基于PLC与触摸屏控制的搬运机械于的应用.pdf

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1、基于P L C 与触摸屏控制的搬运机械于的应用A p p l i c a t i o no fah a n d l i n gr o b o tb a s e do nt h ec o n t r o lo fP L Ca n dt o u c h s c r e e n于殿勇，刘兴义Y UD i a n y o n g，L I UX i n g y i(哈尔滨工业大学机器人研究所，哈尔滨15 0 0 8 0)摘要：采用复式主轴，对C M 6 14 0 车床进行数控改造，研究设计了夹心式电化学机械复合光整工具头，研制出了数控电化学机械光整加工机床。通过对轴类零件的加工进行实验研究分析，加工精度

2、明显提高，实现了光整加工自动化。关键词：搬运机械手；P L C；触摸屏；示教中图分类号：T P 3 9 9文献标识码：A文章编号：10 0 9-0 13 4(2 0 0 9)0 8-o l2 1 0 30 引言搬运机械手以其具有一定的柔性、动作灵活等特点，用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，加快生产节拍，极大地提高了制造企业的生产效率和产品质量。所以在自动化生产线上下料作业中，特别是在有毒的、易燃易爆等恶劣环境内，得到广泛应用。随着机器人技术的不断发展，简单、可靠、易于操作已成为机器人研制的准则。由于气动器件具有结构简单，造价较低，易于控制，维护方便的特点，而交流伺服电机具有运

3、动参量易于控制等优点，从机械手工作的稳定性，可靠性，易操作性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性角度出发，本文设计了由可编程序控制器和触摸屏联合控制，由交流伺服电机和气缸为动力源的U 型板搬运机械手。1U 型板搬运机械手的结构与功能U 型板搬运机械手是整个冰箱生产线上自动化设备的一部分，其主要任务是将U 型壳从折弯生产线搬运到另一条加工生产线上，同时转换U 型壳姿态由竖直变为水平，整个工作循环小于1 5 s。搬运机械手机械机构设计方案如图1 所示，此图是利用P R O E 三维设计软件对整个机械手构建的模型图。该机械手主要由水平移动部分，竖直移动部分，开合横梁，大臂，小臂组成，水平方向上由交

4、流伺服电机经行星齿轮，再通过齿轮齿条减速带动整个机械手在横梁上做水平直线运动；竖直方向上由交流伺服电机经滚珠丝杠减速带动关节做垂直直线运动；在末端由翻转气缸带动小臂绕轴线做旋转运动，夹爪由四个气缸驱动实现手爪的开合动作，真空吸盘利用真空吸附原理增加对U 型板的夹持力，此外竖直方向的平衡气缸可以通过输出力平衡掉整个机械手的重力，而且同时还可以增加竖直方向的刚度。1 小臂3 l2 大臂l3 开合横梁4 I4 竖直移动部分2 I5 水平移动部分图1 机械手结构模型2U 型板搬运机械手的气动原理该机械手的翻转，夹持与吸附是通过相应的电磁阀控制的，而电磁阀的控制信号则由P L C 发出。由于U 型板的宽

5、度是多样的故开合气缸选择带有刻度和端锁的气缸，该气缸可以根据传感器在表面刻度尺上的位置，来确定起动和停止的位置。两开合气缸由两个三位五通的电磁阀来控制，两个内支撑收穑日期：2 0 0 8 1 2 3 0资盒项目：8 6 3 计划项目(2 0 0 7 A A 0 4 2 2 2 1)作者简介：于殿勇(1 9 6 3)男副研究员工学博士，研究方向为工业机器人技术、特种机器人技术。第3 1 卷第8 期2 0 0 9-0 8 1 2 1 1 万方数据气缸由两个两位五通阀控制。当2 D T 和4 D T，7 D T和8 D T 通电且5 D T 和6 D T 断电时，开合气缸带动大臂，小臂由外向里移动，

6、同时内支撑气缸带动挡板由里向外移动完成夹持U 型板的动作，移动完成后2 D T 和4 D T，7 D T 和8 D T 断电后，开合气缸处于保压状态并且两气缸被端锁固定，此时手爪夹持动作结束；当1 D T 和3 D T，7 D T 和8 D T 通电且5 D T 和6 D T 也通电时，手爪开始移动，移动结束后1 D T 和3 D T，7 D T 和8 D T 断电，此时手爪松开动作结束。由于两手臂夹持同一个U 型板，故两翻转气缸由一个两位五通阀控制，当9 D T 通电时两翻转气缸带动两小臂上旋，断电后小臂下旋。当1 1 D T 和1 3 D T 通电时，4 个真空吸盘开始抽真空，配合手爪夹持

