PLC机械手臂搬运加工作业流程控制.docx

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PLC机械手臂搬运加工作业流程控制

1引言

机械手：

mechanicalhand，也被称为自动手，autohand

能模拟人手和臂一些动作功效，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具自动操作装置。

它可替换人繁重劳动以实现生产机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，所以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手关键由手部、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）部件，依据被抓持物件形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多个结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成多种转动（摆动）、移动或复合运动来实现要求动作，改变被抓持物件位置和姿势。

运动机构升降、伸缩、旋转等独立运动方法，称为机械手自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计关键参数。

自由度越多，机械手灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

通常专用机械手有2～3个自由度。

机械手种类，按驱动方法可分为液压式、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；按运动轨迹控制方法可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常见作机床或其它机器附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传输工件，在加工中心中更换刀具等，通常没有独立控制装置。

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主从式操作手也常称为机械手。

机械手在铸造工业中应用能深入发展铸造设备生产能力，改善热、累等劳动条件。

机械手首先是从美国开始研制。

1958年美国联合控制企业研制出第一台机械手。

机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年发展，现在已经成为制造业生产自动化中关键机电设备。

现在，正式投入使用绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。

这代机械手基础上采取点位控制系统，没有感觉外界环境信息感觉器官，关键用于焊接、喷漆和上下料。

第二代机械手含有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但能够依据外界环境信息对控制程序进行校正。

这代机械手通常采取接触传感器一类简单传感装置和对应适应性算法。

现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境和对象物，并含有对复杂信息进行正确处理，对自己行为做出自主决议能力智能化机械手。

它能识别景物，含有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多个感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多个仿生动作，含有教授知识、语音功效和自学能力等人工智能。

现在机械手技术有了新发展：

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、智能机械手（不仅能够进行事先设定动作，还可根据工作情况对应地进行动作，如回避障碍物移动，作业次序计划，有效动态学习等）。

机械手应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，而且蓬勃发展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以下多个发展趋势。

机械手性能不停提升，而单机价格不停下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机开放型控制器方向发展；传感器作用日益关键；虚拟现实技术在机械手中作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。

中国方面：

现在在部分机种方面，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）基础掌握了机械手操作机设计制造技术，处理了控制驱动系统设计和配置，软件设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周围配套设备全套自动通信、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，中国已经含有了独立自主发展中国机械手技术基础。

本课题关键研究是基于PLC机械手模型控制系统设计，包含硬件设计和软件设计。

经过设计编制PLC程序实现机械手模型控制系统自动控制。

利用组态软件MCGS设计出人机界面，进行设备和数据对象连接，实现动画连接，实现机械手监控。

经过MCGS将机械手动作过程进行动画演示，使机械手动作形象化。

提供较为直观、清楚、正确机械手运行状态，为维修和故障诊疗提供多方面可能性，充足提升系统工作效率。

2设计任务及要求、工艺步骤分析

2.1控制要求

（1）图1所表示，有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台1位置进行第一步骤加工。

当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码管显示加工完成数量。

（2）假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等候机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等步骤，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。

（3）当第二加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等步骤，将工件放置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完成数次。

图1机械手臂搬运加工步骤控制过程示意图

2.2机械手臂搬运加工步骤控制工艺分析

机械手能模拟人手和臂一些动作功效，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具自动操作装置。

它可替换人繁重劳动以实现生产机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，所以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

现在机械手关键发展经历能够分为三代：

第一代机械手关键是靠人工进行控制，控制方法为开环式，没有识别能力；改善方向关键是将低成本和提升精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，含有视觉、触觉能力，甚至听、想能力。

研究安装多种传感器，把接收到信息反馈，使机械手含有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中任务。

它和电子计算机和电视设备保持联络，并逐步发展成为柔性系统FMS和柔性制造单元FMC中关键步骤。

机械手关键由手部、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）部件，依据被抓持物件形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多个结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成多种转动（摆动）、移动或复合运动来实现要求动作，改变被抓持物件位置和姿势。

