通用上下料机器人控制系统设计

1、PAGE 河南工程学院论文版权使用授权书本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名： 年 月 日 河南工程学院毕业设计原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内

2、容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 年 月 日河南工程学院毕业设计（论文）任务书题目 通用上下料机器人控制系统设计 专业 机械设计及其自动化 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。确定通用上下料机器人的控制方案，比较选取最合适的控制方案，实现对机械手和机械臂同时控制。要求该系统实时快速、操作方便，比较符合

3、上下料控制系统的需要。基本要求完成通用上下料机器人控制系统设计。主要内容包括：1查阅国内外相关文献不少于15篇（其中外文文献不少于2篇，列入参考文献中），根据查阅的文献资料情况，写出文献综述（不少于3000字）；翻译外文文献一篇（译文字数不少于3000字）。文献综述与翻译单独装订成册。2确定控制方案。3写出程序，流程图。4按要求撰写毕业论文。参考资料：1推荐参考书：1 朱春波PLC控制的气动上下料机械手J液压气动与密封,1999,21-242 张波多功能上下料用机械手液压系统J液压与气动,2002,8(2):31-323 李允文工业机械手设计M北京:机械工业出版社,19964 程宪平可编程控制

4、原理及应用化学工业出版社，200985 史国生PLC在机械手步进控制中的应用J中国工控信息网,200516 王永华现代电气控制及PLC应用技术M北京:北京航空航天大学出版社,20092学术期刊、学术会议等其它参考文献自备。完 成 期 限：指导教师签名： 专业负责人签名： 年 月 日通用上下料机器人控制系统设计目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358914652 摘 要 PAGEREF _Toc358914652 h I HYPERLINK l _Toc358914653 ABSTRACT PAGEREF _Toc358914653 h II HYPERLI

5、NK l _Toc358914654 1 绪论 PAGEREF _Toc358914654 h 1 HYPERLINK l _Toc358914655 11本课题研究背景的意义 PAGEREF _Toc358914655 h 1 HYPERLINK l _Toc358914656 12国内外研究动态及发展趋势 PAGEREF _Toc358914656 h 1 HYPERLINK l _Toc358914657 13本文的主要工作 PAGEREF _Toc358914657 h 2 HYPERLINK l _Toc358914658 2 机械手简介3 HYPERLINK l _Toc35891

6、4659 21 机械手的分类3 HYPERLINK l _Toc358914660 22 常见机械手分类 PAGEREF _Toc358914660 h 4 HYPERLINK l _Toc358914661 3 控制方案9 HYPERLINK l _Toc358914662 31 系统控制器的选择9 HYPERLINK l _Toc358914663 32 PLC的基本知识 PAGEREF _Toc358914663 h 10 HYPERLINK l _Toc358914664 33 PLC、电机选型 PAGEREF _Toc358914664 h 12 HYPERLINK l _Toc35

7、8914665 4 控制系统设计 PAGEREF _Toc358914665 h 17 HYPERLINK l _Toc358914666 41 硬件系统设计 PAGEREF _Toc358914666 h 17 HYPERLINK l _Toc358914667 42 软件系统设计 PAGEREF _Toc358914667 h 20 HYPERLINK l _Toc358914668 421 梯形图编语 (LD-Ladder Diagram) PAGEREF _Toc358914668 h 20 HYPERLINK l _Toc358914669 422 控制流程图 PAGEREF _To

8、c358914669 h 21 HYPERLINK l _Toc358914670 423 梯形图设计 PAGEREF _Toc358914670 h 22 HYPERLINK l _Toc358914671 结束语 PAGEREF _Toc358914671 h 34 HYPERLINK l _Toc358914672 致 谢 PAGEREF _Toc358914672 h 35 HYPERLINK l _Toc358914673 参考文献 PAGEREF _Toc358914673 h 36通用上下料机器人控制系统设计摘 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

