机械手臂的控制方案设计.doc

目 录
1 引言 1
2 机械手概述 2
2.1 机械手概念和分类 2
2.2机械手总体构造 2
2.3机械手工作原理 2
2.4机械手操作方式 3
3 机械手工作方式 4
3.1手动工作方式 5
3.2自动程序 6
3.2.1单周期工作方式 7
3.2.2单步工作方式 7
3.2.3持续工作方式 7
3.3 自动回原点 8
4 PLCI/O分派 10
5 PLC外部接线图 11
6 结束语 12
参照文献 13
附录 14

1 引言
工业机械手是近代自动控制领域中浮现一项新技术，是当代控制理论与工业生产自动化实践相结合产物，并已成为当代机械制造生产系统中一种重要构成某些。工业机械手是提高生产过程自动化、改进劳动条件、提高产品质量和生产效率有效手段之一。特别在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染性场合，应用最为广泛。在国内，近几年也有较快发展，并获得一定成果，受到机械工业和铁路工业部门注重。
机械手也称自动手。机械手重要由手部、运动机构、控制系统三大某些构成。手部用来抓持工件部件，依照被抓持物件形状、尺寸、重量、材料和作业规定而有各种构造形式，如夹持型、托持型和吸附型。运动机构，使手部完毕各种转动，移动或复合运动来实现规定动作，变化被抓持物件位置和姿势。运动机构升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手自由度。为了抓取空间中任意和方位物体，需要6个自由度。自由度是机械手设计核心参数。自由度越多，机械手灵活性越大，通用性越广，其构造也越复杂。普通机械手有2~3个自由度。
机械手种类，按驱动方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按合用范畴可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和持续轨迹控制机械手。

2 机械手概述
2.1 机械手概念和分类
它是一种能模仿人手和臂某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具自动操作装置。它可代替人繁重劳动以实现生产机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手普通分为三类。第一类是不需要人工操作通用机械手，它是一种独立不附属于某一主机装置。它可以依照任务需要编制程序，以完毕各项规定工作。它特点是除具备普通机械物理性能外，还具备通用机械、记忆智能三元机械。第二类是需要人工操作，称为操作机。它来源于原子、军事工业，先是通过操作机来完毕特定作业，日后发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，重要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。它是为主机服务，由主机驱动，除少数外，工作程序普通是固定，因而是专用。本项目规定设计机械手模型可归为第一类，即通用机械手
2.2机械手总体构造
本文设计机械手重要涉及机械手旋转、大臂伸缩、小臂升降、手抓松紧。各关节均采用电磁阀作为驱动装置，在机械大臂伸缩和小臂升降以及手抓松紧环节都配有传感器，并编制了能满足运动控制规定软件，实现对机械手速度、位置以及4关节联动控制。
机械手重要由手部和运动机构构成。手部是用来抓持工件（或工具）部件，依照被抓持物件形状、尺寸、重量、材料和作业规定而有各种构造形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完毕各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定动作，变化被抓持物件位置和姿势。运动机构升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计关 键参数。自由 度越多，机械手灵活性越大，通用性越广，其构造也越复杂。普通专用机械手有2～3个自由度。
2.3机械手工作原理
机械手在生产线上任务是将工件从A处传送到B处。依照外界状况，机械手在空间重要进行如下动作：机械手下降，机械手抓紧工件，机械手与工件上升，机械手与工件右移，机械手与工件下降，机械手放松工件，机械手上升，机械手左移。控制器检测上，下，左，右限位开关通断，决定当前动作，通过驱动系统输出，控制机械手动作。
2.4机械手操作方式
机械手操作方式分为手动、回原点、单步、单周期、自动五种工作方式，五种工作不但能各自独立工作，还能按顺序实现她们之间互相转换，转换过程中原状态保持，转换后按照新工作方式进行。
（1）手动：
选取手动方式，按下手动按钮，结合限位开关，对各个动作进行单独控制。
如：按下机械手下降按钮，机械手下降，松开机械手按钮，机械手停止下降，或者到位后，机械手停止下降，机械手只能在左限位和有限位才干下降中间不可如下降。
（2）回原点：
选取回原点方式，按下原点按钮，机械手以最快及最安全途径回到原点位置停止。如：若机械手未夹物体时，以最快途径回到原点位置；若机械手夹了物体必要搬运到B点，在回到原点位置。
（3）单步：
选取单步方式，按一次启动按钮，机械手动作一种工步后自动停止。
（4）单周期：
选取单周期方式，按启动按钮，机械手动作一种周期后自动停止；在动作过程中，按停止按钮，机械手及时停止，在按启动按钮，机械手继续动作，机械手继续动作，一种周期后自动停止。
（5）自动：
选取自动方式，按启动方式，机械手周而复始动作；在动作过程中，按停止按钮，机械手不及时停止等到当前一种周期结束才停止。

