基于PLC的搬运机械手.docx
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基于PLC的搬运机械手
第1章机械手概况
1.1机械手的应用及概况
机械手除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现机械化。
据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有75%是小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在50件以下,零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。
从这里可看出,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。
机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产,广泛应用于柔性自动线。
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,工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。
在机械工业中,机械手的应用意义可以概括如下:
1.可以提高生产过程的自动化程度
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。
2.可以改善劳动条件
避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,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地完成作业,大大地改善了工人的劳动条件。
在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3.可以减少人力,便于有节奏地生产
应用机械手代替人手进行工作,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地工作,这是减少人力的另一个侧面。
因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上,目前几乎都设有机械手,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。
综上所述,有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。
1.2机械手的发展历程与趋势
1)发展历程
机械手是在早期就有的古机器人基础上发展起来的,我国古代的机关人制造者是最早研究有关机械手、关节活动等问题的.现代机械手的研究始于20世纪中期,随着计算机和自动化技术的发展,特别是1946年第一台数字电子计算机问世,计算机取得了惊人的进步,向高速度、大容量、低价格的方向发展。
同时,大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展,又为机器人的开发奠定了基础。
另一方面,核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。
在这一需求背景下,美国于1947年开发了遥控机械手,1948年又开发了机械式的主从机械手。
2)发展趋势
1重复高精度
重复精度是指如果动作重复次数多,机械手到达同样位置的精确程度。
随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高,它的应用领域也将更广阔,如核工业和军事工业等。
2模块化
模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。
它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置,使机械手动作自如。
模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能,扩大了机械手的应用范围,是机械手的一个重要的发展方向。
3节能化
为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。
随着材料技术的进步,新型材料的出现,构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件,不仅节省润滑油、不污染环境,而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。
4机电一体化
由“可编程控制器—传感器—液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件,使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”;而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大,由PLC直接控制线圈变得越来越可能。