9、。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。本文介绍的机械手是由PLC输出控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给可编程控制器PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的通用上下料机械手可在空间内抓放物体，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。关键词： PLC；可编程控制器；机械手GENERAL FEEDING ROBOT C

10、ONTROL SYSTEM DESIGNABSTRACTManipulator is a traditional industrial robot system task executing agency, is one of the key components of the robot The mechanical structure of the manipulator with ball screw, slider, such as mechanical parts; Has ac motor, frequency converter, sensors, electrical and

11、other electronic devices This unit covers the programmable control technology, position control technology, testing technology, etc Manipulator is introduced in this paper by PLC output control manipulator transverse and vertical shaft precision positioning, micro switch position signal to host prog

12、rammable controller PLC; Position feedback signals from the proximity switch to the PLC host computer, through the control of manipulator gripper zhang, so as to realize the function of manipulator movement accurately This topic proposed the development of general loading manipulator can catch put o

13、bjects into space and flexible, can replace artificial to operate at high temperatures and dangerous areas, and can according to the requirement of the change and movement of the workpiece process at any time change the related parameters KEY WORDS：PLC；The programmable controller；manipulator1 绪论 本课题

14、研究背景的意义我国国家标准(GB/T 12643-90)对机械手的定义:“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。”机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。机械手的积极效应越来越被认可,首先,它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件传输。因此,它可以极大地改善工作条件的员工,加快工业生产机械化和自动化。因此,带的注意先进单位和投入了大量的人力物力来研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声、应用更广泛。在我国,现代也有近年发展迅速,取得了一定的成果,将各种工业部门的注意，本课题的工作

15、为此提供了实际依据。 国内外研究动态及发展趋势机械手用于机械制造业,发展迅速。目前主要用于机床、卧式模锻压力机上下,点焊,喷漆,如作业,它可以按照预先确定的操作程序来完成指定的操作。机械手的发展趋势是大力发展海外具有一定的智能机械手。可以使它具有一定的传感能力,反馈的外部情况的变化,自作相应的修改。如位置略有偏差时,可迅速纠正和测试他们自己,中期实施侧重于研究机械功能的视觉和触觉。目前已经取得了一定的成就。世界高端工业机械手有高精化、高速度、多轴,轻量级开发的趋势。定位精度可以满足要求的微米和亚微米级,运行速度可达3米/秒,新产品的数量的六轴、负载2公斤的产品系统现在的总重量100公斤。更重要

16、的是机械手,柔性制造系统,结合柔性制造单元,从根本上改变当前状态的人工操作机械制造系统。同时,随着小型化和微型化的机械手,其应用领域将突破传统领域的机械、电子信息、生物技术、生命科学和向和航空航天等高端产业的发展。目前国内机械主要用于机械加工，铸造，热处理等的数量，类型，功能不能满足我国工业生产发展的需求。所以，在国内主要是逐步扩大的应用范围，机械手，机械铸造，热处理的发展，从而大大降低劳动强度，改善工作条件，专用机械手的同时，相应的开发中的应用一般机械手，具有相应的条件和教学操纵，同时在计算机控制的机械手和组合机械手等，提高了机械的速度，减少操作，精确定位正确，为了更好地发挥机器人的作用工业

17、生产。与世界同步，也应大力研究伺服，内存中的表示，触觉，视觉等的操纵性能，并考虑腹腔镜手术，通常是连接到一台计算机，并逐渐成为整个机械的基本单位制造系统1。 本文的主要工作1问题提出 ：PLC控制的机械手最主要是应用于自动化生产中，如何综合地运用前面学过知识点，根据实际工程要求合理组合成控制系统， 在此介绍组成可编程控制器控制系统的一般方法。 2系统设计的主要内容 (1)拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；(2)选择电气传动的形式和电动机、电磁阀等执行机构；(3)选定 PLC 的型号；(4)编制 PLC 的输入 / 输出分配表或绘制输入 / 输