运动机构升降、伸缩、旋转等独立运动方法，称为机械手自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计关键参数。

机械手运动机构关键包含由两个电磁阀控制液压钢来实现机械手上升下降运动及夹紧工件动作，两个转速不一样电动机分别经过两线圈控制电动机正反转，从而实现小车快进、慢进、快退、慢退运动运动；其动作转换靠设置在各个不一样部位行程开关产生通断信号传输到PLC控制器，经过PLC内部程序输出不一样信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不一样动作，可实现机械手正确定位；其动作过程包含：

下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方法包含：

回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中多种操作要求。

此次设计使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等候机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等步骤，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。

当第二加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等步骤，将工件放置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完成数次。

动作示意图图2所表示。

图2机械手控制动作示意图

3控制系统硬件设置

3.1机械手臂搬运加工步骤控制系统硬件组成

本设计中采取机械手，水平（X）轴、垂直（Y）轴采取步进电机控制，底盘旋转采取直流电机控制，抓取物体电磁阀采取气动形式。

步进电机控制，由对应步进电机驱动器电路完成。

完成本设计需要试验设备有：

（1）机械手模型

（2）计算机（3）导线（4）气泵（5）晶体管输出型可编程控制器

机械手控制面板分以下多个模块：

（1）步进电机驱动及步进电机

驱动器电流设定为0.63A，细分设定为8细分，将24V电源接入驱动器，此时驱动器电源指示灯应点亮；将24V和OPTO端（驱动器使能端）连接起来；PUL端是脉冲输入端；DIR是方向控制输入端。

（2）直流电机

本设计用气夹电机和底座电机均是24V直流电机，PLC控制两个直流继电器吸合来控制电机正转和反转。

（3）旋转编码盘

在本设计模型底座上有一个旋转编码盘，在底座旋转时，在此产生一个VP-P为24V方波信号，能够提供给PLC高速计数器，用于机械手定位控制。

（4）靠近开关

在本设计模型中底座和气夹限位经过4个电感式靠近开关来完成。

靠近开关和触头靠近时靠近指示灯点亮、输出低电平，不然为高电平。

（5）行程开关

在本设计模型中两个滚珠丝杆限位经过4个滚轴式行程开关来完成。

当行程开关压下时，常开触点闭合，给PLC一个控制信号。

3.2PLC介绍及选型

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC或PC，是从早期继电器逻辑控制系统发展而来，它不停吸收微计算机技术使之功效不停增强，逐步适应复杂控制任务。

3.2.1PLC结构

PLC和通常微型计算机基础相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。

PLC硬件系统由微处理器（CPU）、存放器（EPROM，ROM）、输入输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其它外围设备组成。

各部分经过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。

其结构简图图2所表示。

图3PLC硬件结构图

PLC软件系统是指PLC所使用多种程序集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。

系统程序是每一个PLC成品必需包含部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身运行，系统程序固化在EPROM中。

用户程序是由用户依据控制需要而编写程序。

硬件系统和软件系统组成了一个完整PLC系统，她们是相辅相成，缺一不可。

3.2.2PLC特点

可编程序控制器是一个以微机处理器为关键工业通用自动控制装置，其实质是一个工业控制用专用计算机。

中国外现有机械手系统，它们控制形式大全部采取可编程序控制器控制，尤其是在智能化要求程度高容量大现代化工业机械手系统中应用更为普遍。

其关键原因是因为PLC含有以下优点：

（1）灵活、通用

（2）可靠性高、抗干扰能力强

（3）操作方便、维修轻易

（4）功效强

（5）体积小、重量轻和易于实现机电一体化

一样，可编程序控制器控制也有其不足地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，而且通用性不好，不一样厂家可编程序控制器和其隶属单元全部是固定专用等等。

3.2.3PLC关键功效

PLC是一个应用面很广、发展很快速工业自动化装置，在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占关键地位。

