机械手图书搬运PLC控制程序设计

1、基于PLC 的机械手图书搬运控制设计系 部： 机电工程系学生姓名：专业班级：学 号：指导教师：2010年 3月声 明本人所呈交的 基于PLC 的机械手图书搬运控制设计 ，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名： 日 期：摘 要工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术

2、、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。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它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；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本设计介绍了应用可编程控制器PLC 对图书馆作业型机械手进行控制的总体设计思想，并给出了软件设计，利用PLC 控制机械手自动完成图书上架工作。关键词： 机械手、PLC 、控制系统目 录引 言 . . 5一 PLC的选择 . 5（一）

3、PLC的简介 . 5（二） PLC的选择 . 6二系统原理及结构 . . 7（一） 系统原理 . . 6（二） 系统结构 . . 9三PLC 硬件接线和软件编程 . 11（一） 硬件电路图 . . 10（二） 系统流程图 . . 错误！未定义书签。（三） I/O分配表 . . 13（四） 系统梯形图 . . 14（五） 工作流程介绍 . . 18四毕业设计总结 . . 21五谢辞 . . 22六参考文献 . . 23引 言工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机械手的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点

4、，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。本设计从实际应用出发，以三菱FX2N 系列PLC 为蓝本，对图书馆搬运机械手控制的系统工作原理及特点、PLC 的硬件接线及软件编程、工作流程作了详细说明，运用PLC 技术、传感器技术、气动等技术，实现图书馆机械手的控制工作。一、PLC 的选择(一 PLC 的简介可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。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

5、过程。由于PLC 具有功能强大、可靠性高、体积小巧、可扩展各种智能模块等特点，使其在自动化领域中的应用日益普及。本文采用FX2N 系列作业型机械手，使其按编制的程序自动完成图书上架工作。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计，其结构如图11。 图1-1 PLC的基本结构PLC 是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC 运行时，CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序CPU 模块I/O模块编程器电源接口结束。

6、然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC 的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC 在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC 在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷

7、新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。(二 P LC 的选择本设计中机械手控制需较多输入点和输出点数，至少具备20个输入和20个输出，按实际所需总点数的1520%留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC 的点数。PLC 的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在23个扫描周期）等。对开关量控制的系统，PLC 的I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。因此，选用日本三菱公司生产的FX2N-48MR 型可编程序控制器，具有24个输入点，24个输出点，不仅价格便宜

8、而。 二、系统原理及结构(一 系统原理图书馆机械手工作系统结构示意图如图2-1所示。机械手装置机身长度L1与书架宽度L2相等。机身部装有图书存储栏和与之相平行的钢轨，机械手安装在钢轨上并可沿X 方向在钢轨上移动。机械手顶端安装一个条形码扫描装置，用于读取图书信息，以配合机械手执行图书分类上架任务。机械手装置机身部装有接近传感器，主要用于感应机械手某一部位和外部物体的接近程度，使机械手装置可通过紧急制动来避免与书架、墙壁以及意外障碍物的碰撞。 图2-1整体结构示意图当PLC 接收到开始信号时，机械手装置行驶至位置A 后停止，机械手绕Z 轴沿顺时针方向旋转180°至垂直正对图书存储栏，开

9、始从图书存储栏中寻找A1类图书。此时，机械手在钢轨上沿X 轴正方向朝钢轨末端移动，顶端扫描装置同时扫描图书存储栏中待上架图书的条形码，直至扫描到A1类图书停止，机械手伸出手臂将之取出，手爪夹紧书后手臂缩回，接着机械手绕Z 轴沿逆时针方向旋转180°至垂直正对书架A1栏，然后沿X 轴反方向朝钢轨前端移动，顶端扫描装置同时扫描书架A1栏中放置的图书的条形码，直至运动至条形码信息处(即书架A1栏中未放置图书的空隙处 停止。机械手伸出手臂将图书放入A1栏中，然后将手臂缩回，完成一本图书的上架任务。由于图书存储栏中可能还存在A1类图书，这就需要继续寻找A1类图书。这时，机械手又运动至钢轨前端限

