基于PLC的工业机械手在自动化生产线中的应用.pdf

电气与 自动化 张劲 基 于 P L C的 _ ．v - l k 机械 手在 自动化生产线 中的应 用 基 于 P L C的工业机械 手在 自动化 生产线 中的应用 张劲 扬州职业大学 ， 江苏 扬州 2 2 5 0 0 9 摘要 工业机械手在现代工业 自动化领域扮演着极其重要的角色， 重点介绍了基于P L C的机 械手控 制 系统的组成 ， 详 细论 述 了对机械 手进 行控 制的软 、 硬件 实现 方法。方案造 价低廉 ， 结 构简单， 编程容易， 可靠性高。 关键词 工业机械手 ； 可编程控制 器； 工业 自动化 ； 控 制 中图分 类号 T P 2 4 1 ． 2 文献标志码 B 文章 编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 4 0 4 0 1 3 3 0 2 Ap pl i c a t i o n o f I n du s t r i a l M a n i p ul a t o r i n Aut o ma t i c Pr o d uc t i o n Li n e Ba s e d o n PLC Z HAN G J i n Y a n g z h o u P o ly t e c h n i c C o l l e g e ， Y a n g z h o u 2 2 5 0 0 9 ， Ch in a Abs t r a c t I n du s t r ial ma n i p ula t or play s a n i mp or t an t r ole i n t h e mo de r n i n du s t r i a l a u t oma t io n f i e l d， t h e p ap e r mainly in t r o du c e s t h e c o n f i g ur a t ion o f t h e ma nipu lat or c o n t r o l s y s t em b as e d o n PL C， dis c u s s e s it s s o f t war e a n d ha r dwar e d e s i g n me t h o d． Th e s c h e me h a s t h e ad v a n t ag e s o f lo w c o s t ，s i mp l e s t r u c t ur e ， e a s y pr o gr a mmi n g an d hig h r e l iab i l it y． Key wor d s in du s t r ial ma n i p ula t or ； PL C； i n d u s t r i a l a u t oma t io n； c o n t r o l 0 引言 工业机械手是一种模仿人手动作， 并按照设定的程 序、 轨迹和要求代替人手抓取 、 搬运物件 ， 从事焊接、 喷漆、 装配等工艺操作 的机 电一体化装置 。近年来 ， 机械手在 自 动化领域 中得 到越来 越多的应用 ， 它可替代人 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 ， 广泛应用于机械制造 、 冶金、 电子、 航空航天 等部 门。工业机械手 的控 制系统是通过控制 电磁换 向 阀、 气缸等来实现不同动作的， 可以采用单片机控制 ， 也可以 采用 P L C控 制。若采用 单 片机 控制 ， 由于 电磁 阀 的工作 电压高于单片机 ， 所需驱动电流较大， 须设计功率接口电 路， 还要进行抗干扰和可靠性设计。采用 P L C控制 ， 则无 需考虑上述问题 ， P L C以其高可靠性、 高柔性、 丰富的 I ／ O 接 口等优点而被广泛应用于各种 自动化生产设备和生产 线上 。图 1为工业机 械手的结构示意 图 1 - 2 ] 。 前手移动气缸 上下移动气 气 动手指 制 系统 的控制方案 及其 软硬件结构的设计方法 ， 该控制 系 统造价低廉 、 线路简单、 通用性好， 具有一定的代表性。 1 自动搬运 系统的结构和控制要求 1 - 1 机械 手控 制要求 如图 2 所示 ， 机械手控制系统需实现从左高位为起点 的一个循环过程。机械手在左高位启动首先下降， 当手下 降到工件位置时停止下降并夹紧工件， 接着机械手夹着工 件开始上升， 上升到指定高度后， 开始右移到指定位置时 开始下降， 到可以放工件的位置时放下工件 ， 然后机械手 开始上升 ， 到指定高 度后再左 移到起 点位置 ， 完成 一次 工 作循环。 向左 向右 图 2 机械手 自动搬运系统示意图 1 ． 2 机械手工作原理 图 1 工业机械手结构示意图 图 3为机械手的气动原理图 。