分选板料机械手的PLC控制设计

1、河北机电职业技术学院毕业设计论文分选板料机械手的PLC控制设计16 届 机 械 工 程 系 专 业：机电设备维修与管理学 号： 021223130101 学生姓名： 朱 文 秀 指导老师： 孙 志 平 完成日期 2016 年 6 月 22 日摘 要机械手是能够模仿人手动作，按照设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运或进行操作的自动化装置，能够部分的代替人的手工劳动。此外，它还能在高温、低温、深水、宇宙、辐射性和其他有毒、有污染的环境下进行操作。在机械制造业中，机械手臂已被广泛的应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手的机械

2、结构是由滚珠丝杠、滑杆等机械器件组成；电气方面是由交流电机、变频器、传感器等电子器件组成。该装置涵盖了可编程序控制技术，位置控制技术、检测技术等，是一个典型的机械电气代表仪器之一。本文主要介绍的是机械手由PLC输出的三个脉冲，即驱动横轴、纵轴变频器，控制机械手横轴和纵轴的精准定位，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的张合，从而实现机械手的精确运动功能。关键词：机械化 PLC 变频器 交流电机目录绪 论4第1章 选题背景61.1 机械手的概述61.2机械手的结构71.2.1 执行机构71.2.2 驱动机构71.2.3 控制机构7

3、1.3 可编程序控制器（PLC）在机械手中的应用81.3.1 可编程序控制器的（PLC）的现状81.3.2 可编程控制器的发展趋势91.3.3可编程序控制器的功能和特点91.3.4 plc的分类11第2章 机械手分选板料设计132.1 分选板料机械手控制要求132.2 硬件图152.3 I/O分配表162.4 PLC状态转换图182.4 梯形图212.5机械手的基本操作指南27第3章 总结28致 谢29参考文献30绪 论 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化的生产设备，其是工业机器人的一个重要分支。他的特点是通过可编程序来完成和实现各种预期的作业任务，在结构和性能上兼有人和机器的个子

4、优点，尤其体现了人的智能性和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各个领域有着广阔的发展前景。同时，随着工业化的进一步发展，许多现代企业中出现了无人车间、无人生产流水线等等。其技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。其是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。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。我设计的机械手是最为简单的前后上下运动的，所以相对而言控制的自由度相对较少。机械手的设计构想是以人的手

5、为基础，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下三部分来实现： 1、肩的前后动作 2、肘的上下动作 3、腕(手)的动作控制系统采用西门子PLC控制。运动形式:动力上下、左右两个自由度运动，均由两个液压伺服系统控制两个系统均为具有位置及动压反馈的闭环系统。本设计阐述了应用微型可编程控制器西门子系列PLC的自动分拣不同板料的控制系统。该系统充分利用了学习中讲述的可编程控制器（PLC）的多方面的设计知识和方法，再加上步进电机两者巧妙的配合精确的实现了机械手从原点的下降、判断、抓取、上升、右行、下降、释放、上升、左行、回原点等一系列的动作完成这一工序。这一控制系统的实现和应用，充分体现了PLC系统在工业

6、现场的应用，以及根据设计和不同的需求改变数据和状况，还可以使其应用的范围更加广泛。第1章 选题背景1.1 机械手的概述机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上

7、使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。据了解目前机械手主要分为两大类用于制造环境下的工业机械手像焊接、装配、喷涂、搬运等机械手和用于非制造环境下的特种机械手像水下机械手、农业机械手、微文明人作机械手、医疗机械手、军用机械手、娱乐机械手等。1.2机械手的结构机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三大部分组成。1.2.1

8、执行机构（1）手部 即用来抓持或吸取工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。自由度：能够使运动机构上升、下降、伸长、收缩以及旋转等的独立运动方式，称之为机械手的自由度。使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。（2）腕部 即连接手部与臂部的部件运动机构，可以用开调节被抓物体的方位，扩大机械手的动作范

9、围，是机械手变得更灵巧，适用性更强。（3）臂部 即机械手的握持部件，他的作用是支撑腕部和手部，带动他们到指定的工作地点。其中手臂的各种运动通常是由驱动机构（如液压缸或气缸）与各种传动机构来实现的。1.2.2 驱动机构驱动结构是机械手的重要组成部分。根据驱动源的不同，机械手可分为液压式、气动式、电动式和机械式1.2.3 控制机构机械手的控制一般分为点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也可采用可编程序控制器控制，或微型计算机控制。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或DSP等微控

10、制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。机械手的分类：按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手的应用：机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。1.3 可编程序控制器（PLC）在机械手中的应用 1.3.1 可编程序控制器的（PL

