PLC的机械手设计

1、湖北工业大学毕业设计（论文）任务书题目：PLC-机械手设计院别：机电工程学院专业：机电一体化学生姓名:刘学指导老师：摘 要 因生产的需要，代替人们执行各种高强度，高危险程度，提高生产效率的机械手顺应而生。机械手是工业机 器人系统中传统的任务执行机构，是关键部件之一。机械手能够显著的提高生产效率，减少废次品率。它可以完成很多工作，它能够在自动化车间中用来运送物料，从事多种操作。它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，特别体现在人的灵活协调和机器人的精确性。随着社会的发展，人们对机械手有了更加充分的认识，同时对其要求也越来越高。可编程控制器凭其稳定性，简单性

2、，强大性成为了目前应用最广的工业自动化支柱之一。关键词：数控；机械手；PLC目 录摘 要I第1章 绪论31.1课题背景31.2机械手的发展31.3 PLC的发展概况41.4 可编程控制器的产生41.5 PLC的定义41.6 PLC的特点51.7课题设计的目的和意义6第2章 系统控制结构的确定72.1机械手的组成72.2机械手的主要参数82.3应用机械手的意义82.4机械手采用PLC控制的优点9第3章 控制系统103.1系统设计的基本步骤103.2 控制系统的要求103.3 系统及原理123.4 PLC的概述123.5 PLC的选择133.6 I/O接线图143.7 PLC梯形图143.8 PL

3、C控制程序153.9 系统工作过程17第1章 绪论1.1课题背景机械手是在自动化 生产过程中经常使用的一种 具有抓取、搬运、装配、切割工件等功能的自动化装置。近年来，随着电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已迅速发展起来，它更加加快了机械手的发展步伐，使得机械手能更好地完成人们所设定的任务。机械手能够代替人类完成危险、 重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手得到了越来越广泛的应用， 特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产， 可以节省庞大的工件输送装置，适应性很强，结构紧凑。当工件变更

4、时，柔性生 产系统很容易改变，有利于提高产品质量，因企 业需要 不断的适应市场需要而生产新的产品，对机械手的需求较为可观。而 目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离。机械手的研发直接影响到我国 自动化生产水平的提高。因此，进行机械手的 研究设计是非常有意义的。1.2机械手的发展机械手一般为三类：一种是需要人工操作的，起源于原子，军事工业。先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线遥控操作。一种是是 专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上 下料和装卸工件。这种机械手国外叫做“Mechanical Hand”。它由主机驱动来服务，工作程序固定，一半是专用的。一

5、种是不需 要人工控制的通用型机械手。它不属于其他主机的独立装置。可以根据任务需要编制 独立程序完成各项规定操作。它的特点是具备不 同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。机械手首先是在美国开始研制。第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研究制作出来的。结构较为简单，主机一个回转长臂，长臂顶端有电磁 抓放机构。日本在工业上应用机械手最多，发展最快的国家。自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。现代工 业中，自动化生产已日渐普及。机械手就是在工业中为实现加工、装配、搬运等的自动化而产生的。随着工业自动 化的发展，机械手的出现大大减轻了人工的劳动，提高了生产效率。采用

6、机械手已为目前研究的热点。目前机械手在工业上主要用于机床加工、铸造，热处理等方面，但是还无法满足现代工业发展的需求。1.3 PLC的发展概况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，通过数字量和 模拟量的输入/输出来实现控制机械 设备或生产过程。1.4 可编程控制器的产生PLC 是在激烈 的市场竞争中产生的。20 世纪60 年代末，美国汽车制造业竞争激 烈。为适应生产不断更新的需要，美国通用汽车公司（GM）对控制系统提出要 求为：（1）能替代各种

