基于PLC机械手控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于PLC机械手控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于PLC机械手控制系统设计毕业设计论文
毕业设计(论文)
(成教)
题目:
基于PLC机械手控制系统设计
院(系):
信息与机电工程学院
专业:
机械制造及自动化
姓名:
学号:
指导教师:
二〇一六年三月十日
毕业设计(论文)任务书
学生姓名
学号
专业
机电一体化技术
院(系)
信息与机电工程学院
毕业设计(论文)题目
基于PLC机械手控制系统设计
任务与要求
任务:
1.进行气动机械手的总体研究,并进行整体运动设计;
2.设计气动机械手气路设计,进行关键部件的计算;
3.用PLC对机械手控制的总体设计;
要求:
1.选取完成后会用软件编写梯形图;
2.完成本毕业设计硬件程序设计;
3.完成程序调试。
完成时间段
2015年11月12日至2016年3月15日共18周
指导教师单位
重庆科创职业学院
职称
讲师
院(系)审核意见
毕业设计(论文)进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师签字
2015.11.12-2015.12.3
查找资料,选题
2015.12.4-2015.12.24
完成论文的初稿
2015.12.25-2016.1.14
完成论文二稿的写作
2016.1.15-2016.2.4
完成论文的终稿及格式修改
2016.2.5-2016.2.25
定稿,打印论文,做好评阅的准备
2016.2.26-2016.3.15
论文评阅
教师对进度计划
实施情况总评
签名
年月日
毕业设计(论文)中期检查记录表
学生填写
毕业设计(论文)题目:
基于PLC机械手控制系统设计
学生姓名:
宋登彩
学号:
7145802010751
专业:
机电一体化技术
指导教师姓名:
蒋祥龙
职称:
讲师
检查
教师填写
毕业设计(论文)题目工作量
饱满
一般
不够
毕业设计(论文)题目难度
大
不够
毕业设计(论文)题目涉及知识点
丰富
比较丰富
较少
毕业设计(论文)题目价值
很有价值
一般
价值不大
学生是否按计划进度独立完成工作任务
学生毕业设计(论文)工作进度填写情况
指导次数
学生工作态度
认真
一般
较差
其他检查内容:
存在问题及采取措施:
检查教师签字:
年月日
院(系)意见
(加盖公章):
年月日
摘要
伴随着机电一体化在各个领域的应用,机械设备的自动控制成分显得越来越重要,由于工作的需要,人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害,增加了工人的劳动强度,甚至于危机生命。
因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构,是机器人的关键部件之一。
其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识:
它能部分地代替人工操作;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;能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件,显著地提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
本设计采用三菱Q系列PLC作为控制机对工业机械手进行控制及监控。
关键词:
可编程控制器PLC机械手气动
Abstract
Followstheintegrationofmachineryineachdomainapplication,themechanicaldeviceautomaticcontrolingredientisappearingmoreandmoreimportantly,industrymanipulatorisanewtechnologywhichinthemodernautomaticcontroldomainappears,itsdevelopmentisbecauseitspositiverolewasknowingdaybydayforthepeople:
Itcanthepartialzonesforthemanualcontrol;Candefertotheproductioncrafttherequest,followsthecertainprocedure,thetimeandthepositioncompletestheworkpiecethetransmissionandloadingandunloading;Canmanufacturetheessentialmachinesandtoolstocarryontheweldingandtheassemblythusgreatlyimprovesworker'sworkcondition,remarkablyenhancesthelaborproductivity,speedsuprealizestheindustrialproductionmechanizationandtheautomatedstep.ThisdesignusesgrindstheoverseasChineselaborerindustrycontrolcomputertotakeonthepositionmachine,QPLCcarriesonthemonitoringandtheperformancedataasthelowerpositionmachinetofreedomindustriesmanipulatorfilesaway
KEYWORD:
PLCGasTransducerventilate
从非法
第一章绪论
第一节设计的目的及意义
一、设计的目的
其动机械手由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。
机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。
二、设计的意义
从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各,也是先进制造技术领域不可缺的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作,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”
生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:
可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。
因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强,仅为某台机床的上下料装置,是附属于该机床的专用机械手。
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。
第二节设计的主要内容
本课题将要完成的主要内容如下:
(1)进行气动机械手的总体研究,并进行整体运动方式设计;
(2)设计气动机械手气路设计,进行关键部件的设计计算;
(3)用PLC对机械手控制的总体设计;
(4)用三菱FX2N编程软件编出PLC梯形图。
第三节设计的背景
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200台,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。
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应用方面则刚刚起步,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。
第二章系统的方案设计
本对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件,这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。
设计气动机械手的原则是:
充分分析作业对象(工件)的作业技术要求,拟定最合理的作业工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性,并能实现柔性转换和编程控制.
