基于PLC的搬运机械手控制系统设计112Word文件下载.docx

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2.2.1　气缸的选择５

2．2.2阀门的选择6

2.２.3行程开关的选择ﻩ6

2.2.4接近开关的选择ﻩ6

２.2.５驱动电机的选择ﻩ6

3控制系统的硬件设计ﻩ7

３.1　控制系统功能７

3．2.1位控模块８

3.2.3　控制系统硬件结构9

3.3操作面板的设计9

3.4PＬC系统设计ﻩ11

3.4.1ＰLＣ的I/O分配表ﻩ11

3.4．2PＬC的I／O接线图11

3.６　控制系统电路设计ﻩ17

4　系统软件的设计与实现１９

4.1系统工作方式ﻩ１9

4.2程序设计ﻩ1９

4.２.1主程序设计ﻩ1９

４.２.4报警子程序设计ﻩ２1

4.2.5手动运行子程序设计ﻩ21

4.２.6半自动运行子程序ﻩ22

4.２.7　自动子程序设计２3

5结束语25

致　　谢２６

参考文献27

附录1系统配件清单ﻩ２8

附录2程序清单ﻩ28

1引言　　　　　　　　　　　　　　

1.１搬运机械手的应用简况

　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。

国内外机械工业、铁路部门中搬运机械手主要应用于以下几方面：

（1）热加工方面的应用

热加工是高温、危险的笨重体力劳动,很久以来就要求实现自动化。

为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。

　　（２）冷加工方面的应用

　冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。

进而在程序控制、数字控制等机床上应用,成为设备的一个组成部分。

最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。

　　（3）拆修装方面

　拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。

目前国内铁路工厂、机务段等部门,已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。

近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手,可用以对客车内部进行连续喷漆,以改善劳动条件,提高喷漆的质量和效率。

　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，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。

1.2机械手的应用意义

由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。

单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求,因此,必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。

其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作,减轻人类劳动强度,可以说是一举两得。

在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用,它可用于零部件的组装,加工工件的搬运、装卸,特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。

目前，机械手已发展成为柔性制造系统fms和柔性制造单元fmｃ中一个重要组成部分。

把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元,可以节省庞大的工件输送装置,结构紧凑,而且适应性很强。

但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,应用规模和产业化水平低,机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高,从经济上、技术上考虑都是十分必要的。

因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。

２系统设计

2．1　系统结构及流程

　　本课题的研究主要是将摩托车发电机的曲轴从一个自动生产线搬运到另一个自动生产线的控制系统。

两生产线的布置和具体位置参数如图2-1所示:

图2-１机械系统整体布局示意图

机械手主要由手部、腕部、升降部、滑动部、机座和控制箱,以及其它附件组成。

其中手部为四指结构,其运动由具有自锁功能的夹紧气缸完成;

升降部以导轨为导向装置,其运动由伺服电机驱动丝杠来完成；

滑动部也是以导轨为导向装置,其运动由伺服电机驱动齿轮在齿条上滚动来完成。

ＰLＣ和相关控制器件安装于控制箱内，通过电缆和信号线与机械手进行联接。

机械手的定位采用脉冲数来控制，升降运动和滑动都有快慢速调整，调整位置也由脉冲数来控制，而速度由脉冲频率调整。

在料架1和料架2上分别安装接近开关,进行生产线上有无工件的检测,满足在料架１有工件时机械手才进行下降和抓取，料架2上无工件时机械手才下降放下工件。

机械手还满足在断气和掉电时能够自锁,保持当前的状态。

系统上电后机械手开始初始化,初始化完毕后选择工作方式，分别为手动模式,半自动模式,自动模式。

手动模式工作下,操作员可以通过控制面板控制机械手的单步运动和零点复位，能够在机械手故障时进行检修。

半自动工作方式下，只要操作员选择半自动工作方式,然后按下启动按钮,机械手首先会零点复位,然后检查料架1有工件,机械手下降抓取工件，上升前进，检测料架2上无工件机械手下降放下工件，返回原点，一个周期的动作完成,机械手停机。

自动方式开始工作下,按下启动按钮，两台伺服电机通电，滑台、升降台、气缸等回到原位,气压表显示正常。

机械手运动到上、左原点位。

当检测到料架1上有工件时，电机1反转,升降台快速下降，达到一定脉冲数后减速，到达下工位2时，电机１停转;

气缸伸出夹紧工件,当气缸压力到达一定程度时压力传感器得电表明工件夹紧；

电机1正转，升降台先快速上升,达到一定脉冲数后时减速，当到达上原点时,电机1停转,升降台停止；

电机2反转,滑台快速前进,达到一定脉冲数后滑台减速，到达右工位时电机２停止;

