工业机械手臂控制系统三菱PLC09.docx
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工业机械手臂控制系统三菱PLC09
摘要：
机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。
尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。
机械手臂根据结构形式的不同分为多关节机械手臂，直角坐标系机械手臂，球坐标系机械手臂，极坐标机械手臂，柱坐标机械手臂等。
常见的六自由度机械手臂。
他有X移动，Y移动，Z移动，X转动，Y转动，Z转动六个自由度组成。
水平多关节机械手臂一般有三个主自由度，Z1转动，Z2转动，Z移动。
通过在执行终端加装X转动，Y转动可以到达空间内的任何坐标点。
直角坐标系机械手臂有三个主自由度。
X移动，Y移动，Z移动组成，通过在执行终端加装X转动，Y转动，Z转动可以到达空间内的任何坐标点。
本文通过对物料搬运机械手装置结构与功能的介绍,提出了一种电气伺服和气动伺服相结合的混合驱动机械手结构类型,重点分析了基于PLC的机械手控制系统组成,以及运用三项步进电动机的自动手动控制，并详细论述了以PLC为核心对步进电机和伺服气缸进行综合控制的软、硬件实现方法。
关键词：
PLC控制系统、机械手、气动系统、步进电动机、自动手动控制等。
1引言 2
2机械手机械结构 2
2.1传动机构 2
2.2机械手夹持器和机座的结构 4
2.3机械手PLC选择及参数 5
2.4机械手电机的选用 7
2.5变频器的选择 9
3机械手PLC控制系统设计 13
3.1机械手的工艺过程 13
3．2 PLC控制系统 15
4总结 22
5致谢 23
6参考文献 24
1引言
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。
随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。
同时，现代生产中，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。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。
在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。
该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。
我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。
由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。
2机械手机械结构
2.1传动机构
1．螺旋机构
螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，其主要功能是将转动变换为直线运动，并同时传递运动和动力，按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构可以分为滑动螺旋机构和滚动螺旋机构两种类型。
按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。
螺旋机构具有结构简单，制造方便，传动平稳，无噪声易于自锁等优点。
2.滑动螺旋机构
螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构，称为滑动螺旋机构。
滑动螺旋机构所用的螺纹为传动性能好，效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。
滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成。
根据机构的组成及运动方式，滑动螺旋机构又分为以下两种。
（1）．由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构，螺母与机架固联，螺杆转动并移动（如图2-1b所示），这种螺旋机构以传递动力为主，故又称传力螺旋机构。
一般要求用较小的转矩产生较大的轴向力，多用在工作时间短，速度较低的场合。
（2）．由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构，如图2-1a所示，螺杆转动，螺母移动，这种螺旋机构以传递运动为主，故又称为传导螺旋机构。
本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。
这种传动形式结构紧凑，刚度较大，传动效率高，精度高。
（a）螺杆转动，螺母移动 （b）螺母固定，螺杆转动并移动
图2-1
3．滚动螺旋机构
螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构，称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。
其机构特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道，并在其间放如刚球，当螺杆转动时，刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。
按循环方式的不同，分为外循环和内循环两种形式。
图2-2
滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。
滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环叫外循环（如图2-2所示）。
外循环螺母只需设置一个反向器，当滚珠进入反向器时，就被阻止而转弯，从返回通道回到滚道的另一端，形成一个循环回路。
机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动。
滚动螺旋机构摩擦阻力小，动作灵敏度高，传动效率高，可达90%以上。
用调整的方法可消除间隙，传动精度高。
2.2机械手夹持器和机座的结构
1．机械手夹持器
机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型和回转型。
回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为外夹式和内撑式。
按驱动方式可以电动、液压和气动三种。
回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移。
对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置。
但其机械机构繁杂，体积大，制造精度要求高。
所以当设计机械手夹持器的时候，在满足工件的定位精度要求的条件下，尽可能的采用结构比较简单回转型夹持器。
图2-3
本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回转型夹持器。
如右图2-3所示，装在杆上端的滚子3和楔块之间为滚动接触。
当电机带动连杆前进时，通过楔块4的斜面和杠杆1，使两个手抓产生加紧动作和加紧力。
当楔块后移时，靠弹簧的拉力使手指松开。
这种末端执行器由于楔块和滚子之间为滚动接触，摩擦力小，活动灵活，且机构简单。
2．机座
机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。
另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时的稳定行。
图2-4
如图2-4所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。
这种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。
图中电动机3经减速器4、主动小齿轮5、中间齿轮6、大齿轮7驱动丝杆2旋转，从而驱动升降台上下运动。
整个机座安装在基座8上。
2.3机械手PLC选择及参数
综合上述原则机械手控制系统主机为三菱的FX2N-48MR。
1.主要技术数据如下：
工作电源：
24VDC
输入点数：
24
输出点数：
24
输入信号类型：
直流或开关量
输入电流：
24VDC 5mA
模拟输入：
-10V～10V（-20mA～+20mA）
输出晶体管允许电流0.3A/点（1.2A/COM）
输出电压规格：
30VDC
最大负载：
9W
输出反应时间：
Off→On20μs On→Off 30μs
基本指令执行时间：
数个μs
程序语言：
指令+梯形图+SFC
程序容量：
3792STEPS
基本顺序指令：
32个（含步进梯形指令）
应用指令：
100种
初始步进点：
S0～S9
一般步进点：
118点，S10～S127
辅助继电器：
一般用512+232点（M000～M511+M768～M999）
停电保持用256点（M512～M767）
特殊用280点（M1000～M1279）
定时器：
100ms时基64点（T0～T63）
10ms时基63点（T64～T126，M1028为ON时）
1ms时基1点（T127）
计数器：
一般用112点（C000～C111，16位计数器）
停电保持用16点（C112～C127，16位计数器）
高速用13点1相5kHz，2相2kHz（C235～C254，全部为停电保持32位计数器）
数据寄存器：
一般用408点（D000～D407）
停电保持用192点（D408～D599）
特殊用144点（D1000～D1143）
指针/中断：
P64点；I4点（P0～P63/I001、I101、I201、I301）
串联通信口：
程序写入/读出通讯口：
RS232
一般功能通讯口：
RS485
主机电源220V AC
2.PLC主机的组成
1、输入单元
输入单元由8个按扭、8个开关和16个接插件组成，它们分别与PLC的16个输入点相接。
改变这些开关或按扭的通断状态，即可对主机输入所需要的开关量。
16个接插件可外接其它直流或开关量输入信号。
2、输出单元
输出单元由24个二极管和24个接插件组成，它们分别与PLC的24个输出点相连。
发光二极管是否发光，即可表示输出点的状态，使用者可得到主机的输出信息。
24个输出接插件可外接其它需要控制的设备。
输出单元的4个地端，分别引出到面板，其中只有C4与3V电源共地。
3、电源单元
PLC主机左边有外接220V/AV的电源插座，作为PLC的工作电源。
内装变压器，输出3V电源，供二极管使用。
另外PLC的24VDC和24GND已引出到面板，供外接输入器件（如传感器）的工作电源用
2.4机械手电机的选用
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