基于PLC的物料搬运机械手控制系统设计.docx
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基于PLC的物料搬运机械手控制系统设计
毕业论文
题目：
基于PLC的物料搬运
机械手控制系统设计
**********
学生学号：
**********
系别：
电气信息工程学院
专业：
自动化
届别：
2012届
*******
基于PLC的物料机械搬运手自动化控制系统设计
学生：
袁涛
知道教师：
孙静
淮南师范学院电气信息工程系
摘要:
机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。
它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。
可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用。
本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。
采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。
对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。
在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。
最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。
关键词:
机械手，气动控制，可编程控制器（PLC），自动化控制，物料分拣
BasedonPLCmaterialhandlingrobotcontrolsystemdesign
Student:
YuanTao
Knowtheteacher:
ms.Sunjing
Huainannormalcollegeelectricalinformationengineering
Abstract:
Inadvancedmanufacturingrobotplaysaveryimportantrole.Itcancarrygoods,sortingitems,insteadofhumanheavylabor.Canrealizethemechanizationofmanufacturingandautomation,caninharmfulenvironmentoperationtoprotectthepersonalsafetyandsowidelyused
Inthispaperareviewinrecentyearsondevelopmentstatusofmanipulator,combinedwiththedesignofmanipulator,thetechnologyofthemanipulatorsystemanalysis,andputforwardthepneumaticdriveandPLCcontrolinthedesign.Thedesignideaofintegration,thefullconsiderationofthecharacteristicsofthesoftwareandhardwareandcomplementaryoptimization.Forthematerialsortingthestructureofthemanipulator,executivestructure,drivingsystemandcontrolsystemanalysisanddesign.Initsdrivesystembypneumaticdrive,thechoiceinthecontrolsystemofthecontrolunittocompletePLCsystemfunctioninitialization,themobilemanipulator,faultalarmfunctions.Finallyputsforwardasimpleandeasytorealizeandtheoreticalsignificancespecificcontrolstrategy.
Keywords:
manipulator;pneumaticcontrol;theprogrammablecontroller（PLC）;automaticcontrol;materialsorting
前言
机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。
它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。
可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。
它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
可编程控制器（PLC）是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。
使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。
适应工业需要，本课题试图开发PLC对物料分拣机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，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，广泛应用于柔性生产线。
采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。
本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。
主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。
第1章机械手的研究与发展
1.1机械手在国内外现状和发展趋势
机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。
机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。
目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。
工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统，实现生产自动化。
目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。
日系中主要有安川、OTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。
欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。
我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：
70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。
在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。
如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。
随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。
从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。
如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。
在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。
在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。
据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。
1.2主要研究的内容
随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制
可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。
本论文主要研究物料分拣机械手以下几个方面的内容：
