机电一体化毕业论文PLC在工业机械手中的应用

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1、天津轻工职业技术学院电子信息与自动化系毕业论文 毕业 论文 课题 ：PLC在工业机械手中的应用 专 业 机电一体化 班级 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 成绩

2、 答辩日期 答辩成绩 答辩教师 总评成绩 28 内容摘要 机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴

3、和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。 近年来，德国西门子公司的S7系列PLC在我国已经广泛使用，并在各行各业的生产过程的自动控制担任着重要角色。本课题以S7-200系列的CPU22X为例，讲述了小型可编程控制器的的构成、原理、指令系统、应用以及系统的设置、调试方法。 关键字：PLC　　机械手　　指令系统

4、 目 录 引言……………………………………………………………………………………… 第一章 可编程控制器的简介…………………………………………………………… 1.1可编程控制器的产生………………………………………………………………… 1.2 可编程控制器的定义与特点……………………………………………………… 1.3 可编程控制器的主要性能指标…………………………………………………… 1.4 可编程控制器的分类……………………………………………………………… 1.5 可编程控制器的发展趋势………………………………………………………… 第二章 可编程控制器

5、的结构和工作原理……………………………………………… 2.1 可编程控制器的组成与基本结构………………………………………………… 2.2 可编程控制器的工作原理………………………………………………………… 2.3 可编程控制器的编程语言………………………………………………………… 2.4 可编程控制器的应用领域………………………………………………………… 第三章 机械手的简介…………………………………………………………………… 3.1 概述………………………………………………………………………………… 3.2 机械手的组成………………………………………………………………………

6、3.3 机械手的分类……………………………………………………………………… 3.4 机械手的应用……………………………………………………………………… 第四章 机械手的控制方案与选择……………………………………………………… 4.1 控制要求…………………………………………………………………………… 4.2 机械手的控制系统设计方案的比较……………………………………………… 第五章 可编程控制器对机械手的控制………………………………………………… 5.1可编程控制器的选型………………………………………………………………… 5.2 可编程控制器的梯形图………………………………………

7、…………………… 5.3 指令程序…………………………………………………………………………… 5.4 I/O 接线图…………………………………………………………………………… 5.5 相关电气设备选择和校验………………………………………………………… 5.6 材料清单…………………………………………………………………………… 设计总结………………………………………………………………………………… 参考文献………………………………………………………………………………… 致谢………………………………………………………………………………………

8、 引 言 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有

9、放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。 本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。 由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。 第一章 可编程控制器的简介 1.1可编程控制器的产生

10、 1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时，原系统变更要少;用户程序存储容量可扩展到4K 。核心思想：用程序代替硬接线，输入/输出电平可与外部装置直接相联，结构易于扩展 ，这是PLC的雏形。 1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功 。 1.2 可编程控制器的定义与特点 一、可编程控制器的定义 美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义：

11、可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。 早期的可编程控制器，主要用于开关量逻辑控制，所以称为可编程逻辑控制器，简称PLC，后来随着计算机计术不断发展，其功能已不仅限于开关逻辑控制，所以被称之为可编程控制器PC，但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此，一般仍把PLC作为可编程控制器的简称。 二、可编程控制器的特点 可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下

12、特点： （1） 可靠性高，抗干扰能力强 用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工作环境，远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。 (2) 编程简单，易于掌握 PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。 （3） 功能完善，灵活方便 随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。既可以

13、单机使用、也可联网运行，既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。 （4） 体积小、质量轻、功耗低 由于采用了单片机等集成芯片，体积小、质量轻、机构经凑、功耗低。 1.3 可编程控制器的主要性能指标 可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项指标。 （1）输入/输出点数(I/O) I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。 （2）存储容量 存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储容量。 （3）扫描速度 一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单

14、位为ms/千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us/步。 （4）功能扩展能力 可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。 （5）指令系统 指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。 1.4 可编程控制器的分类 目前PLC的种类非常多，型号和规格也不统一，了解PLC的分类有助于PLC的选型和应用。 一、 按控制规模分类 为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程序控制器能够处理的输入/输出信号数是不一样的。一般将一路信号叫做一个点，将输入点数和

