毕业设计论文基于PLC控制的机械手系统应用

1、专科毕业设计（论文）设计题目： 基于plc控制的机械手应用系统 系 部： 电气工程系 专 业： 电气自动化技术（工业企业电气） 班 级： 工企电气091301 姓 名： 学 号： 093905130137 指导教师： 职 称： 讲师 2012年6月 南京摘 要伴随着工业自动化的快速普及和迅猛发展，传统的人工劳动生产力以及生产条件已经远远不能满足市场的需求和工业的生产要求，甚至成为工业发展与前进的绊脚石。而此时，作为在近代自动控制领域的自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，应运而生的plc控制系统机械手改变了这种现状。它能部分地代替人工操作，按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成

2、工件的传送和装卸；能在空间抓起、搬运、摆放物体等，动作灵活多样；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产自动化的步伐。在本论文设计系统中，我们可以更好地将plc应用于机械手的设计中，从而进一步提高工作效率，促进生产力发展。关键词 机械手 plc 自动化 abstractalong with the rapid spread of the industrial automation and rapid development, the traditional manual labor productivity and production

3、conditions are far from meeting the needs of the market and industrial production request, even became the industry development and the advance stumbling block. but this time, as a modern automatic control field in the automatic production process developed a kind of new type device, made the plc co

4、ntrol system manipulator change the situation. it can partly replace artificial operation, according to the production requirements, follow a certain procedure, time and location to complete the transfer and loading and unloading; in space, handling, put objects grabbed, flexible movement; can make

5、the necessary tools to carry out welding and assembly thereby greatly improve the labor conditions, significantly improve labor productivity, accelerate the pace of industrial production automation.in this paper the design system, we can better will plc in the design of the manipulator, so as to fur

6、ther improve the work efficiency, promote the development of productive forces.keywords manipulator plc automation 目 录1 引言11.1 设计背景11.2设计目的及意义12 机械手的概述12.1 机械手的应用简况22.2 机械手的发展趋势23 机械手中的硬件设计33.1 机械手的工作原理33.2 plc的定义及选择53.2.1 plc的定义及应用53.2.2 plc的选择63.3 地址分配表73.4 plc外围接线图84 机械手的软件设计84.1 设计顺序功能图84.2 梯形图的

7、设计94.2.1 梯形图的设计方法94.2.2 绘制梯形图10结 论13致 谢14参 考 文 献151 引言1.1 设计背景 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已经成为高新技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手更好的实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的作业，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸

8、，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。1.2 设计目的及意义本设计通过对大学三年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的搬运机械手的设计，能够比较好地体现电气自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前，在国内的很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍需要人工来完成，这就暴露出来生产方面劳动强度大、生产效率低这一现象。为了提高生产效率，降低生产成本，并使生产线发展成柔性制造系统，适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺，利用机器人技术，设计由机械手替代人工劳动，以提高劳动生产率。本机械手主要与

9、数控车床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。机械手通常应用于动作复杂的场合来替代人的反复操作，从而降低人工的体力劳动强度。普通继电器由于其体积和接口各方面限制，经常被应用于动作简单的电器及流水线控制，而plc以其可靠性高、抗干扰能力强；控制系统结构简单、通用性强；编程简单、使用及维护方便；组合便捷、功能强、适用范围广；体积小、重量轻、功耗低等优点被广泛应

10、用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以plc控制为基础从而实现机械手的各种动作。2 机械手的概述2.1 机械手的应用简况在当下的工业生产中，生产过程自动化、机械化已成为最显著的主题。在机械工业中，加工、装配等生产不是连续的。专用机床是大批量生产自动化的最为有效办法，数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化问题的重要方法。国内外机械工业、铁路部门中搬运机械手主要应用于热加工、冷加工、拆修装三个方面。近些年来，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，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。而在机械工业中，机械手的应用意义可言概括

11、如下：首先提高生产过程的自动。应用机械手，便于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等操作的自动化程度，从而提高生产效率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的发展步伐。其次改善劳动条件，降低人身伤害，在高、低温以及灰尘、噪声、异味、有放射性或有毒污染、工作空间狭隘等场合中，替代人工操作。最后减少人力，便于有节奏地生产。应用机械手代替人手工作，不但减少人力劳动，而且利于应用机械手的连续工作。 综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。2.2 机械手的发展趋势专用机械手经过多年来的不断发展与改进，现今已经进入以通用机械手为主的时代。由于通用机械手的应用、发展，进而

12、促进了智能机器人的开发、研制。智能机器人所涉及的理论范畴，不但包括一般的液压、机械、气动等基础知识，而且应用了一些电子、通讯、计算机、无线电控制、仿生学和假肢工艺等技术，因此它是一项综合性很强的新技术。目前国内外对发展这一新技术尤其重视，几十年来，这项技术的研究发展一直处于比较活跃的阶段，设计在不断地改进，品种在不停地增加，应用领域也在大范围地扩展。最先在40年代，随着原子能工业的快速发展，模拟关节式的第一代机械手已经问世。50年代至60年代，制成了运送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手，这就是第二代机械手。60年代至70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，

