搬運機械手的控制設計論.ppt

安徽冶金科技職業(yè)學院,畢業(yè)設計（論文） 題 目：搬運機械手的控制設計 年級: 2014屆 專業(yè)： 機電一體化 學生姓名：李靈奇 指導教師： 昝衛(wèi)華 學 號1177023061 論文完成時間2013年 11月,摘 要,在工業(yè)生產(chǎn)和其他領域內，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度，甚至于危及生命。自從機械手問世以來，相應的各種難題迎刃而解。機械手可在空間抓、放、搬運物體，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)，廣泛應用于柔性自動線。機械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。機械手是工業(yè)機器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱為工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可以提高產(chǎn)品的質量與產(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、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。本文應用三菱公司生產(chǎn)的可編程控制器FX系列PLC，實現(xiàn)機械手搬運控制系統(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用。 關鍵詞：可編程控制器PLC，PLC的結構及基本配置，機械手，限位開關,目 錄,第1章 前言1 1.1選題背景1 1.2設計目的及主要內容1 1.2.1設計目的1 1.2.2主要內容1 第2章 PLC及機械手的介紹及選擇2 2.1.可編程控制器PLC2 2.1.1PLC 慨況2 2.1.2PLC的結構及基本配置2 2.1.3PLC的選型4 2.2機械手4 2.2.1機械手簡介4 2.2.2機械手的選擇6 第3章 設計主體部分7,3.1控制要求7 3.2控制流程圖.8 3.3I/O分配9 3.4梯形圖9 3.5指令表13 3.6PLC連線圖18 3.7模擬調試19 第4章 論文小結20 參考文獻21 致謝22,第1章 前言,1.1選題背景 大學三年的學習即將結束，畢業(yè)設計是其中最后一個環(huán)節(jié)，是對以前所學的知識及所掌握的技能的綜合運用和檢驗。隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，采用PLC的技術得到愈來愈廣泛的應用。 在完成大學三年的課程學習和課程、生產(chǎn)實習，我熟練地掌握了機械制圖、機械設計、機械原理等專業(yè)基礎課和專業(yè)課方面的知識，對機械制造、加工的工藝有了一個系統(tǒng)、全面的理解，達到了學習的目的。對于PLC對搬運機械手的控制設計這個實踐性非常強的設計課題，我進行了大量的實習。經(jīng)過在幾家單位的生產(chǎn)實習，我對于PLC對搬運機械手的控制設計有了一個全新的認識，豐富了許多PLC方面的知識，而對于PLC方面的制造工藝更是實現(xiàn)了零的突破。在指導老師的協(xié)助下，同時在現(xiàn)場查閱了很多相關資料，明確了PLC的一般工作原理、制造、工藝過程。并在圖書館借閱了許多相關手冊和書籍，設計中，將充分利用和查閱各種資料，并與同學進行充分討論，盡最大努力搞好本次畢業(yè)設計。 在設計的過程中，將有一定的困難，但有指導老師的悉心指導和自己的努力，相信會完滿的完成畢業(yè)設計任務。由于學生水平有限，而且缺乏經(jīng)驗，設計中不妥之處在所難免，肯請各位老師指正。 1.2設計目的及主要內容,1.2.1設計目的 1、培養(yǎng)機械設計能力；2、擴展知識結構；3、培養(yǎng)綜合運用能力；4、是課堂教學的有益補充。通過本次論文，進一步加強自己對機械手和PLC的認識，以及它們在生活中廣泛應用。 1.2.2主要內容 A正確選用機械手和PLC類 B繪制I/O分配 C設計梯形圖 D指令表 E模擬調試,第2章 PLC及機械手的介紹及選擇,2.1.可編程控制器PLC 2.1.1PLC 慨況可編程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，簡稱PC）。與個人計算機的PC相區(qū)別，用PLC表示。 PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（IEC）頒布了對PLC的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。 PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點?？梢灶A料：在工業(yè)控制領域中，PLC控制技術的應用必將形成世界潮流 PLC程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序，又有用戶自己開發(fā)的應用程序，系統(tǒng)程序提供運行平臺，同時，還為PLC程序可靠運行及信息與信息轉換進行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設計。,2.1.2PLC的結構及基本配置一般講，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、內存塊、電源等，當然按CPU性能分成若干型號，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、內存、電源模塊、底板或機架。無任哪種結構類型的PLC，都屬于總線式開放型結構，其I/O能力可按用戶需要進行擴展與組合。 CPU的構成：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，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。 與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，還有外圍芯片、總線接口及有關電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內存容量等。