机械手PLC控制系统设计.docx
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机械手PLC控制系统设计
机械手PLC控制系统设计
摘要
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，并且效率也不是很理想。
通常利用机械手来代替人工操作，来解决这一问题。
本设计中的机械手主要功能是用来抓大小球，绘制出了机械手工作的流程顺序图。
主要控制部分的实现，是以三菱公司的F1-40M型号的PLC为控制器。
设计了机械手控制系统硬件原理图、梯形图和软件程序流程图，并编写了相应的软件程序。
本设计机械手可以用来实现手动、单周期、单步、连续和复位五种工作状态。
机械手的连续循环操作主要是通过状态初始化指令IST来控制，利用限位开关来控制机械手走的行程。
利用开关来实现手动，单周期和复位等操作。
关键词:
PLC，机械手，大小球，控制方式，继电器
DESIGNOFPLCCONTROLSYSTEM
FORMANIPULATOR
ABSTRACT
Withthescienceandtechnologydevelopment,thedegreeofautomationhasbecomemoreincreasinglydemandingandthecompetitionofthemarkethasbecomemoreandmoreintensely.Becausethecostsofthelaborwasrising,thetraditionalobject-orientedway,whichweremanualhandlingandtheconveyorbeltfixedofhandling,notonlywastespaceandnoteasytochangethestructureofproductionlines,coupledwiththeneedforhumansupervisionoftheoperation,butalsoincreaseproductioncostsandtheefficiencyisnotverysatisfactory.Peopleoftenusethemanipulatortoreplacethemanualoperationtosolvethisproblem.Themainfunctionoftherobotisdesignedtoseizethebigandsmallball,besideswemapouttheprocesssequencediagramofthemanipulator.ThemainpartofcontrolisbasedonMitsubishimodelsoftheF1-40MforthePLCcontroller.Wedesignedladderdiagramandsoftwareflowchartofmanipulatorcontrolsystemhardwareschematicstopreparethecorrespondingsoftwareprograms.Themanipulatorwedesignedcanbeusedtoachievefiveworkstatuseswhicharemanualoperation,single-cycle,andsingle-step,continuousandreset.ToachievecontinuouscycleofrobotoperationsmainlythroughStateinitializationinstructionIST,tocontroltheuseoflimitswitchestocontroltherobottogovisit.Weusetheswitchestoachievemanualoperation,suchassingle-cycleandresetoperation.
KEYWORDS:
PLC,Manipulator,Bigandsmallball,Controlmode,Relay
目 录
前 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。
自从机械手问世以来，相应的各种难题应刃而解。
机械手由耐高温，防腐蚀的材料制成，工作效率极高，而且不受体能的限制，非常方便。
机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置；而可编程控制器（PLC）由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用。
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。
本设计中的机械手主要功能是用来抓大小球，绘制出了机械手工作的流程顺序图。
主要控制部分的实现，是以三菱公司的F1-40M型号的PLC为控制器。
设计了机械手控制系统硬件原理图、梯形图和软件程序流程图，并编写了相应的软件程序。
本设计机械手可以用来实现手动、单周期、单步、连续和复位五种工作状态。
机械手的连续循环操作主要是通过初始化指令来控制，利用限位开关来控制机械手走的行程。
利用开关来实现手动，单周期和复位等操作。
第1章PLC机械手概述
1.1选题背景
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。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
