气动安装机械手的PLC控制设计 机械制造及其自动化.docx

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气动安装机械手的PLC控制设计机械制造及其自动化

目录

1.引言1

2.气动机械手的发展历程及应用现状1

2.1气动技术简介1

2.2机械手技术简介2

2.3PLC解析2

3.PLC的气动机械手控制系统的需求分析4

3.1基于PLC的气动机械手控制系统特点4

3.2基于PLC的气动机械手控制系统的发展前景分析4

3.3基于PLC的气动机械手控制系统的功能需要4

3.4基于PLC的气动机械手控制系统设计相关技术5

4.气动安装机械手的发展趋势9

4.1重复高精度化9

4.2实现自动化10

5.总结10

参考文献11

致谢13

1.引言

伴随着经济的发展，生产行业向机械化、自动化的方向快速发展，机械手应运而生。

进入21世纪以来，电子技术已经广泛应用于各行各业，机械手的研制和生产已经受到相关行业的广泛重视。

在实际建设过程中，很多企业愿意在生产过程中采用机械手进行作业，这样不仅可以降低生产成本，还能减轻人力劳动强度。

正因如此，在很大程度上促进了机械手的发展，使其更加符合生产企业的实际需求。

气动机械手在生产领域发挥着不可替代的作用，具有结构简单、价格低廉以及可靠性高等特点。

气动技术以压力为动力，压力主要来源于大气，对环境污染较小，是实现企业发展自动化的重要手段之一。

本文以气动机械手的控制设计为主要研究对象，对其控制设计思路做了简单介绍。

2.气动机械手的发展历程及应用现状

气动技术的动力来源主要就是空气压缩机，通过对空气进行压缩，来传递能量或者传递信号，是自动控制的一种主要手段。

最早在1776年，由约翰威尔逊成功的研制了第一台空气压缩机，这台空气压缩机只能产生一个气压的压力。

1880年，人们在火车的刹车上装上了气缸，成功的做成气动刹车。

在20世界30年代，气动技术被广泛应用于自动门和机械的辅助动作上。

到20世界50年代初期，在液压的基础上，研究出了气压元件，不过这时气压元件体积庞大。

60年代，气动技术已经自成体系，形成工业控制系统。

70年代，气动技术结合电子技术，被广泛应用于自动化控制领域。

80年代，开始演变成气动微型化和集成化的时代。

90年代一直到现代，相关工作人员已经将气动技术逐渐完善，各种高精度的气动机械手诞生，智能化的气动技术概念诞生。

在技术的不断完善下，不断解决了生产线中遇到的控制问题。

气压系统可以适用于易燃易爆、高温震动强磁辐射等多种恶劣环境，所以气动系与多种器械结合使用。

气动机械手是机械手中最重要的一种，它节能无污染、动作灵活、结构简单，平稳可靠、重量轻，这些优点使气动机械手被半导体、化工、汽车制造、家电制造、军事工业以及精密仪器等领域广泛使用。

