12多关节工业机械手PLC控制系统设计论文.docx
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12多关节工业机械手PLC控制系统设计论文
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摘要：
随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具——机械手。
与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高危险的，对人体伤害较大，有些领域不适宜人类工作，机械手则正好适应这类工作。
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。
工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。
机械手是模仿着人手部的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
本文对多关节工业液压机械手的结构进行了详细研究。
关键词：
三自由度，机械手，PLC系统
Abstract：
Associetyandthedevelopmentofscienceandtechnology，Industrialproductionoperationmodehasalsoundergonearevolutionarychange,frommanualmilloflabor,graduallyevolvedintoautomaticandintelligentmodeofproductionandhumanalsograduallyunabletocompletesomeproductionprocess,soinordertoadapttotheneedsoftheproductionoftheappearedspecialproductiontools-manipulator.Meanwhilealsoappearedafewnewproductionactivitiesintheseproductionactivities,somearebelongtohighrisk,tohumanbodyharmislarger,someareasnotsuitableforhumanworkisjust,manipulatortomeetthiskindofwork.
Intoday'slarge-scalemanufacturers,enterprisestoimproveproductionefficiencyandensureproductquality,universalattentionproductionprocessautomationdegree,industrialrobotsasanimportantmemberofautomaticproductionline,graduallytheenterpriserecognizesandadopted.IndustrialrobottechnologylevelandUSESdegreeinacertainextentreflectanationindustrialautomationlevel,atpresent,theindustrialrobotmainbearingwelding,spraying,handlingandstackingrepeatabilityandtheintensityoflaboretcgreatly,worknormallytakethereappearanceofthedemonstrationteachingway.
Manipulatorisimitatingthepeoplehandmovement,accordingtoagivenpartoftheprogram,trackandrequeststorealizetheacquirement,handlingandoperationofautomaticmechanicaldevice.Inthispaper,threedoffindustrialhydraulicstructureofthemanipulatorarestudied.
Keywords:
threedoff,manipulator,PLCsystem
目录
前言1
1PLC概述2
1.1PLC的定义2
1.2PLC的由来及发展3
1.3PLC的特点及用途3
1.3.1PLC具有以下几个主要特点3
1.3.2可编程控制器的应用领域4
1.4PLC的主要技术指标5
2机械手简介7
2.1控制系统的功能要求7
2.1.1机械手结构7
3硬件系统设计10
3.1PLC的选型11
3.2PLC的I/O资源配置11
3.3其他资源设置14
4软件系统设计16
4.1总体流程设计16
4.2各个模块梯形图设计17
结束语31
参考文献32
多关节工业机械手PLC控制系统设计
前言
机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。
三自由度机械手又称3D机械人，能够实现三个自由度方向（水平、垂直和旋转）的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点。
可编程控制器（PLC）是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。
由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。
在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。
机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。
本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I／O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。
1PLC概述
1.1PLC的定义
可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，它具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能，所以美国电气制造商协会将其正式命名为可编程控制器（ProgrammableController）,简称PC。
但是个人计算机（PersonalComputer）也简称PC，为了避免混淆，将用于逻辑控制的可编程控制叫做PLC（ProgrammableLogicController）.
