基于PLC控制的机械手设计要点.docx

1、基于PLC控制的机械手设计要点摘 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、位置控制、检测等技术。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

2、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;交流电机绪 论 . 1一、机械手 . 3(一机械手的定义与分类 . 3(二机械手应用及组成结构 . 4(三机械手的发展趋势 . 5(四总体设计要求 . 6二、 PLC 的介绍与选择 . 10(一 PLC的特点 . 10(二 PLC的选型 . 11(三 三菱 FX 系列 PLC 的结构功能 . 13三、 控制系统设计 . 15(一 控制系统硬件设计 . 15(二 控制系统软件设计 . 18(三 PLC程序的上载和下载 . 33结 论 . 35参考文献 . 36致 谢 . 37绪 论随

3、着现代工业技术的发展,工业自动化技术越来越高,生产工况也 有趋于恶劣的态势,这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求,同 时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容 也要求理想化简单化,对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完 成显得非常重要。 这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害, 如冶金、化工、医药、航空航天等。在机械制造业中,机械手应用较多,发展较快。目前主要应用于机 床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业,它可以按照事先制定 的作业程序完成规定的操作,有些还具备有传感反馈能力,能应付外界 的变化。如果机械手发生某些偏离时,会引起零部件甚至机械本身的损

4、 坏,但若有了传感反馈自动,机械手就可以根据反馈自行调整。应用机 械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的 装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加 快实现工业生产机械化和自动化的步伐。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、 传感器技术和计算机技术等科学领域, 是一门跨学科综合技术。 近些年, 随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应 用,机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。借助 PLC 强大的工业处理能力,很容易实现工业生产的自动化。基 于此思路设计的机械手,在实现各种要求的工序前提下,大大提高了工

5、 业过程的质量,而且大大解放了生产力,改善了工作环境,减轻了劳动 强度,节约了成本,提高了生产效率,具有十分重要的意义。同时,借助组态软件的辅助作用,大大提高了系统的工作效率。因以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。 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。综上所述,有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。一、机械手(一

6、机械手的定义与分类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。 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。 其一, 它能部分代替人工操作;其二,它能按照生产工艺要求,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,受到各 先进工业国家的重视,并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤 其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用得更 为广泛。机

7、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“ Mechanical Hand” ,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。本

8、项目要求设计的机械手模型可归为第一类,即通用机械手。目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸 造、热处理等方面,无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展 的需要。在国内主要是发展各方面的机械手,逐步扩大应用范围,以减轻劳 动强度,改善作业条件。在应用专用机械手的同时,相应地发展通用机 械手,专用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动 构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及用于不同类型的 夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不 同的典型部件,即可组成不同用途的机械手,即便于设计制造,又便于 改换工作,扩大了应用的范围。同时要提

9、高速度,减少冲击,正确定位, 以更好地发挥机械手的作用。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端,可以转动、 开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指,分为无关节、固定关 节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等,其中 以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的 夹头,以适应操作的需要。本设计采用二指的构造。手臂的作用是引导 手指准确地抓住工件,并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正 确地工作,手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之,机械手的运动 离不开直线移动和转动二种, 因此它采用的执行机构主要是

10、直线液压缸、 摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺 服电动机和步进电动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的 机架。驱动机构主要有四种:液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。电气驱动时,直线 运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手则考虑采用步进 电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。本设计采用步进电动机 驱动手臂运动,直流电动机驱动手爪和机械手的底盘旋转运动。机械驱 动只适用于动作固定的场合。机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度 和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控

11、制两种,目前 以点位控制为主,占 90%以上。控制系统可以根据动作的要求,设计采用数字顺序控制,它首先要 编制程序加以储存,然后再根据规定的程序,控制机械手工作。对动作 复杂的机械手则采用数字控制系统、 小型计算机或微处理机控制的系统。 本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现,具有编程简单、修 改容易、可靠性高等。(三机械手的发展趋势机械手自二十世纪六十年代初问世以来, 经过 40多年的发展, 现在 已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前,机械手技术有了 新的发展:出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统(如细小工 业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等 、机械手化机器、智能机械

