PLC在搬运机械手控制系统中的应用.docx
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PLC在搬运机械手控制系统中的应用
PLC在搬运机械手控制系统中的应用
摘要
在中国工业韧带发展中,很多高生产率高精度的机械加工设备从国外引进,比如数控车床和铣床等,还有把几种机床的功能集中在一起的加工中心等。
总之这类CNC机床大大的提高了工作速度,产品的加工精度,降低了工作的劳动强度,所以大受欢迎。
但是这类设备引进费用也是相当的昂贵,所以国内很多企业的技术人员在原先的旧机床上进行改进,来达到提高生产率和降低工人的劳动强度,实现工业自动化,这类改进同样也大受欢迎。
我由引想到为普通机床配套设计一套上料机械手,来起到减少上料的时间,减轻工人劳动强度的目的。
机械手是一种模仿人体上肢运动的机器,它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备,对实现工业生产自动化,推动工业生产的进一步发展起着重要作用。
因而具有强大的生命力,受到人们的广泛重视和欢迎。
工业机械手可以代替人手的繁重劳动,显著减轻工人的劳动强度,提高劳动生产率和自动化水平。
工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁,单调的操作,如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的,有时候还要用行车员工件,生产速度大大延缓,这种情况采用机械手是很有效的。
此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。
更显其优越性,有着广阔的发展前途。
关键词:
机械手,CNC,自动化,工业生产
PLCintheHandlingManipulatorControlSystem
ABSTRACT
IntheChina,manyindustrialligamentdevelopingproductivityhighprecisionmachiningequipmentsimportedfromabroad,suchasCNClathe,millingmachine,etc,andhaveseveralfunctionofmachinetogetherinprocessingcenter,etc.InthiskindofCNCmachinegreatlyenhancedtheworkproductmachiningaccuracy,speedandreducethelaborintensityofwork,sopopular.Butthiskindofequipment,theintroductionisalsoveryexpensive,somanydomesticenterprisesinthetechnicalpersonneloftheoriginaloldmachine,toimproveproductivityandreducelaborintensity,industrialautomation,thiskindofimprovementisalsoverypopular.
Ithinkforordinaryledbyasetofmachinedesignonthemanipulator,toreducefeedingtime,reducelaborintensity.Manipulatorisakindofimitationoftheupperbodymovementmachine,itcanbescheduledaccordingtorequesttypeorholdstheautomationtooloperationoftechnicalequipmenn,promotetheproductionofindustrialproductionofthefurtherdevt,industrialautomatioelopmentplaysanimportantrole.Thepowerfulvitalityandtheextensiveattentionbypeople,andwelcome.
Industrialrobotscanreplacethehandsofheavylabor,significantlyreducelaborintensity,andimprovelaborproductivityandautomationlevel.Industrialproductionoftenappearsintheheavyworkfrequently,handlingandlong-termoperation,ifnotdrabrobotsthatlaborintensityishigh,sometimesevenwithemployees,drivingspeedgreatlyretard,thiskindofcircumstanceusingmanipulatorisveryeffective.Inaddition,itcanbeinhightemperature,lowtemperature,water,theuniverse,reflectiveandothertoxic,environmentalpollutionconditionontheoperation.Moreshowitssuperiority,hasbroadprospects.
