機械手的程序設計

1、 畢業(yè)論文中文摘要題目：機械手的PLC程序設計 摘 要工業(yè)機器人由操作機 (機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速

2、反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴 漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。

3、關鍵詞：機械手，PLC.程序流程圖目錄 摘要- 1 -前言- 3 -1機械手簡介- 3 -1.1機械手歷史- 4-1.2機械手構成- 4- 1.3機械手分類- 5-2設計目標-6-3機械手移動工件控制系統(tǒng)程序設計- 7-3.1編程軟件及應用- 7-3.2程序流程圖- 7-4機械手移動工件控制系統(tǒng)PLC程序- 9-4.1系統(tǒng)資源分配- 9-4.2源程序 - 11-4.2.1總體安排- 11-4.2.2手動操作程序- 12-4.2.3自動操作程序- 14-4.2.4操作系統(tǒng)總程序- 17-5結論 - 22-6參考文獻-23-前言工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而

4、單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問市。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術

5、在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。1機械手簡介1.1機械手歷史機械手是在早期出現的古代機器人基礎上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀中期，隨著計算機和自動化技術的發(fā)展，特別是1946年第一臺數字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步

6、，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產的迫切需求推動了自動化技術的進展，又為機器人的開發(fā)奠定了基礎。另一方面，核能技術的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手。 機械手首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現動作的記錄和再現。這就是所謂的示教再現機器人?，F有的機器人差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人。作為機器人產

7、品最早的實用機型（示教再現）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，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。 1.2機械手構成機械手主要由手部、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規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢

8、。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。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?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構成，通過對其編程實現所要功能。 1.3機械手分類機械手的種類，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)

9、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年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。2.設計目標 當機械手在原點時，按下啟動按鈕，接通狀態(tài)S20,其接點接通Y3，執(zhí)行下降動作。當碰到下限位開關時X4接通，又接通下一個狀態(tài)S21，接著執(zhí)行下一步動作。當機械手夾緊工件時，計時器計時結束，計時器的常開

10、觸點閉合，接通狀態(tài)S22，執(zhí)行上升動作。當碰到上限開關時，X3接通，輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S23，機械手前進。當前進到最右邊時，當碰到右限開關時，X6接通，輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S24，機械手開始下降。當碰到下限開關時，X4接通，輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S25，機械手松開。當機械手完全松開時，碰到松限開關時，X7接通，其輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S26，機械手上升。再碰到上限開關時，X3接通，其輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S27，機械手后退。碰到左限開關時，X5接通，其輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S20，

11、機械手重復上個周期的操作。 3機械手移動工件控制系統(tǒng)程序設計3.1編程軟件及應用由于本設計采用的是三菱FX2N-48MR-001模塊，故選擇三菱GX Developer編程軟件。GX-Developer是三菱公司所制作的PLC編程軟件，它包含了LLT仿真軟件，用戶可在個人計算器上模仿PLC的運作情況，大大減低測試的時間。它可以對三菱的所有PLC進行編程，包括FX系列PLC、A系列PLC和Q系列PLC。它對計算機要求的最低配置為：1）Pentium級CPU，主頻90MHz或者更快。2）最少16MB內存配置，40MB硬盤空間。3）微軟Windows環(huán)境（Microsoft Windows95 或者

12、更新版本，或Microsoft WindowsNT 4.0 Service Pack3 或者更新版本）。4）800600 SVGA或者更高分辨率顯示系統(tǒng)。 當程序編輯完成以后，運行程序，程序自動寫入PLC的存儲器，若以后固定使用該程序，則可拔除RS-232C數據通訊線，用CPU模塊自帶的RUN/STOP開關來運行/停止程序。需要改動程序時，先將PLC設定在STOP的狀態(tài)下，連接PC，運行GX-Developer編程軟件，修改程序并寫入PLC存儲器，也可使用編程器進行編程和程序修改11。3.2程序流程圖1）正常運行流程圖正常運行的流程圖如圖3-1所示： 圖3-1正常運行流程圖2）緊急停止流程圖緊

