機械手臂搬運加工流程控制設(shè)計

1、摘 要 機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。因此，研究機械手具有現(xiàn)實意義。 基于PLC機械手臂搬運控制系統(tǒng)的設(shè)計工作主要包括：在充分理解任務(wù)書的要求之后，進行系統(tǒng)硬件配置，PLC選型，繪制主電路圖以及控制接線圖；再進行控制系統(tǒng)的軟件繼續(xù)設(shè)計；為了便于仿真也對系統(tǒng)的上位機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計；最后進行仿真聯(lián)合調(diào)試。仿真結(jié)果基本符合要求。系統(tǒng)可以實現(xiàn)機械手臂搬運過程的各個工況，對加工完成的工件進行計數(shù)，還能手動進行調(diào)試。由于PLC具有可靠性、易操作性、靈活性等優(yōu)點，因此，控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)人力搬

2、運相比，大大提高了工作效率，系統(tǒng)調(diào)試方便、成本低、易操作、可靠性高，有很強的實用價值。 關(guān)鍵詞：機械手臂；電氣控制技術(shù)；PLC目 錄1 引言11.1 機械手臂搬運控制系統(tǒng)設(shè)計的目的11.2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容和要求12 機械手臂搬運控制系統(tǒng)硬件設(shè)計22.1 機械手臂搬運控制系統(tǒng)硬件配置及組成原理22.2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)輸入輸出點分析22.3 PLC選型32.4 機械手臂搬運控制系統(tǒng)變量定義及I/O地址分配42.5 機械手臂搬運控制系統(tǒng)硬件接線圖設(shè)計43 機械手臂搬運控制系統(tǒng)軟件設(shè)計53.1 編程語言的選擇53.2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)程序流程圖設(shè)計53.3 PLC控制程序設(shè)計

3、及分析63.3.1 手動模式63.3.2 自動模式74 機械手臂搬運控制系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析114.1 機械手臂搬運控制系統(tǒng)仿真調(diào)試114.1.1 靜態(tài)調(diào)試114.1.2 動態(tài)調(diào)試114.2 結(jié)果分析115 設(shè)計總結(jié)14參考文獻15致 謝16附 錄17附錄A 系統(tǒng)接線圖17附錄B 程序梯形圖181 引言1.1 機械手臂搬運控制系統(tǒng)設(shè)計的目的 通過對機械手臂搬運控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以使同學(xué)們了解機械手在我國的應(yīng)用鄰域、發(fā)展歷史和應(yīng)用前景，通過同學(xué)們自己動手設(shè)計，可以更深刻的了解一般機械手的工作方式、工藝過程以及操作步驟。更重要的是讓同學(xué)們運用已學(xué)到的知識，來設(shè)計一個基于PLC的機械手臂搬運控制系統(tǒng)，

4、引導(dǎo)同學(xué)們將理論知識和生產(chǎn)實際知識緊密結(jié)合起來，從而使這些知識得到進一步的鞏固、加深和擴展；同時掌握一般生產(chǎn)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法以及生產(chǎn)電氣控制系統(tǒng)的施工設(shè)計、安裝與調(diào)試方法；培養(yǎng)同學(xué)們查閱圖書資料、工具書的能力；通過這樣的實際訓(xùn)練，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計及解決工程問題打下良好的基礎(chǔ)。1.2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容和要求 設(shè)計內(nèi)容有如下幾點： （1）設(shè)計出硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖、接線圖、時序圖等； （2）系統(tǒng)有啟動、停止功能； （3）運用功能指令進行PLC程序設(shè)計，并有主程序、子程序和中斷程序； （4）程序結(jié)構(gòu)與控制功能自行創(chuàng)新設(shè)計； （5）進行系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)機械手臂搬運加工流程的控

