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摘 要 機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技術，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結合的產(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)的設計工作主要包括：在充分理解任務書的要求之后，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)進行設計；最后進行仿真聯(lián)合調(diào)試。仿真結果基本符合要求。 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。 關鍵詞：機械手臂；電氣控制技術；PLC 目 錄 1 引言 1 1.1 機械手臂搬運控制系統(tǒng)設計的目的 1 1.2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)的設計內(nèi)容和要求 1 2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)硬件設計 2 2.1 機械手臂搬運控制系統(tǒng)硬件配置及組成原理 2 2.2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)輸入輸出點分析 2 2.3 PLC選型 3 2.4 機械手臂搬運控制系統(tǒng)變量定義及I/O地址分配 4 2.5 機械手臂搬運控制系統(tǒng)硬件接線圖設計 4 3 機械手臂搬運控制系統(tǒng)軟件設計 5 3.1 編程語言的選擇 5 3.2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)程序流程圖設計 5 3.3 PLC控制程序設計及分析 6 3.3.1 手動模式 6 3.3.2 自動模式 7 4 機械手臂搬運控制系統(tǒng)調(diào)試及結果分析 11 4.1 機械手臂搬運控制系統(tǒng)仿真調(diào)試 11 4.1.1 靜態(tài)調(diào)試 11 4.1.2 動態(tài)調(diào)試 11 4.2 結果分析 11 5 設計總結 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 18 1 引言 1.1 機械手臂搬運控制系統(tǒng)設計的目的 通過對機械手臂搬運控制系統(tǒng)的設計，可以使同學們了解機械手在我國的應用鄰域、發(fā)展歷史和應用前景，通過同學們自己動手設計，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。更重要的是讓同學們運用已學到的知識，來設計一個基于PLC的機械手臂搬運控制系統(tǒng)，引導同學們將理論知識和生產(chǎn)實際知識緊密結合起來，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)的設計方法以及生產(chǎn)電氣控制系統(tǒng)的施工設計、安裝與調(diào)試方法；培養(yǎng)同學們查閱圖書資料、工具書的能力；通過這樣的實際訓練，為后續(xù)專業(yè)課的學習、畢業(yè)設計及解決工程問題打下良好的基礎。 1.2 機械手臂搬運控制系統(tǒng)的設計內(nèi)容和要求 設計內(nèi)容有如下幾點： （1）設計出硬件系統(tǒng)的結構圖、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程序設計，并有主程序、子程序和中斷程序； （4）程序結構與控制功能自行創(chuàng)新設計； （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）假設使用氣壓機械手臂，一開始手臂先下降，碰到下限開關開始做夾起動作，然后開始上升碰到上限開關后，手臂開始往右，當碰到第一工作站的極限開關時，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。有關到位信號分別是：下限位開關SQ1，上限位開關SQ2，A位置限位開關SQ3，工作臺1限位開關SQ4，工作臺2限位開關SQ5，B位置限位開關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，一個傳感應元件SQ7（X003）感應工件到達加工位置；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，碰到上限位開關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，碰到上限位開關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，碰到上限位開關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（Y010~Y016）。 （3）手動模式中需要控制下降按鈕SB3（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（X000~X016），PLC輸出點14個（Y000~Y006，Y010~Y016）。 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，還應確定用戶程序存儲器的容量。 （2）功能要相當，結構要合理。 （3）輸入、輸出功能及負載能力的選擇：選擇何種功能的輸入、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)要求和技術要求，選用具有相應功能的模塊。 （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A X001 停止按鈕 Y001 下降線圈 X002 手動/自動切換開關 Y002 夾緊線圈 X003 到達加工位置 Y003 上升線圈 X004 下限位開關 Y004 右行線圈 X005 上限位開關 Y005 傳送帶B X006 傳送帶A限位開關 Y006 左行線圈 X007 工作臺1限位開關 Y010 數(shù)碼管a段 X010 工作臺2限位開關 Y011 數(shù)碼管b段 X011 傳送帶B限位開關 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)硬件接線圖設計 由工況分析可設計出如圖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)軟件設計 3.1 編程語言的選擇 常見的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上演變而來，易學易懂。 （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）結構文體：用一些高級編程語言來編程的方式稱為結構文體。 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，碰到下限位開關時，夾緊工件開始上升，碰到上限位開關時，開始右移，到達工作臺1時，機械手下降，碰到下限位開關時，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，碰到下限位開關時，夾緊工件又開始上升，碰到上限位開關時，開始右移，到達工作臺2時，機械手下降，碰到下限位開關時，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，碰到下限位開關時，夾緊工件又開始上升，碰到上限位開關時，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，碰到上限位開關時，開始左移，直到碰到傳送帶A位置時，停止左移，關傳送帶B。一個工作周期結束。 圖3 自動模式流程圖 3.3 PLC控制程序設計及分析 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X12~X16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，當SB2沒有接通時為自動模式，程序進入S0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，當傳感應元件SQ7（X003）感應工件到達加工位置；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SQ4（X007）停止右行；進入S25狀態(tài)，接通下降線圈KM2（Y001）機械手下降，碰到下限位開關SQ1（X004），停止下降；進入S26狀態(tài)，復位夾緊線圈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SQ2（X005）停止上升；進入S32狀態(tài)，接通右行線圈KM5（Y004）機械手右行，碰到工作臺2限位開關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SQ1（X004），停止下降；進入S34狀態(tài)，復位夾緊線圈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KM4（Y003）機械手上升，碰到上限位開關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SQ1（X004），停止下降；進入S42狀態(tài)，復位夾緊線圈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SQ3（X006）停止左行，進入S45狀態(tài)，復位傳送帶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）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 結果分析 按下啟動按鈕，傳送帶A開始工作，結果如圖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，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，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，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，松開工件，然后上升，如圖11所示。 圖11 松開工件 觸發(fā)上限位開關，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，關閉傳送帶A，一個周期完成。如圖15所示。 圖15 工作結束 5 設計總結 本次電氣控制技術課程設計的課題是機械手臂搬運控制系統(tǒng)的設計，接到任務書之后，首先認真閱讀和消化設計任務書，明確本次設計的題目、任務和要求，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計的圖書資料，并草擬一個大致進程安排。在整個設計過程中，既充分發(fā)揮自己的主觀能動性，獨立設計，又很好地與指導老師配合，積極主動的爭取老師的指導，避免了不少的彎路。 機械手臂搬運控制系統(tǒng)設計是一個與生活實際聯(lián)系較緊密的課題，在明確任務和要求之后，先對系統(tǒng)的工況進行分析，確定輸入、輸出點數(shù)，以及選擇外圍硬件。由I/O點數(shù)再結合系統(tǒng)環(huán)境、經(jīng)濟造價等選擇PLC型號；接著設計系統(tǒng)的主電路圖、控制接線圖；然后進行軟件設計；最后進行調(diào)試、仿真。 通過這次電氣控制技術課程設計的訓練意識到書本上學到的知識一定要通過實踐去鞏固，而且這也是一種學習方法，只有這樣才能真正輕松的掌握一門學問。同時此次課程設計也對學習PLC更加熱情，在認識到PLC的強大的功能和廣闊的應用領域。真正體會到了科技帶來的震撼。 參考文獻 [1] 王兆義.可編程控制器教程[M],北京：機械工業(yè)出版社，2007.1～230 [2] 史國生.電氣控制與可編程控制器技術[M]，北京：化學工業(yè)出版社，2010. 1～341 [3] 阮友德.任務引領型PLC應用技術教程[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2013. 104～200 [4] 陽勝峰.工業(yè)組態(tài)技術[M]，北京：中國電力出版社,2015.3～194 [5] 胡學林.可編程控制器應用技術[M]，北京：高等教育出版社,2001.1～230 [6] 沈任元.模擬電子技術基礎[M]，北京：機械工業(yè)出版,2000.44～230 [7] 三菱公司編.三菱FX系列可編程序控制器編程手冊[M]，北京：機械工業(yè)出 版社，2001.34～230 [8] 三菱公司編.三菱可編程序控制器應用101例[M]，北京：機械工業(yè)出 版,1994.1～230 [9] 楊杰忠.PLC應用技術（三菱）[M]，北京：機械工業(yè)出版,2013.278～371 致 謝 在完成機械手臂搬運控制系統(tǒng)課程設計這個過程中，我遇到了很多的難題，但經(jīng)過自己的努力和同學老師的幫助，克服了所以難題。因此，我要深深的感謝我的指導老師董海兵老師，幫助我的同學及朋友。 附 錄 附錄A 系統(tǒng)接線圖 附錄B 程序梯形圖