【基于PLC的工业机械手的设计8100字（论文）】

--PAGE15-基于PLC的工业机械手的设计目录21724一、前言 15080二、系统总体方案设计 120817（一）系统工作流程 116271（二）系统的基本功能 132519三、PLC的概述以及选型 226488（一）PLC概述 210572（二）PLC的发展状况及前景 225418（三）PLC的选型 39233四、系统硬件设计 43554（一）结构框图 48878（二）元件选择 542（三）系统电气原理图 813095（四）I/O分配 83248五、系统软件设计 919077（一）GXWorks2编程软件简介 93045（二）机械手控制系统程序 92204（三）控制程序梯形图设计 1031650六、仿真与调试 119217（一）软件监控 1117363（二）软件仿真调试 1422452总结 1828501参考文献 19一、前言工业机械手的运用，非常利于提高企业的劳动生产率，降低企业的人力资源成本。因为运用机械手，能加快流水线中对加工物料的及时运输，提高流水线工作效率，同时刀具、火器之类的安装拆卸以及维护修理能远距离操作，不会使工人受到安全方面的危险。能够使的企业快速实现工业生产方面的机械化和企业的生产自动化。在实际使用机械手工作时，并非死板的使用一类机械手，而是能灵活的选择所需的类型。机械手可以方便快速的完成所有预期的作业任务，在对计算机系统设定好一系列参数后便能准确实现，在系统构建上体现人灵活的优势，而实际操作上体现为机器精确执行的优势，整体上更加体现人的只能和多变性。机械手能适应环境并在各种恶劣的条件下完成设定的任务，例如极高或极低温度、粉尘多导致人体不适、易燃易爆品多和有毒气体弥漫的危险环境。同时机械手的工作精准度非常高也能代替人工完成一些比较细致的工作例如五金产品的抛光打磨。机械手如今在我国社会主义经济的各个领域都有使用，对于改善企业员工的日常劳动会产生非常有利的影响。机械手仍然有非常大的发展前景，值得我们深入地探讨。本文通过查阅有关资料，了解机械手控制系统的技术发展起源和其应用研究的起源及发展史和其研究的重要意义，了解机器人手臂搬运的工作模式及其对控制系统的要求。详细的理论分析了机械手控制系统的控制方案以及所选用的硬件设备，简单罗列了系统所需的硬件设备，并对其简单介绍。对PLC的软件结构与硬件结构简单介绍，并将PLC做主控芯片与其他控制器做主控芯片进行了比较，列出各自性能的优缺点，确定出适合本系统设计的中央控制器。对于该系统软件所需的设计，先理出了系统软件设计的整体思路，画出系统软件具体的工作流程图，根据工作流程图在仿真软件制作PLC驱动梯形图程序，最终在组态软件上监视，通过触摸屏控制仿真。二、系统总体方案设计（一）系统工作流程本设计研究机械手的工作流程，由PLC中央控制，控制机械手工作过程中的各个动作：机械手水平伸出、机械手垂直下降、机械手抓取工件，机械手垂直上升，机械手底座旋转、机械手水平缩回、机械手松开工件。（二）系统的基本功能（1）能自动控制手臂进行搬运工作。机器人手臂能进行提升，夹紧，松开，下降，旋转一系列操作。通过两个电机的转动控制机器人手臂的升降和抓取，竖向控制机器人手臂上升下降，横向控制机器人手臂夹紧松开。通过底盘电动机控制机器人的转动达到搬运的目的。（2）具有单次搬运和循环搬运功能两种工作模式。通过两个按钮分别控制两种工作模式。单次搬运后机器人手臂返回初始位置，若想继续进行单次搬运，需重新按下单次搬运启动按钮。循环搬运即一次循环搬运完成后，延时1s后自动进入下一次搬运。按下循环搬运启动按钮可进入循环搬运模式。（3）正常工作时亮绿灯。（4）光电开关能检测到搬运的物品，若按下启动按钮或上一个物品搬运完5s后未检测到搬运物品，蜂鸣器报警并闪红灯，同时机械手臂停止工作。（5）具有停止复位功能，即按下停止复位按钮，机器人手臂回到初始位置。（6）具有断电保持功能。（7）具有紧急停止的功能，若在工作过程出现问题，按下紧急停止按钮，机器人手臂立即停止工作并保持当前状态。（8）通过组态控制机械手的运动，显示机械手当前工作状态，显示机械手的工作正常与否。