18、出端子接线图； (5)根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；(6)了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；2 机械手简介2.1 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。一、按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加

19、口工中心”附属的自动换刀机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以 “开一关”式控制定位，只能是点位控制: 伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。二、按驱动方式分1、 液压传动机械手此类是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是

20、:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、 气压传动机械手此类是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境

21、中进行工作。3、机械传动机械手此类机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。三、按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制

22、其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。2.2 常见机械手分类按机械手的不同运动形式及组合情况，其坐标型式可分为以下几类：(1)直角坐标式如图2-1所示机械手，其手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿直角坐标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横移。这种坐标型式的机械手称为直角坐标式机械手。它的特点是结构简单，定位精度高，适用于

23、主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小以及灵活性差，限制了它的使用范围。图2-1 直角坐标式机械手(2)圆柱坐标式如图2-2所示的机械手，其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转所组成，即沿X轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。这种坐标型式的机械手称为圆柱坐标式机械手。它与直角坐标式相比较，占地面积小而活动范围大，结构简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛。但由于机械手的结构关系，沿Z轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。图2-2 圆柱坐标式机械手(3)球坐标式如图2-3所示的机械手，其手臂的运动系由一个直线运动和两个转动所组成，即沿X轴的伸缩、绕Y轴的俯

24、仰和绕Z轴的回转。这种坐标型式的机械手称为球坐标式机械手。这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件，为了使手部能适应被抓取物件方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其它状态。这种型式的机械手具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式。但结构较复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差较大。图2-3 球坐标式机械手(5)关节式如图2-4所示机械手，其手臂的运动类似人的手臂可作几个方向的转动。它由大小两臂和立柱等所组成，大小两臂之间的联接为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，各关节均有铰链构成以实现转动，手臂的运动系由三个回

25、转运动所组成，即大臂的俯仰（）、小臂的俯仰（2）和大臂的回转（）。这种坐标型式的机械手称为关节式机械手。它的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件，此为其它型式机械手不可比拟的优点。但是关节式机械手的手指定位是由各个关节相互转角来决定的，所以定位精度较差，另外，控制装置和机械结构比其它型式的机械手均复杂。图2-4 关节式机械手上述四种坐标型式主要根据手臂的运动来确定的，也可以由某二种坐标型式组合起来应用。机械手坐标型式的正确选择，要通过坐标型式方案的比较来确定。在拟定坐标型式方案时，又须根据现场具体生产情况和工艺、精度、安装空间

26、的要求，结合各种坐标型式的特点来分析比较，确定比较合理的坐标型式。本方案考虑通用性，精度，搬运物等综合考虑选用圆柱坐标式机械手。3 控制方案3.1 系统控制器的选择工业机器人的运动控制器是控制技术与运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持下，它通常以微处理器为核心，综合编程软件、运动轨迹控制、控制算法分析、各运动部件的实时驱动等功能，达到总体运动控制效果。在运动过程中，运动控制器还需要对具体的运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，并对相关情况做出及时反应。目前先进的运动控制器主要是以微机(PC)为基础的数字化控制系统、以高速的数字信号处理器(DSP)为核心的全数字化控制系统和以PLC为核

27、心的全数字化控制系统。(1)基于PC技术的运动控制器计算机技术的发展在工业控制领域也同样导致技术面貌的迅速改变。工业控制机，特别是采用PC技术的工业PC的涌现，大大推动和促进了开放式运动控制的发展。基于工业PC的运动控制器可以利用PC强大的软件环境和技术支持，摆脱专用封闭式控制系统的束缚和不便。从软件上看，其主要作用是利用其高效运算功能、管理与监控能力以及丰富的软件资源，实现更高的控制算法、轨迹插补算法和补偿算法，从而丰富运动控制软件，并大大提高伺服扫描速度，提高系统的分辨率，以实现最小的移动单位和最大的进给速度，便于用微小程序段以高速度、高精度实现轨迹形状复杂的曲线或曲面。(2)基于DSP运