15、输出点数的总和称为机器的点数，简称I/O点数。一般讲，点数多的PLC，功能也越强。按控制规模的大小，可将PLC分为超小(微)、小、中、大四种类型。 （1）超小型机 ：I/O点数为64点以内，内存容量为256～1000字节； （2）小型机：I/O点数为64～256，内存容量为1～3.6K字节； 小型及超小型PLC主要用于小型设备的开关量控制，具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、通信等功能。 （3）中型机：中型PLC的开关量I/O点数通常在256~2048点之间，用户程序存储器的容量为2~8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节，如比例、积分、

16、微分（PID）调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。 （4）大型机：大型PLC也称为高档PLC，I/O点数在2048点以上，用户程序存储容量在8K以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。 二、按结构形式分类 通常从PLC硬件结构形式上分整体式结构和模块式结构。 （1) 整体式结构 一般的小型及超小型PLC多为整体式结构，这种可编程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编

17、程器或EPROM写入器相连的接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。它的优点是结构紧凑，体积小，成本低，安装方便，缺点是主机的I/O点数固定，使用不灵活。西门子公司的S7-200系列PLC为整体式结构。 （2) 模块式结构机器上有一块带有插槽的母板，实质上就是计算机总线。把这些模块按控制系统需要选取后，都插到母板上，就构成了一个完整的PLC。这种结构的PLC的特点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便，缺点是体积比较大。常见产品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西门子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。 三、按生产厂家

18、分类 PLC的生产产家很多，国内国外都有，其点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，比较有影响的厂家有： 日本立石（OMRON）公司的C系列可编程序控制器； 日本三菱（MITSUBISHI）公司的F、F1、F2、FX2系列可编程序控制器； 日本松下（PANASONIC）电工公司的FP1系列可编程序控制器； 美国通用电气（GE）公司的GE系列可编程序控制器； 德国西门子（SIEMENS）公司的S5、S7系列可编程序控制器。 1.5 可编程序控制器的发展趋势 随着PLC技术的推广、应用，PLC将向两个方面发展：一方面向着大型化的方向发展，另一方面则向着小型化的方

19、向发展。 PLC向大型化方向发展，主要表现在大中型PLC高功能、大容量、智能化、网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合的自动控制。 PLC向小型化方向发展，主要表现在下列几个方面：为了减小体积、降低成本，向高性能的整体型发展；在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强；应用的专业性，使得控制质量大大提高。 另外，PLC在软件方面也将有较大的发展。系统的开放使第三方的软件能方便地在符合开放系统标准的PLC上得到移植。除了采用标准化的硬件外，采用标准化的软件也能大大缩短系统开发周期；同时，标准化的软件由于经受了实际应用的考验，它的可靠性也明显提

20、高。 总之，PLC总的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、容量大、体积小、成本低、通信联网功能强。 第二章 可编程控制器的结构和工作原理 2.1 可编程控制器的组成与基本结构 PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。 一、可编程序控制器的硬件系统 PLC的硬件系统由主机系统、

21、输入/输出扩展环节及外部设备组成。 1. 主机系统 图2.1 PLC结构示意图 (1) 微处理器单元(Central Processing Unit，CPU)。CPU是PLC的核心部分，起神经中枢的作用，它包括微处理器和控制接口电路。微处理器是PLC的运算控制中心，PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，

22、从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 　CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。 　CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。 　CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 (2) 存储器。存储器是P

23、LC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。只读存储器(ROM)在使用过程中只能取出不能存储，而随机存取存储器(RAM)在使用过程中能随时取出和存储。 (3) 输入/输出模块单元。PLC的对外功能主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备和生产过程的检测与控制。通过各种输入/输出接口模块，PLC既可检测到所需的过程信息，又可将处理结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。通过输入模块单元，PLC能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，PLC能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。为适应工业过程

