基于PLC控制四自由度机械手运行.docx

基于PLC控制四自由度机械手运行.docx

《基于PLC控制四自由度机械手运行.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC控制四自由度机械手运行.docx（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于PLC控制四自由度机械手运行

前言

可编程控制器是20世纪70年代以来，在集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。

由于具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为现实工业生产自动化的支柱产品。

近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备，自动化生产线外，国内的机床设备已越来越多采用PLC控制系统采用控制系统取代传统的继电—接触器控制系统小；价格上能与继电—接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀，接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传播数据等。

本课题是基于PLC控制四自由度机械手运行。

工业机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，它可以代替手的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。

有着广阔的发展前途。

本课题通PLC自动控制对机械手实现机械手规定动作并实现回原点、手动方式和自动方式三种工作方式的选择，并对系统进行运行效率分析。

摘要

随着工业机械手的进一步发展，其发展将更趋向于人性化、智能化并将在更加广泛的领域得到应用。

机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。

因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。

工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平。

通过对机械制造与自动化大学专科三年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，确定机械手的工作原理和运动机理。

设计了一种四自由度机械手，采用可编程序控制器（PLC）设计其控制系统,以提高其工作的稳定性能。

关键词：

机械手梯形图PLC电磁阀

Abstract

Withthefurtherdevelopmentofindustrialrobots,anditsdevelopmenttendstobemorehumane,intelligentandinawiderrangeofapplications.Manipulatorisakindofimitationoftheupperbodymovementmachine,itcanbescheduledaccordingtorequesttypeorholdstheautomationtooloperationoftechnicalequipment,industrialautomation,promotetheproductionofindustrialproductionofthefurtherdevelopmentplaysanimportantrole.Manipulatornotedextensivelyandwelcomebypeopleforithaspowerfulvitality.Industrialrobotscanreplacethehandsofheavylabor,significantlyreducelaborintensity,andimprovelaborproductivityandautomationlevel.Mechanicalmanufacturingandautomationthroughthejuniorcollegeforthreeyearstointegratetheknowledgeofindustrialmanipulatormechanicalstructureandfunctionofvariouspartsofexpositionandanalysistodeterminetherobotmotionprincipleandmechanism.Designafour-DOFmanipulatortoenhancethestabilityoftheirworkforusingtheprogrammablelogiccontrollertocontrolsystem.

Keywords:

ManipulatorLadderdiagramPLCSolenoidvalve

目录

前言1

中文摘要2

英文摘要....................................................3

1绪论......................................................5

1.1本课题设计的背景5

1.2本课题设计的内容6

1.3本课题设计的目的和意义7

2PLC的概述8

2.1PLC介绍8

2.2PLC的构成9

2.3PLC的外部设备10

2.4PLC的工作原理10

2.5PLC的优点12

3基于PLC的机械手控制方案的确定13

3.1机械手的概述13

3.2采用PLC控制机械手的优点13

3.3机械手设计内容13

3.4PLC的选型14

3.5三菱FX系列的结构功能16

4功能实现与控制方式18

4.1机械手模型的机能和特性18

4.2夹紧机构18

4.3躯干19

4.4旋转编码盘19

5控制系统设计21

5.1控制系统硬件设计21

5.2PLC梯形图中的编程元件21

5.3PLC的I/O分配22

5.4机械手控制系统的外部接线图23

5.5控制系统软件设计23

致谢36

参考文献37

附录（指令表）38

1绪论

1.1本课题设计的背景

1969年美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。

如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。

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。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。

借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。

基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。

美国数字设备公司（DEC）研制出世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。

但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（ProgrammableLogicController）。

70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（ProgrammableController）。

但由于PC易于个人计算机（programmablecomputer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。

1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：

可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。

继电器在控制系统中主要起两种作用：

（1）逻辑运算

（2）弱电控制强电。

PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位，可编程控制器，简称PLC。

它在集成电路，计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。

具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少3.功能强、通讯性好4.开发周期短、成功率高5.体积小、重量轻、功耗低等特点。

具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为现实工业生产自动化的支柱产品。

与继电——接触器系统相比更加可靠；占位空间比继电——接触器控制系统小；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。

因此，进行机械手的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的扩展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。

1.2本课题设计的内容

现代工业生产对机械手的控制要求越来越高，若用传统的继电器控制方式进行控制，势必造成控制系统元件多，接线繁杂、稳定性差、故障率高，给工业生产带来很多不便。

针对这些问题此次设计选取性价比高的可编程控制器设计其控制系统。

课题以四自由度机械手的控制为研究对象，采取PLC设计其控制系统，实现机械手规定动作并实现回原点、手动方式和自动方式三种工作方式的选择，并对系统进行运行效率分析

1.3本课题设计的目的和意义

机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。

现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。

然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。

单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。

同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。

显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。

机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。

在机械工业中在机械工业中，机械手的应用具有以下意义：

1.3.1、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。

1.3.2、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。

同时，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。

第2章PLC的概述

一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。

但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。

对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。

无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

PLC的基本结构框图如图2-1：

图2-1PLC基本结构图

2.1PLC介绍

可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已成为当代工业自动化的主要控制设备之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用，在其他领域（例如民用和家庭自动化）的应用也得到了迅速的发展。

