坐標(biāo)式機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計

-13-實驗報告《分布式控制技術(shù)及其應(yīng)用》學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院實驗名稱坐標(biāo)式機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)號姓名指導(dǎo)老師

目錄一、引言 3二、研究的目的及意義 3三、題目分析 4四、設(shè)計思路 5五、I/O分配表 6六、外部接線圖 7七、程序及仿真 7八、總結(jié)與分析 11九、參考文獻(xiàn) 12

一、引言隨著現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的自動化越來越多的工廠設(shè)備采用PLC、變頻器和人機(jī)界面自動化器件來控制，因此自動化程度越來越高。電氣控制技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求而得到迅速發(fā)展。對于PLC，隨著PLC的出現(xiàn)，逐漸取代了繼電器電路，隨著計算機(jī)的發(fā)展和滲透，PLC技術(shù)也在不斷提高和完善。PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。PLC技術(shù)有以下優(yōu)點：編程方法簡單易學(xué)，功能強(qiáng)，性能價格比高，硬件配套齊全，用戶使用方便，使用性強(qiáng)，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少，維修工作量小，維修方便體積小，能耗低，效率高等。對于單片機(jī)，現(xiàn)今的單片機(jī)正向著提高工業(yè)環(huán)境下控制系統(tǒng)的可靠性和靈活方便地構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)界面的方向發(fā)展，并且控制功能越來越豐富。在CPU芯片上，除嵌入RAM、ROM、和I/O外，還有A/D、D/A、PWM、DMA、看門狗、串行接口和定時器/計數(shù)器等，另外還有顯示驅(qū)動、鍵盤控制、比較器和函數(shù)發(fā)生器等，能構(gòu)成功能強(qiáng)大的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)比適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，體積小，集成度高。通過比較論證，從經(jīng)濟(jì)和效率等方面考慮，選用PLC作為坐標(biāo)式機(jī)械手設(shè)計的控制器。二、研究的目的及意義機(jī)械手是在機(jī)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(shù)特別是電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)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。機(jī)械手可在空間抓、放、搬運(yùn)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(yīng)用于柔性自動線。在機(jī)械制造業(yè)中，機(jī)械手已被廣泛應(yīng)用，從而大大地改善了工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。機(jī)械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。機(jī)械手是工業(yè)機(jī)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(jī)器人。，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。例如：（1）機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。（2）在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。（3）宇宙及海洋的開發(fā)。（4）軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗。（5）可在勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。（6）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(yùn)等。