7、继电器、定时器、接触器及其主令 电器等按一定的逻辑关系 用导线连接起来的控制系统，既传统 的继电接触器控制，它简单易懂，价格低廉， 能够满足生产工艺改动频繁的需要；（2）模块式结构：模块式结构输入、输出 电压是交流115V（美国标准），输出能直接驱动继电器和电磁阀；（3）编程简单；（4）抗电磁干扰强；（5）具有数据通 信功能。就是把继电器控制的优点与计算机的功能齐全、灵 活性、通用性强的特点结合起来，用计算机 的编程软件逻辑易于修改来代替继电 接触器控制的硬接线逻辑不易修改。美国数字设备公司（DEC）在 1969 年根据上述 要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车装配线

8、上应 用成功，实现装配线的自动控 制。1.5 PLC的定义PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国 电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四 年 的调查工作，于1984 年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给 PC 作了如下定义： “PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执 行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演 算等功能，并 通过数字或类似 的输入/输出模块， 以控制各种 机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从 事执

9、行PC 之功能被视为PC，但不包括鼓 式 或类似的机械式顺序控制器。” 此后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了 PLC 标准的草案第一稿，第二稿,并在 1987 年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一 种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计 的。它采用一类可编程的存储 器，用于其内部存 储程序，执行逻辑运算,顺序控制， 定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/ 输出控制各种 类型的机械或生产过程 。可编程控制器及其有关外部 设备，都按易于与工业控制系 5 统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 总之，可编程控制器是 一台计算机，它是专为工业环境应用

10、而设计制造的计算 机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱 动能力。但可编程控制器产品 并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置， 其软件需根据控制要求进行设计编制。 1.6 PLC的特点 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）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。3）各输入端 均采用R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。 4）采用性能优良的开关电源。5）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。6）大型PLC 还可

11、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7）对采用的器件进行严格的筛选。 丰富的I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：开关量或模拟量；交流或直流；电压或电流；强电或弱电；脉冲或电位等。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。 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC均采用模块化结构。PLC 的各个部件，包括 CPU，电源，I/O 等均采用模块化设计，由机 架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需

12、要自行组合。 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 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。 1.7课题设计的目的和意义我国经济高速发展，当面临人工无法实现的工作时，机械手成为了替代人工的替代品。机械手的使用 能够减少废次品率,显著提高生产效率。机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料

13、，从事多种操作。它的特点是通过编程来完 成各种制定的作业，在构造和性能上兼有 人和机器人的部分优点，尤其体现 了人的灵活协调和机器人的精确性。本课题在执行机构由电 动和液压组成的 结构基础上将PLC应 用于其自动控制系统，完成机械手的硬件及软件设计。第2章 系统控制结构的确定2.1机械手的组成机械手的形式是多样的，但是基本的组成都是相似的。一般机械手由执行机构、传动机构，控制系统和辅助装置组成。（图2.1 机械手的组成及相互关系）执行机构执行机构由手、关节、手臂和支柱组成。手为抓取机构，用于抓取工件。关节是连接手与手臂 的关键原件，具有多方位 旋转特性。支柱用来支撑手臂，可做活动支柱方便机械手

14、多方位移动。传动机构传动机构用于实现执行机构的动作。常用的有气压传动、电力传动、机械传动、液压传动等。控制系统机械手按照 制定的程序，步骤，参数进行动作完成该指定工作要依靠控制系统来实现。简易机械手通常情况下不使用专 用的控制系统，只有动作复杂的机 械手采用可编程控制器，微型计算机控制进行动作。辅助装置辅助装置主 要是连接机械手各部 分元件的装置。机械手按 用途分类为：专用 机械手、通用机械手。按照传动方式 分类为：气动式机械手、机械式机械手、液压式机械手、和电动机械手。2.2机械手的主要参数传动方式反应速度负荷能力控制方式尺寸和重量操控范围反应速度定位自由度安全性实用性2.3应用机械手的意义

15、随着科技的发展，机械手应用 的越来越多。在机械工业中，机械手 应用的意义概括如下：提高生产过程自动化程度，增强生产效率。机械手方便与材料的传送、工件的装卸、刀具的更 换等自动化过程，从而 提高劳动生产率和降低劳动投入，从而降低生产成本。改善劳动条件在车间的劳动环境下，高温、 高压、噪音、灰尘等污染会严重影响 人的身体健康，人在车间工作不可避免的会接触到危险。而应用机械手 可以替代人安全的完成作业，从而改善劳动条件。在一些简单，重复的工作中以机械手代替人进行工作。机械手的应用增强了自动 化生产，会减少人力的使用。机械手可以长时间重复性连续完成工作，这是人工 法实现并完成的。生产线增加 使用机械手

