PLC機械手臂搬運加工流程控制

引言機械手：mechanicalhand，也被稱為自動手，autohand能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運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)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。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)構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。機械手自二十世紀六十年代初問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中重要的機電設備。目前，正式投入使用的絕大部分機械手屬于第一代機械手，即程序控制機械手。這代機械手基本上采用點位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對控制程序進行校正。這代機械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應的適應性算法?，F(xiàn)在，第三代機械手正在第一、第二代機械手的基礎上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對象物，并具有對復雜信息進行準確處理，對自己行為做出自主決策能力的智能化機械手。它能識別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作，具有專家知識、語音功能和自學能力等人工智能。目前機械手技術有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機械手、微型機械手和微操作系統(tǒng)（如細小工業(yè)管道機械手移動探測系統(tǒng)、微型飛行器等）、機械手化機器、智能機械手（不僅可以進行事先設定的動作，還可按照工作狀況相應地進行動作，如回避障礙物的移動，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動態(tài)學習等）。機械手的應用領域正在向非制造業(yè)和服務業(yè)方向擴展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機械手也將越來越多地裝備部隊。國外方面：近幾年國外工業(yè)機械手領域有如下幾個發(fā)展趨勢。機械手性能不斷提高，而單機價格不斷下降；機械結(jié)構向模塊化、可重構化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實技術在機械手中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制。國內(nèi)方面：目前在一些機種方面，如噴涂機械手、弧焊機械手、點焊機械手、搬運機械手、裝配機械手、特種機械手（水下、爬壁、管道、遙控等機械手）基本掌握了機械手操作機的設計制造技術，解決了控制驅(qū)動系統(tǒng)的設計和配置，軟件的設計和編制等關鍵技術，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設備的全套自動通信、協(xié)調(diào)控制技術；在基礎元件方面，諧波減速器、機械手焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術方面來說，我國已經(jīng)具備了獨立自主發(fā)展中國機械手技術的基礎。本課題主要研究的是基于PLC的機械手模型控制系統(tǒng)的設計，包括硬件的設計和軟件的設計。通過設計編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)機械手模型控制系統(tǒng)的自動控制。利用組態(tài)軟件MCGS設計出人機界面，進行設備和數(shù)據(jù)對象的連接，實現(xiàn)動畫連接，實現(xiàn)機械手的監(jiān)控。通過MCGS將機械手的動作過程進行動畫演示，使機械手的動作形象化。提供較為直觀、清晰、準確的機械手運行狀態(tài)，為維修和故障診斷提供多方面的可能性，充分提高系統(tǒng)的工作效率。

