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1、南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） PLC在工业机械手中的应用南通纺织职业技术学院（论文） PLC在工业机械手中的应用沈凡班 级： 09 电气一 专 业：电气自动 化教 学 系： 机电系 指导老师： 马文静 完成时间 年 月 日至 年 月 日30摘要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、等机械器件组成；电气方面有电磁继电器、传感器、等电子器件组成。本文介绍的机械手是由PLC输出脉冲，分别驱动横轴、竖轴，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，限位开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过气缸的伸缩来控制机械
2、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。近年来，日本三菱公司的FX2N系列PLC在我国已经广泛使用，并在各行各业的生产过程的自动控制担任着重要角色。本课题以FX2N48MR为例，讲述了小型可编程控制器的的构成、原理、指令系统、应用以及系统的设置、调试方法。关键字：PLC机械手指令系统目 录摘要I引言31 机械手的简介41.1 概述41.2 机械手的组成41.3 机械手的分类41.4 机械手的应用52 可编程控制器的选型62.1 I/O总点数的确定62.2 I/O点信号性质分析62.3 用户存
3、储器容量的估算63 气动机械手常用的气动元件73.1 气源处理装置73.2 标准双作用直线气缸73.3 单电控电磁换向阀、电磁阀组94 材料清单115机械手的PLC控制115.1 控制要求115.2 机械手的控制系统设计方案的比较125.3 输入和输出点分配表及原理接线图135.3.1输入和输出点分配表135.3.2接线图145.4 指令程序165.4.1操作系统程序165.4.2回原位程序165.4.3手动单步操作程序175.4.4自动操作程序185.5梯形图及指令表215.5.1 梯形图215.5.2指令表246 仿真与调试256.1仿真256.2 调试27设计总结28致谢29参考文献30
4、引言在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更
5、为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由PLC、熔断器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。1 机械手的简介1.1 概述机械手首先是由美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在
6、有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。1.2 机械手的组成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手
7、有23个自由度。1.3 机械手的分类按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。1.4 机械手的应用机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。另外，机械手在锻造工业中的应用不仅能进一步发展锻造设备的生产能力，而且还能改善热、累等劳动条件。2 可编程控制器的选型2.1 I/O总点数的确定由I/O分配表知，输入共18
8、个点,输出共6个点,I/O实际需24点。为留有今后工艺改进与功能扩充余地，在实际统计I/O点数基础上，一般加10-20余量，再考虑PLC产品本身规格，可取PLC的I/O总点数为48点。2.2 I/O点信号性质分析从机械手控制信号分析可知,机械手输入是位置开关信号,上/下限位开关、左/右限位开关等它们都是开关量,而输出主要是5个电磁阀线圈,以控制机械手的左移、右移、上移、下移、夹紧、放松的气路的通断。2.3 用户存储器容量的估算(1) I/O口总点数为48点且均为开关量，以每个I/O点需1O个字节估算则所需存储器字节数为：48*10=480B(2) 定时器有两个:一个夹紧延时、一个放松延时，以每
9、个定时器需2个字节估算则所需存储器字节数为：定时器/计数器数量*2=2*2=4B共需存储器字节数为：480+4=484B介于I/O输入接口为16个及技术和成本方面因素综合考虑，本设计选取日本三菱公司FX2N-48MR型PLC产品。FX2N-48MR型产品主要技术指标如下：表5.1 FX2N-48MR型产品主要技术指标表最大I/O 48点定时/计数器 256个基本功能指令22条, 步进指令2条继电器输出最大负载 80VA/24V执行速度（us/步） 0.8us输入输出响应时间 10ms程序容量（步） 2KB输入光电隔离数据寄存器 通用： 200点 锁存用： 7800点 输出继电器接点隔离3 气动
10、机械手常用的气动元件3.1 气源处理装置气源处理组件及其回路原理图分别如图3.1（a）（b）所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。图3.1 气源处理组件气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.61.0MPa, 输出压力为00.8MPa可调。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输
11、送到各工作单元。3.2 标准双作用直线气缸气动机械手的夹紧气缸和推料气缸都是标准双作用直线气缸。标准气缸是指气缸的功能和规格是普遍使用的、结构容易制造的、制造厂通常作为通用产品供应市场的气缸。双作用气缸是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动。图3.2是标准双作用直线气缸的半剖面图。图3.2中气缸的两个端盖上都设有进排气通口，从无杆侧端盖气口进气时，推动活塞向前运动；反之，从杆侧端盖气口进气时，推动活塞向后运动。双作用气缸具有结构简单，输出力稳定，行程可根据需要选择的优点，但由于是利用压缩空气交替作用于活塞上实现伸缩运动的，回缩时压缩空气的有效作用面积较小，所以产生的力要小于伸出时产生的推力。图3