16、以减少人力和精准的生产节拍，有利于节奏性的工作生产。综上所述，机械手的合理利用是机械行业发展的必然趋势。2.4机械手采用PLC控制的优点机械手不止有一种控制系统，一些控制系统多多少少会存在一些缺点，这些缺点在自动化生产中会造成不可避免的损失。而PLC控制的机械手在工业应用上表现最为突出，可以从几方面论述一下PLC控制机械手的优点。控制方式：电气控制属于硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能非常困难；而PLC控制是软接线，改变控制程序即可实现逻辑的改变或增加功能。工作方式：电气控制是并行工作，而PLC是串行工作，不受制约。控制速度：电气控制速度慢，触电易动；PLC通过半导体控制，速度快，无触

17、点，无抖动。可靠性能：电气控制触点多，会产生磨损和电弧烧伤，接线多，可靠性差；PLC无触点，寿命长，具有自诊功能，执行程序监控，调试和维护方便。第3章 控制系统3.1系统设计的基本步骤机械手设计和调试的主要步骤，如下图所示：（图3.1 系统设计步骤图）3.2 控制系统的要求机械手 动作过程：自原点起，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手开始下降。当机械手下 降碰到限位开关时，下降电磁阀 断电，机械手停 止下降；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，上升电磁阀通 电，机械 手开始上升，直至碰到上限开关，上升电磁 阀断电停止上 升。使用伺服电机控制机械手 开始旋转，180后机械手停止旋转。接通右移电阀使

18、机械手 向右移动直 碰到右限位开关，右移电磁 阀断电，机械手停止右移。左工作台无物料时光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。直至碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械 手停止下降，同时夹紧电磁阀断电机械手放 松，完成物料搬送。机械手放松后上升电磁阀 通电使机械手开始上升，碰到 上限位开关上升电磁阀断 上升 停止；接通左移 电磁阀，机械手左移，碰到左限位开关，机械手停止左移，机械手底座旋转180回到原点， 完成一周期动作。(图3.2机械手动作简图)（图3.2机械手抓放运送功能）3.3 系统及原理（图3.3 控制系统原理图）3.4 PLC的概述PLC 是可编程控制器的简称。PLC 源于继电器控制

19、技术，通过运行存储在其 内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所需要的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机，却并不等同于普通计算机。普通计算机进行输入输出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息输入输出的物理过程一般不考虑的。而 P LC 则要考虑信息输入 输出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用，特别要考虑怎么适应于工作 环境，比如，便于安装，便于维 护及抗干扰等问题，输入输出信息变 换及可靠 的物理实 现，可以说是PLC实现控制的两个 基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。它的功能要比继电器控制装置多得多，也强得

20、多。根据PLC丰富的指令系统，各种各样的I/O 接口、通信接口，大容量的内存， 可靠的自身 监 控系统，可以知道PLC 的基本功能：准确定时功能；高速计数功能；逻辑处理功能；数据运算功能；中断处理功能；程序与数据存储功能； 联网通信 功能；自检测、自诊断功能。PLC 把这些功能集于一身，是别的电控器所没有的，也是传统的继电器控制电路所无法比拟的。PLC 丰富的功能为它的广 泛运用 提供了可能。3.5 PLC的选择在对 PLC 进行选择时要考虑很多方面，主要依据机械手控制系统工作过程的特点和应用要求，详细分析工作过程的特点、控制要求，明确任务和范围，确定所需要的操作和动作，然后根据控制要求估算输

