基于plc的搬运机械手设计机电一体化本科毕业论文.doc

xxx 学 院 本科毕业论文基于PLC的搬运机械手设计所 在 学 院 机械与工程学院 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 年 级 学生姓名、学号 xx 指导教师姓名、职称 xx 副教授 完 成 日 期 二一五年 五月 三十日 摘要摘 要 机器人是科技发展的产物，现在发展趋势正朝着智能化、微型化的方向发展，在工业、国防、农业等各个领域得到广泛应用。机械手是机器人工作的主要部分，最接近于人类手臂的构造。在高温高压、易腐蚀等的危险工作环境中，机械手可以延伸到人类无法触及到的领域，代替人类的工作。而基于PLC的机械手，更得到广泛的应用。编程逻辑控制器（PLC），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，是控制系统的关键设备。基于PLC的机械手，主要是应用PLC的编程控制，实现机械手的夹紧、松开、左行、右行、上行、下行。PLC的机械手，未来发展的一个趋势，不仅简单易学，而且更加普遍，易于操作。关键词：PLC机械手, 顺序控制 , 编程控制IAbstractABSTRACTThe robot is the product of development of science and technology, and the development trends are toward now intelligent, miniaturization the direction of development, industry, agriculture, national defense, in various fields such as widely used. Robot manipulator is the main part of the work, the most similar to human arm structure. In high temperature and high pressure, easy to corrosion of dangerous work environment, manipulator can be extended to the human touch not to field, instead of the work of man. Based on PLC and the manipulator is the more widely use. Programming logic controller (PLC), it USES a programmable memory, used for its internal storage procedures, to perform the logic operation, sequence control, timing, counting and arithmetic operation, the customers instructions, and through the digital or analog input/output control various types of machinery or production process, it is the key equipment control system. Based on PLC manipulator, mainly is the application of PLC programmable control, realize the clamping manipulator, loosen, left, right, up, down. PLC robots is a tendency of the development of the future, not only easy to operate, and more generally, easy to operate. Key Words: PLC manipulator, Sequence control, Programming control II目录目 录1. 