简易物料搬运机械手结构设计及PLC控制系统研究（共5篇）

第一篇：简易物料搬运机械手结构设计及PLC控制系统研究

简易物料搬运机械手结构设计及PLC控制系统研究

摘要

随着工业自动化进程的加快，搬运机械手的应用也得到了飞速发展，主要在体现在汽车，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方面, 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。

本机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸则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二位电磁阀控制，放松夹紧则由一个单线圈二位电磁阀控制。通过在各个不同部位的限位开关产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作。其动作过程包括：下降、夹紧、上升、右移、下降、放松、上升、左移；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。

关键词：搬运机械手，可编程控制器（PLC），气缸，电磁阀

ABSTRACT With the acceleration of industrial process automation, handling robot application has been rapid development, mainly the production line or in terms of cargo transported automotive, electronics, machinery processing, food, medicine, etc., may be better to save energy and improve efficiency of transport equipment or products to reduce restrictions and lack of other transport modes, to meet the requirements of modern economic development.All movements of the robot driven by the cylinder, and the cylinder from the corresponding solenoid valve control.Among them, the rise and fall right and left respectively, by two dual-coil solenoid valve controlled by a single coil loosen the clamping two solenoid valves.Off different parts of the signal transmission generated by the limit switch to the controller PLC, the PLC program via different output signals to drive an external coil or solenoid to control the motor to produce different actions.Its course of action, including: reduced clamping rise, right, down, relax, up, left;its mode of operation include: back in place, manual, single-step, single cycle, continuous;to meet a variety of production operating requirements.Keywords: Handling robots, programmable logic controller(PLC), cylinder, solenoid valve

前言…………………………………………………………………………………1 第一章机械手的概况

1.1 机械手的应用简况…………………………………………………2 1.2 机械手的应用意义………………………………………………………3 1.3 机械手的发展概况………………………………………………………3 第二章搬运机械手PLC控制系统设计

2.1 搬运机械手结构及其动作……………………………………………… 2.2 搬运机械手系统硬件设计……………………………………………… 2.3机械手的控制要求 ……………………………………………… 第三章搬运机械手控制程序设计

3.1机械手的结构…………………………………………………… 2 I/O分配………………………………………………………………… 3 梯形图的设计…………………………………………………………… 1）梯形图的总体设计…………………………………………………… 2）各部分梯形图的设计………………………………………………… 3）绘制搬运机械手PLC控制梯形图……………………………………

结论……………………………………………………………………………… 谢辞………………………………………………………………………………

前言机械手最早是由美国人开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，被称为：mechanical hand。

主要是为了减轻人类繁重的劳动，能有效防止人类在有危害的环境下受到伤害，是能模仿和替代人类的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，机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

机械手主要分成三大部分：执行机构、驱动机构、控制系统。执行机构是在躯体的支撑下利用手部抓持住工件精确地运送到相应的位置；机械手所应用最为广泛的驱动机构主要是：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。控制系统中机械手的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动加减速度等。控制系统采用数字顺序控制，以插销板用的形式最多见。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

第一章

机械手的概况 1.1机械手的应用简况

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

在工业制造领域，利用机器手在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作，达到事半功倍的效果。在军事领域，让机器手执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些危险的任务。在医疗领域，机器手可以用来辅助护士进行一些日常的工作，有些国家还发明了一种可以进入人体血管的微型机器手，帮助医生在病人的血管内灭杀病毒。

国内外还将机械手应用于冷加工、热加工、拆装修方面。工业机械手以成为不可或缺的重要工具。

1.2 机械手的应用意义

（1）推进了工业自动化进程的发展。

应用机械手，加快了材料的传送速度，使人力劳动得到进一步解放，工业生产机械化和自动化相得益彰。

（2）改善了劳动人民的生产环境。

利用机械手，使工人的安全得到良好的保障，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。

（3）提高了生产效率，节约了人力资源。

通过机械手，解放了劳动生产力，机械作业直接替代了手工作业，保障了人类健康和减轻了人类的负担。还可以更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

