基于PLC的工業(yè)機(jī)械手臂控制系統(tǒng)瑤

摘要：機(jī)械手：mechanicalhand，也被稱為自動(dòng)手，autohand能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身平安，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造冶金部門。機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大局部組成。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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)〔擺動(dòng)〕、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)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(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)越多、自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。關(guān)鍵詞：機(jī)械手自由度點(diǎn)位控制連續(xù)軌跡控制目錄1緒論61.1課題背景與現(xiàn)實(shí)意義61.2機(jī)械手的概述71.3本文的主要工作82搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案82.1搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及其動(dòng)作92.2機(jī)械手的控制過程102.3機(jī)械手的控制要求103搬運(yùn)機(jī)械手硬件系統(tǒng)設(shè)123.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)123.2電氣控制的設(shè)計(jì)133.3操作面板及動(dòng)作說明133.4I/O分配144搬運(yùn)機(jī)械手的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)165結(jié)論196謝辭207參考文獻(xiàn)211緒論可編程序控制器(PLC)已在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中得到了廣泛應(yīng)用。它是以微處理器為核心,綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)開展起來的一種通用的自動(dòng)控制裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用簡單等一系列有點(diǎn)；氣動(dòng)技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的重要手段，并已廣泛應(yīng)用于各個(gè)部門，在機(jī)械產(chǎn)品自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化及企業(yè)技術(shù)改造方面占有重要的地位。氣壓傳動(dòng)的介質(zhì)來自于空氣，環(huán)境污染小，工程已于實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)得到了很好的利用，它可以減少人的充分操作，并且它還可以完成人無法完成的操作，從而大大地提高了工業(yè)的生產(chǎn)效率。機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。其中的工業(yè)機(jī)械手是近代控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，它的開展是由于其積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí):它能局部地代替人工操作；能按照生產(chǎn)工藝的要求，能遵循一定的程序、時(shí)間、位置能完成工件的傳送和裝卸；能制作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配從而大大改善工人的工作條件，顯著地提高勞動(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。1.1課題背景與現(xiàn)實(shí)意義隨著人類的開展、文明的進(jìn)步，工業(yè)正不斷開展著，需要人們完成的工作量也不斷增大〔尤其是那種重復(fù)性大的工作，像傳運(yùn)貨物〕，涉及到危險(xiǎn)性的工作也日趨增多，這就迫使人們研究開發(fā)一種新裝置，能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作的一種裝置，而機(jī)械手正是這樣一種裝置：它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身平安，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。1.2機(jī)械手的概述機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中開展起來的一種新型裝置。近年來，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)迅速開展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的開展，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)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(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)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。

