基于PLC的机械手臂控制系统设计.docx
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基于PLC的机械手臂控制系统设计
基于PLC机械手控制系统设计
摘要
随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。
工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。
这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。
在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。
目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。
应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
本文主要论述了基于PLC设计的机械手控制系统。
首先，对可能用到的可编程控制器进行了相关的介绍，再选择设计所用到的PLC型号。
然后，通过对机械手的控制方式及各功能的实现方式进行研究，确定各功能的实现方案和设计控制系统所用到的器材。
最后，对PLC控制系统的软件程序和硬件结构进行设计。
关键词：
工业自动化；可编程控制器；机械手；远程控制；传感反馈
Abstract
Withthedevelopmentofmodernindustrialtechnology,industrialautomationtechnologyismoreandmorehigh,theproductionconditionsalsotendedtobadsituation,thefront-lineworkersskillsalsoputforwardhigherrequirements,andtheoperationsafetyofworkershasalsobeenacorrespondingthreat.Theworkersworkenvironmentandworkcontentalsorequiresidealforsomesimple,reciprocatingworkbyrobotremotecontrolorautomaticcompletionisveryimportantThiscanavoidsomepeoplecannotcontactwiththehumanbodydamage,suchasmetallurgy,chemical,pharmaceutical,aerospace,etc..
Inthemechanicalmanufacturingindustry,theapplicationofmechanicalhandmore,thedevelopmentoffaster.Atpresent,itismainlyusedinmachinetools,forgingpressunderthematerialandwelding,paintingandotheroperations,itcanbeinaccordancewithpreestablishedoperatingprocedurestocompletetheprescribedoperation,andsomealsohavewithsensorfeedbackability,cancopewithexternalchanges.Applicationofthemanipulator,toimprovethematerialtransfer,workpieceloadingandunloading,toolreplacementandmachineassemblyautomation,whichcanimprovelaborproductivity,reduceproductioncosts,acceleratethepaceofindustrialproductionmechanizationandautomation.