国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。
使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。
如位置发生稍许偏差时,即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。
目前已经取得一定成绩。
随着科学与技术的发展,机械手的应用领域也不断扩大。
1.3PLC概述及应用
1、可编程序控制器概况
可编程序控制器(programmablecontroller),现在一般简称为PLC(programmablelogiccontroller),它是以微处理器为基础,综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用,成为了现代工业控制三大支柱之一。
2、PLC的应用领域
PLC已经广泛地运用在所有的工业部门,随着起能性价格比的不断提高,PLC的应用范围不断扩大,主要有以下几方面:
1)数字量逻辑控制
2)运动控制
3)闭环过程控制
4)数据处理
5)通信联网
3.PLC的特点
1).编程方法简单易学
2).功能强,性能价格比高
3).硬件配套及齐全,用户使用方便,适应性强
4).可靠性高,抗干扰能力强
5).系统的设计、安装、调试工作量少
6).维修工作量小,维修方便
7).体积小,重量輕,能耗小
4.PLC在机械手中的应用用
机械手通常应用与动作复杂的场合來代替人的反复的操作,从而节省人的劳动,普通继电器由于其体积和接口等各方面限制,经常被应用于动作简单的电气及流水线控制,而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强;编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围广;体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合,本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动作。
第2章机械手的总体设计方案
2.1机械手结构及其动作
机械手有水平和垂直移位两种。
其上升/下降和左移/右移的执行,分别由双线圈二位电磁阀控制气缸的运动完成。
例如,当下降电磁阀通电,机械手下降,若下降电磁阀断电,机械手停止下降,但保持现有的动作状态。
只有当上升电磁阀通电时,机械手才上升。
同样左移/右移动作也是由对应的电磁阀控制。
夹紧/放松则是由单线圈二位电磁阀控制气缸运动来实现,线圈通电时执行夹紧动作,断电时执行放松动作。
并且要求,只有当右工作台上无工件时才能允许机械手在右边下降。
因此,该设备的检测元件有上、下、左、右四个限位开关,和一个无工件检测的光电开关。
如图2-1所示。
图2-1机械手动作示意图
图2-2机械手动作周期
机械手的动作过程分为8工步,即从原点开始经下降、夹紧、上升、右移、下降、放松、上升、左移8个动作后完成一个周期并回到原点。
机械手的动作周期如图2-2所示。
2.2机械手的控制过程
如图2—3所示,结合图2-1进行分析。
当停留在原点时,左限位开关和上限位开关闭合,按下启动按钮,置位下降电磁阀是垂直气缸坐下将动作,直到下限位开关闭合,置位夹紧电磁阀使气动手指加紧工件,延时1s后置位上升电磁阀使机械手加紧工件上升,上限位开关闭合,然后置位右行电磁阀使水平气缸右移,右移到位后置位下降电磁阀,垂直气缸下降,到位后下限位开关闭合,然后复位夹紧电磁阀使气动手指松开,延时1s后置位上升电磁阀,到位后右限位开关闭合,置位左行电磁阀使水平气缸左移,回到原点。
图2-3机械手示意图
2.3机械手的控制要求
控制方面的要求为了满足生产要求,机械手设置了手动工作方式和自动工作方式,而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。
手动操作:
供维修用,即用按钮对机械手的每一种动作进行单独控制。
例如,当选择上/下运动时,按下起动按钮,机械手上升;按下停止按钮时,机械手下降。
其它动作,以此类推。
手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。
单工步运行:
供调试用,即每按一次起动按钮,机械手按顺序向前执行一个动作后停止。
再按一次启动按钮,才开始执行下一步的操作。
单工步工作方式常用于系统的调试。
单周期运行:
供首次检验用,当机械手在原点时,按下起动按钮,机械手自动执行一个周期的动作后,自动停止在原点。
自动连续运行:
正常工作用,当机械手在原点并按下起动按钮时,机械手周而复始地执行各工步动作。
按下停止按钮,并不马上停止工作,而是完成最后一个周期的工作后,系统才返回并停留在初始步。
为了更加方便,和考虑到现实中的需要,我增加了回原点的工作方式。
在进行单周期、连续和单工步工作方式前,系统应处于原点状态;如果不满足这一条件,可以选择回原点工作方式,然后按下启动按钮,使系统自动返回原点状态。
2.4本文主要工作
一般来说,机械手主要有以下几部分组成:
1.手部(或称抓取机构)包括手指、传力机构等,主要起抓取和放置物件的作用。
2.传送机构(或称臂部)包括手腕、手臂等,主要起改变物件方向和位置的作用。