(3)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)。(4)可在危險(xiǎn)場合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。

(5)宇宙及海洋的開發(fā)。

(6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。1.3本文的主要工作本文用實(shí)驗(yàn)室器材來模擬用機(jī)械手把物體從傳送帶A拿到傳送帶B，從而進(jìn)一步了解機(jī)械手的功能、工作方式，并且進(jìn)一步熟悉PLC的控制程序。2搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案PLC在機(jī)械手搬物控制中的應(yīng)用下列圖為機(jī)械手動(dòng)作示意圖，機(jī)械手按下述順序周而復(fù)始地工作：X5X5X3轉(zhuǎn)盤Y0傳送帶B光電開關(guān)X1上限開關(guān)下限開關(guān)夾Y2松Y3左限X13右限X7左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)ZHUA轉(zhuǎn)ZHUANG圖2—1轉(zhuǎn)盤Y0為步進(jìn)式傳送物料，每當(dāng)機(jī)械手從轉(zhuǎn)盤Y0輸送通道上取走一個(gè)物料時(shí)，該轉(zhuǎn)盤向前步進(jìn)一個(gè)步距，將使機(jī)械手在下一個(gè)循環(huán)取走物料。機(jī)械手搬物動(dòng)作示意圖1中轉(zhuǎn)盤Y0由電動(dòng)機(jī)M控制，械手的左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由Y10、Y11電控閥控制，機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)由電控閥Y12、Y13控制，機(jī)械手的夾緊與放松由電控閥控制Y2、Y3，機(jī)械手的伸出與縮回由電控閥Y6、Y7控制。位置信號(hào)分別為：機(jī)械手左、右轉(zhuǎn)到位開關(guān)為磁性傳感器X13、X7，機(jī)械手手臂上升、下降到位開關(guān)為磁性傳感器X5、X3，機(jī)械手伸出、縮回到位開關(guān)為磁性傳感器X2、X6。2.1搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及其動(dòng)作本機(jī)械手用于生產(chǎn)線上工件的自動(dòng)搬運(yùn)，根據(jù)對(duì)機(jī)械手的工藝過程及控制要求分析，機(jī)械手的動(dòng)作過程如圖2—1所示：圖2—2機(jī)械手的動(dòng)作周期2.2機(jī)械手的控制過程如圖2—1所示轉(zhuǎn)盤Y0為步進(jìn)式傳送物料，每當(dāng)機(jī)械手從轉(zhuǎn)盤Y0輸送通道上取走一個(gè)物料時(shí)，該轉(zhuǎn)盤向前步進(jìn)一個(gè)步距，將使機(jī)械手在下一個(gè)循環(huán)取走物料。機(jī)械手搬物動(dòng)作示意圖1中轉(zhuǎn)盤Y0由電動(dòng)機(jī)M控制，械手的左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由Y10、Y11電控閥控制，機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)由電控閥Y12、Y13控制，機(jī)械手的夾緊與放松由電控閥控制Y2、Y3，機(jī)械手的伸出與縮回由電控閥Y6、Y7控制。位置信號(hào)分別為：機(jī)械手左、右轉(zhuǎn)到位開關(guān)為磁性傳感器X13、X7，機(jī)械手手臂上升、下降到位開關(guān)為磁性傳感器X5、X3，機(jī)械手伸出、縮回到位開關(guān)為磁性傳感器X2、X6。2.3機(jī)械手的控制要求1〕、在初始狀態(tài)〔機(jī)械手在上限、左限、手臂縮回〕下，按下啟動(dòng)按鈕，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)開始輸送物料，當(dāng)光電開關(guān)檢測(cè)到物料時(shí)，機(jī)械開始動(dòng)作。2〕機(jī)械手伸出到權(quán)限位置時(shí)，停止伸出；然后機(jī)械手開始下降下降到下限權(quán)限位置時(shí)，停止下降；然后機(jī)械手夾緊物料。3〕、機(jī)械手夾緊物料后開始上升上升到上限的權(quán)限位置時(shí)，停止上升；然后機(jī)械手縮回縮回到權(quán)限位置時(shí)，停止縮回。