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它其实就是一台计算机，它采用可以编制程序的存储器，在其内部执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，它以接入式CPU为核心，通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备，都是很容易与工业控制系统形成一个整体，容易扩展其功能的。
可编程控制器是一种工业现场用计算机。
它是为工业环境下应用而设计的，工业环境一般办公环境有较大的区别。
由于PLC的特殊构造，使它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。
为了能控制机械或生产过程，它要能很容易的与工业控制系统形成一个整体，这些都是个人计算机无法比拟的。
可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。
它能控制各种类型的工业设备及生产过程。
它的功能能够很容易地扩展，它的程序是可以根据控制对象的不同，让使用者来编制的。
也就是说，可编程控制器较其以前的工业控制计算机，如单片机工业控制系统，具有更大的灵活性，它可以方便地应用在各种场合。
通过以上定义还可以了解到，相对一般意义上的计算机，可编程控制器不仅具有计算机的内核，它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。
它实质上是经过一次开发的工业控制计算机。
从另一个方面来说，它是一种通用机，经过二次开发，它可以在任何具体的工业设备上使用。
它在很大程度上使的工业自动化设计从专业设计院走进工厂和矿山，变成了普通工程技术人员甚至普通电气工人力所能及的工作。
再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点，可编程控制器在短短的30年中获得了突飞猛进的发展，在工业控制领域获得了非常广泛的应用。
1.2PLC的由来及发展
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），在美国通用汽车公司的自动装配线上使用，取得了巨大的成功。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。
例如，在世界第一台可编程控制器的诞生地美国，1982年的统计数字显示，大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的82%，可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都的到了长足的发展。
1.3PLC的特点及用途
1.3.1PLC具有以下几个主要特点
（1）可靠性高、抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备非常关键的性能。
PLC由于采用大规模集成电路技术、严格的生产工艺，内部电路采取了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温暖变化剧烈的环境下正常工作。
PLC的平均无故障时间可高达5~10万小时以上。
从PLC的机外电路来说，PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障率也就大大降低。
（2）功能完善、应用领域广
到现在为止PLC已经形成各种规模、系列化的产品。
可以用于各种规模的工业控制场合，并能完成决大多数的工业控制任务。
PLC所具有的完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，PLC通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变的非常容易。
（3）编程简单，易学易用
PLC采用和继电器电路图接近的梯形图语言，只用少量的开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
在工业现场，可以使用手持编程器或笔记本对PLC进行编程。
当PLC联网后，可以在网络的任一位置对PLC编程。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制提供了方便。
（4）系统安装简单、体积小、价格低
PLC在存储逻辑代替接线逻辑、采用模块化的结构，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建设的周期大大缩短了。
现代集成电路技术的广泛应用，功耗仅数瓦。
由于PLC体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
使得PLC的重量越来越轻、功耗也越来越少。
在集成电路技术和生产厂家越来越多的情况下，PLC的价格也越来越低。
1.3.2可编程控制器的应用领域
PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛，主要可以归纳为以下几类：
（1）开关量的逻辑控制
可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。
（2）模拟量控制
在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
（4）过程控制
过程控制是指对连续变化的量进行控制。
如对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
目前已广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。
1.4PLC的主要技术指标
PLC的性能指标较多，主要介绍与组成PLC控制系统关系较直接的几个。
（1）编程语言及指令功能
用户的PLC程序可以用梯形图语言、指令标语言、功能块图编写，梯形图语言在PLC中较为常见，梯形图语言一般在计算机屏幕上编辑，使用起来简单方便。
现在功能图语言的使用有上升趋势。
编程语言中还有一个内容是指令功能。
衡量指令功能强弱可看两个方面：
一是指令条数多少；二是指令中有多少综合性指令。
一条综合性指令一般就能完成一项专门操作。
用户编制的程序完成的控制任务，取决于PLC指令的多少，指令功能越多，编程越简单和方便，完成一定的控制任务越容易。
（2）输入输出点数
输入输出点数是PLC可以接受的输入开关信号和输出开关信号的最大数量，值得注意的是输入点数往往的大于输出点数的，且二者不能相互替代。
（3）扫描速度数
扫描速度数是指PLC扫描1k（1k=1024）字用户程序所需的时间，通常以ms/k字为单位，扫描速度越快越好。
（4）存储容量
存储容量是存放用户程序的存储器的容量。
通常用k来表示。
也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。
在编制PLC程序时，需要用到大量的寄存器来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。
这些寄存器的多少，直接关系到程序的编制，该存储器的容量越大，就可以编制出更复杂的程序。
（5）可扩展性
在现代工业生产中PLC的可扩展性也显的非常重要。
主要包括：
①输入输出点数的扩展；
②存储容量的扩展；
③联网功能的扩展；
④可扩展的模块数；
另外，可编程序控制器的可靠性、易操作性及经济性等功能指示也受用户的关注。
2机械手简介
多关节机械手指的是利用关节连接两个相邻的刚体，即连杆，关节提供连杆之间的相对运动，在这个机构中，关节多是以其中一个特点，正是由于关节多，所以它的抓握功能远远强于传统的夹钳式等机械手。
它可以完成对不同形状、不规则工件的抓握。
多关节机械手有多种结构，其中最理想的也是应用最多的就是类似于人手的结构，这样的结构能模拟人手抓物体时的情况。
与传统的机械手相比，多关节机械手具有动作灵活，运动惯性小、通用性强、能抓取靠近基座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作等优点。
2.1控制系统的功能要求
传统的机械手采用继电气控制，由于其线路复杂、维护困难、可靠性差等缺点，无法满足机械手控制的需求。
可编程控制器（PLC）的出现使得这类问题得到解决，PLC控制，具有结构简单、控制方便、可靠性高、编程简单、功耗低和改造方便的特点，能够完成动作要求精度高的工作。
2.1.1机械手结构
以轴承装配为例：
轴承装配是轴承生产过程中的最后且极为重要的环节，而轴承压盖机则是装配先上较为复杂的部分。
本节讲述的是利用机械手在轴承装配线上，通过PLC控制机械手的动作，完成取轴承、加盖及转移工件，最后控制压盖机完成压盖的整个过程。
图2-1是某以生产线上机械手的工作示意图。
图2-1机械手的工作示意图
该机械手在生产线上的主要任务是，将轴承从传送带1转移至传送带2上，然后将盖放置于轴承之上，最后经压盖机加工，完成轴承装配的一部分加工。
整个工作过程机械手包括以下动作：
手臂上升→手臂下降→手爪抓紧→手爪放松→手臂左旋→手臂右旋
多关节机械手完成以上动作主要是通过机械控制来实现的，即利用PLC控制电动机的转动和电磁阀的通断，电动机的转动来驱动机械手臂的左右旋转，电磁阀驱动气缸的升降控制机械手臂的上升和下降。
多关节机械手的工作过程如图2-2所示：
图2-2多关节机械手简单工作过程示意图
（1）手臂上升：
使机械手相对于工作台向上移动，提高它的高度，以满足抓取工件的高度要求。
（2）手臂下降：
使机械手相对于工作台向下移动，降低它的高度，以满足放置工件的高度要求。
（3）手爪抓紧：
使机械手抓紧工件，以便完成工件抓起的要求。
（4）手爪放松：
使机械手放松工件，以便完成工件放松的要求。
（5）手臂左旋：
使机械手在不改变高度的情况下，相对于工作台向左旋转，以便完成工件移动的要求。
（6）手臂右旋：
使机械手在不改变高度的情况下，相对于工作台向右旋转，以便完成再次抓取工件的要求。
