机械手臂搬运加工流程PLC设计.docx
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机械手臂搬运加工流程PLC设计
第1章机械手臂搬运加工流程控制工艺流程分析
1.1机械手臂搬运加工流程控制过程描述
如图1-1所示，有两部机械装置对工作物进行加工，对象由输送带A送到加工位置，然后再由机械手臂将加工物送至工作台1地位置进行第一步骤加工。
当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，最后由7段数码管显示加工完成地数量。
图1-1机械手臂搬运加工流程控制过程示意图
1.2机械手臂搬运加工流程控制工艺分析
机械手能模仿人手和臂地某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具地自动操作装置。
它可代替人地繁重劳动以实现生产地机械化和自动化，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、轻工和原子能等部门。
目前机械手地主要发展经历可以分为三代：
第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进地方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想地能力。
研究安装各种传感器，把接收到地信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中地任务。
它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS和柔性制造单元FMC中重要地环节。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件（或工具）地部件，根据被抓持物件地形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定地动作，改变被抓持物件地位置和姿势。
运动机构地升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手地自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位地物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计地关键参数。
机械手地运动机构主要包括由两个电磁阀控制地液压钢来实现机械手地上升下降运动及夹紧工件地动作，两个转速不同地电动机分别通过两线圈控制电动机地正反转，从而实现小车地快进、慢进、快退、慢退地运动运动；其动作转换靠设置在各个不同部位地行程开关产生地通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同地信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同地动作，可实现机械手地精确定位；其动作过程包括：
下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：
回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中地各种操作要求。
本次设计使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站地极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等待机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。
当第二加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完成地数次。
动作示意图如图1-2所示。
图1-2机械手控制动作示意图
第2章机械手臂搬运加工流程控制系统总体方案设计
2.1机械手臂搬运加工流程控制系统硬件组成
本设计中采用地机械手，水平（X）轴、垂直（Y）轴采用步进电机控制，底盘地旋转采用直流电机控制，抓取物体地电磁阀采用气动形式。
步进电机地控制，由对应地步进电机驱动器电路完成。
完成本设计需要地实验设备有：
1）机械手模型2）计算机3）导线4）气泵5）晶体管输出型可编程控制器
机械手地控制面板分以下几个模块：
1.步进电机驱动及步进电机
驱动器电流设定为0.63A，细分设定为8细分，将24V电源接入驱动器，此时驱动器地电源指示灯应点亮；将24V与OPTO端（驱动器使能端）连接起来；PUL端是脉冲输入端；DIR是方向控制输入端。
2.直流电机本设计用地气夹电机和底座电机均是24V直流电机，PLC控制两个直流继电器地吸合来控制电机地正转和反转。
3.旋转编码盘
在本设计模型地底座上有一个旋转编码盘，在底座旋转时，在此产生一个VP-P为24V地方波信号，可以提供给PLC地高速计数器，用于机械手地定位控制。
4.接近开关
在本设计模型中底座和气夹地限位通过4个电感式接近开关来完成。
接近开关与触头接近时接近指示灯点亮、输出低电平，否则为高电平。
5.行程开关
在本设计模型中两个滚珠丝杆地限位通过4个滚轴式行程开关来完成。
当行程开关压下时，常开触点闭合，给PLC一个控制信号。
2.2机械手臂搬运加工流程控制方法分析
本次地设计使用地是THWJX-1型机械手实物教学实验装置。
本装置需采用晶体管输出型可编程控制器，可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进电机运行。
由于机械手系统地输入/输出点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，该机械手地控制为纯开关量控制，且I/O点数不多，考虑留有一定地裕量，故选用日本三菱公司生产地多功能小型FX1N-24MT-D主机。
2.3机械手臂搬运加工流程控制系统地I/O分配
根据机械手动作地要求及机械手实物教学实验装置说明指导，输入、输出点分配情况如表2-1所示。
表2-1PLC地I/O分配表
名称
输入
名称
输出
气夹正转限位
X0
驱动器一PUL
Y0
气夹反转限位
X1
驱动器二PUL
Y1
基座正转限位
X2
驱动器一DIR
Y2
基座反转限位
X3
驱动器二DIR
Y3
旋转脉冲
X4
气夹正转
Y4
X轴前限位
X5
气夹反转
Y5
X轴后限位
X6
基座反转
Y6
Y轴上限位
X7
基座正转
Y7
Y轴下限位
X10
气夹电磁阀YV+
Y10
启动按钮
X11
复位按钮
X12
2.4机械手臂搬运加工流程控制系统接线图设计
本模型地接线设计如图2-1所示如下。
图2-1PLC控制系统接线图
第3章机械手臂搬运加工流程控制系统梯形图程序设计
3.1机械手臂搬运加工流程控制程序流程图设计
见附录1。
3.2机械手臂搬运加工流程控制程序梯形图设计
见附录2。
第4章机械手臂搬运加工流程控制监控系统设计
4.1PLC与上位监控软件通讯
机械手地全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。
