PLC控制工业机械手搬物的设计Word格式文档下载.docx

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sproductdesignfeaturesandtherelatedmovement.

KEYWORDS:

Robots,PLC,mechanicalcontrol

目　录

前　言1

第1章绪论3

1.1设计的目的和意义3

1.2设计项目发展情况简介3

1.3设计原理介绍6

第2章控制原理说明设计方案8

2.1PLC对机械手搬物控制的电气控制设计的实现8

2.1.1实现目标8

2.1.2工作流程9

第3章机械手的硬件与软件11

3.1机械手的硬件设计11

3.1.1机械手的操作面板分布图11

3.2机械手的软件设计12

3.4主要元器件的选择与计算14

第4章主要程序的编写19

4.1编写手动操作运行程序和返回原位程序19

4.2编写自动运行程序22

结论25

谢辞26

参考文献27

外文资料翻译28

前　言

机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科的一个重要组成部分。

汽车业的快速发展，车外型愈求美观流线，并由于汽车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。

传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要

1.本课题的意义

机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。

因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

因此，受到各先进单位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、噪声的场合，应用得更为广泛。

在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。

2.本文主要做的工作

（1）问题提出

PLC控制的机械手最主要是应用于自动化生产中，如何综合地运用前面学过知识点，根据实际工程要求合理组合成控制系统，在此介绍组成可编程控制器控制系统的一般方法。

（2）系统设计的主要内容它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求.

b遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。

c拟定控制系统设计的技术条件。

d技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；

e选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构.

f选定PLC的型号.

g编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图.

h根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计.

i了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系.

第1章绪论

1.1设计的目的和意义

机械手就是一种机械装置.可以代替人作一些简单的抓取、搬运等工作。

由人直接操纵或程序自动控制。

本次设计主要利用机械手可以代替人从事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，因而主要应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门，通过机械手的工作可以提高工作效率，实现安全操作。

1.2设计项目发展情况简介

用于再现人手功能的技术装置称为机械手。

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

在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。

机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。

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。

工业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，受到机械工业的重视。

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。

1.控制机构

驱动机构是工业机械手的重要组成部分。

机械手的控制可采用以下几种方式：

（1）用继电器控制，这种控制系统故障率高、控制方式不灵活且功率消耗大，已逐渐被人们所淘汰；

（2）用微机控制，虽然它在智能控制方面有较大的功能，但它的抗干扰性差，系统设计比较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，广泛应用也不太容易；

（3）PLC控制，此控制系统具有运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强、能经受恶劣环境的考验等优越性，已经成为在机械手控制系统中使用最多的控制方式。

2控制系统分类

在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。

大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。

主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。

（2）机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:

由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;

国外已有模块化装配机器人产品问市。

（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;

器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:

大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

（7）机器人化机械开始兴起。

从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了

机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;

其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。

但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:

可靠性低于国外产品:

机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;

在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约占全球已安装台数的万分之四。

以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。

其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:

在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。

但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中

1.3设计原理介绍

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

　　PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

近年来，随着微处理器芯片及其有关原器件的价格大幅度下迭，PLC的成本也随之下降。

与次同时，PLC的性能却在不断的完善，功能也在增多增强，使得PLC的应用已由早期的开关逻辑发展到现在工业控制的各个领域。

根据PLC的特点，可以将其应用形式归纳为如下几种类型。

1.开关逻辑控制。

这是PLC最基本最广泛的应用领域。

PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。

2.模拟量控制。

在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量，而PLC中所处理的是数字量，为了能接受模拟量输入和输出模拟量信号，PLC中配置了A/D和D/A转换模块，将现场的温度、压力等模拟量经A/D转换变为数字量，经微处理器进行处理，微处理器处理的数字量又经D/A转换后，变成模拟量去控制被控制对象，这样可以实现PLC对模拟量的控制。

3.闭环过程控制。

运用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。

现代大、中型的PLC一般都配备了专门的PID控制模块，当控制过程中某一个变量出现偏差时，PLC就按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程，把变量保持在整定值是。

PLC的PID控制已广泛地应用在加热炉、锅炉、反应堆以及位置和速度等控制中。

4.定时控制。

PLC具有定时控制的功能，它可以为用户提供几十甚至上百个定时器，其定时的时间可以由用户在编程用户程序是设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定，实现定时或延时的控制。

5.计数控制。

计数控制也是控制系统不可缺少的，PLC同样也为用户提供了几十个甚至上百个计数器，设定方式如同定时一样。

若用户需要对频率较高的信号进行计数，则可选择高数计数模块。

6.顺序（步进）控制。

在工业控制中，采用PLC实现顺序控制，可以用移位寄存器和步进指令编写程序，也可以采用顺序控制的标准化语言——顺序功能图编写程序，使得PLC在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出时发、更加容易。

7.数据处理。

现代PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算和数据传输，而且还能进行数据比较、转换、显示和打印以及数据通信等。

对于大、中型PLC还可以进行浮点运算、函数运算等。

8.通信和联网。

PLC的控制已从早期的单机控制发展到了多机控制，实现了工厂自动化。

这是由于现代的PLC一般都有通信的功能，它既可以对远程I/O控制，又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信，从而可以方便可靠地达成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。