該設(shè)計是利用PLC控制按鈕的開與關(guān)來實現(xiàn)機(jī)械手對物體的搬運(yùn)過程。通過按鈕來進(jìn)行對機(jī)械手的控制，不僅有自動控制簡單方便，而且還有手動控制以滿足條件的需要。三、題目分析坐標(biāo)式機(jī)械手動作原理圖如右圖所示。其控制要求：將物體從位置A搬至位置B。（1）動作順序：機(jī)械手從原點位置起始下移到A處下限位→從A處夾緊物體后上升至上限位→右移至右限位→機(jī)械手下降至B處下限位→將物體放置在B處后→上升至上限位→左移至左限位（原點）為一個循環(huán)。（2）上限、A、B下限、左限、右限分別由限位開關(guān)控制；機(jī)械手設(shè)立起動和停止開關(guān)。（3）機(jī)械手夾緊或松開的工作狀態(tài)以及到達(dá)每一個工位時，均應(yīng)有狀態(tài)顯示。（4）機(jī)械手的夾緊和放松動作均應(yīng)有1s延時，然后上升；機(jī)械手每到達(dá)一個位置均有0.5s的停頓延時，然后進(jìn)行下一個動作。（5）若機(jī)械手停止時不在原點位置，可通過手動開關(guān)分別控制機(jī)械手的上升和左移，使之回到原點。（6）要求循環(huán)工作1小時時，判斷機(jī)械手是否夾有物體，若沒有，則立即自動停止工作并警鈴報警；若夾有物體，則繼續(xù)工作至物體放置到B位后自動停止工作并警鈴報警。四、設(shè)計思路（1）上升和下降機(jī)械手上升或下降的動作都要到位，否則不能進(jìn)行下一個工作步。上升或下降的動作用兩個帶線圈的電磁閥控制。（2）夾緊和放松機(jī)械手夾緊和放松的動作必須在兩個工位處進(jìn)行，且其動作都要到位。為了確保夾緊和放松的動作可靠性，需對這兩個動作進(jìn)行定時。加緊和放松動作由單線圈的電磁閥控制，電磁閥線圈的得電為夾緊，失電為放松。（3）左行和右行自動方式時，機(jī)械手的左、右運(yùn)動必須在壓動上限位開關(guān)后才能進(jìn)行；機(jī)械手的左、右運(yùn)動都必須到位，以確保在左工作臺取到工件并在右工作臺下放下工件。可使用上限位開關(guān)、左上限位開關(guān)和右上限位開關(guān)進(jìn)行控制。左行、右行的動作由雙線圈電磁閥控制。（4）自動運(yùn)行自動方式下誤操作的禁止：自動方式時，按一次起動按鈕自動運(yùn)行方式開始后，再按別的操作按鈕錯誤操作，程序?qū)﹀e誤操作不予響應(yīng)。（5）手動運(yùn)行手動運(yùn)行時，只有按下單步上升、單步下降、單步左行、單步右行、手動夾緊放松時機(jī)械手會動作，同樣再按別的操作按鈕錯誤操作，程序?qū)﹀e誤操作不予響應(yīng)。五、I/O分配表分析系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)可以選擇自動和手動工作方式，其輸入信號有啟動、停車、上限行程、左上限行程、A下限行程、右上限行程、B下限行程、手動運(yùn)行、自動運(yùn)行、單步上升、單步下降、單步左移、單步右移、手動夾緊、手動放松共15個按鈕信號。輸出有夾緊、上升、下降、報警指示、右行、左行、原點指示共7個信號。由此可知，系統(tǒng)所需的輸入點數(shù)為15，輸出點數(shù)為7，且都是開關(guān)量。根據(jù)以上分析，此系統(tǒng)屬于小型單機(jī)控制系統(tǒng)，我選用的是三菱FX2N系列PLC，故該系統(tǒng)的I/O分配表如下表3.1所示：表5.1I/O分配表輸入地址號信號名稱代號輸入地址號信號名稱代號輸出地址號信號名稱代號X0啟動SB1X10自動運(yùn)行SB4Y0夾緊KM1X1停車SB2X11單步上升SB5Y2上升KM2X2上限行程SQ1X12單步下降SB6Y3下降KM3X3左上限行程SQ2X13單步左移SB7Y4報警指示KM4X4A下限行程SQ3X14單步右移SB8Y5右行KM5X5右上限行程SQ4X15手動夾緊SB9Y6左行KM6X6B下限行程SQ5X16手動放松SB10Y7原點指示KM7X7手動運(yùn)行SB3六、外部接線圖根據(jù)I/O分配表，畫出系統(tǒng)的I/O接線圖，如圖4.1所示。另外接線圖中添加了信號燈，分別來作為機(jī)械手在A下限、左上限、上限、右上限、B下限的狀態(tài)指示，輸出接口中Y4接有報警顯示燈，Y7接有原點位置指示燈。圖6.1PLC的I/O接線圖七、程序及仿真7.1程序圖7.1控制程序梯形圖設(shè)計系統(tǒng)的梯形圖，如圖7.1所示。該梯形圖主要由報警電路程序，手動操作程序，自動循環(huán)運(yùn)行程序組成。圖中從第9行到第25行為報警電路程序，當(dāng)系統(tǒng)在自動運(yùn)行狀態(tài)，循環(huán)工作1小時時，判斷機(jī)械手是否夾有物體，若沒有，則立即自動停止工作并警鈴報警；若夾有物體，則繼續(xù)工作至物體放置到B位后自動停止工作并警鈴報警。