坐標(biāo)式機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

-13-實(shí)驗(yàn)報(bào)告《分布式控制技術(shù)及其應(yīng)用》學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)坐標(biāo)式機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)老師

目錄一、引言 3二、研究的目的及意義 3三、題目分析 4四、設(shè)計(jì)思路 5五、I/O分配表 6六、外部接線圖 7七、程序及仿真 7八、總結(jié)與分析 11九、參考文獻(xiàn) 12

一、引言隨著現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化越來(lái)越多的工廠設(shè)備采用PLC、變頻器和人機(jī)界面自動(dòng)化器件來(lái)控制，因此自動(dòng)化程度越來(lái)越高。電氣控制技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求而得到迅速發(fā)展。對(duì)于PLC，隨著PLC的出現(xiàn)，逐漸取代了繼電器電路，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和滲透，PLC技術(shù)也在不斷提高和完善。PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類(lèi)，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝兩類(lèi)；按CPU字長(zhǎng)分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點(diǎn)數(shù)選型。整體型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。PLC技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)，功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高，硬件配套齊全，用戶使用方便，使用性強(qiáng)，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少，維修工作量小，維修方便體積小，能耗低，效率高等。對(duì)于單片機(jī)，現(xiàn)今的單片機(jī)正向著提高工業(yè)環(huán)境下控制系統(tǒng)的可靠性和靈活方便地構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)界面的方向發(fā)展，并且控制功能越來(lái)越豐富。在CPU芯片上，除嵌入RAM、ROM、和I/O外，還有A/D、D/A、PWM、DMA、看門(mén)狗、串行接口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等，另外還有顯示驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)控制、比較器和函數(shù)發(fā)生器等，能構(gòu)成功能強(qiáng)大的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)比適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，體積小，集成度高。通過(guò)比較論證，從經(jīng)濟(jì)和效率等方面考慮，選用PLC作為坐標(biāo)式機(jī)械手設(shè)計(jì)的控制器。二、研究的目的及意義機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)。機(jī)械手可在空間抓、放、搬運(yùn)物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。在機(jī)械制造業(yè)中，機(jī)械手已被廣泛應(yīng)用，從而大大地改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。機(jī)械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱(chēng)為工業(yè)機(jī)器人。，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。例如：（1）機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車(chē)床、組合機(jī)床上使用較為普遍。（2）在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來(lái)裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來(lái)組裝零部件。（3）宇宙及海洋的開(kāi)發(fā)。（4）軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。（5）可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。（6）可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。該設(shè)計(jì)是利用PLC控制按鈕的開(kāi)與關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)物體的搬運(yùn)過(guò)程。通過(guò)按鈕來(lái)進(jìn)行對(duì)機(jī)械手的控制，不僅有自動(dòng)控制簡(jiǎn)單方便，而且還有手動(dòng)控制以滿足條件的需要。三、題目分析坐標(biāo)式機(jī)械手動(dòng)作原理圖如右圖所示。其控制要求：將物體從位置A搬至位置B。