2.1气动技术简介

气动技术是以压缩空气为工作介质来进行能量与信号传递的，是实现各种生产过程和自动控制的一门技术。

近二十年来气动技术以节能、高效、成本低廉、无污染等优点发展比较快，在机械工业、轻工业、化工、冶金、电子工业等均广泛应用。

气动元件主要向着电气一体化、小型化、复合集成化、高速度和高出力方向发展，在促进工业自动化的发展中起到了极为重要的作用。

以流动的气体为工作介质，因空气可压缩性大其运动的稳定性稍差，工作压力偏低，动作灵敏、易远距离传送。

气动系统通常有动力元件（空气压缩机）、执行元件（缸或马达）、控制元件（各类阀和逻辑元件）及辅助元件等组成。

气源装置通过管路系统将压力分配至各控制单元回路中，以实现对工作任务的控制要求。

各控制回路通常由压力控制回路、换向控制回路、速度控制回路、位置控制回路及同步控制回路等组成。

2.2机械手技术简介

机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求来实现自动抓取、搬运的机械自动化控制装置。

随着科技进步，自动化领域使用机械手越来越广泛，最近几年我国机械手每年增加数量较大，至2012年底我国供应机械手总数在6万多台，较前些年有相当大的增幅。

基于气动技术控制系统中以压缩空气为能源，取之不尽、用之不绝。

具有设备结构简单、动作迅速、反应灵敏、节能等优点，特别是没有污染，易于控制非常符合现代绿色制造的发展方向，目前在食品包装、医药传输等均有较多应用。

本次设计是基于三菱公司生产的FX2N系列PLC为控制器实现对气动机械手控制。

随着机械手的应用不断普及，智能化水平不断提高，形成机-电-液-气结合的自动化装置越来越受青赖。

从机械加工的装配等应用场合已向非制造业不断延伸如采矿机器人、建筑机器人、水下作业等。

随着网络技术的不断应用、电子技术不断精细化、更多的高技术附加于机械手，将促进机械手的智能化水平更高，完成人类许多工作。

作为机械制造行业的柔性制造生产将更大范围应用，比如上海摩恩电气公司新开工的厂区均引入了最先进的生产线，原来十个人的生产线现只需要二人，大量减少了人力。

2.3PLC解析

自1969年美国数字设备公司研制了第一台PLC，基于当时的生产技术以分立元件及中小规模的集成电路为主，完成一些简单的功能。

70年代微处理器出现后引入到PLC技术使之增加了许多功能。

为适应广大电气工作人员的阅图习惯，PLC中采用与继电接触器相似的梯形图作为主要编程语言。

其各组成运算、处理的存储单位均称为继电器。

我国在70年代中期开始引进PLC技术，发展到现在可以生产一些小中型产品，如上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列等，均获得了一定量的生产与应用。

在产品的发展上随着计算机技术发展会有更多成果应用于PLC上，甚至部分学者认为可能会被计算机所取代。

根据这些年的发展上看可能会出现国际竞争加剧，会出现少数几个品牌垄断国际市场，形成统一的标准语言。

可编程控制器是微型计算机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。

以前所用的继电接触器控制系统，以继电器简单、实用而广泛使用，但因设备体积庞大、动作慢、功能少，难以实现复杂系统的控制，特别是在工艺发生变化时，需要重新设计、布线、装配与调试。

PLC就是可编程逻辑控制器，其采用可编辑的储存器，用于内部储存程序，执行逻辑运算、定时、顺序控制、算术操作和计数等面向用户的最终指令，通过数字控制各种机械进行生产的过程。

PLC实质是专用于工业控制的计算机，在硬件上与微型计算机差别不大，基本由电源、CPU、储存器、输出输入接口电路、功能模块和通信模块六部分构成。

电源是系统中最重要的部分，PLC对电源的要求极高，如果没有可靠的电源，就无法进行正常的工作。

CPU是PLC的控制中枢系统，它按照PLC赋予的功能接收存贮用户的数据，并且诊断语法的错误。

在PLC运行时，首先就是CPU扫描输入的数据，然后存入I/O映象区。

接着从用户的储存器中读取用户的程序，在经过命令解释后把运算结果送入数据寄存器，在所有的用户程序处理完以后，最后将储存器的数据送入输出装置，在停止前一直反复运行。

一般大型的PLC采用双CPU系统，这样可以保证PLC系统的正常运行。

存储器有存储系统软件和应用软件。

功能模块有计数和定位等功能。

PLC的工作原理，是在PLC运行后，有三个阶段的工作过程，就是输入采样，用户程序执行以及输入刷新。

每一个扫描周期都必须完成这三个阶段。

在运行的整个过程中，PLC的CPU重复执行这三个阶段的工作。

输入采样阶段：

输入采样阶段中，PLC以扫描的方式依次读取所有的输入数据和状态，并且存入I/O映象区的对应单元内。

在输入采样过程结束以后，进入用户执行程序和输出刷新阶段。

这两个阶段，输入数据和状态即使发生了变化，I/O映象区中的对应单元数据和状态也不会发生变化，所以输入脉冲信号，那么脉冲信号宽度要大于一个扫描周期，这样才能保证输入读入的均匀。