12、手 (不仅可以进行事先设定的动作, 还可按照工作状况相应地进行动作, 如回避障碍物的移动,作业顺序的规划,有效的动态学习等 。机械手的 应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展,并且蓬勃发展的军用机械 手也将越来越多地装备部队。国外方面:近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械发展; 控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展; 传感器作用日益 重要;虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程 控制。国内方面:目前在一些机种方面,如喷涂机械手、弧焊机械手、点 焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手(水下、爬壁、管道、 遥控等机械手基本掌握了机械手操作机的设计制造技

13、术,解决了控制 驱动系统的设计和配置,软件的设计和编制等关键技术,还掌握了自动 化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技 术;在基础元件方面,谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装 置也有了突破。从技术方面来说,我国已经具备了独立自主发展中国机 械手技术的基础。(四总体设计要求1. 机械手结构示意图 图 1.1机械手示意图1、 手爪张开闭合 2、 手腕旋转 3 、 水平移动 4、 升降 5 、 立柱旋转 6、 手爪 7 、 手腕电动机 8、横轴 9、 竖轴 10、竖轴电动机 11、横轴电动机 12、底盘13、底盘 电动机(1 本机械手模型的机能和特性物体在三维空间内的

14、禁止位置是由三个坐标和围绕三轴旋转的角度 来决定的,因此,抓握物体的位置和方向能从理论上求得。根据资料的 介绍,如果采用机械手,其机能要接近于人的上肢,则需要具有 27个自 由度,而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”来控制。我们不要那 么多自由度,因为根据实际情况而言,控制的自由度越多,其各个部分 也就越复杂,相应的制造成本也就增加。本设计的机械手,它共有自由度 5个。即:手臂前后伸缩、手臂上 下伸缩、手臂左右旋转、手腕回转、手指的抓握。(2夹紧机构机械手手爪是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时要满足迅速、 灵活、准确可靠的要求。设计制造夹紧机构机械手,首先要从机械 手的坐标形式,运行速度和

15、加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则根 据夹持物体的重量、惯性和冲击力来计算。则同时考虑有足够的开口尺 寸,以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围,还需备有多 种抓取机构,以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体,夹紧力 要限制在一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为 防止突然断电造成被抓物体落下,还可以有自锁结构。夹紧机构本身则 结构简单、体积小、重量轻、动作灵活、和工作可靠。夹紧结构形式多样、有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构 还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式夹紧装 置。机械式夹紧是最基本的一种,应用广泛,种类繁多。如按手指运动 的方

16、式和模仿人手的动作,可分为回转型、直进型;按夹持方式可分为按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式手爪。 由可编程控制器控制电磁阀动作,从而控制手爪的开闭。手爪的回转则 用一个直流电动机完成,同时通过两个限位开关完成回转角度的限位, 一般可设置在 180度。(3 躯干躯干有底盘和手臂两部分组成。底盘是支撑机械手的全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用 一个直流电动机驱动,底盘旋转时带动一个旋转编码盘旋转,机械手每 旋转三度发出一个脉冲,由传感器检测并送入可编程控制器,从而计算 底盘旋转的角度。 同时, 在底盘上装有限位开关, 最大旋转角度可达 180度。手臂是机械手的主要部

17、分, 它是支撑手爪、 工件使它们运动的机构。 本设计手臂由横轴和竖轴组成、可完成伸缩、升降的运动。手臂采用电 动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出信号 控制步进电机运转, 同时在两轴的两端分别加限位开关限位。 采用丝杠、 螺母结构传动的特点是易于自锁、位置精度较高,传动效率较高。 3. 机械手工作流程机械手工作流程是:开始运行后,如果机械手不在初始位置上,步 进电动机开始运转 (横轴向手抓方向移动,竖轴向上移动 。归位后首先 横轴步进电动机工作,横轴前伸;前伸到位后,手爪电动机得电带动手 爪旋转;当传感器检测到限位磁头时,电动机停止, PLC 控制电磁阀动 作,手张开;延

