1、摘 要I本科毕业论文（20 届）基 于 PLC 的 机 械 手 控 制 系 统 设 计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要可编程控制器的制造和设计主要为了工业控制。它使用的内存可以被编程为执行逻辑运算，顺序操作，定时，计数和算术操作，其内部存储着操作指令，它可以利用模拟或数字的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程在机械自动化中的运用范围很大。本设计中的机械手主要运用于工业中，它是更具手能完成的动作来设计的可以取代人手使一些货物或是零件、集装箱产生位移，能够通过控制模拟手来执行一些操作这样就使得人们可以在一些高危环境进行动作进行实现了人
2、身的安全，同时机械手可以不知疲惫的日夜不息的进行工作，这样大大加快了生产效率，机械手精度可以很高这样能够保证生产质量，其作用不可估量。本设计中的机械手是由可编程控制器来控制的，PLC 利用限位开关控制着机械手的水平移动、垂直移动和机械手的抓取和放开等动作。并有多种工作方式，可以自动执行某些动作。由于 PLC 的可编程性可根据工作条件的变化及运动流程的要求随时更改参数。本设计中用到了西门子系列 PLC，介绍了机械手控制中 PLC 的应用，并对程序设计和功能实现进行了详细叙述。关键词：PLC ，机械手，限位开关AbstractIIAbstractThe programmable controlle
3、r is designed and manufactured for industrial control applications. It uses the memory can be programmed to the implementation of the logical, sequential operation, timing, counting and arithmetic operations, such as operating instructions in its internal storage and can be digital or analog inputs
4、and outputs to control various types of machinery or production processes are widely used in machine automation.The industrial robot is an imitation of the staff action, in accordance with the procedures set, track and requirements to replace manual crawling robot porter pieces or manipulate the too
5、ls to operate the mechanical and electrical integration of automation devices production can greatly enhance the production level of automation and labor productivity, ensure product quality, achieve safe production. Especially in the harsh environment of high temperature, high pressure, low tempera
6、ture, low pressure, dust, explosive, toxic gases and radioactive and other, instead of the normal work is even more significant.The design of the robot is controlled by the programmable controller, PLC limit switch controls the horizontal movement, vertical movement and manipulator of the robot to g
7、rab and release actions. And a variety of ways of working, and can automatically perform certain actions. PLC programmable parameters subject to change according to conditions of work changes and the requirements of the movement process. Designed to Siemens Series PLC, the PLC in the control of robo
8、t, and gives a detailed program design process.Keywords: PLC, manipulator, limit switch目 录III目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 引言 .11.1 设 计 的 背 景 和 意 义 .11.2 机 械 手 的 组 成 机 构 .21.3 机 械 手 的 类 别 .21.4 机 械 手 的 发 展 趋 势 .3第二章 可编程控制器 .42.1 可 编 程 控 制 器 的 概 念 及 其 特 点 .42.2PLC 发 展 历 史 .62.3PLC 的 基 本 构 成 与 基 本 结
9、 构 .72.4PLC 的 分 类 和 应 用 .92.4.1 按控制规模分类分为 .92.4.2 按结构形式分类 .102.4.3 按应用领域分类 .102.5PLC 的 工 作 原 理 .11第三章 机械手的设计 .133.1 气 动 技 术 .133.2 气 动 机 械 手 .133.3 气 动 机 械 手 结 构 .143.4 机 械 手 的 控 制 方 案 .16第四章 控制系统硬件设计 .174.1 输 入 /输 出 信 号 .17目 录IV4.1.1 输入开关信号及作用 .174.1.2 输出信号有 .174.2PLC 的 选 型 .184.2.1 常用 PLC 介绍 .184.
