機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強(qiáng)度，甚至于危及生命。自從機(jī)械手問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解。機(jī)械手可在空間抓、放、搬運(yùn)物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。機(jī)械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動強(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為工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。廣泛采

2、用工業(yè)機(jī)器人，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義?？删幊炭刂破魇抢^電器控制和計算機(jī)控制出上開發(fā)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展成以微器處理為核心把自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。本文應(yīng)用三菱公司生產(chǎn)的可編程控制器fx系列plc，實現(xiàn)機(jī)械手搬運(yùn)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了可編程控制器（plc）控制功能。使該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，時期功能范圍得到廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵字：機(jī)械手；自動化裝備；可編程控制器；plc目 錄摘要前言2 第1章 設(shè)計目的及主要內(nèi)容3 1.1設(shè)計目的3 1.2.主要內(nèi)容

3、3第2章 機(jī)械手的操作要求及功能4 2.1.操作要求4 2.2操作功能5第3章 plc及機(jī)械手的選擇和論證6 3.1plc63.1.1 plc簡介63.1.2 plc的結(jié)構(gòu)及基本配置63.1.3 plc的選擇 73.2機(jī)械手73.2.1機(jī)械手簡介73.2.2機(jī)械手的選擇8 第4章 硬件電路設(shè)計及描述84.1操作方式104.2輸入與輸出分配表及i/o分配接線10第5章 軟件電路設(shè)計及描述125.1機(jī)械手的操作系統(tǒng)程序125.2回原位程序12 5.3手動單步操作程序135.4自動操作程序145.5機(jī)械臂傳送系統(tǒng)梯形圖145.6指令語句表16 第6章 總結(jié)17 參考文獻(xiàn)18前 言大二的學(xué)習(xí)即將結(jié)束，

4、課程設(shè)計是其中一個重要環(huán)節(jié)，是對以前所學(xué)的知識及所掌握的技能的綜合運(yùn)用和檢驗。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，采用plc的技術(shù)得到愈來愈廣泛的應(yīng)用?？删幊绦蚩刂破鳎╬rogrammable logic controller），簡稱plc，是在繼電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動化控制裝置。隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，plc的功能也越來越強(qiáng)大，更多地具有計算機(jī)的功能，所以又簡稱pc（programmable controller），但是為了不和personal computer混淆，仍習(xí)慣稱為plc。目前plc已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面取得了很好的發(fā)展，并且現(xiàn)今已出現(xiàn)sof

5、tplc，更是plc領(lǐng)域無限的發(fā)展前景。本文主要通過氣動機(jī)械臂的plc控制來介紹plc的具體應(yīng)用，讓我們更熟悉plc，為今后學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。機(jī)械手采用plc控制，具有可靠性高，改變程序靈活等優(yōu)點。無論進(jìn)行時間控制還是控制或混合控制，都可以通過設(shè)置plc的程序?qū)崿F(xiàn)?？梢愿鶕?jù)機(jī)械手的動作順序改變程序，是機(jī)械手通用性更好 。采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好。阻力損失和泄露減少。不會污染環(huán)境，造價低。 第 1 章 設(shè)計目的及主要內(nèi)容1.1 設(shè)計目的1、培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問題的獨(dú)立工作能力，拓寬和深化學(xué)生的知識。 2、培養(yǎng)學(xué)生樹立正確

6、的設(shè)計思想，設(shè)計構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計的一般程序規(guī)范和方法。3、培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想和使用技術(shù)資料、國家標(biāo)準(zhǔn)等手冊、圖冊工具書進(jìn)行設(shè)計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。4、培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學(xué)習(xí)的基本工作態(tài)度，工作作風(fēng)和工作方法。1.2 主要內(nèi)容1. 正確選用機(jī)械手和plc類 2. 繪制i/o分配 3. 設(shè)計梯形圖 4. 指令語句 5.模擬調(diào)試1.3 設(shè)計要求 1、接線圖（一張） 2、原理圖（一張） 3、設(shè)計計算說明書（一份） 成員任務(wù)1：2:3: 第 2 章 機(jī)械手的操作要求及功能2.1 操作要求氣動機(jī)械手的動作示意圖如圖1所示

7、，氣動機(jī)械手的功能是將工件從a處移送到b處?？刂埔鬄椋?、氣動機(jī)械手的升降和左右移行分別由不同的雙線圈電磁閥來實現(xiàn)，電磁閥線圈失電時能保持原來的狀態(tài)，必須驅(qū)動反向的線圈才能反向運(yùn)動；2、上升、下降的電磁閥線圈分別為yv2、yv1；右行、左行的電磁閥線圈為yv3、yv4；3、機(jī)械手的夾鉗由單線圈電磁閥yv5來實現(xiàn)，線圈通電時夾緊工件，線圈斷電時松開工件；4、機(jī)械手的夾鉗的松開、夾緊通過延時1.7s實現(xiàn)；5、機(jī)械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程開關(guān)sq1、sq2、sq3、sq4來實現(xiàn)；6、機(jī)械手工作流程：原點下降夾緊上升右行下降松開上升左行原點2.2 操作功能機(jī)械手的操作面板如圖2所示。機(jī)

