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基于plc的机械手控制系统设计
摘要
【摘要】
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。
工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。
他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：
其一、它能部分的代替人工操作；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，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。
尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。
在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。
机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
abstract
Manipulatorhandandarmcanimitatethecertainmovementsfunction,accordingtofixedprogramtograb,transportingoroperatingtoolforautomaticoperationofthedevice.Itcanreplacethehardlaborinordertorealizepeoplethemechanizationofmanufacturingandautomation,caninharmfulenvironmentoperationtoprotectthepersonalsafetyandsowidelyused.
Thetypeofmanipulator,accordingtodrivemodecanbedividedintohydraulic,pneumatic,electricandmechanicalmanipulator;Accordingtoapplicablerangecanbedividedintorobotsforandgeneralmanipulatortwo;Accordingtothetrajectorycontrolmodecanbedividedintopositioncontrolandcontinuoustrackcontrolrobots.
Thedesignofthemanipulatorandaddplanerotationtypeandstructure,theactionofthemanipulatorbypneumaticcylinderdriving,pneumaticcylinderofthecorrespondingelectromagneticvalvetocontrol,electromagneticvalvecontrolledbyPLC.Drivetheimplementationofthecomponentfinish,canveryconvenientembeddedinallkindsofindustrialproductionline.ManipulatorusedPLCcontrol,andhashighreliability,changeprogramflexible,andotheradvantages,whetherfortimecontrolortravelcontrolormixedcontrol,canbesettorealizethroughPLCprogram.Accordingtotheorderofthemanipulatoractioncanmodifytheprogram,sothatmoreofthemanipulatorstronggenerality.
Keywords:
manipulatorelectromagneticvalvePLC
目录
摘要1
abstract3
第一章绪论3
1.1机械手的概述3
1.1.1机械手的简介3
1.1.2机械手的类型3
第二章机械手总体方案的设计3
2.1机械手的工作过程及控制要求3
2.1.1机械手的基本结构3
2.1.2机械手的控制要求3
2.2.3机械手的控制方案设计3
2.2.4机械手的手部结构3
2.2.5机械手的主要参数3
第三章PLC的介绍与选择3
3.1PLC的特点3
3.2PLC的选型3
3.3机械手PLC控制的设计3
3.3.2确定所需的用户输入/输出设备I/O点数3
3.4PLC的选择3
分配PLCI/O点的编号（定义号）3
3.5PLC程序设计3
自动操作程序3
设计小结3
致谢3
主要参考文献3
第1章绪论
1.1第一章绪论
1.1机械手的概述
1.1.1机械手的简介
机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。
在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。
尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。
国内外对机器人及机械手所作的定义不尽相同。
国际标准化组织（ISO）对机器人的定义:
“机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。
这类操作机具有几个轴，在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。
”
美国国家标准（NBS）对机器人的定义:
“一种可编程，并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的机械装置。
”日本工业机器人协会对工业机器人的定义:
“一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。
”它又分为以下两种情况来定义:
（1）工业机器人:
“一种能执行与人的上肢类似动作的多功能机器。
”
（2）智能机器人:
“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。
”
1.1.2机械手的类型
机械手一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。
它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。
第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
第二章机械手总体方案的设计
2.1机械手的工作过程及控制要求
2.1.1机械手的基本结构
机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由左工作台搬到右工作台。
有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。
简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。
本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。
图2-1为机械手简图,其中1-执行气爪，2-水平伸缩气缸，3-旋转轴，4-竖直气缸，5-底座，6-工件，。
图2-1机械手简图
这个机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度用于将源工作台上的物品搬到其左侧或右侧目的工作台上。
机械手的直线动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左传/右转、夹紧/放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。