5、制要求。 系統(tǒng)的控制要求如下： （1）有兩部機械對工作物進行加工，對象由輸送帶A送到加工位置，然后由機械手臂將加工物送至工作臺1的位置進行第一步驟加工。當?shù)谝徊襟E加工完成后，機械手臂將工作物夾起再送至工作臺2進行第二步驟加工；當?shù)诙襟E加工完成后，機械手臂將工作物放到輸送帶B送走，然后由7段數(shù)碼管顯示加工完成的數(shù)量。 （2）假設(shè)使用氣壓機械手臂，一開始手臂先下降，碰到下限開關(guān)開始做夾起動作，然后開始上升碰到上限開關(guān)后，手臂開始往右，當碰到第一工作站的極限開關(guān)時，機械手臂下降將工作物放置工作臺l然后上升等待機械對工作物加工；當工作物第一加工步驟完成時，機械手臂再依進行下降一夾住一上升一往右一下降

6、一釋放等流程，將工件放置工作臺2上進行第二加工步驟。 （3）當?shù)诙庸げ襟E完成時，機械手再依進行下降、夾住、上升、往右、下降、釋放等流程，由傳送帶B送出，并由7段數(shù)碼管顯示加工完成的數(shù)次。2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 機械手臂搬運控制系統(tǒng)硬件配置及組成原理 機械手臂搬運控制系統(tǒng)的組成原理圖如圖1所示，機械手的升降和左右移動分別使用雙線圈的電磁閥，在某方向的驅(qū)動線圈失電時保持原位，必須驅(qū)動反方向的線圈才能反向運動。機械手的夾具使用單線圈電磁閥，線圈得電時夾緊工件，斷電時松開工件。有關(guān)到位信號分別是：下限位開關(guān)SQ1，上限位開關(guān)SQ2，A位置限位開關(guān)SQ3，工作臺1限位開關(guān)SQ4，工作臺

7、2限位開關(guān)SQ5，B位置限位開關(guān)SQ6。七段數(shù)碼管用來顯示加工的工件數(shù)。圖1 組成原理圖2.2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)輸入輸出點分析 對機械手臂搬運控制系統(tǒng)的工況分析如下： （1）系統(tǒng)必須要有啟動和停止的功能，故需要一個啟動按鈕SB0（X000），一個停止按鈕SB1(X001)；系統(tǒng)能自動工作和手動調(diào)試，故需要一個手動/自動切換開關(guān)SB2（X002）；（2）在自動模式中，先由傳送帶A將工件送到加工位置，因此需要一個輸出點（Y000）啟動傳送帶A，一個傳感應(yīng)元件SQ7（X003）感應(yīng)工件到達加工位置；接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；接通夾緊線圈

8、KM3（Y002）機械手夾緊；接著接通上升線圈KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關(guān)SQ2（X005）停止上升；接通右行線圈KM5（Y004）機械手右行，碰到工作臺1限位開關(guān)SQ4（X007）停止右行；接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；斷開夾緊線圈KM3（Y002）；接通上升線圈KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關(guān)SQ2停止上升；等待工作臺1加工完，假定加工完成需要時間2分鐘，2分鐘之后；接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；接通夾緊線圈KM3（Y002）機械手夾緊；接著接通上升線

9、圈KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關(guān)SQ2（X005）停止上升；接通右行線圈KM5（Y004）機械手右行，碰到工作臺2限位開關(guān)SQ5（X010）停止右行；接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；斷開夾緊線圈KM3（Y002）；接通上升線圈KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關(guān)SQ2停止上升；等待工作臺2加工完，假定加工完成需要時間2分鐘，2分鐘之后；接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；接通夾緊線圈KM3（Y002）機械手夾緊；接著接通上升線圈KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開

10、關(guān)SQ2（X005）停止上升；接通右行線圈KM5（Y004）機械手右行，碰到傳送帶B限位開關(guān)SQ6（X011）停止右行；接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；斷開夾緊線圈KM3（Y002）；接通傳送帶啟動線圈KM6（Y005）將加工完的工件送走，同時接著接通上升線圈KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關(guān)SQ2（X005）停止上升；接通左行線圈KM7（Y006）機械手左行，碰到傳送帶A限位開關(guān)SQ3（X006）停止左行一個工作周期完成。七段數(shù)碼管用來統(tǒng)計加工的工件數(shù)，需要七個輸出點即（Y010Y016）。（3）手動模式中需要控制下降按鈕SB3