4〕停止縮回后機(jī)械手開始右轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)到右限位置時(shí)，停止右轉(zhuǎn)；當(dāng)右轉(zhuǎn)停止后機(jī)械手開始伸出伸出到伸出權(quán)限時(shí)，停止伸出、隨著機(jī)械手開始下降下降到下限位置時(shí)，停止下降然后松開物料。5〕、松開物料后機(jī)械手開始上升上升到上限位置后，停止上升、然后左轉(zhuǎn)到原位完成一個(gè)循環(huán)。6〕、正常工作時(shí)閃亮綠燈。7〕、按下啟動(dòng)按鈕假設(shè)在30S內(nèi)光電開關(guān)檢測(cè)不到物體，報(bào)警鋒鳴響起及紅燈閃亮。8〕具有斷電保持功能、停電后再次來電，需按啟動(dòng)按鈕才能啟動(dòng)并從停電時(shí)那步繼續(xù)開始工作機(jī)械手。9〕、機(jī)械手具有急停〔機(jī)械手立即停止工作、啟動(dòng)后仍從此開始工作〕和停止功能〔要回到原始位置〕。10〕、要設(shè)計(jì)有單步和循環(huán)啟動(dòng)功能。所謂“循環(huán)〞，即一次循環(huán)工步完畢后，隨即或延時(shí)0.5秒后自動(dòng)進(jìn)入下一次循環(huán)；所謂“單步〞，即一次循環(huán)工步完畢后，機(jī)械手就停在初始位。假設(shè)想機(jī)械手再一次開始工作，必須再次按啟動(dòng)按鈕方可。11〕、適當(dāng)設(shè)計(jì)一些延時(shí)功能，在機(jī)械手工作時(shí)。3搬運(yùn)機(jī)械手硬件系統(tǒng)設(shè)3.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)如圖3—1所示圖3—1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖圖中設(shè)置9個(gè)行程開關(guān)SQ1—SQ9用于檢測(cè)工件、小車、機(jī)械手的位置及機(jī)械手夾鉗的夾緊、放松狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。其中SQ1為工件是否到位的檢測(cè)開關(guān)；SQ2為小車原位檢測(cè)開關(guān)；SQ3、SQ4分別為機(jī)械手下降上升是否到位檢測(cè)開關(guān)；SQ5、SQ6分別為機(jī)械手夾緊放松檢測(cè)開關(guān)；SQ7、SQ8分別為小車速度轉(zhuǎn)換開關(guān)；SQ9為小車運(yùn)動(dòng)停止開關(guān)。3.2電氣控制的設(shè)計(jì)包括主電路和控制電路的設(shè)計(jì)。主電路由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，即慢速電機(jī)和快速電機(jī)，分別拖動(dòng)小車慢行和快行，其控制如下：慢速電動(dòng)機(jī)M1由接觸器KM1、KM2分別控制其正傳和反轉(zhuǎn)；快速電動(dòng)機(jī)M2由接觸器KM3和KM4分別控制其正傳和反轉(zhuǎn)。機(jī)械手的夾緊放松動(dòng)作是由一單電兩位四通電磁閥控制的一個(gè)液壓缸完成的，在通電情況下，機(jī)械手松開，得電時(shí)松開，可以防止在設(shè)備運(yùn)行過程中突然斷電導(dǎo)致的機(jī)械手松開，工件脫落的情況發(fā)生。3.3操作面板及動(dòng)作說明根據(jù)控制和生產(chǎn)工藝的要求，控制操作包括手動(dòng)和自動(dòng)，手動(dòng)又包括手動(dòng)步進(jìn)、回原位操作，自動(dòng)控制包括單步、單周期、連續(xù)的操作。故操作方式選擇開關(guān)設(shè)置有五個(gè)檔位。手開工作方式下，手動(dòng)動(dòng)作包括上升、下降、放松、快進(jìn)、慢進(jìn)、快退、慢退和復(fù)位，故設(shè)置六個(gè)動(dòng)作看官按鈕。各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行的同時(shí)均設(shè)有動(dòng)作指示燈。另外設(shè)有啟動(dòng)停止按鈕。其操作面板如圖3—2所示圖3—2機(jī)械手操作面板示意圖3.4I/O分配X0：啟動(dòng)開關(guān)Y0：傳送帶A運(yùn)行X1：停止開關(guān)Y1：驅(qū)動(dòng)手臂左旋X2：抓動(dòng)作限位行程開關(guān)Y2：驅(qū)動(dòng)手臂右旋X3：左旋限位行程開關(guān)Y3：驅(qū)動(dòng)手臂上升X4：右旋限位行程開關(guān)Y4：驅(qū)動(dòng)手臂下降X5：上升限位行程開關(guān)Y5：驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓動(dòng)作X6：下降限位行程開關(guān)Y6：驅(qū)動(dòng)機(jī)械手放動(dòng)作X7：物品檢測(cè)開關(guān)〔光電開關(guān)〕4搬運(yùn)機(jī)械手的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械手動(dòng)控制屬順序控制，故其手動(dòng)程序采用普通的PLC控制指令控制，自動(dòng)程序采用步進(jìn)梯形指令控制5結(jié)論本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于機(jī)加工生產(chǎn)，貨物調(diào)運(yùn)等場合。