7、动作，增加夹持力保证手爪带动U 型板运动时的安全性；当1 l D T 和1 3 D T 断电且1 0 D T 和1 2 D T 通电时，真空吸盘排真空，配合手爪松开动作，将U 型板放置到生产线上。平衡气缸由精密减压阀控制，使气缸下腔保持在设定压力值上抵消机械手的重力，保证竖直交流伺服电机上下运动时输出力矩相等。系统气动回路如图2 所示。由于该机械手采用气压传动，在设计时考虑了系统调压、调速、缓冲以及安全问题。尤其在旋转限位上除了加入了挡铁还加入液压阻尼器，用于吸收小臂旋转的能量，减少整个系统的振动。开合气缸1开合气缸2 内支撑气缸1 内支撑气缸2缸l图2 机械手气动回路图3U 型板搬运机械手的

8、P L C 控制方案3 1P L C 选择与I O 分配本设计中采用C P l H X 4 0 D T-D 系列的P L C 2 1，此P L C 为欧姆龙基本型，共有2 4 个输入和1 6 个输出。由于输出点数较多故外加具有1 6 个输出端口的继电器输出式输出扩展模块。伺服电机由脉冲输出1 1 2 2 1第3 1 卷第8 期2 0 0 9-0 8由于机械手操作结束时，两个伺服电机和各个气缸的位置均是随意的，所以在开机后，进入自动循环之前需要对各伺服电机和气缸进行初始化。具体操作如下：x 轴电机归零，z 轴电机归零，各气缸初始化。机械手的机械零位在工作空间的右上角处，两坐标轴归零均采用三次归零

9、，采用一个零位信号。第一次归零为正向高速归零，第二次归零为反向低速归零，第三次为正向低速归零。此时的零位是机械零位即硬零，为了后期示教方便机械归零后利用I N I 命令将工作空间内的右下点规定为软零口】。开合气缸和内支撑气缸处于使手爪处于松开状态，旋转气缸缩回使大臂小臂在同一直线。3 3P L C 程序设计流程图4 伺服电机运行轨迹H 方移移移移恫州则奶触叭鸵肿酬赚淤穗嬲瓣啼w黜制簸麓麓糍船嚣搿淼瓣瓣愁淼舞拦篷藿0器攀萎剖爿到到士靴的控拍”嚣胡肿糌耋附雌糌黼罐臻腮胖捌一一一一一一一一一一一一一一一一图一粕加式一一批蚧删删删删删驯搬键枰舻弛 万方数据系统软零设定后，交流伺服电机可以通过码盘的读数

10、显示出两电机相对于软零的位置，机械手在运行过程中由于受实际工况要求和避障要求的限制需要沿折线行走，如图4 所示。机械手归零后处于M 点，通过P L C 指令设定软零0 点，自动程序开始运行后机械手沿最短路径运行到起始点B，当前线工序结束后机械手接受指令进入循环。运行轨迹中的各节点坐标是通过对不同型号的U 型板进行示教获得，而节点处是通过比较两伺服电机中的脉冲值与示教坐标值来实现动作转换的，机械手自动循环示意图如图5 所示。图5 机械手自动循环不意图4U 型板搬运机械手的触摸屏控制方案为实现良好的人机交互性能，本设计中采用D O P A 系列触摸屏与欧姆龙P L C 联合控制。该触摸屏拥有便利的

11、运算与通讯巨集指令，良好的配方功能同时还具有线上模拟和离线模拟等功能。4 1 触摸屏的整体设计方案根据设计和人机交互的要求，本机械手的触摸屏框图如图6 所示。图6 触摸屏结构设计4 2 示教点参数设置由于U 型板的型号不等故在前生产线的夹持点C，后生产线的放置点H 以及途中各避障点的坐标均要发生变化。宽度方向的调整根据标尺手动调节开合气缸上传感器的位置，而其他两个方向则要通过参数调整界面来调整。触摸屏调整界面如图7 和8 所示，首先通过调整界面1 设置自动模式中运行轨图8 示教点参数设置2I 下转第1 2 7 页】第3 1 卷第8 期2 0 0 9-0 81 1 2 3 1 万方数据7 0锄删