三、PLC的概述以及选型（一）PLC概述1987年，国际电工委员会IEC正式批准颁布了可编程控制器标准草案第三稿，将可编程序控制器定义为数字运算操作的电子系统。它是一种自动化控制元件，在工业控制中被广泛应用，是一种采用自动化和可编程序的数据库的存储装置，在内部完成许多复杂的如执行逻辑运算等操作。与工业控制系统相容并且易于完善和扩展功能的设计理念将引导出PLC和其相关设施的研究设计。随着电子微处理器、计算机和无线数字通讯等信息技术的不断进步和工业飞速发展，计算机远程控制在现代我国已经逐渐拓宽至几乎整个电子工业应用领域。现代经济社会的快速发展的新要求促使我国装备制造业尽快地积极响应国际市场的发展需求，生产开发出各种新型小批量、多功能品种、多功能规格、低价位的工业产品，为了更好适应这一市场需求，生产线的设备和各种全套工业自动化设备生产线上的过程控制处理系统都必须设计要做到具有很大的工作可靠性和操作灵活度，PLC的微编程也许就正是在此这一过程中为了顺应其应用要求而发展诞生的，它们都必须是以通用微处理器设计为主要技术基础的一种具有通用型号的工业过程控制系统设备。（二）PLC的发展状况及前景尽管PLC技术没有问世很长时间，但由于新一代数字微处理器的大量引入，大规模、超级和高规格的数字集成电路设计技术的快速进步发展和海量数据以及通信处理技术的不断进步，PLC也迅速发展得到了巨大发展，其技术产生和应用发展历程主要分为有三个历史阶段。（1）早期原型PLC（20世纪60年代后期至70年代中期）都会被我们用来称之为一种完全且可以独立进行编程的高级逻辑式微控制器。此时的PLC多少也就是有点继电器的微控制器是设备的一种替换品之意，其主要的控制功能通常仅限于对单个继电过程的进行自动控制。它在控制硬件上也是通过一种标准驱动计算机的控制方式首次出现，在驱动输入和控制输出的两种接口控制电路上也分别做了一定的技术革新，以此来满足工业控制过程的要求。设备安装中的电子部件的主要电路是分立的单独元件和中、小规模的软件集成电路，存储设备则一般是主要采用小型磁芯式的存储器。此外还对该软件系统主机采取了一些安全防护控制措施，以大大增强其主机对抗网络干扰的稳定性能。（2）中期时代PLC（20世纪70年代中期至80年代中后期）随着微处理器的迅速发展，使PLC系列产品正在迅速地不断改变。近年来，一些国际厂商如德国、美国等，都大量引入这种微处理器，来作为一个可编程序控制器的数据中心信号处理控制单位。从而就大幅增强了该机PLC的使用性能。在电子系统软件设计功能方面，通过保留其他子系统本身的系统功能如计时计数外还继续创新增加了逻辑运算，数据处理和电子信息网络传输、通讯等系统功能。（3）近期产品PLC（20世纪80年代中后期至今）由于目前我国超大规模范围的应用集成电路和国内外市场微处理器应用技术的不断快速更新发展，目前国际应用市场上微处理器的产品价格已经有了较大幅度的下降，国际采用的各种类型的微处理器产品的档次也随着微处理器广泛使用的普遍性而不断升级提高。此外，为了使可编程控制器的处理器速率更高，各个射频制造商和企业都深入研究并自主开发生产出了专门设计用于射频逻辑信号处理的芯片。这样，PLC转换器硬件的驱动功能没有很大变化。跨入21世纪后，就目前我国的企业整体而言，不论是企业硬件或者操作系统还是软件，以至于还是互联网或者通讯，PLC都正在前进，并向着企业标准化的管理方向快速发展，以便于不断谋求在类似企业资源计划、制造企业生产过程执行管理系统和过程控制系统的3层企业管理体系基础架构中立于不败之地，更好的适应和不断完善现有的现代工业生产，管理及日常运行企业经营的管理系统，以便于达到最佳的管理目标，真正实现管理效果。加强综合性和应用整体高效，从而可以达到不断提升我国企业技术产品综合竞争力的战略目标。（三）PLC的选型在进行PLC选型时要特别考虑到：所有输入和控住输出（I/O）点数、存储器容量、输入输出模块的选择。最终选择三菱的FX2N-48MR-001型。