基于PLC的机械手控制系统设计

河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要 毕 业 设 计 论 文题 目： 基于PLC的机械手控制系统设计 学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 学 号： 指导老师： 完成时间： 摘要随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。本文将通过PLC控制机械手，PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。该系统利用PLC，完成对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，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。关键词：机械手， PLC， 控制I河南城建学院本科毕业设计(论文) Abstract AbstractAs Chinas industrial production leaps, degree of automation increased rapidly achieve workpiece handling, steering, transmission, or manage welding gun, spray gun, wrenches and other tools for automation of machining and assembly operations, are becoming increasingly important. Robot was developed in the mechanization and automation in the production process of NLP was part of the staffing action, by a given program, tracks, and requirements for automatic capture, handling or operation of the automatic mechanism. Manipulator application in industrial production is called industrial robots. Manipulator while currently also than staff as flexible, but it has can constantly repeat work and labor, and not known fatigue, and fear dangerous, and snatch weights of power than staff big, features, so, manipulator has was many sector of attention, and increasingly widely to get has application, production in the application manipulator can improve production of automation level and productivity; can reduce intensity, and guarantee products quality, and achieved safety; especially in high temperature, and high pressure, and cryogenic, and low voltage, and dust, and easy burst, and Toxic gases and radioactive and other harsh environments, instead of regular working people, even more significant. This article by PLC control robot, PLC is a programmable controller (Programmable Logic Controller) referred to, is based on the relay sequence control using microprocessor developed as the core of GMs industrial automation and control devices. The system uses PLC for handling process down, clamped, rising, rising right, relax, spin, falling, l-automatic control of the whole process, and may change according to the workpiece and change parameters at any time at the request of the campaign process. Keywords: robot, PLC, controlII目录摘要IAbstract.II1 绪论11.1课题背景11.2 机械手的定义及分类21.3 机械手的应用及组成机构31.4 机械手的发展趋势41.5 总体设计要求52 机械手的结构设计62.1 机械手的结构概述62.2 机械手的运动自由度62.3机械手的各部分结构72.3.1手部的设计72.3.2 手腕102.3.3 臂部112.3.4 机身122.3.5旋转编码盘122.4 电源与传动整体132.4.1 控制电源132.4.2 传动整体153机械手的控制系统硬件设计163.1 PLC的特点163.2 PLC的结构功能163.3 PLC的选择183.4 PLC的I/O分配193.5控制面板223.6 PLC梯形图中的编程元件224 机械手的控制系统软件设计234.1 PLC的程序设计234.1.1 公用程序244.1.2 自动操作程序254.1.3手动单步操作程序314.1.4 回原位程序344.2 PLC程序模拟调试38结论39参考文献40致谢41附录42河南城建学院本科毕业设计（论文） 河南城建学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 1 绪论1.1课题背景进入21世纪后，随着我国人口老龄化的提前到来，近年来在东南沿海普遍出现了大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，将机械手应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。