8、械手能實現(xiàn)手動、回原位、單步、單周期和連續(xù)等五種工作方式。1、手動工作方式時，用各按鈕的點動實現(xiàn)相應(yīng)的動作；2、回原位工作方式時，按下“回原位”按鈕，則機(jī)械手自動返回原位；3、單步工作方式時，每按下一次啟動安鈕，機(jī)械手向前執(zhí)行一步；4、單周期工作方式時，每按下一次啟動安鈕，機(jī)械手只運(yùn)行一個周期；5、連續(xù)工作方式時，機(jī)械手在原位，只要按下啟動安鈕，機(jī)械手就會連續(xù)循環(huán)工作，直到按下停止安鈕；6、傳送工件時，機(jī)械手必須升到最高點才能左右移動，以防止機(jī)械手在較低位置運(yùn)行時碰到其他工件；7、出現(xiàn)緊急情況，按下緊急停車按鈕時，機(jī)械手停止所有的操作。 第 3 章 plc及機(jī)械手的選擇3.1 plc3.1.1

9、 plc簡介可編程控制器（簡稱plc）：是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。plc具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點?？梢灶A(yù)料：在工業(yè)控制領(lǐng)域中，plc控制技術(shù)的應(yīng)用必將形成世界潮流。3.1.2 plc的結(jié)構(gòu)及基本配置 一般講，plc分為箱體式和模塊式兩種。但它們的組成是相同的，對箱體式plc，有一塊cpu板、i/o板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當(dāng)然按cpu性能分成若干型

10、號，并按i/o點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式plc，有cpu模塊、i/o模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的plc，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其i/o能力可按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。cpu：plc中的cpu是plc的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺plc至少有一個cpu。與通用計算機(jī)一樣，主要由運(yùn)算器、控制器、存儲器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。它確定了進(jìn)行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。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。 存儲器：可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。i/o模塊：plc的對外功

11、能，主要是通過各種i/o接口模塊與外界聯(lián)系的。電源模塊：有些plc中的電源，是與cpu模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為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。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流220vac或110vac，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24v。plc 的外部設(shè)備：外部設(shè)備是plc系統(tǒng)不可分割的一部分，它一共有四大類組成：1. 編程設(shè)備2. 監(jiān)控設(shè)備3. 存儲設(shè)備. 4. 輸入輸出設(shè)備.3.1.3 plc選擇考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元器件連接的靈活性和方便性，采用plc作為核心控制器，各控制對象都必須

12、在plc的統(tǒng)一控制下協(xié)同工作，同時考慮到工作流程和造價。所以我們采用日本三菱公司的fx2n-32mr型plc(16點輸入、16點輸出)。三菱fx2n系列可編程控制器是小型化，高速度，高性能的產(chǎn)品，是fx系列中最高檔次的超小型程序裝置。性能規(guī)格：fx2n性能規(guī)格運(yùn)轉(zhuǎn)控制方法 通過儲存的程序周期運(yùn)轉(zhuǎn)i/o控制方法 批次處理方法（當(dāng)執(zhí)行end指令時） i/o指令可以刷新運(yùn)轉(zhuǎn)處理時間 基本指令：0.08s應(yīng)用指令：1.52至幾百微秒 ，指令編程語言 邏輯梯形圖和指令清單 使用步進(jìn)梯形圖能生成sfc類型程序程式容量 8000步內(nèi)置 。3.2 機(jī)械手3.2.1 機(jī)械手簡介機(jī)械手也被稱為自動手，它能模仿人手

13、和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，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。機(jī)械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復(fù)雜，但基本的組成形式是相同的，一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。1執(zhí)行機(jī)構(gòu)：機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機(jī)構(gòu)，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進(jìn)行上下、左右和回轉(zhuǎn)動作。支柱用來支撐手臂，也可以根據(jù)需要做成移動。2傳動系統(tǒng)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作要

14、由傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。常用機(jī)械手傳動系統(tǒng)分機(jī)械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。3.控制系統(tǒng)：機(jī)械手控制系統(tǒng)的主要作用是控制機(jī)械手按一定的程序、方向、位置、速度進(jìn)行動作，簡單的機(jī)械手一般不設(shè)置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關(guān)、繼電器、控制閥及電路便可實現(xiàn)動傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求進(jìn)行動作動作復(fù)雜的機(jī)械手則要采用可編程控制器、微型計算機(jī)進(jìn)行控制。3.2.2機(jī)械手選擇 工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。1、按用途分（1）專用機(jī)械手：它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有

15、動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大附屬，如自動機(jī)床、自動線的上、下料機(jī)械手和加工中心”批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機(jī)械手。（2）通用機(jī)械手：它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以點位控制，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用