3.驱动部分它是前两部分的动力,因此也称动力源,常用的有液压气压电力和机械四种驱动形式。
4.控制部分它是机械手动作的指挥系统,由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度与加速度)等。
5.其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。
本文主要是对驱动部分和控制部分的设计。
第3章驱动部分设计
3.1驱动机构的选择
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。
其中以液压气动用的最多,占90%以上,电动、机械驱动用的较少。
1.液压驱动系统
具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动、精度高等特点。
适合于在承载能力大,惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。
2.气动驱动系统
具有速度快,系统结构简单,维修方便、价格低等特点。
适用于中、小负荷的机械手中采用,但是因难于实现伺服控制。
3.电动驱动系统
具有使用方便,噪声较低,控制灵活等特点。
这类驱动系统不需要能量转换,但大多数电机后面需安装精密的传动机构。
根据设计的要求,本设计选择气动驱动系统。
3.2液压系统
液压传动是指以液压油为工作介质来传递动力和控制信号,控制和驱动各种机械和设备,已实现生产过程机械化、自动化的一门技术。
3.2.1液压系统的组成
液压系统,也有以下几部与气压传动系统一样分组成。
1.动力装置
动力装置是液压泵,它将原动机输入的机械能转换成液体压力能,向系统供油。
液压泵在液压传动系统中属于动力元件,是液压系统的重要组成部分。
液压本办法的好坏直接影响到液压系统的工作性能和可靠性。
2.执行元件
执行元件有液压马达,液压缸,活塞缸,等液压马达也是液压系统的一种能量转换装置。
液压缸结构简单,工作可靠,易于是想多种机械运动。
活塞缸是液压系统中运用最广泛的一种液压缸。
3.液压控制阀
液压控制阀简称液压阀,是液压系统中的控制调节元件,其功能是通过调节液压系统油液的流向,压力和流量使执行器及其驱动的工作机构获得所需的运动方向,推力(转矩)及运动速度(转速)等,以满足不同的动作要求。
控制阀的分类方法比较多例如:
按阀的用途分:
(1)方向控制阀:
主要用于控制或改变液压系统中液流方向。
(2)压力控制阀:
主要用于控制或调节液压系统的压力。
(3)流量控制阀:
主要用于控制或调节液压系统的流量流量。
除了上述单一功能的通用阀以外,还有一些具有两种以上的功能的专用阀和复合阀例如:
方向压力控制,方向流量控制阀等阀。
4.辅助元件
辅助元件是给液压系统中的油箱,储能器,滤油器,热交换器,密封装置,管路等。
本设计需要用的主要有单作用液压缸、双电控二位四通电磁阀、单电控二位四通电磁阀、调速阀、液压泵等。
3.2.2绘制液压系统回路
本机械手的液压传动系统图,它拥有垂直手臂的上升、下降,水平伸缩缸/的前伸、后缩,以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。
液压系统如图3-1所示
图3-2液压系统示意图
3.3PLC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。
3.3.1PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类,按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统。
3.3.2电源的选择
PLC的供电电源,除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外,一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源,与国内电网电压一致。
重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时,应核对提供的电流是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源。
为防止外部高压电源因误操作而引入PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的,有时也可采用简单的二极管或熔丝隔离。
第4章控制部分的设计
4.1输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。
例如对输入模块,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。
对输出模块,应考虑选用的输出模块类型,通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁,电感性低功率因数负荷场合,但价格较贵,过载能力较差。
输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求应一致。
