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PLC在机械手控制系统中的应用

摘要：

本文主要研究基于PLC的三自由度气动机械手的搬运控制，由PLC输出脉冲，控制电磁阀的方向，从而控制机械手的精确定位，限位开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过气缸的伸缩来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。

PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。

经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

关键词：

气动机械手汽缸PLC程序指令

Abstract：

Thispapermainlystudies3-dofpneumaticmanipulatorhandlingbasedonPLCcontrol,outputpulsebyPLC,thecontrolthedirectionofthesolenoidvalve,tocontroltheprecisepositioningofthemanipulator,limitswitchpositionsignaltothePLChost;Positionsignalfromthehost,closetoswitchbacktothePLCthroughthetelescopiccylindertocontrolthemanipulatorgripperzhang,soastorealizethefunctionofmanipulatoraccuratelymovement.PLChashighflexibility,whenmechanicalprocesschange,aslongasslightlyalterstheI/Opointofconnection,ortheI/Oredistribution,simplemodificationsinthecontrolprogram,supplementtheextension.Afterthepreparationofthecorrespondingcontrolprocedures,canmoreeasilyextendedtoothersimilarprocessingsituation.

Keywords：

PneumaticmanipulatorcylinderPLCPrograminstructions

1绪论１

1.1PLC国内外发展情况１

1.2研究内容及结构安排２

1.3课题研究的要求２

2系统的总体方案设计３

2.1设计要求和任务３

2.2方案设计３

3系统的硬件设计５

3.1基本结构设计５

3.1.1机械手的坐标形式及自由度５

3.1.2机械手的手爪设计５

3.1.3机械手的手臂结构设计５

3.1.4机械手的驱动方式选择５

3.1.5机械手机构设计（三维图）６

3.2可编程控制器PLC的选择７

3.3系统的硬件设计７

3.4PLC输出点配置表９

3.5三自由度气动机械手搬运接线图１０

4系统软件的设计11

4.1程序流程图11

4.2各个阶段程序梯形图11

5系统的验证和调试17

5.1设备的选取17

5.2验证和调试过程17

5.2.1初始化阶段17

5.2.2机械手单元17

5.3验证结论18

总结19

致谢20

参考文献21

1绪论

我国国家标准（GB/T12643–90）对机械手的定义：

“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。

”

机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。

专用机械手：

它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定（有时可调）程序，使用大批量的自动生产。

如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。

通用机械手：

它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。

它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。

它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。

机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。

机械手扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。

目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。

机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS），实现生产自动化。

随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。

1.1PLC国内外发展情况

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能积及高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进的工业国家中已获得广泛的应用。

这个时期可编程控制器发展的特点是大规模，高速度，高性能、产品系列化。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。

