基于PLC的柔性制造系统的搬运机构的控制系统设计.docx
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基于PLC的柔性制造系统的搬运机构的控制系统设计
基于PLC的柔性制造系统的搬运机构的控制系统设计
摘要
在基于PLC的柔性制造系统为核心的基础上，重点进行了搬运机构的控制设计，详细叙述了该搬运单元由步进电机进行综合控制的软、硬件的实现方法。
该设计利用步进电机单位脉冲所具有的步进距离不变的特点，对其采用开环点位控制。
因此可将整个运动视为拆线运动，每一个动作可视为运动程序相同、特征参数各异的点位相对运动。
其以起点作为参考点，通过脉冲得到目的点的位置，手动点击按钮，实现机械手从参考点运动到目的点。
关键词:
柔性制造系统；PLC；机械手
ABSTRACT
InthebasisofPLCasthecore,withthefocusonthecontroloftheFMShandlingunitdesign,thispaperdescribesthehandlingunitconsistsofsteppingmotorcomprehensivecontrolthehardwareandthesoftwarerealizationmethod.Thisdesignusingthesteppingmotorunitpulsewiththecharacteristicsofstepdistanceunchanged,thepositioncontrolbytheopenloop.Sotheentiremovementastakeoutstitchesmovement,everymovementcanberegardedasexerciseprogramissame,characteristicparametersoftherelativemotiondealershipnetwork.Hiswithstartingpointasareferencepoint,throughthepulsecountispurposeo'clockposition,manualclickbutton,realizemanipulatortodestinationreferencepointmovementfromthepoint.Soastorealizethe"FangHang"technicalFMSmovements.
Keywords：
FlexibleManufacturingSystem;ProgrammableController;Manipulator
第一章绪论
1.1基于PLC的柔性制造系统搬运机构的概述
PLC柔性制造系统是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。
柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成。
机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
在柔性制造系统中起到了物流的作用，是其中一个重要的环节。
机械手的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
其作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。
专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。
但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。
据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。
从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。
机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。
在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：
1.可以提高生产过程的自动化程度，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。
2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。
而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。
在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3.可以减少人力，便于有节奏地生产，应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。
综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。
1.2机械手控制系统的背景和意义
机械手按驱动控制方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
其中以可编程序控制器控制的电动式点位控制机械手应用最为广泛。
1.2.1可编程序控制器背景
可编程序控制器（programmablecontroller），现在一般简称为PLC（programmablelogiccontroller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。
在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。
传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。
