机械手的PLC控制(完整)

江苏信息职业技术学院毕业设计报告 毕业设计报告 课题 机械手的 PLC 控制 系 部 机 电 系 专 业 电气自动化 班 级 电气 1332 姓 名 王琪 学 号 2013321026 指导老师 贾君贤 2016 6 机械手的 PLC 控制 1 摘 要 机械手是工业自动化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 电气方面有交 流电机 传感器 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 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 输出三路脉冲 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 位置信号由接近开关反馈给 PLC 主机 通过交流电机的正反 转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 机械手 PLC 交流电机 机械手的 PLC 控制 2 目 录 摘 要 1 引 言 3 第一章 机械手机械 结构 4 1 1 传动机构 4 1 2 机械手夹持器和机座的结构 6 第二章 机械手 PLC 及电机的应用 8 2 1 PLC 简介 8 2 2 PLC 内部原理 10 2 3 机械手 PLC 选择及参数 12 2 4 机械手电机的选用 13 第三章 机械手 PLC 控制系统设计 14 3 1 机械手的工艺过程 14 3 2 PLC 控制系统 16 致答谢词 21 参考文献 22 机械手的 PLC 控制 3 引 言 在现代工业中 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 电气方面由交流电机 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 由于时间仓促和个人水平限制 我的设计存在着许多还没来得及解决的 问题 希望广大老师 同学能够给予批评指正并予以解决 机械手的 PLC 控制 4 第一章 机械手机械结构 1 1 传动机构 1 1 1 螺旋机构 螺旋机构由螺杆 螺母和机架组成 其主要功能是将转动变换为直线运动 并同时传递运动和动力 按螺旋副中的摩擦性质 螺旋机构可以分为滑动螺旋 机构和滚动螺旋机构两种类型 按用途可以分为传力螺旋 传导螺旋和调整螺 旋三种类型 螺旋机构具有结构简单 制造方便 传动平稳 无噪声易于自锁等优点 1 1 2 滑动螺旋机构 螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构 称为滑动螺旋机构 滑动螺旋机构所 用的螺纹为传动性能好 效率高的矩形 梯形和锯齿形螺纹 滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成 根据机构的组成及运动方式 滑动螺旋 机构又分为以下两种 1 由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构 螺母与机架固联 螺杆转动并移动 如图 1 1b 所示 这种螺旋机构以传递动力为主 故又称传力螺旋机构 一 般要求用较小的转矩产生较大的轴向力 多用在工作时间短 速度较低的场合 2 由螺母 螺杆和机架组成的滑动螺旋机构 如图 1 1a 所示 螺杆转动 螺母移动 这种螺旋机构以传递运动为主 故又称为传导螺旋机构 本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构 这种传动形式结构紧凑 刚度较大 传动效率高 精度高 机械手的 PLC 控制 5 a 螺杆转动 螺母移动 b 螺母固定 螺杆转动并移动 图 1 1 1 1 3 滚动螺旋机构 螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构 称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠 其机构 特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道 并在其间放如刚球 当螺杆转动 时 刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动 按循环方式的不同 分为外 循环和内循环两种形式 滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的 循环叫内循环 滚珠在返回时与螺杆脱离接触 的循环叫外循环 如图 1 2 所示 外循环螺母 只需设置一个反向器 当滚珠进入反向器时 就被阻止而转弯 从返回通道回到滚道的另一 端 形成一个循环回路 机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动 滚动螺旋机构摩擦阻力小 动作灵敏度高 传 动效 率高 可达 90 以上 用调整的方法可消除间 隙 传动 精度高 图 1 2 机械手的 PLC 控制 6 1 2 机械手夹持器和机座的结构 1 2 1 机械手夹持器 机械手的机械夹持器多为双指手抓式 按其手抓的运动方式可分为平移型 和回转型 回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型 按夹持方式可以分为 外夹式和内撑式 按驱动方式可以电动 液压和气动三种 回转型夹持器结构较简单 但当所夹持的 