最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。

接下来在各种的企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。

目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。

可以预期，伴随着我国现代化发展的不断深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

1.2研究内容及结构安排

本文的研究内容如下：

PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。

经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

本文的结构安排如下：

第一章绪论，介绍气动技术及机械手的发展状况、机械手未来的发展趋势、本文的选题意义、研究内容及结构安排。

第二章系统总体方案设计，本章主要内容是控制系统的方案设计，首先是对整体的方案进行选择与设计，再针对各个模块进行具体的方案论证及设计。

第三章系统硬件设计，在选定各个模块的方案中，对各方案的用到的主要芯片进行简单功能介绍及应用，并且给出了本设计的PLC接线图。

第四章系统软件设计，本章主要是介绍控制系统的软件设计，给出了本次设计的主程序流程图及一些模块的子程序图。

第五章系统验证，对设计的控制系统和利用实验室装置进行实验和调试，找出问题并进行修改。

最后，对本次的研究课题的主要工作及结果做出了总结与讨论，并且指出了本次研究工作中存在的不足和发现的一些问题。

1.3课题研究的要求

（1）查阅相关资料，了解有关启动机械手设计的一些必要知识；

（2）了解各种元器件的原理及其在电路中的作用，绘制出电路原理图；

（3）复习在学校里所学的知识，并且联系实际，想好设计方案等等。

2系统的总体方案设计

2.1设计要求和任务

熟悉上料机器人控制系统的工作过程及工艺，分析该系统的控制特点和方法，确定合理的控制方案。

（1）在确定控制系统方案的基础上，选择合适的检测和执行元件；

（2）对控制系统硬件及电气原理图进行设计；

（3）熟悉相关硬件的控制方法；

（4）编写系统控制软件；

（5）进行系统控制实验研究，对系统功能进行验证。

2.2方案设计

根据设计要求，即实现用PLC控制机械手自动从旋转料库上取工件，放到下一工作单元。

可以大致将其动作分为下面的几步来进行：

（1）机械手复位到原始位置；

（2）从原始位置机械手开始下降；

（3）机械手下降到指定位置，机械手伸出；

（4）机械手伸出之后，机械手加紧；

（5）机械手夹紧之后，机械手开始上升；

（6）机械手上升到指定位置，机械手缩回；

（7）机械手顺时针旋转90度到达指定位置，机械手开始前进动作；

（8）机械手前进到指定位置，机械手开始下降；

（9）机械手下降到指定位置，机械手开始放松；

（10）机械手放开工件后，机械手开始上升；

（11）机械手上升到指定位置，机械手开始后退；

（12）机械手后退到指定位置，机械手逆时针旋转；

（13）机械手逆时针旋转90度后，到达开始时的位置，复位完成，一个工作循环完成。

主要工作流程图如图2-1所示：

图2-1工作流程图

3系统的硬件设计

3.1基本结构设计

3.1.1机械手的坐标形式及自由度

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。

由于本机械手在上下料时手臂具有水平旋转、垂直升降和水平伸缩三个运动，因此，采用直角坐标式。

相应的机械手具有三个自由度。

3.1.2机械手的手爪设计

考虑到使上料机械手所上的工件，把机械手的手部结构设计成使用夹持式手部；而且因为工件是标准形式，所以手腕部分不用另外设计。

3.1.3机械手的手臂结构设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的水平旋转、垂直升降和水平伸缩运动。

手臂的旋转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的伸缩。

手臂的各种运动由气缸来实现。

气缸也是气动系统的执行机构，包括有普通气缸、无杆气缸、导杆气缸、夹紧气缸、手爪气缸、摆动气缸、微型气缸等基本类型。

本系统中采用手爪气缸。

气缸体上工业多数情况下装有磁性开关，用以控制气缸轴的运动范围，也就是说，气缸轴到达磁性开关处停止，而不是全部伸出。

气缸的选取一个是根据应用的场合和尺寸范围，还有一个重要的参数就是力，比如夹紧气缸的夹紧力，手爪气缸的夹紧力等。

根据工件的尺寸和重量需要适合的气缸。

3.1.4机械手的驱动方式选择

本设计中机械手要求能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。

由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。

3.1.5机械手机构设计（三维图）

机械手的三维仿真图如图3-1、3-2所示：

图3-1机械手三维仿真图

图3-2机械手三维仿真图

3.2可编程控制器PLC的选择

本设计选用的是三菱FX3U—32M型PLC。

总共有16个输入点和16个输出点。

基本参数规格如表3-3所示。

表3-3三菱FX3U—32M型PLC规格

电源规格

AC电源型：

AC100V-240V50/60HzDC电源型：

DC24V

耗电量

AC电源型：

30W（16M），35W（32M）,40W（48M），45W（64M），50W（80M），65W（128M）

DC电源型：

25W（16M），30W（32M），35W（48M），40W（64M），45W（80M）

冲击电流

AC电源型：

最大30A5ms以下/AC100V，最大45A5ms以下/AC200V

24V供电电源

DC电源型：

400mA以下（16M，32M）600mA以下（48M,64M,80M，128M）

输入规格

DC24V，5～7mA（无电压触点、或者漏型输入时：

NPN开集电极晶体管输入，源型输入时：

PNP开集电极输入）

输出规格

继电器输出型：

2A/1点、8A/4点COM8A/8点COMAC250V（对应CE、UL/cUL规格时为240V）DC30V以下

晶体管输出型:

0.5A/1点、0.8A/4点1.6A/8点COMDC5V~DC30V

输入输出扩展

可连接FX2N系列用的扩展设备。

程序存储器

内置64000步RAM（电池支持）

选件：

64000步闪存存储盒[20]<带程序传送功能/没有程序传送功能>，16000步闪存存储盒

3.3系统的硬件设计

根据以上选取的硬件，三自由度机械手进行设计，三自由度气动机械手主要有四个汽缸构成，分别是旋转气缸、竖直位移的汽缸、水平位移的汽缸、手爪气缸。

为了对每个汽缸位置的限定，在相应的位置还安装了限位开关；同时，为了控制驱动机械手的气缸，还需要在相应位置安装四个电磁阀来控制气缸的开启和闭合。

最后，为了操作方便和安全，还在操作面板上设计了各种按钮和指示灯。

PLC控制气动机械手上料工作站器件分布图如图3-4所示。

图3-4PLC控制气动机械手上料工作站器件分布图

水平旋转轴、垂直升降轴和水平伸缩轴气缸两端安装磁性开关，用来检测气缸的位置。

各部件名称和作用介绍如下。

YV1：

水平旋转轴电磁阀，通过此电磁阀来控制水平旋转轴气缸旋转动作；

YV2：

垂直升降轴电磁阀，通过此电磁阀来控制垂直升降轴气缸升降动作；

YV3：

水平伸缩轴电磁阀，通过此电磁阀来控制水平伸缩轴气缸伸缩动作；

YV4：

手爪电磁阀，通过此电磁阀来控制手爪的张开和闭合；

SQ1：

磁性开关，用来检测顺时针旋转位置；

SQ2：

磁性开关，用来检测逆时针旋转位置；

SQ3：

磁性开关，用来检测垂直升级上升气缸位置；

SQ4：

磁性开关，用来检测垂直升降下降气缸位置；

SQ5：

磁性开关，用来检测水平伸缩缩回气缸位置；

SQ6：

磁性开关，用来检测水平伸缩伸出气缸位置；

ORG1：

旋转料库原点光电开关，用来确定旋转料库步进电机原点；

SEN1：

旋转料库工件检测反射光电开关，用来检测旋转料库上工件位置；

CN1a：

旋转料库接线板，连接旋转料库单元的接线和PLC的接线；

CN2a：

机械手接线板，连接机械手单元的接线盒PLC的接线。

系统的操作面板设定如图3-5所示：

图3-5操作面板图示

控制面板上的各个按钮分别为：

电源按钮1，单机/联机按钮2，急停指示灯3，报警指示灯4，启动按钮5，停止按钮6，复位按钮7，急停按钮8。

3.4PLC输出点配置表

气动机械手单元控制系统PLC部分输入输出点配置表如下表3-6所示：

表3-6气动机械手单元控制系统PLC部分输入输出点配置表

输入点

信号

说明

输入状态

OFF

M/A

单联机转换开关

有效

无效

START

启动按钮

有效

无效

STOP

停止按钮

有效

无效

RESET

复位按钮

有效

无效

CEMG

急停按钮

有效

无效

ORG1

旋转料库原点光电开关

有效

无效

SEN1

旋转料库工件检测反射光电开关

有效

无效

SQ1

气动机械手顺时针旋转磁性开关

有效

无效

X10

SQ2

气动机械手逆时针旋转磁性开关

有效

无效

X11

SQ3

气动机械手上升位置磁性开关

有效

无效

X12

SQ4

气动机械手下降位置磁性开关

有效

无效

X13

SQ5

气动机械手缩回位置磁性开关

有效

无效

X14

SQ6

气动机械手伸出位置磁性开关

有效

无效

输出点

信号

说明

输出状态

OFF

1CP

旋转料库步进电机脉冲信号（细分3200）

1DIR

旋转料库步进电机脉冲方向信号

YV4

气动机械手手爪电磁阀

Y10

START-HL

启动指示灯

有效

无效

Y11

STOP-HL

停止指示灯

有效

无效

Y12

RESET-HL

复位指示灯

有效

无效

Y13

CEMG-HL

急停指示灯

有效

无效

Y14

ALM-HL

报警指示灯

有效

无效

Y15

YV1

气动机械手旋转电磁阀

有效

无效

Y16

YV2

气动机械手垂直升降电磁阀

有效

无效

Y17

YV3

气动机械手伸缩电磁阀

有效

无效

3.5三自由度气动机械手搬运接线图

三自由度气动机械手搬运接线图如下图3-7所示：

图3-7三自由度气动机械手搬运接线图

4系统软件的设计

4.1程序流程图

PLC程序按上料系统的运行步骤分为系统准备、复位、运行、停止这四个阶段。

其中各个阶段的运行情况程序流程图如图4-1所示。

图4-1各个阶段的运行情况程序流程图

4.2各个阶段程序梯形图

（1）初始化

（2）I/O传送

（3）CEMG

（4）ALM

（5）

复位开始

（6）进行复位

（7）复位单元完成

（8）启动运行

（9）机械手下降

（10）机械手伸出

