多轴联动机械手PLC控制设计方案.docx
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多轴联动机械手PLC控制设计方案
多轴联动机械手PLC控制设计方案
1.1绪论
课题背景
工业机械手（以下简称机械手）（见图1-1）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已成为现代制造生产系统中的一个重要的组成部分。
机械手的迅速发展是由于它具有积极作用正日益为人们所认识：
其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。
因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，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。
该技术在我国近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业企业的重视。
但目前使用的机械手的电气控制系统一般采用继电器和开关元件组成的控制系统，不能实现较为复杂的逻辑控制和较多功能控制方式的选择，因而现场使用功能和控制方式单一，不能进行在线管理。
机械手主要由手部和运动机构组成。
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。
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。
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。
现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式，能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。
机械手首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是：
机体上安装一回转长臂端部装有电磁铁的工件抓放机构控制系统是示教型的。
1962年美国机械铸造公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现性机械手。
商名为Unimate（即万能自动）。
运动系统仿造坦克炮塔，臂回转，俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。
不少球坐标是通用机械手就是在这个基础上发展起来的。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学研联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，定位误差可小于±1毫米。
美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。
德国及其制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输，焊接和设备的上下料等工作。
瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。
日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家。
自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。
据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校，研究单位多达50多个。
1976年各大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。
1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535太。
其中国定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，示1978年的二倍。
具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。
智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。
截止至1979年，机械手累计产量达56900太。
在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%-60%的速度在增长。
使用机械手最多的使汽车工业，其次是电机电器。
预计到1990年将有55万机器人在工作。
第二代机械手正在佳节言之。
它没有微型电子计算机控制系统，感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。
目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。
第三代机械手则能独立的完成工作过程的任务。
他与电子计算机和电视设备保持联系。
并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元中重要一环。
图1-1机械手示意图
课题的目的及意义
伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。
因此机械手就在这样诞生了,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。
其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：
它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用在机械工业中。
应用多轴联动机械手的意义可以概括如下：
一、以提高生产过程中的自动化程度
应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
二、以改善劳动条件，避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产
应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
但是本文设计的多轴联动机械手是基于普通的工业机械手设计，并在其上添加了机械手手臂的旋转动作。
这样的多轴联动机械手可以实现多条生产线间的传递。
使得整体生产更加自动化、智能化。
PLC可控制编程器和电气控制系统简介
现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器PLC（ProgrammableLogicController）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛的应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。
PLC仍然处于不断的发展之中，其功能不断增强，更为开放，它不但是单机自动化中应用最广的控制设备，是其他计算机控制设备无法比拟的。
气动原理是利用压缩空气作为动力源，使执行元件按一定逻辑规律工作的运算元件。
气动逻辑元件可分为无可动部件的和有可动部件的两类。
前者是射流逻辑元件（见射流元件），后者是微型逻辑阀。
微型逻辑阀的工作压为5～800千帕，寿命高达几百万至几千万次，工作频率由几赫到几百赫，频率响应时间由几毫秒至十多毫秒。
微型逻辑阀的结构形式很多，有膜片型（单膜片﹑双膜片﹑多膜片）﹑滑阀型﹑截止型﹑膜片槓桿型﹑球阀和弹簧阀等，其中膜片型﹑滑阀型﹑截止型是三种主要形式。
