基于PLC的搬运机械手控制系统设计文献综述

基于PLC的搬运机械手控制系统设计文献综述（共6篇）

基于PLC的搬运机械手控制系统设计文献综述 篇1

文献综述

题

目学生姓名专业班级学

号院（系）指导教师完成时间

工业机械手的应用

自动化200 级 班

电气信息工程学院 2011年 06月 05日

工业机械手的应用 机械手概述

用于再现人手功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其

一、它能部分的代替人工操作；其

二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其

三、它能操作必要的工具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。2 机械手的发展史

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。

瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。工业机械手在生产中的应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线

一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。

加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。

3.2 在实现单机自动化方面

各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等。机械手控制方法

机器人控制系统硬件结构要围绕着如何更好地实现机器人的控制功能而设计和选择。以控制器的核心计算机的分布方式来看，机器人控制系统硬件控制结构大体可分为集中控制、主从控制、分级控制等三类。

在核心控制器的选择上可以有多种方案，目前在机电一体化设计中主要有三种：单片机、工业控制计算机、可编程控制器（PLC）。随着计算机系统的不断发展，也出现了运动控制卡和逻辑控制器等新型控制硬件。

单片机控制机械手能够完成简单的逻辑控制或模拟量控制，可按需要自行配置通信功能，软硬件开发工作量很多，输出带负载能力和抗干扰能力差，可靠性差，环境适应能力差，成本较为低廉。

PLC控制机械手可按使用要求选购相应的产品完成复杂的逻辑控制，逻辑控制为主，也可以组成模拟量控制系统，软硬件开发工作量较少，输出带负载能力和抗干扰能力强，可靠性好，环境适应能力强，成本较为高。

工业控制计算机具备完善的控制功能，软件丰富，执行速度快，软件开发工作量较多，硬件开发工作量较少，执行速度较慢，环境适应力一半，可靠性好，成本较为高。

参考文献

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基于PLC的搬运机械手控制系统设计文献综述 篇2

气动机械手在机械加工、冲压、锻造、焊接、铸造、装配和热处理等生产过程中被广泛应用, 是自动生产设备和生产线上的重要装置之一。气动机械手可以根据各种自动化设备的工作需要, 按照预定的控制程序动作, 完成自动取料、上料、卸料等功能, 用来减轻工人的劳动强度。文中通过分析气动机械手需要实现的功能, 完成了气动机械手的结构和运动控制的设计, 该机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳和节能等优点。其运动控制采用PLC实现, 可以提高系统工作的可靠性, 并且当需要改变机械手的运动顺序时, 只需修改程序, 接线布置无需改变[1,2,3]。

1 气动机械手结构设计

1.1 功能分析

气动机械手主要完成工件的搬运, 其工作过程如图1所示。在图1中传送带A、B由电机驱动, 光电开关用于检测工件, 当光电开关检测到工件时, 传送带A停止运动, 同时给气动机械手发出一个信号, 气动机械手便将工件从传送带A上搬运到传送带B上。

1.2 结构设计

根据气动机械手搬运过程, 确定机械手的结构, 如图2所示。机械手由气爪夹持机构、手臂平移机构、手臂升降机构、手臂回转机构以及固定支架等部分组成。该机械手具有3个自由度, 在气泵驱动下通过气爪1活塞的运动, 可实现对工件的夹紧和松开;通过伸缩缸2的运动, 可实现手臂的伸出和缩回动作;通过升降缸3的运动, 可实现手臂的上升与下降;通过摆动缸4齿条的往复运动, 可实现长臂的回转运动。利用机械手的伸缩、升降、回转运动及气爪的夹紧与松开动作, 从而完成工件的搬运。

1.气爪2.伸缩缸3.升降缸4.齿轮齿条式摆动缸

2 气动机械手的气动回路设计

2.1 动作过程分析

根据实际物料搬运过程, 对气动机械手动作过程进行分析, 如图3所示。

2.2 气动回路设计

在气动机械手的设计过程中, 考虑到气压传动的优越性和机械手所要完成的功能, 本文采用气压驱动来完成机械手的全部执行机构设计[4,5,6]。根据机械手的功能要求, 气动控制系统需用4个执行元件来满足工作要求, 机械手气动控制回路如图4所示。

