基于PLC的生产线搬运机械手控制系统设计.docx
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湖州职业技术学院机电一体化专业毕业论文
毕业论文
题目基于PLC的生产线搬运机械手
控制系统设计
姓名薛博隆
学号1320302236
专业班级 机电一体化1302
指导教师 钱振华
2016年4月20日
湖职院机电一体化专业毕业论文
基于PLC的生产线搬运机械手控制系统设计
学生：
薛博隆
指导教师：
钱振华
摘要
搬运机械手在自动化生产线上是一个重要的装置，他能精确定位并抓起工件搬运到另一个工作站并放下，具有故障报警，安全稳定的功能。
系统采用的是PLC控制。
文中通过对生产线的分析，确定了生产线搬运机械手的机械结构，通过对机械手的工作原理与机械手的控制要求，确定了适合的PLC型号进行了I/O口的分配，对伺服电机的定位控制进行了软件设计。
研究表明，机械手具有良好的位置控制精度，运行的可靠稳定性，和简单的控制方法。
关键词：
生产线机械手；气动原理；伺服电机；PLC
目录
摘要
目录
第一章前言 1
第二章生产线机械手的结构及工作原理 2
2.1自动化生产线布局与原理 2
2.2生产线机械手的结构 3
2.3生产线机械手的工作原理 4
第三章生产线搬运机械手控制要求 5
3.1生产线搬运机械手控制系统设计 5
3.1.1搬运机械手动作流程工艺分析 7
3.1.2PLCI/O口分配 8
3.2生产线搬运机械手程序设计 9
3.2.1PTO指令的作用与创建 9
3.2.2PTO指令的使用 15
3.3完成的部分程序 18
第四章结束语 19
致谢 20
参考文献 21
第一章前言
机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。
它可代替人的繁重劳动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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
那么搬运机械手都有哪些形式呢？
1、圆柱坐标式机械手
圆柱坐标式机械手是应用最多的一种形式，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的特点。
其动作范围可分为：
一个旋转运动，一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，两个直线运动加一个旋转运动。
2、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传送带配合使用的一种机械手。
它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式x、y、z3个方向的直线进行运动。
其工作范围可以是1个直线运动、2个直线运动或是3个直线运动。
如在x、y、z3个直线运动方向上各具有A、B、C3个回转运动，即构成6个自由度。
3、关节式机械手
关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动形式。
它像人手一样有肘关节，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。
4、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。
球坐标式机械手的工作范围包括一个旋转运动、两个旋转运动、两个旋转运动加一个直线运动。
搬运机械手是给我们节约了很多的劳动力并且提高了效率，但是要想效率更高就要选择正确的搬运机械手。
大学即将毕业，毕业设计是其中最后一个环节，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。
随着我国经济的迅速发展，采用PLC的技术得到愈来愈广泛的应用。
第二章生产线机械手的结构及工作原理
2.1自动化生产线布局
图1自动化生产线示意图
首先我们来熟悉一个这个系统，图1是一个自动化生产线的简化示意图。
如图1所示，这个系统是由5个独立不同的站点组成的。
供料站实现物料物料的供给；加工站独立加工由机械手送来的物料；装配站将加工完成的零件与配合零件进行组装，由细分步进电机驱动驱动步进电机实现一个工位1/3圈；分拣站分拣加工组装完成的工件，由金属传感器，光纤传感器组成；搬运站主要完成抓取于放下的动作，将供料站的物料搬运到加工站，并等加工站完成加工，再将工件搬运到装配站装配，最后将装配完成的元件搬运到分拣站进行分拣。
2.2生产线机械手的结构
图2
1.推料气缸2.井道式工件库3.加紧/放松气缸4.伸缩气缸
5.旋转气缸6提升下降气缸
图2为供料站与搬运站的气动机械手的结构及动作示意图，主要由伺服驱动器、直线导轨、四自由度搬运机械手、定位开关、行程开关、支架、机械零部件构成。
其主要元件功能如下：
1.伺服驱动器：
用于驱动伺服电机。
2.磁性传感器1：
用于升降气缸的位置检测，当检测到气缸准确到位后给PLC发出一个到位信号。
3.磁性传感器2：
用于旋转气缸的位置检测，当检测到气缸准确到位后给PLC发出一个到位信号。
4.磁性传感器3：
用于带导杆气缸的位置检测，当检测到气缸准确到位后给PLC发出一个到位信号。
