个测量系统的要求就可以 传感器量程的选 择可依系统要求等因素综合考虑来确定 一般应使传感器工作在 30 到 70 量 程内 以保证传感器的使用安全和寿命 在本系统中它需要对机械手运动情况 和自动生产线上物体进行检测 故采用光电传感器最为合适 综上所述 根据国家标准 GB T7551 2008 中对光电传感器各项指标的详细 规定 选择选择上海普邦传感器有限公司生产的型号为 EDAB 2DP 的光电传感器 其检出方式为透过型 检测距离为 5m 检出物体不透明物体幅 16mm 以上 指 向角 3 20 应答时间 7ms 以下输出电流 200mA 以下 其相关参数较本次课题的 所需要求如检测距离 5m 等正为合适 符合本课题中机械手系统的实际环境 是 一个很好的选择 EDAB 2DP 光电传感器实物图 3 4 液压缸的选型 液压缸是将液压能转变为机械能的 做直线往复运动 或摆动运动 的液 压执行元件 在各种机械的液压系统中得到广泛应用 在本系统中通过电机驱 动液压缸使机械手进行运动是一种比较好的选择 它具有结构简单 工作可靠 的特点 用它来实现往复运动时 可免去减速装置 并且没有传动间隙 运动 平稳 结合本系统的实际情况可以选择上海永久电机设备有限公司的 RD 系列 精密生产用液压缸 该液压缸设计成经久耐用型 是在自动生产线生产应用的 比较好的选择 具有防尘环能够减少污染 延长液压缸使用寿命 双作用操作 在两个方向产生力 提供各种多样性能等特点 RD 系列液压缸的型号和其参数 如下所示 RD 41 精密生产用液压缸 液压缸最大承载能力 kN 进程 回程 35 16 行程 mm 29 RD 46 精密生产用液压缸 液压缸最大承载能力 kN 进程 回程 35 16 行程 mm 156 RD 91 精密生产用液压缸 液压缸最大承载能力 kN 进程 回程 80 44 行程 mm 29 RD 96 精密生产用液压缸 液压缸最大承载能力 kN 进程 回程 80 44 行程 mm 156 RD 910 精密生产用液压缸 液压缸最大承载能力 kN 进程 回程 80 44 行程 mm 257 RD 166 精密生产用液压缸 液压缸最大承载能力 kN 进程 回程 142 77 行程 mm 159 RD 1610 精密生产用液压缸 液压缸最大承载能力 kN 进程 回程 142 77 行程 mm 260 RD 2510 精密生产用液压缸 液压缸最大承载能力 kN 进程 回程 222 98 行程 mm 260 RD 43 精密生产用液压缸 液压缸最大承载能力 kN 进程 回程 35 16 行程 mm 80 RD 93 精密生产用液压缸 液压缸最大承载能力 kN 进程 回程 80 44 行程 mm 80 本次课题研究中电机带动液压缸使机械手进行相关运动 液压缸承载着整 个运动的相关得力 所以其最大承载能力要尽可能得大 而机械手的运动范围 也比较大 所以要求液压缸行程也要大些才行 综上所述 结合本课题的实际 要求选择型号为 RD 1610 是一个比较好的选择 RD 系列液压缸实物图 第第 4 4 章章 机械手硬件系统的设计机械手硬件系统的设计 4 1 PLC 的地址分配 根据机械手的输入信号 16 个 输出信号 6 个 建立 I O 地址分配表 控制按钮输入分配表 控制元件 符号 输入点 连续启动按钮 SB1 X000 单周期启动按钮 SB2 X009 手动启动按钮 SB3 X010 停止按钮 SB4 X008 自动输入分配表 控制元件 符号 输入点 物体检测开关 SQ1 X001 上升限位开关 SQ2 X004 下降限位开关 SQ3 X002 左旋限位开关 SQ4 X005 右旋限位开关 SQ5 X007 夹紧限位开关 SQ6 X003 松开限位开关 SQ7 X006 手动输入按钮分配表 控制元件 符号 输入点 上升按钮 SL1 X011 下降按钮 SL2 XO12 左旋按钮 SL3 X013 右旋按钮 SL4 X014 夹紧按钮 SL5 X015 松开按钮 SL6 X016 输出分配表 控制元件 符号 输入点 机械手夹紧拉伸液压缸 YV0 Y000 机械手松开收缩液压缸 YV1 Y001 机械手下降收缩液压缸 YV2 Y002 机械手上升拉伸液压缸 YV3 Y003 机械手右旋收缩液压缸 YV4 Y004 机械手左旋拉伸液压缸 YV5 Y005 注 其各个元件具体作用可见本文关于 PLC 的选型的相关内容 4 2 PLC 外部接线图 详见电子版 CAD 4 3 电气控制总图 详见电子版 CAD 第第 5 5