机械手臂搬运加工流程控制设计

摘要
机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。

因此，研究机械手具有现实意义。

基于PLC机械手臂搬运控制系统的设计工作主要包括：在充分理解任务书的要求之后，进行系统硬件配置，PLC选型，绘制主电路图以及控制接线图；再进行控制系统的软件继续设计；为了便于仿真也对系统的上位机组态监控系统进行设计；最后进行仿真联合调试。

仿真结果基本符合要求。

系统可以实现机械手臂搬运过程的各个工况，对加工完成的工件进行计数，还能手动进行调试。

由于PLC具有可靠性、易操作性、灵活性等优点，因此，控制系统与传统人力搬运相比，大大提高了工作效率，系统调试方便、成本低、易操作、可靠性高，有很强的实用价值。

关键词：机械手臂；电气控制技术；PLC
目录
1 引言 (1)
1.1 机械手臂搬运控制系统设计的目的 (1)
1.2 机械手臂搬运控制系统的设计内容和要求 (1)
2 机械手臂搬运控制系统硬件设计 (2)
2.1 机械手臂搬运控制系统硬件配置及组成原理 (2)
2.2 机械手臂搬运控制系统输入输出点分析 (2)
2.3 PLC选型 (3)
2.4 机械手臂搬运控制系统变量定义及I/O地址分配 (4)
2.5 机械手臂搬运控制系统硬件接线图设计 (4)
3 机械手臂搬运控制系统软件设计 (5)
3.1 编程语言的选择 (5)
3.2 机械手臂搬运控制系统程序流程图设计 (5)
3.3 PLC控制程序设计及分析 (6)
3.3.1 手动模式 (6)
3.3.2 自动模式 (7)
4 机械手臂搬运控制系统调试及结果分析 (11)
4.1 机械手臂搬运控制系统仿真调试 (11)
4.1.1 静态调试 (11)
4.1.2 动态调试 (11)
4.2 结果分析 (11)
5 设计总结 (14)
参考文献 (15)
致谢 (16)
附录 (17)
附录A 系统接线图 (17)
附录B 程序梯形图 (18)
1 引言
1.1 机械手臂搬运控制系统设计的目的
通过对机械手臂搬运控制系统的设计，可以使同学们了解机械手在我国的应用邻域、发展历史和应用前景，通过同学们自己动手设计，可以更深刻的了解一般机械手的工作方式、工艺过程以及操作步骤。

更重要的是让同学们运用已学到的知识，来设计一个基于PLC的机械手臂搬运控制系统，引导同学们将理论知识和生产实际知识紧密结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深和扩展；同时掌握一般生产电气控制系统的设计方法以及生产电气控制系统的施工设计、安装与调试方法；培养同学们查阅图书资料、工具书的能力；通过这样的实际训练，为后续专业课的学习、毕业设计及解决工程问题打下良好的基础。

1.2 机械手臂搬运控制系统的设计内容和要求
设计内容有如下几点：
（1）设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；
（2）系统有启动、停止功能；
（3）运用功能指令进行PLC程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；
（4）程序结构与控制功能自行创新设计；
（5）进行系统调试，实现机械手臂搬运加工流程的控制要求。

系统的控制要求如下：
（1）有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台1的位置进行第一步骤加工。

当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码管显示加工完成的数量。

（2）假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等待机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。

（3）当第二加工步骤完成时，机械手再依进行下降、夹住、上升、往右、下降、释放等流程，由传送带B送出，并由7段数码管显示加工完成的数次。

2 机械手臂搬运控制系统硬件设计
2.1 机械手臂搬运控制系统硬件配置及组成原理
机械手臂搬运控制系统的组成原理图如图1所示，机械手的升降和左右移动分别使用双线圈的电磁阀，在某方向的驱动线圈失电时保持原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。

