1引言11課程提出與研究意義隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化規(guī)模的擴(kuò)大，生產(chǎn)過(guò)程日趨復(fù)雜。生產(chǎn)工況也有趨于惡劣的態(tài)勢(shì)，這對(duì)一線(xiàn)工人的操作技能也提出了更高的要求，同時(shí)操作工人的工作安全也受到了相應(yīng)的威脅。在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)械手是近幾年發(fā)展起來(lái)的。工業(yè)機(jī)械手的是從工業(yè)機(jī)器人中分支出來(lái)的。其特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)具有準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。借助PLC強(qiáng)大的工業(yè)處理能力，很容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化。基于此思路設(shè)計(jì)的機(jī)械手，在實(shí)現(xiàn)各種要求的供需前提下，大大提高了工業(yè)過(guò)程的質(zhì)量，而且大大解放了生產(chǎn)力，改善了工作環(huán)境，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)效率，具有十分重要的意義。同時(shí)，借助組態(tài)軟件的輔助作用，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。12工業(yè)機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、智能系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷監(jiān)控系統(tǒng)五部分組成。驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可以分機(jī)械式、電氣式、液壓式和復(fù)合式，其中液壓操作力最大。簡(jiǎn)易機(jī)械手在各類(lèi)全自動(dòng)和半自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上應(yīng)用的十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動(dòng)，代替人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降夾緊放松結(jié)構(gòu)，各動(dòng)作由PLC控制相關(guān)電機(jī)和液壓執(zhí)行元件完成。能十分方便的嵌入到各類(lèi)生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中。日益復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程促進(jìn)了機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。對(duì)相應(yīng)的控制精度、控制穩(wěn)定性也提出了更高的要求。其現(xiàn)狀是在性能不斷提高的同時(shí)，單機(jī)價(jià)格不斷下降。機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。器件集成度、系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護(hù)性提高。伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人與工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是移動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，為危險(xiǎn)品的安全處理提供了新的思路。13本設(shè)計(jì)的主要工作針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制要求，本文將詳細(xì)介紹以可編程控制器為處理單元的機(jī)械手過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先，對(duì)機(jī)械手的工作原理以及動(dòng)作過(guò)程的闡述。其次對(duì)機(jī)械手的控制要求、操作方式和控制面板的設(shè)計(jì)。最后對(duì)機(jī)械手整體程序的設(shè)計(jì)，包括PLC輸入輸出點(diǎn)的分配，確立系統(tǒng)軟件的整體框架，各個(gè)操作方式的程序，最后對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。2機(jī)械手工作原理21機(jī)械手動(dòng)作原理及示意圖如圖21中，機(jī)械手的所有動(dòng)作均是采用點(diǎn)動(dòng)控制、液壓驅(qū)動(dòng)。它的上升/下降和左移/右移均采用雙線(xiàn)圈三位電磁閥推動(dòng)液壓缸完成。當(dāng)某個(gè)電磁閥線(xiàn)圈通電，就一直保持當(dāng)前的機(jī)械動(dòng)作，直到相反動(dòng)作的線(xiàn)圈通電為止。例如當(dāng)下降電磁閥線(xiàn)圈通電后，機(jī)械手下降，即使線(xiàn)圈再斷電，仍保持當(dāng)前的下降動(dòng)作狀態(tài)，直到上升電磁閥線(xiàn)圈通電為止。機(jī)械手的夾緊/放松采用單線(xiàn)圈二位電磁閥推動(dòng)液壓缸完成，線(xiàn)圈通電時(shí)執(zhí)行夾緊工作，線(xiàn)圈斷電時(shí)執(zhí)行放松動(dòng)作。