FX2N-48MR-001是一种采用日本大厂三菱公司自主研发和生产的高速可编程功能控制器(PLC)，继电器的信号输出电路及其信号输入24点，输出24点.FX2N系列是一种FX系列中一种功能最强、运行数据速度最高的小型PLC，内置了一个高速用户参数存储器8kb，可以直接同时扩展至16kb，最大速度允许一个用户参数可以直接同时扩展至256I/O点，可以同时具备多种专门的特殊功能控制拓宽，实现了多种专门的特殊功能控制拓宽功能（PID、高速自动计数、A/D、D/A、等）。具有一定结构功能性较强的典型数学逻辑指令集。通过无线通讯器的扩展接口模块或者特别适配器，它们就这样可以轻松实现各种不同的无线通讯与网络数据线的连接。图3-1三菱FX2N-48MR-001型四、系统硬件设计（一）结构框图图4-1结构框图（1）执行机构：执行机构包括手部、手腕、手臂、立柱和手架底座等部件。通过PLC程序设计控制操纵系统，来实现控制执手部、手腕、手臂和身体立柱的协同动作。（2）驱动系统：这种机械驱动控制系统主要用途是用来驱动各种类型工业机械手在这个机械驱动器的位置上动并执行各种传动机构的机械运动。这包括各种机械动力控制部件、调整控制装置及各种辅助控制部件综合。常见的驱动控制系统主要可以分为：液压传动，气压轮传动和机械式传动。机械传动系统简单易行，容易完成，但是由于工作粗略，无法良好缓冲，无法处理细节；气压式机械传动系统优点在于能缓冲，降低损耗，制作简易；液压式式传动装置传动体积小方便灵活，通过微电子技术处理，系统本身易于小型控制系统结合，实现产品全程液压自动化操作控制。但液压式传动装置中油的泄露和液体可压缩性大小会直接影响到执行器元件移动的精度和准确率，故无法保障严格的传动价值。本设计采用气动传动。（3）控制系统：这种自动控制指挥系统主要指的是对一个机械手进行操纵的自动指挥系统，它主要是一个控制部件驱动的操作系统，让自动执行机的部件按照系统规定操作自动控制并确认机械手的操作是否正确。一般常见的技术是家用电器等电子设备的自动控制电路，电脑监视系统。由于其PLC两种控制工艺系统产品能够充分地同时满足此种产品工艺生产流程中所有必需的各种控制性能条件，稳定可靠且同时抵御电磁干扰能力相对较高，使用方便而市场适应性较高，控制系统采用PLC控制。（4）检测装置：检测装置主要功能是专门负责四类控制信号的自动检测，主要工作功能是感知按钮输入控制信号并输出检测，感知并输出光电开关检测信号，感知限位信号的输入电路检测，以及对电路故障报警信号的输出检测。用于输入系统信号的自动检测按键是一种由人工控制按钮输入系统进行的信号检测，主要功能包括暂时启动停止按钮、暂停启动按键和根据工作状态模式自动转换后的按键。光电开关检测信号是泛指一个光电开关在一个国家规定的检测时间段内被规定检测得信号达到或不到的检测物品。控制装置发生故障时自动停止机械手则会亮起故障信号信号。（二）元件选择1.万能转换开关万能转换开关，主要功能特点是广泛适用于额定交流50Hz、额定交流工作电压380V及以下、直流工作电压220V及以下，额定电流至160A的各类移动电气控制设备线路中，万能转换开关主要应用于各类电气控制线路的转换、电压测量仪器、\t"/item/%E4%B8%87%E8%83%BD%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"电流电压计量器的换相测量控制、配电线路设备控制线路的转换和遥控等。万能\t"/item/%E4%B8%87%E8%83%BD%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"转换开关也是一种可以同时用来直接控制小容量\t"/item/%E4%B8%87%E8%83%BD%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"电动机的电压起动、调速和换向。型号选用LW26-20，阻燃外壳保护，经久耐用，使用寿命长，银触点性能更稳定。图4-2万能转换开关2.按钮开关按钮开关是指在电路工作时需要利用一个按钮来控制或推动电路传统的开关部件。