11、（X012）、上升按鈕SB4（X013）、右行按鈕SB5（X014）、左行按鈕SB6（X015）、松緊按鈕SB7（X016）。通過以上分析可知，需要PLC輸入點14個（X000X016），PLC輸出點14個（Y000Y006，Y010Y016）。2.3 PLC選型 PLC是PLC控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性能指標起著重要作用。國內(nèi)外生產(chǎn)的PLC種類很多，在選用時應(yīng)考慮以下幾個方面：（1）規(guī)模要適當：首先要確保有足夠的輸入、輸出點數(shù)，并留有一定的余地，還應(yīng)確定用戶程序存儲器的容量。（2）功能要相當，結(jié)構(gòu)要合理。（3）輸入、輸出功能及負載能力的選擇：選擇何種功

12、能的輸入、輸出形式或模塊，取決于控制系統(tǒng)中輸入和輸出信號的種類、參數(shù)要求和技術(shù)要求，選用具有相應(yīng)功能的模塊。（4）使用環(huán)境條件：在選擇PLC時，要考慮使用環(huán)境條件是否符合規(guī)定。本控制系統(tǒng)的輸入信號有15個，輸出信號有14個，結(jié)合以上的考慮因素決定選用三菱的FX2n-32MR，I/O點數(shù)各位16點，可以滿足控制要求，且留有一定的裕量。2.4 機械手臂搬運控制系統(tǒng)變量定義及I/O地址分配系統(tǒng)變量定義及I/O地址分配如表1所示。表1 系統(tǒng)變量定義及I/O地址分配PLC輸入點所接輸入端口PLC輸出端口所接輸出端口X000啟動按鈕Y000傳送帶AX001停止按鈕Y001下降線圈X002手動/自動切換開關(guān)

13、Y002夾緊線圈X003到達加工位置Y003上升線圈X004下限位開關(guān)Y004右行線圈X005上限位開關(guān)Y005傳送帶BX006傳送帶A限位開關(guān)Y006左行線圈X007工作臺1限位開關(guān)Y010數(shù)碼管a段X010工作臺2限位開關(guān)Y011數(shù)碼管b段X011傳送帶B限位開關(guān)Y012數(shù)碼管c段X012下降按鈕Y013數(shù)碼管d段X013上升按鈕Y014數(shù)碼管e段X014右行按鈕Y015數(shù)碼管f段X015左行按鈕Y016數(shù)碼管g段X016松、緊按鈕2.5 機械手臂搬運控制系統(tǒng)硬件接線圖設(shè)計 由工況分析可設(shè)計出如圖2所示的硬件接線圖。圖2 硬件接線圖3 機械手臂搬運控制系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 編程語言的選擇 常

14、見的PLC編程語言有以下幾種： （1）梯形圖：梯形圖語言具有形象、直觀、實用的優(yōu)點，它是在繼電接觸器邏輯控制的基礎(chǔ)上演變而來，易學(xué)易懂。 （2）指令表：它和單片機程序中的匯編語言有點類似，由語句指令一定的順序排列而成。 （3）順序功能圖：常用來編制順序控制類程序。包含步、動作、轉(zhuǎn)換三個要素?？梢詫⒁粋€復(fù)雜的控制過程分解為一些小的工作狀態(tài)，對這些小的工作狀態(tài)的功能處理后再依一定的順序控制要求連接組合成整體的控制程序。 （4）功能塊圖：一種類似數(shù)字邏輯電路的編程語言。 （5）結(jié)構(gòu)文體：用一些高級編程語言來編程的方式稱為結(jié)構(gòu)文體。 對于機械手臂搬運控制系統(tǒng)，其控制過程是按順序一步一步來完成，只有在上