（1）動(dòng)作順序：機(jī)械手從原點(diǎn)位置起始下移到A處下限位→從A處夾緊物體后上升至上限位→右移至右限位→機(jī)械手下降至B處下限位→將物體放置在B處后→上升至上限位→左移至左限位（原點(diǎn)）為一個(gè)循環(huán)。（2）上限、A、B下限、左限、右限分別由限位開(kāi)關(guān)控制；機(jī)械手設(shè)立起動(dòng)和停止開(kāi)關(guān)。（3）機(jī)械手夾緊或松開(kāi)的工作狀態(tài)以及到達(dá)每一個(gè)工位時(shí)，均應(yīng)有狀態(tài)顯示。（4）機(jī)械手的夾緊和放松動(dòng)作均應(yīng)有1s延時(shí)，然后上升；機(jī)械手每到達(dá)一個(gè)位置均有0.5s的停頓延時(shí)，然后進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。（5）若機(jī)械手停止時(shí)不在原點(diǎn)位置，可通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)分別控制機(jī)械手的上升和左移，使之回到原點(diǎn)。（6）要求循環(huán)工作1小時(shí)時(shí)，判斷機(jī)械手是否夾有物體，若沒(méi)有，則立即自動(dòng)停止工作并警鈴報(bào)警；若夾有物體，則繼續(xù)工作至物體放置到B位后自動(dòng)停止工作并警鈴報(bào)警。四、設(shè)計(jì)思路（1）上升和下降機(jī)械手上升或下降的動(dòng)作都要到位，否則不能進(jìn)行下一個(gè)工作步。上升或下降的動(dòng)作用兩個(gè)帶線圈的電磁閥控制。（2）夾緊和放松機(jī)械手夾緊和放松的動(dòng)作必須在兩個(gè)工位處進(jìn)行，且其動(dòng)作都要到位。為了確保夾緊和放松的動(dòng)作可靠性，需對(duì)這兩個(gè)動(dòng)作進(jìn)行定時(shí)。加緊和放松動(dòng)作由單線圈的電磁閥控制，電磁閥線圈的得電為夾緊，失電為放松。（3）左行和右行自動(dòng)方式時(shí)，機(jī)械手的左、右運(yùn)動(dòng)必須在壓動(dòng)上限位開(kāi)關(guān)后才能進(jìn)行；機(jī)械手的左、右運(yùn)動(dòng)都必須到位，以確保在左工作臺(tái)取到工件并在右工作臺(tái)下放下工件。可使用上限位開(kāi)關(guān)、左上限位開(kāi)關(guān)和右上限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。左行、右行的動(dòng)作由雙線圈電磁閥控制。（4）自動(dòng)運(yùn)行自動(dòng)方式下誤操作的禁止：自動(dòng)方式時(shí)，按一次起動(dòng)按鈕自動(dòng)運(yùn)行方式開(kāi)始后，再按別的操作按鈕錯(cuò)誤操作，程序?qū)﹀e(cuò)誤操作不予響應(yīng)。（5）手動(dòng)運(yùn)行手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，只有按下單步上升、單步下降、單步左行、單步右行、手動(dòng)夾緊放松時(shí)機(jī)械手會(huì)動(dòng)作，同樣再按別的操作按鈕錯(cuò)誤操作，程序?qū)﹀e(cuò)誤操作不予響應(yīng)。五、I/O分配表分析系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)可以選擇自動(dòng)和手動(dòng)工作方式，其輸入信號(hào)有啟動(dòng)、停車(chē)、上限行程、左上限行程、A下限行程、右上限行程、B下限行程、手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、單步上升、單步下降、單步左移、單步右移、手動(dòng)夾緊、手動(dòng)放松共15個(gè)按鈕信號(hào)。輸出有夾緊、上升、下降、報(bào)警指示、右行、左行、原點(diǎn)指示共7個(gè)信號(hào)。由此可知，系統(tǒng)所需的輸入點(diǎn)數(shù)為15，輸出點(diǎn)數(shù)為7，且都是開(kāi)關(guān)量。根據(jù)以上分析，此系統(tǒng)屬于小型單機(jī)控制系統(tǒng)，我選用的是三菱FX2N系列PLC，故該系統(tǒng)的I/O分配表如下表3.1所示：表5.1I/O分配表輸入地址號(hào)信號(hào)名稱(chēng)代號(hào)輸入地址號(hào)信號(hào)名稱(chēng)代號(hào)輸出地址號(hào)信號(hào)名稱(chēng)代號(hào)X0啟動(dòng)SB1X10自動(dòng)運(yùn)行SB4Y0夾緊KM1X1停車(chē)SB2X11單步上升SB5Y2上升KM2X2上限行程SQ1X12單步下降SB6Y3下降KM3X3左上限行程SQ2X13單步左移SB7Y4報(bào)警指示KM4X4A下限行程SQ3X14單步右移SB8Y5右行KM5X5右上限行程SQ4X15手動(dòng)夾緊SB9Y6左行KM6X6B下限行程SQ5X16手動(dòng)放松SB10Y7原點(diǎn)指示KM7X7手動(dòng)運(yùn)行SB3六、外部接線圖根據(jù)I/O分配表，畫(huà)出系統(tǒng)的I/O接線圖，如圖4.1所示。另外接線圖中添加了信號(hào)燈，分別來(lái)作為機(jī)械手在A下限、左上限、上限、右上限、B下限的狀態(tài)指示，輸出接口中Y4接有報(bào)警顯示燈，Y7接有原點(diǎn)位置指示燈。圖6.1PLC的I/O接線圖七、程序及仿真7.1程序圖7.1控制程序梯形圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)的梯形圖，如圖7.1所示。該梯形圖主要由報(bào)警電路程序，手動(dòng)操作程序，自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行程序組成。圖中從第9行到第25行為報(bào)警電路程序，當(dāng)系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，循環(huán)工作1小時(shí)時(shí)，判斷機(jī)械手是否夾有物體，若沒(méi)有，則立即自動(dòng)停止工作并警鈴報(bào)警；若夾有物體，則繼續(xù)工作至物體放置到B位后自動(dòng)停止工作并警鈴報(bào)警。