可编程控制器plc气动机械手课程设计.docx

南山学院

PLC气动机械手课程设计
年级专业： 电气工程及其自动化及自动化
学生姓名： 学 号
指导教师：

论文完成时间2010年 9月 10日

摘 要

在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。本文应用三菱公司生产的可编程控制器FX系列PLC，实现机械手搬运控制系统，该系统充分利用了可编程控制器（PLC）控制功能。使该系统可靠稳定，时期功能范围得到广泛应用。
关键词：可编程控制器PLC，PLC的结构及基本配置，机械手，限位开关目 录
第1章 前言 1
1.1选题背景 1
1.2设计目的及主要内容 1
1.2.1设计目的 1
1.2.2主要内容 1
第2章 PLC及机械手的介绍及选择 2
2.1.可编程控制器PLC 2
2.1.1PLC 慨况 2
2.1.2PLC的结构及基本配置 2
2.1.3PLC的选型 4
2.2机械手 4
2.2.1机械手简介 4
2.2.2机械手的选择 6
第3章 设计主体部分 7
3.1控制要求 7
3.2控制流程图 7
3.3I/O分配 8
3.4梯形图 8
3.5指令表 11
3.6PLC连线图 14
3.7模拟调试 15
第4章 论文小结 16
参考文献 17
致谢 18

第1章 前言
1.1选题背景
大学四年的本科学习即将结束，毕业设计是其中最后一个环节，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。随着我国经济的迅速发展，采用PLC的技术得到愈来愈广泛的应用。
在完成大学四年的课程学习和课程、生产实习，我熟练地掌握了机械制图、机械设计、机械原理等专业基础课和专业课方面的知识，对机械制造、加工的工艺有了一个系统、全面的理解，达到了学习的目的。对于PLC对搬运机械手的控制设计这个实践性非常强的设计课题，我进行了大量的实习。经过在几家单位的生产实习，我对于PLC对搬运机械手的控制设计有了一个全新的认识，丰富了许多PLC方面的知识，而对于PLC方面的制造工艺更是实现了零的突破。在指导老师的协助下，同时在现场查阅了很多相关资料，明确了PLC的一般工作原理、制造、工艺过程。并在图书馆借阅了许多相关手册和书籍，设计中，将充分利用和查阅各种资料，并与同学进行充分讨论，尽最大努力搞好本次毕业设计。
在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中不妥之处在所难免，肯请各位老师指正。
1.2设计目的及主要内容
1.2.1设计目的
1、培养机械设计能力；2、扩展知识结构；3、培养综合运用能力；4、是课堂教学的有益补充。通过本次论文，进一步加强自己对机械手和PLC的认识，以及它们在生活中广泛应用。
1.2.2主要内容
A正确选用机械手和PLC类 B绘制I/O分配 C设计梯形图 D指令表 E模拟调试

第2章 PLC及机械手的介绍及选择
2.1.可编程控制器PLC
2.1.1PLC 慨况
可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
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。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流
PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。
2.1.2PLC的结构及基本配置
一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。
CPU的构成：PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。 CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。
I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
电源模块：有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。
底板或机架：大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
PLC 的外部设备：外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类
1. 编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。
2. 监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。
3. 存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。
4. 输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。PLC的通信联网：PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。
当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。
了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。
2.1.3PLC的选型
考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，采用PLC作为核心控制器，各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作，所以PLC采用日本三菱公司的FX2N-32MR型PLC(16点输入、16点输出)。三菱FX2N系列可编程控制器是小型化，高速度，高性能的产品，是FX系列中最高档次的超小型程序装置。性能规格：FX2N性能规格运转控制方法 通过储存的程序周期运转I/O控制方法 批次处理方法（当执行END指令时） I/O指令可以刷新运转处理时间 基本指令：0.08μs应用指令：1.52至几百微秒 ，指令编程语言 逻辑梯形图和指令清单 使用步进梯形图能生成SFC类型程序程式容量 8000步内置 。
2.2机械手
2.2.1机械手简介
mechanical hand 也被称为自动手，auto hand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。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部和运动机构组成。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2～3个自由度。
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。
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成为高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，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：
(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中
它可以用来组装零部件。
(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。
(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
(5）宇宙及海洋的开发。
(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。
机械手简述:机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。
1．执行机构
机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。
2．传动系统
执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。
3.控制系统
机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。
2.2.2机械手的选择
由于机械手是在搬运中的应用，所以采用传送带加旋转的机械手类型。此机械手易于操作，性能可靠。