1.3 机械手的发展概况

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是近年来机械自动化的发展方向，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术，也是科学技术进步的重要体现。

第一代机械手是以模拟关节式的形式出现的，这也是最早的机械手。

随着科技的不断创新第二代机械手也在50～60年代诞生。是以传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。后来随着日本出现了装配机械手，装配机械手进入鼎盛时期。现代机械手的研究始于20世纪中期发展，在我国的三大产业中都有重要应用，机械手技术也得到飞速的多元化发展。

三代机械手的不段演变，体现了科学技术水平的不断攀升，人类自主创新能力的不断提高。逐步减少人力劳动是三代机械手演变过程的前进方向。

第二章搬运机械手PLC控制系统设计

2.1 搬运机械手结构及其动作

该机构的上升、下降和左移、右移是由双线圈两位电磁阀推动气缸来控制的。机械手工作循环过程主要有8个动作，机械手的动作过程如图2—1所示：

图2—1 机械手的动作周期

2.2机械手的控制过程

图2—2 机械手结构示意图

如图2-2所示，从原位开始，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手爪下降。当碰到下限位开关时，下降电磁阀电源断开，机械手爪停止下降。同时，夹紧电磁阀通电，机械手爪夹紧工件。上升电磁阀通电，机械手爪上升。当碰到上限位开关时，上升电磁阀断电，机械手爪停止上升。同时，右移电磁阀通电，机械手爪向右移。当碰到右限位开关时，机械手爪停止右移。此时，光电开关接通，当检测到工作台上无工件时，下降电磁阀通电，机械手爪下降。当碰到下限位开关时，机械手爪停止下降。同时，放松电磁阀通电，放下工件。上升电磁阀通电，机械手爪上升。当碰到上限位开关时，停止上升。此时，左移电磁阀接通，机械手爪向左移。当碰到左限位开关时，机械手爪到达原位，停止移动。

2.3机械手的控制要求

机械手的操作方式分为：手动操作和自动操作两种。自动操作又分为单步、单周期和连续操作方式。

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。

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：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将完成一个周期的动作，然后停止在原起始点位置。

连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将自动地、连续不断地周期性循环工作。

在工作中若按一下停止按钮，机械手动作停止。重新起动时，用手动操作方式将机械手移回原位，按一下启动按钮，机械手又重新开始连续操作。

在工作中若按一下复位按钮，机械手将完成一个周期的动作后，回到原位，自动停止。

第三章搬运机械手控制程序设计

第二篇：PLC在物料搬运机械手控制中的应用

引言

机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线[1>。笔者开发的用于热处理淬火加工的物料搬运机械手，采用PLC控制，是一种按预先设定的程序进行工件分拣、搬运和淬火加工的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并可根据工件的变化以及淬火工艺的要求随时更改相关控制参数。物料搬运机械手结构

如图1所示，物料搬运机械手为三自由度气压式圆柱坐标型机械手，主要由机座、腰部、水平手臂、垂直手臂、气爪等部分组成。其中，腰部采用步进电机驱动旋转，手臂及气爪采用气缸等气动元件。对应的物料分拣装置由4个普通气缸构成，用以将不同长度的工件经分拣后送至各自的轨道中，并在轨道终端进行淬火加工，加工完毕后再由机械手抓取、搬运和分类堆放。机械手抓取长、短工件的顺序不是固定的，要视物料分拣装置的分拣结果以及长、短工件哪一个先到达轨道终端来定。但机械手对工件的堆放顺序却是固定的，要按照一定的规律堆放(如图1中，长、短工件各放一边，以4个为一组进行堆放)，并且堆放工件的位置精度也是有要求的。

