机械手臂搬运加工流程控制设计.docx

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机械手臂搬运加工流程控制设计

目录

引言1

第1章系统总体方案设计2

1.1系统硬件配置及组成原理2

1.2机械手的动作流程3

第2章PLC选型及其I/O点编号分配5

2.1PLC的选型5

2.2I/O点编号分配5

第3章编程及程序运行7

3.1梯形图程序7

3.2程序运行8

第4章上位监控系统设计10

4.1PLC与上位监控软件通讯10

4.2上位监控系统组态设计10

4.3上位监控效果图11

结束语12

参考文献13

引言

如图所示，有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台1的位置进行第一步骤加工。

当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码管显示加工完成的数量。

假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等待机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。

当第二加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完成的数次。

图0-1机械加工配置图

学生根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行机械手臂搬运加工流程运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。

主要内容包括：

1.设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等。

2.系统有启动、停止功能。

3.运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序。

4.程序结构与控制功能自行创新设计。

5.进行系统调试，实现机械手臂搬运加工流程的控制要求。

第1章系统总体方案设计

1.1系统硬件配置及组成原理

图1-1机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。

为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5，对机械手分别进行抓紧、左转、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。

传送带A上装有光电开关SP，用于检测传送带A上物品是否到位。

机械手的起、停由图中的起动按钮SB1、停止按钮SB2控制。

传送带A、B由电动机拖动。

机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由液压驱动，并分别由六个电磁阀来控制。

图1-1机械手搬物示意图

系统接收工件到位检测、机械手升降限位检测、加紧/放松检测等开关量输入信号。

经由PLC通过网络通信传送到电脑，人为地再通过PLC控制机械手臂的搬运工作。

假设使用气压机械手臂，机械手臂下降将工作物放置工作台l等待机械对工作物加工；当工作物加工步骤完成时，再将工件放置工作台2上进行第二加工步骤；当加工步骤完成时，将工件放置输送带B送出，并显示出加工完成的数次。

下图为系统的组成图。

图1-2系统组成图

1.2机械手的动作流程

传送带B处于连续运行状态，故不需要用PLC控制。

机械手及传送带C顺序动作的要求是：

1）按下起动按钮SB1时，机械手系统工作。

首先上升电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作。

2）左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作。

3）下降电磁阀通电，手臂下降，至下降限位开关动作。

4）启动传送带A运行，由光电开关SP检测传送带A上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作。

5）手臂再次上升，至上升限位开关再次动作。

6）右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作。

7）手臂再次下降，至下降限位开关再次动作。

8）放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。

9）按下停止按钮SB2或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继续工作。

根据对机械手的顺序动作要求，可以画出时序图如图1-3所示。

图1-3机械手时序图

由上图的机械手时序图可作出如下图1-4所示的机械手动作流程图。

图1-4机械手动作流程图

第2章PLC选型及其I/O点编号分配

2.1PLC的选型

   由于机械手系统的输入/输出接点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，故选用日本OMRON（立石）公司生产的多功能小型C20P主机。

该机输入点为12，输出点为8。

内部主要有：

136个辅助继电器、16个特殊功能继电器、160个保持继电器、8个暂存继电器、48个定时/计数器、64个16位数据存贮器。

2.2I/O点编号分配

根据图2-4所示的机械手动作流程图，可以确定电气控制系统的I/O点分配，如表3-1所示。

表2-1机械手控制I/O分配表

输入设备

输入点号

输出设备

输出点号

启动

按钮SB1

0000

传送带A运行

0500

停止按钮

SB2

0001

左转电磁阀

0501

抓紧限位

开关SQ1

0002

右转电磁阀

0502

左转限位

开关SQ2

0003

上升电磁阀

0503

右转限位

开关SQ3

0004

下降电磁阀

0504

上升限位

开关SQ4

0005

抓紧电磁阀

0505

下降限位

开关SQ5

0006

放松电磁阀

0506

物品检测

0007

定时器

TIM00

根据图1-4流程图和表2-1的I/O分配表，可以编制出状态转移

图2-1机械手状态转移图

第3章编程及程序运行

3.1梯形图程序

根据图2-1状态转移图，编制的梯形图程序如图3-1所示。

图3-1a梯形图程序

（1）

图3-1b梯形图程序

（2）

   图3-1中，“全部输出禁止”部分的作用是在停止时禁止全部输出，使机械手停止在现行的工步上；重新起动时又能从停止前的工步继续动作。

在状态由HR010转移至HR000的条件中，增加了保持继电器的常闭触点

，其作用是：

当机械手工作在某一中间工步时，若

PLC断电或停止运行，机械手停止在中间工步上。

PLC复电或重新投入运行后，由于保持继电器HR具有状态断电保护的功能，因此在重新起动时，中有某一个是断开的，使得HR000不能置位，机械手只能从停止前被置位的保持继电器的后续工步继续动作。