內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。,CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。 CPU的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。 CPU的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CPU芯片實際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對CPU內部的詳細分析已無必要，我們只要弄清它在PLC中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。 CPU模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設定或控制開關。一般講，CPU模塊總要有相應的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接I/O模板或底板，有內存接口，用于安裝內存，有外設口，用于接外部設備，有的還有通訊口，用于進行通訊。CPU模塊上還有許多設定開關，用以對PLC作設定，如設定起始工作方式、內存區(qū)等。 I/O模塊：PLC的對外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。 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。 底板或機架：大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。 PLC 的外部設備：外部設備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類,1. 編程設備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。 2. 監(jiān)控設備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。 3. 存儲設備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如EPROM、EEPROM寫入器等。 4. 輸入輸出設備：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，打印機等。PLC的通信聯(lián)網(wǎng)：PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。現(xiàn)在幾乎所有的PLC新產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它和計算機一樣具有RS-232接口，通過雙絞線、同軸電纜或光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的范圍內交換信息。 當然，PLC之間的通訊網(wǎng)絡是各廠家專用的，PLC與計算機之間的通訊，一些生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標準總線，并向標準通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機型的PLC之間、PLC與計算機之間可以方便地進行通訊與聯(lián)網(wǎng)。 了解了PLC的基本結構，我們在購買程控器時就有了一個基本配置的概念，做到既經(jīng)濟又合理，盡可能發(fā)揮PLC所提供的最佳功能。,2.1.3PLC的選型 考慮到機械手工作的穩(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，各控制對象都必須在PLC的統(tǒng)一控制下協(xié)同工作，所以PLC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)格運轉控制方法 通過儲存的程序周期運轉I/O控制方法 批次處理方法（當執(zhí)行END指令時） I/O指令可以刷新運轉處理時間 基本指令：0.08s應用指令：1.52至幾百微秒 ，指令編程語言 邏輯梯形圖和指令清單 使用步進梯形圖能生成SFC類型程序程式容量 8000步內置 。 2.2機械手 2.2.1機械手簡介 mechanical hand 也被稱為自動手，auto hand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。 機械手主要由手部和運動機構組成。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，其結構也越復雜。一般專用機械手有23個自由度。,機械手的種類，按驅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。 機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如： (1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。 (2)在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。 (3)可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。 (4)可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。 (5）宇宙及海洋的開發(fā)。 (6)軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。 機械手簡述:機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復雜，但基本的組成形式是相同的，一般由執(zhí)行機構、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。