10、位处(即初始位置 ，并绕Z 轴顺时针方向旋转180°至垂直正对图书存储栏，又开始重复循环进行上述动作(扫描目标图书抓取书上架 ，直至机械手移动至钢轨末端，扫描完图书存储栏中最后一本图书，才说明已寻找完图书存储栏中所有A1类图书。若最后一本书是A1类图书，机械手则继续按上述步骤完成上架任务，然后移动至钢轨前端，准备开始A2类图书的上架工作；若不是A1类图书，机械手则立即移动至钢轨前端，准备开始A2类图书的上架工作。机械手将A2、A3类图书上架的工作原理与上述原理基本相似，只是机械手将图书上架时需伸高一定高度至A2、A3栏。就这样，机械手装置在PLC 控制下顺序完成了书架A 中图书的上架

11、工作。接着，又行驶至位置B 后停止，完成了书架B 中图书的上架工作。(二 系统结构1、 机械手本作业型机械手装置中机械手具有四个自由度，即水平方向的伸、缩；竖直方向的升、降；绕竖直轴Z 轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转；沿X 方向在钢轨上的移动。另外，其末端安装了执行装置手爪，可完成抓、放动作。以上动作均采用气动方式驱动。即用4个二位五通电磁阀门(每个阀门有两个线圈，对应两个相反动作 分别控制4个气缸，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转以及手爪抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化为旋转运动；手爪则用一连杆机构使气缸的伸缩运动转化为手爪的抓放运动。机械手在钢轨上的移动机构采

12、用4个轮子，如图2-2所示，由伺服电机通过同步轮、同步带传至主动轮子。 图2-2 机械手移动机构示意图2、 图书存储栏机械手装置在开始作业前，工作人员将待上架的图书放人图书存储栏中。图书存储栏固定于机械手装置机身部，随着设备移动。为了便于机械手从栏中将所需图书取出，须将每本图书间隔开并竖立放置。于是，我们设计了如图2-3所示的图书存储栏。分别用两块挡板隔成了一个个书槽，将待上架的图书每本分别放置于书槽中，这样使每本图书不会倒下，而且彼此间隔了一定距离，使机械手在扫描到目标图书后，能方便、准确地将之取出。 图2-3 图书存储栏3、机械手感应装置本设计中采用了电磁引导方式，原理如图2-4所示，导引

13、机械手沿书架旁边直线运动。该方法在地板上开出数厘米深的沟，埋入导线，通以频率为310kHz 的电流。安装在机械手机身内的传感器，能感知机体与导线间的偏移，从而引导机械手沿导线正确行走。 图2-4 感应装置原理图三、PLC 硬件接线和软件编程本设计采用三菱FX2N 系列的PLC 作为中枢，控制整个系统。为了更详细地介绍PLC 控制图书馆机械手工作原理，在此列出了机械手装置将A1、A2类图书自动上架的程序段，并特别针对机械手将A1类图书上架的程序段进行了详细的说明。(一 硬件电路图本设计的基本回路由PLC 控制一个直流电机和七个中间继电器，并由两个按钮开关和八个行程开关控制整个系统的动作，硬件电路

14、如图3-1所示，输入端口X000由按钮SB1控制，用以启动系统控制机械手的前进，由于机械手采用闭环的环形前进路线前进所以未考虑机械手后退，只由系统逻辑控制机械手的停止，并设置了总停止按钮SB2结束机械手一切动作，在PLC 程序中表现为虚拟输入。输入端口X001-X007由行程开关SQ1-SQ7控制来控制机械手能够按照预定的顺序、条件、位置逐步重复执行给定的作业任务。扫描仪信号转换模块根据扫描仪扫描的条形码来控制输入端口X010-X015。X012-X014由内部时钟决定系统从A1类条形码开始扫描，最后扫描A3类图书信息。X010和X011控制机械手在扫描A2和A3类图书信息时上升相应的高度，X

