機械手畢業(yè)設計論文 (1)

1、基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 1 頁 共 30 頁江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學院江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文）畢業(yè)設計（論文）題目：題目：基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)的設計姓 名 鮑文 學 院 信息工程分院 專 業(yè) 電氣自動化 班 級 09 電氣自動化班 指導 老師 李瑩 提交 時間 年 月 日 -基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 2 頁 共 30 頁論文題目：基于論文題目：基于 PLCPLC 的機械手系統(tǒng)控制的機械手系統(tǒng)控制 姓姓 名：名：鮑文 班班 級：級：09 電氣自動化班 指導教師：指導教師：李瑩摘要：機械手 能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件

2、或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動） 、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個自由度。自由度是機 械手設計的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手

3、的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有 23 個自由度。 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 3 頁 共 30 頁關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:點控制機械手 連續(xù)控制機械手 可編程控制技術(shù)目目 錄錄摘要 .2引言 .41 PLC 的發(fā)展歷程和構(gòu)成.51.1 PLC 的發(fā)展史.51.2 PLC 的構(gòu)成.61.3 CPU 的構(gòu)成.71.4 I.O 模塊.71.5 電源模塊 .

4、81.6 底版和機架 .81.7 PLC 系統(tǒng)的其他設備.82 機械手的組成 .92.1 機械手的發(fā)展 .92.2 動力臂的機械構(gòu)造 .102.3 控制和動力臂的機械構(gòu)造 .102.4 位置控制系統(tǒng) .102.5 負載反傳系統(tǒng) .103 機械手 PLC 控制的設計 .113.1 根據(jù)工藝過程分析控制要求 .113.2 確定所需的用戶輸入/輸出設備及 I/O 點數(shù) .143.3 PLC 的選擇.173.4 分配 PLCI/O 點的編號(定義號) .173.5 PLC 程序設計.17個人小結(jié) .29參考文獻 .30基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 4 頁 共 30 頁引言引言機械手是一種能

5、模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置；本設計中的機械手采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)。各動作由液壓驅(qū)動，并由電磁閥控制。動作順序及各動作時間的間隔采用按時間原則。機械手的結(jié)構(gòu)主要由手指，手腕，小臂和大臂等幾部分組成。料架為旋轉(zhuǎn)式，由料盤和棘輪機構(gòu)組成。每次轉(zhuǎn)動一定角度（由工件數(shù)決定）以保證待加工零件對準機械手。而可編程控制器（）由于其具有的高可靠性、編程方便、易于使用和修改，易于擴展和維護，環(huán)境要求低、體積小巧，安裝調(diào)試方便，在工業(yè)控制中有著廣泛的應用。PLC 控制系統(tǒng)采用三菱 F1 系列超小型 PLC 對機械手進行動作控制。各動作由油泵電機（采用 Y

6、100L2-4.3KM）液壓驅(qū)動，并由電磁閥控制。其中油泵電機及各電磁閥運行狀態(tài)均有指示燈顯示根據(jù)我們所設計的機械手的驅(qū)動部件為步進電機的特點，應用移位寄存指令可以很方便、靈活地對機械手進行控制?；?PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 5 頁 共 30 頁1 1 PLCPLC 的發(fā)展歷程和構(gòu)成的發(fā)展歷程和構(gòu)成1.11.1 PLCPLC 的發(fā)展歷的發(fā)展歷可編程序控制器的英文為 Programmable Controller，在二十實際七十至八十年代一直簡稱為 PC。由于到 90 年代，個人計算機發(fā)展起來，也簡稱為 PC；加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，所以美國 AB 公司首次將可編程序控制

7、器定名為可編程序邏輯控制器（PLC，Programmable Logic Controller） ，為了方便，仍簡稱 PLC 為可編程序控制器。有人把可編程序控制器組成的系統(tǒng)稱為 PCS 可編程序控制系統(tǒng)，強調(diào)可編程序控制器生產(chǎn)廠商向人們提供的已是完整的系統(tǒng)了。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)字公司研制出了第一土改可編程序控制器，滿足了 GM 公司裝配線的要求。隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代 PLC 產(chǎn)品了。在八十年代至九十年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。由于 PLC 人機聯(lián)系處理模擬能力

