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基于PLC控制的工业机械手设计

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作者简介：张慧鹏（1980-），男，山西运城人，助教，硕士，主要从事机械设计制造及理论方面的工作。收稿日期：2008-12-08；修回日期：2009-02-180引言随着我国工业自动化水平的不断提高，在机械加工与制造领域，以及各种装配与包装自动化生产线上，机械手的应用已相当普遍。机械手通常担负着上料、下料等加工任务[1-2]。由于PLC顺序控制具有系统简单、可靠，控制灵活方便等特点，而且从PLC诞生之日起，其最基本、最普遍的应用领域就是在工业环境下的顺序控制，因此，基于PLC顺序控制的机械手在工业自动化领域中得到广泛的应用[3,4]。1机械手系统组成与工作原理本文设计的机械手具有三个自由度，分别由机械手的腰、肩、肘三个关节进行独立控制和联动，其结构简图见图1所示。现对关节的结构与特性予以说明。1）腰关节。腰关节带动机身在水平面内做旋转运动。它由直流力矩电动机驱动，由于齿轮系传动形式简单，传动精度及效率也比较高，所以采用三级齿轮减速传动。2）肩关节。肩关节是一种悬臂梁结构，由直流力矩电动机驱动，经过涡轮蜗杆副传动。3）肘关节。肘关节的传动采用摆动螺旋结构，这种机构的特点是稳定可靠、结构紧凑，也由直流力矩电动机驱动。

上述机械手各关节的运动位置检测，均采用电位器反馈方式。腰关节的位置检测电位器与腰关节驱动系统的末级齿轮中心轴同轴安装；肩关节位置检测电位器安装在蜗杆轴上；肘关节位置检测电位器与其连接销轴同轴安装。机械手的PLC顺序控制实际上是一种点位控制。以腰关节为例，要控制腰关节由静止状态启动，旋转一定的角度，采用PLC的顺序控制原理如图2所示。PLC首先通过输出电路驱动电动机旋转，电动机通过齿轮传动，带动腰关节转动；然后，由位置检测电位器将腰关节的实际转角位置信号送入输入电路，在输入电路中，腰关节的实际转角与给定转角位置进行比较，如果腰关节的实际转角位置达到了给定的转角位置，输入电路将产生停转信号送入PLC；最后，PLC通过输出电路使电动机制动，完成腰关节的运动。其它关节顺序控制方法与腰关节类似。2控制系统硬件设计机械手的PLC顺序控制系统设计可以按以下三个步骤进行：1)进行输出电路的设计。2)进行输入电路的设计。3)根据输入、输出点数与要求进行PLC选型，从而构成完整的硬件系统。2.1输出电路的设计机械手各关节的运动是由直流力矩电动机驱动的。这种电动机反应速度快、线形度好、结构紧凑，并能经常工作于堵转和低速状态，广泛应用于位置或低速伺服系统中。直流电动机的驱动可以采用线性大功率放大器和开关控制两种方案，其中开关控制特别适合PLC顺序控制。因此，只要选择合适的继电器输出型PLC，让PLC直接驱动直流电动机，就会大大简化机械手输出电路的设计。典型的直流输入、继电器输出的PLC输出接口原理，如图3所示。当PLC内的程序控制其内部电路给继电器线圈通电后，继电器的触点闭合，接通外部输出回路，使接于OUT端的执行元件L通电，从而驱动被控对象产生预定的动作。如果执行元件L就是机械手的某个关节上的直流电动机，当继电器闭合时，电动机基于PLC控制的工业机械手设计张慧鹏，刘小琴，贾毅朝（运城学院机电工程系，山西运城044000）【摘要】设计了一种基于直流力矩电动机的三自由度工业机械手，论述了该机械手的机械结构及其控制系统的硬件、软件设计。该机械手可广泛用于机械生产过程上料、下料等加工任务。【关键词】机械手；PLC；直流力矩电动机【中图分类号】TP241.2【文献标识码】A【文章编号】1003-773X（2009）04-0045-02

图1

机械手结构简图图2

控制原理图第24卷第4期(总第109期)机械管理开发2009年8月Vol.24No．4(SUMNo．109)MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENTAug．2009

