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机械手的PLC设计
摘要
机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。
机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。
该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。
本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动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，通过交流电机的正反转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。
本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。
关键词：
机械手PLC变频器交流电机
引言
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。
同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。
在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。
该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。
我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。
由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。
1机械手简介
1.1概述
机械手首先是由美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。
机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
1.2机械手的组成
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）的部件，根据被抓持物件的形状、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的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
1.3机械手的分类
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
1.4机械手的应用
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
另外，机械手在锻造工业中的应用不仅能进一步发展锻造设备的生产能力，而且还能改善热、累等劳动条件。
2机械手的控制方案与选择
2.1控制要求
如下图所示为某生产车间中自动化搬运机械手，用于将左工作台上的工件搬运到右工作台上。
机械手的全部动作由液压驱动。
液压泵由电磁阀控制，其上升/下降、左移/右移运动由双线圈两位电磁阀控制，即上升电磁阀得电时机械手上升，下降电磁阀得电时机械手下降。
夹紧/放松运动由单线圈两位电磁阀控制，线圈得电时机械手夹紧，断电时机械手放松。
图2.1机械手的动作示意图
为便于控制系统调试和维护，本控制系统应有手动功能和显示功能。
当手动/自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，就可实现上升、下降、左移、右移、夹紧、放松的手动控制。
当机械手处于原位时，将手动/自动转换开关置于“自动”位置时，进入自动工作状态，手动按钮无效。
2.2机械手的控制系统设计方案的比较
在工业自动化生产中常用的控制系统有：
传统的继电器—接触器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种。
但从使用性、经济性、可靠性出发，本设计选用了PLC。
因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是用于各种传感器在复杂的条件下工件的传输，主要动作是上升、下降、左移、右移、夹紧、放松和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主。
是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，特别是替代继电器控制系统，这更是它的优势。
3PLC的简介
3.1PLC的产生
1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:
软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时，原系统变更要少;用户程序存储容量可扩展到4K。
核心思想：
用程序代替硬接线，输入/输出电平可与外部装置直接相联，结构易于扩展，这是PLC的雏形。
1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功。
3.2PLC的定义和特点
3.2.1PLC的定义
美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义：
可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。
它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。
早期的可编程控制器，主要用于开关量逻辑控制，所以称为可编程逻辑控制器，简称PLC，后来随着计算机计术不断发展，其功能已不仅限于开关逻辑控制，所以被称之为可编程控制器PC，但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此，一般仍把PLC作为可编程控制器的简称。
3.2.2PLC的特点
可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工作环境，远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。
（2）编程简单，易于掌握PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。
（3）功能完善，灵活方便随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。
既可以单机使用、也可联网运行，既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。
而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。
（4）体积小、质量轻、功耗低由于采用了单片机等集成芯片，体积小、质量轻、机构经凑、功耗低。