机械手是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。机械手发展较快，应用较多。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在较为复杂的环境下工作；具有编程简单，易于掌握；设计安装容易，维护工作量少；功能强、通用性好；开发周期短，功耗小等优点。可编程序控制器PLC控制的物料搬运机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性，降低了维修率，提高了工作效率。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。1.2 机械手的定义及分类机械手是五十年代末才发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展，出现了数控加工中心，它在减轻工人的劳动强度的同时， 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序，通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低; 后者因设计复杂，需较多继电器，接线繁杂，易受车体振动干扰，而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，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。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本项目要求设计的机械手可归为第一类，即通用机械手。1.3 机械手的应用及组成机构目前机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，专用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。执行机构包括手部、手腕、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。本设计采用二指的构造。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之，机械手的运动离不开直线移动和转动两种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以电气、气动用得最多，占90以上，液压、机械驱动用得较少。液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。一般采用46个大气压，个别达到810个大气压。本设计的手爪部分采用驱动机构驱动。电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。机械驱动只适用于动作固定的场合。机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90以上。控制系统可以根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以储存，然后再根据规定的程序，控制机械手工作。对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单、修改容易、可靠性高等特点。16河南城建学院本科毕业设计（论文） 1绪论 1.4 机械手的发展趋势机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。现在机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。1.5 总体设计要求1.机械手结构示意图图1.1机械手示意图1.手爪张开闭合 2.手腕旋转 3.水平移动 4.升降 5.立柱旋转 6.手爪 7.手腕电动机 8.横轴 9.竖轴 10.竖轴电动机 11.横轴电动机 12.底盘 13.底盘电动机2. 机械手工作流程机械手工作流程是：开始运行后，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转(横轴向手爪方向移动，竖轴向上移动)。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手爪电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪夹紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开；延时后竖轴上升复位，然后开始下一周期动作。3.控制要求(1)手臂上下直线运动。(2)手臂左右直线运动。(3)手腕旋转运动。(4)手爪夹紧动作。(5)机械手整体旋转运动。手臂采用步进电机驱动，由PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转,实现手臂的进给和定位，手爪采用气压驱动。