工件直径有变动时 将引起工件轴心的偏移 对平移型夹持器 工件直径的变化不影响其轴 心的位置 但其机械机构繁杂 体积大 制造 精度要求高 所以当设计机械手夹持器的时候 在满足工件的定位精度要求的条件下 尽可能 的采用结构比较简单回转型夹持器 本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回 转型夹持器 如右图所示 装在杆上端的滚子 3 和楔块之间为滚动接触 当电机带动连杆前进 时 通过楔块 4 的斜面和杠杆 1 使两个手抓产 生加紧动作和加紧力 当楔块后移时 靠弹簧 的拉力使手指松开 这种末端执行器由于楔块 和滚子之间为滚动接触 摩擦力小 活动灵活 且机构简单 1 2 2 机座 机座是机械手的支撑部件 机座承受机械手的全部重量和工作载荷 所 以机座应有足够的强度 刚度和承载能力 另外机座还要求有足够大的安装基 面 以保证机械手工作时的稳定行 机械手的 PLC 控制 7 如图 1 3 所示 机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构 这 种结构有制造简单 成本低 安装调整方便等优点 图中电动机 3 经减速器 4 主动小齿轮 5 中间齿轮 6 大齿轮 7 驱动丝杆 2 旋转 从而驱动升降台上 下运动 整个机座安装在基座 8 上 机械手的 PLC 控制 8 第二章 机械手 PLC 及电机的应用 2 1 PLC 简介 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller PLC 取代传统继电器控制装置以来 PLC 得到了快速发展 在世 界各地得到了广泛应用 同时 PLC 的功能也不断完善 随着计算机技术 信 号处理技术 控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高 PLC 在开 关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能 今天的 PLC 不再局限 于逻辑控制 在运动控制 过程控制等领域也发挥着十分重要的作用 作为离散控的制的首选产品 PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了 迅速发展 世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20 30 随着工厂自动化程度 的不断提高和 PLC 市场容量基数的不断扩大 近年来 PLC 在工业发达国家的增 长速度放缓 但是 在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速 综合相关资料 2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右 在自动化领域占据着十分重要 的位置 PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的 二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量逻辑控制 首先应用的是汽车制造行业 它以存储执行逻辑运 算 顺序控制 定时 计数和运算等操作的指令 并通过数字输入和输出操作 来控制各类机械或生产过程 用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求 并事先存入 PLC 的用户程序存储器中 运行时按存储程序的内容逐条执行 以 完成工艺流程要求的操作 PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器 在程序运行过程中 每执行一步该计数器自动加 1 程序从起始步 步序号为 零 起依次执行到最终步 通常为 END 指令 然后再返回起始步循环运算 PLC 每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期 不同型号的 PLC 循环 扫描周期在 1 微秒到几十微秒之间 PLC 用梯形图编程 在解算逻辑方面 表 现出快速的优点 在微秒量级 解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒 它把所有的输入 都当成开关量来处理 16 位 也有 32 位的 为一个模拟量 大型 PLC 使用另 外一个 CPU 来完成模拟量的运算 把计算结果送给 PLC 的控制器 相同 I O 点数的系统 用 PLC 比用 DCS 其成本要低一些 大约能省 机械手的 PLC 控制 9 40 左右 PLC 没有专用操作站 它用的软件和硬件都是通用的 所以维护成 本比 DCS 要低很多 一个 PLC 的控制器 可以接收几千个 I O 点 最多可达 8000 多个 I O 如果被控对象主要是设备连锁 回路很少 采用 PLC 较为合适 PLC 由于采用通用监控软件 在设计企业的管理信息系统方面 要容易一些 近 10 年来 随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大 越来越多的中小 设备开始采用 PLC 进行控制 PLC 在我国的应用增长十分迅速 随着中国经济 的高速发展和基础自动化水平的不断提高 今后一段时期内 PLC 在我国仍将保 持高速增长势头 通用 PLC 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器 但 PLC 相 