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1、机械手控制设计目录任务书-2开题报告-4进度表-5工作指导检查表-6前言-7摘要-7关键词-7第一章 机械手移动工件控制系统的控制要求-7一 机械手自动化控制系统的PLC实现方法中的基本结构、机械手移动工件的工作流程和工作原理-71.1.1 基本结构-71.1.2 工作流程-81.1.3 工作原理-8二 设备控制要求-9三 控制器件选型-91.3.1 步进电动机及其驱动机-91.3.2 伺服电动机及其驱动机-91.3.3 直流电动机-101.3.4 旋转编码机-101.3.5 PLC的选型-10第二章 机械手PLC控制系统的PLC资源配置-10一 控制系统过程构成图-10二 I/O地址分配-1
2、1第三章 机械手PLC控制系统的程序设计和调试-11一 程序设计及使用-113.1.1 设计注意事项-113.1.2 使用要点-12二 程序调试-133.2.1 程序的模拟调试-133.2.2 程序的现场调试-133.2.3 硬件调试-13三 程序的流程图-14结束语-14参考文献-15机械手控制设计摘要：在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。机械手就在这样诞生了,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。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸等机械器件组成；电气方面有步进电机、驱
3、动模块、传感器、开关电源、电磁阀、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由PLC输出两路脉冲，分别驱动横轴、竖轴步进电机驱动器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；直流电机拖动手爪和底盘旋转，位置信号由旋转码盘和接近开关反馈给PLC主机；电磁阀控制气开阀的开关来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。关键词：控制
4、 机械 传送带 电磁 上升 下降 前 言随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装
5、配、切割、喷染等等，应用非常广泛。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率.第一章 机械手移动工件控制系统的控制要求一、机械手自动化控制系统的PLC实现方法中的基本结构、机械手移动工件的工作流程和工作原理图1 机械手搬物示意图1.1.1 基本结构机械手结构如图1所示，有气控机械手(1)、XY轴丝杠组(2)、转盘机构(3)、旋转基座(4)等组成。其运动控制方式为：(1)由伺服电机驱动可旋转角度为360的气控机械手(有光电传感器确定起始0点)；(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动(有x、y轴限位开关)；(3)可回旋360的转盘机构能带动机
6、械手及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成)；(4)旋转基座主要支撑以上3部分；(5)气控机械手的张合由气压控制(充气时机械手抓紧，放气时机械手松开)。1.1.2 工作流程其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械手夹住货物。步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机再次驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。 图中机
7、械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5，对机械手分别进行抓紧、左转、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。传送带A上装有光电开关SP，用于检测传送带A上物品是否到位。机械手的起、停由图中的起动按钮SB1、停止按钮SB2控制。传送带A、B由电动机拖动。机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由液压驱动，并分别由六个电磁阀来控制。传送带B处于连续运行状态，故不需要用PLC控制。1.1.3 工作原理 机械手及传送带C 顺序动作的要求是： 1)按下起动按钮SB1时，机械手系统工作。首先上升
8、电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作； 2)左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作； 3)下降电磁阀通电，手臂下降，至下降限位开关动作； 4)启动传送带A运行，由光电开关SP检测传送带A上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作； 5)手臂再次上升，至上升限位开关再次动作； 6)右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作； 7)手臂再次下降，至下降限位开关再次动作； 8)放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。 9)按下停止按钮SB2或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继
9、续工作。 根据对机械手的顺序动作要求，可以画出时序图如图2所示。由时序图可作出机械手动作流程图。二、设备控制要求由于机械手系统的输入/输出接点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，故选用日本OMRON（立石）公司生产的多功能小型C20P主机。该机输入点为12，输出点为8。内部主要有：136个辅助继电器、16个特殊功能继电器、160个保持继电器、8个暂存继电器、48个定时/计数器、64个16位数据存贮器。三、控制器件选型 为达到精确控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：1.3.1 步进电机及其驱动器 机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通