KEYWORDS:
Manipulator,CNC,Automation,IndustrialProductio
目录
前 言1
第1章绪论4
1.1背景与现实意义4
1.2我国PLC的发展概况5
第2章方案论证和选择6
2.1课题题目、主要研究目标与要求6
2.1.1课题题目6
2.1.2主要研究目标6
2.1.3要求6
2.2方案选择与论证8
2.2.1设计方法的选择与论证8
2.3编程方法的选择与论证9
2.4PLC程序设计的步骤9
第3章PLC(可编程控制器)系统的硬件设计11
3.1功能按钮与开关概述11
3.2输入和输出点分配表12
3.3输入和输出点原理接线图13
第四章系统的软件14
4.1初始化程序14
4.2手动步进操作程序16
4.2.1程序原理16
4.2.2手动步进梯形图16
4.3自动返回原点程序17
4.4自动操作程序17
4.4.1程序原理17
4.4.2自动程序的顺序功能图18
4.5机械手步进梯形图19
第五章总结24
结 论25
谢辞26
参考文献27
外文资料翻译28
前 言
机械手Mechanicalhand,也被称为自动手,Autohand
能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的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。
机械手主要由手部、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)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构,使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。
一般专用机械手有2~3个自由度。
机械手的种类,按驱动方式可分为液压式、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;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。
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的主从式操作手也常称为机械手。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件。
机械手首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
1.硬臂式助力机械手
硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程“漂浮”功能,区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手,而必须选用硬臂式助力机械手。
比如在工件重心远离臂悬挂点,或是工件需要翻转或倾斜情况下,必须选用硬臂式助力机械手,还有在厂房高度有限情况下,可以选用硬臂式助力机械手。
硬臂式助力机械手可以实现提升最大500Kg的工件,半径最大可以达到3000mm,提升高度最大2500mm。
根据起吊工件重量不同,应选择符合最大工件重量的最小型号的机器,如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的工件,那么操作性能肯定不好,感觉很笨重。
配有储气罐,可在断气情况下继续使用一个循环,同时会报警,提醒操作者,在气压下降到一定程度,启动自锁功能,防止工件下降。
并设有安全系统,在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时,操作者不能释放工件。
上海永乾制造的助力机械手(含硬臂式、软索式)还可以在用户现场气压不足的情况下,增加增压泵,可以使设备运行更加平稳。
配合各种非标夹具,硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。
安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。
2.软索式机械手
软索式机械手的功能与气动平衡吊类似,具有全行程的“漂浮”功能,但是提升位移比气动平衡吊要小,最大只有3000mm,而且最大负载只有450Kg。
配有储气罐,可在断气情况下继续使用一个循环,同时会报警,提醒操作者。
配合各种非标夹具,软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。
安装形式可以固定地面或悬挂固定使用,不能使用导轨式。
3.T型助力机械手
区别于硬臂式助力机械手的是T型助力机械手没有双关节机械臂,它的前后左右位移靠导轨来实现。
由于T型助力机械手没有机械臂,因而它比硬臂式显得小巧,更适合于操作空间狭小的场合。
T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小,只有200Kg,但提升高度可以根据客户要求设计,而且搬运范围要比硬臂式大的多。
配有储气罐,可在断气情况下继续使用一个循环,同时会报警,提醒操作者,在气压下降到一定程度,启动自锁功能,防止工件下降。
并设有安全系统,在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时,操作者不能释放工件。
配合各种非标夹具,硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。
安装形式为导轨移动
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。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
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。
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。
用机械手可以代替人从事单调﹑重复或繁重的体力劳动﹐实现生產的机械化和自动化﹐代替人在有害环境下的手工操作﹐改善劳动条件﹐保证人身安全。