其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成，升降工作行程为0~100mm、转动是通过旋转气缸实现、转动工作行程为0~180°；手爪是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩调整。
机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。
采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。
主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。
人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着机械手的发展及实用性模块化拼装的气动机械手比组合导向装置更具有灵活的安装体系。
它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。
由于采用了模块化拼装结构，可组成立柱型气动机械手、门架型气动机械手及滑块型气动机械手，及其它各种类型的机械手。
这些模块化机械手组装方便，动作灵活，具有较高的定位精度，但工作空间比较小，主要应用于一般的送料自动线上。
气动机械手具有三个自由度，即水平（Z）方向自由度、垂直（Y）方向自由度和旋转自由度，并可以采用多种灵活的控制方案。
图2-1中工件所处位置为原点位置，根据要求：
机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。
当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转。
当光电开关检测到物品后，左传送带停止运行。
根据分析可得出机械手的工作流程图，如图2-2所示。
图2-2机械手工作流程图
可见，实现要求功能需要如下条件：
（1）底座与横梁之间需要旋旋转气缸，旋转气缸有叶片式和齿轮齿条式。
叶片式是圆筒型缸筒内部有个围绕芯轴转动的叶片，在叶片两侧通气时，气压推动叶片绕芯轴转动形成转动。
齿轮齿条式，是由齿轮和齿条啮合组成，气压推动齿条做直线运动，齿条与齿轮啮合，齿条的运动会形成齿轮的转动。
（2）横梁在普通情况下，长度是固定的，如果工作台不进行调整，横梁长度可永远不变。
由于课题任务要求手臂可以伸出缩短，本设计中在横梁上安装了执行气缸，可使用手动按钮调整横梁长度。
（3）竖直方向上是频繁上下工作的机构，可选用电机传动的齿轮齿条啮合机构，也可选用执行气缸，后者是新技术更经济、环保、噪音低，也更符合课题要求。
（4）抓紧机构也可选用气动执行爪和执行气缸并用组成气动执行模块。
（5）光电开关在控制方面是作为输入量的信号源之一，它可以选择模拟输入和数字输入，根据课题要求和后面PLC的各输入量的情况，选用数字输送式的光电开关更方便简捷。
根据以上分析，机械构造方案基本固定。
整个机械手一共用到三个气缸，PLC需要控制每个气缸的动作：
横梁长气缸的内外调，执行气爪的夹持与放松、竖导杆气缸的升降、各气缸的定位控制和旋转轴的定位控制，另外两个是工件计数和故障报警。
2.1.2机械手的控制要求
机械手的操作方式分为手动操作和自动操作，自动操作又分为单周期操作和连续操作方式。
手动操作是指用按钮对机械手的每一步运动单独进行控制；单周期操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手自动完成1个周期的动作后停止；连续操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。
在工作中若按停止按钮，机械手将继续完成1个周期的动作后，回到原点自动停止。
（1）机械手的自动运行：
①下降：
当机械手检测到传送带A上有工件时，有原点位置开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时接通加紧电磁阀线圈。
②加紧工件：
当机械手加紧到位时，压力继电器动合触电闭合，接通上升电磁阀线圈。
③上升：
当机械手夹紧到位时，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通右移电磁阀线圈。
④右移：
当机械手上升到位时，机械手开始右移，右移到位时，碰到有极限开关，机械手停止右移，同时接通下降电磁阀线圈。
⑤下降：
当机械手右移到位时，机械手重新开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时释放加紧电磁阀线圈。
⑥放松工件：
放松动作为时间控制，设为2秒。
⑦上升：
工件放松后，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通左移电磁阀线圈。
⑧左移：
机械手上升到位后，开始左移，左移到位时，碰到左极限开关，机械手停止左移。
⑨回到原位：
机械手左移到位后，回到原点位置，再次自动启动传送带A，当光电开关检测到工件后，又开始新的工作循环周期。
机械手的手动运行
（2）手动运行是指机械手的上升、下降、左移、右移及夹紧操作通过对应的手动操作按钮控制，与操作顺序无关。
PLC模块选择：
电源模块，CPU模块，输入模块，输出模块。
其中输入和输出模块都选用数字量的类型，输入量较多，选择32路模块，输出量较少选择16路的模块。
2.2机械手的方案设计及其主要参数
2.2.1机械手的主要类型和自由度选择
手臂的机构基本上决定了操作机的工作空间范围，按机械手手臂运动的不同运动的坐标形式和形态来进行分类，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。
（1）直角坐标型具有三个移动关节（PPP），可使手部产生三个互相垂直的独立位移。
由于其运动方程可独立处理，且为线性的，具有定位精度高，控制简单等特点，但操作灵活性较差，运动速度低的特点。
（2）圆柱坐标型具有两个移动关节和一个转动关节（PPR），受部的坐标为（z，r，θ）。
这种操作机的优点是所占的空间尺寸较小，相对工作范围较大，结构简单，手部可获得较高的速度。
而缺点是手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分辨精度愈低。
通常用于搬运机器人。
（3）球座标型具有两个转动关节和一个移动关节（RRP），优点是结构紧凑，所占空间尺寸小，但目前应用较少。
（4）关节型是模拟人的上肢而构成的。
它具有三个转动关节（RRR），可绕铅垂轴转动和绕两个平行于水平面的轴转动。
具有结构紧凑，所占空间体积少，相对工作空间大等特点，用于复杂设备当中。
由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，在操作机中主动关节的数目应等于操作机的自由度，因此，采用圆柱座标型式，相应的机械手具有三个自由。
2.2.2机械手的驱动方案设计
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。
2.2.3机械手的控制方案设计
考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制。
当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。
2.2.4机械手的手部结构
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。
本文设计的是抓握直径为ø5~ø20的零件。
按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。
手臂的回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横移。
手臂的各种运动由气缸来实现。
手臂的伸缩、升降运动由伸缩气缸来实现，回转由回转气缸实现。
第三章PLC的介绍与选择
对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、PLC控制等。
但由于PLC可编程控制器操作灵活性强和稳定性较好，所以，我们选择PLC控制。
3.1PLC的特点
可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。