按下按钮，能接通或者断开按钮中的静触点或动触点，从而实现电路运行状态的改变。按钮启动方式用来启动开关继电器和开关启动系统。它具有一个结构简单，应用普遍的主动按钮和继电器。在使用部分自动控制的开关电路中，手动发送控制信号以控制接触器、继电器等。可作为输入元件为PLC发送操作指令，控制机械手的运行状态。型号选用XB2BA11C，产品由按钮头和基座组合而成，拆卸方便、采用模块式触电，更换便捷、使用铜件银点，使用更安全，寿命更长久。图4-3按钮开关3.气动电磁阀电磁阀主要用途是它作为机械传动装置，可以对各种动力流体用来进行控制的一种基础控制元件，属于一种传统的自动执行器，而气动动力电磁阀则主要是其中的一种，它主要是通过对动力阀体运动方向上的移动进行控制作用，从而达到阻止动力阀门自动挡住或者漏出不同方向排水管油的一个小孔，此外，小的通孔油阀必须经常处于打开状态，油就会通过这类小孔进入排油的管道，然后通过油压使空气驱动电磁阀活塞进入气缸，这样通过控制气动电磁阀的电磁铁的电流就控制了整个电磁阀的机械运动。利用气动电磁阀驱动气动气缸控制机械手运动。选用AIRTAC4V210-08，阀体采用全新铝合金材料、抗腐蚀性能好、重量轻、强度打。采用进口密封圈，更耐用，使用寿命更长。图4-4气动电磁阀4.接近开关接近开关是\t"/item/%E6%8E%A5%E8%BF%91%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"位置开关，可以不直接接触其他机械运动部件而直接进行操作，当物体接近开关的感应面的作用距离时，开关可以不必再对其他机械的任何接触或在物体没有压力的状态下运行，从而驱动直流电器或给计算机装置提供\t"/item/%E6%8E%A5%E8%BF%91%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"控制指令。可使用接近开关检测机械手运行位置。选用E3F-DS30C4，抗干扰强，精准度高，反应灵敏，性能稳定。图4-5接近开关5.气动气缸圆柱形金属部件在气缸内通过直线运动诱导活塞，空气在气缸内膨胀，将热能转化为机械能量驱动机器，气体由于受到压缩机气缸中活塞的压缩而提高压力。气压传动系统中将压缩气体的压力能转换为机械能的\t"/item/%E6%B0%94%E7%BC%B8/_blank"气动执行元件。气缸能实现来回输送和来回摆动。机械手水平和垂直方向的位移以及旋转、夹紧、松开的都可以使用气动气缸实现。型号选用SCJ50，硬质合金，耐冲击强，伸缩顺畅，密封性好，稳定性强。图4-6气动气缸（三）系统电气原理图图4-7PLC外部接线图图4-8主电路图（四）I/O分配表4-1I/O分配表序号地址含义1X0单次搬运2X1循环搬运3X2物料光电4X3急停5X4复位6Y0升7Y1降8Y2夹9Y3松10Y4左转11Y5右转12Y6正常绿灯13Y7蜂鸣器红灯14Y10搬运完成五、系统软件设计（一）GXWorks2编程软件简介GXWORKS2是日本三菱发动机公司推出的一款三菱综合\t"/item/GX%20Works2/_blank"可编程控制器编程软件。是一种设计、调试PLC系统的专用程序设计工具。与传统的GXDeveloper软件相比，提高了功能和可执行的操作性能，变得更加简单方便。（二）机械手控制系统程序本设计使用顺序控制逻辑，通过按钮控制机械手的操作过程，通过信号灯表示输出动作的运行完成，首先要使光电信号检测到物料，按下X2检测物料。若没有检测到物料信号，则蜂鸣器响，并亮红灯警告。如检测到物料，则物料信号灯亮起，可继续进行操作。此时按下X0，即单次搬运按钮，机械手进入单次搬运模式，此时Y6灯亮，表示运行正常。初始状态下机械手处于松开状态，进入搬运模式后先夹紧物件Y2灯亮，然后上升Y0灯亮、左转Y4灯亮，到设定位置后下降Y2灯亮、松开物件Y3灯亮，即完成一次搬运，将物件搬运到了指定位置。完成搬运后自动复位，先上升Y0灯亮，然后右转Y5灯亮，再下降Y1灯亮，到原始位置后自动复位完成，Y10灯亮表示搬运完成。