机械手电路设计.doc

机械手控制电路毕业设计
系 部 ： 机械自动化系
专 业 ： 机械制造及自动化
姓 名 ： 李晓章
学 号 ： 200923531633
联系电话 ： [phone]
指导老师 ： 徐坚

（2012届）

目录
摘 要 3
第一章 绪 论 4
一、 机械手的概述 4
1．1 机械手的组成 4
1．2 机械手的分类 4
1．3 机械手的应用 4
二、 PLC的产生和发展 5
2．1 PLC的产生 5
2．2PLC的发展 5
2．3PLC的特点 6
三、本论文设计的意义和目的 7
第三章 本论文设计的内容与要求 8
3．1机械手工作的过程如下，且每次循环均从原位开始。 8
3．2控制要求 8
第四章 PLC控制机械手的总设计方案 9
4．形式的选择1机械手 9
4．2机械手的工作原理 9
4．3机械手驱动机构的选择 9
4．4 PLC的基本组成 11
4．5 PLC的基本工作原理 11
4．6 PLC 工作方式 11
4．6 PLC的应用领域 12
4．7 PLC的选型 12
4．8传感器的选择 12
4．9液压装置的选择 12
第五章 机械手PLC控制系统的编程和调试 13
5．1控制系统的流程图 13
5.2 I/O分配表………………………………………………………………………….14
5．3 I/O接线图 14
5. 4PLC梯形图……………………………………………………………………….15
5. 5程序的调试………………………………………………………………………19
小结 20
致谢词 21
参考文献 22

摘 要
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，也称为自动手。机械手可以完成许多工作，如搬运、装配、切割等，本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案，该篇论文中主要研究是利用PLC控制机械手的自动上料、下料、翻转、转位等自动化功能。
关键词
机械手 PLC 控制系统 自动化控制

【ABSTRACT】
略、、、、、、

【Keywords】
Robots, PLC, system.

第一章 绪 论
一、 机械手的概述
1．1 机械手的组成
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。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，其形状随被抓物体的形状而不同；运动机构，使手部完成各种转动（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；控制系统则是控制手部、运动机构完成具体的某项操作。
1．2 机械手的分类
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；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。
1．3 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。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

二、 PLC的产生和发展
2．1 PLC的产生
传统的继电接触器控制系统虽然具有结构简单、价格低廉、容易操作等优点，却因为不能满足现化生产的控制要求。从而在20世纪60年代末，美国汽车制造工业生产竞争十分激烈，为了适应市场从少品种小批量生向多品种大批量生产的转变，也为了尽可能地减少转变过程中控制系统的设计制造时间、减少经济成本，1968年美国通用汽车分司GM（General Motors）公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标：
（1） 程序编制、修改简单，采手工程技术语言。
（2） 系统组成简单、维护方便。
（3） 可靠性高于继电接触器系统。
（4） 与继电接触器控制系统相比，其体积小、能耗小。
（5） 购买、安装成本可与继电器控制柜相兑争。
（6） 能与中央数据收集处理系统进行数据交换，以便监视系统运行及运行情况。
（7） 采用市电输入（美国标准系列电压AC115），可接收现场的按钮、行程开关信号。
（8） 采用市电输出（美国标准系列电压AC115），具有驱动电磁阀、交流接触器、小功率电动机能力。
（9） 能以最小的变动及在最短的时间内，从系统的最小配置扩展一系统的最大配置。
（10） 程序可存储，存储器容量至少能扩展到4000B。
随着这十项指标的提出，1969年美国数字设备公司DEC（DIGTAL）首先研制出了世界上第一台可编程控制器PKP-14，并用于汽车的生产线，后来人们称这种新的工业控制装置为PLC。
2．2PLC的发展
从PLC产生到现在，已发展到第四化产品，其过程基本可分为四个阶段：
第一代PLC（1969~1972年）大多用一位机来开发，用磁心存储器存储，只具有单一的逻辑功能，机种单一，并且没有形成系列化。
第二代PLC（1973~1975年）采用了8位微处理器及半导体存储器，增加了数字运算、传送，比较功能，能实现模量的控制，开始具备自诊断功能，初步形成系列。
第三代PLC（1976~1983年）随着高性能微处理器及位片式CPU在PLC中大量的使用，PLC的处理速度大提高，从而促使它向多种功能及联网通信的方向发展，增加了多种特殊功能，如浮数的运算、三角函数、表处理、脉宽调制输出等，自诊断功能及容错技术发展迅速。