机械手气动回路主要由气泵、气源净化装置、气源辅助装置、气爪1、手臂伸缩气缸2、手臂升降气缸3、手臂回转气缸4及各种控制阀组成。其中气爪、伸缩缸、升降缸、回转缸的运动方向分别由二位四通单电控阀YA、YB、YC和YD来控制;其运动速度分别由两个单向节流阀来控制。

3 气动机械手的的虚拟设计

本文采用Solid Works软件来进行气动机械手虚拟设计。参照已经确定的气动机械手的结构、动作顺序和气动回路图, 文中采用Solid Works软件完成了气动机械手虚拟设计和装配, 如图5所示。

4 气动机械手的控制系统设计

4.1 控制要求

1) 按下启动按钮, 传送带A、B运动, 当光电开关检测到工件时, 传送带A停止, 同时机械手动作;

2) 机械手工作方式分为自动和手动两种;

3) 自动工作方式设有停止按钮, 停止按钮的功能是使机械手完成当前工作循环便停止;

4) 当按下手动工作方式按钮SB2时, 就可利用按钮对机械手的每一个动作单独进行控制, 例如, 按下伸臂按钮SB7, 手臂伸出;按下顺时针转动按钮SB1机械手顺时针转动。手动按钮便于机械手在维修时的调整。

4.2 PLC选型及I/O分配

文中选择松下电工FP0系列PLC, FP0是继小型机FP1之后又开放的一款小型PLC产品。它集CPU、I/O、通信等诸多功能模块与一体, 具有体积小、功能强和性价比高等特点, 特别适合在中小企业推广应用[5]。

控制系统有自动工作方式启动按钮1个, 手动工作方式启动按钮1个, 自动方式停止按钮1个, 1个光电开关, 自动工作方式的8个传感器, 手动工作方式的8个单步工作方式按钮, 2个继电器, 4个电磁阀, 共需20个输入点和6个输出点。本文选择FP0系列C32型主机, 其输入、输出口各16, 因为输入口不满足系统控制要求, 所以需要对控制单元进行扩展, 根据控制要求选择E8型扩展单元。

扩展后I/O口的地址编号为:

C32型主机:输入端X0~XF, 输出端Y0~YF;

E8型扩展单元:输入端X30~X37。

PLC的I/O点分配如表1所示。

4.3 软件设计

控制系统程序设计采用梯形图, 根据控制要求和I/O口的分配表, 编写气动机械手的控制程序。

编写机械手控制系统的PLC梯形图程序, 如图6所示。

4.4 硬件设计

气动机械手的控制系统采用光电开关和两线式磁性开关, 分别用来实现工件和气缸活塞运动的检测。结合I/O口分配表和控制系统软件设计, 绘制PLC的硬件接线图, 如图7所示。

5 结论

文中将Solid Works软件和PLC控制相结合, 完成了气动搬运机械手系统设计, 主要完成以下工作:

1) 通过分析气动搬运机械手的功能, 进行了其组成系统的设计;

2) 利用Solid Works软件进行气动搬运机械手的三维建模, 完成了其虚拟设计, 为后续的控制系统设计奠定基础;当机械手动作顺序改变时, 硬件系统无需改变, 只需修改梯形图程序, 即容易实现机械手动作的多样化, 以满足现实的需要;

3) 采用松下电工FP0系列C32型主机, 完成了气动搬运机械手控制系统的设计。

通过本研究可以实现气动搬运机械手的快速、高效设计。本控制系统可以根据机械手实际工作要求进行相应修改, 容易实现机械手动作的多样化, 以满足现实的需要, 从而提高控制系统的通用性。

摘要：气动机械手是自动生产设备和生产线上的重要装置之一, 文中通过对气动搬运机械手功能进行分析, 确定了机械手结构, 设计了其气动控制回路, 应用SolidWorks软件完成气动机械手虚拟设计。该气动机械手采用PLC控制, 通过对机械手动作过程的分析, 选择适合的PLC, 并完成了控制系统软件和硬件设计。研究表明, 该机械手具有结构简单、控制灵活、通用性强等优点。

