基于PLC的工业机械手臂控制系统瑶

摘要：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，广泛应用于机械制造冶金部门。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越多、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。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。关键词：机械手自由度点位控制连续轨迹控制基于PLC的工业机械手臂控制系统2目录1绪论.......................................................31.1课题背景与现实意义..........................................31.2机械手的概述................................................41.3本文的主要工作..............................................52搬运机械手总体设计方案.............................52.1搬运机械手结构及其动作......................................62.2机械手的控制过程............................................72.3机械手的控制要求............................................73搬运机械手硬件系统设..............................93.1机械手的结构................................................93.2电气控制的设计.............................................103.3操作面板及动作说明.........................................103.4I/O分配...................................................114搬运机械手的软件系统设计.........................135结论....................................................166谢辞....................................................177参考文献................................................21基于PLC的工业机械手臂控制系统31绪论可编程序控制器(PLC)已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛应用。它是以微处理器为核心,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置，它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用简单等一系列有点；气动技术也是实现工业自动化的重要手段，并已广泛应用于各个部门，在机械产品自动化、工业自动化及企业技术改造方面占有重要的地位。气压传动的介质来自于空气，环境污染小，工程已于实现。机械手在工业自动化生产得到了很好的利用，它可以减少人的充分操作，并且它还可以完成人无法完成的操作，从而大大地提高了工业的生产效率。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，能遵循一定的程序、时间、位置能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工作条件，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。1.1课题背景与现实意义随着人类的发展、文明的进步，工业正不断发展着，需要人们完成的工作量也不断增大（尤其是那种重复性大的工作，像传运货物），涉及到危险性的工作基于PLC的工业机械手臂控制系统4也日趋增多，这就迫使人们研究开发一种新装置，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的一种装置，而机械手正是这样一种装置：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。1.2机械手的概述机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。基于PLC的工业机械手臂控制系统5(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。1.3本文的主要工作本文用实验室器材来模拟用机械手把物体从传送带A拿到传送带B，从而进一步了解机械手的功能、工作方式，并且进一步熟悉PLC的控制程序。2搬运机械手总体设计方案PLC在机械手搬物控制中的应用下图为机械手动作示意图，机械手按下述顺序周而复始地工作：X5X3转盘Y0传送带B光电开关X1上限开关下限开关夹Y2松Y3左限X13右限X7左转右转ZHUA转ZHUANG基于PLC的工业机械手臂控制系统6图2—1转盘Y0为步进式传送物料，每当机械手从转盘Y0输送通道上取走一个物料时，该转盘向前步进一个步距，将使机械手在下一个循环取走物料。机械手搬物动作示意图1中转盘Y0由电动机M控制，械手的左右回转运动由Y10、Y11电控阀控制，机械手的上下运动由电控阀Y12、Y13控制，机械手的夹紧与放松由电控阀控制Y2、Y3，机械手的伸出与缩回由电控阀Y6、Y7控制。位置信号分别为：机械手左、右转到位开关为磁性传感器X13、X7，机械手手臂上升、下降到位开关为磁性传感器X5、X3，机械手伸出、缩回到位开关为磁性传感器X2、X6。2.1搬运机械手结构及其动作本机械手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图2—1所示：基于PLC的工业机械手臂控制系统7图2—2机械手的动作周期2.2机械手的控制过程如图2—1所示转盘Y0为步进式传送物料，每当机械手从转盘Y0输送通道上取走一个物料时，该转盘向前步进一个步距，将使机械手在下一个循环取走物料。机械手搬物动作示意图1中转盘Y0由电动机M控制，械手的左右回转运动由Y10、Y11电控阀控制，机械手的上下运动由电控阀Y12、Y13控制，机械手的夹紧与放松由电控阀控制Y2、Y3，机械手的伸出与缩回由电控阀Y6、Y7控制。位置信号分别为：机械手左、右转到位开关为磁性传感器X13、X7，机械手手臂上升、下降到位开关为磁性传感器X5、X3，机械手伸出、缩回到位开关为磁性传感器X2、X6。2.3机械手的控制要求1）、在初始状态（机械手在上限、左限、手臂缩回）下，按下启动按钮，转盘转动开始输送物料，当光电开关检测到物料时，机械开始动作。基于PLC的工业机械手臂控制系统82）机械手伸出到权限位置时，停止伸出；然后机械手开始下降下降到下限权限位置时，停止下降；然后机械手夹紧物料。3）、机械手夹紧物料后开始上升上升到上限的权限位置时，停止上升；然后机械手缩回缩回到权限位置时，停止缩回。4）停止缩回后机械手开始右转右转到右限位置时，停止右转；当右转停止后机械手开始伸出伸出到伸出权限时，停止伸出、随着机械手开始下降下降到下限位置时，停止下降然后松开物料。5）、松开物料后机械手开始上升上升到上限位置后，停止上升、然后左转到原位完成一个循环。6）、正常工作时闪亮绿灯。7）、按下启动按钮若在30S内光电开关检测不到物体，报警锋鸣响起及红灯闪亮。8）具有断电保持功能、停电后再次来电，需按启动按钮才能启动并从停电时那步继续开始工作机械手。9）、机械手具有急停（机械手立即停止工作、启动后仍从此开始工作）和停止功能（要回到原始位置）。10）、要设计有单步和循环启动功能。所谓“循环”，即一次循环工步完毕后，随即或延时0.5秒后自动进入下一次循环；所谓“单步”，即一次循环工步完毕后，机械手就停在初始位。若想机械手再一次开始工作，必须再次按启动按钮方可。基于PLC的工业机械手臂控制系统911）、适当设计一些延时功能，在机械手工作时。3搬运机械手硬件系统设3.1机械手的结构设计其结构如图3—1所示图3—1机械手的结构示意图图中设置9个行程开关SQ1—SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施控制。其中SQ1为工件是否到位的检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3、SQ4分别为机械手下降上升是否到位检测开关；SQ5、SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关；SQ7、SQ8分别为小车速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关。基于PLC的工业机械手臂控制系统103.2电气控制的设计包括主电路和控制电路的设计。主电路由两台电动机，即慢速电机和快速电机，分别拖动小车慢行和快行，其控制如下：慢速电动机M1由接触器KM1、KM2分别控制其正传和反转；快速电动机M2由接触器KM3和KM4分别控制其正传和反转。机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械手松开，得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情况发生。3.3操作面板及动作说明根据控制和生产工艺的要求，控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步进、回原位操作，自动控制包括单步、单周期、连续的操作。故操作方式选择开关设置有五个档位。手动工作方式下，手动动作包括上升、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。各个动作进行的同时均设有动作指示灯。另外设有启动停止按钮。基于PLC的工业机械手臂控制系统11其操作面板如图3—2所示图3—2机械手操作面板示意图3.4I/O分配X0：启动开关Y0：传送带A运行X1：停止开关Y1：驱动手臂左旋X2：抓动作限位行程开关Y2：驱动手臂右旋X3：左旋限位行程开关Y3：驱动手臂上升基于PLC的工业机械手臂控制系统12X4：右旋限位行程开关Y4：驱动手臂下降X5：上升限位行程开关Y5：驱动机械手抓动作X6：下降限位行程开关Y6：驱动机械手放动作X7：物品检测开关（光电开关）基于PLC的工业机械手臂控制系统134搬运机械手的软件系统设计机械手动控制属顺序控制，故其手动程序采用普通的PLC控制指令控制，自动程序采用步进梯形指令控制基于PLC的工业机械手臂控制系统14基于PLC的工业机械手臂控制系统15基于PLC的工业机械手臂控制系统165结论本设计主要应用于机加