第四代PLC（20世纪80年代中、后期至今）进入20世纪80年代中、后期，由于放大规模集成电路技术的迅速发展，使得各种类型的PLC所采用的微处理器档次普遍提高。而且进一步提高了PLC处理速度，使它具有很强的数学运算、数据处理、运动控制、PID控制等模拟量信号处理能力，在工业发达国家，现代PLC已经广泛应用到所有的工业部门。
2．3PLC的特点
（1）高可靠性
（2）丰富的I/O接口模块
（3）采用模块化结构
（4）编程简单易学
（5）安装简单维修方便

三、本论文设计的意义和目的
随着我国经济迅速发展，很多行业技术水平不但提高微电子技术、计算机技术和自动化技术就是其中最快的技术之一，但是当人类面临一些人工无法完成的工作时，机械手成为了人的代替品，因此它可以有效的代替人类从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作；替代人完成繁重、单调重复劳动，目前机械手主要用于制造业中。
随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对机械手的安全性，可靠性、准确性的要求越来越高，以继电器组成的控制系统实现机械手控制的方法已经不能满足人们的需要。可编程控制器因为稳定可靠、结构简单、功能强大和使用方便，已经成为应用最广泛的装置，成为现代工业自动化的主要支柱之一。机械手控制要求接入设备使用简单，系统编程过程简单，具有人性化，PLC控制机械手改善了机械手的灵活性。因此PLC控制机械手得到广泛应用。

第三章 本论文设计的内容与要求
3．1机械手工作的过程如下，且每次循环均从原位开始。

3．2控制要求

在传输带A端部，安装了光电开关PS，用以检测物品的到来。当光电开关检测到物品时为ON状态。
（1） 机械手在原位时，按下起动按钮，系统起动，传送带A运转。当光电开关检测到物品后，传送带A停。
（2） 传输带A停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带A上搬到传送带B(连续运转）上。
（3） 机械手返回原位后，自动再起动传送带A运转，进行下一个循环。
（4） 按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返回原位，停止工作。
（5） 机械手的上升／下降和左移／右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。
（6） 抓紧／放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作，线圈断电时执行放松动作。

（7） 械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制。

（9）抓紧动作由压力继电器控制，当抓紧时，压力继电器动合触点闭合。放松动作为时间控制（设为4s）。
（10）要求采用西门子型PLC技术设计，分组布置任务，每组原则上不超过5人。

（11） 电子文档要求打印两份，字数不少于5000字。

第四章 PLC控制机械手的总设计方案
4．1机械手的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可分为以下四种；(1)直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）球坐标（极坐标）型机械手；(4)多关节型机械手。本设计采用第二种：圆柱坐标型机械手。

4．2机械手的工作原理
机械手主要是由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定的要求的，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对执行机构发出指令，必要时可以对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障是可以及时发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的信息反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后他通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的要求达到设定值。

4．3机械手驱动机构的选择
驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同，机械手的驱动方式共有三种:气动方式，液压方式，电驱动方式。本设计采用的是利用液压驱动方式实现手臂的伸缩运动、手爪的松紧。

4．4 PLC的基本组成
由于PLC的核心是微处理器，因此它的组成也就同计算机的有些相似，由硬件系统和软件系统组成。
1）PLC的硬件系统一般主要由中央处理单元CPU、输入/输出接口、I/O接口、编程器接口、编程器、电源等几个部分华组成；
2）PLC的软件系统可分为系统程序和用户程序两大部分。
（1）系统程序
系统程序是用来控制和完成PKC各种功能的程序，这些程序是由PLC制造厂家用相应CPU的指令系统编写的，并固化到ROM中。它包括管理程序、用户指令解释程序和供系统调用标准程序模块等。
（2）用户程序
用户程序是用户根据工程现场的生产过程和工艺要求，使用可编程控制器生产厂家提供的专门编程语言而自行编制的应用程序，它包括开关量逻辑程序、模拟量运算控制程序、闭环控制程序、工作站初始分程序等。