关键词：气动机械手,PLC控制,气压传动,SolidWorks

参考文献

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基于PLC的搬运机械手控制系统设计文献综述 篇3

目前，由于机械手技术有了快速的发展，同时PLC控制技术以及点控制技术也在生产实践中得到应用，所以，适合在工业自动化生产中使用的通过机械手也有了不小的进展。因为气动机械手具有诸多优势，比如结构简单、定位精确、控制便捷等，因此被自动化生产线大量采用。本文将结合自动化生产线的实际情况，进行基于PLC与步进电机的气动手搬运机械手控制的探讨。

一、起动机械手的机构及原理

1、气动机械手的结构

该气动机械手的结构如图1所示，其中1为推料气缸，2为工作库，3为单杆气缸，4为双导杆气缸，5为气动手抓，6为转轴，7为步进电机，8为传送带。在以上组成元件中，燃料气缸主要负责在工件库中推送工件；气动手抓则是用来抓紧工件或放松工件；双导杆气缸是用来控制机械手臂进行缩回或者伸出动作；单杆气缸可以提升或者降低气动手抓；不仅电机控制着机械手臂的旋转，并且依据脉冲数量来保障定位准确。

2、气动机械手的工作原理

本文探讨的气动系统包括了推料气缸、升降气缸、伸缩气缸和气动手抓等组成部分。其中，单电控制二位五通阀负责控制推料气缸、升降气缸以及伸缩气缸。而气动手抓则是被双电控制二位五通阀来进行控制。至于气缸动作过程中的稳定性，一般通过单向节流阀来控制其速度，速度得到控制以后，气缸在运动过程中的稳定性即可大大提高。该气动机械手在工作中遵循以下流程：工件存料后气动机械手向前伸出—前臂降低—工件被气动手指夹住—前臂抬升并缩回—手臂向右旋转—手臂前屈—手爪把工件放进料口—手臂缩回—机械手复位，直到下一个工件就位，这一过程循环进行达到工作的目的。在本系统中，为了保障机械手的定位准确，把电感传感器装置在机械手底座处，当作其基准传感器。并且在机械手向左、向右旋转到最大位置处加装限制装置。

二、气动机械手控制标准

对于气动机械手控制标准，主要体现在搬运工件的工作中，不仅要准确控制其操作，还要同步呈现系统的状态。在遇到紧急事件时，可以进行相应的处理。具体要求分三个方面：（1）机械手在工件到位后向前伸出手臂，当传感器检测后，手爪气缸延迟0.5秒后下降，在限位传感器感应后，同样延迟0.5秒再抓取工件，手抓接受到加紧信号之后，延迟0.5秒上升气缸，到位后手臂气缸回缩，缩回限位到位之后右旋转，到达一定角度之后手臂向前伸出，伸出限位后手爪气缸降低，下降限位后，手动手爪延迟0.5秒松开工件，手爪提高限位后，手臂气缸向后缩，缩回限位后手臂进行左旋转，直到下一个工件就位，再重复以上要求。（2）启动、停止、复位、警告。在该系统通电，“复位”被点动后系统复位，并且清除干净存料台。点击“启动”按钮之后，表示缺料情况的黄灯会闪烁，设备在放进工件后再运转。当点动“停止“按钮后，全部元件都会暂停工作，警告灯也会点亮，同时缺料黄灯也会继续闪烁。（3）系统意外断电的处理。设备会在系统意外断电后暂停工作。直到电源供应恢复之后，点击“复位”按钮，并且再次点动“启动”按钮，这个时候机械手会执行控制要求（1）中的有关内容。

三、气动机械手控制系统的设计

1、气动机械手控制系统的硬件设计

本系统在动作流程上主要根据气动机械手控制系统的工作原理，并且结合电磁铁的状态和步进电机的方向信号DIR和脉冲信号的状态来安排气动机械手的动作顺序。在PLC I/O口分配方面，主要依据该系统输出与输入的数量特征。决定将控制器选择为西门子S7-200系列PLC。该气动搬运机械手控制系统的I/O口分配情况如表1所示。