ThispapermainlydiscussesthedesignofmanipulatorcontrolsystembasedonPLC.First,thepossibleuseoftheprogrammablecontrollerisrelatedtotheintroduction,andthenchoosethedesignofthePLCmodel.Then,throughthecontrolmodeofthemanipulatorandtherealizationwayofeachfunction,therealizationschemeofeachfunctionandtheequipmentusedinthedesigncontrolsystemaredetermined.Finally,thesoftwareprogramandhardwarestructureofPLCcontrolsystemaredesigned.
Keywords:
industrial;automationprogrammablecontroller;manipulator；
Remotecontrol；sensorfeedback
第一章绪论
1.1课题背景
在我国飞速发展的现代化经济中，工业生产力的高低是衡量发展快慢的重要因素。
在不断发展的工业经济中，操作工人的生产环境愈加恶劣，这使得在要求提高工人操作技能的同时，也使他们的工作安全也受到了不同程度的威胁。
随着一系列现代化设备的推进，大大的减轻了操作工人的劳动强度，对于以前那些操作困难、操作危险的工业操作，都是通过操作工人远程控制自动化设备自动完成生产的。
这不但可以避免一些有害物质对操作工人的伤害，还可以提高工厂的生产效率。
在各国的工业制造中，机械手技术是应用最为广泛的一种技术[1]。
它能够按照人们的事先要求完成相应的操作，有的机械手还带反馈能力，能够根据生产条件的变化自动的调整生产操作，使生产的质量和稳定性得到提高。
目前在一些生产的机床和焊接的行业中，得到大量的应用。
机械手的使用不但缩减了工业的生产成本，还提高了工业的生产效率和生产质量，促进了社会的现代化发展。
机械手技术是一门涉及多领域的跨学科综合性技术。
近年来，机械手的发展越加的迅速，电子技术、计算机技术、传感器技术以及一些最新的技术也在机械手中有了应用[2]。
机械手技术的使用，已经是我国的工业发展的重要组成部分。
PLC技术能够远程的控制工业生产对象，实现工业的自动化生产。
PLC技术在机械手中的应用，在满足完成工业生产操作的同时，也大大的改善了工人的操作环境，提高了产品的质量，对自动化技术的发展有着重要的意义。
同时，机械手可以能够借助软件的编程，对不同的生产对象，完成不同的控制，提高了生产的效率。
目前，在一些对人力要求较高的工业中，基本上都有使用机械手技术，用来减轻人力的需求和更好的控制，实现产业的最大化。
机械手有着40多年的发展历史，是一种类似于机器人的生产设备。
它能够完成事先编辑好的操作程序，在各种工业条件都能有条不紊的作业。
它有着人的智能性和机器的适应性，在现代化经济发展中有着广阔的前景。
1.2机械手的定义与分类
机械手是一种能够在各种条件下工作的设备，它的工作主要是模仿人手的操作，并且可以通过改变控制程序实现不同的操作的多功能机器[3]。
机械手因其对工业生产具有积极作用而被人们所认识。
因它能代替人们在一些条件恶劣的场合，在保证生产质量的同时完成生产工序，大大的提高了工业生产率，受到了各国的强烈重视。
尤其在一些带有放射性和强污染性的场合，投入研究的财力和物力更加之多。
机械手大致可分为三类。
第一类独立机械手，第二类人工操作机械手，第三类专用机械手。
独立机械手又可称为通用机械手，独立机械手顾名思义就是独立的不需要人工操作的机械手，而且它不附属于主机，在拥有一般机械手传统功能的同时还拥有记忆智能功能。
人工操作机械手简称操作机，它由原子和军事工业发展而来，后来发展到通信行业，在星球的探测中用通信设备控制机械手对星球进行探测。
专业机械手是专门用来工厂机床的下料和传送的机械手，它一般附属于自动生产的生产线上或生产机床上，除少数工序外，它的操作工序都是由主机驱动且固定地为主机服务。
本设计所设计的机械手属于独立机械手，即通用机械手。
1.3机械手的应用及相关组成
目前，机械手应用已经触达各个领域。
在热加工方面，对人们不能胜任的高温锻造工业中，机械手可以实现自动化完成下料和铸造，大大的减轻了操作负担，提高了生产质量好生产效率；在冷加工方面，对生产过程中的零配件进行下料和安装，代替人的手工操作，已经成为生产线上的重要设备；甚至在拆、装、修方面也有应用，例如在劳动强度高的铁路部门，利用机械手拆装铁路的阀门，清除路况等，大大的降低了工人的劳动强度。
机械手主要由：
