基于西门子PLC的四站流水线机械手自动化控制系统设计.docx
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基于西门子PLC的四站流水线机械手自动化控制系统设计
摘要
机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。
它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。
可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，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
而PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，由于其控制方便，能够承受恶劣的环境，因此，在工业上优于单片机的控制。
PLC将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体,专门为工业控制而设计,具有功能强、通用灵活、可靠性高、环境适应性强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点,因此在工业上的应用越来越广泛。
纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。
采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。
对机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。
在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动等功能。
最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。
1.设计思路
机械手的总体结构原理，机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及传感器等组成的。
在PLC程序控制条件下，采用气压驱动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。
同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时要对机械手进行监视，当动作有错误时或发生故障时立即发出报警信号。
检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使机构，以一定的精确度达到设定小车位置。
机械手传送单元实际模型
1-机械手装置；2-旋转传输装置；3-输送小车；4-手动操作盘；5-直流电源；6—电机驱动板板；7-信号转换8-空气开关
2.机械手的系统工作原理图：
3.
（1）执行机构：
转盘：
货物送到指定位置
夹手：
即与物体接触的地方
升降臂：
连接夹手与推拉臂，将物体进行升降
推拉臂：
将夹手拉回与推出
立柱：
机械手的基本部位，负责机械手的旋转
小车：
用来对货物的存放与运送
（2）驱动系统
机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。
常用的有气压传动、升降和机械传动等四种形式。
（3）控制系统
有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。
它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手规定的程序运动，并记忆人们给与机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
（4）位置检测装置
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。
4.本机械手传送单元的工作原理：
机械手传送单元的工作原理：
当将手操盘上“手动/自动”切换开关从手动切换到自动，机械手传送单元转盘、小车、机械手自动复位，（需说明转盘上有四个承料块的托盘，一开始当托盘到达转盘定位位置时定位光电传感器响应，转盘停止运行，机械手正转到位以后停止，小车返回到初始状态停止）.
（1）物料侦判传感器检测接收料块托盘上的状态，若接收料块托盘上无料块则转盘停止运行直到物料侦判传感器侦查到物料后转盘停止一段时间；接着转盘反方向转动90度，并对定位光电传感器计数1次，当物料侦判传感器再次侦查到物料时，转盘再次停止一段时间，接着转盘再次反方向转动90度，并再次对定位光电传感器计数，当计数器计数为2次时，则计数满了，转盘停止运行一段时间，
（2）以计数器C1的指令作为推出机械臂的启动信号，机械臂推出到位时使机械臂下降，机械臂下降到位后使手指抓紧料块手指抓紧料块后使机械臂上升、机械臂收缩、机械手反转同时运行，由于机械臂的伸缩汽缸及升降汽缸各使用了一个磁开关来定位即机械臂伸出时受磁开关来定位，机械臂伸缩及下降时受磁开关来定位。
但机械臂缩回和上升却没有磁开关来定位，故需借用编程软元件来实现定位，确保机械臂上升的同时使机械臂缩回，机械臂缩回的同时使机械手反转；
（3）机械手反转到位后，反转传感器使机械臂推出，机械臂推出到位后使机械臂下降，机械臂下降到位后则松开手指把料块放在小车上，手指松开后，物体落入小车中，以手指的夹紧松开（取下降沿）为计数器的计数，（计数器为C3）计数一次（只有C3计数4次以后小车才会送出）
（4）机械臂再次上升、收缩，正转，回复原来的位置以后，机械臂运行的计数两次切换为计数一次，即转盘反方向转一次，步骤从
（2）循环到（4）3次.