28、动控制器20世纪90年代以来，数字信号处理（简称DSP)在运动控制器中得到越来越广泛的应用，这主要是因为它的高速运算使得很多复杂的控制算法和功能得以实现，而且集成度高，它利用控制器本身独特的硬件结构可以实现快速的硬件位置捕捉功能。DSP系统具有接口方便、稳定性好、精度高、可重复性好、集成方便等优点，目前市场上已出现了多种DSP型的高级运动器，这些芯片能同时控制多轴，有的己包含了运动轨迹插补运算及包含有前馈补偿功能的算法，这为多轴伺服电机的控制带来了极大的方便。但由于DSP技术更新的速度快、数学知识要求多，开发和调试工具还不完善，轨迹控制，多轴联动参数匹配等需通过编制程序来实现，掌握对机械手的控

29、制比较困难。(3)基于PLC的运动控制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。随着PLC的发展，出现了更多的功能强大的指令，这些指令本身在单操作的意义上提供了更强的计算能力，特别是运动控制指令和在网络通讯方面功能更加强大，命令支持各种运动功能，实现多轴协调控制、高度的集成操作及位置环和速度环的闭环控制，能够满足高性能工业机器人位置和运动精度要求。虽然采用基于PC的运动控制器和基于DSP运动控制器也能够实现机械手的运动控制，但是采用PLC的控制接线简单，只需通过运动控制指令便可实现对机械手的运动控制，由PLC构成机械手控制器，硬件配置的工作量较小，无需作复

30、杂的电路板，只需在端子之间接线。因此本设计选用PLC为机械手运动控制器2。3.2 PLC的基本知识PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术应时出现并快速发展。 目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展

31、成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。 PLC可以不断更新发展在产业发展，是因为它更适合于工业领域和市场的需求：可靠性高，能力强，抵御各种干扰，编程简单安装使用，使用寿命长，价格低。它更接近现场设备的输入/输出端，中间，或不需要加多少部分需要更多的接口，这样可以节省用户的安装时间，更多的用户，以降低成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。用户在应用它时，不需要进行专门的计算机培训，就能对PLC进行基

32、本操作及编程。总之，可编程控制器像是计算机，一台为了专门应对工业生产环境而设计的计算机。它有丰富的输入/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是针对某一具体工业应用，在实际应用时，某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。PLC的优点(1)实时性，可靠性实时性是电气控制设备的前提性能。PLC产品的设计的开发是基于控制前提的，所以它的信号处理时间短，速度快。它的实时性使它经常用于处理联锁保护工业控制装置，能满足各种工业领域的大、中、小型工业控制项目。可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器

33、内部电路之间电气上隔离，具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统就具有极高的可靠性。(2)配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，产品种类繁多，规模分成了大、中、小各种规模的系列化产品。I/O卡种类丰富，可以根据工控的不同要求进行不同的配置，适用于各

34、种规模的工业控制场合。现代PLC除了逻辑处理功能以外，还大多具有比较完善的数据运算能力，能够适用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，能够让PLC轻松实现位置控制、温都控制、CNC机床控制使。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。(3)安装简单，易学易用PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它可以在各种工业环境下直接运行，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，直观性强，只需用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。使不熟悉电子电路、不懂计算机原

35、理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制变得非常便捷。(4)安装简单，维修方便PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，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。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。(5)体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅为数瓦。由于体积很小很容易装入工业机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.3 PLC、电机选型1 PLC机型的选择根据被

36、控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。 进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的装置等。2 输入/输出的点数：I/O点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。多数小型PLC为整体式

37、，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。此外，还应考虑用户储存器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。本论文首先应明确控制的任务和范围，确定所需的动作流程，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，再通过PLC的类型、输入输出模块的选择 、电源的选择、存储器的选择、冗余功能的选择和高性能价格比，本设备控制的对象是一个