2、气动机械手控制系统的软件设计

在本文中的机械手软件设计过程中，步进电机的控制是比较复杂的难点。对于步进电机控制系统而言，其驱动器的方向信号DIR和脉冲信号PLU是由Q0.1和Q0.0分别提供的。利用程序对步进电机的旋转方向和脉冲数目进行相应设置后，基本上可以保障机械手向左、向右旋转的准确度。结合步进电机的动作特征，应用S7-200PLC的脉冲指令PLS来保证步进电机的定位。其中，高速脉冲指令包括宽度可变脉冲PWM和高速脉冲PTO這两种类型。由于PTO方式能够有效控制脉冲数量和周期，所以被该系统采纳。步进电机一旦在启动瞬间发生高频脉冲增加的情况，会导致电机出现失步等故障。为此，步进电机在进行启动、运行、停止、高速运行、减速等阶段时，可以在PTO指令过程中运用多管线控制手段。

结论

本文进行基于PLC与步进电机的气动手搬运机械手控制系统的设计，通过相关实验，证明了该机械手控制方便、定位精确，可以长期稳定的运行。在实际生产过程中可以结合需要来调整机械手动作流程，提高其适应性。

参考文献

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基于plc机械手控制系统的设计 篇4

机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。

可编程序控制器（PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一。

由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。

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2.1 机械手介绍

Mechanical hand也被称为自动手，Auto hand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，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。

2.2机械手的分类

机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用 机械手有2~3个自由度。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围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连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

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。

2.3机械手的特点

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，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.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。

4.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。

5.宇宙及海洋的开发。

6.军事工程及生物医学方面的研究和试验。

2.4 机械手的构成

机械手简述：机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

1.执行机构 机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。

2.传动系统 执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

3.控制系统机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作。动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制 机械手控制方式的选择

3.1 控制方式的分类

传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少一些，目前仅在一些旧式的、简单的工业设备中还有一定市场，但该控制方式却有以下致命缺陷：

(1)仅适合于简单的逻辑控制；

(2)仅适合特殊的工程项目，而没有通用性；

(3)没有改动和优化的可能性。伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，计算机控制方式具有以下两个特点：

(1)硬件上至少有一个微处理器；

(2)通过软件实现控制思想。

目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有：

(1)可编程序逻辑控制器（PLC）；

(2)工业控制计算机（IPC）；

(3)集散控制系统（DCS）。

3.2 PLC与工业控制计算机（IPC）和集散控制系统（DCS）的比较及选型

1.各自技术发展的起源

计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。

集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要应用在工序控制上，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。

近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，增加了模拟量和PID调节等功能模块；运算速度提高，CPU的能力赶上了工业控制计算机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络(LAN)，因而也可构成为一个集散系统。特别是个人计算机也被吸收到PLC系统中。PLC在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。

2.相同点 在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，PLC、工业计算机、集散系统(DCS)之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O模件组成。编程方面也有很多相同点。

3.不同点由于PLC和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。

PLC用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。

特别需要提出的是，PLC与STD总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。PLC更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于STD工控机，但是从开关量控制而言，PLC的性能优于STD工控机。

总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。没有哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说根据不同的环境选择更适用的产品。

本章小结

基于PLC的物料搬运机械手设计 篇5

关键词：机械手,PLC,控制

1 引言

物料搬运机械手在高温、重载、多粉尘的危险环境中应用普遍,不但减轻了工人的劳动强度,还大大提高了劳动生产率。本文对物料搬运机械手的机械结构和控制系统进行阐述。所设计的机械手可完成机械手旋转、手臂垂直上下、手臂水平移动、手爪旋转4个自由度的控制。

2 总体概况

2.1 机械手组成

该物料搬运机械手为坐标式机械手,由机械手装置和控制系统两大部分组成,用PLC作为主控器,来控制整个机械手的运行,控制系统采用标准模块化设计,主要由PLC模块、电源模块、机械手控制模块等组成。

2.2 机械手工作过程

按复位按扭后,PLC控制转盘电机、横轴和竖轴步进电机使机械手运行到初始位置。

按启动按扭后,PLC控制转盘电机正转,通过底盘光电传感器记数到达设定位置后驱动转盘电机反转,运行到设定位置1后,PLC控制横轴和竖轴步进电机,横轴通过PLC内部脉冲记数,竖轴通过竖轴光电传感器记数,运行到设定位置2后,PLC控制单向电控阀使手爪抓紧物料,手爪电机正转若干秒之后,PLC控制横轴和竖轴电机按原路线返回到设定位置1后松开物料,PLC控制手爪电机反转若干秒后又按原路运行到位置2搬运第2个物料到位置1,结束以后机械手运行到初始位置0,一个循环结束。在搬运的过程中有4个接近开关实时检测障碍物信号,如遇到障碍物,马上改变运行路线以避开障碍物。

