(完整版)自动装配生产线上机械手PLC控制系统的设计

第1章绪论

1.1本课题在国内外研究现状

1.1.1 国内研究综述

在我国，汽车工业仍然是工业机械手主要的使用领域。但我国在工业机械手生产企业中，年产销量在100台以上、产值过5000万元的规模企业非常少，国外大型公司年产量都达5000到10000台，销售额为数十亿美元。目前国内机械手的保有量在4000台左右，井将以每年800～1000台左右的速度快速增长。工业机械手应用前景极为广阔。虽然目前国内生产工业机械手的企业并不多，很多产品的生产技术还主要依靠进口，高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂商手里。国内机械手厂家主要还是受到控制系统的困扰,没有比较成熟稳定的伺服系统,所以不能生产高端机器。我国本土企业生产的机械手产品还主要流通在中低端市场，因此决定了很多本土生产企业在争夺市场时主要还是采取价格战。随着技术的进步，日臻成熟，会有更多的厂商加入此行业。我国国家“863'’机械手技术主题自成立以来一直重视机械手技术在产业中的推广和应用和推进机械手技术以提升传统产业，利用机械手技术发展高新产业。目前，政府正在使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额，井提供优惠措施鼓励更多企业使用机械手及技术以提升技术水平。国内越来越多的企业在生产中采用了工业机械手，各种机械手生产厂家的销售量都有大幅度的提高。

1.1.2 国外研究综述

目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量产产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。现代式工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。采用全自动化机械手进行装配更是目前研究的重点，国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，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。工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，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。

1.2本课题的研究目的和意义

随着社会的发展和工业技术水平的不断进步，机械手在生产中得到广泛应用，促进了工业生产的自动化。自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一，其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它能部分地代替人工操作；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和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。PLC（可编程逻辑控制器），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。理论上，本课题是对于大入学里面学到的课程，例如可编程控制器、机械设计基础、控制电器及应用等课程的加强巩固。实践上，本课题将PLC应用于机械手的控制电路中，具有很强的PLC系统设计上意义。

1.3本课题的主要研究内容

本课题的最终目的是利用可编程控制器作为载体设计一套程序驱动机械手进行预订动作，在装配生产线上实现自动抓取、搬运等操作。其中包含了根据调研提出工艺要求。根据装配线机械手的执行结构和驱动部分，构思控制部分的整体方案，提出控制系统的运动方式。根据工艺结构和机械结构设计出控制系统的硬件结构，包括功能的设计、电机和PLC的选型、PLC硬件电路的设计等。设计控制系统的软件部分，包括I/O分配表和梯形图。

第2章机械手的工艺设计及其流程

2.1 工艺设计

此次PLC控制机械手系统从硬件和软件设计两方面进行了设计，主要表现在：（1）硬件方面

采用液压缸来驱动机械手，其结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳。采用传感器来提高机械手装配成功的概率，提高系统的精度，在自动生产线上有货物时执行动作，而无货物是停止运行。

（2）软件方面

采用PLC有许多优点如可以通过改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能，这样可以更好的适应不同特性的自动生产线，而PLC的电脑软件易学易懂，具有很高的柔性，而且其设备容易操作，便于维护。

（3）系统的工作原理

本此设计主要研究PLC控制机械手执行特定运动环节。物体由传送带送至机械手执行范围内后，传感器接收信号，经数据处理后送至控制单元，PLC开始控制机械手进行抓取等特定运动。其中控制单元由PLC等硬件组成。PLC作为控制系统的核心，完成各种数据的交换和处理。电机运转控制机械手相关速度。

2.2 工艺流程

机械手最终目的是将传送带A上的工件抓起来送到B传送带上，而其中传送带B保持连续传送，但传送带A并不是连续的，而是当其要传送一个工件时，机械手抓取之前是停止运动的，当机械手拿走工件后才会传送下一个工件。机械手要完成一个工作过程要经过上升下降，左旋右旋，抓紧放松，其中抓紧、放松工序会停顿一定的时间。机械手实物图如下所示

其具体运动描述为当开始工作时，机械手对抓手进行整体下降运动，达到下降极限，机械手开始抓物体，此时延时3秒，时间到机械手抓取到工件保持上升，达到上升极限，机械手开始向左移，达到左极限，机械手开始下降，达到下降极

限，机械手开始放物体，延时3秒，时间到机械手放开工件保持上升, 达到上升极限，机械手开始向右移，达到右极限完成一个工作周期，重复运行。若发生紧急事故、停电等情况后，可以在系统启动时可继续完成突然停止时的任务，这样工作可以继续，也可完成单周期，又能手动运行，具体系统工艺流程如下：