24、现场对不同输入/输出信号的匹配要求，PLC配置了各种类型的输入/输出模块单元。 (4) I/O扩展接口。I/O扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件，输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都通过它与主机相连。I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式。 (5) 外设I/O接口。外设I/O接口是PLC主机实现人机对话、机机对话的通道。通过它，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以与其他PLC或上位计算机连接。外设I/O接口一般是RS232C或RS422A串行通信接口，该接口的功能是进行串行/并行数据的转换，通信格式的识别，

25、数据传输的出错检验，信号电平的转换等。对于一些小型PLC，外设I/O接口中还有与专用编程器连接的并行数据接口。 (6) 电源。有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源，有的电源单元还向外提供直流电源，给与开关量输入单元连接的现场电源开关使用。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽，体积小，质量轻，效率高，抗干扰性能好。 2. 输入/输出扩展环节 输入/输出扩

26、展环节是PLC输入输出单元的扩展部件，当用户所需的输入/输出点数或类型超出主机的输入/输出单元所允许的点数或类型时，可以通过加接输入/输出扩展环节来解决。输入/输出扩展环节与主机的输入/输出扩展接口相连，有两种类型：简单型和智能型。简单型的输入/输出扩展环节本身不带中央处理单元，对外部现场信号的输入/输出处理过程完全由主机的中央处理单元管理，依赖于主机的程序扫描过程。通常，它通过并行接口与主机通信，并安装在主机旁边，在小型PLC的输入/输出扩展时常被采用。智能型的输入/输出扩展环节本身带有中央处理单元，它对生产过程现场信号的输入/输出处理由本身所带的中央处理单元管理，而不依赖于主机的程序扫描过

27、程。通常，它采用串行通信接口与主机通信，可以远离主机安装，多用于大中型PLC的输入/输出扩展。 3. 外部设备 外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类 (1) 编程设备：它是编制、调试PLC用户程序的外部设备，是人机交互的窗口。通过编程器可以把新的用户程序输入到PLC的RAM中，或者对RAM中已有程序进行编辑。通过编程器还可以对PLC的工作状态进行监视和跟踪，这对调试和试运行用户程序是非常有用的。 除了上述专用的编程器外，还可以利用微机(如IBM-PC)，配上PLC生产厂家提供的相应的软件包来作为编程器，这种编程方式已成为PLC发展的趋势。现在，有些PLC不再提供编程器，而只

28、提供微机编程软件，并且配有相应的通信连接电缆。 (2) 监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。 (3) 存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。 (4)输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。 二、可编程序控制器的软件系统 PLC除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，缺一不可，共同构成PLC。PLC的软件系统由系统程序(又称系统软件)和用户程序(又称应用软件)两大部分组成。 1. 系统程序 系统程序由

29、PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。 2. 用户程序 用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。 2.2 可编程控制器的工作原理 可编程控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的循序逐条执行程序，即按循序逐条执行程序直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重

30、复进行。 第(N-1)个扫描周期 输出刷新 第(N+1)个扫描周期 输入采样 第N个扫描周期 输入采样 输出刷新 用户程序执行 可编程控制器工作的扫描过程包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间成为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。 2.3 可编程控制器的编程语言 PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言用的较多，流程图语言也在许多场合被采用。 一、梯形图语言 1．梯形图从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。

31、 2．图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止母线可以省略。 3．梯形图中的触点有两种，即动合触点和动断触点。 4．梯形图的最右端必须连接输出元素。 5．梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。 二、助记符语言 助记符语言是PLC命令的语言表达式。用梯形图编程虽然直观、简便，但要求PLC配置较大的显示器放可输入图形符号，这在有些小型机上常难以满足，所以助记符语言也是一种较常用的一种编程方式。不同型号的PLC，其助记符语言也不同，但其基本原理是相近的。编程时，一般先跟据要求编制梯形图语言，然后再根据梯形图转换成助记符语言。

32、 三、 顺序功能图语言 顺序功能图SFC是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，主要由“步”、“转移”及“有限线段”等元素组成，它将一个完整的控制工程分为若干个阶段(状态)，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，条件满足就实现状态转移，上一状态动作结束，下一动作开始。 2.4 可编程控制器的应用领域 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 一、开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的

33、控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 二、模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 三、运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺

34、服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 四、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 五、数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、