20世纪40年代后期﹐美国在原子能实验中﹐首先采用机械手搬运放射性材料﹐人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。
50年代以后﹐机械手逐步推广到工业生產部门﹐用于在高温﹑污染严重的地方取放工件和装卸材料﹐也作为机床的辅助装置在自动机床﹑自动生产线和加工中心中应用﹐完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。
机械手主要由手部机构和运动机构组成。
手部机构随使用场合和操作对象而不同﹐常见的有夹持﹑托持和吸附等类型。
运动机构一般由液压﹑气动﹑电气装置驱动。
机械手能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化保护人身安全,因而广泛应用机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
第1章绪论
1.1背景与现实意义
搬运机械手为工业机械手研制一个技术性能优良的控制系统,对于提高工业机械手的整体技术性能来说具有十分重要的意义。
本论文正是针对这一课题,选择了可编程控制器(PLC)作为工业机械手的控制系统,这对提升工业机械手的整体技术性能起到了良好的作用。
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。
机械手可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。
应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作,可以简化控制线路,节省成本,提高劳动生产率。
机械手也可以应用在生产车间等,常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。
机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能,它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动,提高劳动生产率,保证产品质量。
目前主要应用于制造业中,特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。
机械手与数控加工中心,自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS),实现生产自动化。
随着生产的发展,功能和性能的不断改善和提高,机械手的应用领域日益扩大。
机械手是一种能模拟人的手臂动作,按照设定程序、轨迹和要求,代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。
三自由度机械手又称3D机械人,能够实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品,具有操作范围大,灵活性好,应用广泛的特点。
可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。
由于其具有可靠性高,功能强,编程简单,人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。
可编程控制器(PLC)控制机械手的动作,实现机械手的自动运行。
本论文可编程控制器(PLC)选用西门子(SIEMENS)公司S7-200系列的CPU224。
机械手的开关量信号直接输入PLC,PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制。
本论文的重点放在PLC各硬件部分的设计和介绍、PLC梯形图的编写上。
在整体设计过程中按照“提出问题,分析问题,解决问题”的主导思想,对整个系统的设计工作做出了细致的阐述。
1.2我国PLC的发展概况
我国国家标准(GB/T12643-90)对机械手的定义:
“具有和人手臂相似的动作功能,可在空间抓放物体,或进行其它操作的机械装置。
”
机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。
专用机械手:
它作为整机的附属部分,动作简单,工作对象单一,具有固定(有时可调)程序,使用大批量的自动生产。
如自动生产线上的上料机械手,自动换刀机械手,装配焊接机械手等装置。
通用机械手:
它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。
它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。
它的工作范围大,定位精度高,通用性强,广泛应用于柔性自动线。
第2章方案论证和选择
2.1课题题目、主要研究目标与要求
2.1.1课题题目
PLC在搬运机械手控制系统中的应用
2.1.2主要研究目标
针对生产车间采用的搬运机械手,设计基于PLC的控制系统,实现其运动控制。
2.1.3要求
1.课题要求
(a)分析机械手的工作原理和过程,熟悉其控制要求,确定PLC控制系统方案。
(b)根据总体控制方案,对电气控制等部分进行分析、设计。
(c)采用计算机辅助设计软件绘制所需图纸,三张A1图(PLC梯形图和指令表、PLC顺序功能图、I/O分配表和接线原理图),另两张A3号图(机械手结构示意图、机械手操作盘示意图)。
2.机械手的控制要求
生产车间采用的搬运机械手,其任务是将左工作台的工件搬运到右工作台。
如下图2-1是搬运机械手结构示意图:
机械手动作顺序为:
机械手空手处于原点(上升位置),然后下降、夹紧、上升、右行、右旋、上升、下降、松开、上升、左行、左旋,由此完成一个动作周期。
图2—1机械手结构示意图
(3)搬运机械手的循环系统
机械手启动后,主要按照如图2-2所示的给你做顺序进行工作。
机械手的工作过程可以反复进行,循环搬运。
图2-2节携手的循环图
机械手完成上述动作主要靠液压系统来驱动,控制系统可使用三菱FX2n系列PLC对电磁阀进行控制,然后由电磁阀控制系统来驱动机械手动作。
在该系统控制中,使用了6个电磁阀分别控制上升,下降,左旋,右旋,抓紧和松开这6个动作,相应的电磁阀可称为上升电池阀,下降电磁阀,左旋电磁阀,右旋电磁阀,抓紧电磁阀和松开电磁阀。
