多关节工业机械手PLC控制系统设计论文.docx

多关节工业机械手PLC控制系统设计论文.docx

《多关节工业机械手PLC控制系统设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多关节工业机械手PLC控制系统设计论文.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

多关节工业机械手PLC控制系统设计论文

摘要：

随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具——机械手。

与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高危险的，对人体伤害较大，有些领域不适宜人类工作，机械手则正好适应这类工作。

在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。

工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。

机械手是模仿着人手部的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

本文对多关节工业液压机械手的结构进行了详细研究。

关键词：

三自由度，机械手，PLC系统

Abstract：

Associetyandthedevelopmentofscienceandtechnology，Industrialproductionoperationmodehasalsoundergonearevolutionarychange,frommanualmilloflabor,graduallyevolvedintoautomaticandintelligentmodeofproductionandhumanalsograduallyunabletocompletesomeproductionprocess,soinordertoadapttotheneedsoftheproductionoftheappearedspecialproductiontools-manipulator.Meanwhilealsoappearedafewnewproductionactivitiesintheseproductionactivities,somearebelongtohighrisk,tohumanbodyharmislarger,someareasnotsuitableforhumanworkisjust,manipulatortomeetthiskindofwork.

Intoday'slarge-scalemanufacturers,enterprisestoimproveproductionefficiencyandensureproductquality,universalattentionproductionprocessautomationdegree,industrialrobotsasanimportantmemberofautomaticproductionline,graduallytheenterpriserecognizesandadopted.IndustrialrobottechnologylevelandUSESdegreeinacertainextentreflectanationindustrialautomationlevel,atpresent,theindustrialrobotmainbearingwelding,spraying,handlingandstackingrepeatabilityandtheintensityoflaboretcgreatly,worknormallytakethereappearanceofthedemonstrationteachingway.

Manipulatorisimitatingthepeoplehandmovement,accordingtoagivenpartoftheprogram,trackandrequeststorealizetheacquirement,handlingandoperationofautomaticmechanicaldevice.Inthispaper,threedoffindustrialhydraulicstructureofthemanipulatorarestudied.

Keywords:

threedoff,manipulator,PLCsystem

多关节工业机械手PLC控制系统设计

前言

机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。

三自由度机械手又称3D机械人，能够实现三个自由度方向（水平、垂直和旋转）的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点。

可编程控制器（PLC）是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。

由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。

在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。

机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。

本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I／O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。

2机械手简介

多关节机械手指的是利用关节连接两个相邻的刚体，即连杆，关节提供连杆之间的相对运动，在这个机构中，关节多是以其中一个特点，正是由于关节多，所以它的抓握功能远远强于传统的夹钳式等机械手。

它可以完成对不同形状、不规则工件的抓握。

多关节机械手有多种结构，其中最理想的也是应用最多的就是类似于人手的结构，这样的结构能模拟人手抓物体时的情况。

与传统的机械手相比，多关节机械手具有动作灵活，运动惯性小、通用性强、能抓取靠近基座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作等优点。

2.1控制系统的功能要求

传统的机械手采用继电气控制，由于其线路复杂、维护困难、可靠性差等缺点，无法满足机械手控制的需求。

可编程控制器（PLC）的出现使得这类问题得到解决，PLC控制，具有结构简单、控制方便、可靠性高、编程简单、功耗低和改造方便的特点，能够完成动作要求精度高的工作。

2.1.1机械手结构

以轴承装配为例：

轴承装配是轴承生产过程中的最后且极为重要的环节，而轴承压盖机则是装配先上较为复杂的部分。

本节讲述的是利用机械手在轴承装配线上，通过PLC控制机械手的动作，完成取轴承、加盖及转移工件，最后控制压盖机完成压盖的整个过程。

图2-1是某以生产线上机械手的工作示意图。

图2-1机械手的工作示意图

该机械手在生产线上的主要任务是，将轴承从传送带1转移至传送带2上，然后将盖放置于轴承之上，最后经压盖机加工，完成轴承装配的一部分加工。

整个工作过程机械手包括以下动作：

手臂上升→手臂下降→手爪抓紧→手爪放松→手臂左旋→手臂右旋

多关节机械手完成以上动作主要是通过机械控制来实现的，即利用PLC控制电动机的转动和电磁阀的通断，电动机的转动来驱动机械手臂的左右旋转，电磁阀驱动气缸的升降控制机械手臂的上升和下降。