其工作原理为 开始时 本 文重点 阐述 了气动 工业 机械手 搬运物件 的 P L C控 机械手停在原位 ， 此 时 电磁 铁 5 Y A通 电， 机械 手松 开 ， 按 作 者简介 张劲 1 9 7 4 一 ， 男 ， 江苏扬 州人 ， 讲 师 ， 硕 士 ， 主要从 事机电液一体化方 面的教学和科研工作 。 Ma c h i n e B u i l d i n g g Au t o m a t i o n ， Au g 2 0 1 4， 钉 4 1 3 3 1 3 4 ， 1 3 9 1 3 3 电气与 自动化 张劲 基 于 P L C的工业机械手在 自动化生产线 中的应用 下启动按钮时， 电磁铁 2 Y A通电， 气缸 5的活塞带动机械 手下降， 下降到位时， 压下限位开关， 2 Y A断电， 气缸使机 械手停止下降； 同时使 5 Y A断电， 气缸 1 7的活塞带动机 械手夹紧工件。夹紧后 电磁铁 I Y A通 电， 气缸 5的活塞 带动机械手上升。上升到位时压下限位开关 ， 使 1 Y A断 电， 上升停止。同时使电磁铁 3 Y A通电， 气缸 1 1的活塞 带动机械手右移 。右移 到位 时压 下 限位 开关 ， 使 3 Y A 断 电， 机械手右移停止。若此时工作台上没有工件， 则光电 开关接通， 使电磁铁 2 Y A通电， 气缸 5的活塞带动机械手 上升 I F降 下降。下降到位时压下限位开关， 使 2 Y A断电， 机械手停 止下降。同时 5 Y A通 电， 气缸 1 7的活塞带动机械手松 开 。放松后 1 Y A通 电 ， 气缸 5的活塞带动 机械手上升 ， 上 升到位时压下限位开关， 使 1 Y A断电， 机械手停止上升， 同时使 电磁 铁 4 Y A通 电 ， 气缸 1 1的活塞 带 动机 械 手左 移。移动至原点时压下限位开关， 使 4 Y A断电， 机械手左 移停止， 一个周期的工作循环到此结束。单向节流阀 4 ， 6 ， 1 0 ， 1 2 ， 1 6 ， 1 8用来提高气缸动作时的速度稳定性。液 控单向阀3和 7用来防止在机械手停止时上下漂移 J 。 2 P L C控制 系统设计 图 3 机械 手气 动原理 图 2 ． 1 输入／ 输 出点数分配 根据机械手 的动作控制要求和控制信号数量 ， 画出机 械手 P L C控制流程 图 图 4 ， 并确 定 P L C输 入／ 输 出点 数 1 3 4 图 4 P L C控制流程图 表 1 。本 系统 选 用 F X 2 N一 4 8 MR 型 P L C 。F X 2 N系 列 P L C具有可靠性高、 抗干扰能力强、 控制程序可变、 编程简 单 、 扩展方便、 体积小、 价格低等优点 ， 为多数 自动控制系 统所采用 。 表 1 P L C输 输 出分 配表 输入信号 输 出信号 2 ． 2 硬件设计 P L C控制系统与机械手本体的连接主要是针对 P L C 的输入 和输 出设备而 言的。连接时参照 P L C控制 系统 的 下转第 1 3 9页 h t t p ∥Z Z H D． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． 1 3 1 1 E ma i l Z Z HD c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 电气与自动化 阮远强， 等 6 - T H R T并联机器人的误差模型研究 从上图可以知道在小范围内运动， 0 。 ， 0 对动平台位 置变化的影响是 比较明显的， 证明铰链的制造安装和间隙 误差会对机构位置会产生较大的影响。而转角对动平台 位姿角的影响不大 除了奇异点位置 ， 可能是由于本机 构的运动范围比较小所导致的。此次仿真结果为机构的 误差补偿提供了一定的理论研究依据。 4 结论 针对 本 文所 分 析 的 6 一 T H R T型 并 联 机 构 ， 并 结 合 m a t l a b对其进行运算仿真， 可以得到如下结论 1 本文采用了一种中心轴测量模 型的直接测量方 法 ， 避免了因间接测量而引起的部分误差因素。在安装过 程中， 测量机构要保证始终处于不受力状况， 进一步减少 了测量机构的误差源， 间接地提高了本测量机构精度。 2 针对本机构的特点， 采用了基于 D - H矩阵的一般 工业机器人误差分析法 ， 该方法将铰座安装位姿误差、 铰 链制造误差 以及测量轴本身和驱动杆长等几何误差全部 计人到了误差模型中， 通过 M a t l a b分析， 铰链的制造与安 装是该并联机构末端产生误差的主要因素， 因此在设计与 安装时要尽量减小机构静态误差 ， 以提高机床的精度。 参考文献 [ 1 ]黄真 ， 孔令富 ， 方跃 法． 并 联机 器人机 构学 理论及 控制 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 7 ， 3 5 4 1 5 ． [ 2 ]D ． S t e w a r t ． ” A p l a tf o r m w i t h s i x d e g r e e s o f f r e e d o m， ” P r o c ． I n s t ． Me c h ． E n g ． ， 1 9 6 5 ／ 1 9 6 6 ， 1 8 0 5 3 7 1 3 8 6 ． [ 3 ]Wa n g． S ． M．