桁架机械手控制系统设计

桁架机械手控制系统设计

一、选题简介、意义

桁架机械手又称为直角坐标机器人或龙门式机器人。桁架机械手是以X,Y,Z直角坐标系系统为基础的，对工件进行工位调整，工件的轨迹运动。桁架机械手以PLC（可编逻辑控制器），单片机，运动控制等工业控制器为核心，通过控制器对各种输入（传感器，按钮等）信号的分析处理，做出一定的逻辑判断后，对各个输出元件（继电器，电机驱动器，指示灯等）下达命令，完成X,Y,Z三轴之间的联合运动，以此实现一整套的全自动作业流程。

在工业应用中桁架机械手能够实现自动控制、可重复编程、多功能、多自由度、运动自由度成空间直角关系、多用途的操作机。桁架机械手能够搬运物体，操作工具，与数控机床紧密配合，组成无人上下料加工系统，以完成各种作业。

在控制系统的控制下桁架机械手精准定位实现自动上下取料、搬运，以取代人工操作，可以很好的控制生产节拍，避免了由于人为因素对生产节拍的影响，大大提高了生产效率，如果改变生产物料，可以通过修改程序和手抓夹具，以达到目标。桁架机械手主要由PLC控制技术及伺服运动控制技术，经各种液压缸和气缸配合进行动作处理。

我国计算机自动化技术，控制技术，网络技术和通信技术的迅猛发展，又在工业4.0、中国制造2025的大趋势下，国家工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展。桁架机械手控制可以大大提高流水线生产效率，有效地改善作业环境，提供零件加工数字化、信息化、少人化直至无人化管理，可靠地保证产品质量，极大地提高了劳动生产率，将工人从繁重的体力劳动中解放出来，避免危险环境对工人产生的伤害，使中国的现代制造技术达到一个崭新的水平。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

1、概述

机械手是能够模拟人手操作的自动机械，他可以按固定程序上、下料，搬运物件或持工具完成一些特定的操作。机械手代替人工从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化。代替人工在恶劣环境中的正常操作，改善劳动条件，保证人生安全，因而在机械制造等工业部门中得到广泛的应用。

我国工业机械手的研究与开发相对较晚，比欧美要晚10年左右。上世纪70年代我国第一台机械手在上海研发成功，之后全国各省开始研制和应用机械手。目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提高。

在未研发桁架机械手时工件的上下料，位置摆放都需要人工去完成操作，一个工件的加工完成需要好几道工序才可以完成，由于加工设备的摆放，需要人工去完成工件的上下料，位置摆放；而人工又需要操作数控机床完成对工件的加工，这样占用了很大的人力劳动。所以研发桁架机械手控制系统可以减轻一线生产工人的劳动强度，大大改善动环境，在上岗前的培训只需对工人进行适当的操作指导,工人即可胜任操作桁架机械手进行自动上下料。

2、研究内容

PLC控制系统（Programmable Logic Controller）可编程逻辑控制器，是一种以微型计算机为核心的通用工业控制器，它综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术。它采用一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算数操作等用面向用户的指令，因此编程方便；通过数字量或模拟量的输入/输出控制各种机械或生产过程。

PLC控制分为输入阶段，用户程序执行阶段和输出刷新阶段。输入阶段PLC以扫描方式依次读入输入状态和数据，将他们存入I/O模块指定的存储器；结束后转入程序执行阶段，PLC按先左后右，先上后下的顺序对梯形图进行扫描，然后根据逻辑运算的结果，刷新逻辑线圈在存储器中的对应状态，确定梯形图所规定的特殊功能指令；输出刷新阶段，用户将梯形图下载完成后，启动PLC期间存储器按照程序对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，在经外部电路驱动相应的外设。

伺服电机是伺服系统中控制机械元件运转的发动机。伺服电机可以使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机闭环使用，它随时把信号传给系统，同时把系统给出的信号来修正自己的运转。