机械手的夹具使用单线圈电磁阀，线圈得电时夹紧工件，断电时松开工件。

有关到位信号分别是：下限位开关SQ1，上限位开关SQ2，A 位置限位开关SQ3，工作台1限位开关SQ4，工作台2限位开关SQ5，B 位置限位开关SQ6。

七段数码管用来显示加工的工件数。

图1 组成原理图
2.2 机械手臂搬运控制系统输入输出点分析
对机械手臂搬运控制系统的工况分析如下：
（1）系统必须要有启动和停止的功能，故需要一个启动按钮SB0（X000），一个停止按钮SB1(X001)；系统能自动工作和手动调试，故需要一个手动/自动切换开关SB2（X002）；
（2）在自动模式中，先由传送带A 将工件送到加工位置，因此需要一个输出点（Y000）启动传送带A ，一个传感应元件SQ7（X003）感应工件到达加工位置；接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；接通夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台1限位开关SQ4（X007）停止右行；接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；断开夹紧线圈KM3（Y002）；接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2停止上升；等待工作台1加工完，假定加工完成需要时间2分钟，2分钟之后；接通
工作台1
传送带A
工作台2传送带B
SQ4
SQ1SQ5SQ6
SQ3SQ2
左行上行
右行
下行
下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；接通夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台2限位开关SQ5（X010）停止右行；接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；断开夹紧线圈KM3（Y002）；接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2停止上升；等待工作台2加工完，假定加工完成需要时间2分钟，2分钟之后；接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；接通夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到传送带B限位开关SQ6（X011）停止右行；接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；断开夹紧线圈KM3（Y002）；接通传送带启动线圈KM6（Y005）将加工完的工件送走，同时接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；接通左行线圈KM7（Y006）机械手左行，碰到传送带A限位开关SQ3（X006）停止左行一个工作周期完成。

七段数码管用来统计加工的工件数，需要七个输出点即（Y010~Y016）。

（3）手动模式中需要控制下降按钮SB3（X012）、上升按钮SB4（X013）、右行按钮SB5（X014）、左行按钮SB6（X015）、松紧按钮SB7（X016）。

通过以上分析可知，需要PLC输入点14个（X000~X016），PLC输出点14
个（Y000~Y006，Y010~Y016）。

2.3 PLC选型
PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。

国内外生产的PLC种类很多，在选用时应考虑以下几个方面：
（1）规模要适当：首先要确保有足够的输入、输出点数，并留有一定的余地，还应确定用户程序存储器的容量。

（2）功能要相当，结构要合理。

（3）输入、输出功能及负载能力的选择：选择何种功能的输入、输出形式或模块，取决于控制系统中输入和输出信号的种类、参数要求和技术要求，选用具有相应功能的模块。

（4）使用环境条件：在选择PLC时，要考虑使用环境条件是否符合规定。

本控制系统的输入信号有15个，输出信号有14个，结合以上的考虑因素决定选用三菱的FX2n-32MR，I/O点数各位16点，可以满足控制要求，且留有
一定的裕量。

2.4 机械手臂搬运控制系统变量定义及I/O地址分配
系统变量定义及I/O地址分配如表1所示。

表1 系统变量定义及I/O地址分配
PLC输入点所接输入端口PLC输出端口所接输出端口X000 启动按钮Y000 传送带A X001 停止按钮Y001 下降线圈X002 手动/自动切换开关Y002 夹紧线圈X003 到达加工位置Y003 上升线圈X004 下限位开关Y004 右行线圈X005 上限位开关Y005 传送带B X006 传送带A限位开关Y006 左行线圈X007 工作台1限位开关Y010 数码管a段X010 工作台2限位开关Y011 数码管b段X011 传送带B限位开关Y012 数码管c段X012 下降按钮Y013 数码管d段X013 上升按钮Y014 数码管e段X014 右行按钮Y015 数码管f段X015 左行按钮Y016 数码管g段X016 松、紧按钮——
2.5 机械手臂搬运控制系统硬件接线图设计
由工况分析可设计出如图2所示的硬件接线图。

图2 硬件接线图
3 机械手臂搬运控制系统软件设计
3.1 编程语言的选择
常见的PLC编程语言有以下几种：
（1）梯形图：梯形图语言具有形象、直观、实用的优点，它是在继电接触器逻辑控制的基础上演变而来，易学易懂。

（2）指令表：它和单片机程序中的汇编语言有点类似，由语句指令一定的顺序排列而成。

（3）顺序功能图：常用来编制顺序控制类程序。

包含步、动作、转换三个要素。

可以将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小的工作状态的功能处理后再依一定的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。

（4）功能块图：一种类似数字逻辑电路的编程语言。

（5）结构文体：用一些高级编程语言来编程的方式称为结构文体。

对于机械手臂搬运控制系统，其控制过程是按顺序一步一步来完成，只有在上一个步骤完成了，才能进入下一个工步。

因此决定采用顺序功能图来编写机械手臂搬运控制系统。

3.2 机械手臂搬运控制系统程序流程图设计
由工况分析可得自动模式的程序流程图如图3所示。

当传送带A将工件送到加工位置时，机械手下降，碰到下限位开关时，夹紧工件开始上升，碰到上限位开关时，开始右移，到达工作台1时，机械手下降，碰到下限位开关时，松开工件，上升到上限位等待工作台1加工完成。