8、和網(wǎng)絡方面功能的進步，擠占了一部分DCS 的市場（過程控制）并逐漸壟斷了污水處理等行業(yè)，但是由于工業(yè) PC（IPC）的出現(xiàn)，特別是近年來現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，IPC 和 FCS 也擠占了一部分 PLC 市場，所以近年來 PLC 增長速度總的說是漸緩。目前全世界有 200 多廠家生產(chǎn) 300 多品種PLC 產(chǎn)品，主要應用在汽車（23%） 、糧食加工（16.4%） 、化學/制藥（14.6%） 、金屬/礦山（11.5%） 、紙漿/造紙（11.3%）等行業(yè)。國內(nèi) PLC 生產(chǎn)廠約三十家，但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，還有一部分是以仿制、來件組裝或“貼牌”方式生產(chǎn)，因此可以說 PLC 在我國未形

9、成制造產(chǎn)業(yè)。作為原理、技術(shù)和工藝均無尖端技術(shù)難度的產(chǎn)品，只要努力，是能形成制造產(chǎn)業(yè)的。PLC 的市場的潛力是巨大的，不僅在我國，即使在工業(yè)發(fā)達的日本也有調(diào)查表明，PLC 配套的機電一體化產(chǎn)品的比例占 42%，采用繼電器、接觸器控制尚有基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 6 頁 共 30 頁24%。所以說，需要應用 PLC 的場合還很多，在我國就更是如此了。PLC 具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點，這是它能持久的占有市場的根本原因，我們下面重點闡述幾個問題，并研究其發(fā)展趨勢。 PLC 控制器本身的硬件采用積木式結(jié)構(gòu)，各廠家產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大同小異。以日本歐姆龍 C

10、200HE 為例，為總線模板框式結(jié)構(gòu)，基本框架（CPU 母板）上裝有 CPU 模板，其它槽位裝有 I/O 模板；如果 I/O 模板多時，可由 CPU 母板經(jīng) I/O 擴展電纜連接 I/O 擴展母板，在其上裝 I/O 模板；另一種方法是配備遠程 I/O 從站等。這些都說明了 PLC 廠家將硬件各部件均向用戶開發(fā)，便于用戶選用，配置成規(guī)模不等的PLC，而且這種硬件配置的開放性，為制造商、分銷商（代理商） 、系統(tǒng)集成商、最終用戶帶來很多方便，為營銷供應鏈帶來很大便利，這是一大成功經(jīng)驗。PLC 內(nèi)的 I/O 模板，除一般的 DI/DO、AD/DA 模板外，還發(fā)展了一系列特殊功能的 I/O 模板，這為

11、PLC 用于各行各業(yè)打開了出路，如用于條形碼識別的ASCII/BASIC 模板，用于反饋控制的 PID 模板，用于運行控制、機械加工的高速計數(shù)模板、單軸位置控制模板、雙軸位置控制模板、凸輪定位器模板、射頻識別接口模板等，這在以后還會有很大發(fā)展。另外在輸入、輸出的相關(guān)元件、強干擾場合的輸入、輸出電隔離、地隔離等方面也會更加完善。PLC 中的 CPU 與存儲器配合，完成控制功能。它與 DCS 系統(tǒng)處理溫度、壓力、流量等參數(shù)的系統(tǒng)不同，采用快速的巡回掃描周期，一般為 0.10.2 秒，更快的則選用 50 毫秒或更小的消滅周期。它是一個數(shù)字采樣控制系統(tǒng)。由于各 PLC 廠家產(chǎn)品在指令系統(tǒng)上的差異及編程

12、方法上用戶要求不同，近年來IEC 制訂了基于 Windows 的編程語言標準 IEC61131-3（注：1993 年 IEC 頒布可編程序控制器的國際標準 IEC1131） ，它規(guī)定了指令表（IL） 、梯形圖（LD） 、順序功能圖（SFC） 、功能塊圖（FBD） 、結(jié)構(gòu)化文本（ST）五種編程語言。這包括了文本化編程（IL、ST）和圖形編程（LD、FBD）兩個方面，而 SFC 則在兩類編程語言中均可使用。IEC 技術(shù)委員會（TC65）進來開展了 IEC61499 項目，將 IEC61131-3進行了擴展，它是針對通過通信網(wǎng)絡互聯(lián)的模塊化分布系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的標準，將對 IEC61131-3 有所改

