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搬运机械手的PLC控制系统设计论文

搬运机器手的PLC控制系统设计

摘要

随着产业自动化的普及和生长，控制器的需求量逐年增大，搬运机器手的应用也逐渐普及。

其主要在汽车，电子，机器加工、食品、医药等领域的生产流水线或货品装卸调运,可以更好地节约能源和提高运输设备或产物的效率，以低落其他搬运方法的限制和不敷，满足现代经济生长的要求。

首先研究机器手组成结构、事情原理和控制要求。

机器手主要由两个步进电机来实现机器手的左移右移和上升下降运动，一个交换电动机控制搬运机器手的正反转运动。

搬运机器手的行动转换主要由设置在各个差别部位的行程开关产生的通断信号传输到PLC中进行控制，从而实现本机器手的精确定位。

其行动历程包罗：

下降、夹紧、上升、正转、右移、下降、放松、上升、左移、逆转；其操纵方法包罗：

回原点、手动、单周期、连续四种方法来满足生产中的种种操纵要求。

其次确定了机器手运动形式，设计了机器手主要的组成机构，对搬运机器手运动控制进行了总体方案设计。

提出了机器手的PLC控制系统，并选取了符合的PLC、扩展模块型号，绘制了搬运机器手输入输出接线图、电气接线图。

凭据机器手的事情流程制定了可编步伐控制器的控制方案，设计了机器手事情时的梯形图,在实验室进行了步伐的调试、运行。

要害词：

搬运机器手，可编程逻辑控制器，步进电机

HandlingManipulator'sPLCControlSystemDesign

ABSTRACT

Withthepopularizationanddevelopmentofindustrialautomation,thecontrollerdemandisincreasingyearbyyear,andthehandlingrobotapplicationsarebecomingmorecommon.Itsmainintheautomotive,electronics,machining,food,medicineandotherareasofproductionlinesorcargotransported,canbebettertosaveenergyandtoimprovetheefficiencyofthetransportequipmentorproducts,inordertoreducethelimitationsandshortcomingsoftheotherhandlingmethods,meetmoderntherequirementsofeconomicdevelopment.

First,westudytherobotstructure,workingprincipleandcontrolrequirements.Manipulatorbytwosteppermotorstotherobot'sleftrightandupanddownmovement,anACmotorcontrolhandlingrobotreversingmovement.HandlingrobotactionconversionsetindifferentpartsofthetripswitchoffsignalstransmittedtothePLCcontrol,inordertoachievetheprecisepositioningoftherobot.Itscourseofaction,including:

drop,clamping,rise,turning,movesright,drop,relax,rise,movesleft,reverse;itsmodeofoperationincluding:

homing,manual,singlecycle,continuousfourwaystomeettheproductionavarietyofoperatingrequirements.Second,determinetheformofmovementoftherobot,designtherobotmainconstituentbodies,anddesignthehandlingrobotmotioncontroloftheoverallprogram.PutforwardthemanipulatorofPLCcontrolsystem,andselecttheappropriatePLCexpansionmodulemodel,drawahandlingrobotinputandoutputwiringdiagram,electricalwiringdiagram.

Basedontheworkflowoftherobotcontrolprogramoftheprogrammablelogiccontroller,wedesignarobotworkladder,anddebugruninthelaboratory.

Keywords：

Handlingmanipulator,programmablelogiccontroller,steppermotor

第一章绪论

机器手臂（roboticarm）是具有模仿人类手臂功效并可完成种种作业的自动控制设备，这种呆板人系统有多枢纽连结并节允许在平面或三度空间进行运动或使用线性位移移动。

结构上由机器主体、控制器、伺服机构和感到器所组成，并由程式凭据作业需求设定其一定的指定行动。

呆板人的运作由电动机驱动移动一只手臂，张开或封闭一个夹子的行动，并精确的回馈至可编程逻辑的控制器（PLC）。

这种自动装置机器以完成“腕部以及手部”的行动为主要素求，可以由熟练的操纵者将作业顺序输入后，就能依样照作并且重复完成无数次的的正确纪律运作。

在产业生产和其他领域内，由于事情的需要，人们经常受到高温.腐化及有毒气体等因素的危害，增加了事情人员的劳动强度，甚至威胁到康健和生命宁静。

由于以上问题，人们需要一种可以替代人类在恶劣的情况中进行作业的装置，同时随着社会的进步，产业自动化产物的性能日益提高，而电子元器件也因技能的迅速生长而大幅减低，因此机器手这种装置便应运而生了，它可以在一定水平上替代人员在恶劣情况中事情，不光减轻了工人的劳动强度，还大大提高了劳动生产率。