它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻
辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。
3.3机械手PLC控制的设计
（1）送料机械手的动作示意图如图3-1所示。
启动控制有2种，1个由启动开关安装在现场，1个由通过组态王软件控制。
在控制面板上，安装一个档位开关，分手动和自动两大档位，手动挡包括调试和回原位两档，自动挡分单步、半自动和全自动三档，要求自动挡的操作必须在回原位的基础上才能进行。
原位下降夹紧上升右移
左移上移放松下降
图3-1送料机械手的工作示意图
3.3.1 根据工艺过程分析控制要求
机械手的全部动作有汽缸驱动，而汽缸又由相应的电磁阀控制。
其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈两位电磁阀控制。
例如当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。
只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀端电时，机械手上升停止。
同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。
机械的放松/加紧由一个单线圈两位置电磁阀（称为加紧电磁阀）控制。
当该线圈通电时，机械手加紧，该线圈断电时，机械手放松。
当机械手处于原点时（即左限位开关和上限位开关合上），启动以后，机械手移向A点，加紧工件，然后回到原位，移向B点，放下工件，再回到原位完成一次动作。
当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工作时才允许机械手下降。
也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。
机械手的动作过程如图3-2所示。
从原点开始，按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。
下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。
夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。
上升到顶时，碰到上位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。
右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。
若此时右工作台上无工作，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。
下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。
放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。
上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。
左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。
至此，机械手经过八步动作完成一个周期。
机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。
自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。
手动操作
手动操作：
就是用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制。
例如，当选择上/下运动时，按下启动按钮，机械上升；按下停止按钮，机械手下降。
当选择左右运动时，按下起动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。
当选择夹紧/放松运动时，按下起动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。
单步操作
单步操作：
每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止
单周期操作
单周期操作：
机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。
在工作中若按一下停止按钮，则机械手停止重新起动时，需要手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始单周期操作。
连续操作
连续操作：
机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手的动作将自动的、连续不断地周期性循环。
在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。
重新起动时，须用手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始连续操作。
在工作中若按一下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。
3.4PLC的选择
该机械手的控制为纯开关量控制，且所要的I/O点数不多，因此选择一般小型抵挡机即可。
该控制系统要实现的是步进控制，可以用一般PLC所具有的移位寄存器和移位指令来编程，但若选择具有步进指令功能或鼓型控制器功能的PLC，则实现步进控制就更加方便了。
由于所要的I/O点数为15/6点，考虑到机械手操作的工艺固定，PLC的I/O点基本上可不留裕量。
根据资料的机型，可选择：
（1）ACMY-S256可选用32点主机（I/O点数为16/16）或40点主机（I/O点数为24/16）。
（2）GE-I/J（SR-10）其主机I/O点数为15/9。
或选用GE-I（SR-20），采用5槽主机框架，一块16点输入模块，一块8点输出模块（或两块8点输入模块，一块8点输出模块）。
（3）F1-40M其主机I/O点数为24/16点。
（4）具体选择何种机型，还需要比较价格，同时考虑使用维修方便等因素，使之更加经济合理。
故选择F1-40M机型。
3.4.1分配PLCI/O点的编号（定义号）3.3.2确定所需的用户输入/输出设备I/O点数
名称
代号
输入
名称
代号
输入
名称
代号
输出
启动
SB1
X0.1
自动操作
SB5
X1.0
电磁阀下降
YV1
Y0
下限行程
SQ1
X0.1
单步
SB6
X1.1
电磁阀夹紧
YV2
Y1
上限行程
SQ2
X0.2
调试
SB7
X1.2
电磁阀上升
YV3
Y2
右限行程
SQ3
X0.3
回复
SB8
X1.3
电磁阀右行
YV4
Y3
左限行程
SQ4
X0.4
电磁阀左行
YV5
Y4
停止
SB2
X0.5
上行灯指示
EL1
Y5
手动操作
SB3
X0.6
下行灯指示
EL2
Y6
半自动操作
SB4
X0.7
数字指示
EL3
Y7
由于不同记性的PLC，其I/O点的编号不同，因此应根据所选择的机型，对PLC的I/O点分配编号。
如图3-4所示的编号。
3.5PLC程序设计
为了便于编程,先绘制出整个控制程序的结构框图,如图3-5所示。
图3-5总结构程序框图
在该结构框图中，当操作方式选择开关置于“手动”时，输入点X407接通，其输入继电器常闭接点断开，执行手动操作程序。
当操作选择开关置于“单步”、“单周期”、“连续”时，其对应的输入点X410、X411、X412接通，其输入继电器常闭接点断开，执行自动操作程序。
在执行自动操作时，如选择开关置于“连续”时，起动后辅助继电器M200接通，程序自动循环。
操作选择开关置于“单步”时，M200同样接通，程序也可以循环，但必须是每按一次起动按钮执行一步。
如果操作选择开关置于“单周期”或运行过程中按下复位按钮时，则辅助继电器N200复位，程序执行完一个周期（即机械手回到原点）时自动停止。
由于手动程序和自动程序采用了跳转指令，因此在着两个程序段可以采用同样的一套输出继电器。
下面是各程序的设计。
3.5.2自动操作程序
本设计
升级会员 