13、善。這是以數(shù)字技術(shù)為基礎的可編程序邏輯控制裝置在高層次基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 7 頁 共 30 頁上走向開放性的標準化文件，是 PLC 發(fā)展的一大趨勢。 一個或若干 PLC 與 PC 機聯(lián)出系統(tǒng)，PC 機起到原編程器及人機界面操作站的作用，這 20 世紀 90 年代的新潮流，這樣為系統(tǒng)集成帶來了商機，同時編程軟件和人機界面軟件（監(jiān)控軟件或稱組態(tài)軟件）及軟件接口（或稱驅(qū)動軟件）也得到了發(fā)展。1.21.2 PLCPLC 的構(gòu)成的構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括CPU 板、I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸

14、的整體。模塊式 PLC 包括 CPU 模塊、I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。1.31.3 CPUCPU 的構(gòu)成的構(gòu)成CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC 至少有一個 CPU，它按PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU 主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間

15、聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組成單元。CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度，IO 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。1.41.4 I/OI/O 模塊模塊PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O 模塊集成了PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O 分為開關(guān)量輸入（DI） ，開關(guān)量輸出（DO） ，模擬量輸入（AI）

16、，模擬量輸出（AO）等模塊。開關(guān)量是指只有開和關(guān)（或 1 和 0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變化的量。常基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 8 頁 共 30 頁用的 I/O 分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA） 、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。除了上述通用 IO 外，還有特殊 IO 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按 I/O 點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少

17、，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。1.51.5 電源模塊電源模塊PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供 24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC 或 110VAC） ，直流電源（常用的為 24VAC） 。1.61.6 底板或機架底板或機架大多數(shù)模塊式 PLC 使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使 CPU 能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。1.71.7、PLCPLC 系統(tǒng)的其它設備系統(tǒng)的其它設備1、編程設備：編程器是 PLC 開

18、發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控 PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器 PLC 一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。2、人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面非常普及。3、輸入輸出設備：用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，如 EPROM、EEPROM 寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 9 頁 共 30 頁2 2 機械手的組成機械手的組成2

19、.12.1 機械手的發(fā)展機械手的發(fā)展 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。機械手由以下結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動-傳動機構(gòu)控制系統(tǒng)智能系統(tǒng)遠程診斷監(jiān)控系統(tǒng)，五部分組成。機械手的設計構(gòu)想是以人的手為基礎，以機械拉來實現(xiàn)人的動作，它的動作由以下四部分來實現(xiàn)：1、自由度的旋轉(zhuǎn) 2、肩的前后動作 3、肘的上下動作 4、腕(手)的動作 驅(qū)動-傳動機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動系統(tǒng)中可以分:機械式、電氣式、液壓式和復合式，其中制，本設計主要設計 PLC 的控制部分。液壓操作力最大?？刂葡到y(tǒng)采用西門子 PLC 控制。本設計運動形

20、式:前后、上下兩個自由度運動，均由液壓伺服系統(tǒng)控制，該控制系統(tǒng)的設計是可以給操作臂一個信號的動力反饋系統(tǒng)。該工作臂類似一個伸縮儀。在方位、肩部和肘部上的軸直接控制位置，利用主臂控制速度。在機械手的操作柄有一個按鈕來控制工作頭（降低、翻轉(zhuǎn)、傾斜和抓住的裝置）?？刂葡到y(tǒng)的特性是可以使操縱器以一定的速度和精確性進行工作。工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)是基于模組塊系統(tǒng)上的，模組塊系統(tǒng)適合于提高移動的速度或特殊類型的工作。在設計上考慮維修的簡單性。維修的人員需要具備一定的資格，應能處理一般的機械設備的問題或通常液壓件的安裝。工業(yè)機械手傳輸在末端工具上的力或負載的感覺到操作者的手中(動力反饋)“動力反饋”的意思是在機械