13、即第二代机械手进入应用阶段。80年代至90年代，装配机械手处于鼎盛时期，日本尤其显著。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农林、采矿业、航空航天、医疗、服务业、军事等领域上有重大应用。90年代以后，随着计算机、微电子、网络等技术的迅猛发展，机械手技术也相应实现了多元化发展。总之，目前机械手的发展分以下三个阶段：第一代机械手主要是依赖于人工控制，为开环式控制方式，降低成本和提高精度是其改进方向。第二代机械手配备有电子计算机控制系统，具有视觉和触觉能力，甚至拥有听、想的能力；研究安装各种传感器，反馈接收信息，使得机械手有感觉机能。第三代机械手可以独立完成工作过程中的各项

14、任务，与电子计算机和视屏设备相连接，并逐步发展为柔性系统fms和柔性制造单元fmc中的重要环节。当今世界上现有的工业机械主要应用于机床的铸锻、加工、热处理等方面，数量、类型、功能方面都远不能满足工业生产发展的要求。因此，扩大机械手应用范围，发展铸锻、热处理方面的机械手，减轻劳动强度，改善作业条件是主要研发方向。在专用机械手应用的同时，相应地发展通用机械手，进一步研制示教式、计算机控制和组合机式等机械手。将机械手各运动构件，如伸缩、升降、抓放等机构，设计成典型的通用机构，以便于根据不同的作业要求，选用相对应的部件，即可组成各种不同用途的机械手。一方面便于设计制造，另一方面便于更换工作，扩大应用范

15、围。同时还要提高精度，减少冲击，精确定位，进而更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型、具备触觉和视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，使机械制造系统逐步发展为一个整体单元。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。3 机械手中的硬件设计3.1 机械手的工作原理机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统及位置检测装置等部分构成。在plc程序控制下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指

16、令，必要时可对机械手的动作进行监控，当有误动作发生或出现故障时发出报警信号。位置检测装置及时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置相比较，然后通过控制系统进行调整，从而使得执行机构以一定的精度达到指定位置。 （1)执行机构 执行机构包过手部、手腕、手臂、立柱和机座等部件，部分还有行走机构。 （2)驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的设备。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、机械传动。由于液压传动系统的动作迅速，反应灵敏，且阻力损失和泄露较小、成本低廉，因此本机械手采用液压传动方式。 （3)控制系统 控制系统是让工业机械手按规定要求动作的系统。

17、目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位系统两部分构成。这种机械手采用的是plc程序控制系统，它支配机械手按规定的程序动作，并记住人们赋予机械手的指令信息（如动作的顺序、轨迹、速度及时间），并按其控制系统的信息对执行机构发出指令。鉴于机械手的通用性，且需使用点位控制，因此我们就采用plc对机械手进行控制。当机械手的动作流程发生改变时，只需要相应的改变plc程序即可完成要求。 （4)位置检测装置 位置检测装置是控制机械手执行机构的运动位置，并及时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置相比较，然后通过对控制系统的调整，从而使得执行机构达到指定的位置。根据以上工作原理达到本设

18、计方案就需要以下几个基本要求：从原点开始，按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止；若此时右工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关下降电磁阀断电，下降停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过八步动作完成一个周期（下降-

19、夹紧-上升-右行-下降-松开-上升-左行）。控制要求如下图1所示： 图1 工作示意图在满足上述控制要求的同时还应该遵循以下设计原则：充分分析作业工件的作业技术要求，拟定合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位的精确度，抓取、搬运的受力特性等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制作过程，兼顾通用性和专用性，并能够实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是一种适合批量生产、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合，同时也适用于操作环境恶劣的场合。3.2 plc的定义及选择机械手通

20、常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省了人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而plc以其可靠性高、抗干扰能力强；控制系统结构简单、通用性强；编程简单、使用及维护方便；组合便捷、功能强、应用范围广；体积小，重量轻、功耗低等优点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以plc控制为基础从而实现机械手的各种动作。3.2.1 plc的定义及应用可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为plc（programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计

21、算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著地优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。plc之所以能有如此广泛的应用取决于如下几个特点：（1）可靠性高、抗干扰能力强plc能在恶劣的环境（如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等）中可靠地工作，plc的平均无故障间隔时间高。（2）控制系统结构简单、通用性强由于plc是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需要改变控制系统的功能时，不必改变plc的硬件设备，只需相应改变软件程序。（3）编程简单、使用及维护方便（4）组

22、合便捷、功能强、应用范围广plc既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此，plc应用范围很广。（5）体积小、重量轻、功耗低plc采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低。根据上述特点，plc的应用有以下几个方面：(1) 用于逻辑控制这是plc最基本、最广泛的应用方面，用plc取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制等。(2）用于模拟量控制plc通过模拟量i/o模块，可实现模拟量与数字量之间的转换，并对模拟量进行控制。(3）用于机械加工中的数字控制现代plc具有很强的