13、急停止流程圖如圖3-2所示： 圖3-2緊急停止流程圖4機械手移動工件控制系統(tǒng)PLC程序4.1系統(tǒng)資源分配1）數字輸入部分 這個控制系統(tǒng)的輸入有啟動按鈕，停止按鈕，急停按鈕，上、下、前、后、松限位開關，手動，單步，單周期，連續(xù)操作方式選擇，正/反、上/下、夾/松運動選擇共15輸入點，具體的輸入分配如下：x000 啟動按鈕x001 停止按鈕x002 急停按鈕x003 上限位開關x004 下限位開關x005 后限位開關x006 前限位開關x007 松限位開關x010 手動操作方式選擇x011 單步操作方式選擇x012 單周期操作方式選擇x013 連續(xù)操作方式選擇x014 左/右運動選擇x015 夾/

14、松運動選擇X016 上/下運動選擇2）數字量輸出部分 這個控制系統(tǒng)需要控制的外部設備有正轉/反轉旋轉電磁閥線圈，正轉/反轉旋轉電磁閥線圈，正轉/反轉旋轉電磁閥線圈3個設備和一個原點指示燈，每個電磁閥線圈有兩個狀態(tài)，所以輸出點應該有7點。具體的輸出分配如下：Y000 正轉/反轉旋轉電磁閥線圈(正轉)Y001 正轉/反轉旋轉電磁閥線圈(反轉)Y002 正轉/反轉旋轉電磁閥線圈(上升)Y003 上升/下降電磁閥線圈(下降)Y004 正轉/反轉旋轉電磁閥線圈(夾緊)Y005 夾緊/放松電磁閥線圈(放松)Y006 原點指示3）定時器部分 這個控制系統(tǒng)夾緊工件時需要定時器來控制夾緊程度。根據現場設備的控制

15、要求和工藝要求，設定夾緊/放下電磁閥線圈(夾緊)通電5s后即夾緊動作完成。 由此，選擇定時器 T0 ，其參數設置為 K50 。4）內部繼電器部分 在機械手移動工件控制系統(tǒng)中，需要根據所選擇的不同操作方式來實現程序的不同流程。另外，在自動操作過程中，由于按下“停止按鈕”的時間是任意的，但是又不需要系統(tǒng)立即停止，而是完成一個周期的運動后自動的停止在原點，即完成一個周期的運動后，之前的按下“停止按鈕”的動作才開始起作用，因此，也需要一個內部繼電器把之前按下“停止按鈕”的動作（電信號）存儲起來。因此需要選擇的內部繼電器如下： M0 連續(xù)、單步、單周期的選擇 M1 存儲“停止”操作信號5）狀態(tài)器部分 在

16、控制系統(tǒng)中，由于自動操作是一個順控操作，整個流程是步進的，所以在自動控制操作程序中，依據機械手的動作過程，需要用到的狀態(tài)器如下：S 0 初始狀態(tài)S20 下降工步工作狀態(tài)S21 夾緊工步工作狀態(tài)S22 上升工步工作狀態(tài)S23 正轉工步工作狀態(tài)S24 下降工步工作狀態(tài)S25 放松工步工作狀態(tài)S26 上升工步工作狀態(tài)S27 反轉工步工作狀態(tài)6）指針P部分 在控制系統(tǒng)中，由于操作系統(tǒng)總體上分為手動操作和自動操作兩部分，而且兩部分是不允許同時出現在運行的程序中，所以需要用跳轉指令跳過手動操作程序或者自動操作程序，使得在每次程序的運行過程中，只有手動操作程序和自動操作程序中的一個運行。選擇的指針為 P0

17、，P1 。4.2源程序4.2.1總體安排 本控制電路有四種控制方式，但其中的三種為自動方式，都與步進控制有關，可以一起設計。這樣僅考慮兩種情況就可以了，這兩種情況可用跳轉指令予以區(qū)分，其總程序結構框圖如圖4-1所示，由于手動程序和自動程序采用了跳轉指令，故這兩個程序可以采用同樣的輸出端子12。 圖4-1總程序結構框圖 在該結構圖中，當操作方式選擇開關置于“手動”時，輸入點X010接通，其輸入繼電器常閉觸點斷開，執(zhí)行手動操作程序。當操作選擇開關置于“單步”或“單周期”或“連續(xù)”時，其對應的輸入點X011、X012、X013接通，CJ前的梯級為假，程序不跳轉而執(zhí)行自動操作程序。4.2.2手動操作程