3 机械手工作方式
主程序中，SM0.0常开触点始终闭合，公用程序是无条件执行。在手动方式，I2.0为ON，执行手动子程序。在自动回原点方式，I2.1为ON，执行回原点子程序。在其她3种工作方式执行自动子程序。主程序如图3-1所示。

图3-1 主程序图
其中公用程序用于解决各种工作方式都要执行任务，以及不同工作方式之间互相切换解决。如图3-2所示。

图3-2 切换解决图
3.1手动工作方式
在手动工作方式，用I0.5~I1.2相应6个按钮分别独立控制机械手升、降、左行、右行、夹紧、松开。图3-3是手动程序。

图3-3 手动程序图
为了保证系统安全运营，在手动程序中设立了某些必要联锁；
1) 设立上升与下降之间、左行与右行之间互锁，以防止功能相反两个输出同步为ON。
2) 用限位开关I0.1～I0.4常闭触点，限制机械手移动范畴。
3) 上限位开关I0.2常开触点与控制左、右行Q0.4和Q0.3线圈串联，机械手升到最高位置才干左右移动，以防止机械手在较低位置时与别物体碰撞。
4) 只容许机械手在最左边或最右边时上升、下降和松开工件。
3.2自动程序
机械手在最上面和最左边，且夹紧装置松开时，称为系统处在原点状态。在进入自动（单步、单周期、持续）工作方式之前，系统应处在原点状态；如果不满足这一条件，可以选取回原点工作方式，然后按下起动按钮I2.6，使系统自动返回原点状态。在原点状态，顺序功能图中初始步M0.0为ON，为进入单周期、持续、单步工作方式做好了准备。
单周期、单步和持续3种工作方式重要是用持续标志M0.7和转换容许标志M0.6来区别。自动程序如图附录一所示。
3.2.1单周期工作方式
在单周期工作方式，在初始状态按下起动按钮I2.6后，从初始步M0.0开始，机械手按顺序功能图规定完毕一种周期工作后，返回并留在初始步。
单周期工作方式，I2.2（单步）常闭触点闭合，M0.6线圈通电，容许转换。如果满足原点条件，在初始步时按下起动按钮I2.6，在M2.0起动电路中，M0.0、I2.6、M0.5和M0.6常开触点均接通，使M2.0线圈通电，系统进入下降步，Q0.0线圈通电，机械手下降，遇到下限位开关I0.1时，转换到夹紧步M2.1，Q0.1被置位，夹紧电磁阀线圈通电并保持。同步接通延时定期器T37开始定期，1S后定期时间到工件被夹紧，转换条件T37满足，转换到步M2.2。后来系统将这样一步一步工作下去。在左行步M2.7，当机械手左行返回原点位置时，左限位开关I0.4变为1状态，由于持续工作标志M0.7为0状态，将返回M0.0，机械手停止运动。
3.2.2单步工作方式
在单步工作方式，I2.2为1状态，它常闭触点断开，转换容许辅助继电器M0.6在普通状况下为0状态，不容许步与步之间转换。设初始步系统处在原点状态，M0.5和M0.0为1状态，按下起动按钮I2.6，M0.6变为1状态，使M2.0起动电路接通，系统进入下降步。放开起动按钮，M0.6变为0状态。在下降步，Q0.0线圈通电，当下限位开关I0.1变为1状态时，与Q0.0线圈串联I0.1常闭触点断开，使Q0.0线圈断电，机械手停止下降。I0.1常开触点闭合后，如果没有按起动按钮，I2.6和M0.6处在0状态，不会转换到下一步。始终要等到按下起动按钮，I2.6和M0.6变为1状态，M0.6常开触点接通，转换条件I0.1才干使M2.1起动电路接通，M2.1线圈通电并自保持，系统才干由步M2.0进入步M2.1.后来在完毕某一步操作后，都必要按一次起动按钮，系统才干转换到下一步。
3.2.3持续工作方式
在持续工作方式，I2.4为1状态。在初始步为活动步时按下起动按钮I2.6，M2.0变为1状态，机械手下降。与此同步，控制持续工作M0.7线圈通电并自保持。
当机械手在步M2.7返回最左边时，I0.4为1状态，由于持续标志位M0.7为1状态，转换条件M0.7*I0.4满足，系统将返回步M2.0，重复持续工作下去。
3.3 自动回原点
在回原点工作方式，I2.1为ON。按下起动按钮I2.6时，机械手也许处在任意状态，依照机械手当时所处位置和夹紧装置状态，如图3-4所示，可以分为3种状况：
一是夹紧装置松开，表白机械手没有夹持工件，应上升和左行，直接返回原点。
二是夹紧装置处在夹紧状态，机械手在最右边，此时Q0.1和I0.3均为1状态，应将工件搬运到B点后再返回原点位置。
三是夹紧装置处在夹紧状态，机械手不再最右边，此时Q0.1为1状态，右限位开关I0.3为0状态，一方面要上行、右行、下降、和松开工件，将工件搬运到B点后再返回原点位置。