18、时一段时间,竖轴步进电动机工作,竖轴下降;下降到 位后,电磁阀复位,手爪夹紧;延时过后,竖轴上升,同时横轴缩回、 底盘电动机带动底盘旋转;当横轴、竖轴、底盘都到位后,横轴前伸;上升复位,然后开始下一周期动。4. 控制要求(1手臂上下直线运动。 (2手臂左右直线运动。 (3手腕旋转运动。 (4手爪夹紧动作。 (5机械手整体旋转运动。手臂采用步进电机驱动, 由 PLC 发出控制脉冲控制步进电动机运转 , 实现手臂的进给和定位,手爪采用气压驱动。二、 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

19、性较 好,所以,我们选择 PLC 控制。(一 PLC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。高可靠性 (1所有的 I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的 外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离; (2各输入端均采用 R-C 滤波 器,其滤波时间常数一般为 1020ms ; (3各模块均采用屏蔽措施,以 防止辐射干扰; (4采用性能优良的开关电源。 (5对采用的器件进行 严格的筛选

20、; (6良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异 常情况, CPU 立即采用有效措施,以防止故障扩大; (7大型 PLC 还可 以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统 , 使可靠性更进一 步提高。丰富的 I/O接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号,如:交流或 直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等。有 相应的 I/O模块与工业现场的器件或设备,如:按钮、行程开关、接近 开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型 PLC 以外, 绝大多数 PLC 均采用模块化结构。 PLC 的各

21、个部件, 包括 CPU 、统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形 图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被 一般工程技术人员所理解和掌握。安装简单,维修方便 PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环 境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O端相连 接,即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了 解运行情况和查找故障。总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计 制造的计算机。 它具有丰富的输入 /输出接口, 并且具有较强的驱动能力。 但可编程控制器产品并不

22、针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬 件需根据实际需要进行选用配置, 其软件需根据控制要求进行设计编制。(二 PLC的选型对于 PLC 的选择,我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的 最多点数,扫描速度,内存容量,指令条数,功能模块等。同时还要考 虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。1. 常用 PLC 介绍PLC 发展这么多年,技术成熟,各种型号的也很多,各个厂家生产 的也有一定区别,各个重点发展方向也不同,所以我们必须根据自己设 计需要,考虑如何选择。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱,活跃在中国的信 息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各 个行业中

23、,其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。的内置集成功能;强劲通讯能力;丰富的扩展模块;简单、易用的 Micro/WIN编程软件。OMRON 的可编程序控制器更加小型化。 SYSMAC CPM1A的大小仅相当 于一个 PC 卡 (对于 10点的机型来说 ,从而使安装体积大幅度减小,同 时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型 PLC 所具备的 功能,而且还可连接可编程序终端,为生产现场创造了新的环境。编程 环境与 CQM1及 SYSMAC A 等机种相同。由于原有 SYSMAC 支持软件及编程 器都可继续使用,故而系统的扩展及维护都可简单进行。三菱 FX 系列可编程控制器是当今国

24、内外最新, 最具特色、 最具代表 性的微型 PLC 。在 FX 中,除基本的指令表编程方式外,还可以采用梯形 土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的 SFC 顺序功能图编程,而且 这些程序可互相转换。 在 FX 系列 PLC 中设置了高数计数器, 对来自特定 的输入继电器的高频脉冲进行中断处理, 扩大了 PLC 的应用领域。 其 FX2N PLC 还可以采用作为扩展设备的硬件计数器,可获取最高 50kHz 的高速 脉冲。2. 型号的选用对于被控对象,采用 PLC 系统与采用其它形式的控制系统相比较, 力求具有较好的性价比,使用和维修方便;选用的 PLC 主机和配置、控 制功能等必须能满足被控对