根据以上工艺设计和工艺流程的相关内容作出本次课题的系统总体框架图如下所示：

计算机

按钮输入端（4个按钮）↓

可编程控制器机械手夹紧或松开

自动输入端（7个限位开关）→ PLC →液压缸→机械手上升或下降

FX2N-48MR 机械手左旋或右旋

手动输入端（6个按钮）

第3章机械手系统元器件的选型

3.1 PLC的选型

3.1.1 PLC的选择

本系统中，PLC是整个控制单元的核心部分，通过上级的输出信号经处理后以通信的形式向下级变频器发送指令，同时协调完成系统的其它控制。I/O点数是衡量PLC规模大小的重要指标。根据被控对象的输入信号与输出信号的总点数，选择相应规模的PLC可编程控制器并留有10%～15%的I/O裕量。估算出被控对象上I/O分配点数后，就可选择点数相当的可编程控制器。

本控制系统有17个输入量，分别为：

输入量备注

机械手的启动(连续）按钮1个负责机械手的启动

机械手的停止按钮1个负责机械手的停止

机械手单周期启动按钮1个负责机械手进行一个周期运动

机械手手动启动按钮1个负责机械手进行单步骤运动

上升启动按钮1个A 负责机械手进行上升运动

下降启动按钮1个B 负责机械手进行下降运动

夹紧启动按钮1个C 负责机械手进行夹紧运动

松开启动按钮1个D 负责机械手进行松开运动

左旋启动按钮1个E 负责机械手进行左旋运动

右旋启动按钮1个 F 负责机械手进行右旋运动

物品检测开关1个负责检测自动生产线上是否有物品夹紧限位开关1个负责机械手是否夹紧物品的检测

松开限位开关1个负责机械手是否松开物品的检测

下降限位开关1个负责检测机械手到达最低位置

上升限位开关1个负责检测机械手到达最高位置

右旋限位开关1个负责检测机械手是否右旋转到极限

左旋限位开关1个负责检测机械手是否左旋转到极限（注：1.限位开关在实际机械手中为光电开关 2.只有当旋钮开关打到单步骤档上，A.B.C.D.E.F才起作用。）

本控制系统由6个输出量，分别为：

输出量备注

机械手夹紧拉伸液压缸1个负责启动机械手夹紧物品

机械手松开收缩液压缸1个负责启动机械手松开物品

机械手下降收缩液压缸1个负责启动机械手的下降

机械手上升拉伸液压缸1个负责启动机械手的上升

机械手右旋收缩液压缸1个负责启动机械手的右旋

机械手左旋拉伸液压缸1个负责启动机械手的左旋

本系统PLC接收一路传感器信号，另输出一路用于控制机械手的信号。所以在本系统中其所需的I/O点数不是很多，因此选择小型机即可。综上所述，本次设计选择由三菱公司生产的FX2N系列型号FX2N-48MR的可编程控制作为机械手的控制器

3.1.2 FX2N-48MR系列PLC的主要参数

工作电源：24VDC

输入点数：24

输出点数：24

输入信号类型：直流或开关量

输入电流：24VDC 5mA

模拟输入：-10V～10V（-20mA～+20mA）

输出晶体管允许电流0.3A/点（1.2A/COM）

输出电压规格：30VDC

最大负载：9W

输出反应时间：Off→On 20μs On→Off 30μs

基本指令执行时间：数个μs

程序语言：指令+梯形图+SFC

程序容量：3792STEPS

基本顺序指令：32个（含步进梯形指令）

应用指令：100种

初始步进点：S0～S9

一般步进点：118点，S10～S127

辅助继电器：一般用512+232点（M000～M511+M768～M999）

停电保持用256点（M512～M767）

特殊用280点（M1000～M1279）

定时器：100ms时基64点（T0～T63）

10ms时基63点（T64～T126，M1028为ON时）

1ms时基1点（T127）

计数器：一般用112点（C000～C111，16位计数器）

停电保持用16点（C112～C127，16位计数器）

高速用13点1相5kHz，2相2kHz（C235～C254，全部为停电保持32位计数器）

数据寄存器：一般用408点（D000～D407）

停电保持用192点（D408～D599）

特殊用144点（D1000～D1143）

指针/中断：P64点；I4点（P0～P63/I001、I101、I201、I301）

串联通信口：程序写入/读出通讯口：RS232

一般功能通讯口：RS485

主机电源220V AC

FX2N-48MR可编程控制器实物图

3.2 电机的选型

考虑本次课题的工业生产情况可采用Y2系列三相异步电动机。此三相异步电动机具有结构新颖、造型美观、噪音低、振动小、绝缘等级高等特点，产品现已达到九十年代国际先进水平，是Y 系列电机的更新产品。外壳防护等级IP54，它具有良好的起动性能和运行性能，结构简单，工作可靠，维修方便等特点，采用E 级或B 级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为ICO141。对于 Y2型号有如下常见种类，它们之间数据参数见下所示：