自从呆板手臂技能开始生长，在1980年代呆板手臂已乐成的应用于汽车制造业等财产，在机器人技能领域是应用范畴最遍及的自动化机器装置，而许多产业危险之组装、喷漆、焊接、高温铸锻等沉重事情，皆能以呆板手臂取代人事情业。

[4]目前机器手臂在呆板人技能领域中得到最遍及实际应用的自动化机器装置，除了主要用于产业制造上，商业农业、医疗救援、娱乐办事、军事安保甚至在太空探索等领域都可以发明其应用装置。

机器手是在第二次世界大战期间生长起来的，始于40年代的美国橡树领国度实验室的搬运核原料的遥控机器手的研究，它是一种主从性的控制系统。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机器手。

它的结构是：

机体上安装一个回转长机器臂，在其端部装有电磁铁的工件抓防机构，控制系统是示教型的；1962年美国联合控制公司在上述方案的底子上，又试制成一台数控式再现型机器手。

运动系统模仿坦克炮塔，机器臂可以回转俯仰伸缩，有液压驱动；控制系统用磁鼓做存储装置。

许多球面坐标机器手就是在各底子上生长起来的。

第一台专门应用于财产生产使用的机器手臂则是由具有“机器手臂之父”之称的约瑟夫·恩格伯格（JosephF.Engelberger）所发明的。

他创建了Unimation有限公司，在1956年利用乔治·迪沃尔（GeorgeDevol）所授权的专利技能，研发出第一台产业用机器手臂，名为“Unimate”。

而这台机器手臂第一次应用则是在美国通用汽车的新新泽西州厂的压铸作业上。

其实在这个时期世界各国的机器手臂也正在萌芽生长阶段，例如日本不二输送机产业株式会社（FujiYusokiKogyoCo.Ltd.）就在1963年制造出专门使用在栈板装载（Palletizing）的机器手臂，研发出针对栈板专用的搬运东西，此时已经从简朴重复的加工行动更扩大到减轻人力包袱的搬运机器上。

这个时期所研发出来的机器手臂多为3个枢纽轴，并且直到目前为止依然被财产界遍及应用，尤其对付简朴的加工、夹持与搬运，成为自动化生产制造必备的好同伴。

然而随着加工方法的多元与庞大化，机器手臂也开始朝着更多枢纽轴的技能生长，在1973年德国库卡呆板人团体（KUKARobotGroup）就研发出第一台接纳机电驱动的6轴机器手臂。

今后开始随着驱动与控制技能的不停进步，财产用机器手臂也从单点加工，生长到多点同时加工、搬运，这对付生产线的自动化，乃至于整厂自动化的影响都非常大。

德国普曼公司专门生产机器手联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机器手，主要用于起重运输焊接和设备上下料作业；联邦德国K公司还生产了一种点焊机器手，接纳枢纽式结构和步伐控制；日本是产业呆板人生长最快应用最多的国度，自1969年从美国引进两种典范机器手后开始鼎力大举从事机器手的研究，目前已成为世界上机器手应用最多的国度之一。

前苏联自60年代开始应用生长机器手，主要用于机器化自动化步伐较低的沉重及有害康健的帮助性事情。

我国产业机器手的研究开始于20世纪70年代。

1972年我国第一台机器手开发与上海，随后我国开始全面研究和应用机器手。

自第七个五年筹划开始，我国已经研究开发了一系列的产业呆板人，例如有由北京机器自动化研究所设计制造的喷涂机呆板人，广州机床研究所与北京机床研究所互助开发的点焊呆板人等等。