步进电机地运动需要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电机走一步；改变电机转向时，需要加方向信号。
机械手地上升/下降、前伸/后缩动作就是通过控制这两个步进电机地正反转来实现地。
基座正转/反转和气夹正转/反转是通过两个继电器地吸合与断开来控制直流电机地转动方向来实现地。
机械手地放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。
当该线圈通电时，机械手放松；该线圈断电时，机械手夹紧。
4.2上位监控系统组态设计
根据控制和生产工艺地要求，控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步进、回原位操作，自动控制包括单步、单周期、连续地操作。
故操作方式选择开关设置有五个档位。
手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、快进、慢进、快退、慢退和复位，故设置六个动作看官按钮。
各个动作进行地同时均设有动作指示灯。
另外设有启动停止按钮。
其操作面板如图4-1所示。
图4-1机械手操作面板示意图
4.3实现地效果
打开电源，按下起动按钮时，开机复位。
机械手若不在原点则PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。
当后缩到位时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。
上升到底时碰到上限位开关，上升停止，回到原点。
主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。
降到底时碰到下限位开关，下降停止，气夹电磁阀断电，机械手夹紧。
夹紧后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。
上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。
PLC向驱动器一只输入脉冲信号，步进电机一正转，机械手前伸，前伸到位时，碰到前限位开关前伸停止。
主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。
降到底时碰到下限位开关下降停止，同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。
放松后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。
上升到顶时，碰到上限位开关上升停止。
上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。
PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。
机械手后缩，当后缩到底时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。
下降到底时碰到下限位开关，下降停止，回到原点。
至此，机械手经过八步动作完成一个循环。
第5章机械手臂搬运加工流程控制监控系统调试及结果分析
5.1机械手臂搬运加工流程控制系统调试及解决地问题
1.编程指令地选择
我们设计了三个方案
方案一：
使用起保停电路地编程方式。
用辅助继电器代表步，仅仅使用与触电和线圈有关地指令。
编出程序规范，具有易于阅读和容易查错地优点，但因为存在大量地自保持触点，使程序代码较长。
方案二：
采用以转换为中心地编程方式。
这种编程方式与转换实现地基本规则之间有着严格地对应关系，用它编制复杂地顺序功能图地梯形图时，会有很大帮助。
方案三：
采用STL指令地编程方式。
STL指令（步进梯形指令）是三菱厂家设计地专门用于顺序控制地指令，使用该指令可以使编制顺序控制程序更加方便，而且易于调试和维护，且代码较短。
2.接地点地选择
完善接地系统接地地目地通常有两个，其一为了安全，其二是10为了抑制干扰。
完善地接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰地重要措施之一。
系统接地方式有：
浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。
对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。
5.2结果分析
经过论证和老师讲解，本设计采用地编程方式选用方案三。
良好地接地是保证PLC可靠工作地重要条件，可以避免偶然发生地电压冲击危害。
所以最后我们给PLC接上了专用接地线。
搬运机械手采用PLC控制，体积小，重量轻，控制方式灵活，可靠性高，操作简单，维修容易。
使用该机械手代替人工搬运工件，既安全，又准确，提高了劳动生产率，保证了工件地质量，降低了工人地劳动强度，具有较好地经济效益和社会效益。
可编程控制器PLC以其丰富地I/O接口模块、高可靠性,在机械手地控制系统地设计中起到了十分重要地作用。
课程设计心得
这次地课程设计让我学会了很多，在老师和同学地指导学习下，终于完成了这一份课程设计。
本来以为自己对可编程序控制器原理地知识掌握地还比较好，但是到做课程设计地时候才发现自己存在着诸多不足，其中就有很多基础知识都不是很完善，很多知识都掌握地不是很扎实。
课程设计是一个理论与实际结合地过程。
仅仅有理论是不够地，更重要地是实际地，是我们所设计地实物，具有设计合理，经济实用地优点。
这就需要我们设计者考虑问题是要仔细、周密，不能有丝毫地大意。
对设计方案地优越化，也需要我们综合各方面地因素考虑，尤其是实际。
设计地同时也加强了我和老师地交流，认识到知识地渊博度。
再次向教育指导我地老师及同学表示诚挚地感谢！
我很兴奋，因为整个过程都是我们自己去设计地。
设计过程中，通过针对性地查找资料，了解有关电子方面地资料，既增长了自己地知识面，补充最新地专业知识，又提高了自己地应用能力和实践能力。
对学过地课本理论知识起到了很好地温习作用。
机械手臂搬运加工采用PLC为控制核心结构合理、测试方法可靠，它具有较强地灵活性，提高了设备运行地可靠性。
通过对机械手臂搬运加工PLC控制系统设计地设计，让我很好地运用了PLC地知识，对课本地知识进一步地消化和巩固。
这次课程设计终于顺利完成了，这个设计让我获益良多，只要用心去学习，不怕困难，不管多么艰难，我们都能取得成功。
鉴于学生所学知识有限，经验不足，又是初次研究这种复杂地实验，在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请老师给予批评和指正。
参考文献
[1]王炳实.机床电气控制[M].北京:
机械工业出版社,2004.
[2]曹才开.一种工业机械手地PLC控制[Z].北京:
微计算机信息,2006.
[3]王丽伟.机械手地PLC控制[Z].武汉:
机床电器,2006.
附录
附录1程序流程图
接通Y3、Y1，下降
附录2程序梯形图
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