(整理)坐标式机械手的控制系统设计.

电气控制与PLC

课程设计

题目: 坐标式机械手的控制系统设计

目录

1 系统描述及控制要求 (2)

1.1 系统描述 (2)

1.2 控制要求 (3)

1.3 注意事项 (4)

2 设计方案 (4)

2.1 方案论证 (4)

2.2 原器件选择 (5)

3 I/O分配表 (6)

4 外部接线图 (7)

4.1 I/O接线图 (7)

4.2 主电路图 (9)

5 梯形图 (10)

6 系统调试 (13)

设计心得 (14)

参考文献 (15)

1 系统描述及控制要求

1.1 系统描述

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。例如：

（1）机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。

（2）在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

（3）宇宙及海洋的开发。

（4）军事工程及生物医学方面的研究和试验。

（5）可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。

（6）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。

该设计是利用PLC控制按钮的开与关来实现机械手对物体的搬运过程。通过按钮来进行对机械手的控制，不仅有自动控制简单方便，而且还有手动控制以满足条件的需要。

1.2 控制要求

图1.1 坐标式机械手动作原理图

坐标式机械手动作原理图如图1.1所示。其控制要求：将物体从位置A搬至位置B

（1）动作顺序：机械手从原点位置起始下移到A处下限位→从A处夹紧物体后上升至上限位→右移至右限位→机械手下降至B处下限位→将物体放置在B处后→上升至上限位→左移至左限位（原点）为一个循环。

（2）上限、A、B下限、左限、右限分别由限位开关控制；机械手设立起动和停止开关。

（3）机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时，均应有状态显示。

（4）机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时，然后上升；机械手每到达一个位置均有0.5s的停顿延时，然后进行下一个动作。

（5）若机械手停止时不在原点位置，可通过手动开关分别控制机械手的上升和左移，使之回到原点。

（6）要求循环工作1小时时，判断机械手是否夹有物体，若没有，则立即自动停止工作并警铃报警；若夹有物体，则继续工作至物体放置到B位后自动停止工作并警铃报警。

1.3 注意事项

（1）上升和下降

机械手上升或下降的动作都要到位，否则不能进行下一个工作步。上升或下降的动作用两个带线圈的电磁阀控制。

（2）夹紧和放松

机械手夹紧和放松的动作必须在两个工位处进行，且其动作都要到位。为了确保夹紧和放松的动作可靠性，需对这两个动作进行定时。加紧和放松动作由单线圈的电磁阀控制，电磁阀线圈的得电为夹紧，失电为放松。

（3）左行和右行

自动方式时，机械手的左、右运动必须在压动上限位开关后才能进行；机械手的左、右运动都必须到位，以确保在左工作台取到工件并在右工作台下放下工件。可使用上限位开关、左上限位开关和右上限位开关进行控制。左行、右行的动作由双线圈电磁阀控制。

（4）自动运行

自动方式下误操作的禁止：自动方式时，按一次起动按钮自动运行方式开始后，再按别的操作按钮错误操作，程序对错误操作不予响应。

（5）手动运行

手动运行时，只有按下单步上升、单步下降、单步左行、单步右行、手动夹紧放松时机械手会动作，同样再按别的操作按钮错误操作，程序对错误操作不予响应。

2 设计方案

2.1 方案论证

对于该系统的设计，控制器较常用的是选择PLC控制或单片机控制。对于PLC，随着PLC的出现，逐渐取代了继电器电路，随着计算机的发展和渗透，PLC技术也在不断提高和完善。PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。PLC技术有以下优点：编程方法简单易学，功能强，性能价格比高，硬件配套齐全，用户使用方便，使用性强，可靠性高，抗干扰能力强，系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量小，维修方便体积小，能耗低，效率高等。

对于单片机，现今的单片机正向着提高工业环境下控制系统的可靠性和灵活方便地构成应用系统界面的方向发展，并且控制功能越来越丰富。在CPU芯片上，除嵌入RAM、ROM、和I/O外，还有A/D、D/A、PWM、DMA、看门狗、串行接口和定时器/计数器等，另外还有显示驱动、键盘控制、比较器和函数发生器等，能构成功能强大的应用系统。单片机比适合应用于嵌入式系统，体积小，集成度高。

通过比较论证，从经济和效率等方面考虑，选用PLC作为坐标式机械手设计的控制器。

2.2 原器件选择

2.2.1PL C的选择

PLC选择三菱FX2N系列，它是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

FX2N系列为大量实际应用而开发的特殊功能，开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I/O，高速计数器。它的定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块，对每一个FX2N主单元可配置总计达8个特殊功能模块。在线程序编辑，在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。内置式24V直流电源24V、400mA 直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。时钟功能和小时表功能，在所有的FX2N PLC中都有实时时钟标准，时间设置和比较指令易于操作。