12、.2 标准双作用直线气缸为了使气缸的动作平稳可靠，应对气缸的运动速度加以控制，常用的方法是使用单向节阀来实现。单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀，常用于控制气缸的运动速度，所以也称为速度控制阀。 图3.3给出了在双作用气缸装上两个单向节流阀的连接示意图，这种连接方式称为排气节流方式。即，当压缩空气从A端进气从B端排气时，单向节流阀A的单向阀开启，向气缸无杆腔快速充气；由于单向节流阀B的单向阀关闭，有杆腔的气体只能经节流阀排气，调节节流阀B的开度，便可改变气缸伸出时的运动速度。反之，调节节流阀A的开度则可改变气缸缩回时的运动速度。这种控制方式，活塞运行稳定，是最常用的方式。图3.3
13、 节流阀连接和调整原理示意单向节流阀上带有气管的快速接头，只要将合适外径的气管往快速接头上一插就可以将管连接好了，使用时十分方便。图3.4是安装了带快速接头的限出型气缸节流阀的气缸外观。图3.4 安装上气缸节流阀的气缸3.3 单电控电磁换向阀、电磁阀组如前所述，气动机械手中的气缸，其活塞的运动是依靠向气缸一端进气，并从另一端排气，再反过来，从另一端进气，一端排气来实现的。气体流动方向的改变则由能改变气体流动方向或通断的控制阀即方向控制阀加以控制。在自动控制中，方向控制阀常采用电磁控制方式实现方向控制，称为电磁换向阀。电磁换向阀是利用其电磁线圈通电时，静铁芯对动铁芯产生电磁吸力使阀芯切换，达到改
14、变气流方向的目的。图3.5所示是一个单电控二位三通电磁换向阀的工作原理示意。图3.5 单电控电磁换向阀的工作原理所谓“位”指的是为了改变气体方向，阀芯相对于阀体所具有的不同的工作位置。“通”的含义则指换向阀与系统相连的通口，有几个通口即为几通。图3.6(a)中，只有两个工作位置，具有供气口P、工作口A和排气口R，故为二位三通阀。图3.6(a)(b)(c)分别给出二位三通、二位四通和二位五通单控电磁换向阀的图形符号，图形中有几个方格就是几位，方格中的“”和“”符号表示各接口互不相通。图3.6 部分单电控电磁换向阀的图形符号机械手的执行气缸有单线圈电磁阀和双线圈电磁阀构成，上升下降动作由双线圈电磁
15、阀驱动，抓紧放松动作由单线圈电磁阀构成。气动机械手用了三个二位五通的单电控电磁阀。这两个电磁阀带有手动换向和加锁钮，有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2个位置。用小螺丝刀把加锁钮旋到在LOCK位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作。只有在PUSH位置，可用工具向下按，信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时，手控开关的信号为“0”。在进行设备调试时，可以使用手控开关对阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变机械手等执行机构的控制，达到调试的目的。两个电磁阀是集中安装在汇流板上的。汇流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。这种将多
16、个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成称为阀组，而每个阀的功能是彼此独立的。电磁阀组的结构如图3.7所示。图3.7 电磁阀组 4 材料清单根据机械手设计要求，所需材料如表4.1所示：表4.1 系统所需设备、工具、材料明细表名 称型 号 或 规 格数 量可编程控制器FX2N-48MR1台双线圈电磁阀VF32302只单线圈电磁阀VF31301只按钮LA10H-1H9个限位开关LX19-1114个转换开关LW6-51个熔断器RC1A-30/151只连接导线若干5机械手的PLC控制5.1 控制要求机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的
17、选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。1、机械手传送工件系统示意图，如图5.1.1所示。， 图5.1.1 机械手传送示意及操作面板图5.2 机械手的控制系统设计方案的比较在工业自动化生产中常用的控制系统有：传统的继电器接触器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种。继电器接触器控制系统的时间长短可由时间继电器的延时时间来控制，但是所需器材比较多，接线比较麻烦；微机控制系统需要计算好机械手的轨迹，
18、并用表达式输进电脑，一般工厂使用比较繁琐，而且成本高。所以从使用性、经济性、可靠性出发，本设计选用了PLC。因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是用于各种传感器在复杂的条件下工件的传输，主要动作是上升、下降、左移、右移、夹紧、放松和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主。是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，特别是替代继电器控制系统，这更是它的优势。5.3 输入和输出点分配表及原理接线图5.3.1输入和输出点分配表根据机械手的设计需要进行I/O接口分配，如表
19、5.3.1所示：表5.3.1 机械手传送系统输入和输出点分配表输入信号名称代号输入启动SB1X0下限行程SQ1X1上线行程SQ2X2右限行程SQ3X3左限行程SQ4X4停止SB2X5手动操作SB3X6连续操作SB4X7夹紧SB5X10放松SB6X11单步上升SB7X12单步下降SB8X13单步左移SB9X14单步右移SB10X15回原点SB11X16工件检测SQ5X17输出信号名称代号输出电磁阀下降YV1Y0电磁阀夹紧YV2Y1电磁阀上升YV3Y2电磁阀右行YV4Y3电磁阀左行YV5Y 4原点指示ELY55.3.2接线图外部接线图、装接线图如图5.3.2及图5.3.3（a），（b）所示：图5.