38、开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进店动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。可编程序控制器采用F系列的F160MR。3电动机的选择：Y2系列三相异步电动机具有结构新颖、造型美观、噪音低、振动小、绝缘等级高等特点，是Y系列电机的更新产品。外壳防护等级IP54，它具有良好的起动性能和运行性能，结构简单，工作可靠，维修方便等特点，电机采用E级或B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为ICO141，额定频率为50Hz，额定电压为380V。竖轴驱动电机承载整个机械手的所有负载，需要功率较大，而机械手主要用于生产线夹持较轻便物体，综合考虑，竖轴选用Y2-63M2-2，功率250W，可满足生产需要。横

39、轴主要驱动横臂的左右运动，承载重量较小，选用Y2-63M1-2，功率180W，即可满足生产需要。电动机3主要用来控制机械手抓的加紧和放松，所承载负载最小，因此可选用Y2-63M1-4，功率120W。由于交流电机需要无极调速选用变频器，其主电路给异步电动机提供调速调压调频电源的电力变换，本方案选择FR-A504变频器。变频器的各回路接线端子如图3-1所示，其中 表示主回路接线端子， 表示控制回路输入接线端子，表示控制输出接线端子。主回路接线及注意事项：图3-1 端子接线图1主回路接线主回路电源和电动机的连接如图3-2所示。电源必须接R、S、T，绝对不能接U、V、W，否则会损坏变频器。在接线时不必

40、考虑电源相序。使用单相电源时必须接R、S端。电机接到U、V、W端子上。当加入正转开关（信号）时，电动机旋转方向从轴向看时为逆时针方向。图3-2 电源和电机的连接2主电路接线端子介绍及注意事项(1)主回路接线端子简介1)交流电源输入端子R、S、T：连接工频电源，当使用高功率因数转换器件，确保这些端子不连接（FR-HC）。2)变频器输出端子U、V、W：接三相笼型异步电动机。3)控制回路电源输入端子R1、S1：与交流电源端子R、S连接。在保持异常显示和异常输出时或当使用高功率因数转换器（FR-HC）时，必须拆下端子R-R1和S-S1之间的短路片，并提供外部电源到此端子。4)连接制动电阻器端子P/+、

41、PR：拆开端子PR-PX之间的短路片，在P/+、PR之间连接选件制动电阻器（FR-ABR）。5)连接制动单元端子P/+、N/-：连接选件PR-BU型制动单元或电源再生单元（FR-RC）或高功率因数转换器（FR-HC）。6)连接改善功率因数DC电抗端子P/+、P1：拆开端子P/+与P1间的短路片，连接选件改善功率因数用电抗器（FR-BEL）。7)连接内部制动回路端子PR、PX：用短路片将PR-PX短路时（出厂时设定）内部制动贿赂变生效。8)接地端子变频器外壳接地用，必须接大地。3接线注意事项1)电源一定不能接到变频器输出端上（U、V、W），否则将会损坏变频器。2)接线后，零碎线头必须清除干净，零

42、碎线头可能造成设备运行时异常、失灵和故障，必须始终保持变频器清洁。在控制台上打孔时，请注意不要使碎片粉末等进入变频器中。3)为使电压下降在2%以内，请用适当型号的电线接线。4)布线距离最长为500m。尤其长距离布线，由于布线寄生电容所产生的冲击电流，可能引起过电流保护误动作，输出侧连接的设备可能运行异常或发生故障。5)在P/+和PR端子之间建议制动电阻选件，端子间原来的短路片必须拆下。6)电磁波干扰，变频器输入/输出包含有谐波成分，可能干扰变频器附近的通讯设备。因此，安装选件无线电噪声滤波器或线路噪声滤波器，使干扰降至最小。7)不要安装电力电容器，浪涌抑制器和无线电噪声滤波器在变频器输出侧。这