10、2.2 确定型号 .194.3PLC 的 I/O 分 配 .204.4 电 气 控 制 原 理 图 .22第五章 PLC 的程序设计 .235.1 系 统 控 制 流 程 图 .235.2 控 制 机 械 手 梯 形 图 .245.2.1 手动程序 .245.2.2 单周期/连续循环程序 .255.3 控 制 系 统 人 机 界 面 设 计 .285.3.1 触摸屏的特点 .285.3.2 触摸屏指标 .285.3.3PLC 与触摸屏的通讯设置 .30结 论 .32参考文献 .33致 谢 .34第一章 引言1第 一 章 引 言1.1设计的背景和意义近几年的发展使得机械手在工业自动化中有了长足的
11、发展。它同时具有了人手和机械的优点，通过程序控制可以实现望所期望的功能充分体现了人的智能。而其在各种环境下都能进行施工作业则体现了机械的好处，其发展前景是不可估量的。智能机手是可以模拟人的手臂的一些运动功能，通过一个设定的程序来处理对象或工具的自动控制装置。机械手是较早出现在工业中的机器人，也是最早在现代使用的机器人，可以取代人来完成一些相对劳累的活动从而实现在生产中的机械化、自动化，能代替人于恶劣环境下进行操作从而保护了人的安全，因而被机器生产制造业、化工业、医疗业、农业等一些特殊部门所应用。它是由早期的机器人的基处上发展而来，对机械手的研究来自二十世纪，伴随计算机和自动化技术的发展，尤其是
12、二十世纪四十年代年第一台电子数字计算机问发明出来后，计算机技术发展有了更高的目标，向高容量、低花费的方向发展。同时，计算机的出产量扩大加快了自动化技术的进展，这也为后来机器人的发明有了一定的技术支持。另一方面，在核能技术的研究中通常会有对核物质的操作，这一过程中具有很强的辐射性这就需要机械手来操作，在这一需求背景下，美国于二十世纪四十年代开发出了遥感机械手，并在接下来的一年中开发出了主从机械手。机械手首先是从美国开始研制的。戴沃尔于二十世纪五十年代率先阐述了工业机器人的概论。该概论主要是叙述通过伺服技术来操作机器人的枢纽部分，通过手的动作来让机械手完成同样动作，机器人能记录下所要求的动作并将他
13、演示出来。如今的机械手差不多都采用这种方法来实现控操作。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。1962年美国某公司出品的“UNIMATE”是机器人产品中的应用机型。这些工业机器人主要由拟手部分和可伸缩臂构成可以取代人来完成一些相对劳累的活动从而实现在生产中的自动化，它可以代替工作人员于恶劣环境下进行控制从而使第一章 引言2工作人员的安全有了保障，因而应用于机械生产制造、化工、制药、农业等一些特殊部门。1.2机 械 手 的 组 成 机 构机械手通常由手轴、运动机制和操控系统三大机构构成。手轴部分是用于抓取物品（或工具）的一个部分，他的结构和材质是由所搬运物件的大小、材质、轻重
14、、粗糙度等因素决定的，可以分为用于夹持、用于托持和依靠吸附等。运动机构可以控制手部使其能够自由的转动或是不同方向的位移或是混合运动从而实现某些要求的动作，从而改变使被加持的物品改变原有状态到达指定目的地。机械手所有的自由度是指机械手可以进行上下移动、左右伸长、旋转一类的独立运行方式。只要有 6 个自由度就能够完成所有方位的抓取和放置当然自由度越多能实现的动作越复杂就越具有拟人性。当然太多的自由度就会造成成本的上升、维修不便、体积庞大的缺点我们这里使用的机械手有 3 自由度。本文 PLC 控制是通过对机械手的电机的控制来改变机械手自由度从而完成要求的操作。1.3机 械 手 的 类 别机械手从比较
15、宽泛的角度来说可以用专属机械手和普遍应用机械手这两类组成。期中专属机械手它能完成你所设定的功能一旦设定一般无法改变是通常是他的操作对象是确定的不改变的而且其自由度也比较低完成的操作比较简单一般用于大产量的自动化生产过程中。其功能简单，易于维护，体积小巧用于货物的搬运上料，装配机器等。普遍应用机械手适应工作环境能力比较强可以通过改编程序来实现所需动作一般他的自由度比较多，使得它的灵活度也非常高一般用于精细的复杂的操作动作，它的定位准确一般用于小批量的生产中。早期机械手为汽车制造业所使用用来焊接汽车零件搬用汽车底座和外壳并为其喷漆上色。机械手的出现对人类文明社会做出了不可估量的贡献，能够完成人所无
16、法完成的任务。能在各种有毒有、高辐射或是高温等恶劣环境进行操作同时它还能代替人从事一些既定的繁重的易疲劳的劳动，提高劳动生产率，保证第一章 引言3产品质量。1.4机 械 手 的 发 展 趋 势机械手从二十世纪六十年代出现到现今进行了不断的改进和发展，如今的机械手技术已经有了新的发展。目前，机械手技术有了新的发展：其中有微操作系统、微型机械手和仿人型机械手（像是细工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、智能机械手机、械手化机器（不但可以按照先前设定进行操作，还可通过不同的工作状况来执行相应地操作，如动态学习，规划作业顺序，躲避阻碍物的移动等）。机械手的发展领域不光局限与生产制造业同时也在向着