河南城建学院本科毕业设计（论文） 2机械手的结构设计 2 机械手的结构设计2.1 机械手的结构概述机械手是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。由于应用场合的不同，机械手结构形式有多种多样，在组成部分的驱动方式、传动原理和机械结构也有各种不同的类型。通常根据机械手各部分的功能，其机械部分主要由下列各部分构成：、手部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。本设计用的是齿轮齿条式二指夹持器。、手腕手腕是联接手部和手臂的部分，其作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂。手腕往往有三种运动方式：手腕旋转、手腕弯曲和手腕侧摆，考虑本设计的要求，设计用的是一个可180度旋转的手腕。、臂部臂部是联接机身和手腕的部分，其作用是改变手部的空间位置，满足机械手的作业空间，并将各种载荷传递到机座。机械手的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的部件，如传动机构、驱动机构、导向定位装置、支承联接和位置检测元件等。臂部可分为：伸缩型臂部结构、转动伸缩型臂部结构、屈伸型臂部结构、其他专用的机械传动臂部结构。本设计共用了三个臂，有伸缩型臂部结构和转动型臂部结构。可进行上下移动和前后伸缩移动以及水平旋转运动。、机身机身是机械手的基础部分，起支撑作用。固定式机械手直接联接在地面基础上，移动式机械手则安装在移动机构上。常用的机身结构有：升降回转型机身结构、俯仰型机身结构、直移型机身结构、类人机器人机身结构。本设计采用的是升降回转型机身结构的机械手。2.2 机械手的运动自由度物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度（DOF degree of freedom）。自由度是指描述物体运动所需的独立坐标数，为了抓取空间中任意位置和方位的物体，三维空间需要6个自由度 。物体所能进行的运动有沿着坐标轴的三个平移自由度和绕坐标轴的三个旋转自由度。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。 一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的3个自由度是用来实现手臂末端的空间位置的，再用几个自由度来定出末端执行器的方位；7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。 本设计的通用机械手的结构相对比较简单，在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足本次设计要求，在本设计中关于机械手的自由度的选择为5个。分别为立柱回转、小臂升降、手臂伸缩、手腕旋转、手爪夹紧放松。2.3机械手的各部分结构机械手的机械结构与传感系统、控制系统、驱动系统和环境交互系统一样，是组成机械手这一整体的重要组成部分，下面将分别对此设计的机械手的结构和其设计进行详述。2.3.1手部的设计机械手的手部是重要的执行机构。机械手的手部分为两大类：夹持类手部和吸附类手部，各类又分为很多种，如夹持类又可分为夹钳式手部、钩托式手部和弹簧式手部。我们可根据设计的要求，选择外夹夹钳式v型指手部结构。其传力机构根据题目要求，可选择齿轮齿条式手部结构，故本设计的气动机械手的手部结构形式如图2.1所示。其手指夹紧工件是由夹紧气缸1中的齿条活塞杆8在压缩空气作用下右移，经齿条推动齿轮7并带动扇形齿轴5回转，因手指6与扇形齿轮5固结为一体，所以两个手指同时回转而夹紧工件。同时由于采用双向电磁阀，可实现其手部的夹紧和松开。手部结构中的齿轮齿条属于传力机构。9876543213弹簧 4气缸端盖 5扇形齿轮 6.手指 7齿轮 8.齿条活塞杆 9.销轴2.活塞1.夹紧气缸图2.1 齿轮齿条式手部结构手部夹力及驱动力的计算：手指在件上的夹力，是设计手部的主要依据。在此次设计中，我们可有如下参数 要求抓取工件的重量为30N,V型指的角度2=120，b=60mm，R=40mm，摩擦系数f=0.1。当工件重量，手指指形，工件的形状和夹持的方位确定后（可有图2.1 的形状和方位确定），可得(1)夹力的计算公式： =130N (2)根据手部机构的传动示意图2.2所示，其驱动力为 图2.2 齿轮齿条式手部结构示意图（3）实际驱动力 P驱动力，N手部的机械效率，一般取0.850.95安全系数，通常为1.22.0工作状况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可按下式估计，被抓取工件运动时的最大加速度，运载时工件最大上升速度系统达到最高速度的时间，一般选取0.03 0.5sg重力加速度，g=9.8mG被抓取工件所受重力（N）在此设计中，因为传动机构为齿轮齿条机构，故取=0.9，取=1.5, 机械手达到最高响应时间0.5s ，2.3.2 手腕此设计的手腕上端连着丝杆，从而使整个手部可以顺利水平移动，下端连着手部，将载荷从手部传递到杆上。手腕是由上升下降气缸，旋转步进电机和一些机械装置构成，结构紧密。气缸选的是CDM2B1030型号，其电磁阀选型是二位五通双电控电磁阀，选用的是AIRTAC公司型号为4V110M5的产品。供电电压是DC24V.两位五通电磁阀具有1个进气孔(接进气气源)、1个正动作出气孔和1个反动作出气孔(分别提供给目标设备的一正一反动作的气源)、1个正动作排气孔和1个反动作排气孔(常常安装消声器)。其工作原理为：给正动作线圈通电，则正动作气路接通(正动作出气孔有气)，即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给反动作线圈通电为止。 给反动作线圈通电，则反动作气路接通(反动作出气孔有气)，即使给反动作线圈断电后反动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给正动作线圈通电为止。