用于执行动作的执行机构和用于驱动各动作运动的驱动机构，以及用于控制机械手运动的控制系统构成。
执行机构又由用来支撑整个机械手的躯干和手臂、手爪组成。
手臂是用来引导机械手抓取物体的部件，在手爪抓取物体后并承担运输的任务，将抓取的物体运送到该工件需要加工的位置，手臂还应具有多个自由度，能够自由的旋转，以完成机械手工作过程的精准。
手爪是用来模仿人类手指的功能，能够对物体进行抓取，手爪的手指数量可以根据工作的需求设计出不同的手指数[4-6]。
驱动机构是用来驱动机械手各部件运动的机构。
目前应用最多的驱动技术主要是电气驱动和气压驱动，当然在一些自动化工业生产还有一些其他驱动技术，如液压驱动和机械驱动等。
控制系统时用来控制机械手加工的顺序，加工的快慢和在加工过程中加入适当的延时，保证系统平稳运行的装置。
在机械手中一般采用PLC作为它的控制系统，PLC控制系统它的可靠性比较高，使用方便，编程也相对简单，完全能够满足以点动和连动为主的机械手控制。
在控制过程中，首先需要弄清机械手所要完成的操作步骤，然后根据操作步骤设计合理的控制程序，用来控制机械手的运行。
在一些复杂的生产工艺中，有的还采用计算机控制系统等对机械手进行控制。
本设计采用的是小型PLC控制系统。
1.4机械手的发展趋势
随着社会的不断进步，各种技术也在不断的完善。
机械手技术的性能也在不断的提高，目前，机械手发展的方向主要有以下几个方面：
1.4.1.加大在热加工行业的应用
热工业行业因其工作温度高，工作环境复杂。
这使得工业的生产受到了一定的影响，机械手技术能够很好的解决这一现况，为锻造、焊接、热处理等加工行业提供很好的服务。
随着工业生产的发展，机械手在这些热加工行业的使用也将逐步的扩大。
1.4.2.提高机械手的工作性能
目前，市场的机械手性能优劣不一，价格也不尽相同，性能的好坏会直接影响到生产的质量和效率。
快速性和平稳性是衡量机械手性能的主要指标，提高二者的性能必定是机械手今后发展的有力方向。
1.4.3.发展新型组合式机械手
从工业的长远发展来说，拓展和更新功能越强的机械手，其发展前景越好；但是这类机械手的生产成本过于高昂，使的这类机械手的推广受到了限制；而专用机械手虽然价格低廉，但是其适用性远不如功能全面的机械手。
为了使机械手的应用领域拓宽和更好的发展，组合式机械手将会是一种具有发展前途的机械手[7]。
组合式机械手可以根据工业的实际需求，将机械手的基本部件进行基本的组合，完成工业生产的目的。
1.4.4.开发具有观感能力的智能机械手
对于一些需要人工判断的场合如事故、障碍和情况变化的场合，传统的机械手已经不能够代替人的工作了。
因此，需要对机械手提出更高的要求，设计出具有感官能力的智能型机械手能很好的解决这一现况。
这种机械手对于一些精密的操作方面，有着不错发展前景。
第二章可编程控制器PLC
2.1PLC简介
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）由上世纪60年代提出，首先是为了取代继电器控制装置。
经过了半个世纪的发展，PLC的应用范围也变得更加的广泛。
随着数字时代的到来，信息技术的飞速发展从而带动了各个行业的自动化进程。
PLC其强大的开关量控制以及逻辑控制，使得自身在现代化行业中的作用变得尤为突出。
PLC是汽车行业发展所催生出来的。
早期的汽车行业自动化进程中，控制主要来自继电器控制。
继电器控制一方面控制电路复杂，一旦产生故障，检修十分困难；另一方面继电器控制效率较为低下，汽车行业作为自动化应用最为突出的表行业，继电器控制系统逐渐满足不了更为复杂的逻辑控制要求。
顺应了社会的发展，PLC的出现逐步迎来了一个蓬勃的发展时期。
PLC拥有着强大的逻辑运算、定时、计数和计算等功能，其输入和输出都是采用数字量的方式，从而控制电气设备进行动作。
人们首先将逻辑控制程序写入到PLC中，PLC以连续扫描的方式，给相应的输出端一定的电信号，电信号控制了外部电路的通断，从而逐步完成所预想的动作指令。
PLC在逐步扫描的过程中，计数器会记录相应的步数，PLC完成一次扫描动作所需要的时间就是其扫描周期。
世界首台PLC于1969年产生于美国，现在美国和欧盟以生产大型PLC为主，日本、德国等生产中小型PLC为主，我国在经历了漫长的摸索，也有一些自己的品牌出现，但是其核心技术仍以掌握在PLC生产大国手中，我国的PLC自主之路仍充满着挑战。
随着工业自动化，PLC控制系统逐步应用于各行各业，其运算速度快、体积小等特点愈发起到了不可替代的作用。