43、将导致变频器故障或电容和浪涌抑制器的损坏。如上述任何一种设备已安装，请立即拆掉。8)运行后，改变接线的操作，必须在电源切断10min以上，用万用表检查电压后进行。断电一段时间内，电容上仍然有危险的高电压。 4传感器采用接近开关作为手爪旋转和底盘旋转限位检测用;采用微动开关作为横轴、纵轴限位检测用。接近开关：接近开关有三根连接线（红、蓝、黑）红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。微动开关：当挡块碰到微动开关动作（常开点闭合）。 5旋转码盘机械手每旋转3度发出一个脉冲7。4 控制系统设计4.1 硬件系统设计PLC硬件设计是指PLC外部设备

44、的设计。在硬件设计重要进行输入设备的选择（如控制按钮、开关及计量保护装置的输入信号等），还有执行元件的选择以及控制台、柜的设计等。硬件设计还包括PLC输入/输出通道的分配，为便于程序设计和阅读，常作出I/O通道分配表，表中包括有I/O编号、设备代号、名称及功能等。机械手控制系统电器原理图。操作面板及动作说明根据控制和生产工艺的要求，控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步进、回原位操作，自动控制包括单步、单周期、连续的操作。故操作方式选择开关设置有五个档位。手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、快进、慢进、快退、慢退和复位，故设置六个动作看官按钮。各个动作进行的同时均设有动作指示灯。另

45、外设有启动停止按钮。其操作面板如图4-1所示：右行夹紧左行图4-1 机械手操作面板示意图可编程序控制器采用F系列的F160MR。 I/O地址分配如表所示I/O地址分配一览表输入：输出：X0横轴正限位Y0横轴脉冲X1竖轴正限位Y1竖轴脉冲X2横轴反限位Y2横轴方向X3竖轴反限位Y3竖轴方向X4旋转脉冲Y20手正转X20手正转限位Y21手反转X21手反转限位Y22底座正转X22底座正限位Y23底座反转X23底座反限位Y24电磁阀动作表4-1 I/O地址分配表(1)确定输入输出接点的总数输入接点：启动按钮SB、行程开关SQ1SQ4、光电开关SQ5，一共6个。输出接点：YV1YV2总共5个。(2)估算

46、PC内存总数 选取PC类型，PC内存总数取决于程序指令总条数。PC内存总数又是选取PC类型的重要依据，为此依据下面的经验公式对指令总条数进行估算。指令总条数=（1020）*（输入点数+输出点数）本例中指令总条数为（1020）*（6+5）=110220条。(3)输入输出点分配 如下图是机械手输入和输出信号与PC输入输出端子的分配图，其中根据需要增加了机械手回到原位时的指示灯，为了防止误按启动按钮引起机械手的误动作，增加了复位按钮，启动时需要先按复位按钮在按启动按钮，否则机械手不会动作。图4-1 机械手PC输入/输出端子的分配(4)控制电路设计主要是PLC输入、输出接线的设计，其I/O分配如图图4

47、-2 PLC I/O分配图(4)方案选择 考虑到机械手在工作时间时可能发生误动作行程开关而引起的不安全动作，各个输入开关信号只能在规定的状态发生作用，例如，SQ1的闭合信号只能当机械手位于原位而且按下SB2后或从原位右移到右位后才能起作用，其他状态时SQ1不起作用。为了达到这一目的，选择使用移位寄存器来完成顺序控制6。4.2 软件系统设计4.2.1 梯形图编语 (LD-Ladder Diagram)梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是使用最广泛的PLC编程一个简单的语言，由于继电器控制的电气接线图和梯形图是相似的，容易理解的，所以这许多应用编程编程人员和维修人员。其图形结构非常相像，爬上梯

