基于PLC控制的机械手毕业设计

1、基于基于 PLCPLC 控制的控制的机械手设计机械手设计 顾伟伟 （嘉兴职业技术学院 机电 054） 摘要:PLC 控制的机械手的设计主要是通过 PLC 的控制使机件拥有六个自由度，让机械手能模 仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具。 关键词：机械手，PLC，梯形图 1 前言 机械手在当今工业中有着举足轻重的作用,能模仿人手和臂的某些动作功能，用以 按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实 现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机 械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 2 机械手的控制原理 附录

2、(图 2-1)所示为一简易物品搬运机械手的动作示意图,该机械手是一个水平/垂 直位移的机械设备,用来将工件由左工作台搬运到右工作台.当机械手处于原点时,左限 位开关和上限位开关被压合,起动以后,机械手沿方向移向点（工步 1） ，夹紧工 件然后回到原位（工步 2） ，再沿 X 方向移向 B 点,放下工件(工步 3),最后回到原位(工 步 4)完成一次动作循环.对上述动作过程,若采用常规的继电器控制,则很难识别以下两 种情况下所出现的问题:一是机械手向下移动时,不能识别 A 点,还是向 B 点移动;二是 在 2、3 工步，是先回到原点，然后向右，还是直接由 A 点向右移到 B 点. 采用 PLC

3、的步进功能来实现对这一动作过程进行控制,不仅能有效的避免上述动作 的二义性,而且使整个控制过程准确、直观。系统设计进程如下。 3 机械手系统设计 3.1 根据工艺过程分析控制要求 机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降 和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀控制。例如当下降电磁阀通电时，机械手下降； 当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升； 当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电 磁阀控制。机械手的放松夹紧由一个单线圈二位电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。当 该线圈通电时，机械手夹紧，该线圈断电时

4、，机械手放松。 当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工作时才允许 机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自 动停止下降。 机械手的动作过程分解 附录(图 3-1)所示。从原点开始，按下起动按钮时，下降 电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械手 下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上 升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁 阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，机械手右移停止。 若此时工作台上无工件，则光电开关

5、接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底 时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时夹紧电磁阀断电；机 械手放松，放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关， 上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰 到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过 8 步动作完成了一个 周期。 机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种.自动操作又分为单步、单周期 （主要用于调试）和连续操作方式。 手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制。例如，当选择 上/下运动时，按下起动按钮，机械手上升；按下停止按钮，机械手下

6、降。当选择左/ 右运动时，按下起动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。当选择夹紧/放 松运动时，按下起动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。 单步操作：每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。 单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将自动完成一个周期 的动作，然后停止在原起始点位置。 连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手的动作将自动地、连续 不断地周期性循环。 在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新起动时，须用手动操作方 式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始连续操作。 在工作中若按一下复位按钮，则机械手将继续完成

7、一个周期的动作后，回到原点， 自动停止。 4 硬件设计 4.1 选择 PLC 该机械手的控制为开关量控制,且所需的 I/O 点数不多,因此选择一般的小型低档 PLC 即可。 另外，从 PLC 的功能方面考虑,该控制系统要实现的是步进控制,可以用一般 PLC 所具有的移位寄存器和移位指令来编程,但若选择具有步进指令功能或鼓形控制器功能 的 PLC,则实现步进控制就更加方便了。 再者，由于所需的 I/O 点数分别为 15 点和 6 点，考虑到机械手操作的工艺固定， PLC 的 I/O 点数基本上可不留余量,选用 GE-I（I/O 点数分别为 15 点和 9 点）和 ACMY- S80（I/O 点数

8、分别为 24 点和 16 点）PLC 均能满足要求。当然，具体选择何种机型， 还需比较其价格、配件、维修等方面的因素，使之更加经济合理。 4.2 确定所需要的用户 I/O 设备及 I/O 点数 4.2.1 输入设备用以产生输入控制信号 其中应包括： （1）操作方式转换开关：应有手动、单步、单周期、连续等几个位置可供选择。 （2）手动时的运动选择开关：应有上/下、左/右、夹紧/放松等三个位置可供选择。 （3）起动、停止及复位按钮。 （4）位置检测元件：机械手的动作是按行程原则进行控制的。其上限、下限、左限、 右限的位置分别用限位开关来检测。 （5）无工件检测元件：右工作台上无工件用光电开关来检测