3.3可编程控制器的主要性能指标
可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项指标。
（1）输入/输出点数（I/O）I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。
它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。
（2）存储容量存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储容量。
（3）扫描速度一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms/千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us/步。
（4）功能扩展能力可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。
如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。
（5）指令系统指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。
3.4可编程控制器的分类
通常PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。
（1）按结构形式分类按结构形式不同，可分为整体式和模块式两类。
整体式的PLC是将电源、CPU、存储器、输入/输出单元等各个功能部件集成在一个机壳内，从而具有结构经凑、体积小、价格低等优点，许多小型PLC多采用这种机构。
模块式的PLC将各个功能部件做成独立模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块等，然后进行组合。
（2）按控制规模分类按控制规模大小，可分为小型、中型和大型PLC三种类型。
1）小型PLC。
型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量在2K步以内，其中输入输出点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。
2）中型PLC。
中型PLC的开关量I/O点数通常在256~2048点之间，用户程序存储器的容量为2~8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节，如比例、积分、微分（PID）调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。
3）大型PLC。
大型PLC也称为高档PLC，I/O点数在2048点以上，用户程序存储容量在8K以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。
3.5PLC系统的组成
PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构上与微型计算机控制系统相似，也是有硬件系统和软件系统两大部分组成。
3.5.1PLC的硬件结构
一套PLC系统在硬件上由以下几部分组成：
（1）中央处理器（CPU）与计算机一样，是PLC的核心部件。
（2）存储器PLC配有两种存储器：
系统存储器和用户存储器。
（3）输入/输出（I/O）接口电路。
（4）电源。
（5）扩展单元。
（6）外部设备。
3.5.2PLC的软件
PLC的软件是指PLC所使用的各种程序的集合。
它由系统程序（系统软件）和用户程序（用户软件）组成。
（1）系统程序系统程序包括监控程序，输入译码程序及诊断程序等。
（2）用户程序用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。
3.6可编程控制器的工作方式
可编程控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。
从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的循序逐条执行程序，即按循序逐条执行程序直到程序结束。
然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。
可编程控制器工作的扫描过程包括五个阶段：
内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。
PLC完成一次扫描过程所需的时间成为扫描周期。
扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。
3.7PLC的编程语言
PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。
其中前两种语言用的较多，流程图语言也在许多场合被采用。
1.梯形图语言
（1）梯形图从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。
PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。
（2）图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。
每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止母线可以省略。
（3）梯形图中的触点有两种，即动合触点和动断触点。
（4）梯形图的最右端必须连接输出元素。
（5）梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。
2.助记符语言
助记符语言是PLC命令的语言表达式。
用梯形图编程虽然直观、简便，但要求PLC配置较大的显示器放可输入图形符号，这在有些小型机上常难以满足，所以助记符语言也是一种较常用的一种编程方式。
不同型号的PLC，其助记符语言也不同，但其基本原理是相近的。
编程时，一般先跟据要求编制梯形图语言，然后再根据梯形图转换成助记符语言。
3.顺序功能图语言
顺序功能图SFC是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，主要由“步”、“转移”及“有限线段”等元素组成，它将一个完整的控制工程分为若干个阶段（状态），各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，条件满足就实现状态转移，上一状态动作结束，下一动作开始。
3.8FX2N系列PLC
3.8.1FX2N系列PLC的内部资源
各种不同型号和档次的PLC具有不同数量和功能的内部资源，但构成PLC基本特征的内部软元件是类似。
下例为FX2N系列小型PLC的内部资源。
（1）输入触点X
（2）输出继电器Y
（3）内部继电器M
（4）定时器T
（5）计算器C
（6）数据寄存器D、V、Z
（7）常数指针
3.8.2FX2N系列PLC的基本顺控指令