用户程序执行阶段：

在这一阶段中，PLC一直是按照从上到下的顺序依次进行对用户程序的扫描，在每次扫描时，又一直按照扫描左面的触电构成的控制路线，然后扫描右侧，始终按照从左到右，从上到下的顺序对触电构成的线路图进行逻辑的运算处理，在根据逻辑运算的实际结果，进行刷新输出线圈在I/O映象区中的应位状态，确定是否需要执行特殊功能的指令。

3.PLC的气动机械手控制系统的需求分析

3.1基于PLC的气动机械手控制系统特点

机械手的驱动方式广泛，目前控制媒介采用气动技术实现的气动机械手应用最为广泛。

机械手的气动控制技术的气源主要取自于周围环境，因此不需要额外付出媒介的费用，不仅节省了资金投入，同时又不会造成环境污染的问题。

与另一应用广泛的液压控制系统相比较来看，气动控制具有更加优良的灵活性，且气动控制设备更加轻便，方便与前期的运输、安装与调试。

此外，气动控制装置还具有对工作环境要求不高、噪声小和无油污的有点，因其众多的优点而使气动技术成为现代控制技术中首选的控制方式。

在现代工业控制技术快速发展的大背景下，进一步推进光一机一电技术一体化已经成为重要研究方向，更多先进的技术广泛应用到产品设计之中，在提高机械手抗干扰能力增加机械使用寿命等方面得到不俗成效。

3.2基于PLC的气动机械手控制系统的发展前景分析

伴随现代控制工程技术快速发展，机械手是为满足工业生产需要而产生的智能控制装置，各研发生产企业为了获得更加优良的控制效果和经济利益而不断加强对机械手的优化控制，进而不断在机械手控制领域产生新的技术与成果，从而不断引领工业控制领域的快速发展。

对于机械手的业务分析来看，要求机械手的设计方案具有成本小、控制简单及反应灵敏的特点。

为了满足机械手研发企业的利润要求，技术研发人员需要具备全面的科研技术能力，能对新兴的技术热点进行技术掌控，将更加创新的技术和工艺引用到机械手控制领域之中，不断促进工控科技的发展，帮助企业获取更多的利润。

对于机械手业务能力发展而言，企业需要不断跟踪机械手领域最新的科技成果，保证企业处于该领域的前沿，此外还需要不断开拓市场，推进机械手应用到更多的领域，在保证企业既定利润的前提下，企业应以最低的价格推动机械手的普及，以促进产品的生产与发展。

3.3基于PLC的气动机械手控制系统的功能需要

机械手作为一种智能化的工控设备，应根据使用用途和使用环境的不同，应有针对性的设计机械手控制系统，因此对该系统的功能需求分析就显得尤为重要。

机械手的系统功能分析主要是指研发人员需要根据机械手的动作要求进行分析进而设计实现的过程，这要求科研人员将研发过程中的各个步骤不断细化，将各个功能具体到每个步骤上，体现在控制方式上，在开放过程中应尽量使用新的方式方法，并能不断对新功能进行开发。

本设计方案中，将机械手基于气动控制方式下进行实现，在控制方法上选择手动与自动控制方式相结合，在具体的操作动作上要实现机械手的伸出、缩回、旋转、抓取以及放下等功能，各个动作主要由气动回路利用电磁阀的动作来实现运动动作。

3.4基于PLC的气动机械手控制系统设计相关技术

3.4.1气动机械手结构与工作原理

气动机械手由手臂和基座两部分组成，其中基座主要起到支撑和辅助手臂完成同转，机械手可以在基座上从上至下进行直线运动，机械手可以根据要求进行夹紧/放松操作。

不同类型的气缸驱动模式完成可机械手的不同动作，这一过程主要是由PLC控制电磁阀的阀芯位置从而改变压缩空气的流通方向，进而完成机械手的一系列动作。

气动机械手的工作压力维持在0.6MPa，最高值可以达到1MPa。

气动机械手的自由度包括两个直线运动和一个旋转运动，可以实现将一个工作台上的物品搬到另一侧的工作台，并能在搬运过程中完成上升/下降、左旋转/右旋转、夹紧/放松功能。