35、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 六、通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

36、 第三章 机械手的简介 3.1 概述 机械手首先是由美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。机械手能模仿人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。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安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 3.2 机械手的组成 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。 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结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。 运动机构，使手部完

37、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，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。 3.3 机械手的分类 一、按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手； 二、按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种； 三、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。 3.4 机械手的应用 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动

38、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。另外，机械手在锻造工业中的应用不仅能进一步发展锻造设备的生产能力，而且还能改善热、累等劳动条件。 第四章 机械手的控制方案与选择 4.1 控制要求 如下图所示为某生产车间中自动化搬运机械手，用于将左工作台上的工件搬运到右工作台上。机械手的全部动作由液压驱动。液压泵由电磁阀控制，其上升/下降、左移/右移运动由双线圈两位电磁阀控制

39、，即上升电磁阀得电时机械手上升，下降电磁阀得电时机械手下降。夹紧/放松运动由单线圈两位电磁阀控制，线圈得电时机械手夹紧，断电时机械手放松。 图4.1 机械手的动作示意图 为便于控制系统调试和维护，本控制系统应有手动功能和显示功能。当手动/自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，就可实现上升、下降、左移、右移、夹紧、放松的手动控制。当机械手处于原位时，将手动/自动转换开关置于“自动”位置时，进入自动工作状态，手动按钮无效。 4.2 机械手的控制系统设计方案的比较 在工业自动化生产中常用的控制系统有：传统的继电器—接触器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种

40、。但从使用性、经济性、可靠性出发，本设计选用了PLC。因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是用于各种传感器在复杂的条件下工件的传输，主要动作是上升、下降、左移、右移、夹紧、放松和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主。是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，特别是替代继电器控制系统，这更是它的优势。 第五章 可编程控制器对机械手的控制 5.1可编程控制器的选型

41、 一、I/O总点数的确定 由I/O分配表知，输入共18个点,输出共6个点,I/O实际需24点。为留有今后工艺改进与功能扩充余地，在实际统计I/O点数基础上，一般加10-20％余量，再考虑PLC产品本身规格，可取PLC的I/O总点数为48点。 二、I/O点信号性质分析 从机械手控制信号分析可知,机械手输入是位置开关信号,上/下限位开关、左/右限位开关等它们都是开关量,而输出主要是5个电磁阀线圈,以控制机械手的左移、右移、上移、下移、夹紧、放松的气路的通断。 三、用户存储器容量的估算 (1) I/O口总点数为48点且均为开关量，以每个I/O点需1O个字节估算则所需存储器字节数为：48*1

42、0=480B (2) 定时器有两个:一个夹紧延时、一个放松延时，以每个定时器需2个字节估算则所需存储器字节数为：定时器/计数器数量*2=2*2=4B 共需存储器字节数为：480+4=484B 经技术与经济成本方面因素综合考虑，本设计选取日本三菱公司FX2N-48MR型PLC产品。FX2N-48MR型产品主要技术指标如下： 表5.1 FX2N-48MR型产品主要技术指标表 最大I/O 48点 定时/计数器 256个 基本功能指令22条, 步进指令2条 继电器输出最大负载 80VA/24V 执行速度（us/步

43、） 0.8us 输入输出响应时间 10ms 程序容量（步） 2KB 输入光电隔离 数据寄存器 通用： 200点 锁存用： 7800点 输出继电器接点隔离 由上表可见，FX2N-48MR型PLC产品能满足设计要求。 5.2 可编程控制器的梯形图 一、程序的总体结构设计 本机械手系统的程序是采用基本指令、初始状态指令和步进指令相配合的方法进行编写的。程序可分四大块，分别是初始化程序、手动程序、回原位程序和自动程序。 二、初始化程序 如图5