（1）物料分拣机械手执行系统的分析与选择
执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。
主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。
执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行设计。
（2）物料分拣机械手驱动系统的分析与选择
驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。
通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择气压驱动的方式。
内容包括气动元件的选择及其工作原理、气动回路的设计和气动原理图的绘制。
（3）物料分拣机械手控制系统的设计
控制系统是机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。
本机械手采用可编程控制器（PLC）对机械手进行控制，主要包括对PLC的型号选择、传感器类型进行选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。
1.3解决的关键问题
1解决机械手机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济、具有一定的代表性。
2执行部件的运动精度的问题。
3机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制系统的协调问题。
4元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。
5传感器的类型选择。
第二章执行系统的分析与选择
机器手的执行结构是机械手赖以实现各种运动的实体。
执行机构的布局类型直接影响到机械手的工作性能。
2.1执行机构坐标形式的选择
机械手的基本型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：
直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。
下面就各型式机械手作简单的分析对比：
1、直角坐标式机械手
直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。
它的手臂可作伸缩、左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。
其工作范围可以是一个直线运动；两个直线运动或三个直线运动。
如在X、Y、Z三个直线运动方向上个具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。
直角坐标式机械手的优点：
（1）产量大，节拍短，能满足高速的要求；
（2）容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合；
（3）适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更；
（4）定位精度高，载重发生变化是不回影响精度；
（5）易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。
缺点：
机械手的作业范围较小。
2、圆柱坐标式机械手
圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。
具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。
圆柱坐标式机械手的工作范围可分为：
一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在的平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。
圆柱坐标式机械手有五个基本动作：
（1）手臂水平回转；
（2）手臂伸缩；
（3）手臂上下；
（4）手臂回转动作；
（5）手爪夹紧动作。
圆柱式机械手的特点是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可做上下直线运动和水平面内做圆弧状的左右摆动。
3、球坐标式机械手
球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。
它的工作范围包括：
一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。
球坐标式机械手可实现八个动作：
（1）手臂上下动作，即俯仰动作；
（2）手臂左右动作，即回转动作；
（3）手臂前后动作，即伸缩动作；
（4）手腕上下弯曲；
（5）手腕左右摆动；
（6）手腕旋转运动；
（7）手爪夹紧动作；
（8）机械手的整体移动。
球坐标式机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧状上下俯仰动作，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人的手类似。
它的特点能能自动选择最合理的动作路线。
所以工作效率高。
另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。
4、关节式机械手
关节式机械手是一种适用于靠近机体操作传动型式。
它像人手一样有肘关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄的空间工作。
关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。
关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。
它还具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。
为具有近似人手的操作机能，需要研制最合适的结构。
机械手型式的选择首先是从满足它的运动要求方面进行考虑，然后从机械手的复杂程度以及经济情况等方面来考虑。
本设计中的机械手主要动作为机械手手臂的左右移动，升降移动和机械手的整体旋转。
直角坐标式机械手虽然具备手臂的伸缩上下、左右直线运动等动作，但是不具备机械手整体旋转动作，所以不考虑用直角坐标式机械手。
球坐标式机械手和关节式机械手对动作要求方面足够满足要求，但是它们的结构都比较复杂，有很多动作是不必要的，显得浪费和增加了制造的成本和难度。
圆柱坐标式机械手能满足手臂伸缩、手臂上下、手臂回转动等动作。
可以将手臂回转动作改换成机械手的整体转动就可以满足本设计中机械手的动作要求。
这样的修改并没有改变机械手的总体结构，只是进行了局部变动，使得整个系统经济、实惠，所以确定用圆柱坐标式机械手。
2.2执行机构的组成
工业机械手的执行系统主要以下机械部分组成：
（1）手部是机械手直接握持工件或工具的部分。
（2）臂部是机械手用来支持腕部与手部实现较大的运动范围的部件。
（3）立柱支承手臂并带动它升降、摆动和移动的机构。
（4）机座是机械手用来支撑臂部，并安装驱动装置及其他装置的部分。
2.3执行机构的工作原理
物料分拣机械手的结构主要由机座、立柱、水平手臂、垂直手臂、电磁阀和吸盘等组成。
其中机座采用摆动气缸进行驱动，手臂及吸盘采用单活塞杆双作用气缸驱动。
机械手的动作基本有伸缩、升降、左右旋转、吸物和放物等动作。
其结构原理如图2.2所示。
其动作顺序为：
初始位置→A右旋→B前伸→C气缸下降→D吸物料→C上升→B收缩→A左旋→C气缸下降→D放物料→C上升→回到初始位置。
机械手的动作在整个过程中都是连续可循环。
2.4执行机构简图
根据前面机械手各部分的设计，可做出机械手大体结构简图，如图2.1所示。
1右旋限位开关2左旋限位开关3回缩限位开关
4前伸限位开关5上升限位开关6下降限位开关
A摆动气缸B前伸/回缩气缸C上升/下降气缸D真空吸盘
图2.1执行机构简图
第3章驱动系统的分析与选择
机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。
机械手的驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。
目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。
3.1驱动系统的分析与选择