多关节机械手的工作过程如图2-2所示：

图2-2多关节机械手简单工作过程示意图

（1）手臂上升：

使机械手相对于工作台向上移动，提高它的高度，以满足抓取工件的高度要求。

（2）手臂下降：

使机械手相对于工作台向下移动，降低它的高度，以满足放置工件的高度要求。

（3）手爪抓紧：

使机械手抓紧工件，以便完成工件抓起的要求。

（4）手爪放松：

使机械手放松工件，以便完成工件放松的要求。

（5）手臂左旋：

使机械手在不改变高度的情况下，相对于工作台向左旋转，以便完成工件移动的要求。

（6）手臂右旋：

使机械手在不改变高度的情况下，相对于工作台向右旋转，以便完成再次抓取工件的要求。

由于PLC的抗干扰能力强，所以能在恶劣的工作环境中，可靠地完成控制任务，为了使设备便于安装、调试，以及从经济角度考虑，设计出如图2-3所示的机械手控制系统的功能框图。

图2-3多关节工业机械手控制系统的功能框图

3硬件系统设计

前面介绍了机械手的机械结构，本节主要根据上节所述的功能要求配置需要的控制系统的硬件系统，按照控制系统的控制要求，设计出如图3-1所示的控制系统的硬件框图。

在此系统中仅靠PLC主机是无法完成控制要求的，因此扩展了一个I/O和两个模拟量输入/输出模块，以及两个光电开关和一个可控电动机。

图3-1控制系统的硬件框图

3.1PLC的选型

根据系统控制要求并从经济性和可靠性等方面考虑，选择西门子S7-200系列PLC作为此机械手控制系统的控制主机。

在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等之分。

三自由度工业机械手PLC控制系统总共有15个数字量输入，8个数字量输出，供需23点I/O口，根据I/O点数，选用了CPU224作为主机。

同时扩展一个I/O模块，选用EM223输入/输出混合扩展模块。

EM223共6种模块，根据系统的控制要求和资源需求，采用EM223模块中的4点输入/4出输出模块。

由于需要测量每个手指的压力值，需要将传感器的值输入到PLC中进行判断，所以扩展两个模拟量模块，全部选用EM235模块。

模拟量输入/输出扩展模块EM235具有4路模拟量输入/1路模拟量输出。

EM223和EM235与PLC的连接不需要其他设置，只需要将排线插到主机及扩展模块的插槽上。

3.2PLC的I/O资源配置

根据控制系统的功能要求，对PLC进行I/O及其他资源的分配，具体分配如下。

表3-1数字量输入地址分配

输入地址

输入设备

输入地址

输入设备

I0.0

高速脉冲输入

I1.1

自动启动

I0.1

急停按钮

I1.2

上升限位开关

I0.2

手动/自动

I1.3

下降限位开关

I0.3

手臂上升

I1.4

左旋限位开关

I0.4

手臂下降

I1.5

右旋限位开关

I0.5

手臂左旋

I2.0

传送带1光开关

I0.6

手臂右旋

I2.1

传送带2光开关

I0.7

手爪抓紧

I2.2

传送带2启动

I1.0

手爪放松

I2.3

压盖机启动

表3-2模拟量输入地址分配

输入地址

输入设备

输入地址

输入设备

ATW0

传感器1

ATW0

传感器4

ATW0

传感器2

ATW0

传感器5

ATW0

传感器3

表3-3数字量输出地址分配

输出地址

输出设备

输出地址

输出设备

Q0.0

高速脉冲输出

Q0.5

抓紧电磁阀

Q0.1

上升电磁阀

Q0.6

松开电磁阀

Q0.2

下降电磁阀

Q0.7

传送带2继电器

Q0.3

左旋电磁阀

Q1.0

压盖机继电器

Q0.4

右旋电磁阀

根据系统的控制要求，硬件框图及I/O分配情况，三自由度工业机械手控制系统PLC控制部分的硬件接线如图3-2所示。

高速脉冲输出

上升电磁阀

下降电磁阀

左旋电磁阀

右旋电磁阀

抓紧电磁阀

松开电磁阀

传送带2继电器

压盖机电磁阀

I0.0

I0.1Q0.0

Q0.1

I0.2

I0.3Q0.2

I0.4

I0.5Q0.3

S7-200

I0.6CPU224Q0.4

I0.7+

EM223Q0.5

I1.0

I1.1

Q0.6

I1.2

Q0.7

I1.3

I1.4Q1.0

I1.5

I2.0

I2.1

I2.2

I2.3

传感器1

传感器2

传感器3

传感器4

传感器5

图3-2多关节机械手控制系统PLC控制部分硬件连接图

3.3其他资源设置

要完成系统的功能除了PLC及其扩展模块之外，还需要各种限位开关、光电开关、传感器及编码盘等仪器设备。

（1）各种限位开关

在此系统中，共用了4个限位开关：

上升限位开关、下降限位开关、左旋限位开关和右旋限位开关。

限位开关主要是来控制机械手在运动过程中的停止时刻和位置。

（2）光电开关

在传送带1和传送带2上各有一个光电开关，此开关的作用主要是指示工件是否到位。

传送带1上的光电开关用于检测工件是否已到机械手可操作的工位，若到位则传送带1停止，等待工件被取走；传送带2上的光电开关则置于压盖机处，当工件到达压盖机时，传送带2停止，对工件进行压盖操作，操作结束后等待下一个工作。

（3）传感器

在此系统采用的是多关节机械手，由于要适应各种形状的工件，所以要在手指受力的部分安装压力传感器，将压力值转换为电压值传入PLC，然后进行判断，防止抓紧时压力过大对工件造成损坏。

（4）各种电磁阀

此系统中机械手手臂的上升和下降是用气缸来实现的，使用一个气缸、一个电磁阀就能实现手臂的上升和下降，相对于利用电机的正反转来实现升降，气缸控制简单方便。

多关节机械手手爪的抓紧和松开共用了4个电磁阀。

（5）各种继电器

此系统中，传送带2并不需要时刻连续地运转传送，并且也不可能一直连续地传送物品，而是根据机械手的当前工作情况有控制机械手的控制系统来控制传送带2的工作与否，该在什么时候启动传送带，该在什么时候停止传送带。