图1 物料搬运机械手装置结构示意图机械手控制系统组成

由于取工件和堆放工件都有定位精度要求，所以在机械手控制中，除了要对垂直手臂滑块气缸、气爪等普通气缸进行控制外，还要涉及到对水平手臂气缸以及机械手腰部回转的伺服控制。其中，机械手水平手臂气缸的伺服控制采用气动比例伺服控制系统;机械手的回转控制则采用三相混和式步进电机及其控制系统。考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，对这种混合驱动机械手采用PLC作为核心控制器，上述各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作(如图2所示)，PLC采用日本三菱公司的FX2N-32MR型PLC(16点输入、16点输出)。

图2 基于PLC的机械手控制系统硬件原理图

步进电机选用深圳白山机电公司的BS110HB3L142-04型三相混合式步进电机，最大扭矩:12Nm;保持转矩:13.5Nm;额定电流4.2A。步进电机驱动器性能的优劣，直接关系到步进电机的正常运行，必须合理选配。为此，我们仍选择白山公司与BS110三相混合式步进电机配套的Q3HB220M等角度恒力矩细分型驱动器，定位精度可达30000步/转。为了确保步进电机控制的稳定性、可靠性以及便于日后维护，我们选择与FX2N系列PLC配套的脉冲发生单元FX2N-1PG作为步进电机驱动器的控制单元[2>。PLC通过扩展电缆、控制信号以及FROM/TO指令对1PG进行控制，向1PG发出定位命令，然后由1PG通过向步进电机驱动器输出指定数量的脉冲(最大100KPPS)来具体执行这个定位命令，从而最终实现PLC对步进电机的伺服定位控制，既提高了控制的灵活性和可靠性, 又便于控制程序的编写。

在图2中，FX2N-1PG的FP和RP分别与步进电机的DR-和PU-端子相连，表示输出脉冲类型分别为前向脉冲和反向脉冲。1PG的DOG端为确定步进电机原点位置时所用。在调试时，当步进电机接近原点位置时，应通过此端对应的按钮接通24V电源，从而使步进电机开始以原点返回速度(爬行速度)转动，以便在到达设定的原点位置时方便于PG0端的控制。PG0+和PG0-为步进电机到达原点位置时的停转控制信号，需外加一个5V电源，正端接PG0+，负端通过开关K与PG0-相连。当步进电机在DOG信号的控制下缓慢转动到达设定的原点位置时，可通过手动或行程开关触发PG0+和PG0-，使两端接通5V电源，于是电机停转，并将原点位置记录下来，存贮在1PG的BFM#26和#27这2个寄存器中，作为PLC对步进电机进一步控制的基准和重要参数。

气动比例伺服控制系统采用德国Festo公司的相关产品，主要由HMP坐标气缸、伺服定位控制器SPC200以及与之配套的内置位移传感器MLO-POT-0225、气动伺服阀MPYE-5-1/8-LF-010-B和伺服定位控制连接器SPC-AIF-POT等装置组成。在图2的控制系统硬件接线中，主要涉及其中SPC200的DIO数字量I/O模块的接线[3>。从该图中可见，一方面PLC通过输出端Y0-Y3控制SPC200的定位指令(Record Select工作方式)记录号选取，并通过Y6启动伺服定位;另一方面SPC200又通过定位任务完成信号Q0.4(MC-A)将定位执行情况反馈到PLC的输入端X12，以便于PLC 的程序控制。

在滑块气缸和气爪上都安装有磁性开关传感器，用于检测气缸活塞的位置。通过这些传感器的信号，并结合步进电机和气动伺服的启停信号，在PLC的控制下，就能够对滑块气缸和气爪对应的电磁阀进行控制，进而实现气缸的动作。控制系统PLC程序设计 4.1 步进电机初始化控制程序

PLC与1PG间通过FROM/TO指令进行联系。通过TO指令，PLC将控制命令及参数写入1PG的缓存，而在1PG控制下，步进电机的运行状态则由PLC通过FROM指令读入，以便程序处理。在图3所示的部分步进电机初始化程序中，PLC一旦通电运行，便在每一个循环执行周期中将其M0～M15寄存器的内容写入1PG的操作命令缓存“BFM#25”中，控制1PG的工作。同时，PLC还不断从1PG的“BFM#28”、“BFM#27”和“BFM#26”缓存中读入步进电机的运行状态和当前位置值，以便在逻辑控制中通过对这些输入值的处理来进一步控制机械手的动作。

