机械手模型的PLC控制系统设计.doc

第 1 页 共 35 页 浙浙江江工工业业职职业业技技术术学学院院 毕业论文毕业论文 2010 届届 机械手的机械手的 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 学生姓名学生姓名 洪晔悦洪晔悦 学学 号号 070307243 院院 别别 机电工程分院机电工程分院 专专 业业 机电一体化技术机电一体化技术 班班 级级 07 机电一体化技术 机电一体化技术 2 指导教师指导教师 谢水英谢水英 完成日期完成日期 2010 5 20 第 2 页 共 35 页 机械手的机械手的 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 摘要摘要 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象 工业机械手可以代替人 手的繁重劳动 显著减轻工人的劳动强度 提高劳动生产率和自动化水平 解决了工业 生产中长期频繁单调的操作 也提高了工件的生产加工速度 本文介绍的机械手是由 PLC 输出五路来分别驱动手臂上下直线运动 手臂左右直线运动 手腕旋转运动 机械手整 体旋转运动 手爪夹紧动作的精确定位 微动开关将位置信号传给 PLC 主机 电机拖动 手爪和底盘旋转 电磁阀控制气阀的开关来控制机械手手爪的张合 从而实现机械手精 确运动的功能 本课题拟开发的工业机械手模型可在空间抓放物体 动作灵活多样 可 代替人工在高温和危险的作业区进行作业 并可根据工件的变化及运动流程的要求随时 更改相关参数 关键字关键字 机械手 PLC 控制 电机 目录目录 第 3 页 共 35 页 第一章 可编程控制器简介 1 1 PLC的含义 4 1 2 PLC的结构 4 1 3 PLC的特点 4 1 4 PLC的功能 5 第二章 机械手概述 2 1 工业机械手系统概论 6 2 2 工业机械手的应用与发展趋势 6 2 3 机械手的构成和自动控制系统的分类 6 2 4 机械手的性能和特性 7 第三章 机械手 PLC 控制系统的硬件设计 3 1 机械手工作过程概述 9 3 2 技术要求及主要参数 9 3 3 设计要求及方案 10 3 4 PLC 机型的选择及其他器件的选择 11 3 5 气动原理图与气缸的选择 17 3 6 元件清单 19 第四章 机械手 PLC 控制系统软件的设计 4 1 I O 地址的分配 21 4 2 控制程序的流程图 22 4 3PLC 接线图 23 4 5 程序梯形图及指令表 24 4 6 本章小结 30 结论与展望 31 致谢 32 参考文献 33 附录 34 第一章第一章 可编程控制器可编程控制器简介简介 1 11 1 PLCPLC 的含义的含义 硬件配置灵活 组态方便 编程方法简便 抗干扰能力强 能适应较 第 4 页 共 35 页 恶劣的工业环境 工作室温度可在 0 60 存放温度可为 40 80 相对湿 度可达 95 体积小 维护费用低 1 PLC 能接收 处理和输出各种开关量 模拟量和不同码制的数码 除 能实现一般的逻辑控制 顺序 步进 时序 条件和锁存等 功能外 还能 实现数值运算 数据转换及数据通信等功能 配备适当的外围设备可以进行 打印 2 由于编程软件化 可新编程序 可修改程序和数据处理的可接口性 当生产工艺 或流程 改变时只需要修改软件 而不需要改变硬件即可满足 新的控制要求 大大方便了设计和现场使用 缩短了设计施工和调试周期 3 PLC 能与上一级计算机直接相连 在综合自动化控制系统中可以合理 地实现分级控制 作为基础控制级使用 4 PLC 采用独特而简便的编程方法 并采用与工艺流程相适应的一般符 号 编程方法简明通俗 易学 易编 易改 很容易将原来的继电器控制线 路直接翻译到 PLC 软件上 1 21 2 PLCPLC 的结构和组成的结构和组成 由中央处理器 CPU 输入输出模块 编程器 外围设备 电源组成 来自现场设备的输入信号 如开关 按钮和仪表信号 经输入模块 对 输入信号进行电平转换和隔离 读入 CPU 由用户程序 在系统程序管理下 解读 这些程序是由一系列指令组成的 包括逻辑运算 算术运算 定时 记数 比较 数据传输 存取和转换 完成用户程序中所规定的控制任务 并按照输入和输出信号进行逻辑判断 用其结果驱动输出模块 对输出信号 进行电压或电流转换和隔离 控制继电器 电磁阀或电动机等 以完成生 产过程或工艺流程的控制 1 31 3 PLCPLC 的特点的特点 硬件配置灵活 组态方便 编程方法简便 抗干扰能力强 能适应较 恶劣的工业环境 工作室温度可在 0 60 