（11）手爪加紧工件

（12）机械手升起

（13）机械手缩回

（14）机械手顺时针旋转

（15）机械手伸出

（16）机械手下降

（17）机械手爪放下工件并且机械手升起

（18）机械手缩回

（19）机械手逆时针旋转，返回原点

上述程序所用到指令介绍如下表4-2所示：

表4-2所用程序指令介绍

SET

位元件置位指令

RST

位元件复位指令

ZRST

全部复位指令（将D1.到D2.之间元件进行全部复位）

（D1.）

（D2.）

5系统的验证和调试

5.1设备的选取

三自由度气动机械手一台，如图5-1所示；

图5-1三自由度气动机械手

5.2验证和调试过程

5.2.1初始化阶段

（1）关闭气泵气路开关，启动气泵到预定压力后开启气路开关；

（2）接通总控台电源开关；

（3）接通气动机械手上料单元电源开关；

（4）将“联机/单机”开关置于单机位置；

（5）将三菱PLC编程电缆连接到PLC控制气动机械手上料站控制板的PLC和计算机上；

（6）启动计算机启动编程软件入三菱PLC编程软件界面。

5.2.2机械手单元

（1）打开机械手单元的程序；

（2）将其下载到PLC中；

（3）程序下载完成后点击“确定”按钮，程序开始运行；

（4）按下“启动”按钮，气动机械手开始动作；

（5）延时1秒后，机械手垂直升降轴动作，从下降位置运动到升起位置；

（6）延时1秒后，机械手水平旋转轴动作，机械手转向下一个工位的工件放入点；

（7）经过3秒延时，机械手升出，将工件运到放入点上方；

（8）延时1秒后，机械手下降动作，机械手将工件放入指定点；

（9）此时气动手爪松开，机械手缩回原位置；

（10）延时1秒后，机械手垂直升降轴上升到初始上升位置；

（11）最后延时1秒后，机械手旋转轴回复至初始位置。

5.3验证结论

在实验过程中，三自由度气动机械手成功实现了PLC程序设定的动作，将旋转料库上的工件送到下一工作单元，完成了设计要求。

总结

经历了好多次的修改，三年的大学学习生活成绩即将在我们的毕业设计中展现出来，很激动，毕业设计算是我们交的最后一份作业了，很珍惜这次机会，也是对我们三年学习的一个总结吧，不辜负自己奋斗那么多年的青春。

一段时间的设计，可编程控制器和机械手的设计完毕，机械手的模型已设计完毕，其功能基本达到要求。

整个系统稳定性好，而且只要修改控制程序，就可以让机械手作出不同的动作，控制的柔性很好。

系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习与探索的过程。

在这个过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和深刻的体会，并在学习和实践过程中增长了知识、丰富了经验。

控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行于调试的过程来进行。

系统的分析和设计是一项既复杂又辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程，在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力直到问题得到解决。

在设计中，体会到理论必须和实际相结合。

虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多差异，出现了许多意想不到的问题。

许多问题都是书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出达到要求的系统。

致谢

在即将完成论文之际，我要特别感谢张愉老师无私的帮助，她对待学术一丝不苟的态度深深的感染了我，对待工作认真负责。

在帮助我完成论文的时候，每当我们遇到问题时，她都热情的一一给我们解答，严谨的治学态度深深的影响着我们，不仅使我的知识面拓宽，概念理解更为深入透彻，而且还学到了许多做人的道理。

从选题以来，导师的为人师表、渊博的知识、宽广的胸怀让终生受益；在此，谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！

感谢苏州市职业大学给予我三年的教育和培养，感谢全体老师在三年里给予的关爱和帮助，同时也要感谢我的舍友，每次写论文遇到瓶颈的时候，总是他们给了我启示，让我能够顺利的完成下去。

现在，论文即将大功告成，心情很激动，也很忐忑，但是我相信在那么多同学老师还有自己的不懈努力下，会取得不错的成绩的。

最后感谢各位评委和答辩老师在百忙之中抽出时间来亲自检阅我的毕业设计

参考文献

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