44、.2.2所示，为初始化程序。他保证了机械手必须在原位才能进入自动工作方式。 图5.2.2 初始化程序 三、手动程序 手动程序如图5.2.3所示。X10~X15对应机械手的上下左右移动和夹紧的的按钮。按下不同的按钮，机械手执行相应的动作。在左、右移动的程序中串联上限位置开关的动合触点是为了避免机械手在较低位置移动时碰撞到其他工件。为保证系统安全运行，程序之间还进行了必要的连锁。 图5.2.3 手动程序 四、回原位程序 如图5.2.4所示为回原位程序，在系统处于回原位工作状态时，只需按下回原位按钮机械手即可自动回到原位。图中除初始状态继电器外，其他状态继电器应使

45、用回零状态继电器S10~S19 。 图5.2.4 回原位程序 五．自动程序 自动程序如图5.2.5所示，其中M8041和M8044都是在初始化程序中设定的，在程序运行中不再更改。 图5.2.5 5.3 指令程序 0 LD X21 27 AND X17 53 STL S12 83 LD X18 1 ANI X17 28 ANI X21 54 SET M8043 84 SET S24 2 ANI Y4 29 ANI Y2 56 RST S12 86 STL

46、 S24 3 OUT M8044 30 OUT Y3 58 STL S2 87 OUT Y0 5 LD M8000 31 LD X12 59 LD M8041 88 LD X21 6 FNC 60 32 AND X17 60 AND M8044 89 SET S25 X0 33 ANI X20 61 SET S20 91 STL S25 S20 34 ANI Y3 63 STL S

47、20 92 RST Y4 S27 35 OUT Y2 64 OUT Y0 93 OUT T1 13 STL S0 36 STL S1 65 LD X16 K17 14 LD X15 37 LD X5 66 SET S21 96 LD T1 15 RST Y4 38 SET S10 68 STL S21 97 SET S26 16 LD X14 40 STL S10 69 SET

48、 Y4 99 STL S26 17 SET Y4 41 RST Y4 70 OUT T0 100 OUT Y1 18 LD X11 42 RST Y0 K17 101 LD X17 19 ANI X17 43 OUT Y1 73 LD T0 102 SET S27 20 ANI Y0 44 LD X17 74 SET S22 104 STL S27 21 OUT Y1 45 SET S1

49、1 76 STL S22 105 OUT Y3 22 LD X10 47 STL S11 77 OUT Y1 106 LD X21 23 ANI X16 48 RST Y1 78 LD X1 107 OUT S2 24 ANI Y1 49 OUT Y3 79 SET S23 109 RET 25 OUT Y0 50 LD X21 81 STL S23 110 END 26 LD X13 51 SET S

50、12 82 OUT Y2 5.4 I/O 接线图 机械手控制系统采用的PLC型号或规格是FX2N-48MR，表4-4是输入点及输出点的分配表。 表5-4 PLC输入点及输出点的分配表 输 入 信 号 名 称 代 号 输入点编号 手动挡 SA X0 回原位档 SA X1 单步档 SA X2 单周期档 SA X3 连续档 SA X4 回原位按钮 SB9 X5 启动按钮 SB1 X6 停止按钮 SB2 X7 下降按钮 SB3 X10 上升按钮 SB4 X11 右行按钮 SB5

51、X12 左行按钮 SB6 X13 夹紧按钮 SB7 X14 松开按钮 SB8 X15 下限位开关 SQ1 X16 上限位开关 SQ2 X17 右限位开关 SQ3 X20 左限位开关 SQ4 X21 输 出 信 号 名 称 代 号 输入点编号 下降电磁阀线圈 YV1 Y0 上升电磁阀线圈 YV2 Y1 右行电磁阀线圈 YV3 Y2 左行电磁阀线圈 YV4 Y3 松紧电磁阀线圈 YV5 Y4 图5.4 机械手控制系统PLC的I/O接线图 5.5 相关电气设备选择和校验 一、

52、系统调试 系统调试分模拟调试和联机调试 硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下，主要试一试手动控制部分的可靠性。 软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和PLC输出端的指示灯进行。需要模拟量信号I/O时，可用电位器和万用表进行。调试时，可利用上述外部设备模拟各种现场开关和传感器的状态，然后观察PLC的输出逻辑是否正确。如果有错误则修改程序后反复调试。现在PLC的主流产品都可在PC上编程，并可在PC上进行模拟调试。 连机调试时，可把编制好的程序下载到现场的PLC中。有时PLC也许只有一台，这时就要把PLC安装到控制柜相应的位置上。调试时一定要先将主电路断开，只对控制电路进行连机调试。通过现