23、数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（nc）及计算机控制（cnc）紧密结合，实现数字控制(4）用于工业机器人控制(5）用于多层分布式控制系统高功能的plc具有较强的通信能力，可实现plc与plc之间、plc与远程i/o之间、plc与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中继电器控制占据着主导地位。传统的继电器具有结构简单、掌握方便、价格便宜等优点，在工业生产中应用广泛。但是同时具有控制装置体积庞大、动作速度较慢、耗电较多、功能少等不足之处，特别是由于它是靠硬件连线构成系统，接线繁杂，并且当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线控

24、制柜就得随之改变或更换，其通用性和灵活性较差。plc的应用领域非常广泛，并在迅速扩大，对于而今的plc几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要plc，尤其是近几年来plc的性价比不断提高，已经被广泛应用于冶金、机械、石油、化工、轻工、电力各行业。3.2.2 plc的选择i/o点数的估算：通过统计plc系统的开关量i/o点数及模拟量i/o通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。以及在统计后得出i/o总点数的基础上，增加10%15%的裕量。选定的plc机型的i/o能力极限值必须大于i/o点数估算值，并应尽量避免使plc能力接近饱和，一般应留有30%左右的裕量。为此，从控制要求中得出14个输入点，6

25、个输出点。该控制系统cpu模块可采用cpu-224（ac/dc/继电器）模块，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。同时由于该模块采用交流220v供电，并且自带14个数字量输入点和10个数字量输出点，完全能满足该工业洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量和输出模块。综上所述此次设计选用西门子s7-200系列cpu-224型号plc。3.3 地址分配表机械手的系统i/o分配表，如下表1表1 系统i/o分配表输入器件输入点i输出器件输出点q启动按扭i0.0下降q0.0下限i0.1上升q0.1上限i0.2夹紧q0.2右限i0.3右转q0.3左限i0.4左转q0.4无件i0.5

26、原点指示q0.5停止i0.6单操作i0.7步进i1.0单周期i1.1连续i1.2左右i1.3上下i1.4夹松i1.53.4 plc外围接线图 图2 plc外围接线图 根据图2 plc外围接线图所示，先将机械手至于左上限位，此时机械手处于原位，原点指示灯亮；按下启动按钮，i0.0端有信号输入，机械手向下运行；当运行到下限位，i0.1端有信号输入，机械手动作夹紧工件；当夹紧1s后，机械手夹紧工件向上运行；当运行到上限位，i0.2端有信号输入，使机械手夹紧工件向右运行；当机械手到达右限位，i0.3有输入，夹紧工件向下运行；当机械手到达下限位，i0.1有信号输入，机械手松开；当松开工件1s，机械手向上

27、运行；当运行到上限位，i0.2端有信号输入，机械手向左运行；当机械手运行到左限位，i0.4端有信号输入，机械手回到原位，完成一个运送工件流程。4 机械手的软件设计4.1 设计顺序功能图根据以下设计要求绘制机械手的顺序功能图： （1)从原点开始，按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。（2)下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。（3)夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。（4)上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。（5)右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止；若此时右工作台上无工件，则

28、光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。（6)下降到底时，碰到下限位开关下降电磁阀断电，下降停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。（7)至此，机械手经过八步动作完成一个周期（下降-夹紧-上升-右行-下降-松开-上升-左行）。下图3为该机械手的顺序功能图 图3 顺序功能图 4.2 梯形图的设计4.2.1 梯形图的设计方法（1) 经验设计法1）确定输入/输出电器；2）确定输入和输出点的个数、选择plc机型、进行i/o分配；3）做出系统动作工程流程图；4）选择plc指令并编写程序； 5）编写其它控制要求的程序；将各个环节编写的程序联系起来，即

29、得到一个满足控制要求的程序。（2) 逻辑设计法工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器元件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数字设计电气控制线路是完全可以的。该方法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行plc程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。（3) 顺序设计法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程具体如下：1)步与步之间必须用转移隔开；2)转移与转移之间必须用步隔开；3)转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下或从左向右。

30、按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。4)一个顺序功能图中至少有一个初始步。4.2.2 绘制梯形图 图4 机械手的plc梯形图图4为机械手的plc梯形图，plc上电时，激活初始步s0.0，同时将后续的所有步复位。当机械手符合原位条件即机械手在最左上端时，激活原位状态步q0.5，同时复位初始步。置起停标志，起动有效时s0.1置1，按下停止按钮后s0.1清0，为完成一个周期后转换方向提供条件。接着按各步的条件依次转换，其中抓放的条件转换是定时器t37和t38的触点。最后根据是否按停止按钮的条件，分别转换到s0.0或者s1.0。结 论随着工业自动化的迅猛发展，机械手在工业自动控制领域中所占据的地位越来越重要，因此应该关注并催进其发展。 机械手可以完成很多工作，如搬物、切割、装配等等，应用非常广泛。plc具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。应用