型 号 额定功率 电流 (安培) 转速 (转／分） 效率 (％) 功率 因数 最大转矩 堵转转矩

堵转电流 噪声 限值 振动 限值 重量 （千克） 千瓦

马力 额定转矩 额定转矩 额定

电流 Y2—63M1—2 O.18 O.25 O.53 2720 65.0 0.80 2.2 2.2 5.5 61 1.8 9 Y2—63M2—2 O.25 O.33 O.69 2720 68.0 O.81 2.2 2.2 5.5 61 1.8 1O Y2—71M1—2 O.37 O.50 O.99 2740 70.O O.81 2.2 2.2 6.1 64 1.8 14 Y2—71M2—2 O.55 0.75 1.40 2740 73.O O.82 2.3 2.2 6.1 64 1.8 15 Y2—80M1—2 O.75 1.O 1.83 2840 75.O O.83 2.3 2.2 6.1 67 1.8

18 Y2—80M2—2 1.1 1.5 2.58 2840 77.O O.84 2.3 2.2 7.O 67 1.8 19 本次课题中电机承载整个机械手的所有负载，需要功率较大，而机械手主要用于生产线夹持较轻便物体，所需功率又较小，而为了在实验过程中提高其准确性和稳定性以及安全性，电动机的转速较小为好。综合考虑采用Y2系列

Y2-63M2-2

三相异步电动机可满足需要。此型号电动机的功率要求可达到所需并且转速不是特别的快速，是一个较好的选择。

Y2系列电机实物图

3.3 传感器的选型

根据本系统，传感器是数据采集单元的核心。其性能直接影响到系统整体的精度。在选择传感器时，测量精度是传感器最为重要的一个性能指标，同时也要综合考虑最大量程、稳定性和工作环境等因素，它关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器精度的精度越高，测量越准，但价格也越昂贵，因此所选传感器的精度只要满足整个测量系统的要求就可以。传感器量程的选择可依系统要求等因素综合考虑来确定，一般应使传感器工作在30％到70％量程内，以保证传感器的使用安全和寿命。在本系统中它需要对机械手运动情况和自动生产线上物体进行检测，故采用光电传感器最为合适。

综上所述，根据国家标准GB/T7551—2008中对光电传感器各项指标的详细规定，选择选择上海普邦传感器有限公司生产的型号为EDAB-2DP的光电传感器。其检出方式为透过型，检测距离为5m，检出物体不透明物体幅16mm以上，指向角3-20，应答时间7ms以下输出电流200mA以下。其相关参数较本次课题的所需要求如检测距离5m等正为合适，符合本课题中机械手系统的实际环境，是一个很好的选择。

EDAB-2DP光电传感器实物图

3.4 液压缸的选型

液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。在各种机械的液压系统中得到广泛应用。在本系统中通过电机驱动液压缸使机械手进行运动是一种比较好的选择，它具有结构简单、工作可靠的特点，用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳。结合本系统的实际情况可以选择上海永久电机设备有限公司的RD-系列精密生产用液压缸，该液压缸设计成经久耐用型，是在自动生产线生产应用的比较好的选择，具有防尘环能够减少污染，延长液压缸使用寿命，双作用操作在两个方向产生力，提供各种多样性能等特点。RD系列液压缸的型号和其参数如下所示：RD-41精密生产用液压缸液压缸最大承载能力（kN）（进程/回程）：35/16行程（mm）：29