伺服驱动器又称为伺服放大器，是用来控制伺服电机的一种控制器，主要应用于高精度的定位系统。项目中主要研究PLC是怎样控制伺服电机实现较高精度的定位。伺服驱动器的控制模式有位置控制，速度控制和转矩控制三种。项目中使用的三菱MR-JE系列的驱动器在位置控制模式下最高可以支持4Mpulses/s的高速脉冲串，可以位置/速度切换控制，速度/转矩切换控制和位置/转矩切换控制。

在实际运用中，连接不同的机械结构，由于参数的不同移动最小单位量所需的电机的转动量是不同的。伺服系统的精度是编码器的线数决定，但这只是伺服电机的精度；电子齿轮的设置是伺服驱动器给伺服电机的，编码器的精度是伺服电机反馈给伺服驱动器的；当PLC以特殊指令给予伺服驱动器指定的脉冲数和频率，在伺服放大器指令脉冲累计，指令脉冲累计 * 电子齿轮 = 反馈脉冲累计，反馈脉冲累计 * 每1秒脉冲的移动量 = 伺服电机执行量，然后伺服电机控制机械位移。电子齿轮是电机编码器反馈脉冲与指令脉冲的一个比值。

3、研究步骤，方法及措施

构建桁架机械手控制系统主要包括以下几步：

第一步：结合产品生产工序的特点，提出合适的机械手自动上下料控制系统方案；

第二步：针对控制系统要求进行合理的硬件结构设计及硬件的选型；

第三步：安装GX works2三菱plc开发软件，熟悉并掌握三菱FX 3N plc的编程指令、方法；能够读懂基本的plc程序，例：急停，伺服电机和步进电机的正反转，复位，置位控制等；

第四步：安装TouchWin编辑工具，熟悉并掌握人机界面的编程与组态方法，使监控画面清楚明了；

第五步：plc与人机界面进行通信；

第六步：下载plc程序与组态画面，进行系统联调。

摘要 4

第一章概述 5

1.1 项目背景 5

1.2 研究现状 5

1.3 发展趋势 6

第二章桁架机械手控制系统总体设计 7

第三章桁架机械手控制系统硬件设计 8

3.1 强电回路设计 8

3.2 弱电回路设计 9

3.3 控制回路设计 10

3.3.1 PLC控制 10

3.3.2 伺服控制 11

3.4 元器件选型 12

第四章桁架机械手控制系统软件设计 16

4.1 GX works2简介 16

4.2 plc软件程序设计 18

4.2.1 流程图 18

4.2.2 程序设计 19

4.3 TouchWin编辑工具简介 24

4.4 人机界面（HMI）设计 26

4.4.1 界面制作 26

第五章系统调试 33

第六章总结展望 34

致谢 35

附录 36

附录一：元器件清单表 36

附录二：PLC程序 38

附录三：外部接线图 39

附录四：组态界面 58

参考文献 60

第一章概述

1.1 项目背景

本项目所制造的设备是一台用于车间现场生产的设备，设备用于涡轮增压器重要组成部件中间壳的生产。

中间壳开始由专业的铸造公司用模具进行铸造加工，成型后的中间壳只属于粗制品远远达不到要使用在涡轮增压器上的要求，所以中间壳还要进行精加工对上面每一个尺寸数值都要控制在几丝米，要达到这样要求对车床每一道加工工序都有着严格的要求。

每一个中间壳需要经过OP1、OP2和OP3三道加工工序，需要三台车床每台车床都有不同的加工工序，一道工序对应一台车床。一个中间壳在经过OP1车床的加工完成后，工人取出工件用一些专业的尺柜、卡尺进行测量，检查是否在误差范围之内，没有误差则按照OP2车床的加工方式正确摆放工件压紧方向，以便车床的加工。

由于每道加工工序的不同，所用时间也不同，如果没有好好的控制生产节奏会造成工件累积在中间加工环节，这样长久以来会造成工件划伤与乱放问题，产生没有必要的损失。

1.2 研究现状

当前车间还是采用人工的方式去实现工件在OP1、OP2和OP3三道工序中的摆放。当前模式下的问题主要包括：一、现在完全由人工控制中间壳的生产节奏，人工控制模式下只能去记录每个人加工了几个有几个次品，有时会因在忙别的工件而混淆记录无法实现中间壳加工数量准确化。二、每个加工工件都需要人工去摆放。三、所有的控制对象完全由人来控制。