图3 步进电机初始化控制程序

按设计要求，同类型工件每4个为一组放置，两种工件各自的堆放顺序不能互相干扰。因此，同类型的4个工件搬运为一个基本循环，在各自的工件循环中分别设置了相应的工件计数标志位。

4.2 机械手综合控制程序

综合前述的步进电机和气动伺服控制技术，同时结合对垂直手臂滑块气缸、气爪的控制要求, 下面给出机械手完成一次定位并抓取工件的部分PLC程序(如图4所示):

图4 机械手综合控制程序

该程序表明:当工件分拣加工完毕后，机械手首先转动一定的角度指向取工件位置，待步进电机定位结束后，垂直手臂滑块气缸活塞落下，然后水平手臂气缸在气动伺服控制下伸出设定的定位位移。定位位移是由PLC的输出端子(Y2～Y0)控制SPC200输入端子(I0.2～I0.0)的状态来决定的，如附表所示，从而实现了PLC对气动伺服定位的控制。当气动伺服定位结束后，气爪动作,夹紧工件。后续的搬运和放置工件的控制程序原理与之类似。

附表 PLC输出端子与SPC200输入端子接口状态对应表结束语

上述针对机械手的控制方法充分利用了PLC和其它控制装置的特性，结构紧凑、控制可靠，目前在现场运行良好。作为一个相对独立的PLC控制系统，它还可以通过RS-485总线或CC-Link总线与生产线上的其它PLC及控制器组成工业控制网络, 实现更进一步的自动化生产控制。

参考文献

[1> 张建民.工业机器人[M>.北京:北京理工大学出版社,1996.[2> 三菱公司.FX2N-1PG PULSE GENERATOR UNIT USER’S MANUAL[Z>.2003.[3> FESTO公司.Pneumatic positioning system Smart Positioning Controller SPC200 Manual[Z>.2002

来源：[http://www.xiexiebang.com]机电之家·机电行业电子商务平台！

第三篇：基于PLC控制的工件搬运机械手设计毕业设计

本科毕业论文（设计）

基于PLC控制的自动生产线工件搬运机械手设计

学院：机械工程学院

专业：机械设计制造及其自动化班级： 08 级学号：学生姓名：

第四篇：研究PLC控制的工业机械手在自动化生产线中的应用

研究PLC控制的工业机械手在自动化生产线中的应用

摘要：在目前的全自动化生产中，工业机械手在大量的环节中都占据着不可替代的位置，其中，PLC控制的工业机械手由于其自身自带的很多优点在实际生产中被越来越多的使用，本文将从对PLC对工业机械手的控制系统、其软硬件结构的设计方法的探讨等方面来阐述PLC控制的工业机械手在自动化生产线中的应用。

关键词：PLC控制；工业机械手；自动化引言：

工业机械手作为一种能够代替人们进行危险、繁重的工作的现代化工业装置，近年来被大量应用在各种专业领域，如电焊、烤漆、机械制造等，甚至在航空航天业都有它被大量使用的影子，它能按照人们设置的程序不断地进行几乎无差错的工作。人们对机械手的控制既可以通过单片机，也可以通过PLC系统来实现，但是相对与单片机来说，PLC所需的电压比较低，驱动电流也较小，并且抗干扰能力更强，稳定性、可靠性更高，再加上其自带非常丰富的IO接口而被人们广泛的使用，但是其相对应的技术要求也较高，这就要求我们的广大操作人员要积极提升自己的业务水平和经验，从而才能对该系统控制的机械手有更深入的了解，更好地利用PLC系统的性能来控制工业机械手。

一、机械手的工作要求

机械手基本工作要求是首先机械手要从工作台一上方启动下移，当移至工作台一上的物件时，停止下移，接着，夹紧物件，然后上移，移至启动位置后向工作台二方向移动，移至工作台二上方时，停止移动，然后机械手下移，移至工作台二上时松开机械手将物件放在工作台二上，再然后上移，移到工作台二的正上方，接着向工作台一的方向平移，直至回到原来的位置，形成一个工作循环[1]。

