搬运机械手的plc控制系统设计论文

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1、搬运机械手的 PLC 控制系统设计 摘 要 随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应 用也逐渐普及。其主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水 线或货物装卸调运,可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低 其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。 首先研究机械手组成结构、工作原理和控制要求。机械手主要由两个步进电 机来实现机械手的左移右移和上升下降运动，一个交流电动机控制搬运机械手的 正反转运动。搬运机械手的动作转换主要由设置在各个不同部位的行程开关产生 的通断信号传输到 PLC 中进行控制，从而实现本机械手的精确定位。其动作过程 包

2、括：下降、夹紧、上升、正转、右移、下降、放松、上升、左移、逆转；其操 作方式包括：回原点、手动、单周期、连续四种方式来满足生产中的各种操作要 求。其次确定了机械手运动形式，设计了机械手主要的组成机构，对搬运机械手 运动控制进行了总体方案设计。提出了机械手的 PLC 控制系统，并选取了合适的 PLC、扩展模块型号，绘制了搬运机械手输入输出接线图、电气接线图。 根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，设计了机械手工 作时的梯形图,在实验室进行了程序的调试、运行。 关键词：搬运机械手，可编程逻辑控制器，步进电机 Handling Manipulators PLC Control Syst

3、em Design ABSTRACABSTRACT T With the popularization and development of industrial automation, the controller demand is increasing year by year, and the handling robot applications are becoming more common. Its main in the automotive, electronics, machining, food, medicine and other areas of producti

4、on lines or cargo transported, can be better to save energy and to improve the efficiency of the transport equipment or products, in order to reduce the limitations and shortcomings of the other handling methods, meet modern the requirements of economic development. First, we study the robot structu

5、re, working principle and control requirements. Manipulator by two stepper motors to the robots left right and up and down movement, an AC motor control handling robot reversing movement. Handling robot action conversion set in different parts of the trip switch off signals transmitted to the PLC co

6、ntrol, in order to achieve the precise positioning of the robot. Its course of action, including: drop, clamping, rise, turning, moves right, drop, relax, rise, moves left, reverse; its mode of operation including: homing, manual, single cycle, continuous four ways to meet the production a variety o

7、f operating requirements. Second, determine the form of movement of the robot, design the robot main constituent bodies, and design the handling robot motion control of the overall program. Put forward the manipulator of PLC control system, and select the appropriate PLC expansion module model, draw

8、 a handling robot input and output wiring diagram, electrical wiring diagram. Based on the workflow of the robot control program of the programmable logic controller, we design a robot work ladder, and debug run in the laboratory. Key words：Handling manipulator, programmable logic controller, steppe

9、r motor 目 录 摘 要 .I ABSTRACTII 第 1 章绪论 .1 1.1 题目的背景和意义1 1.2 题目研究现状概述1 1.3 本论文研究内容3 第 2 章搬运机械手工作原理 .5 2.1 搬运机械手的组成5 2.2 搬运机械手的动作流程6 2.3 搬运机械手结构与驱动7 2.3.1 搬运机械手结构8 2.3.2 搬运机械手驱动9 第 3 章 搬运机械手整体方案设计 .11 3.1 搬运机械手执行机构设计.12 3.1.1 手爪结构设计.12 3.1.2 臂部结构设计.12 3.1.3 底盘结构设计.13 3.1.4 整体结构设计.14 3.2 搬运机械手驱动系统设计.14

10、3.2.1 步进电机的特点.15 3.2.2 步进电机及驱动器的选取.16 3.2.3 步进电机驱动器接线图.16 3.3 搬运机械手控制系统设计.17 3.3.1 PLC 的工作过程 .17 3.3.2 PLC 的工作方式 .18 3.3.3 PLC 的选型 .19 3.3.4 I/0 点分配 .21 3.4 PLC 控制系统硬件 .23 3.4.1 主电路接线图.23 3.4.2 PLC I/O 接线图 .24 第 4 章搬运机械手软件设计 25 4.1 PLC 编程软件 STEP7-MICRO/WIN32 简介.25 4.2 梯形图的总体设计.26 4.3 PLC 程序模块介绍 .27