机械手的运动示意图如图2-1所示。
图2-1机械手的运动示意
第三章硬件的设计
第一节PLC的硬件选择
考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。
在60年代,汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。
当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。
随着生产的发展,汽车型号更新的周期愈来愈短,这样,继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装,十分费时,费工,费料,甚至阻碍了更新周期的缩短。
为了改变这一现状,美国通用汽车公司在1969年公开招标,要求用新的控制装置取代继电器控制装置,并提出了十项招标指标,即
1.编程方便,现场可修改程序;2.维修方便,采用模块化结构;
3.可靠性高于继电器控制装置;4.体积小于继电器控制装置;
5.数据可直接送入管理计算机;6.成本可与继电器控制装置竞争;
7.输入可以是交流115V;
8.输出为交流115V,2A以上,能直接驱动电磁阀,接触器等;
9.在扩展时,原系统只要很小变更;
10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
第二节编程软件的选择
一、PLC的结构,种类和分类
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,机械手的结构示意如图2-1所示:
图3-1机械手的结构示意图
1.中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
2.存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
3.PLC常用的存储器类型:
(1)RAM(RandomAssessMemory)
这是一种读/写存储器(随机存储器),其存取速度最快,由锂电池支持。
(2)EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)
这是一种可擦除的只读存储器。
在断电情况下,存储器内的所有内容保持不变。
(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。
(3)EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)
这是一种电可擦除的只读存储器。
使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
二、PLC的分类有:
1.小型PLC
小型PLC的I/O点数一般在128点以下,其特点是体积小、结构紧凑,整个硬件融为一体,除了开关量I/O以外,还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。
它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。
2.中型PLC
中型PLC采用模块化结构,其I/O点数一般在256~1024点之间。
I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外,还能采用直接处理方式,即在扫描用户程序的过程中,直接读输入,刷新输出。
它能联接各种特殊功能模块,通讯联网功能更强,指令系统更丰富,内存容量更大,扫描速度更快。
3.大型PLC
一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。
大型PLC的软、硬件功能极强。
具有极强的自诊断功能。
通讯联网功能强,有各种通讯联网的模块,可以构成三级通讯网,实现工厂生产管理自动化。
大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统,使机器的可靠性更高。
第三节其他硬件的选择
1、接近开关传感器的概念在各类开关中,有一种对接近它物件有“感知”能力的元件——位移传感器。
利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的,这就是接近开关。
当有物体移向接近开关,并接近到一定距离时,位移传感器才有“感知”,开关才会动作。
通常把这个距离叫“检出距离”。
不同的接近开关检出距离也不同’
2.设计参数
项目/型号AC2000AC2500AC3000
额定负载(kg)200025003000
货叉最低高度(mm)857585758575
货叉最高高度(mm)200190200190200190
轮向轮(大轮)(mm)Φ200×50Φ180×50Φ200×50Φ180×50Φ200×50Φ180×50
承重轮(小轮)(mm)单轮Φ82×93Φ74×93Φ82×93Φ74×93Φ82×93Φ74×93
双轮Φ82×70Φ74×70Φ82×70160×50Φ82×70160×50
货叉尺寸(mm)160×50160×50160×60
货叉总宽度(mm)685450/520/540/685
货叉长度(mm)800/900/1000/1067/1100/1150/1220
低放型产品规格参数
项目/型号ACD61ACD51ACD35
货叉最低高度(mm)615135
货叉最高高度(mm)17516590
轮向轮(大轮)(mm)f180×50f180×50f160×50
双轮f60×70f50×70f34×58
货叉尺寸(mm)160×37160×30
货叉总宽度(mm)540/658/838530/685
货叉长度(mm)1150/12201120
超长、超宽型产品规格参数
项目/型号AC20AC20L
额定负载(kg)2000
货叉最低高度(mm)75/85
轮向轮(大轮)(mm)f200×50
承重轮(小轮)(mm)单轮f74×93/f82×93
双轮f74×70/f82×70
货叉尺寸(mm)160×50160×60
第四节I/O信号的确定及选取
本设计采用的PLC是日本三菱公司的FX2N系列的继电器输出型PLC。