在工资水平较低的中国，分拣行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。
那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。
但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交带来的挑战。
随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、分拣流程越来越节约劳动力,可见机械手的大力开展有着很重要的意义。
1.2可编程控制器的基本功能
（1）逻辑控制功能
逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是可编程控制器的最基本的功能之一。
PLC设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，利用这些指令，根据外部现场（开关、按扭或其他传感器）的状态，按照制定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、接触器、继电器、指示灯等）。
因此PLC中一个逻辑位的状态可以无限次地使用，逻辑关系的修改变更也十分方便。
（2）定时控制功能
PLC中用户提供使用的定时器，定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。
（3）记数控制功能
PLC为用户提供了很多计数器。
计数器到某一定值时（设定值），产生一个状态信号，利用该信号实现对某个操作的记数控制。
PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个工作过程的计数控制。
（4）步进控制功能
PLC为用户提供了若干个状态器，可以实现由时间、技术和其他指定逻辑信号为转移条件的步进控制，即在一道工序完成以后，在转移条件满足时，自动进行下一道工序。
（5）数据处理功能
大部分PLC都有数据处理功能，可实现算术运算、数据传送、数据比较、数据转换、译码等操作。
（6）过程控制功能
有些PLC具有A/D、D/A转换功能方便地对模拟量的控制调节。
（7）通信联网功能
有些PLC采用通信技术，可以多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通信等。
（8）监控功能
PLC设置了较强的监控功能。
操作人员利用编程器或监视器可对PLC的运行状态进行监控。
利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容为调试和维护提供极大的方便。
（9）停电记忆功能
PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（如备用电池），以保证断电后这部分存储器中的信息不会丢失。
（10）故障诊断功能
PLC可对系统组成、某些硬件状态及指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。
1.3PLC机械手的组成与分类
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。
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。
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。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。
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。
到现在发展的新型机械手又叫机器人。
第2章机械手PLC控制系统总体设计方案
2.1机械手PLC控制系统总体设计
2.1.1机械手抓大小球PLC设计任务
机械手全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。
其中上升/下降和左移/右移分别由双向两位电控换向阀控制。
机械手的放松/加紧由单向电控换向阀控制，通电时机械手夹紧。
2.1.2机械手抓大小球PLC工作方式
机械手有手动、单周期、多周期和回原点五种工作方式，机械手在最上面、最左边且电磁铁线圈断电，称为系统处于原点状态（或称初始状态）。
在用户程序中，左限位开关X1，上限位开关X4的常开触点和表示电磁铁线圈断电的Y4的常闭触点的串联电路接通时，“原点条件”辅助继电器S1变为NO。
在通过初始化指令IST利用辅助继电器M8041/M8040来决定机械手的工作方式（当S0=1时，用户程序执行手动程序；当S1=1时，用户程序执行回原点程序；当S2=1时，用户程序执行自动程序）。
在单周期工作方式下，按下启动按钮X16后，（初始化指令IST使M8040清0就是永久解禁0）从初始步S0开始机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。
在多周期工作方式下，在初始状态按下启动按钮后，机械手从初始步开始一个接一个周期地反复连续的工作。
在按下停止按钮并不马上停止工作，完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。
在单步工作方式下，从初始步开始，按一下启动按钮系统转换到下一步完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮才转到下一步。
单步工作方式常用于系统的调试。