但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。
1.2.2可编程序控制器的应用意义
PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。
按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面：
1.用于逻辑控制。
这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。
用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。
例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。
2.用于模拟量控制。
PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。
3.用于机械加工中的数字控制。
现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。
4.用于工业机器人控制。
5.用于多层分布式控制系统高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。
从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。
1.2.3可编程序控制器的特点
1.可靠性高、抗干扰能力强
PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h，这是一般微机所不能比拟的。
2.控制系统构成简单、通用性强
由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。
3.编程简单、使用、维护方便
4.组合方便、功能强、应用范围广PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。
因此，PLC应用范围很广。
5.体积小、重量轻、功耗低
PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。
1.3本课题研究的内容
1.概要
任务：
实现机械手在两个工作台间代替工人进行单调持久地搬移工作。
要求：
PLC控制，预置工作程序，动作灵活，可根据工件的变化随时更改相关控制参数。
2.硬件选择
动力源——步进电机及其相应驱动设备。
机械手夹持部位采用电磁控制。
各元件应结合现场工作环境进行校核设计，本文中所选设备仅作示范性选择，未进行校核，不适用于具体设备制造，不代表最终机械手硬件。
传动机构——机械手臂采用滚珠丝杠螺母传动。
超程保护——设备运行过程中未能豁免发生控制程序或电路故障，造成在极限位置仍继续发出前进信号，烧毁步进电机或其驱动设备。
结构中在极限位置采用行程开关进行超程保护，各极限位置保留了一定工作区域，不作为工作行程。
操作台布置——尽力人性化处理，显示实时工作状态及故障报警。
3.控制要求
定位精确性——步进电机和步进电机驱动器作为动力启动设备，采用开环点位控制，满足点位要求。
路径无干扰性——无干涉，无安全隐患。
可以设定中间点位避让绕行。
4.输入／输出设备
输入：
指令按钮、旋钮、急停按钮、报警及指示装置。
输出：
指示灯、二极管、步进电机及其驱动设备、电磁机械手。
5.研究对象特点
本设计的应用研究，贴近企业生产，具有很强的可行性、实用性和经济性。
该设备可以应用于中、小批量生产柔性制造自动化生产线，实现工件在两工作台间的搬移，大大的减轻工人的劳动强度、减少人力资源的浪费，节省生产成本，提高生产效率，减少因为人工疏忽造成的安全事故。
远程控制，对于恒温环境、不适合人直接接触工作的危险环境（如：
高温、发射、剧毒、无氧、高空等恶劣环境）下较普通机械手（如：
行程开关定位顺序控制）有明显的优势。
第二章硬件设计
2.1机械手的机械结构设计
1.夹紧机构——手爪
机械手手爪是用来抓取工件的部件。
其构造模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。
手指数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得较多。
可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作。
手爪抓取工件时，应具有迅速性、灵敏性、准确性和可靠性。
设计过程中应根据需要对机械手的运动速度、加速度、夹持物体重量、惯性和冲击力、开口尺寸进行校核，且能够自锁，防止断电或设备故障造成被抓物掉落。
2.手爪结构图
假定被夹持工件为有凹槽回转体，且自重不超过机械手允许安全负载，作以下结构设计：
图2.1机械手手爪示意图
1.手爪2.转轴3.压缩弹簧4.电磁铁芯5.电磁线圈6.螺母
7.机械手手爪壳体8.点位销9.限位螺钉10.橡胶防滑垫
工作原理：
杠杆原理、胡克定律及安培定律。
工作方式：
机械手的夹紧与放松由电磁线圈控制。
若线圈得电，手臂处产生电磁力矩，当电磁力矩大于弹簧被压缩所产生的力矩时，手臂吸合，手爪张开；若线圈失点，手臂端无磁力矩，机械手手爪将在弹簧预压缩力所产生的力矩下，保持夹紧状态，实现自锁功能，避免因偶尔断电导致被抓物掉落。
特点：
最大夹持半径可调，设定夹持点半径，可减少夹持力对夹持物表面的破坏。
由于夹紧的为刚性工件，为了提高安全性能，防止破坏工件，我们可以在夹持部分加上一层橡胶，这样可以通过增大工件和手指之间的摩擦系数来增加安全性，通过橡胶的弹性变形来缓冲对工件的冲击，可以减轻乃至消除对工件的损坏。
本设计使用的是电磁式控制吸合的机械手，适用于磁性材料，有沟槽或穿孔的工件吸住；单位面积有较大的吸力；可以快速吸附和松放工件，从而快速实现工件在两工作台之间的搬运控制；此外，结构简单，使用寿命较长。
3.机械手躯体的组成
机械手躯干包括立柱、机座、手臂和手腕四部分。