当检测到生产线２无工件时,电机1反转，升降台快速下降，达到一定脉冲数后减速，到达下工位1时电机１停转；

气缸缩回放开工件,压力传感器失电表明工件已松开;

电机1正转,升降台上升，先快速后慢速，当到达上原点时电机1停转,升降台停止;

电机2正转,滑台返回到初始位置，电机2停止。

一个工作流程结束。

机械手的工艺流程如图2-2所示。

2.2系统主要部件选择

　　工业机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制,同时还要考虑成本因素的影响以及所能达到的技术水平。

驱动元件是伺服系统的重要组成部分,是系统的执行元件，它的作用是把驱动控制线路的电信号转换为机械运动。

整个伺服系统的调速性能、动态特性、运动精度等均与驱动元件有密切关系。

常用的驱动方式主要有液压驱动、电气压驱动和电-液驱动三种基本类型。

　　结合各种驱动类型的特点和机械结构设计与传动类型的选择。

本机械手采用电气结合的驱动方式。

其中，机械手的升降和平移都采用交流伺服电机驱动,手部的开合采用气缸驱动。

图2－2机械手工艺流程图

２.2.1气缸的选择

夹紧装置是使手爪开、闭动作的动力装置。

根据机械手部的夹紧力和手部张开后指尖距离，选用FESTO公司生产的两端带有终端可调缓冲装置的SＮU-50-10０-PPV-A型双作用气缸。

并配有夹紧装置和行程开关。

如图2-3所示为气缸。

活塞直径D＝φ50mm，活塞杆直径d＝φ1６ｍm,行程长度L=1０0mｍ,驱动压力p＝6bar=6×

105Ｐａ。

2.2.2阀门的选择

　阀门是为气缸提供的，气缸配备两个一位单通阀门,为了保证在断气的状态下不影响气缸内部的气压,所以选用气开阀,根据经验选用SMC公司的VZ110气开阀。

2．2.3　行程开关的选择

　行程开关选用施耐德公司XCＲA15型号的行程开关

２.2．4接近开关的选择

　为了提高系统的可靠性和动作执行的准确性，选择OMROＮ公司的E2E-X5MＥ２型接近开关。

它的具体参数如下：

　（１）检测距离:

５mm

（2）电源电压：

DC1２~24V

　（3）消耗电流：

小于13ｍA

　（4）检测物体：

磁性物体

（5）响应时间:

０．3~1ms

　（6）输出方式:

NPN输出

　　接近开关接线图如图2-４所示。

图2－4　接近开关接线图

　　E2E-Ｘ５ME2型接近开关为三线的ＮＰＮ输出型开关,输出三线分别为棕线、黑线、蓝线,其中在棕线和黑线之间接负载，本系统中棕线接在PＬC的2４V电源正极，蓝线接在输入端点上。

２.2.5驱动电机的选择

直流伺服电机由于存在机械换向器和电刷,降低了电机运行的可靠性,加重了维护和保养负担。

而交流异步电机虽然结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便，但调速问题一直没有得到经济合理的解决。

近十年来，由于调频等调速方法发展很快,使其调速范围和成本与宽调速直流伺服电机接近,因此,交流伺服电机以其优良的控制性能和高可靠性在数控系统中得到了越来越广泛的应用。

　为了方便设计和维修,升降电机与水平移动电机选用同一型号，根据经验选用松下公司MiｎａsA4系列全数字式交流伺服电机和驱动器。

电机型号:

PanasonｉcMDMA152P1U（其中惯量，1.5KW，200V，增量式编码器,标准型,键轴，有制动器）。

　驱动器型号:

MDDDT554０。

额定转矩：

，最大转矩：

，额定转速:

，最大转速：

电机惯量：

脉冲数:

，分辨率:

１００00,线数：

５。

3控制系统的硬件设计

　控制系统是工业机器人的重要组成部分,它的机能就像人的神经中枢，是保证机械手在搬运过程中安全可靠实用的关键,也是提高搬运效率、延长机械手使用寿命、降低故障率的重要环节。

作为指导机械手按要求合理动作的指挥机构,它的设计是机械手设计中的核心和基础,决定了机械手的控制性能的好坏。

3.1　控制系统功能

　　控制是机器人技术中的一个关键问题，而控制系统的性能则是机器人发展水平一个重要标志。

　　本课题研究的机械手的控制特点。

（１）自由度少，