由于PLC的抗干扰能力强，所以能在恶劣的工作环境中，可靠地完成控制任务，为了使设备便于安装、调试，以及从经济角度考虑，设计出如图2-3所示的机械手控制系统的功能框图。
图2-3多关节工业机械手控制系统的功能框图
3硬件系统设计
前面介绍了机械手的机械结构，本节主要根据上节所述的功能要求配置需要的控制系统的硬件系统，按照控制系统的控制要求，设计出如图3-1所示的控制系统的硬件框图。
在此系统中仅靠PLC主机是无法完成控制要求的，因此扩展了一个I/O和两个模拟量输入/输出模块，以及两个光电开关和一个可控电动机。
图3-1控制系统的硬件框图
3.1PLC的选型
根据系统控制要求并从经济性和可靠性等方面考虑，选择西门子S7-200系列PLC作为此机械手控制系统的控制主机。
在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等之分。
三自由度工业机械手PLC控制系统总共有15个数字量输入，8个数字量输出，供需23点I/O口，根据I/O点数，选用了CPU224作为主机。
同时扩展一个I/O模块，选用EM223输入/输出混合扩展模块。
EM223共6种模块，根据系统的控制要求和资源需求，采用EM223模块中的4点输入/4出输出模块。
由于需要测量每个手指的压力值，需要将传感器的值输入到PLC中进行判断，所以扩展两个模拟量模块，全部选用EM235模块。
模拟量输入/输出扩展模块EM235具有4路模拟量输入/1路模拟量输出。
EM223和EM235与PLC的连接不需要其他设置，只需要将排线插到主机及扩展模块的插槽上。
3.2PLC的I/O资源配置
根据控制系统的功能要求，对PLC进行I/O及其他资源的分配，具体分配如下。
表3-1数字量输入地址分配
输入地址
输入设备
输入地址
输入设备
I0.0
高速脉冲输入
I1.1
自动启动
I0.1
急停按钮
I1.2
上升限位开关
I0.2
手动/自动
I1.3
下降限位开关
I0.3
手臂上升
I1.4
左旋限位开关
I0.4
手臂下降
I1.5
右旋限位开关
I0.5
手臂左旋
I2.0
传送带1光开关
I0.6
手臂右旋
I2.1
传送带2光开关
I0.7
手爪抓紧
I2.2
传送带2启动
I1.0
手爪放松
I2.3
压盖机启动
表3-2模拟量输入地址分配
输入地址
输入设备
输入地址
输入设备
ATW0
传感器1
ATW0
传感器4
ATW0
传感器2
ATW0
传感器5
ATW0
传感器3
表3-3数字量输出地址分配
输出地址
输出设备
输出地址
输出设备
Q0.0
高速脉冲输出
Q0.5
抓紧电磁阀
Q0.1
上升电磁阀
Q0.6
松开电磁阀
Q0.2
下降电磁阀
Q0.7
传送带2继电器
Q0.3
左旋电磁阀
Q1.0
压盖机继电器
Q0.4
右旋电磁阀
根据系统的控制要求，硬件框图及I/O分配情况，三自由度工业机械手控制系统PLC控制部分的硬件接线如图3-2所示。
传感器1
传感器2
传感器3
传感器4
传感器5
图3-2多关节机械手控制系统PLC控制部分硬件连接图
3.3其他资源设置
要完成系统的功能除了PLC及其扩展模块之外，还需要各种限位开关、光电开关、传感器及编码盘等仪器设备。
（1）各种限位开关
在此系统中，共用了4个限位开关：
上升限位开关、下降限位开关、左旋限位开关和右旋限位开关。
限位开关主要是来控制机械手在运动过程中的停止时刻和位置。
（2）光电开关
在传送带1和传送带2上各有一个光电开关，此开关的作用主要是指示工件是否到位。
传送带1上的光电开关用于检测工件是否已到机械手可操作的工位，若到位则传送带1停止，等待工件被取走；传送带2上的光电开关则置于压盖机处，当工件到达压盖机时，传送带2停止，对工件进行压盖操作，操作结束后等待下一个工作。
（3）传感器
在此系统采用的是多关节机械手，由于要适应各种形状的工件，所以要在手指受力的部分安装压力传感器，将压力值转换为电压值传入PLC，然后进行判断，防止抓紧时压力过大对工件造成损坏。
（4）各种电磁阀
此系统中机械手手臂的上升和下降是用气缸来实现的，使用一个气缸、一个电磁阀就能实现手臂的上升和下降，相对于利用电机的正反转来实现升降，气缸控制简单方便。
多关节机械手手爪的抓紧和松开共用了4个电磁阀。
（5）各种继电器
此系统中，传送带2并不需要时刻连续地运转传送，并且也不可能一直连续地传送物品，而是根据机械手的当前工作情况有控制机械手的控制系统来控制传送带2的工作与否，该在什么时候启动传送带，该在什么时候停止传送带。
因此，就必须在传送带2的电动机部分装一个可以控制电动机运转和停止的继电器，再连接到PLC以控制接触器，最后达到控制目的。
压盖机同样也不需要时时刻刻工作，因此在压盖机附近放置的光电开关，可以将工件到位的信号传至PLC，从而控制传送带2的停止，并且控制压盖机在工件到位的情况下工作。
（6）编码器
在此系统中，需要对机械手进行精确定位，所以在手臂左右转动的时候，要将电动机反馈的
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