PLC系统关键有以下功效：

（1）多个控制功效；

（2）数据采集、存放和处理功效；

（3）通信联网功效；

（4）输入、输出接口调理功效；

（5）人机界面功效；

（6）编程、调试功效。

PLC重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，即使软件价格占比重有所增加，不过各厂商为了竞争也对应地降低了价格。

另外，采取PLC还能够大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格深入降低。

PLC产品面临现场总线发展，将再次革新，满足工业和民用控制更高需求。

3.2.4PLC选型

此次设计使用是THWJX-1型机械手实物教学试验装置。

本装置需采取晶体管输出型可编程控制器，可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进电机运行。

因为机械手系统输入/输出点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，该机械手控制为纯开关量控制，且I/O点数不多，考虑留有一定裕量，故选择日本三菱企业生产多功效小型FX1N-24MT-D主机。

4PLC控制系统软件设计

4.1机械手臂搬运加工步骤控制系统I/O分配

依据机械手动作要求及机械手实物教学试验装置说明指导，输入、输出点分配情况如表1所表示。

表1PLCI/O分配表

名称

输入

名称

输出

气夹正转限位

X0

驱动器一PUL

Y0

气夹反转限位

X1

驱动器二PUL

Y1

基座正转限位

X2

驱动器一DIR

Y2

基座反转限位

X3

驱动器二DIR

Y3

旋转脉冲

X4

气夹正转

Y4

X轴前限位

X5

气夹反转

Y5

X轴后限位

X6

基座反转

Y6

Y轴上限位

X7

基座正转

Y7

Y轴下限位

X10

气夹电磁阀YV+

Y10

开启按钮

X11

复位按钮

X12

4.2机械手臂搬运加工步骤控制系统接线图设计

本模型接线设计图4所表示。

图4PLC控制系统接线图

4.3机械手臂搬运加工步骤控制程序步骤图设计

见附录A。

4.4机械手臂搬运加工步骤控制程序梯形图设计

见附录B。

5上位机组态监控系统设计

5.1PLC和上位监控软件通讯

机械手全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。

步进电机运动需要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电机走一步；改变电机转向时，需要加方向信号。

