基于plc控制的机械手设计

基于PLC控制的机械手设计顾伟伟（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(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－ｚ方向移向Ａ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，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——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。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——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PLCI/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。5PLC程序设计5.1用ACMY—S80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ACMY—S80中，可使用输出断电器（2000~2715）、辅助断电器（3000~3715、4000~4715）、断电保持断电器（6000~6715）作移位寄存器，并利用移位指令（SFT）进行编程。ACMY—S80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.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“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，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附录机械手动作示意图图2-1机械手动作过程分解图图3-1操作面板布置图图4-1PLCI/O连接图图4-2总程序的结构框图图5-1手动操作梯形图程序图5-2自动操作梯形图程序图5-3

附录资料：不需要的可以自行删除课题一数控铣床入门知识一、教学要求1、了解华中世纪星HNC-21M系统数控铣2、掌握华中世纪星HNC-21M系统数控铣3、掌握华中世纪星HNC-21M系统数控铣二、教学内容1．1华中世纪星HNC-21M华中世纪星（HNC-21M)是一基于PC的铣床CNC数控装置，是武汉华中数控股份有限公司在国家八五、九五科技攻关重大科技成果一华中I型(HNC-1)高性能数控装置的基础上，为满足市场要求，开发的高性能经济型数控装置。HNC-21M采用彩色LCD液晶显示器，内装式PLC可与多种伺服驱动单元配套使用。具有开放性好、结构紧凑、集成度高、可.靠性好、性能价格比高、操作维护方便的特点。本次课主要介绍HNC-21M的基本配置、技术规格、操作台构成以及软件操作界面。1．1．1基本结构及主要功能(1)数控单元a)工业控制机中央处理器板(CPUBOARD):原装进口嵌入式上业PC机;中央处理单元(CPU):高性能32位微处理器;存储器(DRAMRAM):8MBRAM加工缓冲区；程序断电存储区(FlashROM):4MB(可扩至72MB);显示器.7.5’彩色LCD(分辨率为硬盘:可选(选件):软驱:1.44M3.5";RS232接口:RS23219200BaudRate;网络接口:以太网接口(选件)。b)控制轴数:3轴，最大至4轴(选件):c)伺服接口:数字量、模拟量接口和串行口，.可选配各种脉冲接口、模拟接口交流伺服单元或步进电机驱动单元，及本公司生产的串行接口HSV-11系列交流伺服驱动单兀;d)开关量接口:输入40点，输出32点;e)其它接口:手摇脉冲发生器接口、主轴接口、远程输入/输出接口(选件);f)控制面板:防静电薄膜标准机床控制面板;g)MPG手持单元:4轴MPG一体化手持单元选件);h)NC键盘:包括精简型MDI键盘和F1～F10个功能键;i)软件:华中世纪星高性能铣削数控系统软件。(2)进给系统HSV-11系列交流永磁同步伺服驱动与伺服电机;各种步进电机驱动单元与电机;各种模拟接口、脉冲接口伺服电机驱动系统。(3)主轴系统接触器+主轴电机;变频器+主轴电机;主轴驱动单元+主轴电机。1.1.2主要技术规格最大控制轴数:4轴(X,Y,Z,4TH)最大联动轴数:4轴(X,Y,Z,4TH)主轴数:1最大编程尺寸:99999.999mm最小分辨率:0.01um-l0um(可设置)直线、圆弧、螺旋线插补小线段连续高速插补用户宏程序、固定循环、旋转、