原位原位左移上升釋放下降往右上升夾住下降圖2機械手控制動作示意圖

3控制系統(tǒng)硬件設置3.1機械手臂搬運加工流程控制系統(tǒng)硬件組成本設計中采用的機械手，水平（X）軸、垂直（Y）軸采用步進電機控制，底盤的旋轉(zhuǎn)采用直流電機控制，抓取物體的電磁閥采用氣動形式。步進電機的控制，由對應的步進電機驅(qū)動器電路完成。完成本設計需要的實驗設備有：（1）機械手模型（2）計算機（3）導線（4）氣泵（5）晶體管輸出型可編程控制器機械手的控制面板分以下幾個模塊：（1）步進電機驅(qū)動及步進電機驅(qū)動器電流設定為0.63A，細分設定為8細分，將24V電源接入驅(qū)動器，此時驅(qū)動器的電源指示燈應點亮；將24V與OPTO端（驅(qū)動器使能端）連接起來；PUL端是脈沖輸入端；DIR是方向控制輸入端。（2）直流電機本設計用的氣夾電機和底座電機均是24V直流電機，PLC控制兩個直流繼電器的吸合來控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。（3）旋轉(zhuǎn)編碼盤在本設計模型的底座上有一個旋轉(zhuǎn)編碼盤，在底座旋轉(zhuǎn)時，在此產(chǎn)生一個VP-P為24V的方波信號，可以提供給PLC的高速計數(shù)器，用于機械手的定位控制。（4）接近開關在本設計模型中底座和氣夾的限位通過4個電感式接近開關來完成。接近開關與觸頭接近時接近指示燈點亮、輸出低電平，否則為高電平。（5）行程開關在本設計模型中兩個滾珠絲桿的限位通過4個滾軸式行程開關來完成。當行程開關壓下時，常開觸點閉合，給PLC一個控制信號。3.2PLC的簡介及選型可編程序控制器（ProgrammableLogicController）簡稱PLC或PC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微計算機技術使之功能不斷增強，逐漸適應復雜的控制任務。3.2.1PLC的結(jié)構PLC和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器（CPU）、存儲器（EPROM，ROM）、輸入輸出（I/O）部件、電源部件、編程器、I/O擴展單元和其他外圍設備組成。各部分通過總線（電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線）連接而成。其結(jié)構簡圖如圖2所示。外設I/O接口外設I/O接口輸出部件存儲器EPROM微處理器運算器控制器電源輸入部件I/O擴展接口I/O擴展單元受控元件輸入信號外部設備圖3PLC硬件結(jié)構圖PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運行，系統(tǒng)程序固化在EPROM中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。3.2.2PLC的特點可編程序控制器是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機。國內(nèi)外現(xiàn)有的機械手系統(tǒng)，它們的控制形式大都采用可編程序控制器控制，特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機械手系統(tǒng)中應用更為普遍。其主要原因是因為PLC具有以下優(yōu)點：（1）靈活、通用（2）可靠性高、抗干擾能力強（3）操作方便、維修容易（4）功能強（5）體積小、重量輕和易于實現(xiàn)機電一體化同樣，可編程序控制器控制也有其不足的地方，在性價比上要高于繼電器控制和單片機控制，其開發(fā)潛力要差于單片機，并且通用性不好，不同廠家的可編程序控制器以及其附屬單元都是固定專用等等。3.2.3PLC的主要功能PLC是一種應用面很廣、發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動化(FA)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)內(nèi)占重要地位。PLC系統(tǒng)主要有以下功能：（1）多種控制功能；（2）數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能；（3）通信聯(lián)網(wǎng)功能；（4）輸入、輸出接口調(diào)理功能；（5）人機界面功能；（6）編程、調(diào)試功能。PLC的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應地降低了價格。另外，采用PLC還可以大大縮短設計、編程和投產(chǎn)周期，使總價格進一步降低。PLC產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求。3.2.4PLC選型本次的設計使用的是THWJX-1型機械手實物教學實驗裝置。本裝置需采用晶體管輸出型可編程控制器，可同時輸出兩路脈沖到步進電機驅(qū)動器，控制步進電機運行。由于機械手系統(tǒng)的輸入/輸出點少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機對PLC進行監(jiān)控和管理，該機械手的控制為純開關量控制，且I/O點數(shù)不多，考慮留有一定的裕量，故選用日本三菱公司生產(chǎn)的多功能小型FX1N-24MT-D主機。

4PLC控制系統(tǒng)軟件設計4.1機械手臂搬運加工流程控制系統(tǒng)的I/O分配根據(jù)機械手動作的要求及機械手實物教學實驗裝置說明指導，輸入、輸出點分配情況如表1所示。表1PLC的I/O分配表名稱輸入名稱輸出氣夾正轉(zhuǎn)限位X0驅(qū)動器一PULY0氣夾反轉(zhuǎn)限位X1驅(qū)動器二PULY1基座正轉(zhuǎn)限位X2驅(qū)動器一DIRY2基座反轉(zhuǎn)限位X3驅(qū)動器二DIRY3旋轉(zhuǎn)脈沖X4氣夾正轉(zhuǎn)Y4X軸前限位X5氣夾反轉(zhuǎn)Y5X軸后限位X6基座反轉(zhuǎn)Y6Y軸上限位X7基座正轉(zhuǎn)Y7Y軸下限位X10氣夾電磁閥YV+Y10啟動按鈕X11復位按鈕X124.2機械手臂搬運加工流程控制系統(tǒng)接線圖設計本模型的接線設計如圖4所示。圖4PLC控制系統(tǒng)接線圖4.3機械手臂搬運加工流程控制程序流程圖設計見附錄A。4.4機械手臂搬運加工流程控制程序梯形圖設計見附錄B。