53、场连机调试信号的接入常常会发现软硬件中的问题，有时厂家对某些控制功能进行改造，反复调试后，控制系统才能交付使用。 二、程序的运行与调试 1．将梯形图程序输入计算机。 2．对程序进行试运行。 （1）将转换开关SA旋至“手动”档，按相应的动作按钮，观察机械手动作情况。 （2）将转换开关SA旋至“回原位”档，按回原位按钮，观察机械手是否回原位。 （3）将转换开关SA旋至“单步”档，每按一次启动按钮，观察机械手是否向前执行下一个动作。 （4）将转换开关SA旋至“单周期”档，每按一次启动按钮，观察机械手是否运行一个周期就停下来。 （5）将转换开关SA旋至“连续”档，按下启动按钮，观察机械

54、手是否连续运行。 C．记录调试程序结果并对不足之处进行修改。 d．最后再进行考机运行，一般连续运行72小时以上，以考核电气及机械运行是否稳定可靠。 5.6 材料清单 表5.6 系统所需设备、工具、材料明细表 名 称 型 号 或 规 格 数 量 可编程控制器 FX2N-48MR 1台 双线圈电磁阀 VF3230 2只 单线圈电磁阀 VF3130 1只 按钮 LA10H-1H 9个 限位开关 LX19-111 4个 转换开关 LW6-5 1个 熔断器 RC1A-30/15 1只 连接导线 若干 设计总结 经过两个多月

55、的设计，机械手PLC控制系统的程序，已成功地通过了模拟手动、单步、单周期、连续等运行的调试，证明本设计的硬件、软件部分基本都能达到预期要求，能可靠地控制机械手动作，达到机械手所要求的技术性能。 系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。在这过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和体会，并在学习和实践过程中增长了知识，丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛

56、苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。 同时，在本次设计中，也深刻体会到理论和实践相集合的重要性。虽然之前收集了大量的资料但在实际应用中却有很大差异，出现了许多意想不到的问题。但经过长时间的摸索最终还是设计出达到要求的系统。由于时间紧迫，有些设计工作还有待完善，在以后的工作中我会继续努力,不断提高自己的技术水平，以适应未来的激烈竞争形势。 参考文献 1． 乔世民主编 机械制造基础 高等教育出版社 2003 2． 胡晓明主编 电气控制及PLC 机械工业出版社 2006 3． 程周主编 PLC技术与应用 福

57、建科学技术出版社 2004 4． 李中年主编 控制电气及应用 清华大学出版社 2006 5． 韩志国主编 PLC应用技术 国防工业出版社 2004 6． 冯辛安主编 机械制造装备设计 机械工业出版社 2005 7． 廖常初主编 可编程序控制器应用技术 重庆大学出版社 2002 8． 张继和 张润敏 梁海峰主编 电机控制与供电基础 西南交通大学出版社 2000 9． 邱士安主编 机电一体化技术 西安电子科技大学出版社 2005 10. 田鸣主编 机械技术基础 机械工业出版社 2005 致谢 本论文是在指导老师张益老师热

58、情关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和鼓励着我。从论文题的开题到最终完成，张老师始终给予我细心的指导和不懈的支持，不仅使我的知识面拓宽，概念理解更为深入透彻，而且还学到了许多做人的道理。从选题以来，导师的为人师表、渊博的知识、宽广的胸怀让终生受益；在此，谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！ 感谢天津轻工职业技术学院给予我三年的教育和培养，感谢全体老师在三年里给予的关爱和帮助。还要感谢陪伴我一起愉快度过大学生活的各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个又一个的困难，直至本次论文的顺利完成。 在论文撰写即将完成之际，我的心情很感激，从开始选课题到任务的如期完成，期间还有许多可敬的老师、友善的同学、热心的校友，给予我莫大的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！ 最后感谢各位评委和答辩老师在百忙之中抽出时间来亲自检阅我的毕业设计。