18、序 在手動操作方式下，各種動作都是用按鈕操作來實現的，其控制程序可以獨立于自動操作程序而另行設計。手動操作控制很簡單，可以很方便地按一般繼電器控制線路來設計，其梯形圖如圖4-2所示。 圖 4-2手動操作程序梯形圖 當運動選擇開關置于“進/退”時，如機械手置于上限位置，則按啟動按鈕機械手前進；按下停止按鈕機械手左移。當運動選擇開關置于“夾/松”時，按啟動按鈕時夾緊；按停止按鈕時放松。當運動選擇開關置于“上/下”時，按啟動按鈕時下降；按停止按鈕時上升。在手動操作過程中，有兩點是需要注意的：1）在單步、單周期、連續(xù)操作過程中，如果在夾緊過程中，按下“急停”，則機械手停止動作。再次啟動機械手運行時，需

19、要先進行手動操作將機械手返回原點。手動操作時，選擇“夾/松”運行方式，只允許按“停止按鈕”，使機械手執(zhí)行放松動作。若此時需要機械手進行手動操作使機械手執(zhí)行夾緊動作，也只能是先按“停止按鈕”，然后按“啟動按鈕”進行操作，使機械手完全松開后，再執(zhí)行夾緊動作。這樣操作的目的是防止機械手由于前后兩次的“夾緊”的動作運行超過5s（由定時器控制），從而使機械手手部由于長時間的夾緊發(fā)生形變。2）手動操作也有“急停”形式，操作過程中只需按下相應的按鈕，直到到達相應的位置，限位開關動作，運動停止。若在運行過程中需要機械手停止動作，則只需要按下“急停按鈕”即可。4.2.3自動操作程序1）連續(xù)操作 當機械手在原點時

20、，按下啟動按鈕，接通狀態(tài)S20,其接點接通Y3，執(zhí)行下降動作。當碰到下限位開關時X4接通，又接通下一個狀態(tài)S21，接著執(zhí)行下一步動作。當機械手夾緊工件時，計時器計時結束，計時器的常開觸點閉合，接通狀態(tài)S22，執(zhí)行上升動作。當碰到上限開關時，X3接通，輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S23，機械手前進。當前進到最右邊時，當碰到右限開關時，X6接通，輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S24，機械手開始下降。當碰到下限開關時，X4接通，輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S25，機械手松開。當機械手完全松開時，碰到松限開關時，X7接通，其輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S2

21、6，機械手上升。再碰到上限開關時，X3接通，其輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S27，機械手后退。碰到左限開關時，X5接通，其輸入繼電器的常開觸點閉合，接通下一個狀態(tài)S20，機械手重復上個周期的操作。 其自動操作中連續(xù)運動的狀態(tài)轉換圖如圖4-3所示。 圖4-3自動操作中連續(xù)運動的狀態(tài)轉換圖下面從可編程序控制器的工作原理來分析所設計的工作流程狀態(tài)轉換圖?？删幊绦蚩刂破鞑捎弥芷谛苑绞焦ぷ鳎總€循環(huán)周期含有若干階段：a 診斷階段：可編程序控制器自檢，當狀態(tài)正常時，進入下一步工作，否則待機。b 聯機通信階段：可編程序控制器與上位計算機及其它可編程序控制器相聯時，進行聯機通信，傳送本機狀態(tài)信息和

22、接收上位計算機指令。c 輸入采樣階段：對現場信號輸入端口狀態(tài)（ON或OFF，即“0”和“1”）進行掃描，并將信號狀態(tài)存放輸入狀態(tài)寄存器，也稱輸入刷新，可編程序控制器工作在其它階段時，即使信號狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器內的內容也不會發(fā)生變化，狀態(tài)變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才能被讀入。d 程序執(zhí)行階段：可編程序控制器從程序第一條指令開始按順序執(zhí)行，所需要的數據如輸入狀態(tài)和其他元素狀態(tài)分別由輸入狀態(tài)寄存器和其他狀態(tài)寄存器中讀出，程序執(zhí)行的結果分別寫入相應的元素狀態(tài)寄存器（包括輸入狀態(tài)寄存器），輸出狀態(tài)寄存器中的內容會隨著程序執(zhí)行的進程而變化。e 輸出刷新階段：程序執(zhí)行結束后，輸出狀態(tài)寄