5上位機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計5.1PLC與上位監(jiān)控軟件通訊機械手的全部動作由步進電機和直流電機進行驅(qū)動控制。步進電機的運動需要驅(qū)動器，有脈沖輸入時步進電機才會動作，且每當脈沖由低變高時步進電機走一步；改變電機轉(zhuǎn)向時，需要加方向信號。機械手的上升/下降、前伸/后縮動作就是通過控制這兩個步進電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。基座正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)和氣夾正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)是通過兩個繼電器的吸合與斷開來控制直流電機的轉(zhuǎn)動方向來實現(xiàn)的。機械手的放松/夾緊由一個單線圈兩位置電磁閥控制。當該線圈通電時，機械手放松；該線圈斷電時，機械手夾緊。5.2上位監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設計根據(jù)控制和生產(chǎn)工藝的要求，控制操作包括手動和自動，手動又包括手動步進、回原位操作，自動控制包括單步、單周期、連續(xù)的操作。故操作方式選擇開關設置有五個檔位。手動工作方式下，手動動作包括上升、下降、放松、快進、慢進、快退、慢退和復位，故設置六個動作看官按鈕。各個動作進行的同時均設有動作指示燈。另外設有啟動停止按鈕。其操作面板如圖5所示。圖5機械手操作面板示意圖5.3實現(xiàn)的效果打開電源，按下起動按鈕時，開機復位。機械手若不在原點則PLC向驅(qū)動器一同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機一反轉(zhuǎn)，橫軸后縮。當后縮到位時碰到后限位開關，然后主機向驅(qū)動器二輸入脈沖信號，步進電機二正轉(zhuǎn)，機械手上升。上升到底時碰到上限位開關，上升停止，回到原點。主機向驅(qū)動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機二反轉(zhuǎn)，機械手下降。降到底時碰到下限位開關，下降停止，氣夾電磁閥斷電，機械手夾緊。夾緊后，主機向驅(qū)動器二只輸入脈沖信號，步進電機二正轉(zhuǎn)，機械手上升。上升到頂時，碰到上限位開關，上升停止。PLC向驅(qū)動器一只輸入脈沖信號，步進電機一正轉(zhuǎn)，機械手前伸，前伸到位時，碰到前限位開關前伸停止。主機向驅(qū)動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機二反轉(zhuǎn)，機械手下降。降到底時碰到下限位開關下降停止，同時夾緊電磁閥斷電，機械手放松。放松后，主機向驅(qū)動器二只輸入脈沖信號，步進電機二正轉(zhuǎn)，機械手上升。上升到頂時，碰到上限位開關上升停止。上升到頂時，碰到上限位開關，上升停止。PLC向驅(qū)動器一同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機一反轉(zhuǎn)，橫軸后縮。機械手后縮，當后縮到底時碰到后限位開關，然后主機向驅(qū)動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機二反轉(zhuǎn)，機械手下降。下降到底時碰到下限位開關，下降停止，回到原點。至此，機械手經(jīng)過八步動作完成一個循環(huán)。