二、机械手工作的原理

图

一、机械手的工作原理

其工作原理如图一所示，开始时机械手在工作台一上方，当机械手需要下移时，按下开关，电磁铁5YA被通电，机械手被打开，接着2YA通电，机械手在气缸5的活塞带动下下移，当机械手移动至工作台一上的物件旁时，自动压到限位开关，2YA被断电，机械手停止移动，5YA断电，机械手合拢夹紧物件，夹紧后1YA被通电，机械手在活塞带动下上升至原位置，当移动至原位置时，自动压到限位开关，1YA断电，上升停止，与此同时3YA被通电，机械手在气缸11的带动下平移，当移动至工作台二的上方时压到限位开关，3YA断电，机械手停止移动，然后2YA被通电，机械手开始下移，下移至工作台二上时，压到限位开关，2YA停止通电，机械手停止下移，然后，5YA被通电，机械手在气缸17的带动下被打开，物件被放在工作台二上，然后1YA通电，气缸5的活塞带动机械手上升，上升到位是自动压到限位开关，1YA停止通电，机械手停止上升，接着电磁铁4YA通电，机械手向工作台一方向移动，移动至原位置时，压到限位开关，4YA被断电，机械手停止移动，机械手就完成了一次循环作业[2]。图中单向节流阀４、６、１０、１２、１６、１８能有效提高气缸动作时的速度的稳定，液控单向阀３和７则可以防止在机械手停止时发生上下漂移的现象。

二、PLC对工业机械实现控制的原理

图

二、PLC控制的具体流程图

我们根据上述对机械手工作的要求，可以制定出PLC控制的具体流程图，并规定系统中的输入输出点数，本文讲述所采用的是日常实际使用中被使用最广泛的ＦＸ２Ｎ－４８ＭＲ型ＰＬＣ，该型号的PLC系统可靠性和抗干扰能力都相对较强，特别是其编程要求相对较简单，控制系统也能在使用中随时可变的优点而被众多使用者喜欢[3]。

三、PLC对工业机械手控制的软硬件设计

（一）PLC系统的硬件要求。PLC系统对工业机械手实现控制的过程中，PLC对机械手控制的接口全部采用的是触摸屏控制，极大的方便了我们的使用人员，降低了工作难度，节省了大量的IO口连接，在工作时只要把PLC系统通上电源，并装载好所有所需的程序在控制器中，通过触摸屏来操作就能完成大部分的工作，但这同时也要求我们的工作人员文化知识水平要足够，能够正常理解并使用触摸屏来控制机械手的运作，并积极提升自己的业务和经验，当仪器损坏时，要利用仪器工作原理来关停仪器以免对仪器有损害，以便仪器的维修。同时我们也应该看到，触摸屏控制器相比从前的机械式控制器有了很大的提升，极大的提高了工作效率和维修频率。

（二）PLC系统的软件要求。由该系统控制的机械手运动的顺序性很强，第一步完成以后采取进行下一步，所以编程设计都相对比较容易，可提前将程序写入控制器来进行控制。

四、结束语

工业机械手在现代自动化生产中发挥着及其重要的作用，它是不可替代的，帮人们完成了非常多人们几乎无法完成或非常危险的工作，而在未来发展趋势中，电气化一体是不可避免的，所以就要求我们的设计人员和工作人员提升自己的水平，对基础知识要熟练掌握，与此同时多接触最新的技术甚至是想法来提高对电气化发展的认识，只有这样才能紧跟时代潮流，对自己所设计和使用的电气化设备有新的认识并在使用时熟练掌握其使用技巧，随时应付其突发状况。在对PLC系统控制的工业机械手进行调试过程中，应先延长其定时器时间，待对整套系统流程控制无误之后，再缩短其控制时间，提高它的运行速度。