在选择单周期，多周期和单步工作方式之前，系统应处于原点状态，如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式。
机械手的一个工作周期（动作顺序）为下降、吸球、上升、右行、下降、释放、上升、左行返回。
当机械手在原点状态时，按下启动按钮，机械手下降到为达下限位X5时，X5处于断电状态，电磁铁头通电吸起大球，然后机械手上升，上升到上限位X4时，机械手臂右行。
当右行到大球右限位X2时，机械手下降，下降到下限位X5时电磁铁断电，释放大球，大球被放入大球容器。
然后回到原点。
当机械手在原点时，按下启动按钮，机械手下降到为达下限位X5时，X5接通，电磁铁通电吸起小球，机械手上升，上升到上限位X4时，机械受臂右行，当右行到小球右限位X3时机械手下降，下降到下限位X5时，电磁铁断电释放小球到小球容器。
然后回到原点位置，机械手分选大小球动作完成。
2.1.3机械手抓大小球动作示意图
图2-1为机械手结构示意图，初始态要求机械手在原点位置（原点状态＝手臂位于左限位处+右限位处+手爪释放）各开关在关闭状态，M停转。
按下启动按钮，机械手动作，升降杆下件下降并要求机械手此时停留两秒，在机械手吸球和释放球后停留一秒后动作。
由IST判断机械手的工作方（当S0=1时切换到手动方式、当S1=1时切换到回原点方式、当S2=1时切换到自动方式），在由IST利用M8041来实现单周、多周的运行。
当按下预停按钮后，一直要到一个周期完成才能停止，中途不能停止。
（要有手动、回原点、单步、单周、多周等5种可选工作方式）
图2-1机械手抓大小球结构示意图
2.1.4机械手抓大小球每个工作步的控制要求
1.上升和下降
机械手上升或下降的动作都要到位，否则不能进行下一个工作步。
上升/下降的动作用一个双线圈的电磁阀控制。
2.夹紧和放松
机械手夹紧和放松的动作在两个工位处进行，且动作都要到位。
为了确保夹紧和放松动作可靠，需对这两个动作进行定时。
夹紧和放松动作由单线圈的电磁阀控制，电磁阀线圈得电为夹紧，失电为放松。
3.左行和右行
自动方式时，机械手的左、右运动必须在压动上限位开关后才能进行；机械手的左、右运动都必须到位，以确保在左工作台取到工件并在右工台放下工件。
可使用上限位开关、左限开关和右限位开关进行控制。
左、右行的动作由双线圈电磁阀控制。
自动方式下误操作的禁止：
自动方式（连续、单周期、单步）时，按一次启动按钮自动运行方式开始后，再按操作按钮属于错误操作，程序对错误操作不予响应。
根据上述要求，操作盘上需设置一个工作方式选择开关，通过这个开关来选择机械手的5种工作方式，各种操作按钮和停车按钮的作用见操作面板。
操作面板如图所示，其中紧急停车按钮不接入PLC的输入端，当发生紧急情况时，用于切断负载电源。
2.2机械手抓大小球动作顺序图
由图2-1可以看出，PLC机械手抓球的动作顺序是先在原点位置，然后下降，当达到一定高度的时候就抓球（大或小）。
抓球时延时1s时间。
抓到球的时候向上移动。
碰到上限位开关以后向右移动。
移动到大球或者小球框位置，再下降。
下降到下限位开关的位置，在释球。
释球延时1s时间。
然后再上升，碰到上限位开关以后再向左移动，移动到原点位置以后，在继续重复以上的动作。
直到将球抓完
第3章机械手PLC硬件设计
3.1机械手PLC型号的选择
PLC机型的选择的基本原则是：
在功能满足的前提下，保证性能可靠，维护使用方便，已获得最佳的性价比和综合经济性。
PLC输入，输出点数及规模大小的选择。
由I/O分配图可知本课题共有19个输入，6个输出。
考虑到留10%-15%的备用量。
选择40点输入输出机型。
因为本课题是为了实现单机自动和几点一体化产品。
故选用小型PLC。
PLC输出模块选择。
输出模块按方式不同分有继电器输出，晶体管输出和双向晶闸管输出三种。
考虑到本课题中对相应速度要求不同，输出变化不是很快，很频繁，故选择继电器输出，而且继电器输出承受过压和过流的能力较强，价格便宜。
综合以上要求，结合当前PLC市场及综合经济性能，选择日本三菱公司的FX1N-40MR型PLC。
FX1N-40MR型PLC有24个输入继电器。
16个输出继电器，采用继电器输出方式，小型机。
能满足功能要求，有足够的备用余量，便于以后升级改造，使控制系统有良好的灵活性和通用性，达到了较高的性价比和综合经济性。
3.2机械手抓大小球PLC操作版面的布置
机械手操作面板的选择开关有手动X10，回原点X11,单步X12,单周期X13,连续X14；另外还有10个按钮分别为启动X16,停止X17,上升下降，左行右行共4个行位开关，还有两个吸紧释放按钮；一个回原点启动按钮X15，为了紧急情况发生，还有一个紧急停车按钮。
机械手的操作版面的布置如图3-1所示
图3-1抓大小球机械手操作面板布置
3.3机械手抓大小球输送系统输入和输出点分配表
根据机械手的动作要求，系统应有的输入信号是：
机械手的启动按钮，停止按钮2个。
机械手的限位控制有5个，分别是大球右限位，小球右限位，上限位，下限位，左限位。
机械手5个旋钮开关，分别是手动按钮，单步按钮，单周期按钮，回原点按钮，连续按钮。
还有手动控制的按钮共7个按钮。
总共有19个输入。
系统的输出信号有:
5个继电器的输出，分别是下降，上升，右移，左移，抓球放球。
还有一个原点指示信号等的输出，总共6个输出。
共需19个输入点，6个输出点。
选用FX-40MR的PLC时，I/O分配表如表3-1所示：
表3-1输入输出设备及I/O点数
3.4机械手抓大小球PLC的I/O接线图
图3-2抓大小球机械手I/O接线分配图