引 言11.1课题研究的目的和意义11.2机械手的现状及发展趋势21.2.1 机械手的现状.2 1.2.2 机械手的发展趋势.22. 总体方案设计42.1 PLC的基本结构组成42.2 PLC的工作原理52.3 PLC的特点6 2.4 PLC的应用领域.73PLC搬运机械手设计83.1 PLC搬运机械手的工作流程示意83.2 PLC搬运机械手运动梯形图设计11结论.21参考文献22致 谢2323 xx学院本科毕业论文（设计）1. 引 言随着科技的发展，特别是机器学的发展，用机器人代替人类完成工作已成为可能。在工业生产、国防科技、医学制药等行业，机器人得到广泛的应用。PLC机械手综合了机械设计、PLC编程及应用、电动机控制等知识，通过对机械手的程序控制操作，工业生产的效率得到了提高，实现了人类所无法完成的精度。在未来的社会发展中，PLC机械手会越来越多的得到应用。1.1 课题研究的目的和意义u 研究目的：通过对PLC搬运机械手的研究，主要目的是能把机械手应用于生产与生活中，代替人类从事复杂、危险、往复的工作，以节约人力劳动。u 研究意义：一、提高生产过程中的自动化程度应用PLC机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、使工作条件更加人性化，避免人身伤亡事故当人类至于有毒、有害的环境中工作，会给其健康与生命造成很大的威胁，而应用PLC机械手可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。三、具有很高的精确度，易于操作在生产中，PLC机械手有着人类所无法比拟的精度与效率，用PLC机械手代替人类从事一些高、精、尖的生产活动，不仅提高了生产效率，而且能够生产出高质量的产品。由于采用了可视化的操作界面，操作容易，适用性强，使用范围广阔。综上所述，有效的应用PLC机械手，是工业化生产发展的一个大方向1。1.2 机械手的现状及发展趋势1.2.1 机械手的现状早在几十年前，工业生产中就开始使用机械手来生产。中间经历了简单的人力机械手、半自动机械手、自动机械手、智能化机械手等环节。机械手的制作，包括了电子技术、液压传动、机械自动化、机器人学等各种学科。机械手已经越来越涵盖更多的知识领域。国内机械手的发展，从开始试用到现在的认可与普及，也显示出国家对机械手的重视。 _l+ z, $ l: Iz4 _ X总之，目前机械手的主要经历分为三代：* W4 d0 Z4 _2 y最初的一代机械手主要是用手动进行操作调节，主要是帮助人类做一些辅助的工作；这代机械手，操作比较复杂，还是需要大量的人力参与。随着科学技术的飞速增长，各种门类齐全的学科的建立，机械手进入到下一代，此时的机械手不仅仅是做简单的操作动作，具有了感知外部环境变化的能力，并开始逐步代替人类工作，而可以完成较为复杂的工种。从20世纪70年代到现在，机械手进入了第三代，功能已具有高度感知外界变化、高度复杂化和可视化操作界面等特点。智能化已成为其发展的趋势2。7 0 U6 C5 w( B5 S1.2.2机械手的发展趋势* X: c% i6 R/ l2 k6 O- $ O现在，国内机械手的发展还不是很先进。主要用在机械锻造、成批次的生产零件上。工业生产中，主要有通用机械手和专用机械手两类。在发展专用机械手的同时，将机械手的运动系列化，程序化，进而改进发展成通用型机械手。这样，既可以大批量生产，又便于在机械手的零部件出现故障时，能够快速的更换。无论是哪类机械手，都与计算机相紧密联系。运用计算机的高精度，易于操作执行的特点，实现了机械手的智能化、小型化、可视化。PLC机械手以其易于编程和操作，已是机械手发展的重要分支。应用PLC编程与机械制造技术的结合，使机械手可以按照预定的程序来完成工作。可视化的操作界面，使人们更加容易的进行操纵。总之，PLC机械手的发展，已经从特殊领域的专用，扩展到通用领域的应用。已经从复杂的结构，简化成结构简单，可视化高的操作程序控制。应用2. 总体方案设计2.1 PLC的基本结构组成图1 PLC外部示意图图1为可编程序控制器的外部示意图。