21、手臂末端上的力有一小部分反饋到操作柄。減少比率意味著操作者必須用 2 公斤的力才能將工具額定的負載舉起。對于動力反饋，操作者有機會感覺在方位、肩部和肘部的軸的負載改變的不同情況(慣性和加速度)。通基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 10 頁 共 30 頁過提供額外的力，操作者可以優(yōu)先確定使用的力和搬運的路徑，目的是為了獲得一個快慢速。、2.22.2 動力臂的機械構(gòu)造動力臂的機械構(gòu)造動力臂由上臂和一個較底臂(下臂)連接組成，它建立一個圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的支撐上。在垂直面的運動是圍繞水平軸(稱之為肩軸)的上臂運動和圍繞第二個水平軸(稱之為肘軸)下臂的旋轉(zhuǎn)運動疊加而獲得的。上臂的運動是通過液壓缸直

22、接控制，下臂的運動是由液壓缸通過一個可以圍繞肩軸旋轉(zhuǎn)并且通過一個傳送橫梁來控制。方位角的運動是通過一個安裝支撐面上的液壓馬達進行控制的，馬達通過與基礎板連接的差動器的側(cè)傘齒輪上的小齒輪來帶動。通過橫梁和和肘部零件的連接保持最終配置部件的位置恒定不便。這樣上臂和下臂的運動各自具有獨立的方向。2.32.3 控制和伺服系統(tǒng)控制和伺服系統(tǒng)操縱臂包含通過三個控制電路操控動力臂所有元件。操縱柄包含所有控制配置裝置上工作頭的功能操控裝置。2.42.4 位置控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)操作臂上的電位計隨該臂的移動給出一個控制電壓，同時動力臂的移動帶動反饋電位計產(chǎn)生一個極性相反與位移成比例的反饋電壓，兩者同時輸入電子控

23、制器進行比較產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)過電子控制器的轉(zhuǎn)換，輸出一相應的電流信號給電液伺服閥，從而操控動力臂移動到操控所要求的位置，若偏差信號為“0”，于是動力臂將停止在這個位置。該系統(tǒng)并裝有壓力傳感器，它將負載信號輸送到電子控制器，起到動壓反饋的作用，它將改善系統(tǒng)的動態(tài)特性（如：穩(wěn)定性等）2.52.5 負載反傳系統(tǒng)（原名：動力反饋系統(tǒng)）負載反傳系統(tǒng)（原名：動力反饋系統(tǒng)）工業(yè)機械手，為了給操作者在操作過程中能有負載變化的感覺，設置了將機械手傳輸在末端工具上的力或負載成比例地傳到操作者手中的裝置。它使操作者必須使用兩公斤的力才能將工具額定的負載舉起，可以讓操作者有機會感覺在方位、肩基于 PLC 的機械手控制

24、系統(tǒng)畢業(yè)設計第 11 頁 共 30 頁部和肘部的軸的負載改變的不同情況（慣性和加速度），通過操作力的改變，操作者可以正確的確定使用的力和搬運的路徑，目的是為了獲得一個快速和最佳的工作周期。3 3 機械手機械手 PLCPLC 控制的設計控制的設計送料機械手的動作示意圖如圖 3-1 所示。他是一個水平/垂直位移的機械設備，用來將工作由左工作臺搬到右工作臺。 圖 3-1 送料機械手的工作示意圖3.13.1 根據(jù)工藝過程分析控制要求根據(jù)工藝過程分析控制要求基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 12 頁 共 30 頁機械手的全部動作有汽缸驅(qū)動，而汽缸又由相應的電磁閥控制。其中，上升/下降和左移/右移

25、分別由雙線圈兩位電磁閥控制。例如當下降電磁閥通電時，機械手下降；當下降電磁閥斷電時，機械手下降停止。只有當上升電磁閥通電時，機械手才上升；當上升電磁閥端電時，機械手上升停止。同樣，左移/右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥控制。機械的放松/加緊由一個單線圈兩位置電磁閥（稱為加緊電磁閥）控制。當該線圈通電時，機械手加緊，該線圈斷電時，機械手放松。當機械手處于原點時（即左限位開關(guān)和上限位開關(guān)合上） ，啟動以后，機械手移向 A 點，加緊工件，然后回到原位，移向 B 點，放下工件，再回到原位完成一次動作。當機械手右移到位并準備下降時，為了確保安全，必須在右工作臺上無工作時才允許機械手下降。也就是說，若上一