因此，就必须在传送带2的电动机部分装一个可以控制电动机运转和停止的继电器，再连接到PLC以控制接触器，最后达到控制目的。

压盖机同样也不需要时时刻刻工作，因此在压盖机附近放置的光电开关，可以将工件到位的信号传至PLC，从而控制传送带2的停止，并且控制压盖机在工件到位的情况下工作。

（6）编码器

在此系统中，需要对机械手进行精确定位，所以在手臂左右转动的时候，要将电动机反馈的信号同PLC发出的信号做比较，以检测是否手臂准确到位。

（7）各种按钮

急停按钮采用带锁的，常闭触点，按下后旋转复位；手动/自动按钮采用旋钮，一边常闭，一边常通；其余按钮均采用触点触发方式，按下即接通，松开即复位。

4软件系统设计

4.1总体流程设计

根据机械手动作和要实现的功能，设计出如图4-1所示的多关节机械手控制系统流程图。

图4-1多关节机械手控制系统流程图

图4-1多关节机械手控制系统流程图

4.2各个模块梯形图设计

当软件总体流程图设计完成后，就需要对各个控制过程进行分解细化，这样在程序便携式就会简洁明了，最后联合起来调试也便于发现问题。

当控制过程特别复杂的时候，采用模块化设计，就显得尤为重要。

采用模块化的设计，调试时先调试摸个模块的功能，可以及早发现问题，到最后联调试若出现问题就可以很快找出原因及时解决。

程序中用到的元件及设置如表4-2所示。

表4-2元件设置

编号

意义

内容

备注

M0.0

急停标志

on有效

M0.1

手动标志

on有效

M0.2

自动标志

on有效

M1.0

机械手上升标志

on有效

M1.1

手臂左旋标志

on有效

M1.2

机械手下降标志

on有效

M1.3

手爪抓紧工件标志

on有效

M1.4

机械手上升标志

on有效

M1.5

手臂右旋标志

on有效

M1.6

机械手下降标志

on有效

M1.7

手爪松开标志

on有效

M2.0

机械手上升标志

on有效

M2.1

手爪抓紧工件标志

on有效

M2.2

机械手下降标志

on有效

M2.3

手爪松开端盖标志

on有效

M2.4

传送带2启动标志

on有效

M2.5

压盖机启动标志

on有效

T37

一个循环结束后等待的时间

10

1s

VW0

1#传感器值存储单元

VW2

2#传感器置存储单元

VW4

3#传感器置存储单元

VW6

4#传感器置存储单元

VW8

5#传感器置存储单元

VW10

抓取工件的标志压力值存储单元

VW20

抓取盖端的标准压力值

由于机械手的控制过程是按顺序执行的，所以在程序编写的时候采用顺序控制指令。

多关节机械手控制系统梯形图如图4-3所示。

图4-3多关节机械手控制系统梯形图

如图4-3所示的是控制系统的主程序，如图4-3（a）所示中主要是对高速计数器和高速脉冲输出进行初始化。

对于高速计数器，选用高速计数器HSC0，工作方式为模式0，输入口为I0.0。

设置HSC0的功能为：

复位与启动输入信号都是高电位有效、4倍计数频率、计数方向为增计数、预设脉冲为10000个、允许更新双子和执行HSC指令。

对于高速脉冲输出控制，设置为脉冲输出方式，输出口为Q0.0。

脉冲的输出设置为多段管线输出，本例中采用3段输出，写控制字到特定存储器中，完成设置的功能为：

时间基准为μs级、不允许更新周期和脉冲数。

由于是多段输出，所以还需要简历包络表，对3段脉冲周期、数量进行设置，多关节机械手控制系统多段脉冲输出梯形图如图4-4所示。