17、服务业和非制造业的方向发展，同时也向着能够装备部队的军用机械手发展。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。全力研制一种具有人工智能的机械手，使其能更具外界环境数据自主的进行分析同时做出相对的应变，同时重点关注机械手的视觉上和触觉上的能力。于机械手中装配微型计算机和一些感光元件来实现其视觉能力，同时与其手指部分装有压力传感器来模拟其触觉感应。国内方面：目前在一些机械冷加工中用的比较多，而例如一些锻造、铸造、弧焊、点焊等一些热加工中的应用较少。我国已掌握了机械手的设计和制造的技术，同时能够独立的设计机械手的控制程序同时能够独立的设计机械手的控制程序。近期实现猴子“意念”控制机械手，
18、用计算机信息技术成功提取并破译了猴子大脑关于抓、勾、握、捏四种手势的神经信号，使猴子的“意念”能直接控制外部机械成果居世界领先。说明了我国已经能够独立自主的研发机械手。第二章 可编程控制器4第 二 章 可 编 程 控 制 器可编程控制器它是以通信技术、继电器操控技术、计算机技术等为基准得到的一种新的控制器，如今已被工业控制所认可在各种方面都有这宽广的应用范围。利用微型处理器它能够根据所写入的程序来实现定时、逻辑控制、算术运算和计数等，同时通过输入和输出（可以是模拟量或是数字量）来控制生产过程或机械设备。2.1可 编 程 控 制 器 的 概 念 及 其 特 点在 PLC 出现前继电器占工业控制中
19、的大部分。然而因为继电器的各种缺点使其在工业生产中的应用出现了瓶颈所以人们开始试图发现更好的控制器来取代它。二十世纪六十年代首先在汽车制造行业中这一问题得到了解决，从此可编程控制器产生了。当初开发它的目的是用来取代继电器，所以其功能并不全面只能实现计数和定时以及开关量的控制所以称之为可编程控制器。伴随微电子技术的不断发展由于微型处理器和微计算机的出现该技术同时应用到了 PLC 中，使得 PLC 的功能大大提高不再是原有的简单功能还兼具了计算机的一些特性，具有了运算能力可以对数据进行传送和处理。从此它在工业领域内广泛应用 1980 年它被正式的命名为可编程控制器但为了不与个人计算机混淆其缩写为
20、PLC。现今的在工业生产中，其过程是复杂多样的，对控制的要求也是各不相同，为了适应工业环境的使用 PLC 一般拥有以下特点：（1）抗干扰能力强，可靠性高。由 PLC 的定义可知，它是为了能够在工业现场环境恶劣的条件下使用而设计的，所以在对 PLC 的设计中对其结构、硬件和软件上都采用了抗干扰和保护的措施使得其具有较高的抗干扰能力，同时有些 PLC 厂商还加入了冗余设计提高了它的可靠性。硬件件措施：屏蔽、隔离、滤波、采用模块式结构 第二章 可编程控制器5软件措施：故障检测、信息保护和恢复、设置了警戒时钟 WDT、对程序进行检查和检验 （2）通用性强，结构简单使用方便。用户在进行控制系统的设计时，
21、不需要自己设计和制作硬件装置，只需根据控制要求进行模块的配置。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能。 （3）功能齐全，适应能力强。现今的 PLC 其功能强大，几乎可以实现各种工业控制的要求。PLC 的控制系统规模可大可小，能够完成复杂的顺序控制、模拟量控制也能够组成通信网络、进行数据管理与处理等适应能力强。（4）编程语言简单，易学，便于掌握。PLC 的编程通常采用了和继电器非常相像的梯形图语，浅显易懂不需要专业技术的计算机知识，只要懂得一些关于电气和工艺的人都可以进行应用。近年来发展，功能图的出现使编程更加方便、简易（5）系统的设计周期不长。由于 PLC 控制系统
22、使用软件来代替原有继电器控制系统中的计数器和各种继电器等使得安装的工作大大减少，同时所设计的程序能够在实验室实现模拟这样减少的现场设计所需要的时间，缩短了调试、设计周期。（6）安装简单,调试方便,维护方便。PLC 与传统的继电器比要方便的多。在它接线时只需将各种开关按钮和操控的设备直接与设定的 I/O 端口相连即可。而且它的调试和维护都能够通过实验室模拟，在模拟时其输出口可以接试验台上不同的发光二极管，通过观察亮灭来得出程序是否可行。模拟完成后，再将 PLC 安装在现场控制中，连接设备进行调试，这样做既节省时间又很方便。由于 PLC 的输入输出端子能够直观的反映出现场的信号变化状态，这样就能够知道控制系统的运行状态，方便了维护人员发现故障，缩短了故障时间，同时由于 PLC 的模块化设计，使得维护也