45··第24卷第4期(总第109期)机械管理开发2009年8月两端上电，则电动机旋转，从而驱动对应关节运动。为了实现电动机的正反转，机械手各关节的PLC顺序控制输出电路采用桥式接法。同时由于机械手的腰关节和肩关节的惯量较大，在点位控制时，容易产生过冲现象，因此采用分级变速驱动方案减少过冲，如图4所示。2.2输入电路的设计机械手各关节的位置反馈是通过安装在各关节的精密电位器实现的，这些电位器将各关节的转角位置转换成对应的模拟电压信号。在输入电路中，各关节的实际转角位置反馈电压信号与给定转角位置电压信号进行比较，给出开关型误差信号，这些信号送入开关型输入的PLC中，PLC由此判断各关节运动是否到位，从而接通（或切断）相应输出触点，实现各关节的点位控制。典型的开关型PLC输入接口电路如图5所示，当输入端IN出现高电平或低电平时，通过光耦将此开关量送入PLC内部电路，从而执行有关操作。2.3PLC的选型确定了顺序控制系统的输入、输出电路后，就可以根据其输入、输出方式和所需要的接触点数选择PLC。在上述对输入、输出电路的分析与设计中可以看出：机械手的PLC顺序控制需要11个直流开关型输入触点（包括一个系统开关）、12个继电器型输出触点及5个定时器，因此，选用日本OMRON（立石）公司的C28P型PLC，能够满足机械手顺序控制要求，其主机箱如图6所示。

3控制系统软件设计PLC顺序控制系统软件要满足：1)系统总开关闭合时，腰、肩、肘各关节首先分别复位，回到各自下限位置，然后分别转到上限位置，再反转到下限位置，如此反复动作。2)在各关节运动到上限或下限位置时，均有1s延时，并进行反接制动；在各关节运动到次上限和次下限位置时，进行减速运行。3)系统总开关断开，全部动作停止。其程序设计流程如图7所示。4结束语基于PLC控制的工业机械手能够满足腰、肩、肘关节各自由度的单独运动及同时运动，因而可以实现物体的自动循环搬运，多个机械手可以联动完成物体的连续搬运。控制系统可以通过编程器，实现操作命令的及时修改和下达，简单实用。参考文献[1]高钟毓.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，1997.[2]孙兵，赵斌，施永辉.基于PLC的机械手混合驱动控制[J].液压与气动，2005(3):37-39.[3]张铁异，何国金，黄振峰.基于PLC控制的混合型气动机械手的设计与实现[J].液压与气动，2008(9)：6-8.[4]沈孝芹，张蔚波，于复生等.基于单片机控制的气动搬运机械手的研制[J].液压与气动，2008(8)：14-15.图3输出接口原理图

图4

分级变速驱动输出电路

图5基本输入电路图6C28P型PLC

主机箱

图7

程序流程图

DesignonIndustrialManipulatorBasedonPLCSequentialControlZHANGHui-peng,LIUXiao-qin,JIAYi-chao（DepartmentofMechanical&ElectricalEngineering,YunchengUniversity,Yuncheng044000,China)〔Abstract〕Theindustrialmanipulatorof3-DOFhasbeendesignedbasedonDCtorquemotor,discoursesmechanicalstructureandhardware-softwaredesignofcontrolsystem.Itiswidelyusedintheprocessofmachineryproduction,suchasfeedingandcuttingprocessingtasks.〔Keywords〕Manipulator;PLC;DCtorquemotor.46··

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毕业设计--基于PLC的机械手控制系统设计

毕业设计--基于PLC的机械手控制系统设计

设计题目 基于PLC的机械手控制系统设计

摘 要

【摘要】

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

ABSTRACT

Manipulator hand and arm can imitate the certain movements function, according

to fixed program to grab, transporting or operating tool for automatic operation

of the device. It can replace the hard labor in order to realize people the

基于S7-300 PLC的一种工业机械手控制系统设计

基于S7-300 PLC的一种工业机械手控制系统设计

１１Ｏ　基于Ｓ７—３００　ＰＬＣ的一种工业机械手控制系统设计　

基于Ｓ７—３００　ＰＬＣ的一种工业机械手控制系统设计　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｒｏｂｏｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓ７——３００　ＰＬＣ　

马林联　（贵州轻工职业技术学院，贵州贵阳５５０００３）　

摘　要　

对一种由三相交流电动机和气缸等组成的工业机械手工作原理进行了分析，将Ｓ７—３００　ＰＬＣ应用于其控制系统，完成　

了系统的硬件设计和软件设计。　

关键词：机械手，Ｓ７—３００　ＰＬＣ控制　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　

Ｉｎ　ａ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ａｃ　ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｒｏｂｏｔｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａｐ—　