26、次搬運到右工作臺上的工件尚未搬走時，機械手應自動停止下降。機械手的動作過程如圖 3-2 所示。從原點開始，按下啟動按鈕時，下降電磁閥通電，機械手下降。下降到底時，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；同時接通夾緊電磁閥，機械手夾緊。夾緊后，上升電磁閥通電，機械手上升。上升到頂時，碰到上位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；同時接通右移電磁閥，機械手右移。右移到位時，碰到右限位開關(guān)，右移電磁閥斷電，右移停止。若此時右工作臺上無工作，則光電開關(guān)接通，下降電磁閥通電，機械手下降。下降到底時，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；同時夾緊電磁閥斷電，機械手放松。放松后，上升電磁閥通電，機械手上升。

27、上升到頂時，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；同時接通左移電磁閥，機械手左移。左移到原點時，碰到左限位開關(guān)，左移電磁閥斷電，左移停止。至此，機械手經(jīng)過八步動作完成一個周期。機械手的操作方式分為手動操作方式和自動操作方式。自動操作方式又分為單步、單周期和連續(xù)操作方式。手動操作手動操作：就是用按鈕操作對機械手的每一種運動單獨進行控制。例如，當選擇上/下運動時，按下啟動按鈕，機械上升；按下停止按鈕，機械手下降。當選擇左右運動時，按下起動按鈕，機械手左移；按下停止按鈕，機械手右移。當選擇夾緊/基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 13 頁 共 30 頁放松運動時，按下起動按鈕，機械手夾緊；

28、按下停止按鈕，機械手放松。 圖 3-2 機械手動作過程 單步操作單步操作：每按一次起動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止單周期操作單周期操作：機械手從原點開始，按一下起動按鈕，機械手自動完成一個周期的動作后停止。在工作中若按一下停止按鈕，則機械手停止重新起動時，需要手動操作方式將機械手移回原點，然后按一下起動按鈕，機械手又重新開始單周期操作?；?PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 14 頁 共 30 頁連續(xù)操作連續(xù)操作：機械手從原點開始，按一下起動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作中若按一下停止按鈕，則機械手動作停止。重新起動時，須用手動操作方式將機械手移回原點，然后按

29、一下起動按鈕，機械手又重新開始連續(xù)操作。在工作中若按一下復位按鈕，則機械手將繼續(xù)完成一個周期的動作后，回到原點自動停止。3.23.2 確定所需的用戶輸入確定所需的用戶輸入/ /輸出設備及輸出設備及 I/OI/O 點數(shù)點數(shù)1. 輸入設備-用以生產(chǎn)輸入控制信號。本設計中應包括：操作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)：該開關(guān)應有手動、單步、單周期、連續(xù)等四個位置可供選擇。手動時運動選擇開關(guān)：該開關(guān)應有上/下，左/右，夾緊/放松等三個位置可供選擇。起動、停止及復位按鈕。開關(guān)及按鈕在操作屏上的布置如圖 3-3 所示。位置檢測元件：機械手的運動是按行進程原則進行控制的。其上限、下限、左限、右限的位置分別用限位開關(guān)來檢測。無工件

30、檢測元件：右工作臺上無工件用光電開關(guān)來檢測。各限位開關(guān)及光電開關(guān)的配置如圖 3-2 所示。2. 輸出設備由 PLC 的輸出信號驅(qū)動的執(zhí)行元件。本設計中應包括下降電磁閥、上升電磁閥、右移電磁閥、左移電磁閥、夾緊電磁閥?；?PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 15 頁 共 30 頁 圖 3-3 操作屏布置為了對機械手處于原點進行指示，還可以配置一個原點的指示燈。各輸出設備的配置如圖 3-2 所示。根據(jù)所確定的用戶輸入設備及輸出設備，可畫出 PLC 的 I/O 連接圖，如圖 1-4所示。由圖可見，PLC 共需要 15 點輸入，6 點輸出?；?PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 16 頁 共 30