1.FX2N系列可编程控制器的基本顺序控制指令的助记符、功能、对应梯形图及可用软元件如下表所示：
3．9PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6、通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
4PLC对机械手的控制
4.1PLC的选型
4.4.1I/O总点数的确定
由I/O分配表知，输入共18个点,输出共6个点,I/O实际需24点。
为留有今后工艺改进与功能扩充余地，在实际统计I/O点数基础上，一般加10-20％余量，再考虑PLC产品本身规格，可取PLC的I/O总点数为48点。
4.4.2I/O点信号性质分析
从机械手控制信号分析可知,机械手输入是位置开关信号,上/下限位开关、左/右限位开关等它们都是开关量,而输出主要是5个电磁阀线圈,以控制机械手的左移、右移、上移、下移、夹紧、放松的气路的通断。
4.4.3用户存储器容量的估算
（1）I/O口总点数为48点且均为开关量，以每个I/O点需1O个字节估算则所需存储器字节数为：
48*10=480B
（2）定时器有两个:
一个夹紧延时、一个放松延时，以每个定时器需2个字节估算则所需存储器字节数为：
定时器/计数器数量*2=2*2=4B
共需存储器字节数为：
480+4=484B
经技术与经济成本方面因素综合考虑，本设计选取日本三菱公司FX2N-48MR型PLC产品。
FX2N-48MR型产品主要技术指标如下：
表4.4FX2N-48MR型产品主要技术指标表
最大I/O48点
定时/计数器256个
基本功能指令22条,步进指令2条
继电器输出最大负载80VA/24V
执行速度（us/步）0.8us
输入输出响应时间10ms
程序容量（步）2KB
输入光电隔离
数据寄存器通用：
200点
锁存用：
7800点
输出继电器接点隔离
由上表可见，FX2N-48MR型PLC产品能满足设计要求。
4.2PLC的梯形图
4.2.1程序的总体结构设计
本机械手系统的程序是采用基本指令、初始状态指令和步进指令相配合的方法进行编写的。
程序可分四大块，分别是初始化程序、手动程序、回原位程序和自动程序。
4.2.2初始化程序
如图4.8.2所示，为初始化程序。
他保证了机械手必须在原位才能进入自动工作方式。
图4.2.2初始化程序
4.2.3手动程序
手动程序如图4.8.3所示。
X10~X15对应机械手的上下左右移动和夹紧的的按钮。
按下不同的按钮，机械手执行相应的动作。
在左、右移动的程序中串联上限位置开关的动合触点是为了避免机械手在较低位置移动时碰撞到其他工件。
为保证系统安全运行，程序之间还进行了必要的连锁。
图4.2.3手动程序
4.2.4回原位程序
如图4.8.4所示为回原位程序，在系统处于回原位工作状态时，只需按下回原位按钮机械手即可自动回到原位。
图中除初始状态继电器外，其他状态继电器应使用回零状态继电器S10~S19。
图4.2.4回原位程序
4.2.5自动程序
自动程序如图4.8.5所示，其中M8041和M8044都是在初始化程序中设定的，在程序运行中不再更改。
4.3指令程序
0LDX21
27ANDX17
53STLS12
83LDX18
1ANIX17
28ANIX21
54SETM8043
84SETS24
2ANIY4
29ANIY2
56RSTS12
86STLS24
3OUTM8044
30OUTY3
58STLS2
87OUTY0
5LDM8000
31LDX12
59LDM8041
88LDX21
6FNC60
32ANDX17
60ANDM8044
89SETS25
X0
33ANIX20
61SETS20
91STLS25
S20
34ANIY3
63STLS20
92RSTY4
S27
35OUTY2
64OUTY0
93OUTT1
13STLS0
36STLS1
65LDX16
K17
14LDX15
37LDX5
66SETS21
96LDT1
15RSTY4
38SETS10
68STLS21
97SETS26
16LDX14
40STLS10
69SETY4
99STLS26
17SETY4
41RSTY4
70OUTT0
100OUTY1
18LDX11
42RSTY0
K17
101LDX17
19ANIX17
43OUTY1
73LDT0
102SETS27
20ANIY0
44LDX17
74SETS22
104STLS27
21OUTY1
45SETS11
76STLS22
105OUTY3
22LDX10
47STLS11
77OUTY1
106LDX21
23ANIX16
48RSTY1
78LDX1
107OUTS2
24ANIY1
49OUTY3
79SETS23
109RET
25OUTY0
50LDX21
81STLS23
110END
26LDX13
51SETS12
82OUTY2
4.4I/O接线图
机械手控制系统采用的PLC型号或规格是FX2N-48MR，表4-4是输入点及输出点的分配表。
表4-5PLC输入点及输出点的分配表
输入信号
名称
代号
输入点编号
手动挡
SA
X0
回原位档
SA
X1
单步档
SA
X2
单周期档
SA
X3
连续档
SA
X4
回原位按钮
SB9
X5
启动按钮
SB1
X6
停止按钮
SB2
X7
下降按钮
SB3
X10
上升按钮
SB4
X11
右行按钮
SB5
X12
左行按钮
SB6
X13
夹紧按钮
SB7
X14
松开按钮
SB8
X15
下限位开关
SQ1
X16
上限位开关
SQ2
X17
右限位开关
SQ3
X20
左限位开关
SQ4
X21
输出信号
名称
代号
输入点编号
下降电磁阀线圈
YV1
Y0
上升电磁阀线圈
YV2
Y1
右行电磁阀线圈
YV3
Y2
左行电磁阀线圈
YV4
Y3
松紧电磁阀线圈
YV5
Y4
图4.4机械手控制系统PLC的I/O接线图
4.5相关电气设备选择和校验
4.5.1系统调试
系统调试分模拟调试和联机调试
硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下，主要试一试手动控制部分的可靠性。
软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和PLC输出端的指示灯进行。
需要模拟量信号I/O时，可用电位器和万用表进行。
调试时，可利用上述外部设备模拟各种现场开关和传感器的状态，然后观察PLC的输出逻辑是否正确。
如果有错误则修改程序后反复调试。
现在PLC的主流产品都可在PC上编程，并可在PC上进行模拟调试。
连机调试时，可把编制好的程序下载到现场的PLC中。
有时PLC也许只有一台，这时就要把PLC安装到控制柜相应的位置上。
调试时一定要先将主电路断开，只对控制电路进行连机调试。
通过现场连机调试信号的接入常常会发现软硬件中的问题，有时厂家对某些控制功能进行改造，反复调试后，控制系统才能交付使用。
4.5.2程序的运行与调试
a．将梯形图程序输入计算机。
b．对程序进行试运行
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