机械手控制毕业设计.doc

本科毕业设计说明书

机械手控制系统的设计

目录

摘要······························1
一、设计任务··························2
二、设计方案··························3
三、PLC的编程与仿真······················6
致谢······························8
参考文献····························9
附录一（机械手电气控制原理图）
附录二（PLC外围接线图）
附录三（PLC梯形图）

摘要

机械手是工业生产中常用的进行水平／垂直位移的机械设备，它的动作由气缸驱动，气缸又由相应的电磁阀控制。控制系统如采用传统的继电接触控制，机械触点多，接线复杂，因而控制装置体积很大，并且故障率高，可靠性差，动作精确度低。PLC以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点。使用PLC 的自动控制系统体积小，可靠性大大提高，故障率大大降低，动作精度高，因此该课题具有实际意义。通过设计，让学生将所学的知识综合运用，了解本专业在社会中的一些应用，提高学生专业外语水平，增加他们的见识，增强他们的动手能力、创新能力和综合分析能力，学会专业软件的应用，能熟练的使用计算机，提高学生检索资料的能力，养成良好的学习习惯和严谨的工作作风，为今后的学习生活打下良好的基础。
本设计通过PLC的应用实现对机械手的手动自动控制，机械手可以自动完成上下左右的循环动作，也可以手动控制机械手完成上下左右的动作，由于本人能力有限，以下文章虽仔细整改数次，但也难免有不足之处，敬请审阅老师能够批评指正！

关键词：PLC，机械手

一 设计任务

1.1、毕业设计课题任务：设计机械手控制系统，包括硬件电路和软件编程。硬件电路主要由PLC，机械手，电机及其他相关部分构成，软件编程包括PLC流程图，梯形图和程序。
1.2、设计基本要求：
1.2.1、技术要求：
（1）设计方案可行；
（2）机械手能进行前后左右移动；
（3）有半自动工作方式和手动工作方式，当位于手动工作方式时，用按动按钮去控制机械手动作；当位于半自动工作方式时，在机械手处于原位情况下，按动起动按钮，机械手就能自动完成一个循环过程并停在原位待命；
（4）有能力的可以对系统进行仿真；
（5）整个系统能够稳定运行。
1.2.2、文本要求：
（1）论文结构合理，条理分明；
（2）电路图绘制正确，排版美观；
（3）撰写开题报告与调研报告，格式与要求要符合规定；
（4） 撰写毕业设计报告，要求用打印稿，论文格式必须使用学校的统一模板。

二 设计方案

2.1、机械手简介：械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的，随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决劳动力不足等问题.
机械手主要由执行机构、驱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，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。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。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～4个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机、PLC或DSP等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

2.2、机械手控制系统原理：根据题目的控制要求，在PLC编程之前首先做出电气控制原理图，然后以电气控制原理图为准为PLC设计梯形图。图1即为机械手电气控制原理图(详细见附录一)。SBa为手动方式开关；SBb为自动方式开关；SBc为手动方式运行开关；ST1、ST2、ST3、ST4分别为右方向、下方向、左方向、上方向限位开关；SB1、SB2、SB3、SB4、分别为机械手的手动方式右方向、下方向、左方向、上方向运行开关。

图1
2.3、PLC简介：PLC为 Programmable Logic Controller的缩写，中文意思为可编程逻辑控制器，由美国数据设备公司（DEC）在1969年研制，它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。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。是工业控制的核心部分。PLC主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。经过了几十年的发展，PLC已经成为了工业生产必不可少的部分之一。
PLC主要有以下几个特点：
（1） 功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。[2]
（2） 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。 PLC的运用能够做到在线修改程序，改变控制的方案而无需拆开机器设备。它能在不同环境下运行，可靠性十分强悍。
（3）安装简单，容易维修。PLC可以在各种工业环境下直接运行，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，写入程序即可运行。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。PLC还有强大的自检功能，这为它的维修提供了方便。
（4）抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。对PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。正确的选择接地地点和完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。为适应工作现场的恶劣环境，还采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。通过以上措施，保证了PLC能在恶劣环境中可靠工作，使平均故障间隔时间长，故障修复时间短。
（5）环境要求低。PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。这是PLC产品的市场生存价值。
（6）易学易用。PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。PLC编程大多采用类似继电器控制电路的梯形图形式，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。

2.4、PLC的选择：根据机械手的电气控制原理图，整个控制输入点为11个，输出点也为11个，所以我选择了欧姆龙CPM1A-30CDR-A型PLC即可实现机械手的全部控制。