21、入输出点数，确定所需要存储器的容量、PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC 和设计相应的控制系统。 （一）存储器容量估算可变程序控制器本身提供的硬件存储单元大小就是存储器容量，它是存储器控制系统硬件的选择中用户应用项目使用的存储单元的大小，由此可以看出存储器的容量大于程序容量。由于程序容量在设计阶段是未知的，需要程序调试后才知道，所以要对存储器的容量进行估算。在估算时没有固定的公式，本课题设计的存储容量选择能存储2500条梯形图，这才有足够的空间供设计需要。（二）输入输出点数估算输入输出点数的估算很重要，在估算时要考虑到适当的余量，通常在统计的 输入输出点数基础上增加

22、10%-20%的余量，这就有利于PLC 有效控制。 （三）PLC 控制功能的选择 PLC 的控制功能有很多，包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等。本课题设计的机械手在控制功能的选择上并没有包含完 PLC 的所有功能，但是有几项主要的功能是这次设计必须的。 第一个就是控制功能，可编程控制器主要用于顺序逻辑控制，所以很多场合 采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制。其次是编程功能，这是每个 PLC 都必不可少的部分，编程功能又可以分为离线编程方式和在线编程方式两种。在 离线编程时可以降低系统成本，但是使用和调试不方便。而在线编程成本高，但 系统调试和操作方便。再一个功

23、能就是诊断功能，PLC 的诊断功能包括硬件和软 件诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断又分为内 诊断和外诊断。PLC 的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的 要求。 （四）可编程控制器机型的选择 可编程控制器的种类繁多，型号各异，要选出适合本设计的 PLC 产品就要通 过对输入和输出点数的选择、对存储容量的选择、对响应时间的选择以及负载情况等进行分析。最后我决定使用三菱公司生产的FX 系列的FX2N-48MR 型号的可编程控制器作为机械手的控制器。3.6 I/O接线图系统的控制电路设计主要是 PLC 的输入、输出接线图设计，根据机械手的动 作过程和控制要求

24、，确定 PLC 的型号和传感器，合理分配输入、输出点，得到系 统的PLC 输入、输出接线图，如图3.6 所示。（图3.6 系统I/O接线图）3.7 PLC梯形图PLC 梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC 的第一编程语言。梯形图的最大优点就 是直观易懂，很容易被电气工人掌握，非常适合开关量逻辑控 制。PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等，它们不是真实的物理继电器，而 是一些存储单元，每一次继电器与PLC 存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。梯形图两侧的垂直公共线称为母线，在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图 的分析方法，可以想象

25、左右两侧母 线之间有一个左正右负的直流电 源电压，母线之间有能流从左向右流动，右母 线可以不画出。根据梯形图中各触 点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的 逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状 态来进行的。3.8 PLC控制程序本设计的工作方式可以分为自动和手动两种，其控制程序可分为自动控制程 序和手动控制程序两种模块。每个模块都是分开编写，结构清晰，便于调试和修 改。 自动工作方式中，机械手的各种运动是以开关 控制，可选择 STL 步 进顺序控制方式，即采用 步进顺

26、序控制指令对其编程，这样 可使程序简化，提高 编程效率，为程序的调试、 试运行带来很多 方便。 机械手完成一个物件的搬运、回到原位、夹板处于 放松状态 时，就为下一个 物件的搬运做好准备。当搬运到位时，SQ1 就发出启动指令 ，进入新的一轮循环。 YA1是单电两位四通电磁阀 的电 磁线圈，为了安全，设计要求它在失电时机械手仍处于夹紧状态 ，得电时才 张开夹板。 所以，开机时用SET 指令，将Y004 置1， YA1 便带电，机械手张开。本设计的自动控制系统控制状态转移图如图3.8.1 所示。 （图3.8.1 系统自动控制状态转移图）自动控制程序就 是编好程序后，按启动按钮就行。而手动控制 程序则 用于实现机械手升降、夹板夹紧放松、机械手旋 转和运动快慢的点动控制 和状态转移。 当机械手在工作中突 然出现 停电或系统发生故障时，可 机械手手动复位。本次设计的系统手动控制程序梯 形图如图3.8.2 所示。（图3.8.2 手