11、C）的现状可编程控制器（Progremmable Controller,PC）是进几年迅速发展并得广泛应用的新一代工业自动化控制装置。早年的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，因此被称为可编程顺序逻辑控制器（Programmable Logy Controller）.这时的PLC基本上是（硬）继电器控制装置的替代物，主要用于实现原先由继电器完成的顺序控制、定时、记数等功能。PLC其具有通用性、使用方便、适用面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC的定义有许多中。国际电工委员会（IEC）与1987年2月在颁布的可编程控制器标准草案中将其一步定义为：“可编程控制器是一种数字运算操作的

12、电子系统，专为工业环境应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨变。美国、日本、德国等一些厂商先后开采用微处理器作为PLC的CPU，这样使PLC的功能大大的增强。20世纪80年代，由于超大规模集成电路技术的发展微处理器价格大幅下跌，使得各种类型的PLC所采用的CPU的档次谱偏提高，一般采用16位和32位的CPU。目前，世界上约有200家PLC生产厂家，生产300多种产品，但是在国内市场中还是以国外产品为主。如，美国的（Roc

13、kwell）、(GE)，德国的西门子（Siemems）,法国的施耐德（Schmeider）, 日本的三菱，欧姆龙（Omron）还有我国江苏嘉华，他们从只有几十个点（I/O总点数）的微型PLC到上万个点的巨型PLC。可以预见PLC将会是电气控制装置的主要控制元件。1.3.2 可编程控制器的发展趋势由于工业生产对自动控制系统的多样性，今后几年的PLC技术可能会围绕如下几个方面发展。（1）进一步加快CPU的处理速度。全面使用高速CPU芯片和24位、32位、64位RIST芯片；采用新型体系结构，工作方式使扫描和中断并存；各种模块自能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可以使速度达到ns级。（2）变革

14、操作控制方式。大量使用中断驱动方式，以增加对输入/输出（I/O）的快速反应能力。（3）发展自能化模块。自能化模块主要有：通信模块、位置控制模块、数据处理模块与控制模块、数/模（D/A）转换模块、PID控制模块及一些自能化I/O模块。（4）进一步提高可靠性。PLC将在硬件上采用多CPU的容错系统，软件上开发更加高级的诊断程序，以及发展软件的容错技术，增强PLC的自诊断和外部故障检测功能等。在PLC线路中采用隔离技术防止外部高压的窜入；采用滤波技术，可以有效抑制高频干扰信号；还设置了“看门狗”电路，能把因干扰而飞走的程序拉回来，从而起到自动恢复作用。1.3.3可编程序控制器的功能和特点1. PLC

15、的基本功（1）逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是可编程控制器的最基本的功能之一。PLC设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，利用这些指令，根据外部现场（开关、按扭或其他传感器）的状态，按照制定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、接触器、继电器、指示灯等）。因此PLC中一个逻辑位的状态可以无限次地使用，逻辑关系的修改变更也十分方便。（2）定时控制功能PLC中用户提供使用的定时器，定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。（3）计数控制功能PLC为用户提供了很多计数器。计数器到某一定值时（设定值），产生一个状

16、态信号，利用该信号实现对某个操作的记数控制。PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个工作过程的计数控制。（4）步进控制功能PLC为用户提供了若干个状态器，可以实现由时间、技术和其他指定逻辑信号为转移条件的步进控制，即在一道工序完成以后，在转移条件满足时，自动进行下一道工序。（5）数据处理功能大部分PLC都有数据处理功能，可实现算术运算、数据传送、数据比较、数据转换、译码等操作。（6）过程控制功能有些PLC具有A/D、D/A转换功能方便地对模拟量的控制调节。（7）通信联网功能有些PLC采用通信技术，可以多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间

17、的通信等。（8）监控功能PLC设置了较强的监控功能。操作人员利用编程器或监视器可对PLC的运行状态进行监控。利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容为调试和维护提供极大的方便。（9）停电记忆功能PLC内部的部分存储器所使用的 RAM 设置了停电保持器件（如备用电池），以保证断电后这部分存储器中的信息不会丢失。（10）故障诊断功能PLC可对系统组成、某些硬件状态及指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。1.3.4 plc的分类PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外

18、型等方面均存在较大的差异。因此，PLC的分类并没有一个统一的标准，而是按结构形式、控制规、实现的功能大致地分类。1. 按结构形式分类PLC按硬件的结构形式可以分整体式和模块式。（1）整体式PLC 整体式PLC的 CPU、存储器、I/O 安装在同一机体内（如三菱的FX系列）。这种结构的特点是：结构简单、体积小、价格低。适用于嵌入控制设备的内部，常用于单机控制。（2）模块式PLC 组合式PLC为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。配置灵活、组装方便、扩展容易。2.按I/O点数和功能分类I/O的点数是衡量PLC 控制规模的重要参