它的基本组成主要有以下几个部分：CPU；输入输出模块（I/O模块）；编程器；电源；一、CPU模块如果将PLC控制系统比作人体的话，CPU模块就相当于人体的控制与动力机构大脑与心脏，PLC的核心是CPU，PLC之所以能够正确的完成各项工作，也是因为CPU的正确指挥与操作。它从外部获取的信号进行执行，经过运行再将结果输出出去。存储器主要是用来储藏程序。二、输入输出模块（I/O模块）(I/O模块)相当于人类的耳朵、手臂、眼睛等。输入模块接收的主要是输入信号；输出模块主要控制的是系统中的输出设备。输入输出模块的抗干扰的能力比较强，在工业生产中，存在着各种各样的信号，而输入输出模块能更好的满足它们之间的匹配。三、编程器 编程器，主要是用来进行程序编写的。它根据运行步骤进行程序编写。检查程序的正确与否，在编写过程中可以进行检查、修改等操作。可编程序控制器，是一台计算机，它的设计主要是与工业环境的生产相匹配。现在的编程器种类很多，不仅有简单型的编程器，还包括智能型的编程器。简单型的编程器，只能进行简单的联机操作；智能型的编程器，不仅可以联机操作，还可以进行脱机操作，功能强大而且易于编程。四、电源电源主要是给PLC运行提供动力源的装置。PLC内部的电源主要是220V，主要是输入电源；使用24V的电压，主要是供外部设备来用的。稳定的电源，为PLC的运行提供了良好的保障3。2.2 PLC的工作原理可编程逻辑控制器的工作模式基本的有两种，一种是运行模式，一种是停止模式。在运行模式中，PLC主要是运行工作程序，并以此来实现控制功能。PLC在执行工作程序时，不是只执行一次就结束，而是不断反复的执行，直到PLC停机或者转换到停止模式为止。PLC处于运行模式时，执行的是内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理等五个阶段的操作。当PLC处于停止模式时，执行的是内部处理、通信服务两个阶段的操作。并不执行其它阶段的操作。内部处理阶段：PLC主要是完成一些内部的操作。例如：检查CPU模块硬件能否正常工作，对定时器进行复位等。通信服务阶段：PLC主要是与其它的微处理器执行通信功能，将编程输入的命令响应出来4。输入处理阶段：PLC主要是把外部输入电路的各种元器件的状态读入输入映像寄存器。当外部输入电路“接通”时，梯形图中对应的输入继电器处于“通电”状态，常开触点闭合，常闭触点断开。当外部输入电路断开时，梯形图中与之对应的输入继电器处于“断电”状态，它的常闭触点闭合。程序执行阶段：在没有跳转指令时，PLC的运行程序是从开始一条一条指令执行下去的。执行指令时，CPU将输入映像寄存器中的对应的编程元件读出来，并将逻辑运算的结果写入到相应的元件映像寄存器中。输出处理阶段：CPU主要是将输出映像寄存器的状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中的输出继电器的线圈“断电”，则继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，常开触点断开，外部负载断电，停止工作。2.3 PLC的特点 用PLC语言编程，简单易于操作用PLC语言编程时，用的最多的是梯形图。梯形图以其简单易懂的输入方法，直观的表达了程序运行的步骤。运用梯形图编程时，简单易懂的符号表述与运行表达，使其优于其它的编程软件。梯形图语言事实上是高级编程语言，在运行程序时，PLC将其转化成汇编语言去运行5。 PLC的功能强大，应用领域广在如今的工业生产中，PLC已经发展出了适用于各种各样工作环境中的模块，除了能用编程语言编程之外，还可以数据处理功能，将很多复杂的操作通过简单易懂的语言程序化。现在已广泛应用于很多领域，如控制温度、控制环境湿度、和控制机械手的运行等。PLC操作的机械手，整个装备更加紧凑，响应也更快，更准确，动作过程比单纯的机械手更加的精确。 PLC的维护方便，适用性强PLC用各种各样的存储逻辑器代替了传统的外部接线方式，大大减少了机器所占的空间，使PLC整体简单，当出现故障时，更加容易维护。更因为其能够根据工作方式改变输入的编程语言，适用性更加广泛。能够用于大批量的生产6。 