12、掣4 0器删3 0加1 00j：i卜关节目标位置：刊世口日瞳 k A f i,h 和睦刷粤、一P 毗y-”下一、且冈一0 40 6n 8n 寸f n 3 C s)图9 试验结果力因素的影响。图9 为关节驱动器在不同温度环境下施加阶跃信号的响应曲线，粗实线为关节驱动器的目标位置，细实线为关节驱动器跟踪指令的实际位置。从图中可以看到关节驱动器在阶跃响应中比较灵敏，控制系统稳定，关节能较好的跟踪位置指令。6 结语试验表明，设计的集成化基于现场总线的智能关节驱动器，基本达到了预期目标。实验只是对空间环境单因素进行了模拟试验，驱动器选择的是普通的润滑剂，还有待进行多因素的综合试验验证和现场考验。参考文献

13、：【l】K Y o s h i d a，K H a s h i z u m ea n dS A b i k o Z e r oR e a c t i o nM a n e u v e r：F 1 i 曲tV a l i d a t i o nw i t h E T S V I IS p a c eR o b o ta n dE x t e n s i o nt oK i n e m a t i c a l l yR e d u n d a mA r m A o b a0 1，s e n d a i9 8 0 8 5 7 9，J A P A N 2】D N N e n c h e v，K Y o

14、 s h i d a，P V i c h i t k u l s a w a t，a n dM U c h i y a m a R e a c t i o nN u l l s p a c eC o n t r o lo fF l e x i b l eS t r u c t u r eM o u n t e dM a n i p u l a t o rS y s t e m s I E E ET R A N S A C T l 0 N SO NR O B O T I C SA N DA U T O M A T I O N 1 9 9 9，1 5(6)f 3 1K Y o s h i d a，

15、D N N e n c h e v，K H a s h i z u m e，S A b i k o a n dM O D A F 1 i g h t E x p e r i m e n t so fE T S-V I If o rA d v a n c e dS p a c eR o b o t C o n t r 0 1 日本航空宇宙学会论文集，2 0 0 2，5 0(5 8 4)f 4 1R i c h a r dC D o f f，R o b e r tH，B i s h o p M O D E R NC O N T R O LS Y S T E M E I M 北京：高等教育出版社，2

16、 0 0 1 5 7 5 6 0 5 岛生j 盘出矗盘出，出山j 出j 矗|矗如 出毛 矗j 矗 盘 盘j 矗j 生 出矗【上接第1 2 3 页l迹的各段加减速、匀速值以及关键点坐标值。然后在调整界面2 中，点击。运行至C 点”按钮，机械手运行到前线点C，点击“参数设置开始”按钮，根据实际工况按“上下左右”按钮通过伺服电机精确调节夹持点C 的位置，左侧可以显示电机坐标值也可改变电机运行速度，调整完毕后点击“保存参数设置”按钮，后线放置点H 的调节同前线点的设置。5 试验与调试将P L C 程序和触摸屏编辑界面通过P C 机植入到可编程控制器中，通过示教界面将各U 型板型号对应的节点数据找出并存

17、储至J|P L C 存储器中。由于整个循环时间有小于1 5 s 的时间限制，故需对各段运行速度和加速度进行设定，经试验可知速度脉冲为6 0 0 0 0(0 7 5 4)，加速度为1 2 0(0 3 7 7)时循环周期为1 4 s，并且整个系统振动较小，符合设计要求。6 结束语本项目采用了P L C 和触摸屏控制机械手实现所需各种型号的U 型板的搬运过程，充分考虑了操作者的安全与方便，同时可使机械手稳定可靠的运行。而且由于P L C 和触摸屏的强大的控制和操作功能，使得功能的扩展变得十分方便，为后续生产线的改造提供了方便。参考文献：1】王巍，汪玉凤基于P L C 的气动机械手研究【J】辽宁工程技

18、术大学学报，2 0 0 5 4(2 4)：1 3 5 1 3 6 2】余雷声电气控制与P L C 应用【M 北京：机械工业出版社，2 0 0 0 3 1O M R O M 可编程控制器编程手册 S】1 9 9 8 第3 1 卷第8 期2 0 0 0 0 81 1 2 7 万方数据基于PLC与触摸屏控制的搬运机械于的应用基于PLC与触摸屏控制的搬运机械于的应用作者：于殿勇，刘兴义，YU Dian-yong，LIU Xing-yi作者单位：哈尔滨工业大学机器人研究所,哈尔滨,150080刊名：制造业自动化英文刊名：MANUFACTURING AUTOMATION年，卷(期)：2009，31(8)被

19、引用次数：0次 参考文献(3条)参考文献(3条)1.王巍.汪玉凤 基于PLC的气动机械手研究期刊论文-辽宁工程技术大学学报 2005(04)2.余雷声 电气控制与PLC应用 20003.OMROM可编程控制器编程手册 1998 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 王红梅.方贵盛.WANG Hong-mei.FANG Gui-sheng 基于PLC与步进电机的气动搬运机械手控制-液压与气动2009(11)介绍了一种采用PLC与步进电机控制的气动搬运机械手的结构、工作原理以及控制要求,分析了气动机械手的工艺流程,进行了PLC I/O口分配,对步进电机的定位控制进行了软件设计.经实验证