立柱是支撑手臂带动它升降、摆动和移动的机构，立柱和机座相联可固定在地面上、机床设备上、或者横挂在梁上，可固定在行走机座上。
本设计中机座为落地固定式机座。
机座是支撑机械手全部重量的构建，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作方便和造型美观。
手臂是机械手的主要部分，它支持手腕、手指和工件使他们运动的机构。
手臂应承载能力大、刚性好、自重轻、灵活、位置精度高、通用性强等特点。
主要结构有伸缩式和关节式，本文优选伸缩式。
4.躯干传动定位机构
1）手臂直线运动的结构
手臂直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置组成。
文中选用步进电机作为动力，故选用丝杠螺母机构和齿轮传动机构。
现就两者作以下分析：
丝杠螺母机构：
位置较准确、降速比大、运动平稳、无噪音、易自锁，但高精度的丝杠制造比较困难，传动效率低。
矩形、梯形螺纹结构，因传动力大，应用广泛。
滚珠丝杠效率高，但成本高。
齿轮齿条机构：
传动效率高、速度快、无自锁。
一般用于机械手的传动机构，不作为定位机构。
为满足自锁要求，优先选用丝杠螺母机构。
2）手臂回转机构
由于采用步进电机作为驱动元件，回转机构相对简单，成本相对比较低。
可直接采用齿轮减速以实现回转。
齿轮减速：
工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；减速效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围很广等。
图2.2机械手机构图
1.机座2.卡环3.轴承4.步进电机5.圆柱主动齿轮6.圆柱从动齿轮7.摇臂
8.联轴器9.螺母10.导向轴11.丝杠滑块12.丝杠轴13.轴承14.机械手
2.2传动系统的设计
1.传动方式
电气传动使利用电动机直接驱动执行机构，以获得机械手的各种运动。
采用步进电机驱动，机械手的位移和运动速度，可由电控系统发出脉冲信号数量及脉冲信号频率来控制。
步进电机能够达到比较高的重复定位精度。
2.步进电机及其驱动器
步进电机（steppingmotor）是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“布距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的：
同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有累积误差（精度为100%）的特点，广泛的用于各种开环控制。
步进电机分为机电式及磁电式两种基本类型。
机电式步进电机由铁芯、线圈、齿轮机构等组成。
螺线管线圈通电时将产生磁力，推动其铁芯芯子运动，通过齿轮机构是输出轴转动角度，通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置；线圈再通电，转轴又转动角度，依次进行步进运动。
磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。
永磁式步进电动机由四相绕组组成。
A相绕组通电时，转子磁钢将转向该相所确定的磁场方向；A相断电、B相绕组通电时，就产生一个新的磁场方向，这是，转子就转动一个角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子转动方向。
永磁式步进电动机消耗功率小，步距角较大。
缺点是启动频率和运行频率较低。
反应式步进电动机在定、转子铁芯的内外表面上设有按一定规律分析的相近齿槽，利用这两种齿槽的相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。
这种步进电动机步距角可做到1°～15°，甚至更小，精度容易保证，起动和运动频率较高，但消耗较大，效率较低。
永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。
是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合，并兼有两者的优点。
步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。
步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。
选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。
而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。
在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。
一般的说最大静力矩
大的电机，负载力矩大。
选择步进电动机时应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到设备所需的脉冲当量。
在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杠导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。
但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。
精度是由电机的固有特性所决定。
选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯性和设备要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足快速移动的需要。
选择步进电机需要进行以下计算：
（1）计算电机的步距角比，根据所要求脉冲当量，步距角θ计算如下：
式中：
S---丝杠螺距（mm）