当要下降手部时，PLC给正动作线圈通电，机械手手部下降，当要手部提升时，只需给反动作线圈通电即可，每次通电都要维持一段时间（大约2秒钟）。气缸和下面承载的夹持器一体转动，从而可以控制手的顺利转动180，这样大大提高了机械手的活动空间。在本设计中是有两个传送带，机械手置于中间，需要在两个传送带之间进行移动并抓取工件。所以要求机械手转动手部，使夹持器保持合适的角度来夹取物块。手腕的示意图如下：图2 .3 手腕示意图2.3.3 臂部设计中手臂是使机械手手部前伸和后缩的重要组成部分，手臂是用滚珠丝杆作用的，丝杆的后端螺母连着手腕整体，通过丝杆将机械手的手部进行水平移动。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杆被广泛应用于各种工业设备和精密仪器中，是将回转运动转化为直线运动的理想的产品。其实物图如下：图2 .4 滚珠实物图滚珠丝杆具有很多优点：1、与滑动丝杆相比驱动力矩为1/3； 2、高精度的保证； 3、运动平稳；4、同步性好。丝杆的参数如下表：表2.1丝杆的参数导程（mm）轴向平均负载（ms）轴向平均转速(r/m)丝杆的长度(mm)202002000920其型号为KURODA GG1520AS-BALR系列的。2.3.4 机身机身包括立柱和底座，立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系，机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上，故起支承和联接的作用。立柱的下端连着底座，上端连着机械手的手臂，对手臂起支撑和将载荷传到底座的作用。其示意图为：图2.5 机身示意图2.3.5旋转编码盘机械手底盘和躯干每旋转3度发出一个脉冲，并把信号送回可编程控制器来得到转过的准确的角度。编码盘的机构如图2.6。图2.6旋转编码盘可以通过改变程序中计数器C0的初值来确定所要转过的角度，这里可以通过用计算机读出指令表，然后修改得到不同的控制角度。2.4 电源与传动整体本设计总体需求电机2个，电源2种，分别是步进电机与鼠笼式三项异步电机。电源为220V交流电源与24V直流电源。其中直流电源分属电磁阀供电电源与PLC的DC24V电源。2.4.1 控制电源PLC的电源分AC220V与DC24V两种。220V为直接接入电源，24V为工作控制电源。电磁阀工作电源为24V供电电源。如图2.7图2.7总体电路图2.4.2 传动整体外部电机为传送带用电机，通过电动机带动传送带工作，货物至挡板，再通过机械手抓取至下一传送带。见图2.8图2.8 整体示意图河南城建学院本科毕业设计（论文） 3机械手的控制系统硬件设计 河南城建学院本科毕业设计（论文） 3 机械手的硬件设计及驱动 3机械手的控制系统硬件设计3.1 PLC的特点可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。高可靠性（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms；（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选；（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。丰富的I/O接口模块PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。安装简单，维修方便 PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。3.2 PLC的结构功能可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的结构原理与微型计算机相似。硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。系统程序和接口器件又与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、D/A模拟转换器件的组合体的功能，采用软件编程进行它们之间的联系。PLC主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置和电源57河南城建学院本科毕业设计（论文） 3 机械手的控制系统硬件设计 等组成。基本结构如图所示：图3.1 PLC的基本机构CPU:CPU是PLC的控制中枢。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。CPU在系统的监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象寄存区域，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算等，然后将结果送到输出映象寄存区域。存储器：PLC的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。基本I/O接口单元：PLC内部输入电路的作用是将PLC外部电路提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。PLC外部输出电路的作用是将输出映像寄存器的结果通过输出接口电路驱动外部的负载。外设接口：外设接口电路用于连接编程器或其他图形编程器、文本显示器、触摸屏、变频器等，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。电源：电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电源。外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源，并为外部输入元件提供24V直流电源，而驱动PLC负载的电源由用户提供。