可根据应用要求,合理选用智能型输入输出模块,以便提高控制水平和降低应用成本。
考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。
4.2存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展,存储器的价格已下降,因此,为保证应用项目的正常投运,一般要求PLC的存储器容量,按256个I/O点至少选8K存储器选择。
需要复杂控制功能时,应选择容量更大,档次更高的存储器。
选择PLC时,应考虑性能价格比。
考虑经济性时,应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素,进行比较和兼顾,最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。
当点数增加到某一数值后,相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加,估因此,点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响,在算和选用时应充分考虑,使整个控制系统有较合理的性能价格比。
机械手PLC选择及参数
综合上述原则机械手控制系统主机为西门子的S7-200。
S7-200作为西门子SIMATICPLC家族中的最小成员,以其超小体积,灵活的配置,强大的内置功能,多年来一直广泛服务于国内的各行各业。
由于它具有结构小巧,运行速度快,价格低廉及多功能多用途等特点,因此在工业企业中得到了广泛的应用。
S7-200丰富的种类:
·CPU221:
内置10个数字量I/O点,不可扩充;
·CPU222:
内置14个数字量I/O点,可扩充到78路数字量I/O或10路模拟量I/O;
·CPU224:
内置24个数字量I/O点,可扩充到168路数字量I/O或35路模拟量I/O;
·CPU226:
内置40个数字量I/O点,可扩充到248路数字量I/O或35路模拟量I/O;
主机为S7-200中的CPU226,因为他能扩展七个模块。
模块1-模块4为EM232,它是模拟量输出模块,每个模块有两个输出通道。
电源为220V交流电。
4.3操作面板及动作说明
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。
当旋钮打向回原点时,系统自动地回到左上角位置待命。
当旋钮打向自动时,系统自动完成各工步操作,且循环动作。
当旋钮打向手动时,左旋钮打到上/下时,按下启动按钮机械手上升;按下停止按钮,机械手下降,以此类推。
按下急停时,系统断电停止动作。
操作面板如图4-1所示。
图4-1
4.4确定输入输出点数
1)输入信号
位置检测信号:
下限、上限、右限、左限共4个行程开关,需要4个输入端子。
“无工件检测”信号:
用光电开关作检测元件,需要1个输入端子。
“工作方式”选择开关:
有手动、单步、单周期、回原点和连续5种工作方式,需要5个输入端子。
手动操作加载项:
有下/上、右/左、加紧/放松3个选项,也需要3个输入端子。
自动工作:
尚需启动、正常停车、紧急停车3个按钮,也需要3个输入端子。
以上共需要16个输入信号。
2)输出信号
PLC的输出用于控制机械手的下降、上升、右移、左移、加紧、放松,共需要6个输出点。
所以,至少需要6个输出点。
机械手现场信号和PLC软继电器编号对照表如图4-2所示
图4-2PLC编程符号表
4.5PLC程序设计
4.5.1总程序的设计
图4-3是主程序OB1,SM0.0的常开触点一直闭合,公共程序是无条件执行的。
在手动方式,I2.0为ON,执行“手动”子程序。
在自动回原点方式,I2.1为ON,执行“回原点”子程序。
在其他3种工作方式执行“自动”子程序。
I2.4为连续运行,I2.3为单周期运行,I2.2为单步运行。
图4-3主程序梯形图
4.5.2公用程序的设计
公用程序(图4-4)用于处理各种工作方式都要执行的任务,以及不同的工作方式之间相互切换的处理。
左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的Q0.1的常闭触点的串联电路接通时,原点条件M0.5变为ON。
当机械手处于原点状态,在开始执行用户程序(SM0.1为ON)、系统处于手动状态或自动回原点状态时,初始步对应的M0.0将被置位,为进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。
如果此时M0.5为OFF状态,M0.0将被复位,初始步为不活动步,按下启动按钮也不能进入步M2.0,系统不能再单步、单周期和连续工作方式下工作。
当系统处于手动工作方式和回原点方式时,必须将图4-6中除初始步以外的各步对应的存储器(M2.0~M2.7)复位,否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式,然后又返回自动工作方式时,可能会出现同时有两个活动步的异常情况,引起错误动作。
如果不是回原点方式,I2.1的常闭触点闭合,将代表回原点顺序功能图(图4-9)中的M1.0~M1.5复位。
在非连续方式,I2.4的常闭触点闭合,将表示连续工作状态的标志M0.7复位。