9、。开关及按钮在操作屏 上的布置 附录(图 4-1)所示。各限位开关及光电开关的配置 附录(图 3-1)所示。 4.2.2 输出设备由 PLC 的输出信号驱动的执行元件 其中应包括下降电磁阀、上升电磁阀、右移电磁阀、左移电磁阀、夹紧电磁阀。 为了对机械手处于原点进行指示，还可以配置一个原点位置的指示灯。 各输出设备的配置 附录(图 3-1)所示 根据所确定的用户输入、输出设备，可画出 PLC 的 I/O 连接图，附录(图 4-2)所示。 由图可见，PLC 共需要 15 点输入，6 点输出。 4.3 分配 PLC I/O 点的编号 由于不同机型的 PLC，其 I/O 点的编号不同，因此应根据所选择

10、的机型，对 PLC 的 I/O 点分配编号。附录(图 4-2)所示给出的是 ACMY-S80 所对应的 I/O 点的编号。 5 PLC 程序设计 5.1 用用 ACMYACMYS80S80 实现实现 为了便于编程，先绘制出整个程序的结构框图，见附录(图 5-1)所示。 在 ACMYS80 中，可使用输出断电器（20002715） 、辅助断电器 （30003715、40004715） 、断电保持断电器（60006715）作移位寄存器，并利用移 位指令（SFT）进行编程。ACMYS80 中的移位寄存器数据输入端（IN）的数据是在移 位输入信号(CP)到来时移入第一位,并且在移位输入消失后还能保持.

11、以后每送入一个 移位输入信号,移位寄存器的数据便从第一位开始依次向后移位. 此外,ACMY-S80 的移位寄存器的末位信号接到数据输入端,可构成环形移位寄存器, 能更方便地实现连续(循环)控制. (1)手动操作程序 在手动操作方式下,各种动作都是用按钮操作来实现的,其控制 程序可独立于自动操作程序而另行设计.手动操作控制相对来说比较简单.可以很方便 地按一般继电器控制线路来设计,其梯形图 附录(图 5-2)所示. 为了安全,机械手的左/右移动只有当机械手处于上限位置时才能进行,因此需要在 左/右移动的电路中设置上限联锁保护. 另外,由于左/右、上/下运动采用双线圈二位电磁阀控制，两个线圈不能同

12、时通电， 因此在左/右、上/下移动的电路中设置了互锁环节。 当运动选择开关置于“左/右”时，若机械手处于上限位置，则按起动按钮时机械 手右移，按停止按钮时机械手左移。 当运动选择开关置于“夹紧/放松”时，按起动按钮时机械手执行夹紧动作，按停 止按钮时执行放松动作。 当运动选择开关置于“上/下”时，按起动按钮时下降，按停止按钮时上升。 （2）自动操作程序 根据 ACMY-S80 移位寄存器的功能，便可设计机械手自动操作 的梯形图程序，附录(图 5-3)所示。 5.2 分析该梯形图的控制原理分析该梯形图的控制原理 1）连续及单周期操作 在连续及单周期操作方式下，单步输入点 1008 断开，输 入继

13、电器 1008 的常闭触点闭合，将移位寄存器的移位输入直接接入 CP 端。 当机械手处于原点时，压下上限位开关和左限位开关，输入点 1002 和 1004 接通， 2005 接通，原点指示灯亮。 按下起动按钮，输入继电器 1000 接通，其两对常开触点在移位寄存器 IN 端和 CP 同步接通（送入“1”信号） ，CP 端的“1”态移入 3000，2000 接通，下降电磁阀得电， 机械手下降。上限位开关复位，1002 断开，IN 端置“0” 。 下降到底碰到下限位开关时，输入继电器 1001 接通，2000 断开，下降停止，同时 产生移位信号，将 3000 的“1”态移到 3001，IN 端的“