31、 頁基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 17 頁 共 30 頁 圖 3-4 I/O 連接圖3.33.3 PLCPLC 的選擇的選擇該機械手的控制為純開關(guān)量控制，且所要的 I/O 點數(shù)不多，因此選擇一般小型抵擋機即可。該控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的是步進控制，可以用一般 PLC 所具有的移位寄存器和移位指令來編程，但若選擇具有步進指令功能或鼓型控制器功能的 PLC，則實現(xiàn)步進控制就更加方便了。由于所要的 I/O 點數(shù)為 15/6 點，考慮到機械手操作的工藝固定，PLC 的 I/O 點基本上可不留裕量。根據(jù)資料的機型，可選擇：1）ACMY-S256 可選用 32 點主機（I/O 點數(shù)為 16/16）或

32、40 點主機（I/O 點數(shù)為 24/16） 。2）GE-I/J（SR-10）其主機 I/O 點數(shù)為 15/9?；蜻x用 GE-I（SR-20） ，采用 5 槽主機框架，一塊 16 點輸入模塊，一塊 8 點輸出模塊（或兩塊 8 點輸入模塊，一塊 8點輸出模塊） 。3）F1-40M 其主機 I/O 點數(shù)為 24/16 點。4）具體選擇何種機型，還需要比較價格，同時考慮使用維修方便等因素，使之更加經(jīng)濟合理。故選擇 F1-40M 機型。3.43.4 分配分配 PLCPLC I/OI/O 點的編號（定義號）點的編號（定義號）由于不同記性的 PLC，其 I/O 點的編號不同，因此應根據(jù)所選擇的機型，對PLC

33、 的 I/O 點分配編號。如圖 1-4 所示的編號。 3.53.5 PLCPLC 程序設計程序設計為了便于編程,先繪制出整個控制程序的結(jié)構(gòu)框圖,如圖 3-5 所示。基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 18 頁 共 30 頁 圖 3-5 總結(jié)構(gòu)程序框圖 在該結(jié)構(gòu)框圖中，當操作方式選擇開關(guān)置于“手動”時，輸入點 X407 接通，其輸入繼電器常閉接點斷開，執(zhí)行手動操作程序?；?PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 19 頁 共 30 頁當操作選擇開關(guān)置于“單步” 、 “單周期” 、 “連續(xù)”時，其對應的輸入點X410、X411、X412 接通，其輸入繼電器常閉接點斷開，執(zhí)行自動操作程序。在執(zhí)行

34、自動操作時，如選擇開關(guān)置于“連續(xù)”時，起動后輔助繼電器 M200 接通，程序自動循環(huán)。操作選擇開關(guān)置于“單步”時，M200 同樣接通，程序也可以循環(huán)，但必須是每按一次起動按鈕執(zhí)行一步。如果操作選擇開關(guān)置于“單周期”或運行過程中按下復位按鈕時，則輔助繼電器 N200 復位，程序執(zhí)行完一個周期（即機械手回到原點）時自動停止。由于手動程序和自動程序采用了跳轉(zhuǎn)指令，因此在著兩個程序段可以采用同樣的一套輸出繼電器。下面是各程序的設計。（一） 手動操作程序在手動操作方式下，各種動作都是用按鈕操作來實現(xiàn)，其控制程序可以獨立于自動操作程序而另行設計。手動操作控制很簡單，可以很方便地按一般繼電器控制線路來設計，

35、其梯形圖如圖 3-6 所示。為了安全，機械手的左/右移動只有當機械手處于上限位置時才能進行，因此需要在左/右移動的電路中設置上限聯(lián)鎖保護。另外，由于左/右，上/下運動采用雙線圈兩位電磁閥控制，兩個線圈不能同時通電，因此在左/右，上/下移動的電路中了互鎖環(huán)節(jié)。當運動選擇開關(guān)置于“左/右”時，如機械手處于上限位置，則按起動按鈕機械手右移，按停止按鈕機械手左移。當運動選擇開關(guān)置于“夾/松”時，按起動按鈕時夾緊，按停止按鈕時放松。當運動選擇開關(guān)置于“上/下”時，按起動按鈕時下降，按停止按鈕時上升?；?PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 20 頁 共 30 頁 圖 3-6 自動梯形圖（二） 自動操作程

