机械手的程序设计.doc

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毕业论文中文摘要
题目：机械手的PLC程序设计
摘要
工业机器人由操作机 (机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活泼，应用日益广泛的领域。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反响和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、准确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和效劳性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.
搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手〞。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现平安生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进展正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。
关键词：机械手，PLC.程序流程图

目录
摘要- 1 -
前言- 3 -
1机械手简介- 3 -
1.1机械手历史- 4-
1.2机械手构成- 4-
1.3机械手分类- 5-
2设计目标-6-
3机械手移开工件控制系统程序设计- 7-
3.1编程软件及应用- 7-
3.2程序流程图- 7-
4　机械手移开工件控制系统PLC程序- 9-
4.1系统资源分配- 9-
4.2源程序- 11-
4.2.1总体安排- 11-
4.2.2手动操作程序- 12-
4.2.3自动操作程序- 14-
4.2.4　操作系统总程序- 17-
5结论 - 22-
6参考文献-23-

前言
工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和
维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。
机械构造向模块化、可重构化开展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向开展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化构造:大大提高
机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人那么采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进展环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演开展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
当代遥控机器人系统的开展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳〞机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

1机械手简介
1.1机械手历史
机械手是在早期出现的古代机器人根底上开展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的开展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向开展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了根底。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。
　　机械手首先是从美国开场研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进展动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型〔示教再现〕是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN〞和UNIMATION公司推出的“UNIMATE〞。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成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平安，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
1.2机械手构成
　　机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大局部组成。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构造形式，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，其构造也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反响的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。
1.3机械手分类
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X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。机械手在锻造工业中的应用能进一步开展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。
机械手首先是从美国开场研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

2.设计目标
当机械手在原点时，按下启动按钮，接通状态S20,其接点接通Y3，执行下降动作。当碰到下限位开关时X4接通，又接通下一个状态S21，接着执行下一步动作。当机械手夹紧工件时，计时器计时完毕，计时器的常开触点闭合，接通状态S22，执行上升动作。当碰到上限开关时，X3接通，输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S23，机械手前进。当前进到最右边时，当碰到右限开关时，X6接通，输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S24，机械手开场下降。当碰到下限开关时，X4接通，输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S25，机械手松开。当机械手完全松开时，碰到松限开关时，X7接通，其输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S26，机械手上升。再碰到上限开关时，X3接通，其输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S27，机械手后退。碰到左限开关时，X5接通，其输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S20，机械手重复上个周期的操作。

3　机械手移开工件控制系统程序设计
3.1　编程软件及应用
由于本设计采用的是三菱FX2N-48MR-001模块，应选择三菱GX Developer编程软件。GX-Developer是三菱公司所制作的PLC编程软件，它包含了LLT仿真软件，用户可在个人计算器上模仿PLC的运作情况，大大减低测试的时间。它可以对三菱的所有PLC进展编程，包括FX系列PLC、A系列PLC和Q系列PLC。
它对计算机要求的最低配置为：
1〕Pentium级CPU，主频90MHz或者更快。
2〕最少16MB内存配置，40MB硬盘空间。
3〕微软Windows环境〔Microsoft Windows95 或者更新版本，或Microsoft WindowsNT 4.0 Service Pack3 或者更新版本〕。
4〕800×600 SVGA或者更高分辨率显示系统。
当程序编辑完成以后，运行程序，程序自动写入PLC的存储器，假设以后固定使用该程序，那么可拔除RS-232C数据通讯线，用CPU模块自带的RUN/STOP开关来运行/停顿程序。需要改动程序时，先将PLC设定在STOP的状态下，连接PC，运行GX-Developer编程软件，修改程序并写入PLC存储器，也可使用编程器进展编程和程序修改[11]。
3.2　程序流程图
1〕正常运行流程图
正常运行的流程图如图3-1所示：