存放温度可为 40 80 相对湿 度可达 95 体积小 维护费用低 1 PLC 能接收 处理和输出各种开关量 模拟量和不同码制的数码 除 能实现一般的逻辑控制 顺序 步进 时序 条件和锁存等 功能外 还能 实现数值运算 数据转换及数据通信等功能 配备适当的外围设备可以进行 打印 2 由于编程软件化 可新编程序 可修改程序和数据处理的可接口性 当生产工艺 或流程 改变时只需要修改软件 而不需要改变硬件即可满足 新的控制要求 大大方便了设计和现场使用 缩短了设计施工和调试周期 3 PLC 能与上一级计算机直接相连 在综合自动化控制系统中可以合理 地实现分级控制 作为基础控制级使用 4 PLC 采用独特而简便的编程方法 并采用与工艺流程相适应的一般符 第 5 页 共 35 页 号 编程方法简明通俗 易学 易编 易改 很容易将原来的继电器控制线 路直接翻译到 PLC 软件上 1 4 PLC 的功能的功能 1 开关量控制 取代传统的继电器 完成开关量控制 2 模拟量控制 PC 中配置 A D 和 D A 转换模块 完成对温度 压力 流量 液位和速度等连续变化的量的控制 3 定时控制 可以提供定时时间在较大范围内任意设定的定时器 4 计数控制 可以提供众多的计数器 5 步进控制 设置了一定数量的移位寄存器 来满足各种步进控制的 要求 6 数据处理 设置有四则运算指令 完成对生产过程中的数据进行处 理 7 自诊断功能 能对电源 程序 运行状态等作自诊断 8 定位控制 主要用于机械加工 9 通信联网功能 由一台计算机与多台 PC 或多台 PC 组成分布式控 制系统 10 显示打印功能 可以连接显示终端和打印设备 第二章第二章 机械手概述机械手概述 2 1 工业机械手系统概论工业机械手系统概论 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 第 6 页 共 35 页 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 2 2 工业机械手的应用与发展趋势工业机械手的应用与发展趋势 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 工业机械手在工业生产中能代替 人做某些单调 频繁和重复的长时间作业 或是危险 恶劣环境下的作业 例如在冲压 压力铸造 热处理 焊接 涂装 塑料制品成形 机械加工和 简单装配等工序上 以及在原子能工业等部门中 完成对人体有害物料的搬 运或工艺操作 以及轻工业 交通运输业等方面得到越来越广泛的应用 2 32 3 机械手的构成和自动控制系统的机械手的构成和自动控制系统的分类分类 机械手主要由执行机构 驱动机构和控制系统构成 执行机构包括手部 手臂和躯干 手部装在手臂前端 可以转动 开闭手指 机械手手部的构造 系统模仿人的手指 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 四指等 其中以二指用得最多 可根据夹持对象的形 状和大小配备多种形状和尺寸的夹头 以适应操作的需要 手臂的作用是引 导手指准确地抓住工件 并运送到所需要的位置上 为了使机械手能够正确 地工作 手臂的三个自由度都需要精确地定位 总之 机械手的运动离不开 直线移动和转动二种 因此它采用的执行机构主要是气缸和步进电动机等 躯干是安装手臂 动力源和各种执行机构的机架 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 气 压驱动所采用的元件为气压缸 气马达 气阀等 本设计的手爪部分采用气 压驱动 电气驱动时 直线运动可以采用电动机带动丝杠 螺母机构 通用 机械手则考虑采用步进电动机 直流或交流的伺服电动机 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 同一形式的动力 出力比较大 本设计采用步进电动机驱动手臂运动 手爪 和机械手的底盘旋转运动 机械驱动只适用于动作固定的场合 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 工作速度高 成本低 缺点是不易调整 机械手控制的要素包括工作顺序 到达位置 动作时间 运动速度等 机械手的控制分为点位控制和联系轨迹控制两种 目前以点位控制为主 从满足机械手自动控制系统的安全性 扩展性 和可靠性 稳定性方面 考虑 目前常见的机械自动控制系统 主要有单片机控制 PLC 控制 工业 控制计算机集中控制以及继电器控制等类型 随着集成芯片技术的不断提高 特别是高档 8 位 16 位单片机的普及 