基于plc的机械手系统控制Word格式.docx

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　　机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手　　第2页共30页　　基于PLC的机械手控制系统毕业设计　　　　关键词:

点控制机械手连续控制机械手可编程控制技术　　目录　　摘要.....................................................................2引言.....................................................................41PLC的发展历程和构成...................................................5PLC的发展史......................................................5PLC的构成.........................................................6CPU的构成.........................................................7模块...........................................................7电源模块..........................................................8底版和机架........................................................8PLC系统的其他设备.................................................82机械手的组成..........................................................9机械手的发展......................................................9动力臂的机械构造.................................................10控制和动力臂的机械构造...........................................10位置控制系统.....................................................10负载反传系统.....................................................103机械手PLC控制的设计..................................................11根据工艺过程分析控制要求.........................................11确定所需的用户输入/输出设备及I/O点数............................14PLC的选择........................................................17分配PLCI/O点的编号（定义号）......................................17PLC程序设计......................................................17个人小结................................................................29

　　　　　　基于PLC的机械手控制系统毕业设计　　　　PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。

　　PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。

以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板；

如果I/O模板多时，可CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板；

另一种方法是配备远程I/O从站等。

这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。

　　PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的　　ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。

另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。

　　PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。

它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为~秒，更快的则选用50毫秒或更小的消灭周期。

它是一个数字采样控制系统。

　　于各PLC厂家产品在指令系统上的差异及编程方法上用户要求不同，近年来IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3，它规定了指令表、梯形图、顺序功能图、功能块图、结构化文本五种编程语言。

这包括了文本化编程和图形编程两个方面，而SFC则在两类编程语言中均可使用。

IEC技术委员会进来开展了IEC61499项目，将IEC61131-3进行了扩展，它是针对通过通信网络互联的模块化分布系统的体系结构的标准，将对IEC61131-3有所改善。

这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件，是PLC发展的一大趋势。

　　第6页共30页　　基于PLC的机械手控制系统毕业设计　　　　一个或若干PLC与PC机联出系统，PC机起到原编程器及人机界面操作站的作用，这20世纪90年代的新潮流，这样为系统集成带来了商机，同时编程软件和人机界面软件及软件接口也得到了发展。

　　PLC的构成　　从结构上分，PLC分为固定式和组合式两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

　　CPU的构成　　CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套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。

　　CPU主要运算器、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，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

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速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

　　I/O模块　　PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分完成的。

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。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入，开关量输出，模拟量输入，模拟量输出等模块。

开关量是指只有开和关两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。

常用的I/O分类如下：

　　开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继　　第7页共30页　　基于PLC的机械手控制系统毕业设计　　　　电器隔离和晶体管隔离。

　　模拟量：

按信号类型分，有电流型、电压型等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

　　除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

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。

　　电源模块　　PLC电源用于为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。

电源输入类型有：

交流电源，直流电源。

　　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。

　　、PLC系统的其它设备　　1、编程设备：

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

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般计算机充当编程器。

　　2、人机界面：

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏式的一体式操作员终端应用越来越广泛，计算机充当人机界面非常普及。

　　3、输入输出设备：

用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

　　　　第8页共30页　　基于PLC的机械手控制系统毕业设计　　　　2机械手的组成　　机械手的发展　　机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

机械手以下结构：

　　执行机构——驱动-传动机构——控制系统——智能系统——远程诊断监控系统，五部分组成。

　　机械手的设计构想是以人的手为基础，以机械拉来实现人的动作，它的动作以下四部分来实现：

　　1、自度的旋转2、肩的前后动作3、肘的上下动作4、腕（手）的动作　　驱动-传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分:

机械式、电气式、液压式和复合式，其中制，本设计主要设计PLC的控制部分。

液压操作力最大。

　　控制系统采用西门子PLC控制。

本设计运动形式:

前后、上下两个自度运动，均液压伺服系统控制，该控制系统的设计是可以给操作臂一个信号的动力反馈系统。

该工作臂类似一个伸缩仪。

在方位、肩部和肘部上的轴直接控制位置，利用主臂控制速度。

在机械手的操作柄有一个按钮来控制工作头。

控制系统的特性是可以使操纵器以一定的速度和精确性进行工作。

工业机械手的结构是基于模组块系统上的，模组块系统适合于提高移动的速度或特殊类型的工作。

在设计上考虑维修的简单性。

维修的人员需要具备一定的资格，应能处理一般的机械设备的问题或通常液压件的安装。

　　工业机械手传输在末端工具上的力或负载的感觉到操作者的手中（动力反馈）“动力反馈”的意思是在机械手臂末端上的力有一小部分反馈到操作柄。

减少比率意味着操作者必须用2公斤的力才能将工具额定的负载举起。

对于动力反馈，操作者有机会感觉在方位、肩部和肘部的轴的负载改变的不同情况（惯性和加速度）。

通过提供额外的力，操作者可以优先确定使用的力和搬运的路径，目的是为了获得一个快慢速。

、　　第9页共30页　　基于PLC的机械手控制系统毕业设计　　　　动力臂的机械构造　　动力臂上臂和一个较底臂（下臂）连接组成，它建立一个围绕垂直轴旋转的支撑上。

在垂直面的运动是围绕水平轴（称之为肩轴）的上臂运动和围绕第二个水平轴（称之为肘轴）下臂的旋转运动叠加而获得的。

上臂的运动是通过液压缸直接控制，下臂的运动是液压缸通过一个可以围绕肩轴旋转并且通过一个传送横梁来控制。

方位角的运动是通过一个安装支撑面上的液压马达进行控制的，马达通过与基础板连接的差动器的侧伞齿轮上的小齿轮来带动。

通过横梁和和肘部零件的连接保持最终配置部件的位置恒定不便。

这样上臂和下臂的运动各自具有独立的方向。

　　控制和伺服系统　　操纵臂包含通过三个控制电路操控动力臂所有元件。

操纵柄包含所有控制配置装置上工作头的功能操控装置。

　　位置控制系统　　操作臂上的电位计随该臂的移动给出一个控制电压，同时动力臂的移动带动反馈电位计产生一个极性相反与位移成比例的反馈电压，两者同时输入电子控制器进行比较产生偏差电压，经过电子控制器的转换，输出一相应的电流信号给电液伺服阀，从而操控动力臂移动到操控所要求的位置，若偏差信号为“0”，于是动力臂将停止在这个位置。

　　该系统并装有压力传感器，它将负载信号输送到电子控制器，起到动压反馈的作用，它将改善系统的动态特性　　负载反传系统　　工业机械手，为了给操作者在操作过程中能有负载变化的感觉，设置了将机械手传输在末端工具上的力或负载成比例地传到操作者手中的装置。

它使操作者必须使用两公斤的力才能将工具额定的负载举起，可以让操作者有机会感觉在方位、肩部和肘部的轴的负载改变的不同情况，通过操作力的改变，操作者可以正确的确定使用的力和搬运的路径，目的是为了获得一个快速和最佳的工作周期。

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　　　　　　基于PLC的机械手控制系统毕业设计　　　　3机械手PLC控制的设计　　送料机械手的动作示意图如图3-1所示。

他是一个水平/垂直位移的机械设备，用来将工作左工作台搬到右工作台。

　　图　　3-1送料机械手的工作示意图　　根据工艺过程分析控制要求　　机械手的全部动作有汽缸驱动，而汽缸又相应的电磁阀控制。

其中，上升/下降和左移/右移分别双线圈两位电磁阀控制。

例如当下降电磁阀通电时，机械手下降；

当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。

只有当上升电磁阀通电时，机械手才上　　第11页共30页　　基于PLC的机械手控制系统毕业设计　　　　升；

当上升电磁阀端电时，机械手上升停止。

同样，左移/右移分别左移电磁阀和右移电磁阀控制。

机械的放松/加紧一个单线圈两位置电磁阀控制。

当该线圈通电时，机械手加紧，该线圈断电时，机械手放松。

　　当机械手处于原点时，启动以后，机械手移向A点，加紧工件，然后回到原位，移向B点，放下工件，再回到原位完成一次动作。

　　当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工作时才允许机械手下降。

也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。

　　机械手的动作过程如图3-2所示。

从原点开始，按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。

下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；

同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。

夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。

上升到顶时，碰到上位开关，上升电磁阀断电，上升停止；

同时接通右移电磁阀，机械手右移。

右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。

若此时右工作台上无工作，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。

同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。

放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。

上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；

同时接通左移电磁阀，机械手左移。

左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。

至此，机械手经过八步动作完成一个周期。

　　机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。

自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。

　　手动操作　　手动操作：

就是用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制。

例如，当选择上/下运动时，按下启动按钮，机械上升；

按下停止按钮，机械手下降。

当选择左右运动时，按下起动按钮，机械手左移；

按下停止按钮，机械手右移。

当选择夹紧/放松运动时，按下起动按钮，机械手夹紧；

按下停止按钮，机械手放松。

　　　　第12页共30页　　基于PLC的机械手控制系统毕业设计　　　　　　　　图3-2机械手动作过程　　　　　　　　　　单步操作　　单步操作：

每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止单周期操作　　单周期操作：

机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。

在工作中若按一下停止按钮，则机械手停止重新起动时，需要手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始单周期操作。

　　连续操作　　连续操作：

机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手的动作将自动的、连续不断地周期性循环。

　　第13页共30页　　基于PLC的机械手控制系统毕业设计　　　　在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。

重新起动时，须用手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始连续操作。

　　在工作中若按一下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。

　　确定所需的用户输入/输出设备及I/O点数1.　　输入设备--------用以生产输入控制信号。

本设计中应包括：

　　操作方式转换开关：

该开关应有手动、单步、单周期、连续等四个位置可供选择。

手动时运动选择开关：

该开关应有上/下，左/右，夹紧/放松等三个位置可供选择。

起动、停止及复位按钮。

　　开关及按钮在操作屏上的布置如图3-3所示。

　　位置检测元件：

机械手的运动是按行进程原则进行控制的。

其上限、下限、左限、右限的位置分别用限位开关来检测。

　　无工件检测元件：

右工作台上无工件用光电开关来检测。

各限位开关及光电开关的配置如图3-2所示。

2.　　输出设备—PLC的输出信号驱动的执行元件。

　　本设计中应包括下降电磁阀、上升电磁阀、右移电磁阀、左移电磁阀、夹紧电磁阀。

　　第14页共30页　　基于PLC的机械手控制系统毕业设计　　　　　　　　图3-3操作屏布置　　为了对机械手处于原点进行指示，还可以配置一个原点的指示灯。

各输出设备的配置如图3-2所示。

　　根据所确定的用户输入设备及输出设备，可画出PLC的I/O连接图，如图1-4所示。

图可见，PLC共需要15点输入，6点输出。

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