图4-4公用程序梯形图
4.5.3手动程序的设计
图4-5是手动程序,为了保证系统的安全运行,在手动程序中设置了一些必要的连锁:
1)设置上升与下降之间、左行与右行之间的互锁,以防止功能相反的两个输出同时为ON。
2)用限位开关I0.1至I0.4的常闭触点限制机械手移动的范围。
3)上限位开关I0.2的常开触点与控制左、右行的Q0.4和Q0.3的线圈串联,机械手升到最高位置才能左右移动,以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞。
4)只允许机械手在最左边或右边时上升、下降和松开工件。
图4-5手动子程序梯形图
4.5.4自动程序的设计
图4-7是处理单周期、连续和单步运行工作方式的顺序功能图,图4-8是用起保停电路设计的程序,M0.0和M2.0~M2.7用典型的起保停电路控制。
单周期、连续和单步这3种工作方式主要是用“连续”标志M0.7和“转换允许”标志M0.6来区分的。
1)连续工作过程
在连续工作方式,I2.4为1状态。
在初始步为活动步时按下启动按钮I2.6,M2.0变为1状态,机械手下降。
与此同时,控制连续工作的M0.7的线圈“通电”并自保持。
当机械手在步M2.7返回最左边时,I0.4为1状态,因为连续标志位M0.7为1状态,转换条件M0.7·I0.4满足,系统将返回步M2.0,反复连续地工作下去。
按下停止按钮I2.7后,M0.7变为0状态,但是机械手不会立即停止工作,在完成当前工作周期的全部操作后,机械手返回最左边,左限位开关I0.4为1状态,转换条件M0.7·I0.4满足,系统才从步M2.7返回初始步。
2)单周期工作过程
在单周期工作方式,I2.2(单步)的常闭触点闭合,M0.6的线圈“通电”,允许转换。
在初始步时按下启动按钮I2.6,在M2.0的启动电路中,M0.0、I2.6、M0.5(原点条件)和M0.6的常开触点均接通,使M2.0的线圈“通电”,系统进入下降步,Q0.0的线圈“通电”,机械手下降,碰到下限位开关I0.1时,转换到夹紧步M2.1,Q0.1被置位,夹紧电磁阀的线圈通电并保持。
同时接通延时定时器T37开始计时,1s后定时时间到,工件被夹紧,转换条件T37满足,转换到步M2.2。
以后系统将这样一步一步地工作下去。
在左行步M2.7,当机械手左行返回原点位置是,左限位开关I0.4变为1状态,因为连续工作标志M0.7为0状态,将返回初始步M0.0,机械手停止运动。
3)单步工作过程
在单步工作方式,I2.2为1状态,它的常闭触点断开,“转换允许”辅助继电器M0.6在一般情况下为0状态,不允许步与步之间转换。
设初始步时系统处于原点状态,M0.5和M0.0状态为1,按下启动按钮I2.6,M0.6变为1状态,使M0.2的启动电路接通,系统进入下降步。
放开启动按钮后,M0.6变为0状态。
在下降步,Q0.0的线圈“通电”当下限位开关I0.1变为1状态时,与Q0.0的线圈串联的I0.1的常闭触点断开,使Q0.0的线圈“断电”,机械手停止下降。
I0.1的常开触点闭合后,如果没有按启动按钮,I2.6和M0.6处于0状态,不会转换到下一步。
一直等到按下启动按钮,I2.6和M0.6变为1状态,M0.6的常开触点接通,转换条件I0.1才能使M2.1的启动电路接通,M2.1的线圈“通电”并自保持,系统才能由步M2.0进入步M2.1。
以后在完成某一步的操作后,都必须按一次启动按钮,系统才能转换到下一步。
图4-6自动程序顺序功能图
图4-7自动程序梯形图
4)输出电路
输出电路是自动程序的一部分,输出电路中I0.1~I0.4的常闭触点是为单步工作方式设置的。
以下降为例,当机械手碰到下限位开关I0.1后,与下降步对应的储存器位M2.0或M2.4不会马上变为OFF,如果Q0.0的线圈不与I0.1的常闭触点串联,机械手不能停在下限位开关I0.1处,还会继续下降,对于某些设备,可能造成事故。
图4-8输出电路梯形图
4.5.5自动回原点程序
图4-9是自动回原点的顺序功能图,图4-10是自动回原点程序的梯形图。
在回原点工作方式,I2.1为ON。
按下启动按钮I2.6时,机械手可能处于任意状态中,根据机手械当时所处的位置和夹紧状态,可以分为3种情况,采用不同的处理方法:
图4-9自动回原点顺序功能图
1)夹紧装置松开(Q0.1为0状态)
表明机械手没有夹持工件,应上升和左行,直接返回原点位置。
按下启动按钮I2.6,应进入图中的上升步M1.4,达到转换条件。
如果机械手已经在最上面,上限位开关I0.2为1状态,进入上升步后,因为转换条件已经满足,将马上转换到左行步。
2)夹紧装置处于夹紧状态,机械手在最右边
此时Q0.1和I0.3均为1状态,应将工件搬运到B点后再返回原点位置。
按下启动按钮I2.6,机械手应进入下降步M1.2转换条件为I2.6&Q0.1&I0.3,首先执行下降和松开操作,释放工件后,再返回原点位置。
3)夹紧装置处于夹紧状态,机械手不在最右边
此时Q0.1为1状态,右限位开关I0.3为0状态。
按下启动按钮I2.6,应进入步M1.0,转换条件为I2.6&Q0.1&I0.3,首先上行、右行、下降和松开工件,将工件搬运到B点后
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