15、一個步驟完成了，才能進入下一個工步。因此決定采用順序功能圖來編寫機械手臂搬運控制系統(tǒng)。3.2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)程序流程圖設(shè)計 由工況分析可得自動模式的程序流程圖如圖3所示。當傳送帶A將工件送到加工位置時，機械手下降，碰到下限位開關(guān)時，夾緊工件開始上升，碰到上限位開關(guān)時，開始右移，到達工作臺1時，機械手下降，碰到下限位開關(guān)時，松開工件，上升到上限位等待工作臺1加工完成。工作臺1加工完成之后，機械手下降，碰到下限位開關(guān)時，夾緊工件又開始上升，碰到上限位開關(guān)時，開始右移，到達工作臺2時，機械手下降，碰到下限位開關(guān)時，松開工件，上升到上限位等待工作臺2加工完成。工作臺2加工完成后，機械手下降，碰到

16、下限位開關(guān)時，夾緊工件又開始上升，碰到上限位開關(guān)時，開始右移，到達傳送帶B時，機械手開始下降，碰到下限位開關(guān)時，松開工件。啟動傳送帶B,將工件送走，同時機械手也開始上升，碰到上限位開關(guān)時，開始左移，直到碰到傳送帶A位置時，停止左移，關(guān)傳送帶B。一個工作周期結(jié)束。圖3 自動模式流程圖3.3 PLC控制程序設(shè)計及分析3.3.1 手動模式 當系統(tǒng)發(fā)生故障時，需要手動進行調(diào)試，尋找故障點。手動按鈕X12X16分別控制下降、上升、右移、左移、加緊和放松各個動作。梯形圖如圖4所示。圖4 手動模式梯形圖3.3.2 自動模式 按鈕SB2（X002）為手動/自動選擇開關(guān)，當SB2沒有接通時為自動模式，程序進入S

17、0狀態(tài)，等待啟動按鈕SB0（X000)接通。當SB0接通時，進入S20狀態(tài)啟動傳送帶A(Y000)將工件送到加工位置，當傳感應(yīng)元件SQ7（X003）感應(yīng)工件到達加工位置；進入S21狀態(tài)接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；進入S22狀態(tài)置位夾緊線圈KM3（Y002）機械手夾緊；定時2秒后，進入S23狀態(tài)，接著接通上升線圈KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關(guān)SQ2（X005）停止上升；進入S24狀態(tài)，接通右行線圈KM5（Y004）機械手右行，碰到工作臺1限位開關(guān)SQ4（X007）停止右行；進入S25狀態(tài)，接通下降線圈KM2（Y001）機械手

18、下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；進入S26狀態(tài)，復(fù)位夾緊線圈KM3（Y002）；定時2秒后，進入S27狀態(tài)，接通上升線圈KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關(guān)SQ2停止上升；進入S28狀態(tài)，等待工作臺1加工完，假定加工完成需要時間2分鐘，2分鐘之后；進入S29狀態(tài)，接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；進入S30狀態(tài)，置位夾緊線圈KM3（Y002）機械手夾緊；定時2秒后，進入S31狀態(tài)，接著接通上升線圈KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關(guān)SQ2（X005）停止上升；進入S32狀態(tài)，接通右行線圈KM5（Y004）機械

19、手右行，碰到工作臺2限位開關(guān)SQ5（X010）停止右行；進入S33狀態(tài)，接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；進入S34狀態(tài)，復(fù)位夾緊線圈KM3（Y002）；定時2秒后，進入S35狀態(tài)，接通上升線圈KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關(guān)SQ2（X005）停止上升；進入S36狀態(tài)，等待工作臺2加工完，假定加工完成需要時間2分鐘，2分鐘之后；進入S37狀態(tài)，接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；進入S38狀態(tài)，置位夾緊線圈KM3（Y002）機械手夾緊；定時2秒后，進入S39狀態(tài)，接著接通上升線圈K