液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。
但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。
电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。
但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。
因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。
气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。
另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。
3.2机械手驱动系统的控制设计
根据物料分拣机械手的要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要有两种：
（1）直线运动（缸体固定，活塞杆运动）；
（2）摆动（缸体固定）。
气动系统包括三个三位四通电磁换向阀、两个二位二通电磁阀、三个气缸、一个吸盘、四个调速阀、六个单向调速阀、消声器（若干）等。
图中的调速阀控制气缸上升和下降、伸长和缩短、摆动过程中的速度，防止速度过大对物料及机械手臂的冲击；三位四通电磁换向阀是改变气缸的运动方向；真空发生器的工作原理利用气体的喷射产生真空吸附物料，其主要功能是实现对物料的吸取和释放，真空发生器的动作是由二位二通电磁阀控制的。
第四章控制系统的分析设计
机械手控制系统的设计是整个机械手设计的关键和核心。
它在结构和功能上的合理划分与巧妙实现，对提高机械手整体可靠性、实用性具有重要的意义，同时也是降低制造成本、缩短开发周期的有效途径。
为此本章在分析了当前机械手广泛采用的控制器结构及PLC的发展之后，提出了采用PLC的控制方法。
4.1控制系统的组成结构
机械手的控制系统一般是使机械手运动协调为目的，包括高性能的计算机及相应的系统硬件和控制软件。
机械手的控制部分可分为4个部分：
机械手及其感知器、环境、任务、控制器。
控制系统的硬件一般包括3个部分：
（1）感知部分用来收集机械手的内部和外部的信息，如位置、速度、加速度传感器可接受机械手的本体状态，而视觉、触觉、力觉等传感器可感受机械手的工作环境的外部状态。
（2）控制装置用来处理各种信息，完成控制过程，产生必要的控制指令，它包括计算机相应的接口等。
（3）驱动部分为了使机械手完成操作及移动功能，机械手各关节可选用气动、液动、电气等方式驱动。
4.2控制系统的性能要求
对于一般的控制系统有以下控制的要求：
（1）稳定性稳定性是系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏离平衡点恢复到原平衡点状态的能力。
稳定性是一般自动控制必须满足的基本要求，对稳定性的研究是自动化控制系统中的一个基本问题。
（2）过渡过程性能描述过渡过程性能可以用平衡性和快速性加以衡量，平衡性指系统由初始状态运动到新的平衡状态时具有较小的超调和震荡性；系统由初始状态运动到新的平衡状态经历的时间表示系统过渡过程的快速程度。
（3）稳态误差稳态误差是在过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。
控制系统的稳态误差越小，说明控制精度越高。
因此，稳态误差是衡量控制系统性能好坏的一项重要指标，控制系统设计的任务之一就是在兼顾其他性能指标的情况下，使稳态误差尽可能小或者小于某个允许的限制值。
4.3传感器的选择
传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。
它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。
根据本设计的要求需要对位置检测装置、滑觉传感器、视觉传感器进行选用。
位置检测装置检测机械手动作是否到位，滑觉传感器是判别物料是否被稳定吸住，视觉传感器是为了完成机械手对物料的识别。
4.3.1位置检测装置
在本设计中，当机械手执行左旋/右旋，前伸/回缩，上升/下降等动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。
行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。
在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。
行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。
4.3.2滑觉传感器
机械手吸取物体时按吸力的大小可分为硬吸取和软吸取。
硬吸取是吸盘用最大的吸力吸取物体，以保证可靠性；软吸取方式是吸盘使吸力保持在能稳固吸取物体的最小值，以避免损伤物件。
软吸取时吸力不够时被吸物体会产生滑动，滑觉传感器就是为了检测滑动而设计的，可以检测垂直于吸物方向物体的位移、由重力引起的变形，以达到修正吸力，防止吸取物的滑动。
滑动传感器主要用于检测物体接触面直接的相对运动的大小和方向，判断是否吸住物体以及应用多大的吸力等。
4.3.3视觉传感器
机械手视觉的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能够对不同的物体进行识别，本机械手采用颜色传感器，根据不同物料有不同的颜色，可以针对一种颜色的物料进行拣出。
目前，用于颜色识别的传感器有两种基本类型：
（1）色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色LED光源；
（2）RGB（红绿蓝）颜色传感器，它检测物体的对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。
这类装置许多是温反射型、光束型、光纤型的，封装在各种金属和聚碳酸脂外壳中。
典型的输出有：
NPN和PNP、继电器和模拟输出。
4.4控制系统PLC的选型及控制原理
4.4.1PLC种类及型号选择
PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。
根据前面确定的PLC点数：
实际输入点28点，实际输出点12点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为48点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面。
本系统可选择PLC型号为：
FX2N—64MR—001，合计总数64点—32点输入，DC24V，32点继电器输出；尺寸（mm）：
220×87×90，其性能、价格都优于其他PLC。
FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。
该型号PLC有32个输入节点，32个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。
4.4.2I/O点数分配
根据机械手动作流程分析及I/O点数确定，可以确定电气控制系统的I/O点分配，
如表4.1所示：
表4.1机械手控制输入点分配表
输入设备
输入点号
输入设备
输入点号
启动按钮SB1
X000
手动下降按钮SB6
X016
停止按钮SB2
X001
手动左旋按钮SB7
X017
急停按钮SB3
X002
手动右旋按钮SB8
X020
左旋极限传感器ST2
X003
手动伸出按钮SB9
X021
右旋极限传感器ST3
X004
手动缩回按钮SB10
X022
上升限位传感器ST4
X005
手动吸气按钮SB11
X023
下降限位传感器ST5
X006
手动放气按钮SB12
X024
手臂缩回限位传感器ST6
X007
超上升限位传感器ST8
X025
手臂伸出限位传感器ST7
X010
超下降限位传感器ST9
X026
工件检测传感器PS1
X011
超左旋限位传感器ST10
X027
手动
SA
X012
超右旋限位传感器ST11
X030
自动
X013
超伸出限位传感器ST12
X031
复位按钮SB4
X014
超缩回限位传感器ST13
X032
手动上升按钮SB5
X015
4.4.3机械手控制原理
在PLC的控制下，执行机构可实现手动、自动等多种工作方式。
手动：
利用按钮对机械手每一动作手动进行控制，可实现上升、下降、前伸、缩回、正转、反转、吸物、放物等操作；自动：
按下循环按钮后机械手从原点位置开始连
升级会员 