4．5 PLC的基本工作原理
PLC虽具有微机的特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。微机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，有键按下或I/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描，PLC则采用循环扫描的方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，如CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符号后又返回第一条。如此周而复始地不断进行。这种工作方式是在系统软件控制下，顺序扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。整个工作过程可分为五个阶段：自诊断、通信处理、扫描输入、执行程序、刷新输出。PLC经过这五个阶段的工作过程，则称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，以重新执行上述过程，即扫描周而复始地进行。

4．6 PLC运行方式
PLC与继电接触器控制的重要不同在于PLC的工作方式不同。继电接触器是按“并行”方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时动作。而PLC以反复扫描方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，这就是PLC是以“串行”方式工作的。这种工作方式可能有效的避免继电接触器控制的触点兑争和时序失配问题。

4．6 PLC的应用领域
PLC的应用范围极其广阔，经过40年的发展，目前PLC已经广泛应用于冶金、石油、建材、电力、矿山、机械制造、汽车、交通运输、轻纺、环保等各行各业。可以说，凡是有控制系统存在的地方就有PLC。
4．7 PLC的选型
根据控制要求，PLC控制系统选用SIEMENS公司的S7-200系列CPU224和EM221。
4．8传感器的选择
根据本课题的需要，当有物料经过传送带时要将这一信息反映给机械手，因此我选用的传感器是槽式光电开关，槽式光电开关通常是标准的凹字形结构，其光电发射管和接收管分别位于凹形槽德两边，并形成一光轴。当被检测物体经过凹形槽并阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关信号。槽式光电开关安全可靠，适合检测高速变化的生产监测场所，分辨透明与半透明物体。光电开关内部结构主要有NPN型和PNP型两种。一般光电开关的工作电流约5～20n1A，工作电压应低于30V，输出驱动电流则根据型号的不同而有很大的差别，大的几百毫安，小的只有几毫安。

4．9液压装置的选择
机械手的上升／下降和左移／右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作；抓紧／放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作，线圈断电时执行放松动作；抓紧动作由压力继电器控制，当抓紧时，压力继电器动合触点闭合。

第五章 机械手PLC控制系统的编程和调试
机械手缩回
机械手伸出
机械手缩回
机械手
未原位
机械手
复原位
延时4秒
光电开关ON
光电开关OFF
OFF
PLC上电
启动开关
传送带A电机
机械手下降M1
机械手抓紧M2
机械手上升M3
机械手右旋M4
机械手下降M1
机械手放松M2
机械手上升M1
机械手左旋MM5M2z
控制系统流程图5。1

5．1控制系统的流程图

5.2 I/O分配表

输入
输出
符号
地址
功能
符号
地址
功能
SB1
I0.0
起动
KM1
Q0.0
下降
SB2
I0.1
下限
KM2
Q0.1
夹紧，放松
SB3
I0.2
上限
KM3
Q0.2
上升
SB4
I0.3
右限
KM4
Q0.3
右移
SB5
I0.4
左限
KM5
Q0.4
左移
SB6
I0.6
停止

KA
I0.7
手动

I1.0
单步

I1.1
单周期

I1.2
连续

SB7
I1.3
下降

SB8
I1.4
下升

SB9
I1.5
右移

SB10
I2.0
左移

SB11
I2.1
夹紧

SB12
I2.2
放松

SB13
I2.3
复位

5．3 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，根据机械手动作过程和控制要求，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3-3所示。