工作台1加工完成之后，机械手下降，碰到下限位开关时，夹紧工件又开始上升，碰到上限位开关时，开始右移，到达工作台2时，机械手下降，碰到下限位开关时，松开工件，上升到上限位等待工作台2加工完成。

工作台2加工完成后，机械手下降，碰到下限位开关时，夹紧工件又开始上升，碰到上限位开关时，开始右移，到达传送带B时，机械手开始下降，碰到下限位开关时，松开工件。

启动传送带B,将工件送走，同时机械手也开始上升，碰到上限位开关时，开始左移，直到碰到传送带A位置时，停止左移，关传送带B。

一个工作周期结束。

3.3 PLC控制程序设计及分析
3.3.1 手动模式
当系统发生故障时，需要手动进行调试，寻找故障点。

手动按钮X12~X16分别控制下降、上升、右移、左移、加紧和放松各个动作。

梯形图如图4所示。

图4 手动模式梯形图
3.3.2 自动模式
按钮SB2（X002）为手动/自动选择开关，当SB2没有接通时为自动模式，程序进入S0状态，等待启动按钮SB0（X000)接通。

当SB0接通时，进入S20状态启动传送带A(Y000)将工件送到加工位置，当传感应元件SQ7（X003）感应工件到达加工位置；进入S21状态接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S22状态置位夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；定时2秒后，进入S23状态，接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；进入S24状态，接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台1限位开关SQ4（X007）停止右行；进入S25状态，接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S26状态，复位夹紧线圈KM3（Y002）；定时2秒后，进入S27状态，接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2停止上升；进入S28状态，等待工作台1加工完，假定加工完成需要时间2分钟，2分钟之后；进入S29状态，接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S30状态，置位夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；定时2秒后，进入S31状态，接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；进入S32状态，接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台2限位开关SQ5（X010）停止右行；进入S33状态，接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S34状态，复位夹紧线圈KM3（Y002）；定时2秒后，进入S35状态，接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；进入S36状态，等待工作台2加工完，假定加工完成需要时间2分钟，2分钟之后；
进入S37状态，接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S38状态，置位夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；定时2秒后，进入S39状态，接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；进入S40状态，接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到传送带B限位开关SQ6（X011）停止右行；进入S41状态，接通下降线圈KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入S42状态，复位夹紧线圈KM3（Y002）；定时2秒后，进入S43状态，置位传送带启动线圈KM6（Y005）将加工完的工件送走，工件计数器加一，同时接着接通上升线圈KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关SQ2（X005）停止上升；进入S44状态，接通左行线圈KM7（Y006）机械手左行，碰到传送带A限位开关SQ3（X006）停止左行，进入S45状态，复位传送带B的工作，定时2秒之后，跳转到S0状态，一个工作周期完成。

梯形图如图5所示。

图5 自动模式梯形图
4 机械手臂搬运控制系统调试及结果分析
4.1 机械手臂搬运控制系统仿真调试
4.1.1 静态调试
按系统接线图正确连接好输入设备，进行PLC的模拟静态调试，并通过计算机监视，观察其是否与控制要求一致，发现有不符合要求的地方，就认真查找原因，直到指示正确。

4.1.2 动态调试
（1）手动程序调试：按系统接线图正确接好输入、输出设备，进行PLC手动程序调试，观察PLC的输出是否按要求指示，否则，检查并修改程序、调节传感器的位置及灵敏度，直到指示正确。

（2）自动程序调试：按下自动模式选择按钮，进入自动模式，观察机械手是否按控制要求动作，否则，检查电路并修改调试程序，直至机械手按控制要求动作。

4.2 结果分析
按下启动按钮，传送带A开始工作，结果如图6所示。

图6 传送带A工作
工件到达加工位置时，传送带A停止工作，机械手下降，如图7所示。

图7 机械手下降
触发下限位开关，下降停止，机械手夹紧工件，然后上升，如图8所示。

图8 夹紧工件上升
触发上限位开关，上升停止，机械手夹紧工件右移，如图9所示。

图9 机械手右移
触发工作台1限位开关，机械手下降，如图10所示。

图10 机械手在工作台1下降
触发下限位开关，松开工件，然后上升，如图11所示。

图11 松开工件
触发上限位开关，停止上升，等待，工作台1加工完成。

如图12所示。

图12 等待加工完
加工完成后直到工件到达传送带B的过程与从加工位置到工作台1加工完成的工序基本一样，这里就不给出图片。

当机械手在传送带B上到达下限位时，启动传送带B，加工完成工件数加1，机械手上升。

如图13所示。

图13 传送带B送出工件
机械手触发上限位开关时，停止上升，开始右行。

如图14所示。

图14 机械手左行
到达传送带A时，关闭传送带A，一个周期完成。

如图15所示。

图15 工作结束
5 设计总结
本次电气控制技术课程设计的课题是机械手臂搬运控制系统的设计，接到任务书之后，首先认真阅读和消化设计任务书，明确本次设计的题目、任务和要求，搞清楚已经得到了哪些原始数据，尚缺哪些数据和资料需要自己收集。