3.3 PLC的选择对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数，扫描速度，内存容量，指令条数，功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。.常用PLC介绍PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。欧姆龙S7-200系列PLC 突出的特点：可靠性高、操作简便；丰富的内置集成功能；强劲通讯能力；丰富的扩展模块；简单、易用的Micro/WIN编程软件。OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小仅相当于一个PC卡(对于10点的机型来说)，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。编程环境与CQM1及SYSMAC A等机种相同。由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。三菱FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。其FX2N PLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。. 确定型号综上，对于被控对象，采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较，力求具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求；选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型，一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的PLC，则选FX系列，不选F1系列）。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。在此，我选用三菱FX1N来做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是近年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。FX1N PLC的特点：FX1N系列是功能很强大的微PLC，并且能增加特殊功能模块或扩展板。通信和数据链接功能选项使得FX1N在体积、通信和特殊功能模块和能源控制等重要的应用方面非常完美。 主机点数14/24/40/60，分为晶体管输出/继电器输出，交流电源/直流电源，可扩展到128点。 8000步存储容量，并且可以连接多种扩展模块，特殊功能模块，最大可扩展到多达128I/O点。 定位和脉冲输出功能：一个PLC单元中每相能同时输出2点100KHz脉冲。PLC配备有7条特殊的定位指令，包括零返回、绝对或相对地址表达方式及特殊脉冲输出控制。 通过扩展板连接显示模块或模拟量，扩展输入输出点数：可以使用扩展板增加模拟电位器，输入输出点数增加。并且能安装显示模块FX1N-5DM，能监控和编辑定时器、计数器和数据寄存器。还能通过FX1N-2AD-BD，FX1N-1DA-BD实现模拟量输入，输出。网络和数据通信功能：通过连接扩展板或特殊适配器能实现多种通信和数据链接。河南城建学院本科毕业设计（论文） 3 机械手的控制系统硬件设计 3.4 PLC的I/O分配根据机械手动作的要求，输入、输出分配如表3.1所示。表3.1 PLC输入/输出分配表输入信号输出信号手动SAX0上升/下降步进电机YA0Y0回原位SAX1YA1Y1连续SAX2YA2Y2回原位SB1X3前进/后退步进电机YA3Y3启动SB2X4YA4Y4停止SB3X5YA5Y5下降SB4X6夹紧YA6Y6上升SB5X7手顺转YA 7Y7夹紧SB6X10手逆转YA 8Y10松开SB7X11底盘顺转YA 9Y11手顺转SB8X12底盘逆转YA10Y12手逆转SB9X13底盘顺转SB10X14底盘逆转SB11X15下限位SQ1X16上限位SQ2X17前限位SQ3X20后限位SQ4X21底盘顺限位SQ5X22底盘逆限位SQ6X23手逆限位SQ8X25底旋转脉冲X26前行SB12X30后退SB13X31PLC外部电气接线图如下图3.2图3.2 PLC的接线图3.5控制面板机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来，在手动方式时可以通过手动按钮来实现，其控制面板如下图3.3。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到右上角位置待命。当旋钮打向连续时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。图3.3 控制面板示意图3.6 PLC梯形图中的编程元件设计选用FX1N60MR，其输入继电器（X）36点，输出继电器(Y)24点，辅助继电器(M)384点，状态继电器(S)1000点，定时器(T)256点，计数器(C)，数据寄存器(D)等。特殊辅助继电器M8000运行监控（PLC运行时自动接通，停止时断开）；M8002初始脉冲（仅在PLC运行开始时接通一个扫描周期）；M8005PLC后备锂电池电压过低时接通；M801110ms时钟脉冲； M8013100ms时钟脉冲；M80121s时钟脉冲； M80141min时钟脉冲。河南城建学院本科毕业设计（论文） 4 机械手的控制系统软件件设计 4 机械手的控制系统软件设计4.1 PLC的程序设计机械手控制系统软件设计的程序总体结构如图4.1，分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、连续运动程序，因它们的工作顺序相同所以可将它们和编在一起。CJ（FNC00）是条件跳转应用指令，指针标号PX是其操作数。该指令由于某种条件下跳过CJ指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以减少程序执行时间。