10、电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9/1.8，电流1.5A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用1040V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，最大3A的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在1040VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩
11、，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态1.3.2 伺服电机及其驱动器 机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式(脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，轴采用键槽连
12、接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz ；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232C 通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。1.3.3 直流电机 可回旋360的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1
13、无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用2448V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。1.3.4 旋转编码器 在可回旋360的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的精确定位。1.3.5 PLC的选型 根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CP
14、M2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRONPC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。 第二章 机械手PLC控制系统的PLC资源配置一、控制系统构成图：二、I/O地址分配根据机械手动作流程图，可以确定电气控制系统的I/O点分配，如表1所示。表1 机械手控制I/O分配表：第三章 机械手PLC控制系统的程序设计和调试PLC （可编程控制器）技术S7-300 PLC的选型原则是据生产工艺所需的功能和容量进行选型，并考虑维护的方便性、备
15、件的通用性，以及是否易于扩展和有无特殊功能等要求。选型时具体注意以下几方面： (1)有关参数确定。一是输入/输出点数(I/O点数)确定。这是确定PLC规模的一个重要依据，一定要根据实际情况留出适当余量和扩展余地。二是PLC存储容量确定。注意当系统有模拟量信号存在或要进行大量数据处理时，其存储容量应选大一些。 (2)系统软硬件选择。一是扩展方式选择，S7-300PLC有多种扩展方式，实际选用时，可通过控制系统接口模块扩展机架、Profibus-DP现场总线、通信模块、运程I/O及PLC子站等多种方式来扩展PLC或预留扩展口；二是PLC的联网，包括PLC与计算机联网和PLC之间相互联网两种方式。因
16、S7-300PLC的工业通信网络淡化了PLC与DCS的界限，联网的解决方案很多，用户可根据企业的要求选用；三是CPU的选择，CPU的选型是合理配置系统资源的关键，选择时必须根据控制系统对CPU的要求(包括系统集成功能、程序块数量限制、各种位资源、MPI接口能力、是否有PROFIBUS-DP主从接口、RAM容量、温度范围等)，并最好在西门子公司的技术支持下进行，以获得合理的选型；四是编程软件的选择，这主要考虑对CPU的支持状况，我们的体会是：STEP7V4.0对有些型号的CPU不支持，硬件组态时会发生故障出错，而STEP7V5.0则不存在这种问题。一、程序设计及使用 3.1.1 设计注意事项 设
17、计时主要应注意以下几方面： (1)PLC输出电路中没有保护，因此在外部电路中应设置串联熔断器等保护装置，以防止负载短路造成PLC损坏。熔断器容量一般为0.5A。 (2)PLC存在I/O响应延迟问题，因此在快速响应设备中应加以注意。MPI通信协议虽简单易行，但响应速度较慢。 (3)编制控制程序时，最好用模块式结构程序。这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作；又能使数据库结构统一，方便WinCC组态时变量标签的统一编制和设备状态的统一显示。(4)硬件资源。要合理配置硬件资源，以提高系统可靠性。如PLC电源配电系统要配备冗余的UPS不间断电源，以排除停电对全线运行的不利影响。又如对电机的控制回
18、路要进行继电器隔离，以消除外部负载对I/O模块的可能损坏。另外，系统设备要采用独立的接地系统，以减少杂波干扰。3.1.2 使用要点 (1)抗干扰措施。来自电源线的杂波，能造成系统电压畸变，导致系统内电气设备的过电压、过负荷、过热甚至烧毁元器件，造成PLC等控制设备误动作。所以，在电源入口处最好应设置屏蔽变压器或电源滤波等防干扰设施。其中，电源滤波器的地要以最短线路接到中央保护地。对于直流电源，则可加装微分电容加以干扰抑制。 (2)保护接地。可采取用不小于10mm的保护导线接好配电板的保护地；相邻的控制柜也应良好接触并与地可靠连接。同时要做好防雷保护接地，通常可采取总线电缆使用屏蔽电缆且屏蔽层两
