基于plc的工业机械手臂控制系统

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1、基于 PLC 的工业机械手臂控制系统 摘要摘要 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。 关键词关键词：意义，应用，前景，编程语言，设计 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系

2、统的工业机械手臂控制系统 2 目目 录录 1.1.引言引言8 8 2 2 机械手机械结构机械手机械结构 9 9 2 21 1 传动机构传动机构.9 9 2.1.1.2.1.1.螺旋机构螺旋机构9 9 2.1.2.2.1.2. 滑动螺旋机构滑动螺旋机构9 9 2.1.32.1.3滚动螺旋机构滚动螺旋机构1010 22 机械手夹持器和机座的结构 1010 2.2.12.2.1机械手夹持器机械手夹持器1010 2.2.22.2.2机座机座1111 3 3 可编程控制可编程控制 PLCPLC1212 3 31 1 PLCPLC 简介简介 1212 3 32 2 PLCPLC 内部原理内部原理 1313

3、 A.A. 系统程序存储区系统程序存储区1515 B.B. 系统系统 RAMRAM 存储区存储区1515 C C用户程序存储区用户程序存储区1515 3 33 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 1616 3 34 4 PLCPLC 机型的选择方法机型的选择方法 1919 3.4.13.4.1PLCPLC 的类型的类型 1919 3.4.23.4.2输入输出模块的选择输入输出模块的选择1919 3.4.33.4.3 电源的选择电源的选择2020 3.4.43.4.4 存储器的选择存储器的选择 2020 功能的选择功能的选择2020 3.4.63.4.6 经济性的考虑经济性的考虑2020 3

4、.53.5 机械手机械手 PLCPLC 选择及参数选择及参数2121 3.5.13.5.1 主要技术数据如下：主要技术数据如下： 2121 3.5.23.5.2 PLCPLC 主机的组成主机的组成 2222 4 4 机械手机械手 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计2222 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 3 4 41 1 机械手的工艺过程机械手的工艺过程2222 4 42 2 PLCPLC 控制系统控制系统 2424 4.2.14.2.1 确定输入确定输入/ /输出点数并选择输出点数并选择 PLCPLC 型号型号 2424 4.2.24.2.2 分配分

5、配 PLCPLC 的输入的输入/ /输出端子输出端子 2525 4.2.3PLC4.2.3PLC 控制系统程序设计控制系统程序设计 2525 5 5 软件设计软件设计 2929 5.15.1 FX1NFX1N PLCPLC 梯形图中的编程元件梯形图中的编程元件 2929 5.25.2 程序的总体结构程序的总体结构3131 5.2.15.2.1 各部分程序如下各部分程序如下3131 致谢致谢4242 参考文献参考文献4343 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 4 1.1.引言引言 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

6、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

7、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

8、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 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 5 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

9、械工业和铁路工业部门的重视。 2 机械手机械结构机械手机械结构 2 21 1传动机构传动机构 2.1.1.2.1.1.螺旋机构螺旋机构 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。 2.1.2.2.1.2. 滑动螺旋机构滑动螺旋机构 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

10、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。 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统

11、的工业机械手臂控制系统 6 （a）螺杆转动，螺母移动 (b) 螺母固定，螺杆转动并移动 图 2-1 2.1.32.1.3滚动螺旋机构滚动螺旋机构 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，

12、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机械手夹持器和机座的结构 2.2.12.2.1机械手夹持器机械手夹持器 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 7 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

13、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。 2.2.22.2.2机座机座 机座是机械手的支

14、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。 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 8 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 3 可编程控制可编程控制 PLCPLC 3 31 1 PLCPLC 简介简介 自二十世纪六十年代美国推出可

15、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 PL

16、C 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， 图 2-3 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 9 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