企业中不止OP1、OP2和OP3一条线，还有许多条中间壳的生产线或其他零件的生产线，所以还按照以往的生产模式会造成人力浪费，使工人在工作中处于繁重体力劳动中，这样会加大生产设备对工人所造成的伤害，导致劳动生产率下滑，产品质量下滑。

1.3 发展趋势

本项目制造的设备用于提前完成工件在OP2车床加工前的摆放，OP2车床无工件加工时给大型桁架机器人发信号抓取工件上料进行加工，这样可以将工人从反复枯燥的劳动中解放出来，可以大大的提高流水线生产效率，有效的改善工人作业环境，可靠的保证产品质量，避免一些危险的环境对工人造成的伤害。

在自动化设备的控制下流水线生产减少了许多的工人控制管理，流水线生产可以零件加工数字化、信息化、少人化直至无人化，另一方面工业自动化技术的使用可以提高企业生产效率及产品质量，使用安全性能的提高及能源消耗方面有很明显的降低作用，这是中国传统工业向现代化制造业转变的一个重要手段。

工业自动化会涉及到许多技术，例如通信、视觉、光电、气动等技术，所以自动化技术也是多门技术为一体的综合性技术。

在德国提出“工业4.0”后全球制造业加快进程，我国也在当下提出了“中国制造2025”的工业计划，所以工业自动化在我国未来的发展起到了举足轻重的作用，扩大工业自动化有助于带动许多产业的快速发展，使中国的现代化制造技术达到一个崭新的水平。

总结展望

本项目所做的桁架机械手控制系统得到以下结论：

（1）在OP1、OP2车床加工工序中应用项目桁架机械手控制系统，可以有效的提高车床加工效率及控制车床间的加工节奏，同时保证了涡轮增压器中间壳的产品质量，为企业的生产节约成本，将生产工人从繁复枯燥的体力劳动中解放出来，提高了中间壳的生产率。减少每条生产线生产工人数量，在设备投入使用时对工人进行必要的岗前指导培训，工人即可独立操作设备完成中间壳的摆放加工，同时工人在技术掌握上有所提高，为企业带来更多的效益。

（2）在该项目控制系统中的特点：桁架机械手控制系统主要采用PLC可编程逻辑控制器控制与伺服控制；PLC收集旋转料道与机械手上下料的传感器输入信号，对输入信号进行处理将处理结果发送到执行机构，使发生逻辑动作完成取料、旋转和放料的动作过程；PLC与伺服驱动器使用模块化的连接方式，因本项目主要使用精确的位置控制与速度控制，PLC通过高速脉冲口将梯形图中的脉冲指令发送到伺服驱动器，然后伺服驱动器驱动伺服电机完成脉冲执行量，实现工位的精确定位；HMI人机界面可以对设备进行实时监控、参数设定异常报警等功能，使桁架机械手控制系统与操作工人之间产生信息交流。

（3）本项目所制造的设备与OP1车床、OP2车床和OP3车床组合，形成一条涡轮增压器中间壳的生产线。随着工业自动化行业的发展，对一些工件的尺寸要求更加严格，误差越小。如果想进一步降低工件的误差率可以在桁架机械手控制系统中加入视觉检测系统，在视觉检测系统中设定要检测工件尺寸要求，X轴合适位置设定机械手下料检测位，机械手下料后通过水平推动气缸将工件送到视觉检测镜头下拍照检测，通过照片分析工件的合格或不合格，使工件的生产质量更上一个层次，企业生产成本降低。

桁架机械手控制系统在工业生产领域的使用越来越广泛，展现出其强大的应用前景。如果桁架机械手控制系统，视觉检测系统，现场加工设备系统等系统通过工业以太网进行连接用PC机直接控制现场每一个加工环节，这样可实现工厂信息化，少人化直至无人化的控制管理。

参考文献

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