25、象的各种控制要求;选用的 PLC 主机及配置 必须是功能较强的新一代 PLC 机型,一般最好不要选用旧机型。同时还 应当考虑将来工艺的变化和扩展,在满足确定的要求外,留有一定的余 量;确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度,以及编 程指令的易懂性。在此,我选用三菱 FX1N 来做控制核心。 FX 系列 PLC 是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器,以逐步替代三菱(三 三菱 FX 系列 PLC 的结构功能可编程控制器是一种工业控制微型计算机,它的结构原理与微型计 算机相似。硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。系统 程序和接口器件又与微机不同,这使它的操作使用方法

26、、编程语言、工 作方式等与微型机有所不同。 PLC 是用微处理器实现继电器、定时器和 计数器以及 A/D、 D/A模拟转换器件的组合体的功能, 采用软件编程进行 它们之间的联系。本设计采用 FX 系列 PLC 作为控制核心,所以现在就以它来讲述 PLC 的应用知识、 操作技能。 FX 系列 PLC 硬件组成与其它类型 PLC 基本相同, 主体由三部分组成,其 PLC 的基本结构如图 2.1系统电源有些在 CPU 模 块内,也有单独作为一个单元的,编程器一般看作 PLC的外设。 PLC 内 部采用总线结构,进行数据和指令的传输。 图 2.1 PLC 的组成框图变量,它们经 PLC 的输入端子进入

27、 PLC 的输入存储器,收集和暂存被控 对象实际运行的状态信号和数据;经 PLC 内部运算与处理后,按被控对 象实际动作要求产生输出结果;输出结果送到输出端子作为输出变量, 驱动执行机构。 PLC 的各个部分协调一致地实现对现场设备的控制。 PLC 输入输出接口的安全保护 :当输出口连接电感类设备时,为了防止电路关断时刻产生高压对输 入、输出口造成破坏,应在感性元件两端加保护元件。对于直流电源, 应并接续流二极管,对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可 取 51120,电容取 0.10.47F ,电容的额定电压应大于电源的峰 值电压。 续流二极管可选 1A 的管子, 其额定电压应大于电源

28、电压的 3倍。 图 2.2为输入输出口的保护环节示意图。图 2.2 输入输出口的保护三、 控制系统设计(一 控制系统硬件设计机械手电气控制系统,除了有多工步特点之外,还要求有连续控制 和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表 示出来, 在手动方式时可以通过手动按钮来实现, 其控制面板如下图3.1所示。当旋钮打向回原点时,系统自动地回到右上角位置待命。当旋钮 打向连续时,系统自动完成各工步操作,且循环动作。当旋钮打向手动 时,每一工步都要按下该工步按钮才能实现。 图 3.1 控制面板示意图1. PLC 梯形图中的编程元件设计选用 FX1N -60MR ,其输入继电器(X 3

29、6点,输出继电器 (Y24点,辅助继电器 (M384点,状态继电器 (S1000点,定时器 (T256点,特殊辅助继电器M8000运行监控(PLC 运行时自动接通,停止时断开 ; M8002初始脉冲(仅在 PLC 运行开始时接通一个扫描周期 ; M8005 PLC 后备锂电池电压过低时接通;M8011 10ms 时钟脉冲; M8013 100ms 时钟脉冲; M8012 1s 时钟脉冲; M8014 1min 时钟脉冲。 2.PLC 的 I/O分配根据机械手动作的要求,输入、输出分配如表 3.1所示。表 3.1 PLC输入 /输出分配表 图 3.2 PLC外部电气接线(二 控制系统软件设计机械手控制系统软件设计的程序总体结构如图 3.3,分为公用程序、 自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、 连续运动程序,因它们的工作顺序相同所以可将它们和编在一起。 CJ (FNC00是条件跳转应用指令,指针标号 PX 是其操作数。该指令由于 某种条件下跳过 CJ 指令和指针标号之间的程序,从指针标号处继续执 行,以减少程序执行时间。如果选择“手动”工作方式,即 X0为 ON , X1为 OFF 则 P