然后就查阅一些有助于设计的图书资料，并草拟一个大致进程安排。

在整个设计过程中，既充分发挥自己的主观能动性，独立设计，又很好地与指导老师配合，积极主动的争取老师的指导，避免了不少的弯路。

机械手臂搬运控制系统设计是一个与生活实际联系较紧密的课题，在明确任务和要求之后，先对系统的工况进行分析，确定输入、输出点数，以及选择外围硬件。

由I/O点数再结合系统环境、经济造价等选择PLC型号；接着设计系统的主电路图、控制接线图；然后进行软件设计；最后进行调试、仿真。

通过这次电气控制技术课程设计的训练意识到书本上学到的知识一定要通过实践去巩固，而且这也是一种学习方法，只有这样才能真正轻松的掌握一门学问。

同时此次课程设计也对学习PLC更加热情，在认识到PLC的强大的功能和广阔的应用领域。

真正体会到了科技带来的震撼。

参考文献
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版,1994.1～230
[9] 杨杰忠.PLC应用技术（三菱）[M]，北京：机械工业出版,2013.278～371
在完成机械手臂搬运控制系统课程设计这个过程中，我遇到了很多的难题，但经过自己的努力和同学老师的帮助，克服了所以难题。

因此，我要深深的感谢我的指导老师董海兵老师，帮助我的同学及朋友。

附录A 系统接线图
附录B 程序梯形图
CJ
P0
X002SEGD
D0
K2Y10ZRST S20S45M8000
X001M8002
SET
S0
X002
X000
X000SET S20
S0
S20
Y000
SET S21X003
S21
Y001
SET S22
X004
S22
SET S23T0
SET Y002T0K 20
S23
Y003
SET S24X005
S24Y004
SET S25
X007
S25
Y001
SET
S26
X004
S26SET S27T0
RST
Y002T0
K 20
S27
Y003
SET S28X005
S28SET
S29
T1
T1
K 1200
S29Y001
SET S30
X004
S30
SET S31
T0
SET Y002T0
K 20
S31Y003
SET S32
X005
S32
Y004
SET S33
X010
S33Y001
SET S34
X004
S34SET S35
T0
RST Y002T0
K 20S35
Y003
SET
S36
X005
S36
SET
S37
T1
T1K 1200
S37
Y001
SET S38
X004
S38
SET S39
T0
SET Y002
T0
K 20
S39
Y003
SET S40
X005
S40
Y004
SET S41
X011
S41
Y001
SET S42
X004
S42
SET S43
T0
RST Y002
T0
K 20
S43
INCP
D0
SET Y005
Y003
SET S44
X005
S44
Y006
SET S45
X006
S45
T0
RST Y005
T0
K 20
S0
RET
FEND
SET Y001
X012
RST
Y001
X012
SET Y003
X013
RST
Y003
X013
SET Y004
X014
RST
Y004
X014
SET Y006
X015
RST
Y006
X015
SET Y002
X016
RST Y002
X016
END
P0
自动/手动切换
X2接通，跳到P0处执行手动程序
显示已加工的工件数
停止按钮
复位各个状态启动按钮
传送带A开始工作
加工位置感应开关
机械手下降
下限位开关
夹紧工件松开工件
夹紧工件夹紧工件
机械手上升
上限位开关机械手右行
工作台1限位开关
机械手下降下限位开关
机械手上升
上限位开关
工作台1完成加工时间为T1
机械手下降下限位开关机械手上升
上限位开关
机械手右行
工作台2限位开关
机械手下降
下限位开关
机械手上升
上限位开关
工作台2的加工时间为T1
机械手下降
下限位开关
机械手夹紧工件
机械手上升
上限位开关
机械手右行
传送带B限位开关
机械手下降
下限位开关
机械手松开工件
启动传送带B
机械手上升
完成工件数加一
上限位开关
机械手左行
传送带A限位开关
传送带B停止工作
手动程序下降按钮
上升按钮
右行按钮
左行按钮
夹紧按钮。