圖中從第30行到第66行，為手動(dòng)單步操作程序，當(dāng)機(jī)械手停止時(shí)不在原點(diǎn)位置，但手動(dòng)開(kāi)關(guān)X7閉合時(shí)可通過(guò)線圈和手動(dòng)開(kāi)關(guān)分別控制機(jī)械手的上升、下降和左移、右移，使之回到原點(diǎn)，圖中上升和下降，左移和右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)，防止控制電路燒壞。從第67行到第168行為自動(dòng)操作運(yùn)行程序。自動(dòng)操作時(shí)當(dāng)機(jī)械手處于原位時(shí)，按啟動(dòng)按鈕X10接通，機(jī)械手從原位到達(dá)A下限位，使A下限位行程開(kāi)關(guān)X4接通，延時(shí)0.5S電磁閥夾緊，電磁力達(dá)到最大夾緊力，延時(shí)1S，機(jī)械手上升。當(dāng)上升到達(dá)最高位，上限行程開(kāi)關(guān)X2接通，延時(shí)0.5S驅(qū)動(dòng)Y5右移。移到最右位，右上限行程開(kāi)關(guān)X5接通，延時(shí)0.5S驅(qū)動(dòng)Y3下降。下降到最低位，B下限行程開(kāi)關(guān)X6接通，延時(shí)0.5S機(jī)械手放松。為了使電磁力完全失掉，延時(shí)1S。延時(shí)時(shí)間到，驅(qū)動(dòng)Y2上升。上升到最高位，上限行程開(kāi)關(guān)X2接通，延時(shí)0.5S驅(qū)動(dòng)Y6左移。左移到最左位，左上限行程開(kāi)關(guān)X3接通，返回初始狀態(tài)，再開(kāi)始第二次循環(huán)動(dòng)作。這是通過(guò)多個(gè)線圈來(lái)控制系統(tǒng)按給定的順序運(yùn)行。上限、A、B下限、左限、右限分別由限位開(kāi)關(guān)控制，這是由行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制。機(jī)械手夾緊或松開(kāi)的工作狀態(tài)以及到達(dá)每一個(gè)工位時(shí)，均應(yīng)有狀態(tài)顯示機(jī)械手的夾緊和放松動(dòng)作均應(yīng)有1s延時(shí)，然后上升，機(jī)械手每到達(dá)一個(gè)位置均有0.5s的停頓延時(shí)，然后進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，這是通過(guò)定時(shí)器來(lái)控制線圈的通，進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)行。7.2仿真八、總結(jié)與分析本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是坐標(biāo)式機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)基本是根據(jù)PLC及電氣的相關(guān)知識(shí)來(lái)完成的，考慮到可編程控制的諸多優(yōu)勢(shì)以及方便調(diào)試與修改，本設(shè)計(jì)選用了此方法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。PLC的應(yīng)用是以PLC為程控中心，組成電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。PLC的程序設(shè)計(jì)是PLC應(yīng)用的最關(guān)鍵問(wèn)題，也是整個(gè)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。當(dāng)拿到一個(gè)課題時(shí)首先要對(duì)它進(jìn)行系統(tǒng)分析，熟悉系統(tǒng)控制對(duì)象確定控制范圍，然后制定控制方案，進(jìn)行PLC選型，接著對(duì)硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有這些確定后才能開(kāi)始真正的設(shè)計(jì)即編制程序。程序的編制一定要和硬件的設(shè)置對(duì)應(yīng)起來(lái)，否則就算編程正確也不能正確輸出。就一個(gè)課題而言它的要求只是個(gè)大概的控制情況，而在設(shè)計(jì)中一些具體的細(xì)節(jié)類(lèi)控制方案要靠自己去完善，有時(shí)候?yàn)榱朔奖阌^看運(yùn)行后的效果可以添加一些輔助元件，如指示燈之類(lèi)的輸出元件。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)際是對(duì)我們所學(xué)知識(shí)的綜合考核。設(shè)計(jì)的完成不僅鞏固和提高了我的專(zhuān)業(yè)還使我們學(xué)到了許多書(shū)本上以外的東西，遇到問(wèn)題先自己分析考慮再和同學(xué)討論并向老師請(qǐng)教，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)鍛煉了自己的動(dòng)手能力，調(diào)試過(guò)程也是發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和改正錯(cuò)誤的過(guò)程，在實(shí)踐中不斷完善。當(dāng)真正調(diào)試成功時(shí)內(nèi)心的激動(dòng)是無(wú)法言表的，只有真正親身體驗(yàn)才能明白，使我們真正學(xué)到了知識(shí)掌握了知識(shí)。九、參考文獻(xiàn)[1]常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器[M]

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