图3-1正常运行流程图
2〕紧急停顿流程图
紧急停顿流程图如图3-2所示：

图3-2紧急停顿流程图

4　机械手移开工件控制系统PLC程序
4.1　系统资源分配
1〕数字输入局部
这个控制系统的输入有启动按钮，停顿按钮，急停按钮，上、下、前、后、松限位开关，手动，单步，单周期，连续操作方式选择，正/反、上/下、夹/松运动选择共15输入点，具体的输入分配如下：
x000 → 启动按钮
x001 → 停顿按钮
x002 → 急停按钮
x003 → 上限位开关
x004 → 下限位开关
x005 → 后限位开关
x006 → 前限位开关
x007 → 松限位开关
x010 → 手动操作方式选择
x011 → 单步操作方式选择
x012 → 单周期操作方式选择
x013 → 连续操作方式选择
x014 → 左/右运动选择
x015 → 夹/松运动选择
X016 → 上/下运动选择
2〕数字量输出局部
这个控制系统需要控制的外部设备有正转/反转旋转电磁阀线圈，正转/反转旋转电磁阀线圈，正转/反转旋转电磁阀线圈3个设备和一个原点指示灯，每个电磁阀线圈有两个状态，所以输出点应该有7点。具体的输出分配如下：
Y000 → 正转/反转旋转电磁阀线圈(正转)
Y001 → 正转/反转旋转电磁阀线圈(反转)
Y002 → 正转/反转旋转电磁阀线圈(上升)
Y003 → 上升/下降电磁阀线圈(下降)
Y004 →正转/反转旋转电磁阀线圈(夹紧)
Y005 → 夹紧/放松电磁阀线圈(放松)
Y006 → 原点指示
3〕定时器局部
这个控制系统夹紧工件时需要定时器来控制夹紧程度。根据现场设备的控制要求和工艺要求，设定夹紧/放下电磁阀线圈(夹紧)通电5s后即夹紧动作完成。
由此，选择定时器 T0 ，其参数设置为 K50 。
4〕内部继电器局部
在机械手移开工件控制系统中，需要根据所选择的不同操作方式来实现程序的不同流程。另外，在自动操作过程中，由于按下“停顿按钮〞的时间是任意的，但是又不需要系统立即停顿，而是完成一个周期的运动后自动的停顿在原点，即完成一个周期的运动后，之前的按下“停顿按钮〞的动作才开场起作用，因此，也需要一个内部继电器把之前按下“停顿按钮〞的动作〔电信号〕存储起来。因此需要选择的内部继电器如下：
M0 → 连续、单步、单周期的选择
M1 → 存储“停顿〞操作信号
5〕状态器局部
在控制系统中，由于自动操作是一个顺控操作，整个流程是步进的，所以在自动控制操作程序中，依据机械手的动作过程，需要用到的状态器如下：
S 0 → 初始状态
S20 → 下降工步工作状态
S21→ 夹紧工步工作状态
S22 → 上升工步工作状态
S23 → 正转工步工作状态
S24 → 下降工步工作状态
S25 → 放松工步工作状态
S26 → 上升工步工作状态
S27 → 反转工步工作状态
6〕指针P局部
在控制系统中，由于操作系统总体上分为手动操作和自动操作两局部，而且两局部是不允许同时出现在运行的程序中，所以需要用跳转指令跳过手动操作程序或者自动操作程序，使得在每次程序的运行过程中，只有手动操作程序和自动操作程序中的一个运行。选择的指针为 P0 ，P1 。
4.2　源程序
4.2.1　总体安排
本控制电路有四种控制方式，但其中的三种为自动方式，都与步进控制有关，可以一起设计。这样仅考虑两种情况就可以了，这两种情况可用跳转指令予以区分，其总程序构造框图如图4-1所示，由于手动程序和自动程序采用了跳转指令，故这两个程序可以采用同样的输出端子[12]。

图4-1总程序构造框图
在该构造图中，当操作方式选择开关置于“手动〞时，输入点X010接通，其输入继电器常闭触点断开，执行手动操作程序。当操作选择开关置于“单步〞或“单周期〞或“连续〞时，其对应的输入点X011、X012、X013接通，CJ前的梯级为假，程序不跳转而执行自动操作程序。
4.2.2　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的，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4-2所示。