為了使動(dòng)作準(zhǔn)確，機(jī)械手上安裝了限位開(kāi)關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分別對(duì)機(jī)械手進(jìn)行下降、上升、右行、左行等動(dòng)作的限位，并給出了動(dòng)作到位的信號(hào)。另外，還安裝了光電開(kāi)關(guān)SP，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)工作臺(tái)B上的工件是否已經(jīng)移走，從而產(chǎn)生無(wú)工件信號(hào)，為下一個(gè)工件的下放做好準(zhǔn)備。圖21機(jī)械手工作示意圖22機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程如圖22所示。從原點(diǎn)開(kāi)始按下啟動(dòng)按鈕時(shí),下降電磁閥通電,機(jī)械手開(kāi)始下降。下降到底時(shí),碰到下限位開(kāi)關(guān),下降電磁閥斷電,下降停止同時(shí)接通夾緊電磁閥,機(jī)械手夾緊,夾緊后,上升電磁閥開(kāi)始通電,機(jī)械手上升上升到頂時(shí),碰到上限位開(kāi)關(guān),上升電磁閥斷電,上升停止同時(shí)接通右移電磁閥,機(jī)械手右移,右移到位時(shí),碰到右移極限位開(kāi)關(guān),右移電磁閥斷電,右移停止。此時(shí),右工作臺(tái)上無(wú)工作,則光電開(kāi)關(guān)接通,下降電磁閥接通,機(jī)械手下降。下降到底時(shí)碰到下限位開(kāi)關(guān)下降電磁閥斷電,下降停止同時(shí)夾緊電磁閥斷電,機(jī)械手放松,放松后,上升電磁閥通電,機(jī)械手上升,上升到極限時(shí)碰到極限位開(kāi)關(guān),上升電磁閥斷電,上升停止同時(shí)接通左移電磁閥,機(jī)械手左移左移到原點(diǎn)時(shí),碰到左極限開(kāi)關(guān),左移電磁閥斷電,左移停止。至此,機(jī)械手經(jīng)過(guò)八步動(dòng)作完成一個(gè)循環(huán)。圖22機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程圖23控制要求工作臺(tái)A、B上工件的傳送不用PLC控制；機(jī)械手要求按一定的順序動(dòng)作，其流程圖如圖23所示。圖23控制系統(tǒng)流程圖啟動(dòng)時(shí)，機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始按順序動(dòng)作；停止時(shí)，機(jī)械手停止在現(xiàn)行工步上；重新啟動(dòng)時(shí)，機(jī)械手按停止前的動(dòng)作繼續(xù)進(jìn)行。24機(jī)械手操作方式為滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，機(jī)械手設(shè)置手動(dòng)工作方式和自動(dòng)工作方式，而自動(dòng)工作方式又分為單步、單周和連續(xù)工作方式。手動(dòng)工作方式利用按鈕對(duì)機(jī)械手每一步動(dòng)作單獨(dú)進(jìn)行控制，例如當(dāng)選擇上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械上升；按下停止按鈕，機(jī)械手下降。當(dāng)選擇左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手左移；按下停止按鈕，機(jī)械手右移。當(dāng)選擇夾緊放松運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手夾緊；按下停止按鈕，機(jī)械手放松。單步工作方式從原點(diǎn)開(kāi)始，按自動(dòng)工作循環(huán)的工序，每按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一部的動(dòng)作后自動(dòng)停止。單周期工作方式機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后停止。在工作中若按一下停止按鈕，則機(jī)械手動(dòng)作停止。重新啟動(dòng)時(shí)需用手動(dòng)操作方式將機(jī)械手移回到原點(diǎn)，然后按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手又開(kāi)始重新單周期操作。連續(xù)工作方式機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手將自動(dòng)地、連續(xù)地周期性循環(huán)。在工作中若按一下停止按鈕，則機(jī)械手停止工作。重新啟動(dòng)時(shí)，必須用手動(dòng)操作將機(jī)械手移回到原點(diǎn)，然后按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手又開(kāi)始重新連續(xù)工作。在工作中若按下復(fù)位按鈕，則機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止。25操作面板布置根據(jù)控制要求，需安排一定的操作開(kāi)關(guān)，并設(shè)計(jì)控制箱面板布置如圖24所示。圖24操作面板布置圖圖中，接通I07是手動(dòng)操作模式。手動(dòng)操作時(shí)，按加載選擇開(kāi)關(guān)的位置，用啟動(dòng)/停止按鈕選擇加在操作，當(dāng)加載選擇開(kāi)關(guān)打到左/右位置時(shí)，按下啟動(dòng)行行按鈕，機(jī)械手右行；若按下停止按鈕，機(jī)械手左行。用上述操作可使機(jī)械手停在原點(diǎn)。接通I10是單步方式。機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，向前操作一步；每按啟動(dòng)按鈕一次操作一步。