在早期PLC功能的基础上，一些新的功能如网络通讯功能得以添加，使PLC的功能更加完善。
我国工业化相较于西方国家起步较晚，但是自改革开放以来，工业化进程步伐十分迅速，工业自动化发展在短短几十年走完其他国家百年走过的路程，基于PLC的控制系统成为了自动化领域的主流。
PLC可靠性高，控制系统稳定，同时在半世纪的发展和总结中，已经形成了完善的功能，具有很强的适应性。
PLC的编程语言相较于其他编程语言更加简单，从而使得系统设计周期较短，维护也更加方便。
PLC众多的功能模块，极大的丰富了PLC的控制领域，能够满足在不同情况下的控制要求。
2.2PLC内部结构
PLC的的内部结构如图2-1所示，组要由CPU、存储器、输入输出接口、电源等组成。
图1-1PLC内部结构
2.2.1中央处理器CPU
中央处理器是对数据进行处理的最重要部件，其作用就相当于人体的大脑，在PLC系统中处于中枢地位[1]。
CPU能够接收输入单元的信号，并对信号进行识别和处理，同时通过给输出单元施加电信号，从而实现输入输出的协调配合。
CPU能够对自身信息进行检测，识别错误信息并警告提醒，党PLC在运行的时候，能够控制系统进行扫描，完成相应的计算和逻辑运算，以循环扫描的方式控制输出。
CPU是逐步读取编写的程序，每一步都进行扫描，当前一步执行完成，则通过存储区的相应信息，控制输出端信号的产生。
在每一个固定的扫毛周期内，CPU都重复进行着相同的动作。
2.2.2存储器
PLC的存储器和电脑的存储器功能一样，都是用来存放相对应的数据。
PLC存储器中存储程序、逻辑变量等。
PLC存储器分为系统程序存储区、系统RAM存储区和用户程序存储区。
系统程序和用户程序在在存储器中有独立的位置划分。
2.2.3输入输出单元
输入和输出单元是连接外部短路的直接位置，其通过接收信号和发出信号从而控制外部电路。
与三极管的导通方式类似，PLC的输入输出有源形和漏形之分[2]。
输入单元是PLC接收外部信号的通道，不同的PLC有不同的输入方式，源形和漏形输入如图2-2所示。
图2-2PLC漏形输入和源形输入接线
漏形输入时，PLC公共端接24V，电流由外部流入输入端子；源形输入时，PLC公共端接0V，电流由端子流出。
输出单元是给外部电路信号的端口，通常有继电器输出和晶体管输出输出方式，晶闸管输出方式一般不是很常用。
继电器输出相较于晶体管输出，其输出端的承受电流更大，但是其开关量的开关频率没有晶体管输出方式的高，因此在一些开关频率较高、控制流程较快的场合，晶体管输出方式更加实用。
但一般的情况下，继电器输出由于负载能力更强，所以实用的范围更广。
输出单元也有源形输出和漏形输出的区别，图2-3就是两种不同的输出方式。
图2-3PLC漏形输出和源形输出接线
漏形输出时候，电流由外部流入端子，公共端接24V;源形输出时候，电流流出端子，公共端接0V。
但是当输出为晶闸管输出时候，交流电源的正负对于输出端没有什么影响，则可以自由选择。
2.2.4电源部分
PLC运行需要给其供电，其开关量的闭合、断开控制是由直流电源的高低电平来实现的，所以PLC运行时候需要给其供应直流稳压电源。
PLC有直流供电和交流供电的，但是最终都是将其转化为直流的方式。
PLC有自己的内部电源，其稳定性很好但是输出功率较小，直流电源一般采用直流24V电压，保证PLC的正常运行。
2.3PLC的选型
PLC型号众多，在进行相关设计和应用的时候，如何准确的选择尤为重要。
在PLC的选型时候，可从以下几个方面进行。
第一，确定输入输出点的个数。
以三菱FX系列PLC为例，输入输出点有10点、14点、20点、30点、32点、64点等等，在进行PLC选型时候，首先就是要确定控制系统中输入点和输出点的个数，然后来以确定基本的选型方向。
同时在选择的同时，应注意输入输出都要预留总数10%左右数量的触点作为预备点。
第二，选取合适的电源类型。
PLC有AC和DC两种型号。
DC电源一般为24V，AC有100-230V。
在进行PLC选型时候，应该根据系统的电源实际情况，选取合适的电源类型的PLC，使其适合设计的要求。
第三，明白输出信号类型。
PLC的输出有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。
继电器输出的方式其输出频率较大，在实际的应用中很常见，一般的常见系统中，这种说出方式能够适应输出信号的给定；晶闸管输出的方式相较与继电器输出，其使用于要求信号变化频率很快的信号输出，但是其输出功率较小，承载电流较小[3]。
