机械手的PLC控制设计及调试

目录

摘要 (2)

ABSTRACET (3)

引言 (5)

1 PLC的发展历程和构成 (7)

1.1 PLC的发展史 (7)

1.2 PLC的构成 (8)

1.3 CPU的构成 (8)

1.4 I.O模块 (8)

1.5 电源模块 (9)

1.6 底版和机架 (9)

1.7 PLC系统的其他设备 (9)

2 机械手的组成 (10)

2.1 机械手的发展 (10)

2.2 动力臂的机械构造 (10)

2.3 控制和动力臂的机械构造 (11)

2.4 位置控制系统 (11)

2.5 负载反传系统 (11)

3 机械手PLC的发展历程和构成 (12)

3.1 根据工艺过程分析控制要求 (12)

3.2 确定所需的用户输入/输出设备及I/O点数 (15)

3.3 PLC的选择 (18)

3.4 分配PLCI/O点的编号(定义号) (18)

3.5 PLC程序设计 (18)

4 英文资料 (30)

个人小结 (35)

参考文献 (46)

机械手的PLC控制设计及调试

摘要

机械手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。

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

关键词:点控制机械手连续控制机械手可编程控制技术

引言

机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置；

本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并由电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则。

机械手的结构主要由手指，手腕，小臂和大臂等几部分组成。料架为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。每次转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件对准机械手。

而可编程控制器（ＰＬＣ）由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用。PLC控制系统采用三菱F1系列超小型PLC对机械手进行动作控制。各动作由油泵电机（采用Y100L2-4.3KM）液压驱动，并由电磁阀控制。其中油泵电机及各电磁阀运行状态均有指示灯显示根据我们所设计的机械手的

驱动部件为步进电机的特点，应用ＰＬＣ移位寄存ＳＦＴ指令可以很方便、灵活地对机械手进行控制。

1 PLC的发展历程和构成

1.1 PLC的发展历

可编程序控制器的英文为Programmable Controller，在二十实际七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。

在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC 市场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

国内PLC生产厂约三十家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制造产业。作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的。

PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。

PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。

PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架（CPU母板）上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O

扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板；另一种方法是配备远程I/O从站等。这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商（代理商）、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。

PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。

PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.1~0.2秒，更快的则选用50毫秒或更小的消灭周期。它是一个数字采样控制系统。

由于各PLC厂家产品在指令系统上的差异及编程方法上用户要求不同，近年来IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3（注：1993年IEC颁布可编程序控制器的国际标准IEC1131），它规定了指令表（IL）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）五种编程语言。这包括了文本化编程（IL、ST）和图形编程（LD、FBD）两个方面，而SFC则在两类编程语言中均可使用。IEC技术委员会（TC65）进来开展了IEC61499项目，将IEC61131-3进行了扩展，它是针对通过通信网络互联的模块化分布系统的体系结构的标准，将对IEC61131-3有所改善。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件，是PLC发展的一大趋势。

一个或若干PLC与PC机联出系统，PC机起到原编程器及人机界面操作站的作用，这20世纪90年代的新潮流，这样为系统集成带来了商机，同时编程软件和人机界面软件（监控软件或称组态软件）及软件接口（或称驱动软件）也得

到了发展。

1.2 PLC的构成

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

1.3 CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

1.4 I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220V AC、110V AC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型

（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

1.5 电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220V AC或110V AC），直流电源（常用的为24V AC）。

1.6 底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

1.7、PLC系统的其它设备

1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

1.8 PLC的通信联网

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。

2机械手的组成

2.1 机械手的发展

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

机械手由以下结构：

执行机构——驱动-传动机构——控制系统——智能系统——远程诊断监控系统，五部分组成。

机械手的设计构想是以人的手为基础，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下四部分来实现：

1、自由度的旋转

2、肩的前后动作

3、肘的上下动作

4、腕(手)的动作

驱动-传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分:机械式、电气式、液压式和复合式，其中制，本设计主要设计PLC的控制部分。

液压操作力最大。

控制系统采用西门子PLC控制。本设计运动形式:前后、上下两个自由度运动，均由液压伺服系统控该控制系统的设计是可以给操作臂一个信号的动力反馈系统。该工作臂类似一个伸缩仪。在方位、肩部和肘部上的轴直接控制位置，利用主臂控制速度。在机械手的操作柄有一个按钮来控制工作头（降低、翻转、倾斜和抓住的装置）。控制系统的特性是可以使操纵器以一定的速度和精确性进行工作。

工业机械手的结构是基于模组块系统上的，模组块系统适合于提高移动的速度或特殊类型的工作。在设计上考虑维修的简单性。维修的人员需要具备一定的资格，应能处理一般的机械设备的问题或通常液压件的安装。