5.磁性传感器4：
用于平行气夹的位置检测，当检测到气缸准确到位后给PLC发出一个到位信号。
6.行程开关：
其中一个给PLC提供原点信号；另外两个用于硬件保护，当任何一轴运行过头，碰到行程开关时，断开步进电机控信号公共端，使步进电机停止运行。
7.电磁阀：
升降气缸、旋转气缸、带导杆气缸用二位五通的带手控开关的单控电磁阀控制；平行气夹用用二位五通的带手控开关的双控电磁阀控制，四个电磁阀集中安装在带有消声器的汇流上。
当PLC给电磁阀一个信号，电磁阀动作，对应气缸动作。
8.升降气缸：
由单控电磁阀控制。
当气动电磁阀得电，气缸伸出，将机械手抬起。
9.旋转气缸：
由单控电磁阀控制。
当气动电磁阀得电，将机械手旋转一定角度。
10.带导杆气缸：
由单控电磁阀控制。
当气动电磁阀得电，将机械手伸出。
11.平行气夹：
由双控电磁阀控制。
当气动电磁阀一端得电时，平行气夹张开或夹紧。
12.端子排：
用于连接PLC输入输出端口与各传感器和电磁阀。
2.3生产线机械手的工作原理
图3气动原理图
生产线搬运机械手的气动原理如图3所示。
该气动系统主要包括4个气缸：
提升气缸、旋转气缸、手爪伸出气缸、夹紧气缸。
其中提升气缸、旋转气缸、手爪伸出气缸均由单电控二位五通阀1YV、2YV、3YV控制。
单向节流阀用来提高气缸动作时的速度稳定性。
该气动机械手工作过程为：
搬运机械手手臂提升→手臂伸出→手臂下降→手爪夹紧→手臂提升→手臂缩回→伺服驱动器发送一个工作距离脉冲→搬运站移动到加工站→手臂伸出→手臂下降→手爪放开→手臂缩回。
加工站到装配站的工作过程为：
搬运机械手手臂提升→手臂伸出→手臂下降→手爪夹紧→手臂提升→手臂缩回→手臂下降→伺服驱动器发送一个工作距离脉冲→搬运站移动到装配站→手臂提升→手臂伸出→手臂下降→手爪放开→手臂缩回。
装配站到分拣站的工作过程为：
搬运机械手手臂提升→手臂伸出→手臂下降→手爪夹紧→手臂提升→手臂缩回→手臂左转→伺服驱动器发送一个工作距离脉冲→搬运站移动到分拣站→手臂伸出→手臂下降→手爪松开→手臂缩回→搬运机械手回到供料站复位→手臂右转。
第三章生产线搬运机械手控制要求
3.1生产线搬运机械手控制系统设计
生产线搬运机械手采用气动阀控制，在搬运工件过程中，实现机械手搬运工件的精确控制，同时显示系统的工作状态。
出现突发事件时，应做相应处理。
具体要求如下。
按“复位SB1”按钮，机械手返回原点，手爪缩回、张开，提升气缸处于下限位、旋转气缸处于右限位状态。
按“启动SB2”按钮,系统启动，机械手先提升，接着机械手伸出，手爪夹紧，模拟取工件动作。
接着机械手移动至加工单元物料台正前方，机械手伸出到位后，机械手下降，手爪松开，模拟放工件动作。
过3S后，重复上述模拟取工件动作，完成后机械手移动至装配单元，机械手伸出到位后，机械手下降，手爪松开，模拟放工件动作。
过0.5S后，重复上述模拟取工件动作，完成后机械手移动至分拣单元，逆势时针旋转90度，重复上述模拟放工件动作，完成后机械手返回原点，途中顺时针旋转90度，返回时先快速返回，接近原点时以恒定的低速返回原点。
搬运机械手按上述过程循环模拟搬运工件。
下图所示程序的顺序控制图
图4顺序控制图
3.1.1搬运机械手动作流程工艺分析
根据生产线搬运机械手的动作流程及系统的工作原理，将生产线机械手动作顺序、电磁铁状态以及伺服电机的脉冲信号PUL和方向信号SIGN的状态列于表1、表2、表3所示。
顺序
动作名称
电磁铁状态
伺服电机驱动器
1YV
2YV
3YV
4YV1
4YV2
PULSE
SIGN
1
手臂提升
+
-
-
-
+
2
手臂伸出
+
-
+
-
+
3
手臂下降
-
-
+
-
+
4
手抓夹紧
-
-
+
+
-
5
手臂提升
+
-
+
+
-
6
手臂缩回
+
-
-
+
-
7
电机正转1个工位
+
-
-
+
-
+
-
8
手臂伸出
+
-
+
+
-
9
手臂下降
-
-
+
+
-
10
手抓松开
-
-
+
-
+
12
手臂缩回
-
-
-
-
+
表1供料站到加工站工作原理
顺序
动作名称
电磁铁状态
伺服电机驱动器
1YV
2YV
3YV
4YV1
4YV2
PULSE
SIGN
1
手臂提升
+
-
-
-
+
-
-
2
手臂伸出
+
-
+
-
+
-
-
3
手臂下降
-
-
+
-
+
-
-
4
手抓夹紧
-
-
+
+
-
-
-
5
手臂提升
+
-
+
+
-
-
-
6
手臂缩回
+
-
-
+
-
-
-
7
电机正转1个工位
+
-
-
+
-
+
-
8
手臂伸出
+
-
+
+
-
-
-
9
手臂下降
-
-
+
+
-
-
-
10
手抓松开
-
-
+
-
+
-
-
12
手臂缩回
-
-
-
-
+
-
-
表2加工站到装配站工作原理
顺序
动作名称
电磁铁状态
伺服电机驱动器
1YV
2YV
3YV
4YV1
4YV2
PULSE
SIGN
1
手臂提升
+
-
-
-
+
-
-
2
手臂伸出
+
-
+
-
+
-
-
3
手臂下降
-
-
+
-
+
-
-
4
手抓夹紧
-
-
+
+
-
-
-
5
手臂提升
+
-
+
+
-
-
-
6
手臂缩回
+
-
-
+
-
-
-
7
手臂左转
+
+
-
+
-
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