16、機(jī)械手屬于數(shù)控類型。2、按驅(qū)動方式分（1）液壓傳動機(jī)械手：是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。（2）氣壓傳動機(jī)械手：是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力

17、較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。（3）機(jī)械傳動機(jī)械手：即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它主要特點是運(yùn)動準(zhǔn)確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。（4）電力傳動機(jī)械手：即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展

18、前途。3、按控制方式分（1）點位控制:它的運(yùn)動為空間點到點之間的移動，只能控制運(yùn)動過程中幾個點的位置，不能控制其運(yùn)動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。（2）連續(xù)軌跡控制:它的運(yùn)動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計算機(jī)進(jìn)行控制。 根據(jù)我設(shè)計的要求，由于機(jī)械手是在搬運(yùn)中的應(yīng)用，所以采用傳送帶加旋轉(zhuǎn)的機(jī)械手類型。此機(jī)械手易于操作，性能可靠。并且根據(jù)要求，我們設(shè)計選用的是氣動機(jī)械式。 第 4 章 硬件電路設(shè)計

19、及描述4.1 操作方式 設(shè)備的操作方式一般可分為手動和自動兩大類，手動操作方式主要用于設(shè)備的調(diào)整，自動操作方式用于設(shè)備的自動運(yùn)行。 手動操作方式-手動操作：用單個按鈕接通或斷開各自對應(yīng)的負(fù)載。 -回原點：按下回原點按鈕，使設(shè)備自動回歸到原點位置。 自動操作方式-單步運(yùn)行：每按一次啟動按鈕，設(shè)備前進(jìn)一個工步。 -單周期運(yùn)行：在原點位置時，按下啟動按鈕設(shè)備自動運(yùn)行一個周期后停止原位；途中按下停止按鈕，設(shè)備停止運(yùn)行；再按下啟動按鈕時，設(shè)備從斷點處繼續(xù)運(yùn)行，直到原位停止。 -連續(xù)運(yùn)行：在原點位置按下啟動按鈕，設(shè)備按既定工序連續(xù)反復(fù)運(yùn)行。中途按下停止按鈕，設(shè)備運(yùn)行到原位停止。4.2 輸入和輸出點分配表及

20、i/o分配接線 表1 機(jī)械臂傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表名 稱代號輸入名 稱代號輸入名 稱代號輸出啟動sb1x0左限位sq1x8單周期sb13x16停止sb2x1右限位sq3x9回原點啟動sb14x17上升sb3x2上限位sq2x10電磁閥下降yv1y0下降sb4x3下限位sq4x11電磁閥上升yv2y1左移sb5x4手動sb9x12電磁閥左行yv3y2右移sb6x5自動sb10x13電磁閥右行yv4y3放松sb7x6回原點sb11x14電磁閥夾緊yv5y4夾緊sb8x7單步sb12x15 i/o分配及接線圖i 第 5 章 軟件程序設(shè)計及描述5.1機(jī)械手的操作系統(tǒng)程序 操作系統(tǒng)包括回原點程序，手

21、動單步操作程序和自動連續(xù)操作程序，如圖3所示。其原理是：把旋鈕置于回原點，x16接通，系統(tǒng)自動回原點，y5驅(qū)動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，則x6接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（cj為一跳轉(zhuǎn)指令，如果cj驅(qū)動，則跳到指針p所指p0處），執(zhí)行手動程序。之后，由于x7常閉觸點，當(dāng)執(zhí)行cj指令時，跳轉(zhuǎn)到p1所指的結(jié)束位置。如果旋鈕置于自動位置，（既x6常閉閉合、x7常閉打開）則程序執(zhí)行時跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序。5.2 回原位程序回原位程序如圖4所示。用s10s12作回零操作元件。應(yīng)注意，當(dāng)用s10s19作回零操作時，在最后狀態(tài)中在自我復(fù)位前應(yīng)使特殊繼電器m8043置1。5.3手動單步操作程序

22、如圖5所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)。5.4 自動操作程序自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖6所示。當(dāng)機(jī)械臂處于原位時，按啟動x0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s20，驅(qū)動下降y0，當(dāng)?shù)竭_(dá)下限位使行程開關(guān)x1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s21，而s20自動復(fù)位。s21驅(qū)動y1置位，延時1秒，以使電磁力達(dá)到最大夾緊力。當(dāng)t0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s22，驅(qū)動y2上升，當(dāng)上升到達(dá)最高位，x2接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s23。s23驅(qū)動y3右移。移到最右位，x3接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s24下降。下降到最低位，x1接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時1秒。延時時間到，t1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s26上升。上升到最高位，x2接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s27左移。左移到最左位，使x4接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動作。在編寫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅(qū)動的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步進(jìn)順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強(qiáng)。5.5 機(jī)械臂傳送系統(tǒng)梯形圖如圖7所示。圖中從