升降操作的工作行程为0~1500mm，这个过程主要通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成。

而转动操作的工作行程为0°~180°，这个过程通过摆动气缸、轴向止推轴承、摆动臂及摆动位置微动开关协调完成操作。

3.4.2气动机械手的控制方式

基于PLC的气动机械手根据控制模式不同可以分为手动控制与自动控制两种，其中手动控制属于一种辅助控制模式，主要应用在系统安装调试阶段和系统维护阶段，在手动控制模式下，可以通过控制按钮实现对机械手各个部分的独立控制，手动操作作为一种重要辅助控制模式必须在气动机械手控制系统设计过程中给予考虑。

自动控制模式以PLC为主要载体，机械手按照技术人员预先编写的程序进行操作，自动控制模式根据执行周期的差异又可以分为单周期控制方式和全自动控制方式。

单周期控制方式会按照预设程序执行一个周期的任务随后即停止，不重新启动操作不会进行下次任务。

全自动控制方式在一次启动之后会连续进行任务操作，当出现紧急情况时可以按下急停按钮进行停机操作。

3.4.3气动机械手的气动系统

启动机械手的气动驱动系统是机械手完成各种操作的主要传动执行装置，这部分可以根据预设的程序执行多种不同任务，来使整个工控过程的更具有工作效率。

本设计方案中基于PLC的气动机械手控制系统采用4个双电控电磁阀来掌控3个气缸和1个负压发生器，来控制机械手的移动轨迹和电磁阀以及气缸的动作，此外为了控制机械手的调节速度，在各个气路配置了节流阀。

在手动控制模式下，按下启动按钮可以控制气缸和负点发生器的电磁阀上电，从而使气缸驱动和吸盘执行操作，进而推动机械手工作。

负压发生器和气吸盘串联来满足机械手吸起物品的要求，高压气体会通过负压发生器，则气吸盘会呈现负压。

3.4.4气动机械手控制系统设计

机械手原理图如图1所示，机械手由四个气缸组成，分别为左移、右移摆动气缸，手臂伸出、缩回气缸，手臂上升、下降气缸，手爪夹紧、松开气缸。

摆动气缸、伸缩气缸、升降气缸均为双作用气缸，由双线圈两位电磁阀控制气缸的伸出缩回动作，每个气缸由两个磁性开关检测极限位置，控制气缸的行程，气缸带节流阀，便于调速。

夹紧、松开气缸为单作用气缸，由单线圈两位电磁阀控制，由一个磁性开关检测其状态，处于夹紧位时，磁性开关状态为ON，松开时为OFF。

气动系统原理图见图2。

图1气动机械手原理图

图2气动系统原理图

机械手要完成将工件从一工位搬到二工位，其动作从原位开始，机械手原位默认为：

摆动缸处于左极限位，伸缩气缸处于缩回位，升降气缸处于上极限位，夹紧气缸处于松开位置。

机械手的动作流程为：

原位→伸出→下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→缩回→左移，实际工作过程如下：

（1）系统上电后先检查机械手是否处于原位，若不是，则等待机械手复位。

按下复位按钮，强行回到原位，此时原位指示灯亮；

（2）按下启动按钮，机械手开始搬运工件，首先伸出电磁阀通电，伸缩气缸伸出；（3）伸缩气缸的伸出位磁性开关检测气缸到达伸出极限后，伸出电磁阀断电，伸出动作停止，同时下降电磁阀通电，升降气缸下降；（4）到达下限位，下降电磁阀断电，下降停止，夹紧电磁阀通电，手爪夹紧；（5）到达夹紧极限，上升电磁阀通电，升降气缸上升；（6）到达上限位，上升电磁阀断电，上升停止，右移电磁阀通电，摆动缸右移；（7）摆动缸到达右限位，右移电磁阀断电，右移停止，下降电磁阀通电，伸缩气缸下降；（8）到达下限位，下降电磁阀断电，下降停止，手爪电磁阀断电，手爪放松；（9）手爪放松后，上升电磁阀通电，升降气缸上升；（10）到达上限位，上升电磁阀断电，上升停止，缩回电磁阀通电，伸缩气缸缩回；（11）到达缩回极限，左移电磁阀通电，摆动缸左移，到达左限位，原位指示灯亮，自动开始下一个循环。