48、子，所以命名为梯形图。两个垂直电轨线左侧和右侧的梯形图程序中，在左侧的电源轨线，它是由左到右的功率流通过阶梯沿水平级所有接触点，功能，功能块，线圈等为了提供能量，电源轨线的右侧上的功率流的末尾。梯形图上的每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，一个简单的梯形图程序如图4-2所示:图4-3 梯形图程序示例 梯形图的每个梯级表示一个因果关系,事件发生的条件表示在梯形的左面,事件发生的结果表示在梯级的右面。梯形图编程语言具有如下特点: (1) 与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性; (2) 与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习; (3) 对于复杂控制系

49、统描述,仍不够清晰; (4) 可读性仍不够好。 几乎所有PLC厂商提供的PLC都支持梯形图编程语言,而且都比较容易理解，只是在梯形图结构上可能稍有变化。比如西门子的S7系列梯形图就没有右边的电力轨线。4.2.2 控制流程图机械手工作流程图如下图所示。把可编程序控制器主机上的RUN-PROG的开关拨在RUN上，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转（横轴向手爪那边移动，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，手抓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

50、阀复位，手爪加紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、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，手张开；延时后竖轴上升复位；然后开始下一周期动作12。图4-4 机械手搬运流程图4.2.3 梯形图设计机械手的控制属顺序控制，采用步进指令，根据说明机器工作状态转换的图形，很容易进行程序设计。（1） 根据机械手的工作方式情况，选择“梯形图的总体设计单步操作”方式时，应执行“单步操作”程序；在选择“返回原位”方式时，应执行“返回原位”程序; “自动”方式时，应执行“自动”程序，故梯形图的总体构成如下图所示。其中，自动程序要在启动按钮按下时才执行。图4-5 机械手PLC控制梯形图总

51、体构成（2） 各部分梯形图的设计通用部分梯形图设计A状态器的初始化：初始状态器S600在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关处于“返回复位”（X501接通）时，按下返回复位按钮（X505）时被置位;在“单步操作”（X500接通）时，S600复位。处于中间工步的状态器用手动作复位操作，即在方式选择开关位于“单步操作”或 “返回复位”时，中间状态器同步复位，故初始状态梯形图如下图示（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）状态器初始化梯形图。图4-6 状态器初始化B状态器转换启动：若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后，按下启动按钮，辅助继电器M575工

52、作，状态器的状态可以一步步向下传递，即可以进行转换。在执行“连续操作”程序时，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。另一方面，采用M100检查机器是否处于原位。当M575和M100都接通时，从初始状态开始进行转换，其梯形图如下图。图4-7 状态器转换启动梯形图C状态器转换禁止梯形图：激活特殊辅助继电器M574，并用步进指令控制状态器转换时，状态器的自动转换就被禁止。 在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并保持，操作停止在现行工步。当按下启动按钮时，从现行工序重新开始工作，M574应复位，即重新允许转换。 在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态

53、转换。但每按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一步。 在“手动”工作方式（单一操作，返回原位）情况下，禁止进行状态转换。在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位。 PLC在启动时，用初始化脉冲M71使M574自保持，以次禁止状态转换，直到按下启动按钮。状态器转换禁止梯形图如下。 图4-8 状态器转换禁止梯形图通过对上图的分析可得出：在执行“单步操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时，每按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时

54、，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的状态可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的状态转换被禁止，操作停止现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续操作”程序时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。D单步操作梯形图 手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方法来设计梯形图。“单步操作”时，按下夹持按钮时，夹持输出Y431自保持，只有按下松开按钮时，Y431才会复位；按下上升按钮，上升输出Y432保持接通；按下下降按钮，Y430保持接通；在上限位按下左行按钮，左行输出Y434保持接通；在上限位按下