RD-46精密生产用液压缸液压缸最大承载能力（kN）（进程/回程）：35/16行程（mm）：156

RD-91精密生产用液压缸液压缸最大承载能力（kN）（进程/回程）：80/44行程（mm）：29

RD-96精密生产用液压缸液压缸最大承载能力（kN）（进程/回程）：80/44，行程（mm）：156

RD-910精密生产用液压缸液压缸最大承载能力（kN）（进程/回程）：80/44行程（mm）：257

RD-166精密生产用液压缸液压缸最大承载能力（kN）（进程/回程）：142/77，行程（mm）：159

RD-1610精密生产用液压缸液压缸最大承载能力（kN）（进程/回程）：142/77，行程（mm）：260

RD-2510精密生产用液压缸液压缸最大承载能力（kN）（进程/回程）：222/98，行程（mm）：260

RD-43精密生产用液压缸液压缸最大承载能力（kN）（进程/回程）：35/16 行程（mm）：80

RD-93精密生产用液压缸液压缸最大承载能力（kN）（进程/回程）：80/44 行程（mm）：80

本次课题研究中电机带动液压缸使机械手进行相关运动，液压缸承载着整个运动的相关得力，所以其最大承载能力要尽可能得大，而机械手的运动范围也比较大，所以要求液压缸行程也要大些才行。综上所述，结合本课题的实际要求选择型号为RD-1610是一个比较好的选择。

RD系列液压缸实物图

第4章机械手硬件系统的设计

4.1 PLC的地址分配

根据机械手的输入信号16个，输出信号6个，建立I/O地址分配表。

控制按钮输入分配表

控制元件符号输入点

连续启动按钮 SB1 X000

单周期启动按钮 SB2 X009

手动启动按钮 SB3 X010

停止按钮 SB4 X008

自动输入分配表

控制元件符号输入点

物体检测开关 SQ1 X001

上升限位开关SQ2 X004

下降限位开关SQ3 X002

左旋限位开关SQ4 X005

右旋限位开关SQ5 X007

夹紧限位开关 SQ6 X003

松开限位开关 SQ7 X006

手动输入按钮分配表

控制元件符号输入点

上升按钮 SL1 X011

下降按钮 SL2 XO12

左旋按钮 SL3 X013

右旋按钮 SL4 X014

夹紧按钮 SL5 X015

松开按钮 SL6 X016

输出分配表

控制元件符号输入点

机械手夹紧拉伸液压缸 YV0 Y000

机械手松开收缩液压缸 YV1 Y001

机械手下降收缩液压缸 YV2 Y002

机械手上升拉伸液压缸 YV3 Y003

机械手右旋收缩液压缸 YV4 Y004

机械手左旋拉伸液压缸 YV5 Y005 （注：其各个元件具体作用可见本文关于PLC的选型的相关内容）4.2 PLC外部接线图

详见电子版CAD

4.3 电气控制总图

详见电子版CAD

第5章机械手系统的软件设计5.1 PLC梯形图

详见电子版CAD

5.3 PLC控制机械手系统的具体描述

接上电源后，可编程控制器PLC开始运行，选择连续启动按钮后，其具体机械手运动情况过程如下：

1）、按下连续启动按钮SB1，机械手运送物体的自动生产线A上方处开始运行，机械手保持抓手松开下降（Y001得电，Y002得电）到下限位开关处，使下限位开关导通（X002得电）。

2）、下限位开关导通，机械手停止下降（Y002失电），开始进行抓取运动（Y000得电），夹紧到夹紧限位开关处，延时后机械手保持抓紧上升（Y003得电）到上移限位开关处，使上限位开关导通（X004得电）。

3）、上移限位开关导通，机械手停止上升（Y003失电），开始进行左旋运动（Y005得电），左旋到左限位开关处，使左限位开关导通（X005得电）。

4）、左限位开关导通，机械手停止左旋（Y005失电），开始进行下降运动（Y002得电），下降到下限位开关处，使下限位开关导通（X002得电）。

5）、下限位开关导通，机械手停止下降（Y002失电），开始进行松开运动（Y001得电），松开到松开限位开关处，延时后机械手保持抓紧上升（Y003得电）到上限位开关处，使上限位开关导通（X004得电）。

6）、上限位开关导通，机械手停止上升（Y001失电），开始进行右旋运动（Y004得电），右旋到右限位开关处，使右移限位开关导通（X007得电）。

7）、右限位开关导通，机械手停止右移（Y004失电），开始进行下降运动（Y002得电。

在此过程如果没有按停止按钮，机械手将重复运行，在此过程如按下停止按钮，机械手将停在当前运行状态，再次通电，机械手继续运行完成动作。在此过程中自动生产线B是一直运行的，由单独的开关控制。当按单周期启动按钮，机械手将会自动运行一周期后，停止运行。当按手动启动按钮后，需要人工手动按钮来控制机械手进行各部分运动。