14、0”态移到 3000。3001 的常开 触点将 2001 置“1”并自保，夹紧电磁阀得电，机械手夹紧工件，同时 3001 的常开触 点接通 5000，开始夹紧计时。 5000 延时 3s 后，其常开触点闭合，产生移位信号，将 3002 置“1” ，3001 置“0” ， 3002 的常开触点将 2002 接通，上升电磁阀得电，机械手上升。 以后，机械手的每走完一步，由限位开关、光电开关或计时器发出一个信号，使 移位寄存器移一次位，从而控制机械手的动作再走一步。当机械手的动作完成了最后 一步，即左移回到原点时，碰到左限位开关，输入继电器 1004 接通，2004 断开，左移 停止，同时产生移位信

15、号。如果是连续操作，则 4000 接通，3000 又置“1” ，3007 置 “0” ，又开始第二周期的循环动作。如果是单周期操作方式，则 4000 断开，IN 端置 “0” ，3000 保持“0”态，因此不再循环工作。 运行中，如按下停止按钮，则 1006 接通，移位寄存器复位，机械手动作停止。重 新起动时，必须用手动操作将机械手移回原点，然后再重新起动自动操作程序。 2）单步操作 在单步操作方式下，单步输入点 1008 接通，输入继电器 1008 的常 闭触点断开，将移位寄存器的移位信号经输入继电器 1000 的常开触点接入 CP 端。这 样中有按下起动按钮，输入继电器 1000 接通时，

16、才能将移位信号送入 CP 端，移位寄 存器才能移位。每按一次起动按钮，移位寄存器的状态移一位，机械手的动作完成一 步后自动停止。 结 论 相对而言此机械手的设计难度虽然不是非常大.但它在当代工业中的作用可是非常 大的, 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力都是无与伦比的,经过这次设 计让我深深的体会到工作和写论文的不易,不过也让我学到了好多东西,对以前学习过的 电子方面的知识进行了复习巩固以及对课外知识的深入了解。为今后的工作垫定了一 定的基础,对自己的设计水平提高也有所帮助，总之能完成这个毕业设计还是要感谢老 师、同学和同事们的帮助。 致 谢 本课题是在我的指导老师楼平老师悉心指导下

17、完成的，老师严谨的治学态度、渊 博的专业知识、勤奋务实的工作作风，令本人受益匪浅。在课题研究中，导师以广博 的知识和丰富的实践经验使我学到了科学研究的重要方法和知识，特别是导师孜孜以 求的工作精神和严谨的治学态度，将永远激励我自强不息! 同时，我还要衷心感谢班主任、及机电工程系的各位领导和老师对我的关怀和帮 助！ 以及向所有参考文献的作者致以谢意! 最后感谢评阅论文的各位老师! 参考文献 1 朱绍祥可编程控制器原理与应用上海：上海交通大学出版社，1988 2 王兆义可编程控制器教程北京：机械工业出版社，1993 3 成大光机械设计手册北京：化学工业出版社，2000 4 程光蕴机械设计北京：高教

18、出版社，1999 5 常文平. 电气控制与 PLC 原理及应用 M 西安：电子科技大学出版社，2006 附录 放松 夹紧 上 升 下 降 右移 左移 工件 右工作台左工作台 机械手动作示意图 图 2-1 无工件检测 光电开关 右 限 位 开 关 下 降 电 磁 阀 上限位开关 下 限 位 开 关 下 限 位 开 关 上 限 位 开 关 左限位开关 下 降 电 磁 阀 起动右位原点 原点指示 右移 左移 上升 下降 上升 下降 右移电磁阀 左移电磁阀 夹紧电磁阀夹紧电磁阀 上升电磁阀 机械手动作过程分解图 图 3-1 连续 单周期单步 手动上/下 夹/松 左/右 操作方式选择运动选择 停止起动复位 操作面板布置图 图 4-1 原点指示 左移电磁阀 右移电磁阀 上升