而这些呆板人的控制器是由沈阳自动化研究所开发的，同时一系列的呆板人的要害部件也被开发出来。

1.2题目研究现状概述

目前财产所使用的呆板人大多以机器手臂的型式为主，机器手臂又以种种形状与巨细而有所差别，常见的型式有线性手臂、SCARA手臂、枢纽多轴机器手臂等。

从枢纽结构上，可分为三轴（含）以下（简称三轴）与四轴（含）以上（简称多轴）两大类。

之所以要进行分类，是因为这两方面使用的市场、厂商并不辩论。

虽然在应用上的原理类似但是两者的技能并不相同，也因为使用者的需求差别自然在功效区隔上就会非常明显。

机器手部会凭据事情种类附加各式的夹持或加工东西，设计上是模仿人类手部性能为主。

从机器手臂行走运动原理，可分为直角座标型、圆柱座标型、极座标型、枢纽型座标种类。

所谓直角座标就是移动方法与前一臂件分成90度角，盘算用X、Y、Z等作为代表座标，在各座标的长度范畴内进行事情或运动。

圆柱座标手臂包罗有三个枢纽，主要的结构是围绕基底主体作轴承旋转执行行动，其上方有两个可直线滑动的手臂沿着水平偏向运动和仰俯角垂直偏向运动控制，另外一各所能涵盖的体积为一圆柱型旋转，所以手臂的端点能扫过两个圆柱间所有点。

极座标有一手臂由另两个旋转轴所支撑，一个是围绕着基座转动，能做线性运动的收入伸出，另一个是由基座绕垂直做出垂直线性的转动。

枢纽型旋转座标上有三个以上的转动轴，其中一个连杆是装在基座上能绕基座旋转，另两个连杆的运动型态就如同铰链间两工件能做相对的转动，其转动轴在水平和垂直都有。

机器手臂在财产自动化的应用已经相当遍及，因为各个国度财产漫衍的差别，以及各财产对付机器手臂的需求量也有差别。

主要是使用于人工无法进行大概会泯灭较多时间来做的事情，机器手臂在精度与耐用性上可以淘汰许人为的不可预知问题。

自从第一台财产用呆板人发明以来，机器手臂的应用也从原本的汽车产业、模具制造、电子制程等相关财产，更拓展到农业、医疗、办事业…等等。

多轴机器手臂研发方面，多轴式机器手臂遍及应用于汽车制造商、汽车零组件与电子相关财产。

机器手臂可以提升产物技能与品质，而这些初期事情大多可以借由机器手臂来完成。

机器手臂的精准、零误差，对付产物的品质掌握自然拥有其优势，淘汰品管所耗费的时间与人力。

产业应用上，以装配、加工、熔接、切削、加压、货品搬运、检测…等，全球目前财产使用量是以汽车、汽车零组件、化工、橡胶和塑料等最大。

现在，ROBOT的应用已越来越多元化，依据国际呆板人协会（IFR）的统计，至2007年底机器手臂除了产业以外，最多应用于救援、保全与野地（田野、牧场等），近年来，各先进国度为了提升台呆板人的技能水平，都市推广呆板人财产与创建相关联盟，并且特别针对产业以外的领域进行推广，例如：

医疗、办事、生活方面…等。

以医疗为例，有许多大型医学中心使用以手动操控方法之机器手臂，结合显微影像显示系统所结合的手术型呆板人。

机器手臂的研发也朝向节省人力、淘汰人类袒露在危险的事情情况、甚至进行越发精密的事情或是帮助操纵。

机器手臂的技能生长都是为了让人类在事情与生活中越发便利。

但是机器手通常事情在恶劣情况下，所以需要它具有极为耐用可靠的性能。

而PLC因其可靠性高而PLC以其可靠性高、抗滋扰能力强，统组成简朴、通用性强，编程简朴、使用、维护方便，组合方便、功效强、应用广，体积小、重量轻、功耗低等优点被遍及应用于控制庞大行动的场合，好比用于我们的机器手控制。

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），一种具有微处置惩罚机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。

可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单位、电源模组、数字模拟等单位所模组化组合成。

遍及应用于目前的产业控制领域。

在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才气组成具有相同功效的自动化系统，而现在，经过编程的简朴的可编程逻辑控制器模块根本上已经取代了这些大型装置。

可编程逻辑控制器的系统步伐一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以凭据自己的需要自行编辑相应的用户步伐来满足差别的自动化生产要求。