（5）计数器C3计数3次，由于这时物料侦判传感器上无料了，为了让其再次行动，添加了一个计数器C4以手指的夹紧松开（取上升沿）为计数器的计数，只有计数3次以后才能让无料的物料侦判传感器反方向转动90度，然后继续
（2）到（3）动作，小车才会送出
5.程序流程图：
机械手原理图（详细）
机械手接线图（详细）
L30运行指示灯
CK30切换A
CK31切换M
K30转盘正转
K31转盘反转
K32机械手正转
K33机械手反转
6.PLC控制系统设计
根据本机械手传送单元的工作原理及其控制要求设计出了以PLC为控制单元的机械手传送单元。
PLC的I/O分配
输入信号表
接线编号
接线位置
线路名称
传感器名称
DDI13
1
I2.0
S30-S
转盘定位传感器
DDI12
2
I2.1
S31-S
转盘有料传感器
DDI14
3
II2.2
S32-S
机械手顺旋传感器
DDI15
4
I2.3
S33-S
机械手逆旋传感器
DDI16
5
I2.4
S34-S
机械臂推出传感器
DDI17
6
I2.5
S35-S
机械臂压下传感器
DDI126
7
I2.6
S36-S
小车返回传感器
DDI27
8
I2.7
S37-S
小车送出传感器
9
A/N
启用PLC的程序信号
输出信号表
接线编号
接线位置
信号名称
线路名称
驱动设备名称
2DD012
1
Q2.1
AD30
转盘正转拖动电机
2DD014
3
Q2.3
AD32
机械手正转电机
2DD015
4
Q2.4
AD33
机械手反转电机
1DD00
5
Q2.5
AD34
机械臂推拉气缸
1DD01
6
Q2.6
AD35
机械臂升降气缸
1DD02
7
Q2.7
AD36
手指
iDD09
8
Q3.0
AD37
小车（送出）
iDD010
9
Q3.1
AD38
小车（退回）
2DD013
2
Q2.2
AD31
转盘反转拖动电机
7.机械手相关参数介绍
机械手的自由度
每一个构件（即运动件）相对固定坐标系所具有的独立运动称为自由度。
本机械手有六个自由度（手臂的三个自由度）即手臂的伸缩、左右回转和升降运动,手指的夹放动作不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数。
本机械手传送单元的传感器信号与负载驱动
1.传感器信号类型:
（1）本设备所选用各
类传感器的供电源均为24VDC;输出驱动电路均为NPN型集电极开路形式;结构原理如图所示;
（2）设备中气缸定位所使用的磁开关结构及使用原理如图所示
注意:
设备信号输出端均为灌电流驱动电路,严禁直接接入24V+!
2.信号的传输与使用
信号直接输出,不敷出与PLC输入端口相接;电平关系如图所示;
3.负载的驱动
模型装置上共有两类设备（负载）;继电器和电磁阀,工作时由PLC输出口直接驱动;电平关系如图所示;
机械手接线图（详细）
L30运行指示灯
CK30切换A
CK31切换M
K30转盘正转
K31转盘反转
K32机械手正转
K33机械手反转
K34推拉手
K35升降手
K36手指张合
K37小车出
K38小车回
PLCI\O分配点接线图
B-0板
4.PLC输入模块板
1代表转盘定位传感器S30-S
2代表物料传感器S31-S
3代表机械手正转限位S32-S
4代表机械手反转限位S33-S
5代表机械手推出限位S34-S
6代表机械手下降限位S35-S
7小车返回限位S36-S
8小车送出限位S37-S
9代表自动手动换挡
开关电源
PLC24V电源
开关电源
PLC24V电源
开关电源
PLC24V电源
开关电源
PLC24V电源
开关电源
PLC24V电源
BN板
PLC手动输入模块
1代表机械手推出开关
2代表机械手下降开关
3代表机械手夹紧开关
开关电源
PLC24V电源
PLC继电器模块板
DB-0板
24V+为开关电源
24-为PLC电源
DB-1板
DB-2板
PLC输出模块板
1代表转盘正转AD30
2代表转盘反转AD31
3代表机械手正转AD32
4代表机械手反转AD33
5代表机械手推出AD34
6代表机械手下降AD35
7代表机械手夹紧AD36
8代表小车返回AD37
9代表小车送出AD38
BI板
开关电源
开关电源
开关电源
开关电源
开关电源
7.硬件调试
调整好转盘、传感器、机械手、小车等高度与位置。
使其机械手推出与降下夹手时正好能在转盘中夹取到货物与能将货物放入小车中。
8.软件调试
将所编写的梯形图程序进行编译，通过上下位机的连接电缆把程序下载到PLC中。
刚编好的程序难免有这样那样的缺陷或错误。
为了及时发现和消除程序中的错误，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常和异常情况时都能做正确的响应，需要进行离线测试，既不将PLC的输出接到设备上。
按照控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，若输出不符合要求，则查找原因，并排除之。
9.整体调试
将设备接入PLC，进行联机调试，看是否满足要求，如果不满足要求，可通过综合调整软件和硬件系统，直到满足要求为止。
结论：
纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。
采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。
对机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。
在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动等功能。
最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。
通过本次对机械手传送单元的设计，我比较清楚地了解了机械手传送单元的工作原理，同时也学到了要了解一件事情，必须去深入了解它的特性，要不然就会迷惑不解，在设计机械手传送单元之前，我们纠结于现有的理论知识，没去了解这些涉及了如PLC、传感器、位置控制、电、气传动等技术的知识和去实际观察，导致我们的进度很慢，后来经过老师和师兄的点醒，才知道要做好一件事情，必须要查资料和询问有经验的人，还有实际操作和观察，才能成功.
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