单片机轧管系统由单片计算机及其外围芯片构成机械手自动控制系统系统 其特点是单片机本身小巧 功耗低 实时控制功能强 但是其软 硬件的开 发必须借助于开发工具 系统调试困难 不具有自开发能力 第 7 页 共 35 页 工业控制计算机机械手分拣系统有较强的软 硬件支持 利用通用计算 机的软 硬件资源来支持机械手自动控制系统系统进行工作 具有自开发能 力 有较强的可视能力和数据处理能力 更适合于计算机集中控制系统应用 继电器控制装置是采用硬逻辑的方式 一个继电器线圈的通断将会同时 影响该继电器的所有常开常闭触点动作 同触点在控制线路的位置无关 虽 然继电器控制不需要很强的软 硬件支持 价格相对便宜 但是性能不稳定 精度不高 不具备自动控制功能 2 4 机械手的性能和特性机械手的性能和特性 1 机械手的机能和特性 根据古典力学观点 物体在三维空间内的静止位置时由三个坐标和绕三 轴旋转的角度来决定 因此 抓握物体的位置和方向 即关节的角度 能从 理论上得 根据资料介绍 如果采用的机械手 其机能要接近人的上肢 则 需要 27 个自由度 而每一个自由度至少需要一个 人造肌肉 这样就需要 安装 27 根重量轻 小型和高输出力的 人造肌肉 就目前的技术状况而言 还是很难做得到的 而且把机械手搞那么复杂 动作彼此重叠也是完全没有 必要的 如果机械手要求具有完全通用的程度 那么它的整机 本体 手臂 和手指都得由三个直线运动和三个旋转运动 总共就需要 24 个自由度 这 在实际上也是不需要的 这样会使机械手结构复杂 费用增多 因此 不应 盲目模仿人手的动作 增加过度的自由度 而应根据实际需要的动作 设计出 最少的自由度就能完成作业所需要的动作 所以一般专用的机械手 不包括 握紧动作 通常具有二到三个自由度 而通用机械手则一般取四到五个自由 度 本次设计的机械手 共有五个自由度 手臂左右伸缩 手臂上下摆动 手腕回转 手指抓握 机械手的整体旋转 2 机械手的夹紧机构和躯干 机械手的传动分为液压 气压 电气和机械四种 在这次的设计中采用 了综合传动方式 手臂采用电气传动 手爪采用气压传动 1 夹紧机构 机械手手爪是用来抓取工件的部件 手爪抓取工件时要满足迅速 灵活 准确可靠的要求 设计制造夹紧机构 手爪时 首先要从机械手的坐标形 式 运行速度和加速度的情况来考虑 其夹紧力的大小则根据夹持物体的重 量 惯性和冲击力来计算 则同时考虑有足够的开口尺寸 以适应被抓物体 的尺寸变化为扩大机械手的应用范围 还需备有多种抓取机构 以根据需要 来更换手爪 为防止损坏被夹的物体 夹紧力要限制在一定的范围内并镶有 第 8 页 共 35 页 软质垫片 弹性衬垫或自动定心结构 为防止突然断电造成被抓物体落下 还可以有自锁结构 夹紧机构本身则结构简单 体积小 重量轻 动作灵活 和工作可靠 夹紧结构形式多样 有机械式 吸盘式和电磁式等 有的夹紧机构还带 有传感装置和携带工具进行操作的装置 本设计采用机械式夹紧装置 机械式夹紧是最基本的一种 应用广泛 种类繁多 如可以按手指运动 的方式和模仿人手的动作 按夹持的方式分 按手指的数目分 按使用的动 力原则分 在本次的设计中 要设计的手爪时二指式气动手爪 由可编程控 制器控制电磁阀动作 从而控制手爪的开闭 手爪的回转则用一个步进电动 机完成 同时通过两个限位开关完成回转角度的限位 设置为 180 度 2 躯干 躯干有底盘和手臂两部分组成 底盘是支撑机械手的全部重量并能带动手臂旋转的机构 底座的旋转步 进电机通过 1 1 同步带轮传动 带轮的直径 50mm 在底盘上装有限位开关 最大旋转角度可达 270 手臂使机械手的主要部分 它是支撑手爪 工件使它们运动的机构 并 且必须满足整体机架的负荷 本设计手臂由横轴和竖轴组成 可完成伸缩 升降的运动 手臂采用步进电动机带动丝杠 螺母来实现伸缩和升降运动 由可编程控制器发出信号控制步进电机运转 带动 丝杆旋转 完成手臂的 运动 横轴和竖轴的移动范围都设计为 450mm 丝杠的直径为 10mm 螺距大 小是 1 5mm 运动速度可以达到 100mm s 重量为 0 3Kg 采用丝杠 螺母 结构传动的特点是易于自锁 位置精度较高 传动效率较高 2 3 气爪控制 机械手的夹紧和放松由一个单线圈二位五通的电磁换向阀控制气缸的动 作来带动机械手的张开与夹紧 在气缸的左右两端分别安装两个磁性开关 用来检测气缸的动作是否到位 该线圈通电时 机械手夹紧 该线圈断电时 机械手放松 抓手直接装到气缸上 选用不同的抓手可以实现不同的功能 第三章第三章 机械手机械手 PLC 控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计 