膜片型微型逻辑阀的工作原理是输入压力信号使膜片堵塞气源，从而引起输出状态的改变；滑阀型微型逻辑阀的工作原理是压力信号驱动阀芯位移，从而改变输出状态；截止型微型逻辑阀的工作原理是利用阀芯微小位移来实现所需要的开关功能。
1.2本文主要研究内容
本多轴联动机机械手PLC控制设计主要是基于正确的模块设计、硬件选择（PLC种类确定、CPU种类确定）、I/O分配及接线和梯形图的设计与编程，实现多轴联动机械手的以下运动：
1、多轴联动机机械手手臂的垂直运动、水平运动。
2、多轴联动机机械手手臂的旋转运动。
3、多轴联动机机械手手部的夹紧运动和放松运动。
4、多轴联动机械手周期循环运动的手动控制和自动控制。
第2章系统设计方案
系统硬件选择
三菱FX系列PLC：
是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小型程序装置。
除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。
可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。
可根据电源及输出形式，自由选择。
程序容量：
内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。
丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。
便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。
数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。
特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，10KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。
外部设备相互通信，串行数据传送，ASCIIcode印刷，HEXASCII变换，校验码等。
时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。
CPU型号确定
多轴联动机械手要实现物品的自动搬运工作，机械手需要先回到原点位置（图2-6机械手运动示意图）。
可根据不同的工艺要求来设定机械手的动作顺序和动作的位移，要求控制系统具有手动运行模式、回原点模式和自动运行模式、半自动模式。
故选择的CPU型号为FX2N-40MR，它共有四十个接口其中包括24个输入接口和16个输出接口。
2.1FX2N的外部连接
FX2N与电源连接
FX2N基本单元与扩展单元间的电源的连接，COM端子互相连接而24V电源输出端子不能互联。
图2-1FX2N与电源连接
输入接口连接
FX2N基本单元、扩展单元通过光耦合器与输入端子连接，使用的电源是100~240V频率是50/60HZ。
图2-2输入接口连接
继电器输出接口连接
由于FX2N系列PLC输出电路无内置保险，为防止短路等故障烧断基板配线，需每4点设置5~10A保险。
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
图2-3继电器输出接口连接
晶闸管输出接口连接
晶闸管是一种开关元件，顾名思义他的名字里面有一个闸字也就是门，开关的意思，他广泛的应用在各种电路，以及电子设备中，晶闸管是典型的小电流控制大电流的设备，他通过一个电流很小的脉冲触发晶闸管处于导通状态此时他的电阻变得很小相当于一跟导线。
图2-4晶闸管输出接口连接
晶体管输出接口连接
晶体管输出接口连接控制各输出端设置脉冲吸收电路。
图2-5晶体管输出接口连接
整体结构
机械手的整体结构包括执行机构、驱动和控制机构：
执行机构：
主要包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。
手部即与物件接触的部件。
由于与物件接触的形式不同可分为夹持式和吸附式手部；手腕是连接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用；手臂是支撑手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置；立柱是支撑手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和生降运动均与立柱有密切的联系。
驱动系统：
气压传动是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动。
其主要特点是介质来源及方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。
但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性差，而且气源压力较低，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
控制系统：
应用FX2N-40MR进行自动控制包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、数据处理、模拟量设定和时钟功能等，能广泛处理机械控制应用问题。
它完整的通信功能保证了与个人计算机、其它FX系列PLC和S7-200可编程终端的通信。
图2-6多轴联动机械手运动示意图
多轴联动机械手要实现物品的自动搬运工作，机械手需要先回到原点位置。
可根据不同的工艺要求来设定机械手的动作顺序和动作的位移，要求控制系统具有手动运行模式、回原点模式和自动运行模式、半自动模式。
全自动模式功能为:
在完成回原点操作后,按下全自动按钮可实现连续的工作循环,当按下停止按钮后,机械手将在1个工作循环后才停止；半自动模式功能为：
按下半自动按钮，机械手在完成1个工作循环后自动停止。
设计机械手自动循环工作的动作顺序为：
原点→下降→夹紧→上升→右转→伸出→下降→松开→上升→反转→缩回原位。
（见图）
图2-7多轴联动机械手操作面板
图2-8多轴联动机械手示意图
2.2本章小结
本章主要介绍多轴联动机械手的系统方案设计。
第3章FX2N
PLC的选择
机械手的控制方式有很多种类，传统的有液压控制的，单片机控制的，步进电动机控制，本文设计的多轴联动机械手是可以旋转的机械手，为保证精确度故选用PLC控制。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
图3-1FX2N
1、上端子排：
N、L、COM、X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、AD0、AD1、AD2、AD3、AD4、GND、+5V、DA0、DA1；
上端子排主要是输入端口，N、L为220V输入；当X输入端口接到COM时指示灯亮，表示相应位输入为1，这两种端口最大输入电压为30V；X0、X1可以作为高速计数端口。
DAC0、DAC1为0~10V输出，12位，其精度为0.000488V。
ADC0~ADC4对应数据寄存器：
D8032~D8036,模拟输入为13位，MAX=8191，可以直接接各类热电阻。
0~5V编程口边两个电位计，对应D8030D8031。
2、下端子排：
24V、COM、A、B、Y00、Y01、Y02、Y03、Y04、Y05、COM0、Y06、Y07、Y10、Y11、COM1、AD5+、AD5-、AD6+、AD6-、AD7+、AD7-；Y00、Y01公用COM（24V基准），Y02、Y03、Y04、Y05共COM0，Y06、Y07、Y10、Y11共COM1。
AD+、AD-为差分，可以接热电偶、压力传感器,模拟输入为13位,在D8037~D8039。
下端子排为功能端口及输出端口，A、B为485通信口，COM是晶体管输出的公用口，也是24V电源的。
24V、COM可以外加，也可以在电流小于200Ma时对外供电。
3、串口：
为编程口以及人机界面接口。
4、拨动开关：