6機械手臂搬運加工流程控制監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析6.1機械手臂搬運加工流程控制系統(tǒng)調(diào)試及解決的問題（1）編程指令的選擇我們設計了三個方案方案一：使用起保停電路的編程方式。用輔助繼電器代表步，僅僅使用與觸電和線圈有關的指令。編出程序規(guī)范，具有易于閱讀和容易查錯的優(yōu)點，但因為存在大量的自保持觸點，使程序代碼較長。方案二：采用以轉(zhuǎn)換為中心的編程方式。這種編程方式與轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的基本規(guī)則之間有著嚴格的對應關系，用它編制復雜的順序功能圖的梯形圖時，會有很大幫助。方案三：采用STL指令的編程方式。STL指令（步進梯形指令）是三菱廠家設計的專門用于順序控制的指令，使用該指令可以使編制順序控制程序更加方便，而且易于調(diào)試和維護，且代碼較短。（2）接地點的選擇完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是10為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。6.2結(jié)果分析經(jīng)過論證和老師講解，本設計采用的編程方式選用方案三。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以最后我們給PLC接上了專用接地線。搬運機械手采用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。使用該機械手代替人工搬運工件，既安全，又準確，提高了勞動生產(chǎn)率，保證了工件的質(zhì)量，降低了工人的勞動強度，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益?？删幊炭刂破鱌LC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性,在機械手的控制系統(tǒng)的設計中起到了十分重要的作用。

結(jié)束語這次的課程設計讓我學會了很多，在老師和同學的指導學習下，終于完成了這一份課程設計。本來以為自己對可編程序控制器原理的知識掌握的還比較好，但是到做課程設計的時候才發(fā)現(xiàn)自己存在著諸多不足，其中就有很多基礎知識都不是很完善，很多知識都掌握的不是很扎實。課程設計是一個理論與實際結(jié)合的過程。僅僅有理論是不夠的，更重要的是實際的，是我們所設計的實物，具有設計合理，經(jīng)濟實用的優(yōu)點。這就需要我們設計者考慮問題是要仔細、周密，不能有絲毫的大意。對設計方案的優(yōu)越化，也需要我們綜合各方面的因素考慮，尤其是實際。設計的同時也加強了我和老師的交流，認識到知識的淵博度。再次向教育指導我的老師及同學表示誠摯的感謝！我很興奮，因為整個過程都是我們自己去設計的。設計過程中，通過針對性地查找資料，了解有關電子方面的資料，既增長了自己的知識面，補充最新的專業(yè)知識，又提高了自己的應用能力和實踐能力。對學過的課本理論知識起到了很好的溫習作用。機械手臂搬運加工采用PLC為控制核心結(jié)構合理、測試方法可靠，它具有較強的靈活性，提高了設備運行的可靠性。通過對機械手臂搬運加工PLC控制系統(tǒng)設計的設計，讓我很好的運用了PLC的知識，對課本的知識進一步的消化和鞏固。這次課程設計終于順利完成了，這個設計讓我獲益良多，只要用心去學習，不怕困難，不管多么艱難，我們都能取得成功。鑒于學生所學知識有限，經(jīng)驗不足，又是初次研究這種復雜的實驗，在此過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請老師給予批評和指正。

致謝在課程設計論文完成之際，我要忠心的感謝身邊給予過我莫大幫助的老師、同學和朋友，致以他們最誠摯的謝意。

本次課程設計是在戴老師的親切關懷和悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，戴老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。戴老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵，這讓我在整個論文的撰寫過程中學習到了很多關于課題研究方面的知識。本文參考了大量的文獻資料，在此，向各學術界的前輩們致敬。最后要感謝的是我的父母和家人，感謝他們多年來對我默默的支持和幫助。由衷的希望在未來的日子里，周圍的老師、同學和朋友們一如既往的在各方面繼續(xù)給予我更多的指教和幫助，以期取得新的進步和成績來回報大家。

參考文獻廖常初．可編程序控制器應用技術(第四版)．重慶：重慶大學出版社，2005，許志軍．工業(yè)控制組態(tài)軟件及應用．北京：機械工業(yè)出版社．2005，王承義．機械手及其應用．北京：機械工業(yè)出版社，1981，彭商賢、趙臣、張啟先．試論國內(nèi)外機器人機械學的發(fā)展趨向[J]，機器人，1991，陳懇，楊向東，劉莉，楊東超．機器人技術與應用．北京：清華大學出版社，2006，吳建強．可編程控制器原理及其應用．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大