20、明该机械手控制简单、运行可靠、定位准确.2.期刊论文 罗庚兴.欧阳锡畅.LUO Geng-xing.OU YANG Xi-chang 基于PLC的气动安装搬运机械手设计-机电工程技术2010,39(7)介绍了一种安装搬运机械手的设计.阐述了安装搬运机械手的结构和工作原理,以PLC为核心,进行了气动控制回路和电气控制系统的硬件开发和软件设计.通过在模块化生产系统中应用,实现了工件的平稳搬运和准确安装等功能,运行效果良好.3.期刊论文 李胜多.Li Shengduo 基于PLC和组态王的搬运机械手控制系统的设计-农机化研究2010,32(11)首先分析了搬运机械手控制系统的要求,然后进行了可编程控

21、制器I/O点的分配、编写了PLC控制程序、绘制了原理图;同时,实现了PLC与上位计算机组态王软件的通讯、设备的连接与配置、数据库的构造、图形界面的设计和动画连接的建立等;最后运行系统并调试成功.本设计利用工控组态软件实现对搬运机械手的运行过程进行监控和管理,这对提高生产过程的自动化控制水平有着重大的意义.4.期刊论文 李雪静.杜玉红.LI Xue-jing.DU Yu-hong 小型搬运机械手结构及PLC控制系统的设计-装备制造技术2010(3)介绍了小型搬运机械手的工作背景和机械机构的设计过程,阐述了PLC对机械手控制的软、硬件设计及PLC的I/O分配点,并给出了机械手在PLC控制下自动过程

22、的工作流程图以及自动控制的梯形图.5.期刊论文 李明.栗全庆.LI Ming.LI Quanqing 基于PLC的液压搬运机械手设计-机床与液压2009,37(8)介绍了一种应用于加工生产线的搬运机械手.根据用途分析了机械手的动作循环及工作原理,设计了机械手的结构、液压系统及PLC控制电路.该机械手结构简单,运行平稳,精度满足工作要求,其液压系统和PLC控制系统简单可靠.6.期刊论文 王建军.WANG jian-jun 搬运机械手及PLC控制系统设计-液压气动与密封2010,30(10)通过对设计要求的分析,设计出机械手的总体方案,重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计,能够实现机械

23、手的基本搬运功能,达到预期要求,具有一定的应用前景.7.期刊论文 赵迎春 基于PLC的流水线搬运机械手-机电一体化2010,16(3)采用基于西门子PLC S7-200的流水线搬运机械手进行自动控制,重点分析了系统软硬件设计部分,实践证明,系统具有高效性、精确性和适应性.8.期刊论文 罗庚合.蔡霞 搬运机械手的PLC控制-西安航空技术高等专科学校学报2002,20(1)可编程控制器是在继电接触控制的基础上,结合先进的微机技术发展起来的一种新型的工业控制机.它发展迅速,应用广泛,特别适合于顺序控制,是机械自动化中一种基础的控制设备.它将填补继电接触控制与微机数控之间的一大块空白.文章以搬运机械手

24、的PLC控制为例,介绍了PLC在机械设备中的应用情况.9.期刊论文 王建军.WANG Jian-jun 气动搬运机械手的设计与研究-机械管理开发2010,25(5)搬运储气罐的气动机械手,可用ADAMS软件建立虚拟样机进行设计.所设计的机械手结构简单,主要由机械系统、气压系统、控制系统组成.机械手应用于储气罐气密性检测中,能够实现生产的自动化,减轻工人的劳动强度.10.期刊论文 于洋.陈乃建.徐霞.YU Yang.CHEN Nai-jian.XU Xia 基于PLC的气动炸药搬运机械手研制-液压与气动2007(1)介绍了气动炸药搬运机械手的机械系统和控制系统.机械系统由手臂、手爪及基座等部分构成,具有3个移动自由度和2个旋转自由度,分别实现机械手的提升、伸缩、夹持、旋转和摆动动作.控制系统以三菱FX1n PLC为核心,配合步进顺控指令编程方法搭建控制系统平台,通过电气-气动控制系统驱动执行元件如直线气缸、摆动气缸等产生动作,完成机械手的5种动作循环.同时,气动炸药机械手还提供了整体自动循环、手动单步运行以及机械手爪自动、手动夹持等多种控制方式的选择,增加了控制系统的灵活性.本文链接：http:/