对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性 实际工作中碰到 的一些用户原来采用嵌入式控制器 现在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌 入式控制器 机械手的 PLC 控制 10 2 2 PLC 内部原理 PLC 实质上是一种被专用于工业控制的计算机 其硬件结构和微机是基本 一 的 如图 2 1 所示 PLC 硬件的基本结构图所示 编 程 器 中央处理单元 CPU 输入电路 输出 电路 系统程序存储区 用户程序存储区 电 源 图 2 1 PLC 硬件的基本结构图 1 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 是 PLC 的控制中枢 它按照 PLC 系统程序赋予的功 能 接受并存储从编程器键入的用户程序和数据 检查电源 存储器 I O 以 及警戒定时器的状态 并能检查用户程序的语法错误 当 PLC 投入运行时 首 先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据 并分别存入 I O 映象区 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序 经过命令解释后按指令的规定执 行逻辑或算术运算等任务 并将逻辑或算术运算等结果送入 I O 映象区或数据 寄存器内 等所有的用户程序执行完毕以后 最后将 I O 映象区的各输出状态 或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置 如此循环运行 直到停止运行 机械手的 PLC 控制 11 为止 2 存储器 与微型计算机一样 除了硬件以外 还必须有软件 才能构成一台完整的 PLC PLC 的软件分为两部分 系统软件和应用软件 存放系统软件的存储器称 为系统程序存储器 PLC 存储空间的分配 虽然大 中 小型 PLC 的 CPU 的最大可寻址存储空 间各不相同 但是根据 PLC 的工作原理 其存储空间一般包括以下三个区域 系统程序存储区 系统 RAM 存储区 包括 I O 映象区和系统软设备等 和用户 程序存储区 3 PLC 电源 PLC 电源在整个系统中起着十分重要的作用 无论是小型的 PLC 还是中 大型的 PLC 其电源的性能都是一样的 均能对 PLC 内部的所有器件提供一个 稳定可靠的直流电源 一般交流电压波动在正负 10 15 之间 因此可以直 接将 PLC 接入到交流电网上去 可编程序控制器一般使用 220V 交流电源 可编程序控制器内部的直流稳压 电源为各模块内的元件提供直流电压 某些可编程序控制器可以为输入电路和 少量的外部电子检测装置 如接近开关 提供 24V 直流电源 驱动现场执行机 构的电源一般由用户提供 可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的 它的梯形图程序与继电 器系统电路图相似 梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称 如输 入 输出继电器等 这种计算机程序实现的 软继电器 与继电器系统中的物 理结构在功能上某些相似之处 机械手的 PLC 控制 12 2 3 机械手 PLC 选择及参数 综合上述原则机械手控制系统主机为西门子的 S7 224XP 2 3 1 主要技术数据如下 工作电源 24VDC 输入点数 24 输出点数 24 输入信号类型 直流或开关量 输入电流 24VDC 5mA 模拟输入 10V 10V 20mA 20mA 输出晶体管允许电流 0 3A 点 1 2A COM 输出电压规格 30VDC 最大负载 9W 2 3 2 PLC 主机的组成 1 输入单元 输入单元由 8 个按扭 8 个开关和 16 个接插件组成 它们分别与 PLC 的 16 个输入点相接 改变这些开关或按扭的通断状态 即可对主机输入所需要的开 关量 16 个接插件可外接其它直流或开关量输入信号 2 输出单元 输出单元由 24 个二极管和 24 个接插件组成 它们分别与 PLC 的 24 个输出 点相连 发光二极管是否发光 即可表示输出点的状态 使用者可得到主机的 输出信息 24 个输出接插件可外接其它需要控制的设备 输出单元的 4 个地端 分别引出到面板 其中只有 C4 与 3V 电源共地 3 电源单元 PLC 主机左边有外接 220V AV 的电源插座 作为 PLC 的工作电源 内装变 压器 输出 3V 电源 供二极管使用 另外 PLC 的 24VDC 和 24GND 已引出到面板 供外接输入器件 如传感器 的工作电源用 机械手的 PLC 控制 13 2 4 机械手电机的选用 Y2 系列三相异步电动机具有结构新颖 造型美观 噪音低 振动小 绝缘 等级高等特点 产品现已达到九十年代国际先进水平 是 Y 系列电机的更新产 品 外壳防护等级 IP54 它具有良好的起动性能和运行性能 结构简单 工作 可靠 维修方便等特点 电机采用 E 级或 B 级绝缘 外壳防护等级为 IP44 冷 却方式为 ICO141 额定频率为 50Hz 额定电压为 380V 竖轴驱动电机承载整个机械手的所有负载 需要功率较大 而机械手主要 用于生产线夹持较轻便物体 综合考虑 竖轴选用 Y2 63M2 2 功率 250W 可满足生产需要 横轴主要驱动横臂的左右运动 承载重量较小 选用 Y2 63M1 2 功率 180W 即可满足生产需要 电动机 3 主要用来控制机械手抓的加紧和放松 