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基于PLC的工业机械手臂控制系统基于PLC的工业机械手臂控制系统 摘要PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器,作为一种通用的工业控制器,其可靠性高、抗干扰能力强;PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性,此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息;PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响,此外PLC还可在强、通用性好;开发周期短,功耗小。本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。关键词:意义,应用,前景,编程语言,设计目 录1.引言82机械手机械结构921传动机构92.1.1.螺旋机构92.1.2. 滑动螺旋机构92.1.3滚动螺旋机构1022机械手夹持器和机座的结构102.2.1机械手夹持器102.2.2机座113可编程控制PLC1231 PLC简介1232 PLC内部原理13A. 系统程序存储区15B. 系统RAM存储区15C用户程序存储区1533 PLC的工作原理1634 PLC机型的选择方法193.4.1PLC的类型193.4.2输入输出模块的选择193.4.3 电源的选择203.4.4存储器的选择20功能的选择203.4.6 经济性的考虑203.5 机械手PLC选择及参数213.5.1主要技术数据如下:213.5.2 PLC主机的组成224 机械手PLC控制系统设计2241 机械手的工艺过程2242 PLC控制系统244.2.1确定输入/输出点数并选择PLC型号244.2.2分配PLC的输入/输出端子254.2.3PLC控制系统程序设计255软件设计295.1 FX1N PLC梯形图中的编程元件295.2 程序的总体结构315.2.1 各部分程序如下31致谢42参考文献431.引言随着世界经济和技术的发展,人类活动的不断扩大,机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展,也从制造领域转向非制造领域,各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大量应用,很多领域,许多单一、重复的机械工作由机器人(也称机械手)来完成。工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的,多功能的、多自由度的、多用途的操作机,广泛采用工业机械人,不仅可提高产品的质量与产量,而且对保障人生安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。机械手是一种模仿人手动作,并按设定的程序来抓取、搬运工件或加持工具,机械手可在空间抓放物体,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,广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成,主要完成移动、转动、抓取等动作。控制系统是机械手的指挥系统,它通过控制驱动系统,让执行器按照规定的要求进行工作。并检测其正确与否。可编程控制器(PLC)是一种数定运算操作的电子系统,它将逻辑运算、顺序控制、时序计数、算术运算等控制程序,用指令形式存放在存储器中,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种机械或生产过程。与继电器控制线路相比,PLC具有可靠性高、抗干扰能力强;体积小、能耗低等特点。因此,机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来实现。工业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。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重视。 2机械手机械结构21传动机构2.1.1.螺旋机构螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成,其主要功能是将转动变换为直线运动,并同时传递运动和动力,按螺旋副中的摩擦性质,螺旋机构可以分为滑动螺旋机构和滚动螺旋机构两种类型。按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。螺旋机构具有结构简单,制造方便,传动平稳,无噪声易于自锁等优点。2.1.2. 滑动螺旋机构 螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构,称为滑动螺旋机构。滑动螺旋机构所用的螺纹为传动性能好,效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成。根据机构的组成及运动方式,滑动螺旋机构又分为以下两种。(1)由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构,螺母与机架固联,螺杆转动并移动(如图2-1b所示),这种螺旋机构以传递动力为主,故又称传力螺旋机构。一般要求用较小的转矩产生较大的轴向力,多用在工作时间短,速度较低的场合。(2)由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构,如图2-1a所示,螺杆转动,螺母移动,这种螺旋机构以传递运动为主,故又称为传导螺旋机构。本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。这种传动形式结构紧凑,刚度较大,传动效率高,精度高。 (a)螺杆转动,螺母移动 (b) 螺母固定,螺杆转动并移动图2-12.1.3滚动螺旋机构 螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构,称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。其机构特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道,并在其间放如刚球,当螺杆转动时,刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。按循环方式的不同,分为外循环和内循环两种形式。 滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环叫外循环(如图2-2所示)。外循环螺母只需设置一个反向器,当滚珠进入反向器时,就被阻止而转弯,从返回通道回到滚道的另一端,形成一个循环回路。机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动。滚动螺旋机构摩擦阻力小,动作灵敏度高,传动效 率高,可达90%以上。用调整的方法可消除间 隙,传动精度高。 图2-2 22机械手夹持器和机座的结构2.2.1机械手夹持器机械手的机械夹持器多为双指手抓式,按其手抓的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型,按夹持方式可以分为外夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。回转型夹持器结构较简单,但当所夹持的工件直径有变动时,将引起工件轴心的偏移。对平移型夹持器,工件直径的变化不影响其轴心的位置。但其机械机构繁杂,体积大,制造精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候,在满足工件的定位精度要求的条件下,尽可能的采用结构比较简单回转型夹持器。 本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回转型夹持器。如右图所示,装在杆上端的滚子3和楔块之间为滚动接触。当电机带动连杆前进时,通过楔块4的斜面和杠杆1,使两个手抓产生加紧动作和加紧力。当楔块后移时,靠弹簧的拉力使手指松开。这种末端执行器由于楔块和滚子之间为滚动接触,摩擦力小,活动灵活,且机构简单。2.2.2机座机座是机械手的支撑部件,机座承受机械手的全部重量和工作载荷,所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面,以保证机械手工作时的稳定行。图2-3如图2-3所示,机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。这种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。图中电动机3经减速器4、主动小齿轮5、中间齿轮6、大齿轮7驱动丝杆2旋转,从而驱动升降台上下运动。整个机座安装在基座8上。3可编程控制PLC 31 PLC简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。同时,PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控的制的首选产品,PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展,世界范围内的PLC年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大,近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是,在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料,2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右,在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令),然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程,在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理,16位(也有32位的)为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统,用PLC比用DCS,其成本要低一些(大约能省40%左右)。PLC没有专用操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点(最多可达8000多个I/O)。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容易一些。 近10年来,随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大,越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制,PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高,今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。 通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器,但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器,现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器32 PLC内部原理 PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机,其硬件结构和微机是基本一的。如图3-1所示, PLC硬件的基本结构图所示:编程器中央处理单元(CPU)输入电路输出电路系统程序存
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