工业机械手传输在末端工具上的力或负载的感觉到操作者的手中(动力反馈)“动力反馈”的意思是在机械手臂末端上的力有一小部分反馈到操作柄。减少比率意味着操作者必须用2公斤的力才能将工具额定的负载举起。对于动力反馈，操作者有机会感觉在方位、肩部和肘部的轴的负载改变的不同情况(惯性和加速度)。通过提供额外的力，操作者可以优先确定使用的力和搬运的路径，目的是为了获得一个快慢速。、

2.2 动力臂的机械构造

动力臂由上臂和一个较底臂(下臂)连接组成，它建立一个围绕垂直轴旋转的支撑上。在垂直面的运动是围绕水平轴(称之为肩轴)的上臂运动和围绕第二个水平轴(称之为肘轴)下臂的旋转运动叠加而获得的。上臂的运动是通过液压缸直接控制，下臂的运动是由液压缸通过一个可以围绕肩轴旋转并且通过一个传送横梁来控制。方位角的运动是通过一个安装支撑面上的液压马达进行控制的，马达通过与基础板连接的差动器的侧伞齿轮上的小齿轮来带动。通过横梁和和肘部零件的连接保持最终配置部件的位置恒定不便。这样上臂和下臂的运动各自具有独立的方向。

2.3 控制和伺服系统

操纵臂包含通过三个控制电路操控动力臂所有元件。操纵柄包含所有控制配置装置上工作头的功能操控装置。

2.4 位置控制系统

操作臂上的电位计随该臂的移动给出一个控制电压，同时动力臂的移动带动反馈电位计产生一个极性相反与位移成比例的反馈电压，两者同时输入电子控制器进行比较产生偏差电压，经过电子控制器的转换，输出一相应的电流信号给电液伺服阀，从而操控动力臂移动到操控所要求的位置，若偏差信号为“0”，于是动力臂将停止在这个位置。

该系统并装有压力传感器，它将负载信号输送到电子控制器，起到动压反馈的作用，它将改善系统的动态特性（如：稳定性等）

2.5 负载反传系统（原名：动力反馈系统）

工业机械手，为了给操作者在操作过程中能有负载变化的感觉，设置了将机械手传输在末端工具上的力或负载成比例地传到操作者手中的装置。它使操作者必须使用两公斤的力才能将工具额定的负载举起，可以让操作者有机会感觉在方位、肩部和肘部的轴的负载改变的不同情况（惯性和加速度），通过操作力的改变，操作者可以正确的确定使用的力和搬运的路径，目的是为了获得一个快速和最佳的工作周期。

3机械手PLC控制的设计

送料机械手的动作示意图如图3-1 所示。他是一个水平/垂直位移的机械设备，用来将工作由左工作台搬到右工作台。

图3-1送料机械手的工作示意图

3.1 根据工艺过程分析控制要求

机械手的全部动作有汽缸驱动，而汽缸又由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈两位电磁阀控制。例如当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀端电时，机械手上升停止。同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械的放松/加紧由一个单线圈两位置电磁阀

（称为加紧电磁阀）控制。当该线圈通电时，机械手加紧，该线圈断电时，机械手放松。

当机械手处于原点时（即左限位开关和上限位开关合上），启动以后，机械手移向A点，加紧工件，然后回到原位，移向B点，放下工件，再回到原位完成一次动作。

当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工作时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。

机械手的动作过程如图3-2所示。从原点开始，按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。若此时右工作台上无工作，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过八步动作完成一个周期。

机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。

手动操作

手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制。例如，当选择上/下运动时，按下启动按钮，机械上升；按下停止按钮，机械手下降。当选择左右运动时，按下起动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。当选择夹紧/放松运动时，按下起动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。

图3-2机械手动作过程

单步操作

单步操作：每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止

单周期操作

单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。在工作中若按一下停止按钮，则机械手停止重新起动时，需要手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始单周期操作。