三 PLC的编程与仿真

3.1、PLC编程软件的选择：本设计所选用的PLC为欧姆龙CPM1A-30CDR-A型PLC，所以PLC编程软件就选择了欧姆龙CPM1A系列专用的编程软件CX-Programmer7.1。

3.2、 绘制PLC梯形图：
在做PLC仿真之前，我先将机械手电气控制原理图手工转换为PLC梯形图，即对原理图上的每一个开关和线圈进行初步编号，然后根据编号进行PLC梯形图的绘制。在这里，开关0.00为复位键，线圈10.00为复位线圈；0.01为自动方式开关，10.01为自动方式的开关；0.02为手动方式的开关，10.02为手动方式的线圈；0.03为自动方式运行开关，10.03为机械手向右移动线圈，TIM000代替右方向限位开关（由于没有机械手实物，所以就没有办法触动限位开关，为了完成仿真所以用时间继电器替代）；10.04为机械手向下移动线圈，TIM001为下方向限位开关；10.05为机械手向左移动线圈，TIM002代替左方向限位开关；10.06为向上移动线圈，TIM003代替上方向限位开关；0.04为机械手向右移动点动开关，11.00为机械手向右移动线圈；0.05为机械手向下移动点动开关，11.01为机械手向下移动线圈；0.06为机械手向左移动点动开关，11.02为机械手向左移动线圈；0.07为机械手向上移动点动开关，11.02为机械手向上移动线圈；完成之后见图2（详细见附录二）。
3.3、PLC仿真过程：
梯形图完成之后，首先按Ctrl+F7编译，发现无错误，然后按Ctrl+W在线工作，连接PLC实验箱之后按Ctrl+T把程序传送到PLC，再按Ctrl+4，是PLC进入运行模式。
PLC试验箱上的0号按键为复位键，1号按键为自动方式开关，2号按键为手动方式开关，3号按键为自动方式运行开关， 4号按键为机械手向右移动点动开关， 5号按键为机械手向下移动点动开关， 6号按键为机械手向左移动点动开关， 7号按键为机械手向上移动点动开关。
在仿真之前首先按0号复位键，然后按1号键选择自动运行方式，再按3号键运行自动方式，可见PLC的控制线圈指示灯依次亮起。再按复位键复位，然后按2号键选择手动运行方式，4号、5号、6号、7号键依次为机械手的点动控制，按下按键是会看见PLC的线圈指示灯亮起。
图2

3.4、PLC程序：

LD 0.00
OUT 10.00
LD 0.01
OR 10.01
ANDNOT 10.02
ANDNOT 10.00
OUT 10.01
LD 0.02
OR 10.02
ANDNOT 10.01
ANDNOT 10.00
OUT 10.02
LD 10.01
OUT TR0
LD 0.03
OR 10.03
ANDLD
ANDNOT TIM000
OUT 10.03
TIM 000 #20
LD TR0
LD TIM000
OR 10.04
ANDLD
ANDNOT TIM001
OUT 10.04
TIM 001 #20
LD TR0
LD TIM001
OR 10.05
ANDLD
ANDNOT TIM002
OUT 10.05
TIM 002 #20
LD TR0
LD TIM002
OR 10.06
ANDLD
ANDNOT TIM003
OUT 10.06
TIM 003 #20
LD 10.02
OUT TR0
AND 0.04
ANDNOT 11.02
OUT 11.00
LD TR0
AND 0.05
ANDNOT 11.03
OUT 11.01
LD TR0
AND 0.06
ANDNOT 11.00
OUT 11.02
LD TR0
AND 0.07
ANDNOT 11.01
OUT 11.03

致谢

经过将近半个学期的时间终于完成了这个设计，在这期间，老师给了我无数的帮助，使我的设计一点一点的接近完美。通过这次毕业设计，不但使我将大学期间所学的专业知识再次回顾学习，而且 也使我学到了专业领域中一些前沿的知识。 非常感谢在本次设计中曾给予我耐心指导 和亲切关怀的老师以及帮助过我的同学， 正是由于他们的帮助和鼓励才使我能够在毕 业设计过程中克服种种困难，最终顺利完成论文，他们的学识和为人也深深地影响着我，在此，请允许我再次向曾经给予我多次指导的导师表示最忠诚的敬意！

参考文献

[1] 张凤池 曹荣敏. 现代工厂电气控制. 北京：机械工业出版社，2000
[2] 余雷声. 电器控制与PLC应用[M]. 北京：机械工业出版社，1996
[3] 郭洪红 贺继林. 工业机器人技术. 北京：西安电子科技大学出版社，2006
[4] 廖常初，PLC基础及应用-2版. 北京：机械工业出版社，2007