ｐｌｙｉｎｇ　Ｓ７—３００　ＰＬＣ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，Ｓ７—３００　ＰＬＣ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

本文介绍的以Ｓ７—３００　ＰＬＣ为控制核心的机械手，可以实　

现手动运行及自动运行下各种动作。该机械手可应用于中、小批　

量生产柔性制造自动化生产线，特别适用于轮胎生产搬运过程。　

１　机械手结构与动作　

整个机械手结构如图１所示，机械手由升降电机、刹车气　

缸、架、方轴、固定板、滚珠丝杠、丝杠母、抓轮胎爪子、抓轮胎气　

缸、转盘、旋转油缸、　

撞块等组成。　

机械手工作原　

理：起初机械手处于　

原位，当有轮胎需搬　

运时，机械手在升降　

电机、滚珠丝杠和丝　

杠母的传动下降，进　

行抓轮胎，随后机械　

手上升到上升位置，　

在旋转油缸的作用下　

机械手转盘逆时针旋　

转１２０。，当机械手转　

盘旋转到位后，刹车　

气缸动作刹车，随后　

机械手下降到下降位　

置，进行释轮胎，释轮　

基于PLC的工业机械手运动控制系统设计

基于PLC的工业机械手运动控制系统设计

基于PLC的工业机械手运动控制系统设计

基于PLC的工业机械手运动控制系统设计

摘要：

随着现代工业的发展和自动化水平的提高，工业机械手在生产线上的应用越来越广泛。为了实现机械手的精确运动控制，保证其稳定性和可靠性，本文基于PLC技术，设计了一种工业机械手运动控制系统。通过分析机械手的运动特点，建立动力学模型，并结合PLC的运动控制功能，实现机械手的运动规划和运动控制。实验结果表明，该系统能够实现工业机械手的准确控制和高效运动。

一、引言

工业机械手在现代工业生产中扮演着越来越重要的角色，能够代替人工完成重复性高、危险性大的作业任务。在机械手的运动控制中，精确控制和灵活性是关键。传统的机械手控制方法往往采用脉冲信号生成器和运动控制卡等设备，但其结构复杂、成本较高，限制了机械手的应用范围。而基于PLC的机械手运动控制系统，通过集中控制单元实现运动规划和控制，在实际应用中具有更高的可靠性和灵活性。

二、工业机械手系统架构

工业机械手系统由机械手本体、传感器、PLC控制器和人机界面组成。机械手本体包含关节、链杆和末端执行器等部分，通过传感器获取位置信息反馈给PLC控制器，PLC控制器根据算法处理并给出控制指令，通过驱动装置控制机械手运动。

三、机械手运动控制算法

机械手运动控制算法是整个系统的核心。首先，根据机械手的动力学特性建立数学模型，包括机械手的运动学方程和动力学方程。然后，通过运动规划算法确定机械手的运动轨迹和速度。最后，根据运动规划结果，设计控制算法，包括位置控制、速度控制和力控制等。这些算法都运行在PLC控制器上，实时反馈机械手的动态信息，并动态调整控制指令，实现机械手的精确运动控制。

四、PLC控制器硬件设计

PLC控制器是整个系统的核心控制单元，负责接收和处理传感器的反馈信号，并输出控制指令控制机械手运动。在硬件设计中，PLC控制器采用高性能的工控机和专用运动控制卡结合的形式，通过高速数据总线连接，并与传感器和执行器交互。此外，为了提高控制系统的可靠性，PLC控制器还具备故障检测和自诊断功能。

基于PLC的机械手控制系统设计

基于PLC的机械手控制系统设计

基于PLC的机械手控制系统设计

目录

一、内容概括................................................2

1. 研究背景和意义........................................3

2. 国内外研究现状........................................3

3. 研究目的和任务........................................5

二、PLC技术基础.............................................6

三、机械手控制系统设计原理..................................7

1. 机械手控制系统概述....................................8

2. 机械手控制系统的组成..................................9

3. 机械手控制系统的工作原理.............................10

四、基于PLC的机械手控制系统设计............................11

1. 系统设计目标.........................................13

2. 系统设计方案.........................................13

3. 控制系统硬件设计.....................................15 4. 控制系统软件设计.....................................17

五、PLC在机械手控制系统中的应用实现........................18

1. PLC的选型与配置......................................19