5．4PLC梯形图

控制方法：
1） 整体设计
手动程序和自动程序分别编成独立的子程序块，通过调用指令进行功能选择。当工作方式选择开关选择手动方式时，I0.7接通，执行手动程序：当工作方式选择自动方式（单步、单周、连续）I1.0 、 I1.1 、 I1.2分别接通，执行自动控制程序。
2）手动控制程序
手动程序不需要按工序顺序动作，可以按普通继电触器系统设计。手动控制的梯形图见子程序O，手动按钮I1.3, I1.4, I1.5, I2.0, I2.1, I2.2分别控制下降，上升，右移，左移，夹紧，放松各个动作。为了系统的安全运行，设置了一些必要的联锁保护，其中在左右移动的控制环节中加入I0.2作为上限联锁，因为机械手只有处于限位置(I0.2=1)时才充许左右移动。
由于还夹紧，放松动作选用单线圈双位电磁阀控制，故在梯形图中爱用置位，复位指令来控制，该指令具有保持功能。只有当机械手处于限时，才能进行夹紧和放松动作，手动控制的程序如图7.25.
3)自动操作程序
机械手的自动操作流程图如图7.22。对于顺序控制可用多种方法进编程，用移位寄存器也很容易实现这种功能，转换的条件由各行程开关及定时器的状态来决定。
机械手的夹紧和放松动作的控制原则，可能采用压力检测，位置检测或按照时间的原则过得控制，本论文中采用的定时器T37控制夹紧时间，T38来控制放松时间。其工作过程如下：
（1）机构处于原位，上限位和左限位行程开关闭合，I0.2 ,I0.4接通，移位寄存器首位M1.0置“1”， Q0.5输出原位显示，机构当前处于原位。
(2)按下起动按钮，I0.0接通，产生移位信号，使移位寄存器右移一位，M1.1置“1“（同时M1。0恢复为零），M1.1得电，Q0.0输出下降信号。
（3）下降至下限位，下限位开关受压，I0.1按通，移位寄存器右移一位，移位结果使M1.2置“1”（其余这零），Q0.1按通，夹紧动作开始，同时T37接通，定时器开始计时。
（4）经延时，T37接通，使M1.3置“1” （其余这零），Q0.2接通，机构上升，由于M1.2为1，夹紧动作继续执行。
（5）上升至下限位，上限位开关受压，I0.2接通，使得M1.4为1（其余这零），I0.3接通，机构右行。
（6）右行至右限位，I0.3接通，将寄存器中的“1”移到M1.5，Q0.0得电，机构再次下降。
（7）下降至下限位，下限位天受压，使得M1.6置“1”（其余这零），Q0.1复位，机构放松，放下物体的同时接通T38定时器，定时器开始计时。
（8）延时时间到，T38动合闭合，M2.0置“1”（其余这零），Q0.2再次得电上升。
（9）上升至上限位，上限们天关受压，I0.2闭合，M2.1置“1”（其余这零），Q0.4置“1”，机构左行。
左行至原位，左限开关受压，I0.4接通，M2.1置“1”（其余这零），一个循环结束。

5．5程序的调试
PLC 程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个过程。
1）模拟调试
将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通/断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）
2）现场调试
完成模拟调试后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和哽接线等方面的问题，以及PLC 的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现我问题及时加以解决。如果调试过不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。

小结

几周的毕业论文的设计，使我深深的感受到毕业设计对即将毕业的大学生的重要性，它是大学生大学期间对所学知识的浓缩和精华。
在这期间，我整上午都在图书馆里查阅资料和搜集信息，忙碌而又充实，下午则整理和编写毕业设计，我从资料的收集中，掌握了很多PLC，让我对我所学过的知识有所巩固和提高。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为，晚上睡觉都挺香的。
通过这次毕业设计，我受益匪浅，不仅巩固和提高了自已的专业知识，而且增长了见识，开阔了视野。

致谢词
毕业设计的弄完意味着三年大学生活的结束，15年读书生涯即将划一个完美的句号。有人说毕业在即，就业无期，而我却充满信心。因为老师们教会了我们生存的资本，同时也教会了我们怎么为人处事。
在当今这个竞争激烈的时代里，虽然我们即将进入社会，但是我们同样充满自信心，因为我们相信：读书生涯的结束更深层次的意味着一个新生活的开始——就业生活。
我的毕业论文的完成离不开指导老师的细心教导、同滨帮助以及被我引用的论著的作者，在这里，请接受我最诚挚的谢意。

参考文献

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[5].廖常初. PLC基础及应用. 北京：机械工业出版社，2003.
[6].廖常初主编. 大中型PLC编程及应用. 北京：机械工业出版，2003.
[7].刘子林. 电机与电气控制[M]. 北京：电子工业出版社，2003.
[8].徐小峰. 电机与电力拖动[M].北京:高等教育出版社，2003.

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