15、015是当扫描仪无条码信息时使机械手将书放入空书栏。输出端由1个电机和11个中间继电器M 组成，电机用于控制机械手的前进，中间继电器全部用来控制两位五通和三位五通电磁阀, 由电磁阀控制气缸的伸缩以限制伸缩以及升降的自由度，实现对机械手动作的控制。本设计的气动回路采用两个两位两通电磁换向阀和一个两位两通弹簧复位的电磁阀以及三个三位五通弹簧复位0型电磁阀。气缸为伸缩气缸，净出口配溢流阀来稳定系统气压如图3-2。 图3-1系统硬件电路图 图3-2 气动回路图(二系统流程图系统启动后机械手前进至A 处，此时机械手绕Z 轴顺时针旋转180°至垂直正对图书存储栏，并在钢轨上延X 轴正方向朝末端移

16、动寻找A1类图书。扫描到图书后机械手取出图书并前进至书架A1处，由机械手前端的扫描装置寻找书架上的空位，并将书放入其中，详细流程如图3-3。当进行A2、A3类图书上架工作时，机械手找到并抓住图书后还必须上升至书架的相应高度方可放置图书。 图3-3系统流程图(三I/O分配表由于系统采用了大量的辅助继电器、定时器以及中间继电器，所以需要较多的输入输出端口，本系统采用采用三菱FX2N-48MR ，其拥有各24个输出口和输入口，当然不排除还有多余未用端口，端口的具体分配如表3-1。 表3-1 I/O分配表(四系统梯形图本设计采用PLC 的梯形图语言实现系统的控制。据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出

17、与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。根据系统硬件电路图以及流程图可以写出图3-4的PLC 的梯形图。 图3-4系统梯形图(五 工作流程简介PLC 控制机械手将A1、A2类图书上架的程序流程图如图3-2所示。在此，写出了部分相应的梯形图程序的工作流程简介如下：（1） 当机械手的机械手位于钢轨前端限位处，并垂直正对书架时，为机械手初始位置。此时，钢轨前端限位开关SQ2，机械手绕Z 轴逆时针方向旋转180°限位开关SQ5被压，x002、x005触点接通按下起动按钮SB1时，X

18、000触点接通，Y000线圈接通，机械手前进。（2） 当机械手前进至位置A 时，压下限位开关SQ1，x001触点断开Y000线圈，机械手停止前进，正好停在书架A 的前面(机械手机身长度与书架宽度相等 。（3） 机械手绕Z 轴J 顷时针方向旋转至触到限位开关SQ4，此时x004触点断开Y003线圈，机械手停止旋转。此时，机械手已旋转180°至垂直正对图书存储栏。（4） x004触点接通线圈Y001，机械手开始在钢轨上沿X 轴正方向朝后端移动，寻找A1类图书。（5） 扫描到A1类图书信息，x012触点断开Y001线圈，机械手停止移动，x012触点接通使M100置位，Y005线圈接通，机械

19、手手臂伸出。（6） 手臂伸至限位开关SQ6时，X006与M100触点接通M101置位，同时复位M100，M101接通线圈M200，M200触点接通Y007线圈，手爪夹紧书。同时定时器T0开始计时。M100复位，Y005断开，手臂停止伸出。（7） T0延时到，T0与M101触点接通，置位M102，并复位M101，M102触点接通Y006线圈，同时置位M200，机械手手臂缩回，M200线圈保持接通，Y007也保持接通，使手爪继续把书加紧。（8） 当手臂缩至限位开关SQ7时，x007与M102触点使M103置位M102复位。M102断开Y006线圈，停止缩回，同时M103接通Y004线圈，机械手开始