另外还使用了5个限位开关分别检测上升到位、下降到位、左旋到位、右旋到位和抓紧到位这5个状态,以及1个反射式光电开关检测传送带A所传颂的物品是否到位。
对于传送带A和传送带B的控制使用的事2个电磁阀接触器实现,对于机械手的启动和停止控制使用了1对启动按钮。
2.2方案选择与论证
2.2.1设计方法的选择与论证
一般地,PLC程序设计方法有4种:
经验设计法、逻辑设计法、计算机辅助编程设计法和顺序功能图设计法。
1经验设计法
利用各种典型控制和基本控制电路,依靠经验直接用PLC设计电气控制系统,来满足生产机械和工艺过程的控制要求的设计方法称为经验设计法。
该方法具有设计速度快的优点,但是在设计复杂程序时,会出现设计漏洞,因此它更适合于具有一定设计经验的人员使用。
经验设计法主要用于简单的控制系统,它要求设计人员具有一定的实践经验,熟悉工业现场常用的基本控制程序。
2逻辑设计法
逻辑设计法的基本含义是以逻辑组合的方法和形式来设计电气控制系统。
这种设计方法既有严密可循的规律性和明确的设计步骤,又具有简便、直观和十分规范的特点。
但是,逻辑设计法的缺点是设计难度较大,不易掌握。
3计算机辅助编程设计法
近年来计算机技术的飞速发展,使得PLC在危机辅助编程方面的应用取得了巨大进步。
计算机辅助编程可以把梯形图直接译成指令形式,可进行在线编程,远程编程,也可离线编程,有些还具有网络监控等更强大的功能,优势明显,因此计算机辅助编程设计方法代表着PLC应用程序设计方法今后的发展方向。
但是,我不具备这样的工作条件和环境,因此不能用计算机辅助编程设计法。
4顺序功能图设计法(SFC)
顺序功能图设计法是专用于工业顺序控制程序设计的一种功能说明语言,是完整地描述控制系统的工作过程、功能和特性的一种图形,是分析和设计电控程序的主要工具。
SFC是适用于顺序控制的标准化语言,利用顺序功能图进行程序设计就是顺序控制设计方法,它具有简单、规范、通用的优点,不仅使梯形图变得容易,而且初学者容易掌握,有一定的方法和步骤可循。
本设计选用顺序功能图设计法。
2.3编程方法的选择与论证
因为选用顺序功能图设计法,可以使用STL指令的编程方法。
但是,是设计生产车间使用的搬运机械手,为了满足生产的需要,很多工业设备要求设置多种工作方式,例如手动方式和自动方式。
自动方式又分为返回原点、单步、单周期和连续等工作方式。
对一个控制系统来说,几种工作方式不能同时运行。
所以设计这类程序时,可以对几种工作方式的程序分别处理,最后再综合起来,这样可以简化程序设计。
PLC在机械手控制中的应用就属于多种工作方式,它既能进行手动操作运动一个工作步,也能自动地循环运行一个过程。
因此,编程方法选用多种工作方式的。
2.4PLC程序设计的步骤
编制PLC控制程序的一般基本步骤:
1详细了解生产工艺和设备对控制系统的要求,画出系统的信号的时序图。
2根据生产设备现场的需要,将所有输入信号、输出信号及其他信号分别列表,并按PLC内部软继电器的编号范围,给每个信号分配一个确定的I/O地址。
3根据控制要求设计程序。
(1)初始化程序;
(2)手动程序;
(3)自动返回原点程序;
(4)自动程序
第3章PLC(可编程控制器)系统的硬件设计
3.1功能按钮与开关概述
根据控制要求,以下是功能按钮的介绍:
X10:
手动开关
X11:
回原点开关
X12:
单步开关
X13:
单周期开关
X14:
连续开关
X15:
回原点启动
X16:
启动按钮
X17:
停止按钮
X18:
紧急停车
X20:
夹紧按钮
X21:
松开按钮
X22:
上升按钮
X23:
下降按钮
X24:
右行按钮
X25:
左行按钮
X26:
右旋按钮
X27:
左旋按钮
以下是图3—1机械手操作盘示意图:
图3—1机械手操作盘示意图
3.2输入和输出点分配表
根据控制要求,共需要23个输入点、8个输出点。
选用FN1N-40MR的PLC时,I/O分配如表3—1所示。
表3-1I/O分配表
输入
输出
手动开关
X10
右旋按钮
X26
上升电磁阀
Y0
回原点开关
X11
左旋按钮
X27
下降电磁阀
Y1
单步开关
X12
夹紧按钮
X20
紧/松电磁阀
Y2
单周期开关
X13
松开按钮
X21
右行电磁阀
Y3
连续开关
X14
左限位
X1
左行电磁阀
Y4
回原点起动
X15
右限位
X2
原点指示
Y5
起动按钮
X16
工件检测
X3
--
--
停止按钮
X17
上升限位
X4
--
--
上升按钮
X22
下降限位
X5
--
--
下降按钮
X23
左旋限位
X6
--
--
右行按钮
X24
右旋限位
X7
--
--
左行按钮
X25
--
--
--
--
3.3输入和输出点原理接线图
图3—2I/O分配的接线原理图
第四章系统的软件
4.1初始化程序
FX系列PLC的状态初始化指令IST(InitialState)的功能指令编号为FNC60,它与STL指令一起使用,专门用来设置具有多种工作方式的控制系统的初始状态以及设置有关的特殊辅助继电器的状态,从而简化复杂的顺序控制程序的设计工作。
IST指令只能用一次,应放在程序开始的地方,被它控制的STL电路应放在它的后面。
该系统的初始化程序用来设置初始状态和原点位置条件。
IST指令的格式如图所示,图中的源操作数[S]指定与工作方式有关的输入继电器的起始输入,它实际上指定从X10开始的8个输入继电器具有以下意义:
X10:
手动开关
X11:
回原点开关
X12:
单步开关
X13:
单周期开关
X14:
连续开关
X15:
回原点启动
X16:
启动按钮
X17:
停止按钮
X10~X14中同时只能有一个处于接通状态,因此必须使用选择开关,如图所示,从而保证这5个输入中不可能两个同时为ON。
图4—1初始化程序的指令图
目标操作数【D1】指定自动操作数模式中,使用状态器的最小序号;目标操作数[D2]指定自动操作数模式中,使用状态器的最大序号。
因此该例自动操作模式所使用的状态器为S20~S27。
IST指令的执行条件满足时,初始状态继电器S0~S2和下列特殊辅助继电器被自动指定为以下功能(即使以后IST指令的执行条件变为OFF,
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