机械手的PLC控制(完整)

. 整理范本 毕业设计报告 课题：课题：机械手的机械手的 PLCPLC 控制控制 系 部：机 电 系 专 业：电气自动化 班 级：电气 1332 姓 名：王琪 学 号：2013321026 指导老师：贾君贤 2016-6 . 整理范本 摘摘 要要 机械手是工业自动化系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之 一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交 流电机、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制 技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是 由 PLC 输出三路脉冲，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信 号传给 PLC 主机；位置信号由接近开关反馈给 PLC 主机，通过交流电机的正反 转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 的物料搬运机械手可在空间抓放物体，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。 关键词：机械手 PLC 交流电机 . 整理范本 目目 录录 摘摘 要要.1 1 引引 言言.3 3 第一章第一章机械手机械机械手机械结结构构.4 4 11传动机构.4 1 12 2 机械手夹持器和机座的结构机械手夹持器和机座的结构.6 6 第二章第二章 机械手机械手 PLCPLC 及电机的应用及电机的应用.8 8 2 21 1 PLCPLC 简介简介.8 8 2 22 2 PLCPLC 内部原理内部原理.1010 2 23 3 机械手机械手 PLCPLC 选择及参数选择及参数.1212 2 24 4 机械手电机的选用机械手电机的选用.1313 第三章第三章 机械手机械手 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计.1414 3 31 1 机械手的工艺过程机械手的工艺过程.1414 3 32 2 PLCPLC 控制系统控制系统 .16 致答谢词致答谢词.2121 参考文献参考文献.2222 . 整理范本 引引 言言 在现代工业中，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。 本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的 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、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，控制机械手完成各种动作。 由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的 问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。 . 整理范本 第一章第一章机械手机械结构机械手机械结构 1 11 1 传动机构传动机构 1.1.1 螺旋机构 螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，其主要功能是将转动变换为直线运动， 并同时传递运动和动力，按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构可以分为滑动螺旋 机构和滚动螺旋机构两种类型。按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺 旋三种类型。 螺旋机构具有结构简单，制造方便，传动平稳，无噪声易于自锁等优点。 1.1.2 滑动螺旋机构 螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构，称为滑动螺旋机构。滑动螺旋机构所 用的螺纹为传动性能好，效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。 滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成。根据机构的组成及运动方式，滑动螺旋 机构又分为以下两种。 （1） 由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构，螺母与机架固联，螺杆转动并移动 （如图 1-1b 所示） ，这种螺旋机构以传递动力为主，故又称传力螺旋机构。一 . 整理范本 般要求用较小的转矩产生较大的轴向力，多用在工作时间短，速度较低的场合。 （2） 由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构，如图 1-1a 所示，螺杆转动， 螺母移动，这种螺旋机构以传递运动为主，故又称为传导螺旋机构。 本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。这种传动形式结构紧凑， 刚度较大，传动效率高，精度高。 （a）螺杆转动，螺母移动 (b) 螺母固定，螺杆转动并移动 图 1-1 1.1.3 滚动螺旋机构 螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构，称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。其机构 特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道，并在其间放如刚球，当螺杆转动 时，刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。按循环方式的不同，分为外 循环和内循环两种形式。 滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的 循环叫内循环。滚珠在返回时与螺杆脱离接触 的循环叫外循环（如图 1-2 所示） 。外循环螺母 只需设置一个反向器，当滚珠进入反向器时， . 整理范本 就被阻止而转弯，从返回通道回到滚道的另一端，形成一个循环回路。 机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动。滚动螺旋机构摩擦阻力小，动作 灵敏度高，传动效 率高，可达 90%以上。用调整的方法可消除间 隙，传动 精度高。 图 1-2 1 12 2 机械手夹持器和机座的结构机械手夹持器和机座的结构 1.2.1 机械手夹持器 机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型 和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为 外夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。 . 整理范本 回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的 工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移。 对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴 心的位置。但其机械机构繁杂，体积大，制造 精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候， 在满足工件的定位精度要求的条件下，尽可能 的采用结构比较简单回转型夹持器。 本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回 转型夹持器。如右图所示，装在杆上端的滚子 3 和楔块之间为滚动接触。当电机带动连杆前进 时，通过楔块 4 的斜面和杠杆 1，使两个手抓产生加紧动作和加紧力。当楔块 后移时，靠弹簧的拉力使手指松开。这种末端执行器由于楔块和滚子之间为滚 动接触，摩擦力小，活动灵活，且机构简单。 