图 3-4机械手当时所处位置和夹紧装置状态图

4 PLCI/O分派
I/O模块分为数字量输入、数字量输出、模仿量输入、模仿量输出4类。CPU分派给数字
I/O模块地址以字节为单位，一种字节由8个数字量I/O点构成。
地址分派必要遵循如下三条原则；
1）同种类型输入或输出点模块数进行顺序编址；
2）某个模块数字量I/O点如果不是8整数倍，最后一种字节中未用位不会分派给后续模块；
3）模仿量扩展模块以2点4字节递增方式来分派地址。

5 PLC外部接线图
S7200采用0.5~1.5平方毫米导线，导线要尽量成对使用，应将交流线、电流大且变化迅速直流线与弱点信号线分开，干扰较严重时应设立浪涌抑制设备。
使用同一种电源，有同一种参照点电路，其参照点只能有一种接地点。将CPU为传感器和输入电路供电DC24V电源M端子接地，可以提高抑制噪声能力。其外部接线图如图5-1所示。

图5-1 外部接线图

6 结束语
基于PLC机械手臂课程设计历时一周，一方面给自己安排每天任务，每天应当完毕什么，这样才有效率，有成果。
在编写梯形图时遇到了许多不懂之处，在教师和同窗协助指引下，才干顺利完毕这份课程设计。本来觉得自己对可编程控制器原理知识掌握已经比较好，但是到做课程设计时候才发现自己存在着许多局限性，其中诸多基本知识不够完善，诸多知识掌握不是很夯实，遇到某些疑点难点自己没有办法独自完毕，往往顾了这边，那边又浮现了问题感到非常棘手。
课程设计是一种理论与实践过程，仅仅有理论是不够，更重要是动手操作能力，是咱们所设计实物。这就需要咱们考虑问题要仔细、周密、不能有丝毫大意，设计同步加强了我和教师交流，结识到知识渊博度。向教诲指引我教师及同窗表达诚挚感谢。这次课程设计，通过针对性地查找资料，理解关于电子方面资料，既增长了自己知识面，补充了自己应用能力和实践能力。对学过课本理论知识起到了温习作用。
机械手臂搬运加工采用PLC为控制核心构造合理、测试办法可靠，具备较强灵活性，提高了设备运营可靠性。这个设计让我获益良多，只要专心学习，不怕困难，咱们就能成功。

参照文献
[1] 廖常初.PLC编程及其应用.北京:机械工业出版社,.
[2] 李俊秀.可编程控制器应用技术.北京:化学工业出版社,.
[3] 郁汉琪.电气控制与可编程控制器应用技术.南京：东南大学出版社,.
[4] 王阿根.电气可编程控制器及应用.北京:清华大学出版社,.
[5] 汪志峰.可编程序控制器原理与应用[M].西安电子科技大学出版社,
[6] 常斗南.可编程序控制器机[M].械工业出版社,

附录