3.2程序运行

   按下起动按钮SB1，输入点0000为ON,则作为互锁条件的辅助继电器1000为ON，互锁指令IL接通，IL与ILC之间的线圈正常工作，“全部输出禁止”解除。

若（抓图1）常闭触点都为ON，保持继电器HR000接通，输出点0503使上升电磁阀得电，手臂上升。

当手臂上升到位时，上升限位开关使输入点0005闭合，保持继电器HR001接通，HR000复位，输出点0501使左转电磁阀得电，手臂左转。

......以后每当一步动作到位，限位条件满足时，状态转移，进行下一工步动作。

当状态转移到HR008为ON时，输出点0506使放松电磁阀得电，机械手放松，同时定时器TIM00计时。

当计时2秒到，状态又转移到HR000，程序又重新从第一工步开始循环。

   停止时，按下停止按钮SB2，0001断开，辅助继电器1000为OFF，互锁指令断开，全部输出被禁止，但各保持继电器的状态是断电保护的，机械手停在现行的工步上。

当重新按起动按钮时，互锁指令接通，停止前的输出被恢复，机械手继续在停止前某保持继电器为ON的工步动作。

第4章上位监控系统设计

4.1PLC与上位监控软件通讯

监控系统通讯网络和PLC是机械手监控系统的核心组成部分，它们的性能对机械手监控系统会起到决定性的作用。

根据机械手本身的特点和监控需求选择合适的PLC及通讯网络是保证隧道监控系统性能的重要因素。

工程界按照系统结构的划分把监控系统划分为信息层、控制层和设备层。

一、第一层为信息层，主要负责大量信息及不同厂家不同设备之间的信息传输，工业以太网Ethernet为目前较常用的一种信息网络，世界各大PLC生产厂商均支持工业以太网，并且它们在原有TCP/IP的基础上，相继开发出实时性更高的工业以太网，如欧姆龙和罗克维尔支持的Ethernet/IP，施耐德支持的Modbus-TCP/IP以及西门子支持的ProfiNet等。

由于Ethernet的信息量大，因此在机械手监控上以太网主要用于机械手管理所与监控中心的数据传输，包括各种交通流量信息，各传感器数据等大量历史数据信息。

二、第二层为控制层，主要采用现场总线组成机械手控制器网络，其特点是由于采用了标准总线组网，既能满足实时通信的要求，又具有开放协议的标准接口，能在总线上方便的挂接各种外场设备，有利于监控系统的扩展。

他们的共同特点是高速、高可靠，适合PLC与计算机、PLC与PLC及其它设备之间的大量数据的高速通讯。

三、第三层为设备层，这一层用于PLC与现场设备、远程I/O端子及现场仪表之间的通讯，它们有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已经成为工业界的标准总线而得到了广泛的应用，而Profibus/DP虽然没有成为标准，但是它的应该也相当广泛。

本质上来讲，以太网的载波帧听冲突监测CSMA/CD的访问方式，实时性并没有现场总线采用的令牌总线和令牌环的访问方式高，不论人们采用何种方式，如协议封装、分时访问控制等，都只能改善以太网的实时性，起不到本质的改变，于控制层，是一个积极和稳妥的选择。

随着以太网技术的不断发展，今后其取代现场总线而用于控制层也是很有可能的。

4.2上位监控系统组态设计

本次课程设计采用紫金桥公司的上位机组态软件RealInfo通过RS-232串行通讯口使PC机与PLC进行通讯。

通过紫金桥组态软件可以对工艺过程进行实时监控。

它是在长期的工程实践中逐步发展起来的一套计算机监控系统。

使用紫金桥系统，可以方便地构造适应自己需要的“数据采集系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息实时地传送到控制室，并且通过局域网和Internet，可以在任何地方访问实时和历史生产数据，及时了解、评价生产情况和操作水平。

紫金桥监控组态软件强大的组态界面可以直接形象模拟、显示，监视现场的的工作情况，工作程序，实时的数据以及对意外情况的处理。

上位机对电磁阀的控制就必须通过数字数值输出块来进行，每个阀门的控制对应了相应的数字输出节点。

因此，上位机不仅能接受来自PLC的控制信号并以动画的形式进行显示，而且还能够通过通讯端口向PLC发出控制命令，对现场进行控制。

4.3上位监控效果图

图4-1组态王机械手位置监测画面

结束语

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。

机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。

应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。

气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。

    气动机械手强调模块化的形式，现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术（可重复编程等），气动伺服系统（町实现任意位置上的精确定位），在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。

模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。

参考文献

[1]OMRON公司.SYSMACCQM1可编程序控制器编程手册.1997.

[2]江秀汉.可编程序控制器原理及应用.西安：

西安电子科技大学出版社，1994.

[3]陈金华.可编程序控制器应用（PC）技术.北京：

电子工业出版社，1995.

[4]弭洪涛、宋宏.电气控制技术.吉林：

吉林科技出版社，2001.

[5]何衍庆、俞金寿.可编程序控制器原理及应用技巧.北京：

化学工业出版社，1998.

[6]http:

//articles.e-

[7]徐世许.可编程序控制器原理、应用、网络.合肥：

中国科技大学出版社，2000.

[8]陈在平、赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统设计.北京：

机械工业出版社，2002.