其特点是:
1、内置8K容量的RAM存储器,最大可以扩展到16K。
2、CPU运算处理速度0.08μS/基本指令。
3、在PLC右侧可连接各种输入输出扩展模块和特殊功能模块。
4、基本单元中内置2轴独立最高的20kHz定位功能(晶体管,继电器输出型)。
5、快速断开端子块,其采用优良的可维护性快速断开端子块,(类似于热插型,接上电缆的时候也可以更换但元)。
6、时钟功能及小时表功能,所有的FX2N系列PLC中都有实时时钟标准。
7、输入滤波器调节功能,通过用输入滤波器来平整输入信号(在基本单元中x0到x17)。
8、注解记录功能,元件注释可以在程序寄存器当中记录。
如图3-2所示为三菱FX2N-16MR。
图3-2三菱FX2N-16MR
表3-1I/O分配输入端一览表
输入
功能(设备)
输入
功能(设备)
X000
原点
X014
超程保护(行程开关LS3)
X001
X方向位移+SB4
X015
旋转原点(行程开关LS4)
X002
X方向位移-SB5
X016
超程保护(行程开关LS5)
X003
Y方向位移+SB6
X017
位置保存SB3
X004
Y方向位移-SB7
X020
手动
X005
旋转位移+SB8
X021
回原点
X006
旋转位移-SB9
X022
单步运动
X007
机械手夹紧SB10
X023
单周期运动
X010
机械手放松SB11
X024
全自动运行
X011
X原点(行程开关LS0)
X025
回原点启动SB0
X012
超程保护(行程开关LS1)
X026
自动启动SB1
X013
Y原点(行程开关LS2)
X027
停止SB2
表3-2I/O分配输出端一览表
输出
功能(设备)
输出
功能(设备)
Y000
步进电机脉冲信号
Y014
Y方向位移+指示灯L4
Y001
X步进电机驱动器ENA
Y015
Y方向位移-指示灯L5
Y002
X步进电机转向
Y016
旋转位移+指示灯L6
Y003
Y步进电机驱动器ENA
Y017
旋转位移-指示灯L7
Y004
Y步进电机转向
Y020
机械手指示灯L9
Y005
旋转步进电机驱动器ENA
Y021
故障指示灯L10
Y006
旋转步进电机转向
Y022
故障报警嗡鸣器
Y007
机械手夹紧/放松、L8
Y023
Y010
回原点指示灯L0
Y024
Y011
自动启动指示灯L1
Y025
Y012
X方向位移+指示灯L2
Y026
Y013
X方向位移-指示灯L3
Y027
此方案对超程保护所使用的行程开关合运动方向指示灯,独立分配I/O。
优点:
1.独立控制,互不干扰。
2.程序简单,无需添置编码、解码张芯片及其抗干扰设施。
3.良好的稳定性。
缺点:
价格略高。
PLC硬件接线图见图3-3所示:
图3-3三菱FX2N-48MT-DPLC接线图
1.三菱FX2N-48MT-D型PLC
2.ST-2HB02X型步进电机动驱动器
3.42HS003两相混合式步进电机
第五节PLC系统回路设计
整个系统的回路设计如下:
第四章PLC软件设计
第一节工作流程图
本机械手采用点位控制,我们可将整个运动看作折线运动,每一步动作归纳为参数不同的点位之间动作。
以起点作为参考点,通过脉动计数,得到目的点的位置。
手动操作机械手从参考的到达目的点后,保存目的点的相对特征参数,并对每一步保存的参数进行列表管理。
实现手动模式下关键点位输入,自动模式查表“仿形”运动。
手动设置好以后就可以按预先设置自动运行。
核心思想:
记录关键点,构造工作路径和状态。
现就四工位作以下说明。
用户在手动原点状态下,控制机械手至A点位(到A点的路径可制定中间点实现绕行),按下保存,记录该点重要参数。
之后控制机械手到B点位夹取工件,同时记录机械手张开位置及夹紧位置,为简化过程,可在A点设置机械手张开,B点设置夹紧。
控制机械手移动,同前所述记录关键点位,到D点放下工件。
再用同样的方法到下一工位进行操作。
图4-1工作流程图
第二节机械手的程序设计
自动线的输送动作由步进电动机带动实现间隔输送,实现设计要求的输送状况。
其工作的过程是:
机械手首先处于初始位置,然后经过一系列的动作将断续传送带上的工件拿走,此时传送带上的光电检测检测开关检测到工件被取走。
然后传送带开始转动,当检测到下一个工件时传送带停止转动等待机械手来取工件,当然只要机械手取走工件传送带就开始转动,这样设计是为了节省工作时间从而不会出现机械手等待传送带的时间。
对程序的要求如下:
(1)首先启动机械手时机械手自动复位处于初始位置;
(2)在机械手工作前还要对其进行设备的检测即机械手空运行一次而且机械手的每一个动作都有相应的定时器进行监控若超出规定的运行时间则认为是设备出现故障。
(3)机械手设有急停按钮(一般情况下是不被允许使用的)只有出现紧急情况时才允许按此按钮,按下此按钮将切断储气罐与各汽缸的联系将被切断各汽缸处于无动力状态。
第三节各模块的程序设计
1.子程序调用和返回指令
指令编号及助记符:
子程序调用功能指令FNC01CALL,CALL(P)。
子程序返回功能指令FNC02SRET。
指令的目标操作元件是指针号P0~P62(允许变址修改)。
子程序与标号的位置:
CALL指令必须和FEND,SRET一起使用。
子程序标号要写在主程序结束指令FEND之后。
标号P0和子程序返回指令SRET间的程序构成了P0子程序的内容。
当主程序带有多个子程序时,子程序要依次放在主程序结束指令FEND之后,并用不同的标号相区别。
子程序标号范围为P0~P62,这些标号与条件转移中所用的标号相同,而且在条件转移中已经使用了标号,子程序也不能再用。
同一标号只能使用一次,而不同的CALL指令可以多次调用同一标号的子程序。
图4-2CALL指令举例
2.多点传送指令
指令格式
指令编号及助记符:
传送指令FNC16FMOV[S·][D·]n
其中:
[S·]为源软组件;[D·]为目软组件;n为目软组件个数
指令中给出的是目软组件的首地址。
常用于对某一段数据寄存器清零或置相同的初始值。
源操作数可取除V、Z以外的所有的数据类型,目标操作数可取KnY、KnM、KnS、T、C、和D,n小等于512。
FMOV指令是将源操作数中的数据传送到指定
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