如果选择“手动”工作方式，即X0为ON，X1为OFF则PLC执行完公用程序后将跳过自动程序到P0处，由于X0动断触点断开所以直接执行“手动程序”。由于P1处的X1的动断触点闭合，所以又跳过回原位程序到P2处。如果选择“回原位”工作方式，同样只执行公用程序和回原位程序，如果选择“连续”方式，则只执行公用程序和自动程序。图4.1 程序总的结构图4.1.1 公用程序公用程序如图4.2，简要说明如下：当Y6复位（电磁阀松开）、后限位X21和上限位X17接通时，辅助继电器M0变为ON，表示机械手在原位。如果开始执行用户程序（M8002为ON）、系统处于手动或回原位状态（X0或X1为ON），那么初始步对应的M10被置位，连续工作方式做好准备。如果M0为OFF，M10被复位，系统不能进入连续工作方式。指令ZRST是成批复位应用指令，以防止系统从自动方式转换手动方式，再返回自动方式时出现两种不同的活动步。图4.2公用程序梯形图4.1.2 自动操作程序 自动操作顺序功能流程图见图4.3所示。当机械手处于原位时，按启动X4接通，状态转移到S1，驱动前伸Y3，当到达前限位使行程开关X20接通，状态转移到S2，而S1自动复位。驱动手顺转Y7，X24接通，状态转移到S3，驱动下降Y2，X16接通，状态转移到S4，S4驱动Y6置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S5，驱动Y0上升，当上升到达最高位，X17接通，状态转移到S6。S6驱动Y4后退。移到后限位，状态转移到S7底逆转Y12，状态到S8，X20接通，状态转移到S9下降。下降到最低位，X16接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S11上升。上升到最高位，X25接通，状态转移到S13后退。后退到后限位，使X21接通，状态转移到S14，底盘顺转是X21接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。自动连续程序说明：当系统处于自动连续方式时，X2为ON，它的动合触点闭合，在初始步时按下启动按钮X4，M1得电并保持，就按照图4.3自动功能图进行工作。按下停止按钮X7后，M1变为OFF，系统不会立即停止，而是完成当前的工作周期后，机械手最终停止在原位。图4.3 自动的功能流程图根据自动功能流程图的顺序编写的自动程序梯形图为图4.4图4.4 自动程序梯形图4.1.3手动单步操作程序如下图所示。图中上升/下降，左移/右移都有连锁和限位保护。手动程序说明：用对应机械手的上下前后移动和夹紧松开按钮。按下不同的按钮，机械手执行相应的动作。在前后移动的程序中串联上线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其他工件。为保证系统安全运行，程序之间还进行必要的连锁。图 4.5手动程序梯形图4.1.4 回原位程序回原位程序；在系统处于回原位工作状态时，按下回原位按钮（X3），M3变为ON，机械手松开和上升，当升到上限位（X17变为ON），机械手后退，直到后限位（X21为ON）才停止，并且M3复位。. 图4.6回原位程序梯形图梯形图程序经过检验语法错误以及逻辑上的可靠性后,编译成指令表，以便后传入PLC中。并可以运用软件在线监测PLC的运行情况，同时可以用手持编程器根据现场要求修改程序中的各参数，达到任意位置的目的。4.2 PLC程序模拟调试(1)将梯形图程序输入到计算机。(2)对程序进行调试运行。a将转换开关SA旋至“手动”档，按下相应的动作按钮，观察机械手的动作情况；b将转换开关SA旋至“回原位”档，按下回原位按钮，观察机械手是否回原位；c将SA旋至“单步”档，每按起动按钮，观察机械手是否向前执行下一动作；d将SA旋至“单周期”档，每按一次起动按钮，观察机械手是否运行一个周期就停下；e将SA旋至“连续”档，按下起动按钮，观察机械手是否连续运行。(3)记录调试程序的结果。设计好的程序必须要经过严格的调试，在调试之前首先要检查硬件连接图，待硬件连接图无误后，接通电源，并启动机械手。调试的工作是很繁琐的，但只有经过调试，并能长期工作或具有一定的容错能力的程序才是关键。 在仿真过程中出现了一系列的问题，但最终都一一解决了。在使用STL指令编程时，刚开始由于对STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少错误，加上机械手模型装置本身存在的一些问题，所以在调试程序时，机械手动作不符合控制要求。经过不断查阅资料，研究、改进，最终程序调试成功。机械手运行良好，动作正确、符合控制要求。河南城建学院本科毕业设计（论文） 结论 结论本次毕业设计是在修完大学的基础知识和专业知识，进行了一系列的生产实习和以前各次课程设计的基础上进行的一次综合性的大总结。旨在培养我们综合运用所学的基础知识、专业知识去分析和解决生产实际问题的能力及培养正确的设计思想，并通过运用设计标准、规范、手册、图册、和查阅有关技术资料去进行理论计算、结构思考、绘制图样、写相关说明性材料，为我们走上工作岗位打下坚实的基础。本次设计的是基于PLC控制的的机械手，主要用于自动线上。随着生产率水平的提高，人们对产品精度和质量要求越来越严格，企业生产线的自动化程度要求越来越高，工业机械手已成为多数企业生产线上必不可少的设备。本次设计主要是设计了机械手的一些参数、驱动和控制程序。由于自己精力和时间有限，且现场经验不足，而且设计较难、任务繁重，所以在设计中会含有一些我无法克服的缺陷及错误，请老师批评指正。总之，我觉得本次设计给我一个很大的考验，也让我体会到了设计这一整套的过程，可以认为这是我以后工作和学习的一次适应性的训练，能够从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为将来的工作打下一个良好的基础。河南城建学院本科毕业设计（论文） 参考文献 参考文献：1巫莉.电气控制与plc应用M. 北京：中国电力出版社，2