23、存器中的內容送輸出鎖存器，產生設備驅動信號，驅動負載設備，完成實際的輸出。 可編程序控制器依次執(zhí)行每個工作階段工作，如此往復循環(huán)，完成一個周期工作的時間即是一個工作周期（或掃描周期），工作周期的長度與用戶程序的長度對應4?？删幊绦蚩刂破鞒绦蜷_始“RUN”后，M8002發(fā)出一個掃描周期的脈沖，在可編程序控制器“STOP”之前，即可編程序控制器一直處于“RUN”狀態(tài)，M8002就不會再發(fā)生脈沖。注意：有時候機械手沒有動作，并不能說明可編程序控制器沒有運行。有可能是程序依然在運行，只是此時的程序不滿足機械手動作的條件，所以這種條件下，M8002不會發(fā)生脈沖。所以只在可編程序控制器開始運行、按下“停止

24、”按鈕和單周期操作方式時，RST M1 指令才被執(zhí)行，其余的任何時候的任何一個掃描周期均不執(zhí)行。值得說明的是連續(xù)操作的條件，只有當旋轉按鈕選擇“連續(xù)”操作方式的時候，并且在運行的過程中沒有按下“停止”按鈕，該機械手移動系統(tǒng)才能連續(xù)不斷的運行下去。但是如果選擇“連續(xù)”操作方式，在運行的過程中按下了“停止”按鈕，機械手完成一個周期后自動停止在原點，而不繼續(xù)運行。同樣，無論是在什么操作方式下，如果按下“急?！卑粹o，機械手立即停止動作。再次運行時，需要手動操作先將機械手移動原點，然后再執(zhí)行其他操作。 在機械手的自動操作方式中，用內部繼電器M0將自動方式分為了連續(xù)/單步操作和單周期操作。內部繼電器M0通

25、電，機械手運動程序轉向連續(xù)/單步操作。內部繼電器M0不通電，機械手運動程序轉向單周期操作。 2）單步操作當連續(xù)操作程序要實現單步操作的功能時，可以在連續(xù)操作的程序基礎上作一些簡單的修改，即在連續(xù)操作的程序中加上圖8-4中的虛線部分的單步操作單元即可。 圖4-4單步操作單元當沒有選擇“單步”操作時，對應的輸入繼電器不通電，其常閉觸點閉合，常開觸點斷開，該單步操作單元可以看作一條導線，沒有實際意義。如果選擇“單步”操作方式，對應的輸入繼電器通電，其常閉觸點斷開，常開觸點閉合，按下“啟動”按鈕，常開觸點支路通電，其連接的相應繼電器帶電，帶電繼電器的自鎖觸點閉合，從而使該帶電繼電器持續(xù)帶電，使得機械手

26、能夠完成完整的一步動作。3）單周期操作 單周期操作是機械手自動完成一個周期的動作后自動的停止在原點。當操作方式旋轉開關選擇“單周期”時，按下“啟動”按鈕，機械手就能實現這樣的操作。同時，如果選擇“連續(xù)”操作方式，按下“啟動”按鈕，機械手開始連續(xù)工作方式運動，如果在此之后的任意時刻按下“停止”按鈕，此后機械手的動作過程也同于“單周期”，即運動到原點自動停止。 當內部繼電器M0不通電，機械手運動程序轉向單周期操作。4.2.4操作系統(tǒng)總程序由前面的章節(jié)，依據操作系統(tǒng)總程序結構框圖，將手動操作、單步、單周期、連續(xù)操作的程序全部編輯到總程序中，即可得到操作系統(tǒng)的總程序。機械手移動工件控制系統(tǒng)的總程序梯形圖如圖4-5所示。到此為止，基于PLC的機械手移動工件控制系統(tǒng)硬件和軟件部分均已全部設計完畢。 圖4-5機械手移動工件控制系統(tǒng)的總程序梯形圖5結論在機械手移動物體控制系統(tǒng)中，用PLC控制機械手的正轉/反轉、