若按下停止按钮，机械手完成一个周期动作后，停止在原位。

此控制系统可适应单周期或往复循环运行。

完成上述搬运动作，机械手的动作顺序流程见图3。

需要的PLC输入/输出接点见表1，共需要10个输入点，8个输出点。

为保证一定的冗余，以便系统扩展，因此选用西门子公司的S7-200系列，CPU224型的PLC，其输入点数为14，输出点数为10，共24个数字量I/O点，它工作稳定可靠，性价比高，具有更快的运行速度和强大的内部集成特殊功能，适用于复杂的中小型控制系统。

机械手PLC控制程序见图3和图4。

表1PLC的I/O分配表

图3机械手动作流程图

图4部分机械手PLC程序

用S7-200PLC编程语言实现上述动作流程，可以采用多种方法，方法一：

用顺序控制指令实现，顺序控制指令包含LSCRSx.y、SCRTSx.y和SCRT三条指令构成一个SCR段，每段用来描述一步状态。

此方法步骤清晰，可以直接和流程图对照，但语句较多，执行速度慢。

方法二：

用寄存器移位指令SHRB实现，机械手每个动作用中间继电器Mx.y标注，所有动作的转换条件并联在SHRB的使能信号端EN端，每次移位执行下一个动作。

方法三：

用左/右移位指令SHL-W或SHR-W实现。

方法二和方法三编制的程序类似，语句比方法一少很多，目前较多采用方法二或方法三编制机械手动作程序。

用方法二寄存器移位指令SHRB编制的部分机械手梯形图程序见图4。

4.气动安装机械手的发展趋势

4.1重复高精度化

精度是指机械手所能达到的精确程度，这需要精良的驱动器分辨率和反馈装置。

重复高精度就是指在机械手经历重复的工作多次，还能够达到一样的精细程度。

如果气动机械手不能够有完美的高精度，那么在工作中就会出现误差，会为工作带来严重的后果。

所以气动机械手的发展法相是朝着高精度进行，可以结合现代化的控制技术与微电子技术，尽量的减少误差，通过对程序的编辑，来校正误差数据，然后经过机械手的不断重复测试，找到合理的误差范围。

因此，只要气动机械手的重复精度持续提升，那么它的应用范围也就会逐渐扩大，能够更好地服务不同的行业。

4.2实现自动化

自动化的控制系统还需要以可编程序控制器-传感器-气动元件为基础，发展结合电子技术的自动控制气动元件，将气动技术的开关控制提升到更高精度的反馈控制，减少配线以及元件，这样不但可以使拆装操作更简单，还能够极大地提升系统的可靠性。

5.总结

气动安装机械手是较复杂的一个控制系统，主要体现在它的机械动作复杂，电气控制联锁关系较多。

采用PLC对气动安装机械手进行自动控制，既解决了本系统上料模块和安装模块、推料气缸和平移气缸之间的互锁关系，也解决了本系统与其他机械单元之间的协同作业，很好地实现了气动安装机械手的上料、吸料、安装和联络等功能。

控制系统经过运行调试，设备动作顺畅、性能稳定、可靠性高。

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致谢

论文是在我的导师靳龙教授的悉心指导下撰写完成的。

从论文选题、构思，到企业调研、数据采集以及论文成稿和优化，都倾注了导师大量的心血和汗水在这里谨向靳龙老师表示最衷心的感谢！

其次要感谢辛勤培育和教诲我的各位老师和帮助过我的同学。

最后感谢我的家人，在本文的设计与写作过程中，他们从各方面给我以帮助和支持，使我在繁忙的工作之余，有尽可能多的时间和精力来完成毕业设计。