19、端接地，或模拟信号电缆采取两层屏蔽，外层屏蔽两端接地等措施。另外，为防止感应雷进入系统，可采用浪涌吸收器。(3)做好信号屏蔽。信号的屏蔽非常关键，一般可采取屏蔽电缆传送模拟信号。注意对多个模拟信号共用一根多芯屏蔽电缆或用两种屏蔽电缆传送时，信号间一定要做好屏蔽。而且电缆的屏蔽层一端(一般在控制柜端)要可靠接地。(4)当现场没有或无法设置硬点时，可在操作界面上采取软按键的方法解决走向选择或控制方式选择等问题。此外，与变频器、智能仪表等的连接，最好还是采用信号线直接相连的方式。(5)应合理配置PLC的使用环境，提高系统抗干扰能力。具体采取的措施有：远离高压柜、高频设备、动力屏以及高压线或大电流动力
20、装置；通信电缆和模拟信号电缆尽量不与其他屏 (盘)或设备共用电缆沟；PLC柜内不用荧光灯等。另外，PLC虽适合工业现场，但使用中也应尽量避免直接震动和冲击、阳光直射、油雾、雨淋等；不要在有腐蚀性气体、灰尘过多、发热体附近应用；避免导电性杂物进入控制器。已广泛应用于各控制领域，尤其是在工业生产过程控制中，它具有其它控制器无可比拟的优点，可靠性高、抗干扰能力强，在恶劣的生产环境里，仍然可以十分正常地工作。作为PLC本身，它的故障发生率非常低，但对以PLC为核心的PLC控制系统而言，组成系统的其他外部元器件（如传感器和执行器）、外部输入信号和软件本身，都很可能发生故障，从而使整个系统发生故障，有时还
21、会烧坏PLC，使整个系统瘫痪，造成极大的经济损失，甚至危及人的生命安全。所以技术人员必须熟悉PLC 技术,并能够熟练地诊断和排除PLC在运行中的故障。PLC控制系统故障诊断技术的基本原理是利用PLC的逻辑或运算功能，把连续获得的被控过程的各种状态不断地与所存储的理想（或正确）状态进行比较发现它们之间的差异，并检查差异是否在所允许的范围内（包括时间范围和数值范围）。若差异超出了该范围，则按事先设定的方式对该差异进行译码，最后以简单的、或较完善的方式给出故障信息报警。故障诊断的功能包括故障的检测和判断及故障的信息输出。常见的 PLC控制系统中，其故障的情况是多种多样的。PLC控制系统主要由输入部分
22、、CPU、采样部分、输出控制和通讯部分组成，如图1所示。输入部分包括控制面板和输入模板；采样部分包括采样控制模板、AD转换模板和传感器；CPU作为系统的核心，完成接收数据，处理数据，输出控制信号；输出部分有的系统用到DA模板，将输出信号转换为模拟量信号，经过功放驱动执行器；大多数系统直接将输出信号给输出模板，由输出模板驱动执行器工作；通讯部分由通讯模板和上位机组成。因为PLC本身的故障可能性极小，系统的故障主要来自外围的元部件，所以它的故障可分为如下几种：输入故障，即操作人员的操作失误；传感器故障；执行器故障；PLC软件故障。这些故障，都可以用合适的故障诊断方法进行分析和用软件进行实时监测，对
23、故障进行预报和处理。故障自诊断是系统可维修性设计的重要方面，是提高系统可靠性必须考虑的重要问题。自诊断主要采用软件方法判断故障部分和原因。不同控制系统自诊断的内容不同。PLC有很强的自诊断能力，当PLC出现自身故障或外围设备故障，都可用PLC上具有的诊断指示功能的发光二极管的亮、灭来查找。二、程序调试PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用
24、户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。3.2.1 程序的模拟调试 将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是
25、否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。3.2.2 程序的现场调试 完成上述的工
26、作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。 3.2.3 硬件调试 (1)常规检查。在通电之前要耐心细致地作一系列的常规检查(包括接线检查、绝缘检查、接地电阻检查、保险检查等)，避免损坏PLC模块(用STEP7的诊断程序对所有模块进行检查)。 (2)系统调试。系统调试可按离线调试与在线调试
27、两阶段进行。其中离线调试主要是对程序的编制工作进行检查和调试，采用STEP7能对用户编制程序进行自动诊断处理，用户也可通过各种逻辑关系判断编制程序的正误。而在线调试是一个综合调试过程，包括程序本身、外围线路、外围设备以及所控设备等的调试。在线调试过程中，系统在监控状态下运行，可随时发现问题、随时解决问题，从而使系统逐步完善。因此，一般系统所存在的问题基本上可在此过程中得到解决。在线调试设备开停时，必须先调试空开关的运行情况；如果设备设有运行监视开关，则可把监视开关强制为“”(正式运行时，撤销强制)。调试单台设备时可针对性地建立该设备的变量表，对该设备及其与该设备相关的变量进行实时监视。这样既可
28、判断逻辑操作是否正确，对模拟量的变化也可一目了然。比如调试电动执行器时，可建立一变量表，对执行器的位置信号、限位信号、过力矩信号及输出命令信号等进行实时监视，便可非常直观地观测执行器的动作情况。 (3)S7-300 PLC模拟量模块可通过变换信号类型卡支持各种类型信号。当改造老生产工艺线时，不可避免地会遇到多类信号。因此，设计时最好不把几种信号接到同一模块；同时必须先组态好模块，再接信号线，检查无误后送电。此外，应避免两线制与四线制信号、电流与电压信号的混接，以免烧坏模块。(4)一般变送器的负载能力为600，而模拟量输入模块的抗阻各不相同(一般在250以下)。如果回路内设安全栏，必须注意抗阻的
29、匹配；模拟量输出模块的负载能力为600，一般执行器的负载能力为250；如线路较长，也存在抗阻匹配问题。此外，要加强信号的隔离，特别是要加强与支流调速装置、变频调速装置及设备配套的小型PLC之间的信号隔离，防止相互干扰。三、程序的流程图结束语四轴联动简易机械手的各个动作和状态都由PLC控制，不仅能满足机械手的手动、半自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，更可通过接口元器件与计算机组成PLC工业局域网，实现网络通信与网络控制。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中。参考文献1 钟肇新，彭侃编译可编程控制器原理及应用 第二版华南理大学出版社，2003.52 钟肇新，范建东主编可编程控制器原理及应用第三版华南理大学出版社，2003.53 求是科技编著PLC应用开发技术与工程实践北京人民邮电出版社，2005.14 郝海青 串联关节式机械手的控制系统分析与设计万方数据库硕博士论文，2002 5FP0可编程序控制器使用手册天津：天津职业技术师范学院源峰科技发展有限公司6 TVT