消耗的能源少，节约电力机械手的运动主要是依靠外部的电力来提供动力的，依靠PLC编程来控制其运动，可以大大减少运行所消耗的电力，节约了能源的消耗。2.4 PLC的应用领域 运动控制PLC通过程序设计的各种指令和应用的各种控制模块，对其控制的各种操作进行位置的控制、校核。使机械设备的速度、转动的角度、加速度达到精确。有的可以实现多轴位置的操作控制，有的可以实现多种运动同时操作的控制等。 数据处理现在的PLC发展很快，具备很多的功能，例如数据运算、转换、排序等功能，通过数据的收集、处理，可以完成一定的智能操作，可以打印出来，可以传送到其它相连接的通信设备上去7。 通信联网PLC之间、PLC与其它通信设备之间，可以进行通信，整合各种有效的信息，完成机械设备的操作。 逻辑运算“与”、“或”“非”等是经常用来控制开关触电的闭合，控制电路线圈是否带电等的逻辑指令。PLC可以对其进行逻辑运算，来进行上述的操作。 过程控制PLC可以通过设定程序，控制工业生产中的温度、压力、湿度值，使其符合工作要求。在现代化的工业生产中，用PLC进行过程控制得到了广泛的应用。例如酿酒、开发新产品、冶金等行业都大量的应用了PLC进行过程控制8。3. PLC搬运机械手设计3.1 PLC搬运机械手的工作流程示意 图2 搬运机械手示意图原 点 位 置 手臂下降下降到下限位 夹取工件 回到原点位置 上移到达反转限位，机械手反转到左侧 正转180度到达左限位X10 手臂伸开 手臂下降 释放工件 手臂上升 手臂收缩返回到达原点位置 反转180度图3 搬运机械手过程示意图图4 搬运机械手的操作面板 图4是搬运机械手的操作面板。搬运机械手搬运手运动过程说明： 机械手从原点位置，下移Y2，移动到下限为开关X7，到达工件位置。 手臂收缩夹取工件Y7。 步：上移Y3，到达上限位开关X6。 步：机械手顺时针旋转180度Y0，到达手臂左侧位置。 步：机械手臂张开Y5。到达左侧限位开关X10。 步: 机械手下移Y2，到达下限位。步：手臂松开放下工件。步：机械手臂上移，到达上限位步：机械手臂收缩Y6，缩至右限位X11。步：机械手逆时针（反转）180度Y1，到达右侧原点位置。 机械手工作过程完成。机械手的程序设计中，采用了“起保停电路”的编程方法。为了满足各种工作需求，控制面板中，设置了回原点、手动、单步、连续等工作方式。这些工作方式的设定，优化了系统的流程，使PLC变得容易操作。机械手主要是将工件的位置从1点搬运到2点，运动过程中，机械手有：下降、上升、抓取工件、释放工件、旋转等步伐。操作面板中，又设置了8个手动按钮，分别是：X24手臂夹紧；X25手臂松开；X22手臂伸开；X23手臂收缩；X26手臂上移；X27手臂下降；X28正转；X29反转。对这8个按钮的操作，实现了手动的全部工作程序。回原点、手动、单步、连续等工作方式，用手动操作方式，可以根据工件完成情况的需要，自己选择机械手的动作过程，大大提高了生产效率，而且补充完善了机械手自动操作过程9。 3.2 PLC搬运机械手运动梯形图设计 图5 搬运机械手外部接线图关于机械手外部接线端子的说明：X1 回原点端子X14 停止按钮Y5 手臂张开线圈X2 单步X22 手臂伸开按钮Y6 手臂收缩线圈X3 手动X23 手臂收缩按钮Y7 手臂夹紧线圈X4 连续X24 手臂夹紧按钮Y0 正转线圈X6 上限位开关X25 手臂松开按钮Y1 反转线圈X7 下限位开关X26 手臂上移按钮FU 熔断器X10 左限位开关X27 手臂下移按钮X11 右限位开关X20 正转按钮X15 反转限位开关X21 反转按钮X16 正转限位开关Y2 下移线圈X13 启动按钮Y3 上移线圈表1 机械手外部接线端子 （回原点程序）（手动程序）（自动程序）（回原点程序）（自动程序）（手动程序）图6 机械手程序的总体结构形式机械手的总体结构，包含了公用程序、自动程序、手动程序、回原点程序。通过对子程序的调用，完成机械手的运动过程10。公用程序（如图所示）：图7 公用程序梯形图原点状态：是指机械手在最上面、最左面、夹紧装置松开、且处于反转限位的位置。机械手开始工作时，应将它置于原点状态。上图7为机械手的公用程序，主要用于手动程序与自动程序的转换。