20、M4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關(guān)SQ2（X005）停止上升；進入S40狀態(tài)，接通右行線圈KM5（Y004）機械手右行，碰到傳送帶B限位開關(guān)SQ6（X011）停止右行；進入S41狀態(tài)，接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關(guān)SQ1（X004），停止下降；進入S42狀態(tài)，復(fù)位夾緊線圈KM3（Y002）；定時2秒后，進入S43狀態(tài)，置位傳送帶啟動線圈KM6（Y005）將加工完的工件送走，工件計數(shù)器加一，同時接著接通上升線圈KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關(guān)SQ2（X005）停止上升；進入S44狀態(tài)，接通左行線圈KM7（Y006）機械手左行，碰到傳送帶A限位開關(guān)SQ

21、3（X006）停止左行，進入S45狀態(tài)，復(fù)位傳送帶B的工作，定時2秒之后，跳轉(zhuǎn)到S0狀態(tài)，一個工作周期完成。梯形圖如圖5所示。圖5 自動模式梯形圖4 機械手臂搬運控制系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析4.1 機械手臂搬運控制系統(tǒng)仿真調(diào)試4.1.1 靜態(tài)調(diào)試 按系統(tǒng)接線圖正確連接好輸入設(shè)備，進行PLC的模擬靜態(tài)調(diào)試，并通過計算機監(jiān)視，觀察其是否與控制要求一致，發(fā)現(xiàn)有不符合要求的地方，就認真查找原因，直到指示正確。4.1.2 動態(tài)調(diào)試 （1）手動程序調(diào)試：按系統(tǒng)接線圖正確接好輸入、輸出設(shè)備，進行PLC手動程序調(diào)試，觀察PLC的輸出是否按要求指示，否則，檢查并修改程序、調(diào)節(jié)傳感器的位置及靈敏度，直到指示正確。 （2

22、）自動程序調(diào)試：按下自動模式選擇按鈕，進入自動模式，觀察機械手是否按控制要求動作，否則，檢查電路并修改調(diào)試程序，直至機械手按控制要求動作。4.2 結(jié)果分析 按下啟動按鈕，傳送帶A開始工作，結(jié)果如圖6所示。圖6 傳送帶A工作工件到達加工位置時，傳送帶A停止工作，機械手下降，如圖7所示。圖7 機械手下降觸發(fā)下限位開關(guān)，下降停止，機械手夾緊工件，然后上升，如圖8所示。圖8 夾緊工件上升觸發(fā)上限位開關(guān)，上升停止，機械手夾緊工件右移，如圖9所示。圖9 機械手右移觸發(fā)工作臺1限位開關(guān)，機械手下降，如圖10所示。圖10 機械手在工作臺1下降觸發(fā)下限位開關(guān)，松開工件，然后上升，如圖11所示。圖11 松開工件

23、觸發(fā)上限位開關(guān)，停止上升，等待，工作臺1加工完成。如圖12所示。圖12 等待加工完加工完成后直到工件到達傳送帶B的過程與從加工位置到工作臺1加工完成的工序基本一樣，這里就不給出圖片。當機械手在傳送帶B上到達下限位時，啟動傳送帶B，加工完成工件數(shù)加1，機械手上升。如圖13所示。圖13 傳送帶B送出工件機械手觸發(fā)上限位開關(guān)時，停止上升，開始右行。如圖14所示。圖14 機械手左行到達傳送帶A時，關(guān)閉傳送帶A，一個周期完成。如圖15所示。圖15 工作結(jié)束5 設(shè)計總結(jié)本次電氣控制技術(shù)課程設(shè)計的課題是機械手臂搬運控制系統(tǒng)的設(shè)計，接到任務(wù)書之后，首先認真閱讀和消化設(shè)計任務(wù)書，明確本次設(shè)計的題目、任務(wù)和要求，搞清楚已經(jīng)得到了哪些原始數(shù)據(jù)，尚缺哪些數(shù)據(jù)和資料需要自己收集。然后就查閱一些有助于設(shè)計的圖書資料，并草擬一個大致進程安排。在整個設(shè)計過程中，既充分發(fā)揮自己的主觀能動性，獨立設(shè)計，又很好地