36、序本設計是一個按順序動作的典型步進控制。步進控制可以用一般 PLC 都具有的位移寄存器來實現(xiàn)，但更方便的是用步進指令和鼓形控制來實現(xiàn)。F1-40M 具有位移寄存器和步進指令的功能，本設計用位移寄存器編程。用移位器編程：由于自動操作的控制比較，不容易直接設計出梯形圖，因此可以先畫出自動的基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 21 頁 共 30 頁操作流程圖，用以表明動作的順序和條件，如圖 3-7 所示。 圖 3-7 自動操作流程圖基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 22 頁 共 30 頁圖中，矩形方框代表完成某一動作的控制程序，方框之間的箭頭線用以表示程序的轉(zhuǎn)換，箭頭線上的小橫線用以表

37、示轉(zhuǎn)換的條件。當機械手處于原點時，壓下上限位開關(guān)和左限開關(guān)，輸入點 X402 和 X404 接通，產(chǎn)生原點指示輸出。機械手的動作從按下起動按鈕開始，執(zhí)行第一程序，產(chǎn)生下降輸出，機械手下降。當機械手下降到底碰到下限位開關(guān)時， 輸入點 X401 接通，轉(zhuǎn)入第二程序，產(chǎn)生夾緊輸出并開始計時，機械手夾緊，經(jīng) 3S 延時后。計時器 T450 動作，轉(zhuǎn)入第三程序，產(chǎn)生上升輸出，機械手上升。當機械手上升。當機械手上升到頂碰到上限位開關(guān)時，輸入點 X402 接通，轉(zhuǎn)入第四程序，產(chǎn)生右移輸出，機械手右移。當機械手右移到位碰到右限位開關(guān)時，輸入點 X403 接通，轉(zhuǎn)入第五程序，當右工作臺無工件時，光電開關(guān)發(fā)出信號

38、使輸入點 X405 接通，產(chǎn)生下降輸出，機械手下降。當機械手下降到底碰到下限位開關(guān) X401 時，轉(zhuǎn)入第六成程序，產(chǎn)生放松輸出并開始計時，機械手放松，經(jīng)過 2s 延時后，計時器 T451 動作，轉(zhuǎn)入第七程序，產(chǎn)生上升輸出，機械手上升到頂碰到上限位開關(guān) X402 時，轉(zhuǎn)入第八程序，產(chǎn)生左移輸出，機械手左移。當機械手左移到原點位碰到左限位開關(guān) X404 時，又產(chǎn)生原點指示輸出，完成了一個周期的動作。這時，如果是單周期操作，則輔助繼電器 M200 斷開，機械手停止在原位，不在循環(huán)執(zhí)行程序。如果是連續(xù)操作，則輔助繼電器 M200 接通，又開始從第一程序往下執(zhí)行，然后不斷循環(huán)。根據(jù)自動操作的流程圖，就可

39、以設計自動操作的梯形圖如圖 3-8 所示?；?PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 23 頁 共 30 頁基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 24 頁 共 30 頁 圖 3-8 自動操作梯形圖 梯形圖的控制原理：（1）連續(xù)及單周期操作在連續(xù)及單周期操作方式下，單步輸入點 X410 斷開，輸入繼電器 X410 常閉接點閉合，將位移寄存器的位移輸入直接接入輸入端。當機械手處于原點時，壓下上限位開關(guān)和左限位開關(guān)，輸入點 X402 和 X404接通，Y435 接通，原點指示燈亮。 按下起動按鈕，M120 接通并自保，移位器數(shù)據(jù)輸入端接通，M100 置“1” ，Y430 接通，下降電磁閥得電，機械

40、手下降。 下降到底碰到下限位開關(guān)時，輸入繼電器 X401 接通，Y430 斷開，下降停止，同時產(chǎn)生移位信號，將 M100 的“1”態(tài)移到 M101。M101 的常開接點將 Y431 接通，夾緊電磁閥的電，機械手夾緊工件，T450 開始計時。同時，M101 的常閉接點將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開，使 M100 置“0” 。 T450 延 3s 后，其常開接點閉合，產(chǎn)生移位信號，將 M102 置“1” ，M101 置“0” 。M102 的常開接點將 Y432 接通，上升電磁閥得電，機械手上升。同時，M102 的常閉接點將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。 上升到頂碰到上限位開關(guān)時，輸入繼電器 X402 接通