19、数。因此，按控制规模可分为小型PLC、中型PLC和大型PLC.（1）微型PLC I/O点数小于64点（2）小型PLC I/O点数在64-256点之间。（3）中型PLC I/O点数在256点512点之间。（4）大型PLC I/O点数在5128192之间。（5）超大型PLC 大于8192点3.按控制实现的功能分类按照PLC所能实现的功能不同，可以把PLC大致地分为低档PLC、中档PLC和高档PLC三类第2章 机械手分选板料设计2.1 分选板料机械手控制要求要求：独立利用PLC控制完成机械手对不同材质的板料进行区分。场景：机械手由初始位置开始向右移动，到达右端的限位开关SQ2后，机械手开始开始下降且

20、吸盘Y2吸取塑料板，到达下限位开关SQ5，计时器开始计时2s，计时时间到，机械手开始向上移，到达上限位开关SQ4，机械手又开始向右移，到达右端的限位开关SQ3，机械手开始下降且吸盘Y1吸取铜板，到达下限位开关SQ5，计时器开始计时2s，计时时间到，机械手开始向上移到达上限位开关SQ1。机械手开始向左移，到达左端的限位开关SQ6，机械手开始下移且Y1将铜板放在工作台上，计时器开始计时2s，计时时间到，机械手开始上升到达上限位开关SQ1，机械手开始向右移，到达右端的限位开关SQ7后，机械手开始下降且吸盘Y2将塑料板放在指定的区域内，机械手到达下限位开关SQ5，然后机械手开始上升到达上限位开关SQ1

21、，机械手回到原点，以此往返重复此动作。(1)题意示意图(2)PLC的状态转换图 2.2 硬件图（1）电气控制主接线图。如图2.2.1所示（2）PLC端子接线图，如图2.2.2所示。2.3 I/O分配表1.输入地址分配表机械手的输入分配表，如表2.3.1所示。输入地址分配表输入端子功能说明I0.0启动SB1I0.1右限位SQ2I0.2下限位SQ5I0.3上限位SQ4I0.4右限位SQ3I0.5上限位SQ1I0.6左限位SQ6I1.0右限位SQ7I0.5停止按钮SB2输入地址分配表2.输出地址分配表机械手的输出分配表，如图2.3.2所示。输出地址分配表功能说明Q0.1机械手向右移Q0.2机械手吸盘

22、Y2吸取Q0.3机械手向上移Q0.4机械手吸盘Y1吸取Q0.5机械手向左移Q0.6机械手吸盘Y1放料Q0.7机械手吸盘Y2放料输出地址分配表2.4 PLC状态转换图2.4 梯形图2.5机械手的基本操作指南初始状态：机械手处于中间位置，上限位，黄灯亮（1） 按下启动按钮，机械手开始向右移动，到达右限位（2） 右限位闭合后，计时器开始计时0.5s后，开始下移到达下限位，此时机械手Y1已经吸取铜板，此时红灯亮。（3） 吸取铜板以后，计时器开始计时0.5s，下限位断开，机械手开始上移，上限位闭合后，机械手开始向左移，此时绿灯亮。（4） 左端的限位开关闭合以后，计时器开始计时0.5s后，机械手开始下移，

23、此时红灯亮。机械手的假动作。（5） 机械手到达下限位后，计时器开始计时0.5s后，下限位断开，上限位闭合，机械手开始向右移，此时绿灯亮。（6） 右限位闭合后，计时器开始计时0.5s后，开始下移到达下限位，此时机械手Y2已经吸取了塑料板，此时红灯亮。（7） 吸取塑料板以后，计时器开始计时0.5s，下限位断开，机械手开始上移，上限位闭合后，机械手开始向左移，此时绿灯亮。（8） 左限位闭合，计时器开始计时0.5s后，机械手开始下移，下限位闭合，此时机械手Y1已经将铜板放到了工作台上，此时红灯亮。（9） 机械手开始上移，下限位断开，上限位闭合，机械手开始向右移，此时绿灯亮。（10） 左限位断开，到达右

24、端的第二个限位时，计时器开始计时0.5s后，机械手到达下限位，此时机械手已经将塑料板放在了指定区域内。此时红灯亮。（11） 机械手上移，下限位断开，上限位闭合，机械手开始向左移，到达初始位置，此时黄灯亮。第3章 总结机械手的控制对于很多场合需求很大，不论是机床使用的小型系统还是流水线上的这类设备，其基本动作要求类似，所以控制的实现也可以相互借鉴。对于控制程序的编写，不同知识层面的人也许会有不同的见解，而这里给出的只是一种实现手段，使用可编程控制器还有其他的方法可以实现这样的控制，针对所用的具体系统的情况，设计人员可以选用不同的方法来编写程序。机械手高效的工作效率，准确的定位精度，以及简单的结构

25、及控制方式是人手不能替代的，机械手的使用也将越来越广泛。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。当然机械手在工业中的应用更是越来越成熟，它必然会发挥它的最大作用。我坚信我们国家的工业会是越来越强大，而我因能给祖国的工业事业贡献出一点点能力而自豪。致 谢经过为期五周的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，知识层片面一定会有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师孙志平老师。孙老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的