接通I11是單周期操作方式。機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)自動(dòng)操作一個(gè)周期。接通I12是連續(xù)操作方式。機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，連續(xù)執(zhí)行自動(dòng)周期操作，當(dāng)按下停止按鈕，機(jī)械手完成此周期后自動(dòng)回到原點(diǎn)并不再動(dòng)作。3PLC選型及輸入/輸出端子地址分配根據(jù)控制要求，該機(jī)械手控制系統(tǒng)所采用的可編程控制器是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7200CPU224。圖31是S7200CPU224輸入/輸出端子地址分配。該機(jī)械手控制系統(tǒng)共使用了14個(gè)輸入量，6個(gè)輸出量。圖31輸入/輸出端子地址分配4PLCI/O地址、內(nèi)部輔助繼電器分配表根據(jù)控制系統(tǒng)外部接線(xiàn)圖，PLCI/O地址分配見(jiàn)表41。表41外部I/O繼電器分配表5PLC的程序設(shè)計(jì)51程序整體結(jié)構(gòu)序號(hào)符號(hào)功能描述序號(hào)符號(hào)功能描述1I00啟動(dòng)11I12連續(xù)2I01下限12I13左與右3I02上線(xiàn)13I14上與下4I03右限14I15夾與松5I04左限15Q00下降6I05無(wú)工件檢測(cè)16Q01上升7I05停止17Q02夾緊8I07單操作18Q03右行9I10步進(jìn)19Q04左行10I11單周20Q05原位顯示為了在程序中安排機(jī)械手控制系統(tǒng)單操作、步進(jìn)操作、自動(dòng)操作等功能程序，先規(guī)劃整體程序結(jié)構(gòu)如圖51所示。圖51整體程序結(jié)構(gòu)圖如圖51，若選擇單操作工作方式，I07斷開(kāi)，接著執(zhí)行但操作程序。但操作程序獨(dú)立于自動(dòng)操作程序，可另行設(shè)計(jì)。在單周期工作方式和連續(xù)操作方式下，可執(zhí)行自動(dòng)操作程序。在步進(jìn)操作方式，執(zhí)行不僅操作程序，按一下啟動(dòng)按鈕執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作，并按規(guī)定順序進(jìn)行。在需要自動(dòng)操作方式，中間繼電器M10接通。步進(jìn)工作方式、單操作工作方式和自動(dòng)操作方式，都用同樣的輸出繼電器。有了整體程序結(jié)構(gòu)后，再針對(duì)各功能編制各分段程序。52實(shí)現(xiàn)單操作動(dòng)作的程序圖52是實(shí)現(xiàn)單操作工作的梯形圖程序，表51是單操作指令表。為避免發(fā)生誤動(dòng)作，插入了一些聯(lián)鎖電路。例如，將加載開(kāi)關(guān)扳倒“左/右”擋，按下啟動(dòng)按鈕，才能執(zhí)行（即為安全起見(jiàn)，設(shè)上限安全聯(lián)鎖保護(hù)）。圖52單操作梯形圖表51單操作指令表地址指令數(shù)據(jù)地址指令數(shù)據(jù)地址指令數(shù)據(jù)1LDI139ANQ0317LDI142AI0210Q0418AI003LPS11LDI1519ANQ014AI0012AI0020Q005ANQ0413SQ02,121LDI146Q0314LDI1522AI067LPP15AI0623ANQ008AI0616RQ02,124Q01將加載選擇開(kāi)關(guān)扳到“夾/松”擋，按啟動(dòng)按鈕，執(zhí)行夾緊動(dòng)作；按停止按鈕，則松開(kāi)。將加載選擇開(kāi)關(guān)扳到“上/下”擋，按啟動(dòng)按鈕，下降；按停止按鈕，上升。53自動(dòng)操作程序圖53是機(jī)械手自動(dòng)操作流程圖，圖54是與之對(duì)應(yīng)的梯形圖。PLC由STOP轉(zhuǎn)為RUN時(shí)，初始脈沖SM10對(duì)狀態(tài)進(jìn)行初始復(fù)位。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，將狀態(tài)S00置1,這是第一步。按下啟動(dòng)按鈕后，置位狀態(tài)S01，同時(shí)將原工作狀態(tài)S00清零，數(shù)出繼電器Q00得電，Q05復(fù)位，原點(diǎn)指示燈熄滅，執(zhí)行下降動(dòng)作。當(dāng)下降到底碰到下限位開(kāi)關(guān)時(shí)，I01接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S02,同時(shí)將狀態(tài)S01清零，輸出繼電器Q00復(fù)位，Q02置1，于是機(jī)械手停止下降，執(zhí)行夾緊動(dòng)作；定時(shí)器T37開(kāi)始計(jì)時(shí)，延時(shí)17S后，接通T37常開(kāi)觸點(diǎn)將狀態(tài)S03置1，同時(shí)將工作狀態(tài)S02清零。而數(shù)出繼電器Q01得電，執(zhí)行上升動(dòng)作。由于Q02已被置1，加緊動(dòng)作繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)上升到上限位時(shí)，I02接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S04,同時(shí)將狀態(tài)S03清零，Q01失電，不再上升，而Q03得電，執(zhí)行右行動(dòng)作。當(dāng)右行執(zhí)行到右限位時(shí)，I03接通，Q03失電，機(jī)械手停止右行，若此時(shí)I05接通，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S05,同時(shí)將狀態(tài)S04清零，而Q00再次得電，執(zhí)行下降動(dòng)作。