图 4-2手动操作程序梯形图
当运动选择开关置于“进/退〞时，如机械手置于上限位置，那么按启动按钮机械手前进；按下停顿按钮机械手左移。当运动选择开关置于“夹/松〞时，按启动按钮时夹紧；按停顿按钮时放松。当运动选择开关置于“上/下〞时，按启动按钮时下降；按停顿按钮时上升。
在手动操作过程中，有两点是需要注意的：
1〕在单步、单周期、连续操作过程中，如果在夹紧过程中，按下“急停〞，那么机械手停顿动作。再次启动机械手运行时，需要先进展手动操作将机械手返回原点。手动操作时，选择“夹/松〞运行方式，只允许按“停顿按钮〞，使机械手执行放松动作。假设此时需要机械手进展手动操作使机械手执行夹紧动作，也只能是先按“停顿按钮〞，然后按“启动按钮〞进展操作，使机械手完全松开后，再执行夹紧动作。这样操作的目的是防止机械手由于前后两次的“夹紧〞的动作运行超过5s〔由定时器控制〕，从而使机械手手部由于长时间的夹紧发生形变。
2〕手动操作也有“急停〞形式，操作过程中只需按下相应的按钮，直到到达相应的位置，限位开关动作，运动停顿。假设在运行过程中需要机械手停顿动作，那么只需要按下“急停按钮〞即可。
4.2.3　自动操作程序
1〕连续操作
当机械手在原点时，按下启动按钮，接通状态S20,其接点接通Y3，执行下降动作。当碰到下限位开关时X4接通，又接通下一个状态S21，接着执行下一步动作。当机械手夹紧工件时，计时器计时完毕，计时器的常开触点闭合，接通状态S22，执行上升动作。当碰到上限开关时，X3接通，输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S23，机械手前进。当前进到最右边时，当碰到右限开关时，X6接通，输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S24，机械手开场下降。当碰到下限开关时，X4接通，输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S25，机械手松开。当机械手完全松开时，碰到松限开关时，X7接通，其输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S26，机械手上升。再碰到上限开关时，X3接通，其输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S27，机械手后退。碰到左限开关时，X5接通，其输入继电器的常开触点闭合，接通下一个状态S20，机械手重复上个周期的操作。
其自动操作中连续运动的状态转换图如图4-3所示。

图4-3自动操作中连续运动的状态转换图
下面从可编程序控制器的工作原理来分析所设计的工作流程状态转换图。
可编程序控制器采用周期性方式工作，每个循环周期含有假设干阶段：
a 诊断阶段：可编程序控制器自检，当状态正常时，进入下一步工作，否那么待机。
b 联机通信阶段：可编程序控制器与上位计算机及其它可编程序控制器相联时，进展联机通信，传送本机状态信息和接收上位计算机指令。
c 输入采样阶段：对现场信号输入端口状态〔ON或OFF，即“0〞和“1〞〕进展扫描，并将信号状态存放输入状态存放器，也称输入刷新，可编程序控制器工作在其它阶段时，即使信号状态发生变化，输入状态存放器内的内容也不会发生变化，状态变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才能被读入。
d 程序执行阶段：可编程序控制器从程序第一条指令开场按顺序执行，所需要的数据如输入状态和其他元素状态分别由输入状态存放器和其他状态存放器中读出，程序执行的结果分别写入相应的元素状态存放器〔包括输入状态存放器〕，输出状态存放器中的内容会随着程序执行的进程而变化。
e 输出刷新阶段：程序执行完毕后，输出状态存放器中的内容送输出锁存器，产生设备驱动信号，驱动负载设备，完成实际的输出。
可编程序控制器依次执行每个工作阶段工作，如此往复循环，完成一个周期工作的时间即是一个工作周期〔或扫描周期〕，工作周期的长度与用户程序的长度对应[4]。
可编程序控制器程序开场“RUN〞后，M8002发出一个扫描周期的脉冲，在可编程序控制器“STOP〞之前，即可编程序控制器一直处于“RUN〞状态，M8002就不会再发生脉冲。
注意：有时候机械手没有动作，并不能说明可编程序控制器没有运行。有可能是程序依然在运行，只是此时的程序不满足机械手动作的条件，所以这种条件下，M8002不会发生脉冲。所以只在可编程序控制器开场运行、按下“停顿〞按钮和单周期操作方式时，RST M1 指令才被执行，其余的任何时候的任何一个扫描周期均不执行。
值得说明的是连续操作的条件，只有当旋转按钮选择“连续〞操作方式的时候，并且在运行的过程中没有按下“停顿〞按钮，该机械手移动系统才能连续不断的运行下去。但是如果选择“连续〞操作方式，在运行的过程中按下了“停顿〞按钮，机械手完成一个周期后自动停顿在原点，而不继续运行。同样，无论是在什么操作方式下，如果按下“急停〞按钮，机械手立即停顿动作。再次运行时，需要手动操作先将机械手移动原点，然后再执行其他操作。
在机械手的自动操作方式中，用内部继电器M0将自动方式分为了连续/单步操作和单周期操作。内部继电器M0通电，机械手运动程序转向连续/单步操作。内部继电器M0不通电，机械手运动程序转向单周期操作。
2〕单步操作
当连续操作程序要实现单步操作的功能时，可以在连续操作的程序根底上作一些简单的修改，即在连续操作的程序中加上图8-4中的虚线局部的单步操作单元即可。