20、绕Z 轴逆时针方向旋转。（9） 机械手旋转至限位开关SQ5时，X005与M103触点接通置位M104，。M103复位使触点断开Y004线圈，停止旋转。此时机械手已逆时针方向旋转180°，正好垂直正对书架。同时，M104接通线圈Y002，机械手开始在钢轨沿x 轴反方向朝前端移动。（10） 移动时，机械手顶端的扫描装置开始扫描图书条形码信息。当没有条形码信息时，X015与M104触点接通置位信号，M105置位，M101M104复位。M104触点断开Y005线圈，机械手停止移动。同时，M105触点接通Y005线圈，机械手手臂伸出。（11） 手臂伸至限位开关SQ6时，X006与M105触点接

21、通置位信号，M106置位，M100M105复位，M105触点断开Y005线圈，手臂停止伸出。同时M106触点接通M200线圈，使M200复位，M200触点断开Y007线圈，手爪松开，放置图书于书栏A1中。同时，T1开始计时。（12） T1延时到后，T1与M106触点接通置位信号，M107置位，M100M106复位，Y006线圈接通，机械手手臂缩回。（13） 手臂缩至限位开关SQ7时，X007与M107触点接通置位信号，M110置位，M100-M107复位，M107断开Y006线圈，手臂停止缩回。同时，M110接通Y002线圈，机械手开始在钢轨上沿轴反方向移动。（14） 机械手移动至限位开关SQ

22、2时，X002与M110触点接通置位信号，M111置位，M100M110复位，M110触点断开Y002线圈，机械手停止移动。此时，机械手处于初始位置状态，M111触点接通Y003线圈，机械手又开始绕Z 轴顺时针方向旋转，继续寻找A1类图书，反复执行以上步骤。（15） 若机械手在钢轨上移动至末端限位开关处，说明已扫描完图书存储栏中所有待上架的图书，即已将A1类图书寻找完毕。这时，程序直接跳转至B 点后，机械手开始执行A2类图书查找并自动上架任务。系统将重复以上（1）（8）步，只是扫描的是A2类图书信息而不再是A1类。当机械手旋转180°垂直正对书架后，由条形码信号转换模块使X010工作

23、，机械手上升至书架A2高度处，寻找空位并将图书放入。执行A3类图书上架任务时和以上步骤相同。当按下停止按钮SB2时，X016触点作用，使机械手立即停止动作。四、 毕业设计总结 大学入学时的情景仿佛就在昨天， 然而今天我们也跨出了校门离开了母校开始我们 人生新的征程。在大学的道路上，我已经走过了三个春秋，从一个机械学科的门外汉到 现在变得慢慢已经能够窥其门径。 在毕业设计的过程中我清醒的认识到从现实世界的问 题空间到机器世界的虚拟设计空间存在着一条巨大的鸿沟， 尤其是对我这个从来没有亲 身体验过设计一种机器或者与其相关的工作的人而言更是如此， 或许寻找问题的本身就 是一个难以把握的问题。 实习后

24、， 在指导老师的悉心指导和公司中的工程师们的帮助下， 毕业设计终于有了一点头绪。 时光如水，岁月如梭不知不觉间毕业设计已经完稿。在做毕业设计的过程中有许多 的感触。虚度时光后的暗暗自责，遇到难题是一筹莫展，解决问题时成就感。只能以革 命尚未成功，同志还需努力的座右铭来鼓励自己不放弃。 在本次大学毕业设计环节，我很荣幸能接受张老师的指导，张老师从我开始选题 到程序设计，到论文写作，都给了我极大的信任与帮助。张老师从不吝啬给予学生自我 思辨的空间，这让我感受到了大学里应该具有的至关重要的一个氛围，即自由。前人有 谓， “独立之人格，自由之精神” ，大学应该是一个追求崇高精神生活的地方。学问自由， 人身自由，思辩自由，如此种种，让我能在愉悦、有效的环境下做好了本次设计。古有 孟母三