当机械手处于原点条件时，反转限位X15、左限位开关X10、上限位开关X6的常开触点与表示夹紧装置松开的Y7的常闭触点接通通电。这时，“辅助继电器M5”变成了ON，当给系统一个初始化脉冲M8002，如果将开关转到手动X3或回原点状态X1时，初始步M0将被置位。为进入单步和连续工作方式做好了准备。如果此时M5没被激活，处于OFF状态时，M0将处于复位的位置11。按下启动按钮时，系统将不会进入单步，连续等工作方式。此外，当系统处于手动工作方式时，要将初始步以外的各步对应的辅助继电器复位。如果当机械手处于非连续的工作方式时，要将M7复位，以防止发生运行冲突。自动程序梯形图P5（如图所示）： 图8 自动程序梯形图根据图8自动程序梯形图的设计，机械手的连续工作过程如下：当机械手处于连续工作方式X4时，按下启动按钮X13，M7变为ON并锁存。当按下启动按钮X13时，M6转换允许也变为了ON，使程序可以允许步与步之间的转换。前面的公用程序，已经使程序处于初始步状态。机械手从原点状态的初始步开始运行，右限位开关X11，连续状态M7，允许转换M6组成的电路接通，系统进入下移步。当系统进入到下限位时，X7的常开触点闭合，使夹紧电磁阀的线圈通电并保持，同时定时器T1开始定时，定时时间到时，工件被夹紧。转换条件T1满足时，步M22开始运行，机械手开始上升，上升到上限位时，X6的常开触点闭合，步M23开始运行，机械手正转，转到正转限位时，X16的常开触点闭合，机械手伸开，当伸开到左限位X10时，左限位开关X10的常开触点闭合，步M25开始运行，手臂下移。下移至下限位X7时，X7的常开触点闭合，放松电磁阀的线圈通电并保持，同时T2开始定时，定时时间到时，工件松开。T2条件被满足时，转换到步M27，机械手上升。上升到上限位开关时，上限位开关X6的常开触点闭合，条件满足，步M28开始运行，手臂收缩，到达右限位时，右限位开关X11常开触点闭合。步M29开始运行，手臂反转，到达反限位开关X15。此时，机械手回到初始位置，开始执行下一个周期。这样，反复的循环下去。如果要结束程序的运行，只需按下停止按钮X14即可。机械手的单步运行过程：在单步工作方式时，X2为ON，它的常闭触点断开，辅助继电器M6此时为OFF状态，不允许步与步之间的转换。当某一步的工作结束后，允许转换的条件满足时，如果没有按下启动按钮X13时，M6处于OFF状态，启动电路就会“失电”断开，不会转换到下一步进行工作。若按下启动按钮，程序才能前进一步。设机械手位于原点状态，初始步处于活动步，根据公用程序，M5和M0为ON，按下启动按钮X13，M6在X13的上升沿ON一个扫描周期，M6的常开触点闭合，使M20的启动电路接通，机械手开始下降。松开启动按钮后，M6变为OFF，在下降步，Y2的线圈“通电”，当下降至下限位时，下限位开关X7变为ON，X7的常闭触点断开，因与Y2的线圈是串联，使Y2的线圈“断电”，机械手停止下降。X7的常开触点闭合后，如果没有按启动按钮X13，M6处于OFF状态，不会允许转换到下一步。当按下启动按钮X13时，M6变为ON，常开触点闭合，转换条件X7也满足，M21的启动电路接通，M21的线圈“通电”并自褒词，系统从M20步进入步M21。程序按照这样的工作方式，依次运行下去。每完成一步操作，都必须按一下启动按钮X13，系统才会进入下一步。设置单步工作方式，有利于检测系统运行的正误。手动程序梯形图P6（如图所示）：图9 手动程序梯形图手动程序，主要是通过控制面板上的按钮来实现机械手的运动的。根据图9手动程序梯形图的设计，机械手的手动运动过程如下所述： 当按下手臂上移按钮X26时，与上限位开关X6的常闭触点、手臂下移线圈的常闭触点接通，Y3线圈得电，机械手执行“上移”运动命令。当按下手臂下移按钮X27时，与下限位开关X7的常闭触点，上移线圈Y3的常闭触点接通，Y2线圈“得电”，机械手开始执行“下移”运动命令。程序中，Y2线圈的常闭触点和Y3线圈的常闭触点实现了互锁。 当按下手臂下移按钮X24时，Y7的线圈被置位得电，机械手开始执行手臂夹紧的运动命令。当按下手臂松开的按钮X25时，Y7的线圈被复位，机械手开始执行手臂松开的运动命令。 