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基于PLC的三自由度气动机械手搬运控制论文
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课程设计（报告）
题目：
基于PLC的三自由度气动机
械手搬运控制
摘要
机械手是一种模拟人手操作的自动机械。
它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。
目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。
把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。
而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。
因此，用气动机械手设备来满足社会生产实践需要也越来越多的受到重视，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术，从而进行机械手的研究设计是非常有意义的。
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IO点的接线稍作修改，或对IO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
第1章.绪论3
1.1气动技术及气动机械手的发展现状3
1.2机械手的未来发展趋势3
1.3选题的意义4
1.4研究内容及结构安排5
1.5课题研究的要求5
第2章.系统的总体方案设计6
2.1设计要求和任务6
2.2方案设计6
第3章.系统的硬件设计8
3.1基本结构设计8
3.1.1机械手的坐标形式与自由度8
3.1.2机械手的手爪设计8
3.1.3机械手的手臂结构设计8
3.1.4机械手的驱动方式选择8
3.1.5机械手机构设计（三维图）8
3.2可编程控制器PLC的选择9
3.3系统的硬件设计10
3.4PLC输出点配置表11
3.5三自由度气动机械手搬运接线图12
第4章系统软件设计14
4.1程序流程图14
4.2各个阶段程序梯形图14
第5章系统验证和调试20
5.1设备选取20
5.2验证和调试过程20
5.2.1初始化阶段20
5.2.2机械手单元20
5.3验证结论21
总结22
参考文献23
第1章.绪论
1.1气动技术及气动机械手的发展现状
近20年来,气动技术的应用领域迅速拓宽,尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。
电气可编程控制技术与气动技术相结合,使整个系统自动化程度更高,控制方式更灵活,性能更加可靠;气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展,对气动技术提出了更多更高的要求;微电子技术的引入,促进了电气比例伺服技术的发展,现代控制理论的发展,使气动技术从开环控制进入闭环比例伺服控制,控制精度不断提高;由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点,国内外都在大力开发研究。
机械手根据其驱动方式可分为气压传动式、液压传动式、电气传动式和机械传动式。
气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点。
应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
由于气压传动系统使用安全、可靠,可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。
而气动机械手作为机械手的一种,它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。
所以,气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工,食品和药品的包装、精密仪器和军事上。
现代汽车制造工厂的生产线,尤其是主要工艺的焊接生产线,大多采用了气动机械手。
车身在每个工序的移动;车身外壳被真空吸盘吸起和放下,在指定工位的夹紧和定位;点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊,都采用了各种特殊功能的气动机械手。
高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化,堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。
1.2机械手的未来发展趋势
国内外机械手领域发展近几年有如下几个趋势：
（1） 工业机械手性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
（2）机械结构向模块化、可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。
（3）工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
（4）机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
（5）虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。
1.3选题的意义
气动技术——这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。
目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。
另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代工业生产领域。
在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。
工业自动化技术发展至今，气动定位系统已由传统的两点可靠定位，发展到任意位置定位。
传统的气动系统只能在两个机械调定位置可靠定位，并且其运动速度只能靠单向节流阀单一调定的状态，经常无法满足许多设备的自动控制要求。
因而电—气比例和伺服控制系统，特别是定位系统得到了越来越广泛的应用。
因为采用电—气伺服定位系统可非常方便地实现多点无极定位（柔性定位）和无极调速[4]，此外利用伺服定位气缸的运动速度连续可调性以代替传统的节流阀和气缸端部缓冲方式，可以达到最佳的速度和缓冲效果，大幅度降低气缸的动作时间，缩短工序节拍，提高生产率。
原先要设计某一专用机械手时，由于无法做到气缸任意位置上的定位，因此气缸的定位是靠选择它的两个终点位置来实现的。
如选用多位气缸，他的定位长度由气缸的行程预先来确定。
如果需要增加一个停顿位置，或者要改变其中两个位置之间的距离，原来设计的多位气缸便完全失去功能，如果要求停的位置越多，那么它的滑块导向机构设计就越复杂。
也有在其外部设立固定挡块来限制位置定位的（由于受到挡块本身尺寸的限制，两个相邻的位置的距离必须大于挡块的尺寸，且挡块也经不起重载和高速冲击。
而我国由于相应的技术发展相对较晚，工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。
因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。
1.4研究内容及结构安排
本文的研究内容如下：
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IO点的接线稍作修改，或对IO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。
1.5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；
第2章.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：
第3章.系统的硬件设计
3.1基本结构设计
3.1.1机械手的坐标形式与自由度
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
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
ON
OFF
X0
MA
单联机转换开关
有效
无效
X1
START
启动按钮
有效
无效
X2
STOP
停止按钮
有效
无效
X3
RESET
复位按钮
有效
无效
X4
CEMG
急停按钮
有效
无效
X5
ORG1
旋转料库原点光电开关
有效
无效
X6
SEN1
旋转料库工件检测反射光电开关
有效
无效
X7
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
ON
OFF
Y0
1CP
旋转料库步进电机脉冲信号（细分3200）
Y4
1DIR
旋转料库步进电机脉冲方向信号
Y7
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
第4章系统软件设计
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）IO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.）
第5章系统验证和调试
5.1设备选取
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
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IO点的接线稍作修改，或对IO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。
第一章绪论当中介绍了机械手的发展现状和发展趋势，随后对PLC的发展现状和发展趋势进行了介绍，然后对所以得出本课题研究的必要性和重要性，最后对本设计的研究内容和结构安排作了简要说明。
第二章系统总体设计当中阐释了本课题研究的设计和要求，最后对本设计的工艺过程和总体设计做了简要的说明。
第三章硬件设计主要讲了机械手单元的结构设计。
其中机械手单元是根据上料要求选择了机械手的驱动方式并对其结构进行了设计。
PLC则是选择了三菱FX3U—32M型PLC。
第四章软件设计，按照搬运系统启动、复位、运行、停止这四个阶段对PLC程序进行编写。
准备阶段对单联机开关MA，停止指示灯STOP-HL，急停按钮CEMG和急停指示灯CEMG-HL，报警指示灯ALM-HL进行了设置，保证系统运行出现问题时，能及时停止并提醒警示；复位阶段主要是进行机械手的复位，让机械手回到初始位置，方便开始运作后机械手能准确并且及时的进行搬运工作；停止阶段搬运过程已经完成，机械手复位，停止指示灯亮，流程结束。
第五章系统验证和调试当中利用实际设备对设计的基于PLC的启动式机器人上料系统利用实验室装置进行实验和调试，找出问题并进行修改。
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