Δ---（mm/脉冲）
i---减速比
（2）计算电机负载转矩M
式中：
F---启动单元负载（N）
---传动系统总效率（此处先以1带入）
根据以上数据，可以选择17HS001电机。
17HS001电机的具体参数如表2.1所示。
表2.142HS003步进电机电气技术数据
电机型号
相数
步距角
相电流
驱动
电压
最大
静转
矩
相
电
阻
相
电
感
重
量
配套
驱动
器
17HS001
2
1.8°
1.7
A
DC24
V
0.45
Nm
3.3
Ω
3.7
mH
0.35
Kg
ST-2H
B02X
与该步进电机相匹配的驱动器为ST-2HB02X驱动器。
ST-2HB02X驱动器采用MicrosChip芯片，采用新型的双极性恒相流驱动技术，实现最大64细分高性能驱动，适合驱动2A。
以下42系列，57系列两相混合式步进电机。
广泛应用于各种数控机床，纺织机械，喷绘机，疲劳测试机等用户希望成本低，低振动，高精度，高速度的场合。
技术参数：
型号ST-2HB02X
相数：
二相
工作电压：
DC（10-40）V
驱动电流：
DC（0.1-2.0）A
驱动方式：
全桥双极恒相流驱动
电流设置：
0.1A分度
细分功能：
相电流不高于2A/相的两相，四相混合式步进电机
冷却方式：
散热器（安装在通风良好的场合）
环境温度：
0～50℃
尺寸/重量：
130×73×33mm/280g
2.3其他辅助系统的设计
1.原点定位及超程保护
为保证机械手重复定位精度，对机械手每工作循环提出返回原点校零位要求。
在初始位置添置限位开关，当触及时发出已达原点命令，停止远动。
同时锁定继续前进行动，能且只能反向运动，以实现因故障或暴力操作造成的超程保护功能。
非原点端只作超程保护不作为定位。
图2.8传动丝杠示意图
2.操作台
操作面板以贴近人们日常工作习惯、符合人体工程学、方便工作人员直接操作、反应自动工作状态为原则，与后文I/O采用方案相匹配，进行设计，如图2.9所示。
该机械手工作方式有手动、单步、单周期、连续工作（自动）四种形式。
具体有原点、路径关键点、报警指示、工作状态指示等功能。
下面操作面板说明如下：
设备原点：
机械手的设备原点。
任何停止状态，旋转旋钮到原点，启动回原点按钮，机械手回到了原点。
手动方式：
各自的按钮使各个负载单独接通或断开。
实现实时按操作者的指令进行动作。
同时也负责起自动工作方式中每一工步目的记录保存工作。
单步：
旋钮旋转单周期工作，按动一次启动按钮，进行一个工步。
单周期：
旋钮旋转单周期工作，按动一次启动按钮，进行一个周期。
连续工作（自动状态）：
在用户原点，旋钮旋转自动，按动启动按钮连续反复进行，途中按动停止按钮，运行到原定后停止。
LED指示灯：
状态实时显示。
电源和急停按钮与PLC工作无关。
该按钮使用来接通或断开PLC外部负载的电源。
图2.9操作面板示意图
第三章软件设计
3.1总体流程图的设计
1.工作流程图
图3.1工作流程图
本机械手采用点位控制，我们可将整个运动看作折线运动，每一步动作归纳为参数不同的点位之间动作。
以起点作为参考点，通过脉冲计数，得到目的点位置。
手动操作机械手从参考点到达目的点后，保存目的点的相对特征参数，并对每一步保存的参数进行列表管理。
实现手动模式下点位输入，自动模式查表“仿行”运动。
手动设置好以后就可以按预先设置自动运行。
核心思想：
记录关键点，构造工作路径和状态。
现就四工位作以下说明。
用户在手动原点状态下，控制机械手至A点位（到A点的路径可制定中间点实现绕行），按下保存，记录该店重要参数。
之后控制机械手到B点位夹取工件，同时记录机械手位置及加紧位置，为简化过程，可在A点设置机械手张开，B点设置夹紧。
控制机械手移动，同前所述记录关键点位，到D点放下工件。
再用同样的方法到下一工位进行操作。
3.2三菱PLC的选择
3.2.1三菱PLC控制系统设计的基本原则
1、满足被控制对象的控制要求考虑将来的发展的需要，PLC选用功能较强的新产品，并留有适当的余量。
2、系统安全、可靠。
3、尽可能简单、经济、使用与维护方便。
4、具有较高的性价比。
3.2.2三菱PLC控制系统设计步骤
1、分析被控对象，提出控制要求。
2、确定输入、输出设备。
3、确定PLC的I/O点数，选择PLC机型。
4、分配I/O点数，绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。
5、程序设计，绘制工作循环图或状态转移图。
6、程序调试。
先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。
7、调试过程结束，整理技术资料，投入使用。
图3.2PLC控制系统设计步骤流程图
3.2.3三菱PLC品牌选择
世界上生产PLC的厂商有数百家，构成美国、欧洲和日本三大技术阵营，其代表机型有美国罗克韦尔（Rockwell）自动化公司所属的A-B（Allen-Bradley）公司生产的PLC-5系列PLC、GE-Fanuc公司生产的90-TM30系列和90-YM70系列的PLC、德国西门子（Siemens）公司生产的S5系列PLC和S7系列PLC，日本三菱公司生产的FX系列、A系列、Q系列PLC、欧姆龙公司生产的CS系列、从200系列、CPM系列PLC。
三大技术阵营的PLC在程序表达形式、功能及用法上有很大的差异。
熟悉西门子S5系列PLC的人都知道，他是采用机构化编程的方法，尽管他也设有梯形图、逻辑图等多种其他编程语言，但少许复杂一点的问题就必须采用语句表，通过STEP5语言，调用各种功能来实现。
然而美国A-B公司的PLC-5系列可编程控制器则与西门子S5系列PLC相去甚远，A-B的PLC-5根本就没有语句表，他所有的程序都要依靠梯形图编制，因而A-B的梯形图与西门子的梯形图在形式、功能及用法上相差很大。
日本的微型小型PLC产品是非常有特
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