41、，Y432 斷開，上升停止，同時產(chǎn)生移位信號，將 M103 置“1” ，M102 置“0” ，M103 的常開接點將 Y433 接通，右移電磁閥得電，機械手右移。同時，M103 的常閉接點將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。 右移到位碰到右限位開關(guān)時，輸入繼電器 X402 接通，Y432 斷開，右移停止，同時產(chǎn)生移位信號，將 M104 置“1” ，M103 置“0” 。M104 的常開接點閉合，若此時右工作臺無工件，則光電開關(guān)因露光而導通，其常開接點使輸入繼電器 X405 接通，Y430 再次接通，機械手下降。同時，M104 的常閉接點將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。若右工作臺有工件，則光電開關(guān)因遮光面斷

42、開，X405 斷開，Y430 不能接通，機械手暫停等待?；?PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 25 頁 共 30 頁 下降到底碰到下限位開關(guān) X401 時，輸入繼電器 X401 接通，產(chǎn)生移位信號，將 M105 置“1” ，M104 置“0” 。M105 的常開接點使 Y431 復位，從而使夾緊電磁閥失電，機械手放松工件，T451 開始計時。同時，M105 的常閉接點將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。 T451 延時 2s 秒后，其常開接點閉合，產(chǎn)生移位信號，將 M106 置“1” ，M105 置“0” 。M106 的常開接點將 Y432 接通，機械手上升。同時，M106 的常閉接點將移位寄存器

43、數(shù)據(jù)輸入端斷開。 上升到頂碰到上限位開關(guān)時，輸入繼電器 X402 接通，Y432 斷開，上升停止，同時產(chǎn)生移位信號，將 M107 置“1” ，M106 置“0” 。M107 的常開接點將 Y434 接通，左移電磁閥得電，機械手左移。同時，M107 的常閉接點將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。左移回到原點又碰到左限位開關(guān)時，輸入繼電器 X404 接通，Y434 斷開，左移停止，同時產(chǎn)生移位信號，將 M110 置“1” ，M107 置“0” 。如果是單周期操作，則 M200 斷開，移位寄存器不復位，M110 仍保持“1”態(tài)，、其常閉接點將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開，M100 不能置“1” ，因此不再循環(huán)動

44、作。如果是連續(xù)操作 ，則 M200 接通，其常開接點將移位寄存器復位，數(shù)據(jù)輸入端又接通，M100 重新置“1” ，機械 手又開始第二個周期的循環(huán)動作。自動操作程序中，若按復位按鈕，則 X502 接通，M200 復位，但機械手的動作仍繼續(xù)進行，直到完成一個周期的動作后，回到原點自動停止。若按停止按鈕，則 X406 接通，移位寄存器復位，機械手停止動作。重新起動時，必須用手動操作將機械手移回原點，然后才能重新起動自動操作。在圖 3-8 (P33) 的梯形圖中，移位寄存器移位輸入端的每一并聯(lián)支路中都順序串聯(lián)有移位寄存器的常開接點，目的是保證移位寄存器能按照機械手的動作順序正確移位，從而保證機械手的餓

45、動作正確地按順序進下行。如果不串聯(lián)這些接點，則當限位開關(guān)發(fā)生誤動作時，會使機械手在未完成某一動作的情況下就轉(zhuǎn)入下一步動作，這樣會導致操作的危險?；?PLC 的機械手控制系統(tǒng)畢業(yè)設計第 26 頁 共 30 頁（2）單步操作在單步操作方式下，單步輸入點 X410 接通，輸入繼電器 X410 的常閉接點斷開，移位寄存器的移位輸入經(jīng) X400 常開接點接入移位輸入端。這樣，只有按下起動按鈕，X400 接通時，才能將移位信號送入移位輸入端，移位寄存器才能移位。每按一次起動按鈕，移位寄存器的狀態(tài)移一位，機械手的動作完成一步后自動停止。根據(jù)圖 3-8 (P33) 的梯形圖，就可以編制出自動操作的程序清單如下： 0 LD X4021 AND X4042 OUT