E r r o r Mo d e l a n d A c c u r a c y A n a l y s i s of a S i x D of S t e w a r t p l a t f o rm [ c] ．Ma n u f a c t u r i n g S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 5， 2 1 5 1 9 5 3 0 ． [ 4 ]李叔祥． 6 一 T HR T并联机 器人 的标定研究 [ D] ． 南京 南京理工 大学 ， 2 0 0 4 ． [ 5 ]陆敏智． 6 - T H H T 并联机器人的多传感器测控系统研究[ D ] ． 南京 南京理工大学 ， 2 0 0 6 ． [ 6 ]叶冬 明． 新型大工作 空间并 联机构 及其性能研 究 [ D] ． 南 京 南京理工大学 ， 2 0 1 2 ． [ 7 ] 单鹏， 谢里阳， 田万禄， 等． 基于 D H矩阵的S t e w a r t 型并联机 床位误差计算模型[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 0 ， 4 6 1 7 1 8 6 一 】 9 0 收稿 日期 2 0 1 3 0 42 4 上接第 1 3 4页 外部 I ／ 0连接图和主电路图进行。系统中机械手的控制 面板采用触摸屏结构， 可以节约大量的 I ／ O连接时间。除 限位开关具有实体需要连接外 ， 其他控制开关均无需连接 实体。P L C的输出端子只接通各个气缸的换向电磁阀即 可。其他指示灯均可在触摸屏中显示。工作时只要能够 满足 P L C处于通电状态 ， 控制程序也已经下载到 P L C中， 通过触摸屏就可以完成所有工作过程。由此可以看出触 摸屏式控制界面 比机械式控制面板具有很大 的优势。 P L C与触摸屏的通讯极为简单 ， 可以通过标准的电缆 R S 一 2 3 2连接， 在 P L C和触摸屏的实体上都有这些标准电缆的 连接接 口。图 5为控制系统硬件结构 图[ 6 - 7 3 。 图5 控制系统硬件结构图 2 ． 3 软件设计 根据上述的流程图可以得到 P L C控制系统梯形图。 由于本机械手控制系统动作顺序性强 ， 每一步的动作均在 前一步动作完成之后进行， 故也可采用 F X 2 N系列P L C的 顺序控制指令画出顺序功能图 S F C ， 再转化成梯形图， Ma c h i n e B u i l d i n g 8 Au t o m a t i o n ，A u g 2 0 1 4 ， 4 3 4 1 3 5 1 3 9 本 文不再 赘述 。 3 结语 工业机械手是工业及非产业界的重要生产和服务性 设备 ， 也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工 业机械手的设计和制造涉及到机械设计与制造、 电气控 制、 液压和气压传动等方面的专业知识 ， 是多种学科交叉 融合的典型机电一体化装置。而机电液 气 一体化是现 代工业自动化发展的必然趋势， 是机电类专业学生必须掌 握的一门综合性知识。若将其制作成教学模型， 对学生 机、 电、 液 气 等各门知识的深化和综合运用， 都有着非 常重要的意义 。 参考文献 [ 1 ]左健民． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 5 ． [ 2 ]成大先． 机械设计手册[ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 3 ]初航． 零基础学三菱 F X系列 P L C [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 1 0 ． [ 4 ]王善刚 ， 许海斌． P L C在机械手中的应用[ J ] ． 长春工程学 院学 报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 9 3 4 5 4 8 ． [ 5 ]王小玲． 工业机械手 的 P L C控制 [ J ] ． 机 电工 程技术 ， 2 0 0 4， 3 3 9 3 2 3 6 ． [ 6 ]张群生． 机 械手 的 P L C控制 系统 [ J ] ． 装 备制 造技 术 ， 2 0 0 7 ， 6 1 0 9 一 l 1 3 ． [ 7 ]胡云堂 ， 江卓 达． 多 自由度 柔性生 产线送 料机械 手系统设 计 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 1 ， 6 4 5 4 7 ． 收稿 日期 2 0 1 30 51 4 l 39