工作方式的选择开关的5个位置分别位于5种工作方式之中，操作面板左下部的6个按钮是手动按钮，为了保证在紧急的情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断PLC电源，在PLC开始运行时按下负载电源按钮，是KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源，对于电磁铁吸盘这一类执行机构，在“紧急停车”时如果断开它的电源，它吸住的铁磁物体会掉下来，在某些情况下可能造成事故，是不允许这样处理的。
右行和左行是异步电动机控制的，在控制电动机的交流器KM4和KM5的线圈回路中，使用了由它们的常闭触点组成的硬件互锁电路。
系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点5种工作方式，机械手在最上面、最左边且电磁铁线圈断电时，称为系统处于原点状态（或称为初始状态）。
在公用程序中，左线位开关X1、上限位X4的常开触点和表示电磁线圈断电的Y4的常闭点的串联电路接通时，原点条件辅助继电器KM5变为ON。
如果选择的是单周期工作方式，按下启动按钮X16后，从初始步SO，机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。
如果选择连续工作方式，在初始状态下按下启动按钮后机械手反复连续工作，按下停止按钮并不马上停止工作，完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。
在单步工作方式，从初始步开始，按下启动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步的位置，再按一下启动按钮，才往前走一步。
单步工作方式常用于系统的调试。
在单周期、连续和单步工作方式之前，系统应处于原点状态，如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式，然后按回原点启动按钮X15，使系统自动返回原点状态。
在原点状态，顺序功能、图中的初始步S0为ON，为进入单周期、连续和单步工作方式做好准备。
第4章机械手PLC程序设计
4.1初始化程序设计
FX系列PLC的状态初始化指令表IST（INITIALSTAATE）的功能指令编号为FNC60，它与STL指令一起使用，专门用来设置具有多种工作方式的控制系统的初始状态和设置有关的特殊辅助继电器的状态，可以大大简化复杂的顺序控制程序的设计工作。
IST指令只能使用一次，它应放在程序开始的地方，被它控制的STL电路应放在它的后面。
由ISP判断机械手的工作方（当S0=1时切换到手动方式、当S1=1时切换到回原点方式、当S2=1时切换到自动方式），在由ISP利用M8041来实现单周、多周的运行。
当按下预停按钮后，一直要到一个周期完成才能停止，中途不能停止。
（要有手动、回原点、单步、单周、多周等5种可选工作方式）
图4-1指令和程序的组成
该系统的初始化程序用来设置初始状态和原点位置条件。
IST指令的格式如图4-2所示，图中的原操作数【S】指定与工作方式有关的输入继电器的起始输入，它实际上指定从X10开始的8个输入继电器具有以下意义：
X10：
手动；
X11：
回原点；
X12：
单步运行；
X13：
单周期运行；
X14：
连续运行；
X15：
回原点启动；
X16：
自动操作启动；
X17：
停止。
X10~X14中同时只能有一个处于接通状态，因此必须使用选择开关，如图3-1所示，从而保证这5个输入中不可能两个同时为ON。
目标操作数【D1】指定自动操作模式中，使用状态器的最小序号；目的操作数【D2】指定自动操作模式中，使用状态器的最大序号。
因此该例自动操作数所使用的状态器为S20~S27。
图4-2初始化指令格式
IST指定的执行的条件满足时，初始状态继电器S0~S2和下列特殊辅助继电器被自动指定为以下功能（即使以后IST指定的执行条件变为OFF，这些元件的功能仍保持不变）：
S0：
手动操作的初始状态器，当把工作方式选择开关置于X10时，S0为ON,进入手动程序。
S1：
回原点操作的初始状态器，当工作方式选择开关置于X11时，S1为ON，进入自动回原点程序。
S2:
自动操作的初始状态器，把工作方式选择开关置于X12、X13或X14时，S2为ON，进入自动程序。
IST指定自动驱动的几个特殊辅助继电器：
（1）禁止转移标志M8040：
其线圈“通电”时，禁止所有的状态转换。
（2）状态转换启动标志M8041:
为ON时，允许在自动工作方式下，从[D1]所表示的最低位状态开始，进行状态转移；为OFF时，禁止从最低位状态开始进行状态转移。
（3）启动脉冲标志M8042：
是脉冲继电器，它与串联的触点接通时，产生一个扫描周期的宽带的脉冲。
以下几个特殊辅助继电器是由用户程序驱动的：
（1）回原点完成标志M8043：
在回原点方式，系统自动返回原点是，通过用户程序用SET指令将它置位。
如图（4-3）。
若改变了当前选择的工作方式，在“回原点完成”标志M8043变为ON之前，所有的输出继电器将变为OFF。
（2）回原点条件标志M8044：
在系统满足初始条件时为ON.
（3）SET监控有限标志M8047：
其线圈“通电”时，当前的活动步对应的状态器的原件号按从小到大的顺序排列，并存放在特殊数据寄存器D8040-D8047中，由此可以监控8点活动步对应的状态器的元件号。
此外，若其中任何一个状态器为ON，特殊辅助器M8046将为ON。
4.2手动程序设计
手动操作时，用X20—X25对应的6个按钮控制机械手的夹紧、放松、上升、下降、右行和左行。
这些操作都是点动控制，且为了
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