连续操作

连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手的动作将自动的、连续不断地周期性循环。

在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新起动时，须用手动操

作方式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始连续操作。

在工作中若按一下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。

3.2 确定所需的用户输入/输出设备及I/O点数

1. 输入设备--------用以生产输入控制信号。

本设计中应包括：

操作方式转换开关：该开关应有手动、单步、单周期、连续等四个位置可供选择。

手动时运动选择开关：该开关应有上/下，左/右，夹紧/放松等三个位置可供选择。

起动、停止及复位按钮。

开关及按钮在操作屏上的布置如图3-3所示。

位置检测元件：机械手的运动是按行进程原则进行控制的。其上限、下限、左限、右限的位置分别用限位开关来检测。

无工件检测元件：右工作台上无工件用光电开关来检测。

各限位开关及光电开关的配置如图3-2所示。

2. 输出设备—由PLC的输出信号驱动的执行元件。

本设计中应包括下降电磁阀、上升电磁阀、右移电磁阀、左移电磁阀、夹紧电磁阀。

图3-3操作屏布置

为了对机械手处于原点进行指示，还可以配置一个原点的指示灯。

各输出设备的配置如图3-2所示。

根据所确定的用户输入设备及输出设备，可画出PLC的I/O连接图，如图1-4所示。由图可见，PLC共需要15点输入，6点输出。

图3-4 I/O连接图

3.3 PLC的选择

该机械手的控制为纯开关量控制，且所要的I/O点数不多，因此选择一般小型抵挡机即可。

该控制系统要实现的是步进控制，可以用一般PLC所具有的移位寄存器和移位指令来编程，但若选择具有步进指令功能或鼓型控制器功能的PLC，则实现步进控制就更加方便了。

由于所要的I/O点数为15/6点，考虑到机械手操作的工艺固定，PLC的I/O 点基本上可不留裕量。根据资料的机型，可选择：

1）ACMY-S256可选用32点主机（I/O点数为16/16）或40点主机（I/O点数为24/16）。

2）GE-I/J（SR-10）其主机I/O点数为15/9。或选用GE-I（SR-20），采用5槽主机框架，一块16点输入模块，一块8点输出模块（或两块8点输入模块，一块8点输出模块）。

3）F1-40M其主机I/O点数为24/16点。

4）具体选择何种机型，还需要比较价格，同时考虑使用维修方便等因素，使之更加经济合理。

故选择F1-40M机型。

3.4 分配PLC I/O点的编号（定义号）

由于不同记性的PLC，其I/O点的编号不同，因此应根据所选择的机型，对PLC的I/O点分配编号。如图1-4 所示的编号。

3.5 PLC程序设计

为了便于编程,先绘制出整个控制程序的结构框图,如图3-5所示。

图3-5总结构程序框图

在该结构框图中，当操作方式选择开关置于“手动”时，输入点X407接通，其输入继电器常闭接点断开，执行手动操作程序。

当操作选择开关置于“单步”、“单周期”、“连续”时，其对应的输入点X410、X411、X412接通，其输入继电器常闭接点断开，执行自动操作程序。

在执行自动操作时，如选择开关置于“连续”时，起动后辅助继电器M200接通，程序自动循环。操作选择开关置于“单步”时，M200同样接通，程序也可以循环，但必须是每按一次起动按钮执行一步。如果操作选择开关置于“单周期”或运行过程中按下复位按钮时，则辅助继电器N200复位，程序执行完一个周期（即机械手回到原点）时自动停止。

由于手动程序和自动程序采用了跳转指令，因此在着两个程序段可以采用同样的一套输出继电器。

下面是各程序的设计。

（一）手动操作程序

在手动操作方式下，各种动作都是用按钮操作来实现，其控制程序可以独立于自动操作程序而另行设计。手动操作控制很简单，可以很方便地按一般继电器控制线路来设计，其梯形图如图3-6所示。

为了安全，机械手的左/右移动只有当机械手处于上限位置时才能进行，因此需要在左/右移动的电路中设置上限联锁保护。

另外，由于左/右，上/下运动采用双线圈两位电磁阀控制，两个线圈不能同时通电，因此在左/右，上/下移动的电路中了互锁环节。

当运动选择开关置于“左/右”时，如机械手处于上限位置，则按起动按钮机械手右移，按停止按钮机械手左移。

当运动选择开关置于“夹/松”时，按起动按钮时夹紧，按停止按钮时放松。

当运动选择开关置于“上/下”时，按起动按钮时下降，按停止按钮时上升。

图3-6自动梯形图

（二）自动操作程序

本设计是一个按顺序动作的典型步进控制。

步进控制可以用一般PLC都具有的位移寄存器来实现，但更方便的是用步进指令和鼓形控制来实现。F1-40M具有位移寄存器和步进指令的功能，本设计用位移寄存器编程。

用移位器编程：

由于自动操作的控制比较，不容易直接设计出梯形图，因此可以先画出自动

的操作流程图，用以表明动作的顺序和条件，如图3-7所示。

图3-7自动操作流程图

图中，矩形方框代表完成某一动作的控制程序，方框之间的箭头线用以表示程序的转换，箭头线上的小横线用以表示转换的条件。