20、3.2外部接线图图5.3.3装接线图（a）图5.3.3装接线图（b）5.4 指令程序5.4.1操作系统程序 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图5.4.1所示： 图5.4.1机械手操作系统程序其原理是：把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。5.4.2
21、回原位程序回原位程序如图5.4.2所示。用S10S12作回零操作元件。应注意，当用S10S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。S10S1RSTRSTS11RSTS12SETRSTY1Y0Y3M8043S12Y2Y4M8002X16X2上升结束X4左移限位放松复位“下降”输出复位“右移”输出左移回原点结束图5.4.2回原位状态转移图5.4.3手动单步操作程序 如图5.4.3所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。 图5.4.3手动单步操作程序图5.4.4自动操作程序 自动操作状态转移见图5.4.4所示。上升左移S2S20S21S22S23S24S2
22、5S26S27SETY1RSTY1T1 K10Y2Y3Y0T1 K10Y2Y4Y0自动方式初始状态状态转移开始原点位置开始X1下限位T0X2X33X17X1T1X2X4上限位右移限位下限位上升结束左移限位下降夹紧上升右移下降放松图5.4.4自动操作状态转移图 当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱 动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。移到最右位，X3接通，状态转移到S2
23、4下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。5.5梯形图及指令表 5.5.1 梯形图机械手控制程序如图5.5.1所示： 图5.5.1机械手控制程序如图7所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行
24、到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。5.5.2指令表指令表如表5.5.2所示：表5.5.2程序指令表 6 仿真与调试6.1仿真1.先在GX Developer中打开编写好的PLC程序，点击“PLC写入”按钮将程序写进PLC。2.再打开GTD2软件的页面设计程序，进行参数设置，如下图6.1.1所示。图6.1.1选项设置3.设计控制面板，并保存，如图6.1.2所示。图6.1.2
25、页面布局4.打开GSS2软件，进行选项设置，如图6.1.3所示。图6.1.3仿真软件参数设置5.开始仿真，如图6.1.4所示：图6.1.4仿真示意图6.2 调试仿真程序运行后，点击“打开控制面板”，进入控制中。检测手动程序在运行中，每个手动控制按键达到预期的效果。检测自动程序在运行中，能够完全自动运行。仿真中遇到的问题：在第一次调试中，“停止”按钮没有达到预期效果，最后检查在PLC端口设置中，其对应的端口设置成为了“只读”，在后面修改成为“只写”之后，程序能够正常运行；在调试中，只关掉了易控仿真，在后面再次打开易控仿真时，运行出问题。后面发现是PLC仿真没与易控同步产生的数据紊乱，在其后的仿真
26、中关闭仿真时，先运行一次回原点程序，则下次运行易控时没出现问题。设计总结经过两个多月的设计，机械手PLC控制系统的程序，已成功地通过了模拟手动、单步、单周期、连续等运行的调试，证明本设计的硬件、软件部分基本都能达到预期要求，能可靠地控制机械手动作，达到机械手所要求的技术性能。系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。在这过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和体会，并在学习和实践过程中增长了知识，丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统
27、分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。同时，在本次设计中，也深刻体会到理论和实践相集合的重要性。虽然之前收集了大量的资料但在实际应用中却有很大差异，出现了许多意想不到的问题。但经过长时间的摸索最终还是设计出达到要求的系统。由于时间紧迫，有些设计工作还有待完善，在以后的工作中我会继续努力,不断提高自己的技术水平，以适应未来的激烈竞争形势。致谢本论文是在马文静老师热情关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作
28、作风，深深地感染和鼓励着我。从论文题的开题到最终完成，马老师始终给予我细心的指导和不懈的支持，不仅使我的知识面拓宽，概念理解更为深入透彻，而且还学到了许多做人的道理。从选题以来，导师的为人师表、渊博的知识、宽广的胸怀让终生受益；在此，谨向马老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！感谢南通纺织职业技术学院给予我三年的教育和培养，感谢全体老师在三年里给予的关爱和帮助。还要感谢陪伴我一起愉快度过大学生活的各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个又一个的困难，直至本次论文的顺利完成。在论文撰写即将完成之际，我的心情很感激，从开始选课题到任务的如期完成，期间还有许多可敬的老师、友善的同学、热心的校友，给予我莫大的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！参考文献1 求是科技主编 PLC应用开发技术与工程实践 人民邮电出版社 20052 郁汉琪主编 电气控制与可编程序控制器应用技术 东南大学出版社 20103 程周主编 PLC技术与应用 福建科学技术出版社 20044 李中年主编 控制电气及应用 清华大学出版社 20065 韩志国主编 PLC应用技术 国防工业出版社 20046 冯辛安主编 机械制造装备设计 机械工业出版社 20057 廖常初主编 可编程序控制器应用技术 重庆大学出版社 2002