国际电工委员在1985年的PLC标准草案第3稿中,对PLC作了如下定义:

“可序控制器编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

2.2PLC的构成

2.2.1CPU模块

PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。

它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。

2.2.2I/O模块

PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

2.2.3电源模块

有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源以其输入类型有：

交流电源，加的为交流220V或110V，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

2.2.4底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

2.3PLC的外部设备

外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：

1．编程设备：

有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。

2．监控设备：

有数据监视器和图形监视器，直接监视数据或通过画面监视数据。

3．存储设备：

有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。

4.输入输出设备：

用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。

2.4PLC的工作原理

PLC采用的是循环扫描工作方式。

对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

PLC的扫描全过程如图2-2所示。

图2-2PLC的扫描全过程

1、输入刷新阶段

在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。

完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。

2、程序执行阶段

在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。

3、输出刷新阶段

当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。

显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。

扫描周期越长，响应速度越慢。

由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。

由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。

反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。

这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。

这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。

而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。

但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响

2.5PLC的优点

1、灵活性：

不同类型的硬件设备采用相同的可编程序控制器，编写不同应用软件就可以了，并且可以用一台可编程控制器控制几台操作方式完全不同的设备。

2、便于改进与修正：

可编程序控制器为改进和修订原设计提供了极其方便的手段，以前也许要花费几周的时间才能完成的工作使用可编程序控制器只要几分钟就可以了。

3、节点利用率高：

在可编程序控制器中，一个输入中的开关量或程序中的一个“线圈”可提供用户所需用的连锁节点，即节点在程序中可不受限制的使用。

4、成本低：

可编程序控制器提供的继电器节点、计数器、计时器、顺控器的数量比采用继电器、计数器、计时器、顺控器等实际元器件要便宜的多。

5、模拟调试：

可编程序控制能对所空功能在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试，而古典电器线路是无法在实验室进行调试的，只能花费现场大量时间。

6、能对现场进行微观调试：

在可编程序控制器系统中，操作人员过显示器观测到所控每一个节点的运行情况，随时监测事故发生点。

7、快速动作：

传统继电器节点的响应时间一般要几百毫秒，而可编程序控制器里的节点反应很快，内部是微秒级的。

8、可靠性：

可编程序控制器由集成电路元件构成，因此可靠性大大高于机械和电器继电器。

9、系统购置的简单化：

可编程序控制器是一个完整的系统，购置了一台可编程序控制器，就相当于购买了系统所需要的所有继电器、计数器、计时器等器件。

10、图纸简化：

传统控制电路要靠画蓝图，而蓝图不能随着设计的不同阶段不断更新的，采用可编程序控制器很容易做到随时打印出更新后的电路图。

11、易于系统的变化：

可编程序控制器可以重新编程序，所以可以满足所控生产流程频繁变化的要求。

第三章基于PLC的机械手控制方案的确定

3.1机械手的概述

我国国家标准（GB/T12643-90）对机械手的定义：

“具有和人手臂相似的动作功能，能在空间抓放物体，或进行其他操作的机械装置。

”

机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。

专用机械手：

它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定（有时可调）程序，使用大批量的自动生产。

如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，焊接机械手等装置。

通用机械手：

它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。

它适用于可变换生产品种的中小自动化生产。

它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。

3.2采用PLC控制机械手的优点

1.控制方式上看：

电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难;而PLC软界线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。

2.工作方式上看：

电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约。

3.控制速度上看：

电器控制速度慢，触电易抖动；而PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，故而无抖动一说。

4.可靠、维护看：

电器控制触电多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠，维护性能差；PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。

3.3机械手设计内容

3.3.1.机械手结构示意图

图3-1机械手示意图

1、手爪张开闭合2、手腕旋转3、水平移动4、升降5、立柱旋转6、手爪7、手腕电动机8、横轴9、竖轴10、竖轴电动机11、横轴电动机12、底盘13、底盘电动机

3.3.2.机械手工作流程

机械手工作流程是：

开始运行后，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转（横轴向手抓方向移动，竖轴向上移动）。

归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手爪电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪夹紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开；延时后竖轴上升复位，然后开始下一周期动作。

3.3.3.控制要求

（1）手臂上下直线运动。

（2）手臂左右直线运动。

（3）手腕旋转运动。

（4）手爪夹紧动作。

（5）机械手整体旋转运动。

手臂采用步进电机驱动，由PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转,实现手臂的进给和定位，手爪采用气压驱动。

3.4PLC的选型

对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。

例如输入、输出的最多点数，扫描速度，内存容量，指令条数，功能模块等。

同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。

3.4.1.常用PLC介绍

PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。

西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。

欧姆龙S7-200系列PLC突出的特点：

可靠性高、操作简便；丰富的内置集成功能；强劲通讯能力；丰富的扩展模块；简单、易用的Micro/WIN编程软件。

OMRON的可编程序控制器更加小型化。

SYSMACCPM1A的大小仅相当于一个PC卡（对于10点的机型来说），从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。

它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。

编程环境与CQM1及SYSMACA等机种相同。

由于