所承载负载最小 因此可选用 Y2 63M1 4 功率 120W 机械手的 PLC 控制 14 第三章 机械手 PLC 控制系统设计 3 1 机械手的工艺过程 3 1 1 了解设备概况 机械手的结构和各部分动作示意图 如图 3 1 所示 机械手的工作均由电 机驱动 它的上升 下降 左移 右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的 分析工艺过程 机械手的初始位置停在原点 按下启动后按扭后 机械手将下降 夹紧 工件 上升 右移 再下降 放松工件 再上升 左移八个动作 完成一个工作周期 机械手的下降 上升 右移 左移等动作转换 是由相应 的限位开关来控制的 而夹紧 放松动作的转换是有时间来控制的 为了确保安全 机械手右移到位后 必须在右工作台上无工件时才能下降 若上次搬到右工作台上的工件尚未移走 机械手应自动暂停 等待 为此设置 了一个光电开关 以检测 无工件 信号 3 1 2 控制方面的要求 机械手的 PLC 控制 15 图 3 1 机械手结构图 为了满足生产要求 机械手设置了手动工作方式和自动工作方式 而自动 工作方式又分为单周期和连续工作方式 1 手动工作方式 利用按钮对机械手每一步动作进行控制 例如 按下 下 降 按钮 机械手下降 按下 上升 按钮 机械手上升 手动操作可用于调 整工作位置和紧急停车后机械手返回原点 2 单周期工作方式 按下启动按钮 机械手按工序自动自动完成一个周期的 动作 返回原点后停止 3 连续工作方式 按下按钮 机械手从原点 按步序自动反复连续工作 在 连续工作方式下设置两种停车状态 正常停车 在正常工作状态下停车 按下复位按钮 机械手在完成最后一 个周期的工作后 返回原点自动停机 紧急停车 在发生事故或紧急状态时停车 按下紧急停车按钮 机械手停 止在当前状态 当故障排除后 需手动回到原点 机械手的 PLC 控制 16 3 2 PLC 控制系统 3 2 1 确定输入 输出点数并选择 PLC 型号 1 输入信号 位置检测信号 下限 上限 右限 左限共 4 个行程开关 需要 4 个输入端 子 无工件检测 信号 用光电开关作检测元件 需要 1 个端子 工作方式 选择开关 有手动 单周期和连续 3 种工作方式 需要 3 个输 入端子 手动操作 需要有下降 上升 右移 左移 加紧 放松 6 个按钮 也需要 6 个输入端子 自动工作 尚需启动 正常停车 紧急停车 3 个按钮 也需要 3 个输入端子 以上共需要 18 个输入信号 2 输出信号 PLC 的输出用于控制机械手的下降 上升 右移 左移 加紧 放松以三 个电动机转速的控制等 共需要 6 个输出点 机械手从原点开始工作 需要一 个原点指示灯 也需要 1 个输出点 所以 至少需要 6 个输出点 由于机械手的控制属于开关量控制 在功能上未提出特殊要求 因此任何型 机械手的 PLC 控制 17 号的小型 PLC 均可满足要求 根据所需的 I O 总点数并留有一定的备用量 可 选用 S7 224XP 其输入和输出各 24 点 继电器输出型 S7 224XP 的各项工作 参数已在第二章介绍 在此不在做介绍 3 2 2 分配 PLC 的输入 输出端子 PLC 的输入输出端子分配接线图 如图 3 2 所示 3 2 3PLC 控制系统程序设计 1 手动程序 手动操作不需要按工序顺序进行动作 所以可按普通继电器程 序来设计 手动操作的梯形图 如图 3 3 所示 手动按钮 I1 3 I2 0 分别控制 下降 上升 右移 左移 加紧和放松各个动作 为了保证系统的的安全与进 行 设置了一些必要的连锁 其中在左 右移动的电路中加入 I0 7 作上限连锁 这 是因为机械手只有处于上限位置时 才允许左 右移动 机械手的 PLC 控制 18 图 3 2 输入 输出分配接线图 机械手的 PLC 控制 19 机械手的 PLC 控制 20 图 3 3 手动程序 自动程序 自动程序如图 3 4 所示 连续及单周期操作 当机械手在原点时 程序处于初始状态 执行下降动 作 当下降到下限位开关时 机械手夹紧工件 然后执行上升动作 当达到上 限位时 机械手方可作横向运动 到达右工作台上方 当检测到右工作台上无 工件时 机械手方可下降 机械手将物件放到右工作台上后 机械手反向运行 回到初始点 机械手的 PLC 控制 21 图 3 4 自动程序 将如图 3 3 所示的自动操作梯形图 包括单周期 连续操作在内的整个自动 操作的梯形图 至此 机械手的控制程序分段设计完毕 根据图 3 2 所示的总程序结构框图 将手动操作程序梯形图和自动程序梯形图嵌入 就得到整个程序的梯形图 机械手的 PLC 控制 22 致答谢词 设计及论文是在我的指导老师贾君贤以及各位电气自动化专业的老师共同 指导下完成的 我很感谢他们不计辛苦的指导我 同时也要感谢帮助我的同学 给我提供了宝贵的建议 指导老师的治学态度严谨 无私的奉献精神让我深有 感触 从尊敬的指导老师身上 我感受到了她的无私 也学到了更多了专业知 识 同时也学到了很多做人的道理 我要向我的指导老师致以最崇高的敬意 参考文献 1 胡晓明主编 电气控制及 PLC 机械工业出版社 2006 机械手的 PLC 控制 23 2 程周主编 PLC 技术与应用 福建科学技术出版社 2004 3 李中年主编 控制电气及应用 清华大学出版社 2006 4 冯辛安主编 机械制造装备设计 机械工业出版社 2005 5 廖常初主编 可编程序控制器应用技术 重庆大学出版社 2002 6 张继和 张润敏 梁海峰主编 电机控制与供电基础 西南交通大学出版社 2000 7 田鸣主编 机械技术基础 机械工业出版社 2005