最初的可编程逻辑控制器只有电路逻辑控制的功效，所以被命名为可编程逻辑控制器，厥后随着不停的生长，这些当初功效简朴的盘算机模块已经有了包罗逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功效，名称也改为可编程控制器（ProgrammableController），但是由于它的简写也是PC与小我私家电脑（PersonalComputer）的简写相辩论，也由于多年来的使用习惯，人们照旧经常使用可编程逻辑控制器这一称谓，并在术语中仍沿用PLC这一缩写。

现在产业上使用可编程逻辑控制器已经相当靠近于一台轻巧型电脑所组成，甚至已经出现整合小我私家电脑（接纳嵌入式操纵系统）与PLC架构的PC-BASE控制器，能透过数字或模拟输入/输出模组控制呆板设备、制造处置惩罚流程、及其它控制模组的电子系统。

PLC可吸收（输入）及发送（输出）多种型态的电气或电子信号，并使用他们来控制或监视险些所有种类的机器与电气系统。

PLC综合了盘算机、半导体、自动控制、通信网络等各方技能，以微处置惩罚器为底子创建生长而来的一种产业通用的自动控制装置，并以其显著的优势活泼在冶金、交通、电力、化工等领域，成为了现代产业不可或缺的重要组成部门。

国际电工委员会（IEC）在其尺度中将PLC界说为:

“可编程逻辑控制器是一种数字运算操纵的电子系统，专为在产业情况应用而设计的。

它接纳一类可编程的存储器，用于其内部存储步伐，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操纵等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制种种类型的机器或生产历程。

可编程逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与产业控制系统联成一个整体，易于扩充其功效的原则设计。

”

美国通用汽车公司在1968年提出了著名的“通用十条”招标指标，也是目前PLC的特点：

1.编程方便，现场可修改步伐；

2.维修方便，接纳模块化结构；

3.可靠性高于继电器控制装置；

4.体积小于继电器控制装置；

5.数据可直接送入盘算机；

6.本钱可与继电器控制装置竞争；

7.输入可以是交换115V；

8.输出为交换115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，打仗器等；

9.在扩展时，原系统只要很小变动；

10.用户步伐存储器容量能扩展。

可编程控制器的兴起与美国现代产业自动化生产生长的要求密不可分的。

PLC源起于1960年代，其时美国通用汽车公司，为解决工场生产线调解时，继电器顺序控制系统之电路修改耗时，平时检验与维护不易等问题。

在可编程逻辑控制器出现之前，汽车制造业中的一般控制、顺序控制以及宁静互锁逻辑控制必须完全依靠众多的继电器、定时器以及专门的闭回路控制器来实现。

它们体积庞大、有着严重的噪音，不光每年的维护事情要泯灭大量的人力物力，并且继电器-打仗器系统的排线检验等事情对维护人员的熟练度也有着很高的要求。

针对这些问题，美国通用汽车公司在1968年向社会公然招标，要求设计一种新的系统来替换继电器系统，并提出了著名的“通用十条”招标指标。

随后，美国数字设备公司（DEC）凭据这一设想，于1969年研制乐成了第一台PDP-14控制器，并在汽车自动装配线上使用并得到乐成。

由于其时系统主要用于顺序控制、职能进行逻辑运算，所以被命名为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。

最早期的PLC只具有浅易之逻辑开/关（on/off）功效，但比起传统继电器之控制方法，已具有容易修改、安装、诊断与不占空间等优点。

1970年代初期，PLC引进微处置惩罚机技能，使得PLC具有算术运算功效与多比特之数字信号输出/输入功效，并且能直接以门路图标记进行步伐之编写。

这项新技能的使用，在产业界产生了巨大的回声。

日本在1971年从美国引进了这项技能，并很快研制乐成了自己的DCS-8可编程逻辑控制器，德、法在1973年至1974年间也相继有了自己的该项技能。

中国则于1977年研制乐成自己的第一台可编程逻辑控制器，但是使用的微处置惩罚器焦点为MC14500。

1970年代中期，PLC功效参加远距通讯、模拟输出输入、NC伺服控制等技能。

1980年代以后更引进PLC高速通讯网络功效，同时参加一些特殊输出/输入界面、人机界面、高功效函数指令、资料收集与阐发能力等功效。

PLC的功效早已不止当初数字逻辑之运算功效，因此近年来PLC常以可编程控制器（ProgrammableController）简称之。

plc自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编步伐控制器质量优良，功效强大。

一般讲，PLC分为箱体式和模组式两种。

但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，固然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。