用于运行、编程转换。
三菱公司生产的FX2N-40MR型PLC机。
FX2N-40MR虽然小巧,但其内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、数据处理、模拟量设定和时钟功能等，能广泛处理机械控制应用问题。
这些通信能力使5轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。
为了节省成本，不另外选用PLC的专用运动控制模块，而是直接利用PLC的高速脉冲输出功能（PLSY指令）。
由于本系统选用晶体管输出型的PLC，为避免晶体管不能可靠断导致机械手动作失灵，故用PLC的一个输出点控制继电器，再由它控制电磁铁的得失电。
是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
PLC的结构
FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。
除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。
可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。
可根据电源及输出形式，自由选择。
程序容量：
内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。
丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。
便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。
数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。
特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，10KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。
外部设备相互通信，串行数据传送，ASCIIcode印刷，HEXASCII变换，校验码等。
时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。
PLC的特点
PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。
目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。
如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。
但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：
1.图形式指令结构：
程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。
系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。
在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。
如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。
较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎
2.明确的变量常数：
图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：
K400，T120等。
PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。
3.简化的程序结构：
PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。
4.简化应用软件生成过程：
使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。
5.强化调试手段：
无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。
总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。
--系统配置即固定又灵活；
--编程简单；
--备有可自由选择，丰富的品种；
--令人放心的高性能；
--高速运算；
--使用于多种特殊用途；
--外部机器通讯简单化；
--共同的外部设备
PLC的组成
一、输入继电器 （X）
PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC 内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入），线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。
内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。
输入电路的时间常数一般小于10ms。
各基本单元都是八进制输入的地址，输入为X000 ～ X007，X010 ～X017，X020 ～X027 。
它们一般位于机器的上端。
二、输出继电器（Y）
PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。
输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使用。
输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。
输出电路的时间常数是固定的 。
各基本单元都是八进制输出，输出为Y000 ～Y007，Y010～Y017，Y020～Y027 。
它们一般位于机器的下端。
三、辅助继电器（M）
PLC内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。
辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。
它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。
但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。
如下图中的M300，它只起到一个自锁的功能。
在FX2N中普遍采用M0～M499，共500点辅助继电器，其地址号按十进制编号。
辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。
四、定时器（T）
在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。
定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。
在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。
即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。
定时器通道范围如下：
100 ms定时器T0～T199， 共200点，设定值：
0.1～ 3276.7秒；
10 ms定时器T200～TT245，共46点，设定值：
0.01～327.67秒；
1 ms积算定时器 T245～T249，共4点，设定值：
0.001～32.767秒；
100 ms积算定时器T250～T255，共
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