机械手上升/下降、前伸/后缩动作就是经过控制这两个步进电机正反转来实现。

基座正转/反转和气夹正转/反转是经过两个继电器吸合和断开来控制直流电机转动方一直实现。

机械手放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。

当该线圈通电时，机械手放松；该线圈断电时，机械手夹紧。

5.2上位监控系统组态设计

依据控制和生产工艺要求，控制操作包含手动和自动，手动又包含手动步进、回原位操作，自动控制包含单步、单周期、连续操作。

故操作方法选择开关设置有五个档位。

手动工作方法下，手动动作包含上升、下降、放松、快进、慢进、快退、慢退和复位，故设置六个动作看官按钮。

各个动作进行同时均设有动作指示灯。

另外设有开启停止按钮。

其操作面板图5所表示。

图5机械手操作面板示意图

5.3实现效果

打开电源，按下起动按钮时，开机复位。

机械手若不在原点则PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。

当后缩到位时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。

上升到底时碰到上限位开关，上升停止，回到原点。

主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。

降到底时碰到下限位开关，下降停止，气夹电磁阀断电，机械手夹紧。

夹紧后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。

上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。

PLC向驱动器一只输入脉冲信号，步进电机一正转，机械手前伸，前伸到位时，碰到前限位开关前伸停止。

主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。

降到底时碰到下限位开关下降停止，同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。

放松后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。

上升到顶时，碰到上限位开关上升停止。

上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。

PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。

机械手后缩，当后缩到底时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。

下降到底时碰到下限位开关，下降停止，回到原点。

至此，机械手经过八步动作完成一个循环。

6机械手臂搬运加工步骤控制监控系统调试及结果分析

6.1机械手臂搬运加工步骤控制系统调试及处理问题

（1）编程指令选择

我们设计了三个方案

方案一：

使用起保停电路编程方法。

用辅助继电器代表步，仅仅使用和触电和线圈相关指令。

编出程序规范，含有易于阅读和轻易查错优点，但因为存在大量自保持触点，使程序代码较长。

方案二：

采取以转换为中心编程方法。

这种编程方法和转换实现基础规则之间有着严格对应关系，用它编制复杂次序功效图梯形图时，会有很大帮助。

方案三：

采取STL指令编程方法。

STL指令（步进梯形指令）是三菱厂家设计专门用于次序控制指令，使用该指令能够使编制次序控制程序愈加方便，而且易于调试和维护，且代码较短。

（2）接地点选择

完善接地系统接地目标通常有两个，其一为了安全，其二是10为了抑制干扰。

完善接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰关键方法之一。

系统接地方法有：

浮地方法、直接接地方法和电容接地三种方法。

对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采取直接接地方法。

6.2结果分析

经过论证和老师讲解，本设计采取编程方法选择方案三。

良好接地是确保PLC可靠工作关键条件，能够避免偶然发生电压冲击危害。

所以最终我们给PLC接上了专用接地线。

搬运机械手采取PLC控制，体积小，重量轻，控制方法灵活，可靠性高，操作简单，维修轻易。

使用该机械手替换人工搬运工件，既安全，又正确，提升了劳动生产率，确保了工件质量，降低了工人劳动强度，含有很好经济效益和社会效益。

可编程控制器PLC以其丰富I/O接口模块、高可靠性,在机械手控制系统设计中起到了十分关键作用。

结束语

这次课程设计让我学会了很多，在老师和同学指导学习下，最终完成了这一份课程设计。

原来认为自己对可编程序控制器原理知识掌握还比很好，不过到做课程设计时候才发觉自己存在着很多不足，其中就有很多基础知识全部不是很完善，很多知识全部掌握不是很扎实。

课程设计是一个理论和实际结合过程。

仅仅有理论是不够，更关键是实际，是我们所设计实物，含有设计合理，经济实用优点。

这就需要我们设计者考虑问题是要仔细、周密，不能有丝毫大意。

对设计方案优越化，也需要我们综合各方面原因考虑，尤其是实际。

设计同时也加强了我和老师交流，认识到知识渊博度。

再次向教育指导我老师及同学表示真挚感谢！

我很兴奋，因为整个过程全部是我们自己去设计。

设计过程中，经过针对性地查找资料，了解相关电子方面资料，既增加了自己知识面，补充最新专业知识，又提升了自己应用能力和实践能力。

对学过书本理论知识起到了很好温习作用。

机械手臂搬运加工采取PLC为控制关键结构合理、测试方法可靠，它含有较强灵活性，提升了设备运行可靠性。

经过对机械手臂搬运加工PLC控制系统设计设计，让我很好利用了PLC知识，对书本知识深入消化和巩固。

这次课程设计最终顺利完成了，这个设计让我获益良多，只要用心去学习，不怕困难，不管多么艰苦，我们全部能取得成功。

鉴于学生所学知识有限，经验不足，又是首次研究这种复杂试验，在此过程中难免存在部分错误和不足之处，恳请老师给批评和指正。

致谢

在课程设计论文完成之际，我要忠心感谢身边给过我莫大帮助老师、同学和好友，致以她们最真挚谢意。

此次课程设计是在戴老师亲切关心和悉心指导下完成。

她严厉科学态度，严谨治学精神，精益求精工作作风，深深地感染和激励着我。

从课题选择到项目标最终完成，戴老师全部一直给我细心指导和不懈支持。

戴老师数次问询研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思绪，精心点拨、热忱激励，这让我在整个论文撰写过程中学习到了很多相关课题研究方面知识。

本文参考了大量文件资料，在此，向各学术界前辈们致敬。

最终要感谢是我父母和家人，感谢她们多年来对我默默支持和帮助。

由衷期望在未来日子里，周围老师、同学和好友们一如既往在各方面继续给我更多指教和帮助，以期取得新进步和成绩往返报大家。

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附录A程序步骤图

接通Y3、Y1，下降

附录B程序梯形图