當(dāng)下降到底碰到下限位開(kāi)關(guān)時(shí)，I01接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S06，同時(shí)將狀態(tài)S05清零，數(shù)出繼電器Q00復(fù)位，Q02被復(fù)位，于是機(jī)械手停止下降，執(zhí)行松開(kāi)動(dòng)作；定時(shí)器T38開(kāi)始計(jì)時(shí)，延時(shí)15S后，接通T38常開(kāi)觸點(diǎn)將狀態(tài)S07置1，透光石將工作狀態(tài)S06清零，而數(shù)出繼電器Q01再次得電，執(zhí)行上升動(dòng)作。行至上限位置，I02接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S10，同時(shí)將狀態(tài)S07清零，Q01失電，停止上升，而Q04得電，執(zhí)行左行動(dòng)作。到達(dá)左限位，I04接通，將狀態(tài)S10清零。如果此時(shí)為連續(xù)工作狀態(tài)，M10置1,即狀態(tài)轉(zhuǎn)移回到S01，重復(fù)執(zhí)行自動(dòng)程序。若為單周期操作方式，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S00,則機(jī)械手停在原點(diǎn)。在運(yùn)行中，如按停止按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作執(zhí)行完當(dāng)前一個(gè)周期后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止。在運(yùn)行中，PLC若掉電，機(jī)械手動(dòng)作停止。重新啟動(dòng)時(shí)，先用手動(dòng)操作將機(jī)械手移回原點(diǎn)，再按啟動(dòng)按鈕，又重新開(kāi)始自動(dòng)操作。步進(jìn)動(dòng)作是按下啟動(dòng)按鈕動(dòng)作一次。步進(jìn)動(dòng)作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖與圖53相似，只是每步動(dòng)作都需增加一個(gè)啟動(dòng)按鈕，如圖55所示。步進(jìn)操作所用的輸出繼電器、定時(shí)器與其他操作所用的輸出繼電器、定時(shí)器相同。圖53自操作流程圖圖54自動(dòng)操作梯形圖表52自動(dòng)操作指令表地址指令數(shù)據(jù)地址指令數(shù)據(jù)地址指令數(shù)據(jù)1LDSM0126LDSM0051SCRE2MOVW0,SW027M2252LSCRS073LDI0228LDI0253LDSM004A29SCRTS0454M235SS00,130SCRE55LDI026LSCRS0031LSCRS0456SCRTS107LDSM0032LDSM0057SCRE8Q0533AN58LSCRS109LDI0034Q0359LDSM0010SCRTS0135LDI0360I0311SCRE36AI0561LDSM0012LSCRS0137SCRTS0562AM1013LDS38SCRE63SCRTS0114M2039LSCRS0564LDI0415LDI0140LDSM0065ANM1016SCRTS0241M2166SCRTS0017SCRE42LDI0167SCRE18LSCRS0243SCRTS0668LDM2119LDSM0044SCRE69OM2120SQ02,145LSCRS0670Q0021TONT37,1746LDSM0071LDM2222LDT3747RQ02,172OM2323SCRTS0348TONT38,1573Q0124SCRE49LDT3825LSCRS0350SCRTS07圖55步進(jìn)操作流程圖結(jié)論相對(duì)而言此機(jī)械手的設(shè)計(jì)難度雖然不是非常大，但它在當(dāng)代工業(yè)中的作用可是非常大的，機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力都是無(wú)與倫比的。該機(jī)械手在改用PLC控制以前，采用傳統(tǒng)的繼電器控制，其控制線(xiàn)路復(fù)雜，繼電器多；采用本程序控制之后，控制線(xiàn)路簡(jiǎn)單化，省去了全部繼電器，安裝十分方便，并且保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，減少了維修量，提高了工效，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益得到明顯提高。致謝光陰似箭，畢業(yè)設(shè)計(jì)也圓滿(mǎn)完成，三年的大學(xué)學(xué)習(xí)也將畫(huà)上圓滿(mǎn)的句號(hào)。首先，向三年來(lái)辛勤培養(yǎng)、教育和關(guān)心支持過(guò)我的恩師們表示最誠(chéng)摯的敬意和感謝。同時(shí)也非常感謝母校給了我這次知識(shí)匯報(bào)的機(jī)會(huì)，因?yàn)樵谶@次的設(shè)計(jì)過(guò)程中我們細(xì)致地把三年來(lái)的所學(xué)又一次的加深理解，并靈活運(yùn)用到畢業(yè)設(shè)計(jì)中。為今后走上社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。其次，我更加感謝的是我們的指導(dǎo)老師王文堂老師，以及教授我專(zhuān)業(yè)課的各位老師，本次設(shè)計(jì)從開(kāi)始的選題，設(shè)計(jì)任務(wù)和目的確定，尋找相關(guān)材料，到系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及論文的寫(xiě)作，都一直得到了王老師的耐心指導(dǎo)和幫助，從中提出了許多寶貴的意見(jiàn)和建議，幫助解決了不少難題，