55、右行按钮，右行输出Y433保持接通。单步操作是梯形图如下图。图4-9 机械手单步操作梯形图E返回原位梯形图 在“返回原位”状态下，“夹持”与“下降”动作应被停止，上限位未动作时应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位置。返回原位梯形图如下图。图4-10 机械手返回原位梯形图F “自动”状态梯形图 如下图表示了机械手自动工作时执行各工步的情况。表明了各工步的实现以及各工步的转换条件。在第一次下降工步中，下降电磁阀Y430接通。自下限位置时，X401接通，转化为“夹持”过程。在夹持工步中，夹持电磁阀Y431置位，同时驱动T450。T450接通后，转化为第一次上升。此后执行

56、类似的操作，完成由初始条件到下一个初始条件的一系列操作。在夹持输出Y431置位后，保持夹持，直到夹持输出复位松开。如上述一步步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。这种控制过程用继电器符号程序很难实现程序设计。图4-11 机械手自动工作流程图用状态器替代自动工作流程图中的各个工步，可得到如下图所示的功能表图。初始状态在图中用双线框表示。图4-12 机械手自动工作功能表图根据上图所示的功能表图，可设计出自动操作时的梯形图，如下图所示。 图4-13 机械手自动工作梯形图将从初始化开始的一系列梯形图，按照总体构成图的形式作何在一起，得到机械手PLC控制的梯形图，如下图所示。 图4-1

57、4 机械手PLC控制梯形图该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放至自动工作方式下。若自动工作状态解除，则应将工作方式选择开关放至“单步操作”位置3 10。结束语毕业设计是我们毕业前最重要的一份工作，它是对我们这几年来知识的检验核查，是对我们四年求学路程的总结，同时也是提升自我工作和团队协作能力的一种方式。同时也是对我们学业的考核使我们学业可以完满结束。通过这次毕业设计使我明白了所学的知识还有些欠缺，不够完善。没着手之前总是眼高手低，老是以为自己都会、都懂。通过毕业设计我知道了我所谓的都会、都懂原来是都

58、会一点、都懂一点，知识是一个长期积累的过程，在以后的工作生活中要不断提高自己的知识提高自己的素质。经过几个工作周的工作，通用上下料机器人的设计工作基本完毕，其功能基本达到预期要求。系统较为稳定，修改程序就能让机械手做不同的动作，可操作性好。在控制系统分析与设计的过程也是对也学知识的总结过程，更是对未掌握未学习到的知识的探索认知过程。在这个过程中，使我对利用可编程控制器进行控制系统设计有了进一步的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，在设计过程中增长了知识。并且深刻认识到，控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格再严格的按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行调试的过程来进行。在设

59、计工作过程中，体会到理论必须和实际相结合。虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多差异，出现了许多意想不到的问题。许多问题都是书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出达到要求的系统。致 谢紧张的毕业设计任务就要结束了，大学四年的生活也几近尾声，回想一下这其中的种种，不禁感慨万千。首先要感谢我的毕业设计指导老师李辉老师在设计过程中对我的帮助与及时的纠正指导，李辉老师治学严谨但平易近人，亲切中不失威严，严格要求我们的设计工作，给我们小组营造出一种良好的氛围。在数次的见面指导中，李辉老师不仅及时对我设计方向做出及时的纠正，还对我设计方向进行了系统的分析，使我的思想焕

60、然一新，更以她宽于待人，严于律己的工作态度让我明白了很多为人处世，待人接物的道理。微言寸语不能表达我的谢意，只能铭记在心，同时祝福导师阖家欢乐，一生平安。同时也感谢我的同学，在此次设计中，我们互相帮助，互相探讨，不懂的一起查阅资料，发表不同的见解，无形中我们的关系有了进一步的提升。毕业设计结束也代表着我们大学生涯的结束，回想大学时光，与同学于老师的点点滴滴，你们给与我的种种帮助、支持与鼓励，谢谢你们。在论文完成之际，我的心情难以平复，从起初的选题到现在，有多少师长、同学、朋友给我无言的帮助。 在此还要感谢原来的0941、0942的同窗们，我们一起躲过了愉快的四年大学生活。再次感谢所有教导过我的