11、4.3.1 公用部分程序.27 4.3.2 自动操作程序.29 4.3.3 手动操作程序.30 4.3.4 回原点程序.30 4.4 控制步进电机脉冲产生子程序.30 4.5 对旋转编码盘计数子程序和中断程序.31 4.6 程序调试.33 第 5 章 结 论 .36 参考文献 37 谢 辞 38 第一章绪论第一章绪论 1.1 题目的背景和意义 机械手臂（robotic arm）是具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动 控制设备，这种机器人系统有多关节连结并节允许在平面或三度空间进行运动或 使用线性位移移动。构造上由机械主体、控制器、伺服机构和感应器所组成，并 由程式根据作业需求设定其一定的

12、指定动作。机器人的运作由电动机驱动移动一 只手臂，张开或关闭一个夹子的动作，并精确的回馈至可编程逻辑的控制器 （PLC） 。这种自动装置机械以完成“腕部以及手部”的动作为主要素求，可以由 熟练的操作者将作业顺序输入后，就能依样照作并且反复完成无数次的的正确规 律运作。 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温.腐蚀及有毒 气体等因素的危害，增加了工作人员的劳动强度，甚至威胁到健康和生命安全。 由于以上问题，人们需要一种可以替代人类在恶劣的环境中进行作业的装置，同 时随着社会的进步，工业自动化产品的性能日益提高，而电子元器件也因技术的 迅速发展而大幅减低，因此机械手这种装置便应运

13、而生了，它可以在一定程度上 替代人员在恶劣环境中工作，不但减轻了工人的劳动强度，还大大提高了劳动生 产率。 自从机器手臂技术开始发展，在 1980 年代机器手臂已成功的应用于汽车制 造业等产业，在机械人技术领域是应用范围最广泛的自动化机械装置，而许多工 业危险之组装、喷漆、焊接、高温铸锻等繁重工作，皆能以机器手臂取代人工作 业。4目前机械手臂在机器人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置， 除了主要用于工业制造上， 商业农业、医疗救援、娱乐服务、军事安保甚至在 太空探索等领域都可以发现其应用装置。 机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于 40 年代的美国橡树领国 家实验室的搬运核原

14、料的遥控机械手的研究，它是一种主从性的控制系统。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长 机械臂，在其端部装有电磁铁的工件抓防机构，控制系统是示教型的；1962 年美 国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控式再现型机械手。运动 系统仿照坦克炮塔，机械臂可以回转俯仰伸缩，有液压驱动；控制系统用磁鼓做 存储装置。许多球面坐标机械手就是在各基础上发展起来的。第一台专门应用于 产业生产使用的机械手臂则是由具有“机械手臂之父”之称的约瑟夫恩格伯格 （Joseph F. Engelberger）所发明的。他创立了 Unimation 有限公司，在 195

15、6 年利用乔治迪沃尔（George Devol）所授权的专利技术，研发出第一台工业用 机械手臂，名为“Unimate” 。而这台机械手臂第一次应用则是在美国通用汽车的 新新泽西州厂的压铸作业上。 其实在这个时期世界各国的机械手臂也正在萌芽 发展阶段，例如日本不二输送机工业株式会社（Fuji Yusoki Kogyo Co. Ltd.） 就在 1963 年制造出专门使用在栈板装载（Palletizing）的机械手臂，研发出针 对栈板专用的搬运工具，此时已经从简单重复的加工动作更扩大到减轻人力负担 的搬运机械上。这个时期所研发出来的机械手臂多为 3 个关节轴，而且直到目前 为止依然被产业界广泛应用

16、，尤其对于简单的加工、夹持与搬运，成为自动化生 产制造必备的好伙伴。 然而随着加工方式的多元与复杂化，机械手臂也开始朝 着更多关节轴的技术发展，在 1973 年德国库卡机器人集团（KUKA Robot Group）就研发出第一台采用机电驱动的 6 轴机械手臂。 从此开始随着驱动与控 制技术的不断进步，产业用机械手臂也从单点加工，发展到多点同时加工、搬运， 这对于生产线的自动化，乃至于整厂自动化的影响都非常大。德国普曼公司专门 生产机械手联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运 输 焊接和设备上下料作业；联邦德国 K 公司还生产了一种点焊机械手，采用关 节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快应用最多的国家，自 1969 年 从美国引进两种典型机械手后开始大力从事机械手的研究，目前已成为世界上机 械手应用最多的国家之一。前苏联自 60 年代开始应用发展机械手，主要用于机 械化自动化程序较低的繁重及有害健康的辅助性工作。我国工业机械手的研究开 始于 20 世纪 70 年代。1972 年我国第一台机械手开发与上海，随后我国开始全面 研究和应用机械手。