,1執(zhí)行機構 機械手的執(zhí)行機構，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機構，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，可以進行上下、左右和回轉動作。簡單的機械手可以沒有手腕。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)行機構的動作要由傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。常用機械手傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。 3.控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進行動作，簡單的機械手一般不設置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關、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)行機構按要求進行動作動作復雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。 2.2.2機械手的選擇 由于機械手是在搬運中的應用，所以采用傳送帶加旋轉的機械手類型。此機械手易于操作，性能可靠。,第3章 設計主體部分,3.1控制要求 搬運機械手工作示意圖如圖3-1所示，其任務是將傳送帶A的物品搬到傳送帶B上。機械手的原位是在傳送帶B上，開始工作時，先是手臂上升，到上限位時，上升限位開關LS4閉合，手臂左旋；左旋到位時，左旋限位開關LS2閉合，手臂下降；到下限位時，下降限位開關LS5閉合，傳送帶A遠行。當光電開關PSl檢測到物品已進入手指范圍時，手指抓物品。當物品抓緊時，抓緊限位開關LS1動作，手臂上升；到上限位時，上升限位開關LS4閉合，手臂右旋；右旋到位時，右旋限位開關LS3閉合，手臂下降；下降到下限位時，下降限位開關LS5閉合，手指放開，物品被放到傳送帶B上延時2s時間到，一個循環(huán)結束，再重復。,3.2控制流程圖,3.3I/O分配 輸入電器輸入點輸出電器輸出點 起動按鈕X0輸送帶A驅動接觸器KMY0 停止按鈕（常開）X1手臂左旋電磁閥YV1Y1 手指抓緊檢測開關LS1X2手臂右旋電磁閥YV2Y2 手臂左旋限位開關LS2X3手臂上升電磁閥YV3Y3 手臂右旋限位開關LS3X4手臂下降電磁閥YV4Y4 手臂上升限位開關LS4X5手臂抓緊電磁閥YV5Y5 手臂下降限位開關LS5X6手臂放松電磁閥YV6Y6 物品檢測光電開關PS1X7 輸送帶B驅動 KM1 Y7,3.4梯形圖,說明：SET（置位）線圈得電保持，RST（復位）線圈失電保護，SFTL位左移,ZRST區(qū)間復位,3.5指令表,3.6PLC連線圖,3.7模擬調試,1) 按下起動按鈕SB1時，機械手系統(tǒng)工作。首先上升電磁閥通電，手臂上升，至上升限位開關動作； 2) 左轉電磁閥通電，手臂左轉，至左轉限位開關動作； 3) 下降電磁閥通電，手臂下降，至下降限位開關動作； 4) 啟動傳送帶A運行，由光電開關PS/PH檢測傳送帶A上有無物品送來，若檢測到物品，則抓緊電磁閥通電，機械手抓緊，至抓緊限位開關動作； 5) 手臂再次上升，至上升限位開關再次動作； 6) 右轉電磁閥通電，手臂右轉，至右轉限位開關動作； 7) 手臂再次下降，至下降限位開關再次動作； 8) 放松電磁閥通電，機械手松開手爪，經(jīng)延時2秒后，完成一次搬運任務，然后重復循環(huán)以上過程。 9) 按下停止按鈕SB1或斷電時，機械手停止在現(xiàn)行工步上，重新起動時，機械手按停止前的動作繼續(xù)工作。（說明：SB1為一復合按鈕，功能實現(xiàn)是一開一停）,第4章 論文小結,這次畢業(yè)論文,對我來說非常有意義,在寫論文的過程中我學到很多的關于機械手和PLC方面的知識，我以后會加強對它們的學習和應用。我覺得PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡和國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。當然機械手在工業(yè)中的應用更是越來越成熟，它必然會發(fā)揮它的最大作用。我堅信我們國家的工業(yè)會是越來越棒，我為我是一個中國人而自豪。,參考文獻,1可編程序控制器原理與應用 西安電子科技大學出版社 主編 汪志鋒 2 PLC應用開發(fā)技術與工程實踐 人民郵電出版社 編著 求是科技 3 可編程控制器技術及應用 北京理工大學出版社 編著 夏辛明 4可編程控制器應用技術 機械工業(yè)出版社 主編 王也仿 5 可編程控制器原理與應用 中國電力出版社 主編 郁漢琪 6 張建民.機電一體化系統(tǒng)設計.北京：高等教育出版社，成大先. 機械設計手冊M.北京:機械工業(yè)出版社,2002 7吳宗澤. 機械設計師手冊M.北京:機械工業(yè)出版社,2002 8王太辰. 中國機械設計大典M.南昌:江西科技出版社,2002 9張鐵,謝存禧.機器人學. 【M】. 廣州：華南理工大學出版社，2001.,致謝,經(jīng)過了一個多月的時間，我終于完成了論文。從開始接到論文題目到系統(tǒng)的實現(xiàn)，再到論文文章的完成，每走一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學期間獨立完成的最大的項目。本設計在老師的悉心指導和嚴格要求下業(yè)已完成，從課題選擇、方案論證到具體設計和調試，無不凝聚著他的心血和汗水，在三年的學習和生活期間，也始終感受著老師的精心指導和無私的關懷，我受益匪淺。在此表示深深的感謝和崇高的敬意。 不積跬步何以至千里，本設計能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認真負責，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設計中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向科創(chuàng)學院的全體老師表示由衷的謝意。感謝他們三年來的辛勤栽培。 在論文完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！,