3 硬件设计

(1)手臂伸缩、升降机构:机械手横轴和竖轴的机械传动采用滚珠丝杆传动,配高精密的光杆导轨和直线轴承,用步进电机来驱动横轴和竖轴,不仅能使机械手臂非常平稳地进行伸缩和升降,而且可以进行精确定位控制;

(2)旋转机构:机械手的旋转机构由直流减速电机来驱动,用光电传感器来检测反馈信号,可使旋转方向位置得到精确控制;

1.底座2.手爪3.手爪控制电机4.横向手臂5.竖向手臂6.竖向手臂控制电机7.横向手臂控制电机8.底盘旋转控制电机9.底盘

(3)手抓机构:机械手爪采用气动式手爪,配有电磁阀,能实现快速准确地抓取和放开动作;整个机械手的结构如图1所示。

4 控制系统设计

4.1 硬件设计

在该系统中输入点数为14点,输出点数为8点,考虑到控制要求和维修方便,采用了日本三菱公司生产的FX2N-48T型PLC来作为主控器。用该PLC来控制物料搬运机械手,其I/O接口分配如表1、表2所示。

4.2 软件设计

机械手物料搬运是从起始位置1搬运到目标位置2,以横向手臂在位置2向上或向下的运动为例,横向手臂从位置1到位置2时有以下几种情况:

(1)在位置2的下方抓取工件1;(2)将工件1放到位置2的上方;(3)手臂复位;(4)将工件1放到位置2的下方。

横向手臂在位置2向上或向下的运动程序如图2。

部分程序如图3所示。

5 结语

经过实验安装运行,运用该物料搬运机械手可实现物料搬运的自动化,运行情况良好,用PLC控制横臂和竖臂步进电机,可对机械手进行垂直和水平移动、水平旋转的精确位置控制,基本达到预期要求。

参考文献

[1]蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略[J].机器人技术与应用,2001(4):11-16.

[2]于靖军,刘辛军,等.机器人机构学的数学基础[M].北京:机械工业出版社,2008.

[4]郭艳萍.基于PLC的工业机械手控制系统[J].仪表技术与传感器,2007(9):31-32.

[5]李允文.工业机械手设计[M].北京:机械工业出版社,1996.

基于PLC控制的生产线搬运系统 篇6

自动生产线是在流水线的基础上逐渐发展起来的。它不仅要求线体上各种机械加工装置能自动地完成预定的各道工序及工艺过程, 使产品成为合格的制品, 而且要求在装卸工件、工位夹紧、工件在工序间输送、工件的分拣甚至包装等都能自动地进行。使其按照规定的程序自动地进行工作。

自动生产线的特点是它的综合性和系统性。在这里, 机械技术、电工电子技术、传感器技术、PLC控制技术、接口技术、驱动技术、网络通信技术、触摸屏组态编程等多种技术有机地结合, 并综合应用到生产设备中;而系统性指的是, 生产线的传感、检测控制、传输与处理、执行与驱动等机构在PLC的控制下协调有序地工作并有机地融合在一起。

本文主要对生产线其中的一部分进行研究。

1 控制系统工艺

生产线搬运系统上设有升降机和输送线。这样在库房、生产车间和包装车间范围内形成了一个既可顺畅到达各个生产位置同时又是封闭的循环输送线系统。所有生产过程中使用的有关物料和成品等, 最后都在生产管理系统发出的生产指令作用下, 物料从指定的入口处进入输送系统。

总体控制要求:主要由步进电机驱动器、四自由度搬运机械手、传送带、检测系统组成。步进电机完成搬运机械手的运动控制。机械手在传动组件带动下整体作直线往复运动, 定位到其他各单元物料台, 完成抓取和放下工件的功能。

其工艺流程控制要求如下:

(1) 搬运单元在通电后, 按下复位按钮SB1, 执行复位操作, 使抓取机械手装置回到原点位置。在复位过程中, “正常工作”指示灯HL1以1Hz的频率闪烁。

当抓取机械手装置回到原点位置, 且搬运单元各个气缸满足初始位置的要求, 则复位完成, “正常工作”指示灯HL1常亮。按下起动按钮SB2, 设备启动, “设备运行”指示灯HL2也常亮, 开始功能测试过程。

(2) 抓取机械手装置从供料站出料台抓取工件, 抓取的顺序是:手臂伸出→手爪夹紧抓取工件→提升台上升→手臂缩回。

(3) 抓取动作完成后, 伺服电机驱动机械手装置向加工站移动, 移动速度不小于300mm/s。

(4) 机械手装置移动到加工站物料台的正前方后, 即把工件放到加工站物料台上。抓取机械手装置在加工站放下工件的顺序是:手臂伸出→提升台下降→手爪松开放下工件→手臂缩回。

(5) 放下工件动作完成2秒后, 抓取机械手装置执行抓取加工站工件的操作。抓取的顺序与供料站抓取工件的顺序相同。

(6) 抓取动作完成后, 伺服电机驱动机械手装置移动到装配站物料台的正前方。然后把工件放到装配站物料台上。其动作顺序与加工站放下工件的顺序相同。

(7) 放下工件动作完成2秒后, 抓取机械手装置执行抓取装配站工件的操作。抓取的顺序与供料站抓取工件的顺序相同。

(8) 机械手手臂缩回后, 摆台逆时针旋转90°, 伺服电机驱动机械手装置从装配站向分拣站运送工件, 到达分拣站传送带上方入料口后把工件放下, 动作顺序与加工站放下工件的顺序相同。

(9) 放下工件动作完成后, 机械手手臂缩回, 然后执行返回原点的操作。伺服电机驱动机械手装置以400mm/s的速度返回, 返回900mm后, 摆台顺时针旋转90°, 然后以100mm/s的速度低速返回原点停止。

2 系统硬件设计

为了提高生产线搬运系统的可靠性和设备的工作效率, 系统选用CPU226DC/DC/DC型PLC作为控制器, 根据搬运系统控制的要求, 设计的I/O配置及接线如图1所示。

3 系统软件设计

3.1 主程序流程图

主程序流程如图2所示。

3.2 步进电机的计算

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号, 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (称为“步距角”) , 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量, 从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度, 从而达到调速的目的, 步进电机与PLC接线图, 如图3所示。

生产线上搬运系统由步进电机及驱动器控制, 各站之间距离不一样, 所以设计时, 步进电机每一站的脉冲量不一样。

用步进电动机控制机械手, 步进电机每转的驱动步数为10000步, 同步轮齿距为5mm, 共11个齿, 要求机械手移动为500mm, 计算脉冲数。

同步轮齿距为5mm, 共11个齿, 步进电机每转1转, 机械手移动55mm, 驱动器细分设置为10000步/转, 即每步机械手位移0.0055mm。要想移动500mm, 需要的脉冲数为500/0.0055=90909。不同距离脉冲量计算方法一样。

步进电动机以其显著的特点, 在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高, 步进电机将会在更多的领域得到应用。

4 结束语

该控制系统经过调试和运行, 其生产物料自动配送能力可以满足各种产品的生产需求, 可以满足 相关物流公司的设备和生产的高水平高效率运转。在现代工业控制中, 该系统犹如不知疲惫的搬运工, 严格按照程序指令连续不断地进行物料输送。该系统的投入使企业彻底抛弃了手工操作, 配料方式进入科学数据化生产, 个人也从粉尘、噪音等恶劣的劳动环境中解脱出来。不仅如此, 稳定的高质量的配料更带来了产品质量的提高。系统投入后, 产品密度、假比重等主要技术指标有较大提高, 所以, 自动生产线控制系统在生产制造和加工领域里, 尤其是在大规模、高效率、连续生产的公司现场, 的确是一项值得推广的技术。整个系统现已投入使用, 它对于网络信息时代企事业计算机集成制造过程以及网络销售领域等自动化系统的开发设计具有重要的参考价值。

参考文献

[1]吕景泉.自动生产线安装与调试[M].中国铁道出版社, 2008.

[2]孙平.可编程控制器原理及应用[M].高等教育出版社, 2008.