图4-4单步操作单元
当没有选择“单步〞操作时，对应的输入继电器不通电，其常闭触点闭合，常开触点断开，该单步操作单元可以看作一条导线，没有实际意义。如果选择“单步〞操作方式，对应的输入继电器通电，其常闭触点断开，常开触点闭合，按下“启动〞按钮，常开触点支路通电，其连接的相应继电器带电，带电继电器的自锁触点闭合，从而使该带电继电器持续带电，使得机械手能够完成完整的一步动作。
3〕单周期操作
单周期操作是机械手自动完成一个周期的动作后自动的停顿在原点。当操作方式旋转开关选择“单周期〞时，按下“启动〞按钮，机械手就能实现这样的操作。同时，如果选择“连续〞操作方式，按下“启动〞按钮，机械手开场连续工作方式运动，如果在此之后的任意时刻按下“停顿〞按钮，此后机械手的动作过程也同于“单周期〞，即运动到原点自动停顿。
当内部继电器M0不通电，机械手运动程序转向单周期操作。
4.2.4　操作系统总程序
由前面的章节，依据操作系统总程序构造框图，将手动操作、单步、单周期、连续操作的程序全部编辑到总程序中，即可得到操作系统的总程序。机械手移开工件控制系统的总程序梯形图如图4-5所示。
到此为止，基于PLC的机械手移开工件控制系统硬件和软件局部均已全部设计完毕。

图4-5机械手移开工件控制系统的总程序梯形图
5结论
在机械手移动物体控制系统中，用PLC控制机械手的正转/反转、上升/下降、夹紧/松开。这种控制的好处在于只要系统有输入〔按下相应操作的按钮〕，相应的电磁阀线圈就会马上得电，系统就会马上动作，响应时间迅速。而且通过限位开关来控制最大行程，控制精度也得到了提高。在控制系统中采用了可编程序控制器来控制驱动装置，可编程序控制器不仅仅内置了许多继电器，而且还设置了多个定时器，计数器，这样使系统的接线到达了最简，减少了误差产生的时机。
应用可编程序控制器的最大的一个好处在于它是通过编辑程序来完成控制要求的，根据不同的控制要求，编辑不同的控制程序。在系统接线不变更的情况下，只需要适当改变控制程序，就能满足新的要求。而且系统的动作严格按照程序执行，减少了误动作。在人力、物力、财力上都得到了节余。
因此，在机械手移开工件控制系统的设计中，采用技术先进，可靠性非常高的可编程控制器，这使得机械设备更灵活有效，动作准确，易于维护，劳动生产率大大提高，各种操作方式的自由切换，满足了各种生产需求。

6参考文献
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