图4-4多关节机械手控制系统多段脉冲输出梯形图

手臂的左右旋转采用步进电机进行控制是为了提高定位的精度，所以需要用到高速计数器和高速脉冲输出，对发出的脉冲数和接收到的脉冲数进行比较，如果相等，则定位准确，如果两者有偏差，则补发脉冲，最后达到设定的位置上。

如图4-4表示的是对步进电机的脉冲输出控制，本例采用3段脉冲输出，由于步进电机本身的特性，启动频率不宜太高，所以在启动阶段输出的脉冲周期为500ms，且周期逐步减少，缓慢提高其输出脉冲频率；在第二阶段，输出脉冲周期为50ms，在这个阶段手臂的移动是最快的，当达到设定位置的时候，同样不可以突然是频率降低到0，需要逐渐降低脉冲的频率值，所以第三阶段的脉冲周期为200ms，电动机逐步减速，达到设定位置后可能可靠停止。

图4-5多关节机械手控制系统传感器值1处理子程序梯形图

图4-6多关节机械手控制系统传感器值2处理子程序梯形图

如图4-5所示多关节机械手控制系统传感器值1处理子程序梯形图和4-6所示多关节机械手控制系统传感器值2处理子程序梯形图，都是针对传感器采集到的值传到PLC处理的子程序，由于机械手爪在每次加工过程中，都需要移动两个工件，对于不同的工件，手爪的力度是不同的，为了防止抓紧力过大，对工件造成损坏，设置两个不同的压力对比值。

在此小节中，完成了PLC软件系统的所有设计，程序包括：

控制系统的主程序、对高速脉冲输出和高速计数器进行初始化设置的子程序和处理传感器返回值的子程序。

在主程序中，主要采用了顺序控制指令。

在多关节机械手的工作过程中，机械手爪是严格按照一定的顺序运行的，采用顺序控制指令能够非常方便地按照工艺的流程进行设计，当下一个动作开始执行时，前一个动作中的所有元件全部复位到初始状态，减少出现误动作的概率。

结束语

机械手的控制对于很多场合需求很大，不论是机床使用的小型系统还是流水线上的这类设备，其基本动作要求类似，所以控制的实现也可以相互借鉴。

对于控制程序的编写，这里给出的只是一种实现手段，使用可编程控制器还有其他的方法可以实现这样的控制，针对所使用的具体系统的情况，设计人员可以选择使用不同的方法来进行程序编写。

本篇论文详细讲解了多关节机械手控制系统设计过程。

该系统采用西门子S7-200系列的PLC作为控制主机，以及S7-200系列的I/O和模拟输入/输出扩展模块，通过按钮和一些开关，对电磁阀、继电器等设备进行控制，实现了机械手自动运行控制。

【参考文献】

【1】廖常初.PLC基础及应用.北京：

机械工业出版社，2003

【2】王永华等.现代电气控制及PLC应用技术.北京：

北京航空航天大学出版社，2003

【3】SIEMENS公司.SIMATICS7-200可编程控制器系统手册.1999

【4】SIEMENS公司.SIMATICS7-200可编程控制器系统手册.2003

【5】郭宗仁等.可编程控制器应用系统设计及通信网络技术.北京：

人民邮电出版社，2002

【6】钟肇新等.可编程控制器原理及应用.广州：

华南理工大学出版社，2003

【7】廖常初.可编程控制器的编程方法与工业应用.重庆：

重庆大学出版社2001

【8】张进秋.可编程控制器原理及应用实例.北京：

机械工业出版社，2004

【9】钦和.可编程控制器应用技术与设计实例.北京：

人民邮电出版社，2004

【10】戴仙金等.西门子S7-200系列PLC应用与开发.北京：

中国水利水电出版社，2007