由此可见，PLC是实现工厂自动化的理想工业控制。

第2章控制原理说明设计方案

2.1PLC对机械手搬物控制的电气控制设计的实现

2.1.1实现目标

设计机械手控制程序,按照原位→上升→左转→下降→抓物→上升→右转→下降→放物→结束得动作顺序要求,实现对机械手移送工作的过程控制根据实际要求,机械手工作方式设置为3种,即:

单步动作,单周期动作和连续动作。

要求通过控制面板的相应转换开关和控制按钮，来决定机械手的具体动作，各个动作的到位情况有检测元件完成。

如图2-1所示：

图2-1动作流程图

根据机械手的工作要求实现控制程序要在可以完成正常的运转周期的基础上进行设计程序的设计主要是考虑周期动作的实现，也就是如何控制各个状态的转换，实现在各个阶段的控制任务。

根据运转的要求，在系统启动初期先判断机械手是否处于原始位置，即右极限下极限处，如果不在则给出运转信号令其向右向下动作到起始位置。

自动程序从起始位置到达后开始进行工件的取送工作，按照动作顺序要求，依据位置检测反馈信号来控制各部动作的启动和结束。

2.1.2工作流程

控制程序是实现对机械手动作的合理控制，通过分析合理使用必要位置检测信号，就能很好地实现控制要求。

首先分析一下输入信号的需求，根据机械手动作的分析，设置上下限检测和左右限检测等4个检测信号输入。

在考虑控制的需求，设置启动停止按钮控制，原始位定位以及手动，单周期和连续动作方式选择输入，另外就是手动操作的一些按钮，包括上升,下降,左行,右行,抓取和放开6个按钮输入

机械手的输出设置上升,下降,左行,右行.取放5个信号,分别对应相应的动作元件进行控制,其中取放元件使用一个输出控制,是考虑目前常用的取放元件多为断电自复位式电磁阀,所以只需对抓取时的动作给出控制信号即可

图2-2系统的PLC配置示意图

工作原理:

机械手移动工件通过限位开关和电机来控制。

1.机械手分别通过前进/后退电机、上升、下降电机的正反转来上、下、左、右移动，移动的最大位置通过上、下、左、右4个限位开关控制。

2.夹放工件通过夹紧、放下电机的正反转来控制。

夹紧工件通过定时器来控制，即凭经验设定一个时间，在这个时间内，机械手能完全夹紧工件。

放下工件通过松限位开关来控制。

按下启动按钮，整个系统按照PLC程序的设定有序的运行；

正常停车时，按下正常停车按钮，等机械手运行到初始位置，停车。

当按下即停按钮时，系统不管运行到什么状态，都要立即停止

设备控制要求

机械手移动工件控制系统的要求时有“正常运行”和“强制停止”两种控制方式。

1.正常运行

（1）在初始位置（上、左、松限位开关确定）处，按下启动按钮，系统开始工作；

（2）机械手首先向上运动，运动到最高位置停止；

（3）机械手开始向左运动，一直运动到最左端（由左限位开关确定）；

（4）机械手开始向下运动，一直运动到最下端（由下限位开关确定）

（5）机械手开始夹紧工件，一直到工件夹紧为止（由定时器控制）；

（6）机械手开始向上运动，一直运动到最上端（由上限位开关确定）；

（7）上限位开关闭合后，机械手开始向右运动；

（8）运行到右端后，机械手开始向下运动；

（9）向下运动到最低位后，机械手把工件松开，一直到松限位开关有效（由松限位开关控制；

（10）该系统要求能连续循环工作。

正常停车时，要求机械手回到初始位置才能停车。

紧急停止按下紧急停止按钮时，系统立即停止。

第3章机械手的硬件与软件

3.1机械手的硬件设计

3.1.1机械手的操作面板分布图

图3-1操作面板

机械手的工作方式

手动工作方式：

利用按钮对机械手每一动作单独进行控制。

例如，按“下降”按钮，机械手下降，按“上升”按钮，机械手上升。

用手动操作可以使机械手置于原位，还便于维修时机械手的调整。

单步工作方式：

从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一下起动按钮，机械手完成一步的动作后自动停止。

单周期工作方式：

按下起动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。

连续工作方式：

按下起动按钮，机械手从原点开始按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机。

或者将工作方式选择开关转换到“单周期”工作方式，此时机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机

面板上的启动和急停按钮与PLC运行程序无关，这两个按钮是用来接通或断开PLC外部负载电源。

有多种运行方式的控制系统，应能根据所设置的运行方式自动进入，这就是要求系统应能自动设定与各个运行方式相应的初始状态。

3.1.2电源的选择

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24V为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

3.2机械手的软件设计

图3-2系统的流程图

系统按照PLC的控制运行，当开始按钮启动是，系统开始正常运转，当按下紧急按钮时，系统停止工作。

3.2.1主回路的图形

图3-3主回路

3.3液压系统与电动机的选择

3.3.1液压系统的选择

1.液压缸的选择与计算

缸筒内径D的确定，根据公式F=PA，由活塞所需推力F和工作压力P，即可算出应有有效面积A。

2.缸筒长度L的确定，

L=活塞行程+活塞长度+活塞导向长度+活塞杆密封长度+其它长度其中：

活塞长度=（0.6-1）D,导向套长度=（0.6-1.5）D

公式：

活塞推力FF=A（P1-P2）=π/4（D2-d2）（P1-P2）

速度VV=q/A=4q/π（D2-d2）

3.3.2电动机的选择

由于机械手运行需要电动机，根据系统要求电压380V电流大于等于5A，因此选用Y-