第 9 页 共 35 页 3 13 1 机械手工作过程概述机械手工作过程概述 图 2 1 为本设计机械手的示意图 机械手工作流程 开始运行后 如果 机械手不在初始位置上 步进电动机开始运转 横轴向手爪方向移动 竖轴 向上移动 归位后首先横轴步进电动机工作 横轴前伸 前伸到位后 手 抓电动机得电带动手抓旋转 当步进电机完成所要移动的位移后或碰到限位 磁头时 电动机停止 PLC 控制电磁阀动作 手张开 延时一段时间 竖轴 步进电动机工作 竖轴下降 下降到位后 电磁阀复位 手抓夹紧 延时过 后竖轴上升 同时横轴缩回 底盘电动机带动底盘旋转 当横轴 竖轴 底 盘都到位后 横轴前伸 到位后手爪旋转 然后竖轴下降 电磁阀动作 手 爪张开 延时后竖轴上升复位 然后开始下一周期动作 图 2 1 机械手 1 手爪张开闭合 2 手腕旋转 3 水平移动 4 升降 5 立柱旋转 6 手爪 7 手腕电机 M3 8 横轴 9 竖轴 10 竖轴电机 M2 11 横轴电机 M1 12 底盘 13 底盘电机 M4 3 2 技术要求技术要求及主要参数及主要参数 1 技术要求 输入电压 AC200 240V 带保护地三芯插座 或 DC24V 消耗功率 250W 气源大于 0 2MPa 且小于 0 85MPa 外型尺寸 60 45 55 第 10 页 共 35 页 2 主要参数 负荷参数 额定负荷为 1kg 最大负荷为 3kg 臂的运动参数 横轴方向移动范围是 450mm 速度是 100 s 竖轴方向 移动范围是 450mm 速度是 100mm s 手爪运动参数 旋转角度为 1800 机械手运动参数 旋转角度为 2700 3 3 设计要求设计要求及方案及方案 1 技术要求 手臂上下直线运动 手臂左右直线运动 手腕旋转运动 手爪夹紧动作 机械手整体旋转运动 手臂采用电气驱动 由 PLC 发出控制脉冲控制步进电动机运转 实现手臂的 进给和定位 手爪采用气压驱动 2 设计方案 从满足机械手自动控制系统的安全性 扩展性 可靠性和稳定性方面考 虑 目前常见的机械自动控制系统 主要有单片机控制 PLC 控制 工业控 制计算机集中控制以及继电器控制等类型 PLC 是一种新型的具有极高可靠 性的通用工业自动化控制装置 它以微处理器为核心 有机地将微型计 算机技术 自动化控制技术及通信技术融为一体 其特点如下 高可 靠性 丰富的 I O 接口模块 采用模块化结构 编程简单易学 安装简 单 维修方便 所以在本次的设计中 采用 PLC 做为控制的核心 根据控制的要求 机械手在电机的带动下需要完成五个动作 而现在 随着技术的进步 越来越多的电机都可以完成这些控制要求 例如 直流电 机 伺服电机以及步进电机 由于这个机械手要求电机在停止时具有锁紧功 能 而且可以完成指定距离的移动或角度的旋转 综合以上的要求 步进电 机和伺服电机都可以完成这些要求 但是由于系统的控制精度要求不是很高 无须考虑闭环反馈 所以步进电机就完全可以满足控制了 步进电机与普通 电机的不同之处在于它是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构 它可 以同时完成两个工作 一时传递转矩 二是控制转角位置或速度 第 11 页 共 35 页 控制的系统框架图 上 上 上 上 上 上 上 上 上上 上 上 上 P L C 上 上 上 3 4 PLC 机型的选择及其他器件的选择机型的选择及其他器件的选择 在 PLC 选型时 基本原则是满足系统的功能需要 同时要兼顾维修 设 备的通用性 控制根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求 使用了 8 个限 位开关 两个按钮 包括了启动 停止 两个磁性开关 要用到的输入数 量预计有 12 个 使用了四个步进电机 一个电磁换向阀 以及两个脉冲输 出点 一个方向电平 一个使能端控制 输出数量约有 10 个 在选择机型 时还要考虑以后系统的调整和扩充 在实际统计 I O 点数基础上 所以预留 10 20 的数量 可以确定要选择输入输出总量点数是 48 点的 PLC 本设备 控制的对象时一个开关量控制的系统 同时利用脉冲控制步进电机的运转 必须采用晶体管形式输出 日本的三菱 FX2N 系列小型 PLC 具有性价比高 功能完善 指令丰富等 优点 能满足对本对象各项控制性能要求 因此 本文系统采用三菱 FX2N 系列的 FX2N 48MT 作为基本模块 能输出两路脉冲信号控制步进电机 1 步进电机及驱动器 步进电机及驱动器 步进电机的选型步进电机的选型 系统要求机械手气爪的重量根据要求初步设定为 1 kg 其尺寸为