按下X1进入循环搬运模式，即单次搬运后立即进入下次搬运，可通过显示屏的指示灯准确地指导当前机械手的工作状态。按下X3按钮急停，机械手立即停止工作，保留当前工作状态，此时Y6运行指示灯灭。按下X0按钮能继续进行单次搬运工作再次按下X3即可急停。按下X1继续进行循环搬运工作，若想再次急停，需按下X1退出循环搬运模式，再按X3按钮即可急停。按下X4按钮进行复位，可通过显示屏上灯亮判断当前机械手的位置状态，显示屏上复位中灯亮显示机械手正在复位，复位完成灯亮即表示复位完成。（三）控制程序梯形图设计M17为启动条件，即需检测到物料信号才能启动，判断检测到物料信号才能正常启动。按下X015即可复位按下物料按钮，检测到物料，才能继续工作，此时按下M11单次搬运按钮，即可工作，M20自锁，M13常开闭合，M17得电，即满足启动条件，在显示屏中显示物料信号灯亮。若无物料光电信号，计时5秒后，M13常闭，此时按下M11，导致M8得电，蜂鸣器红灯亮并警告，无法继续工作。对应的灯光显示程序机械臂动作部分程序六、仿真与调试（一）软件监控1.仿真软件介绍联合仿真软件使用GTDesigner3软件是款三菱触摸屏软件进行开发推出的编程服务软件，它可以和各种所需的PLC联合使用，通过对触摸屏的编程操作实现对PLC的监视和控制，也可以对各种触摸屏程序调试，本设计主要使用该软件模拟仿真和触摸屏功能。由于GTDesigner3集成有GTSimulator2仿真器，因此可以与GXWorks2联合进行仿真，调试程序，在没有PLC实物的情况下可以减少程序bug。2.触摸屏界面制作打开软件，点击新建，选择GOT2000系列触摸屏，制造商选择三菱电机，机种选择MELSEC-FX，其他选择为默认图6-1新工程建立图6-2GTDesigner3主界面本设计使用指示灯表示机械手具体动作，左上角四个灯分别表示复位中、复位完成、运行中、运行完成，可以清楚知道当前机械手状态。画面中央为机械手的6个动作：左转、右转、上升、下降、夹、松。分别用相应指示灯亮灭表示。右边也有动作的指示灯。动作指示灯的下面为按钮指示灯：单次启动、循环启动、物料信号、急停、复位，表示按钮按下后的机械手动作情况。右上角两个大指示灯分别为运行正常的绿色指示灯和蜂鸣器报警的红色指示灯。下方为5个按钮，控制机械手的工作运行。制作完成后界面如下：图6-3触摸屏界面3.软件仿真程序编写完成，画面制作完毕后，可以进行联合仿真。打开GXWorks2软件，打开编写完成的程序，点击模拟开始，程序开始写入。打开GTDesigner3软件，打开制作好的画面，点击模拟器启动，打开显示屏，如图6-4，开始两款程序的联合仿真。图6-4触摸屏界面（二）软件仿真调试1.单次搬运模式首先设置周期为30ms，即完成一次搬运的时间，时间可设置为30s到100s内的任一时间然后模拟送入工件，物料光电感应到工件，物料信号灯亮起，点击触摸屏中单次启动按钮，运行指示灯亮起，机械手开始工作。此时绿色运行指示灯亮起首先夹紧工件，然后上升，左转，下降，松开工件，一次搬运完成一次搬运完成后会进行自动复位，即进行上升，右转，下降动作，回到初始位置，此时左上角运行中指示灯灭，运行完成指示灯亮起。2.循环搬运模式按下循环搬运模式，进入循环搬运，右侧循环启动指示灯亮，在完成一次搬运后立即进入下一次搬运3.急停机械手工作过程中，按下急停按钮，会立即停止工作，保持当前状态，急停指示灯亮起，绿色运行指示灯灭，蜂鸣器报警。按下单次启动或循环启动会结束急停状态，进入工作状态。4.复位工作过程中按下复位按钮，机械手会进行复位动作，回到初始位置，左上角复位中指示灯亮起。当复位动作结束，机械手回到初始位置时，左上角复位完成指示灯亮起，表示已经复位完成。总结通过本次设计的制作，我学习了很多关于机械手的基础知识，知道了现如今国内外此项目研制的进展和状况，了解了工业制造业中机械手的一些基本要求，对于此方面收获颇多。通过完整的设计出一套机械手程序，对PLC的理解也更加深刻，同时也掌握了一定的机械设计方面的基础。本次设计基于PLC的机械手，制作简易，成本便宜，适用性强，可实现一些简单的