搬運(yùn)機(jī)械手采用PLC控制，體積小，重量輕，控制方式靈活，可靠性高，操作簡單，維修容易。使用該機(jī)械手代替人工搬運(yùn)工件，既平安，又準(zhǔn)確，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證了工件的質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?？删幊炭刂破鱌LC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性,可以在機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起到了十分重要的作用。本文就設(shè)計(jì)過程中的幾項(xiàng)關(guān)鍵的問題提出了自己的一些看法,可以有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力,對(duì)PLC讀、寫,事件響應(yīng)等通信時(shí)間可進(jìn)行精確的控制,取得了良好的效果.隨著機(jī)械手應(yīng)用的普及，機(jī)械手向著專用化，機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化的方向開展，機(jī)械手的動(dòng)作更加靈活多樣，其控制方式也在向著多元化的方向開展，在PLC控制的過程中,還有許多的問題需要解決，PLC在機(jī)械手開發(fā)中的開發(fā)應(yīng)用還有很大的空間。6謝辭此次設(shè)計(jì)是在韓星海老師的悉心指導(dǎo)下完成的。老師為論文課題的研究提出了許多指導(dǎo)性的意見，為論文的撰寫、修改提供了許多具體的指導(dǎo)和幫助。韓星海老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、不斷探索的科研作風(fēng)，敏銳深邃的學(xué)術(shù)洞察力，孜孜不倦的敬業(yè)精神，給我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文結(jié)束之際，特向我敬愛的導(dǎo)師致以最崇高的敬禮和深深的感謝！通過此次設(shè)計(jì)，一方面讓我認(rèn)識(shí)到自己的缺乏，發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)中的錯(cuò)誤之處；另一方面又積累豐富的知識(shí)，吸取別人好的方法和經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的根底。再一方面也加強(qiáng)了我和老師的交流，認(rèn)識(shí)到知識(shí)的淵博度。經(jīng)過這次的努力，使我順利的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。這份課程設(shè)計(jì)既是對(duì)這學(xué)期所學(xué)知識(shí)的總結(jié)，又是自己知識(shí)的積累，也大大加深了對(duì)單片機(jī)技術(shù)的了解。課程設(shè)計(jì)中既動(dòng)腦又動(dòng)手，是一個(gè)理論與實(shí)際結(jié)合的過程。僅僅有理論是不夠的，更重要的是實(shí)際的，是我們所設(shè)計(jì)的實(shí)物，具有設(shè)計(jì)合理，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)者考慮問題是要仔細(xì)、周密，不能有絲毫的大意。對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)越化，也需要我們綜合各方面的因素考慮，尤其是實(shí)際。再次像教育指導(dǎo)我的老師及同學(xué)表示誠摯的感謝！鑒于本人所學(xué)知識(shí)有限，經(jīng)驗(yàn)缺乏，又是初次研究這種復(fù)雜的設(shè)計(jì)，在此過程中難免存在一些錯(cuò)誤和缺乏之處，懇請(qǐng)各位老師給予批評(píng)和指正。7參考文獻(xiàn)[1]王炳實(shí).機(jī)床電氣控制.第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004年：146-162[2]王本軼.機(jī)床設(shè)備控制根底.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005年：283-288[3]丁樹模.液壓傳動(dòng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007年[4]林平勇.高崇.電工電子技術(shù).第二版：北京：高等教育出版社，2004年[5]熊幸明.曹才開.一種工業(yè)機(jī)械手的PLC控制.微計(jì)算機(jī)信息，2006年，第22卷第11期:120-122[6]孔秀艷.一種四軸搬運(yùn)機(jī)械手的PLC控制.群眾科技，2023年，第7期：112-113[7]劉軒.王麗偉.機(jī)械手的PLC控制.機(jī)床電器.2006年，34-49[8]張應(yīng)金.PLC在機(jī)械手搬運(yùn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.自動(dòng)化博覽，2023年02月刊：71-73[9]

曾繁鈴.一種PLC控制的工業(yè)機(jī)械手.常熟理工學(xué)院報(bào)，2023年4月第22卷第四期：101-104[10