对模组式PLC，有CPU模组、I/O模组、内存、电源模组、底板或机架。

无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

PLC实质是一种专用于产业控制的盘算机，其硬件结构根本上与微型盘算机相同。

PLC的根本组成为如下：

a、电源：

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常事情的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

有些PLC中的电源，是与CPU模组合二为一的，有些是离开的，其主要用途是为PLC各模组的集成电路提供事情电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的事情电源。

电源如果为交换电源通常为220VAC或110VAC，若为直流电源常用的为24V。

一般交换电压颠簸在+10%（+15%）范畴内，可以不接纳其它步伐而将PLC直接连接到交换电网上去　　

b、中央处置惩罚单位（CPU）：

中央处置惩罚单位（CPU）是PLC的控制中枢是PLC的焦点。

它凭据PLC系统步伐赋予的功效吸收并存储从编程器键入的用户步伐和数据；查抄电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户步伐中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方法吸收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户步伐存储器中逐条读取用户步伐，经过命令解释后按指令的划定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户步伐执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

与小我私家电脑一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的资料、控制及状态总线组成，另有周边芯片、总线界面及有关电路。

它确定了进行控制的范围、事情速度、内存容量等。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还接纳双CPU组成冗余系统，或接纳三CPU的表决式系统。

这样，纵然某个CPU出现妨碍，整个系统仍能正常运行。

c、存储器：

内存主要用于存储步伐及资料，是PLC不可缺少的组成单位。

PLC内部会存放撰写完成编辑的步伐指令及资料，通常也可使用RAM或EEPROM等专用内存卡片方法扩充，但扩充能力得依各厂牌与型号有所差别。

存放系统软件的存储器称为系统步伐存储器。

存放应用软件的存储器称为用户步伐存储器。

d、输入输出接口电路：

1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

e、输入/输出单位：

PLC的对外功效，主要是通过种种输入/输出模组与外界联系的，按I/O点数确定模组规格及数量，I/O模组可多可少，但其最大数受CPU所能治理的根本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模组集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反应输入信号状态，输出点反应输出锁存器状态。

输入单位是用来连结撷取输入元件的信号行动并透过内部总线将资料送进内存由CPU处置惩罚驱动步伐指令部门。

PLC输入模组PLC系统的架构和输入模组产物的选择端视需要被监测的输入信号位准而定。

来自差别类型被监测的传感器与流程控制之变量信号，可以涵盖从±10mV至±10V的输入信号范畴。

输出单位是用来驱动外部负载的接口，主要原理是由CPU处置惩罚以书写在PLC里的步伐指令，判断驱动输出单位在进而控制外部负载，如指示灯、电磁打仗器、继电器、气（油）压阀等。

PLC输出模组在产业情况中用来控制制动器、气阀及马达等的PLC系统模拟输出范畴包罗±5V、±10V、0V到5V、0V到10V、4到20mA、或0到20mA等。

f、通信：

现在PLC大多具有可扩充通信网络模组的功效，简朴的PLC以BUS缆线或RS-232方法通讯连结，较高阶的PLC会接纳USB或以太网路方法做通讯连结。

它使PLC与PLC之间、PLC与小我私家电脑以及其他智慧设备之间能够互换资讯，形成一个统一的整体，实现疏散会合控制。

现在险些所有的PLC新产物都有通信网络功效，它和电脑一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范畴内互换资讯。

固然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与电脑之间的通讯，一些生产厂家接纳产业尺度总线，并向尺度通讯协定靠近，这将使差别机型的PLC之间、PLC与电脑之间可以方便地进行通讯与网络。

PLC通讯协定规格可分为RS-232、RS-422、RS-432、RS-485、IEEE1394、IEEE-488（GPIB），其中RS-432最为少见。

目前国际中最常用的通信协定为MO