圖中從第30行到第66行，為手動單步操作程序，當(dāng)機(jī)械手停止時不在原點位置，但手動開關(guān)X7閉合時可通過線圈和手動開關(guān)分別控制機(jī)械手的上升、下降和左移、右移，使之回到原點，圖中上升和下降，左移和右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)，防止控制電路燒壞。從第67行到第168行為自動操作運(yùn)行程序。自動操作時當(dāng)機(jī)械手處于原位時，按啟動按鈕X10接通，機(jī)械手從原位到達(dá)A下限位，使A下限位行程開關(guān)X4接通，延時0.5S電磁閥夾緊，電磁力達(dá)到最大夾緊力，延時1S，機(jī)械手上升。當(dāng)上升到達(dá)最高位，上限行程開關(guān)X2接通，延時0.5S驅(qū)動Y5右移。移到最右位，右上限行程開關(guān)X5接通，延時0.5S驅(qū)動Y3下降。下降到最低位，B下限行程開關(guān)X6接通，延時0.5S機(jī)械手放松。為了使電磁力完全失掉，延時1S。延時時間到，驅(qū)動Y2上升。上升到最高位，上限行程開關(guān)X2接通，延時0.5S驅(qū)動Y6左移。左移到最左位，左上限行程開關(guān)X3接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動作。這是通過多個線圈來控制系統(tǒng)按給定的順序運(yùn)行。上限、A、B下限、左限、右限分別由限位開關(guān)控制，這是由行程開關(guān)來控制。機(jī)械手夾緊或松開的工作狀態(tài)以及到達(dá)每一個工位時，均應(yīng)有狀態(tài)顯示機(jī)械手的夾緊和放松動作均應(yīng)有1s延時，然后上升，機(jī)械手每到達(dá)一個位置均有0.5s的停頓延時，然后進(jìn)行下一個動作，這是通過定時器來控制線圈的通，進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)行。7.2仿真八、總結(jié)與分析本次課程設(shè)計的內(nèi)容是坐標(biāo)式機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計，該設(shè)計基本是根據(jù)PLC及電氣的相關(guān)知識來完成的，考慮到可編程控制的諸多優(yōu)勢以及方便調(diào)試與修改，本設(shè)計選用了此方法來實現(xiàn)控制。PLC的應(yīng)用是以PLC為程控中心，組成電氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。PLC的程序設(shè)計是PLC應(yīng)用的最關(guān)鍵問題，也是整個電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的核心。當(dāng)拿到一個課題時首先要對它進(jìn)行系統(tǒng)分析，熟悉系統(tǒng)控制對象確定控制范圍，然后制定控制方案，進(jìn)行PLC選型，接著對硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計，所有這些確定后才能開始真正的設(shè)計即編制程序。程序的編制一定要和硬件的設(shè)置對應(yīng)起來，否則就算編程正確也不能正確輸出。就一個課題而言它的要求只是個大概的控制情況，而在設(shè)計中一些具體的細(xì)節(jié)類控制方案要靠自己去完善，有時候為了方便觀看運(yùn)行后的效果可以添加一些輔助元件，如指示燈之類的輸出元件。整個設(shè)計過程實際是對我們所學(xué)知識的綜合考核。設(shè)計的完成不僅鞏固和提高了我的專業(yè)還使我們學(xué)到了許多書本上以外的東西，遇到問題先自己分析考慮再和同學(xué)討論并向老師請教，在實際運(yùn)行時鍛煉了自己的動手能力，調(diào)試過程也是發(fā)現(xiàn)錯誤和改正錯誤的過程，在實踐中不斷完善。當(dāng)真正調(diào)試成功時內(nèi)心的激動是無法言表的，只有真正親身體驗才能明白，使我們真正學(xué)到了知識掌握了知識。九、參考文獻(xiàn)[1]常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器[M]

.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004[2]郭威,崔群.基于單PLC的籠型異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].安徽工程科技學(xué)院學(xué)報.2006(3):59-62[3]田瑞庭.常用可編程邏輯控制器及編程軟件使用手冊[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994[4]王兆安.電力電子技