总之，PLC的选型应该根据实际的情况，综合分析比对，选择最合适的PLC型号，这样才能在控制系统的设计中少不必要的麻烦。
第三章机械手系统组成
3.1机械手模型的机能特性
我们生活的空间是一个三维的空间，任何物体所在的位置都可以由三个坐标和方向来确定；因此，只要求得所要搬运物体的位置坐标和位置方向，就能确定物体的具体位置。
机械手是一种用来替代人手的设备，每完成一个动作都需要有一个自由度，而制造的成本也与自由度的多少息息相关，自由度越多，成本也就越高。
3.2夹紧机构
手爪是机械手的抓取结构。
设计一台合格的机械手除了要考虑良好的灵敏度和准确性外，还需要考虑被夹物体的形状、大小、重量等因素来合理的设计机械手手爪的结构。
手爪的夹紧力要设计合理，不能损坏被夹物体，可以在手爪内镶嵌弹性的垫片或软质的材料来保护被夹物体；同时还应有自锁的结构，防止当机械手因突然断电而使物体损落。
机械手的手爪结构形式多样，有的甚至还带有传感装置；在工业生产中最常见的有机械式、电磁式、吸盘式等。
机械式的手爪因其功能丰富、种类繁多，而被大量的应用在各种工业场合。
本设计采用到是二指机械式手爪，手爪的开闭由PLC控制电磁阀的通断来控制，手爪的回旋则由一台直流电动机和两个限位开关共同作用控制。
3.3躯干
躯干主要由底盘和手臂构成。
底盘在机械手中的作用是用来承载重物和带动手臂运动的机构。
它由一台直流电动机和旋转编码盘及限位开关组成。
正常工作时，直流电动机驱动底盘旋转并带动编码盘一起运动，底盘每发出一个脉冲信号旋转的角度就为3度，这些脉冲信号由传感器检测并传入到PLC中；因此，只要知道发出脉冲的个数，就能够知道底盘旋转的角度。
手臂是用来连接和承载手爪运动的重要机构。
它由PLC控制电动机的运转情况来控制丝杆和螺母的运动，同时采用限位开关对这些运动进行限位，保证运动的精准和高效率运行。
3.4旋转编码盘
旋转编码盘的结构示意图如图3-1所示。
图3-1旋转编码盘
机械手每旋转3度就发出一个信号脉冲，只要改变PLC[15]程序计数器中的数值，就可以完成不同角度的旋转。
本设计选用器材如表3-1.
表3-1设计选用器材
名称
型号或规格
数量
名称
型号或规格
数量
PLC
FX1N-60MR
1
限位开关
LX19-111
8
电磁阀
VF3130
1
转换开关
LW6-5
1
按钮
LA10-1H
13
熔断器
RC1A-30/15
2
连接导线
若干
第四章控制系统设计
4.1控制系统硬件设计
设计出的机械手要能够实现手动控制和自动控制等控制方式，且正在工作的方式要能够简单明了的从操纵面板上反映出来。
系统的控制面板如图4-1所示，旋钮开关可以控制机械手的手动和连动；当控制开关拨向手动时，机械手的每一步动作都需要按下相应的动作按钮才能够实现；当控制开关拨向自动时，机械手能够连续且循环的完成每一步动作；控制开关拨向回原点时，机械手又自动的原位待命。
图4-1控制面板图
4.1.1PLC梯形图中的编程元件
本设计采用FX1N-60MR[16]系列PLC，其内部元件如表4-1所示。
表4-1内部元件表
名称
点数或用途
名称
点数或用途
输入继电器（X）
36点
数据寄存器（D）
存储数据
输出继电器（Y）
24点
特殊继电器M8000
运行监控
辅助继电器（M）
384点
特殊继电器M8002
初始化脉冲
状态继电器（S）
1000点
特殊继电器M8005
电池异常报警
定时器（T）
256点
特殊继电器M8011
10ms时钟脉冲
计数器（C）
计数
特殊继电器M8012
1s时钟脉冲
特殊继电器M8013
100ms时钟脉冲
特殊继电器M8014
60s时钟脉冲
4.1.2PLC的I/O分配
机械手的PLC输入、输出分配如表4-2所示。
表4-2I/O分配表
输入信号
输出信号
手动
SA
X0
上升/下降步进电机
YA0
Y0
回原位
SA
X1
YA1
Y1
连续
SA
X2
YA2
Y2
回原位
SB1
X3
前进/后退步进电机
YA3
Y3
启动
SB2
X4
YA4
Y4
停止
SB3
X5
YA5
Y5
下降
SB4
X6
夹紧
YA6
Y6
上升
SB5
X7
手顺转
YA7
Y7
夹紧
SB6
X10
手逆转
YA8
Y10
松开
SB7
X11
底盘顺转
YA9
Y11
手顺转
SB8
X12
底盘逆转
YA10
Y12
手逆转
SB9
X13
底盘顺转
SB10
X14
底盘逆转
SB11
X15
升级会员 