1.2.2 机座 机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部重量和工作载荷，所 以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基 面，以保证机械手工作时的稳定行。 . 整理范本 如图 1-3 所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。这 种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。图中电动机 3 经减速器 4、主动小齿轮 5、中间齿轮 6、大齿轮 7 驱动丝杆 2 旋转，从而驱动升降台上 下运动。整个机座安装在基座 8 上。 . 整理范本 第二章第二章 机械手机械手 PLCPLC 及电机的应用及电机的应用 2 21 1 PLCPLC 简介简介 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 . 整理范本 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 . 整理范本 2 22 2 PLCPLC 内部原理内部原理 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 的。如图 2.1 所示， PLC 硬件的基本结构图所示： . 整理范本 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 2-1 PLC 硬件的基本结构图 （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。 . 整理范本 （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。 （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。 . 整理范本 2 23 3 机械手机械手 PLCPLC 选择及参数选择及参数 综合上述原则机械手控制系统主机为西门子的 S7-224XP。 2.3.1.主要技术数据如下： 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：-10V10V（-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 2.3.2.PLC 主机的组成 （1） 、输入单元 输入单元由 8 个按扭、8 个开关和 16 个接插件组成，它们分别与 PLC 的 16 . 整理范本 个输入点相接。改变这些开关或按扭的通断状态，即可对主机输入所需要的开 关量。16 个接插件可外接其它直流或开关量输入信号。 （2） 、输出单元 输出单元由 24 个二极管和 24 个接插件组成，它们分别与 PLC 的 24 个输出 点相连。发光二极管是否发光，即可表示输出点的状态，使用者可得到主机的 输出信息。24 个输出接插件可外接其它需要控制的设备。输出单元的 4 个地端， 分别引出到面板，其中只有 C4 与 3V 电源共地。 （3） 、电源单元 PLC 主机左边有外接 220V/AV 的电源插座，作为 PLC 的工作电源。内装 变压器，输出 3V 电源，供二极管使用。另外 PLC 的 24VDC 和 24GND 已引出 到面板，供外接输入器件（如传感器）的工作电源用。 2 24 4 机械手电机的选用机械手电机的选用 Y2 系列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，电机采用 E 级或 B 级绝缘，外壳防护等级为 IP44，冷 却方式为 ICO141，额定频率为 50Hz，额定电压为 380V。 竖轴驱动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 . 整理范本 用于生产线夹持较轻便物体，综合考虑，竖轴选用 Y2-63M2-2，功率 250W，可 满足生产需要。 横轴主要驱动横臂的左右运动，承载重量较小，选用 Y2-63M1-2，功率 180W，即可满足生产需要。 电动机 3 主要用来控制机械手抓的加紧和放松，所承载负载最小，因此可选用 Y2-63M1-4，功率 120W。 第三章第三章 机械手机械手 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 3 31 1 机械手的工艺过程机械手的工艺过程 3.1.1 了解设备概况 机械手的结构和各部分动作示意图，如图 3-1 所示。机械手的工作均由电 . 整理范本 机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。 分析工艺过程 机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降夹紧 工件上升右移再下降放松工件再上升左移八个动作， 完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应 的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是有时间来控制的。 为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降， 若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置 了一个光电开关，以检测“无工件”信号。 3.1.2 控制方面的要求： 图 3-1 机械手结构图 为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动 工作方式又分为单周期和连续工作方式。 . 整理范本 1） 手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下 降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调 整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。 2） 单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的 动作，返回原点后停止。 3） 连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在 连续工作方式下设置两种停车状态： 正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成最后一 个周期的工作后，返回原点自动停机。 紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停 止在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。 . 整理范本 3 32 2 PLCPLC 控制系统控制系统 3.2.1 确定输入/输出点数并选择 PLC 型号 1）输入信号 位置检测信号：下限、上限、右限、左限共 4 个行程开关，需要 4 个输入端 子。 “无工件检测”信号：用光电开关作检测元件，需要 1 个端子。 “工作方式”选择开关：有手动、单周期和连续 3 种工作方式，需要 3 个输 入端子。 手动操作：需要有下降、上升、右移、左移、加紧、放松 6 个按钮，也需要 6 个输入端子。 自动工作：尚需启动、正常停车、紧急停车 3 个按钮，也需要 3 个输入端子。 以上共需要 18 个输入信号。 2）输出信号 PLC 的输出用于控制机械手的下降、上升、右移、左移、加紧、放松以三 个电动机转速的控制等，共需要 6 个输出点。机械手从原点开始工作，需要一 个原点指示灯，也需要 1 个输出点。所以，至少需要 6 个输出点。 由于机械手的控制属于开关量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型 号的小型 PLC 均可满足要求。根据所需的 I/O 总点数并留有一定的备用量，可 选用 S7-224XP，其输入和输出各 24 点，继电器输出型。S7-224XP 的各项工作 参数已在第二章介绍，在此不在做介绍。 3.2.2 分配 PLC 的输入/输出端子 . 整理范本 PLC 的输入输出端子分配接线图，如图 3-2 所示。 3.2.3PLC 控制系统程序设计 （1）手动程序 手动操作不需要按工序顺序进行动作，所以可按普通继电器程 序来设计。手动操作的梯形图，如图 3-3 所示，手动按钮 I1