第3章 设计主体部分
3.1控制要求
搬运机械手工作示意图如图3-1所示，其任务是将传送带A的物品搬到传送带B上。机械手的原位是在传送带B上，开始工作时，先是手臂上升，到上限位时，上升限位开关LS4闭合，手臂左旋；左旋到位时，左旋限位开关LS2闭合，手臂下降；到下限位时，下降限位开关LS5闭合，传送带A远行。当光电开关PSl检测到物品已进入手指范围时，手指抓物品。当物品抓紧时，抓紧限位开关LS1动作，手臂上升；到上限位时，上升限位开关LS4闭合，手臂右旋；右旋到位时，右旋限位开关LS3闭合，手臂下降；下降到下限位时，下降限位开关LS5闭合，手指放开，物品被放到传送带B上延时2s时间到，一个循环结束，再重复。

图3-1

3.2控制流程图

图3-2
3.3I/O分配
输入电器 输入点 输出电器 输出点
起动按钮 X0 输送带A驱动接触器KM Y0
停止按钮（常开） X1 手臂左旋电磁阀YV1 Y1
手指抓紧检测开关LS1 X2 手臂右旋电磁阀YV2 Y2
手臂左旋限位开关LS2 X3 手臂上升电磁阀YV3 Y3
手臂右旋限位开关LS3 X4 手臂下降电磁阀YV4 Y4
手臂上升限位开关LS4 X5 手臂抓紧电磁阀YV5 Y5
手臂下降限位开关LS5 X6 手臂放松电磁阀YV6 Y6
物品检测光电开关PS1 X7
3.4梯形图

图3-4-1
图3-4-2
图3-4-3
说明：SET（置位）线圈得电保持，RST（复位）线圈失电保护，SFTL位左移,ZRST区间复位
3.5指令表

图3-5-1

图3-5-2

图3-5-3

3.6PLC连线图

图3-6

3.7模拟调试
1) 按下起动按钮SB1时，机械手系统工作。首先上升电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作；
2) 左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作；

3) 下降电磁阀通电，手臂下降，至下降限位开关动作；
4) 启动传送带A运行，由光电开关PS/PH检测传送带A上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作；
5) 手臂再次上升，至上升限位开关再次动作；
6) 右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作；
7) 手臂再次下降，至下降限位开关再次动作；
8) 放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。
9) 按下停止按钮SB1或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继续工作。（说明：SB1为一复合按钮，功能实现是一开一停）
第4章 论文小结
这次毕业论文,对我来说非常有意义,在写论文的过程中我学到很多的关于机械手和PLC方面的知识，我以后会加强对它们的学习和应用。我觉得PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。当然机械手在工业中的应用更是越来越成熟，它必然会发挥它的最大作用。我坚信我们国家的工业会是越来越棒，我为我是一个中国人而自豪。
参考文献
[1]可编程序控制器原理与应用 西安电子科技大学出版社 主编 汪志锋
[2] PLC应用开发技术与工程实践 人民邮电出版社 编著 求是科技
[3] 可编程控制器技术及应用 北京理工大学出版社 编著 夏辛明
[4]可编程控制器应用技术 机械工业出版社 主编 王也仿
[5] 可编程控制器原理与应用 中国电力出版社 主编 郁汉琪
[6] 张建民.《机电一体化系统设计》.北京：高等教育出版社，成大先. [机械设计手册][M].北京:机械工业出版社,2002
[7]吴宗泽. [机械设计师手册][M].北京:机械工业出版社,2002
[8]王太辰. [中国机械设计大典][M].南昌:江西科技出版社,2002
[9]张铁,谢存禧.机器人学. 【M】. 广州：华南理工大学出版社，2001.
致谢
经过了一个多月的时间，我终于完成了论文。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。本设计在老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着他的心血和汗水，在四年的本科学习和生活期间，也始终感受着老师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此表示深深的感谢和崇高的敬意。
不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向科创学院的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们四年来的辛勤栽培。
在论文完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！