当按下正转按钮X20时，与右限位开关X11的常开触点，上限位开关X6的常开触点，X16的正转限位常闭触点，Y1线圈的常闭触点接通时，Y0的线圈得电，机械手开始执行正转命令。 当按下反转按钮X21时，与右限位开关X11的常开触点，上限位开关X6的常开触点，X16的正转限位常闭触点，Y0线圈的常闭触点接通时，Y1的线圈“得电”，机械手开始执行反转命令。程序中，YO线圈的常闭触点与Y1线圈的常闭触点实现了互锁。 按下手臂伸开按钮X22时，与上限位开关X6的常开触点，左限位开关X10的常闭触点，线圈Y6的常闭触点接通时，控制手臂松开的电磁阀Y5得电，机械手执行“手臂张开”的指令。按下手臂收缩按钮X23时，与上限位开关X6的常开触点，右限位开关X11的常闭触点，线圈Y5的常闭触点组成的电路接通时，控制手臂收缩的电磁阀Y6得电，机械手执行“手臂收缩”的指令，碰到右限位X11时，右限位开关的常闭断开，收缩停止，运行结束。自动返回原点的程序P7(如图所示）：图10 自动返回原点的程序梯形图根据图10自动返回原点的程序梯形图的设计，自动返回原点程序的运动过程：当机械手处于回原点的工作方式时，按下启动按钮X13时，将M13置位，此时，Y3线圈通电，执行机械手上移命令。当机械手升到上限位时，上限位开关X6闭合，将M14置位，机械手臂收缩，当机械手臂收缩至右限位开关X11时，使Y7复位，机械手爪松开。若机械手不是处于原点状态，将反转至“反转限位”，使机械手处于原点条件12。结 论根据设计的程序步骤，PLC搬运机械手完全可以实现下移、夹取工件、上移、正转、手臂伸开、下移、释放工件、上移、反转回原位等操作动作。机械手的设计过程中，运用了限位开关来控制运动的开始与结束位置，使机械手的运作更加的精确。设计此机械手的过程，让我们以前所学的PLC知识得到了进一步的深化。又通过对机械手运动的控制，使各种学科的知识有机的交叉结合起来了。对知识起到了融会贯通的目的，让自己受益匪浅。参考文献1 廖长初主编. FX系列PLC编程及应用M.机械工业出版社,2005.4:82-882 聊长初主编. PLC的顺序控制编程方法M.工业自动化（香港），1997（8）：153-1563 廖长初主编. PLC基础及应用M.机械工业出版社，2003.6:124-1294 廖长初主编.S7-300/400 PLC应用技术M. 机械工业出版社，2005 :135-1375 王月芹.基于PLC机械手控制系统设计与实现J：机电产品开发与创新，2011.5(3)149-1516 阳宪惠. 工业数据通信与控制网络M. 清华大学出版社，2003.7 :167-1697 朱朝宽. 典型机床电气控制解析与PLC改造实例M.机械工业出版社，2011.5:157-1608 王锦标. 和利时PLC技术综合篇M. 机械工业出版社，2010.2:110-1219 张扬. S7-200 PLC原理与应用系统设计 平装M. 机械工业出版社，2007.4:136-13710 王淑英. 电器控制与PLC控制技术M. 机械工业出版社，2005.7:167-16911 漆汉宏. PLG电气控制技术M. 机械工业出版社，2007.1:193-19712 周军. 电气控制及PLCM .机械工业出版社，2001.3:110-120 致 谢经过两个多月的写作，论文终于完成了。从选择课题，到收集材料与写作，再到最后结稿，经历过很多，也成长了很多。这段时间，每天都在思索着如何写这篇设计，期间遇到过很多的拦路石，但在老师与同学们的帮助下，最终还是一一克服了。回首这段历程，要感谢的人很多很多。这篇论文是在xx老师的指导下完成的，从开始写作到最后完稿，您给予了我很多的建议。您为了我们能写出高质量的设计，对我们总是严格要求，一丝不苟。当我们遇到问题的时候，您总是耐心的给我们讲解，在论文写作中常遇到的问题，您总是给我们说的很透彻，每个小细节都面面俱到。曹老师，真心的感谢您。也感谢曾经教过我的老师，当遇到问题时，您们也总是细心的给我们讲解，使我们的写作思路茅塞顿开。如果没有您们的无私的奉献，我的知识储备根本不可能完成这篇设计。写到这里，大学时光慢慢的快上了句号。感慨万千，最终还是留不住时光的步伐。唯一能做的，只有珍惜美好的未来。最后，祝愿老师和同学们每天都快快乐乐，事业有成，一帆风顺。