1、 广德爱众 砺能善医 毕 业 设 计 正 文 题 目： 基于 PLC 的机械手系统设计 姓 名： 专 业： 机电 班 级： 学 号： 校内指导老师： 校外指导老师： 填表日期： 湘潭医卫职业技术学院教务处制 摘要： PLC 是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强； PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC 带有硬件故障自我检测 功能，出现故障时可及时发出警报信息； PLC 采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对 PLC 的影响，此外 PLC 还可在强、通
2、用性好；开发周期短，功耗小。本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。 关键词 ： 意义，应用，前景，编程语言，设计 目录 第一章 绪论 2 1.1 本课题的意义 2 1.2 本文的主要工作 2 第二章 PLC 的概述 3 2.1 PLC 的基本知识 3 2.2 PLC 的应用与前景 3 第三章 PLC 的编程语言 6 3.1 梯形图编语 6 3.2 功能块图编程语 6 第四章 PLC 控制机械手的设计 6 4.1 机械手在工业生产中的应用 7 4.2 各电器设备的制方式及控制要求 9 4.3 电器元件设备的选择 11 4.4 控制系统的软、硬件设计 12 4.5 功能表图设计 24 结论 3
3、1 谢 辞 32 第一章 绪论 1.1 本课题的意义 机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。 汽车业的快速发展，车外型愈求美观流线，并由于汽 车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要。 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应
4、用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取 得一定的成果，受到各工业部门的重视。 1.2 本文主要做的工作 1.问题提出 ： PLC 控制的机械手 最主要是应用于自动化 生产 中，如何综合地运用前面学过知识点，根据实际工程要求合理组合成控制系统， 在此介绍组成可编程控制器控制系统的一般方法。 2.系统设计的主要内容 （ 1 ）拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据； （ 2 ）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构； （ 3 ）选定 PLC 的型号； （ 4 ）编制 PLC 的输 入 / 输出
5、分配表或绘制输入 / 输出端子接线图； （ 5 ）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计； （ 6 ）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系 。 第二章 可编程控制器的概述 2.1 可编程控制器的基本知识 PLC 的种类繁多，其规格和性能也各不相同，对 PLC 的分类，通常根据形式的不同、功能的差异和 I/O 点数的多少等进行大致分类 .根 PLC 的结构形式可将 PLC分为整体式和模块式两类。 （ 1）整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源、 CPU、 I/O 接口等各件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体
6、积小、价格低的特点。小型 PLC 一般采用这种整体式机构。 整体 PLC 由不同 PLC 点数的基本单元和扩展单元组成，基本单元内有 CPU、 I/O接口，与 I/O 扩展单元相连的扩展口、以及编程器或 EPROM 写入器相连的接口等。扩展单元内只有 I/O 和电等，没有 CPU，基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。 (2) 模块式 PLC 模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分分别作成若干个单独的模块，如 CPU 模块、I/O 模块、电源模块（有的含在 CPU 模块中）以及其他模块。模块式 PL
7、C 由框架或基板和各种模块组成，模块装在框架或基板的插座上。这种模块式 PLC 的特点是配置灵活、可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型 PLC 一般采用这种模块式结构。 还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。叠装式PLC 其 CPU，电源， I/O 接口等也是各自独立的模块。但它们之间是非电缆进行联接，并且各模块可以应地叠 装，这样不但系统可以灵活配置，还可以做的体积小巧。 2 按功能分 根据 PLC 所具有的功能不同，可将 PLC 分为低，中，高档次。 （ 1）低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断监控等基本
8、功能还可以少量模拟量输入 /输出，算术运算，数据传送和比较等功能，主要用于逻辑控制，顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 （ 2）中档 PLC 出具有低档 PLC 的功能外，还具有模拟量输入 /输出，算术运算，数据传送和比较；数据转换，远程 I/O，子程序，通信联网等功能，有些还可增设中断控制， PID 控制等功能，适应于复杂控 制系统。 （ 3）高档 PLC 除具有中档 PLC 的功能外，还增加了符号算术运算，矩阵运算，位逻辑运算，平方根运算及其他特殊功能函数的运算，制表及表格传递功能等。高档 PLC 具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
9、 3 按 I/O 点数分类 根据 PLC 的 I/O 点数的多少，可将 PLC 分为小型，中型和大型三类 （ 1） .型 PLC I/O 点数 2048 点，多 CPU， 16 位、 32 位处理器，用户存储器容量 8-16K S7-400 德国西门子公司 GE-IV GE 公司 C-2000 立石公司 K3 三菱公司 2.2 可编程控制器 PLC 的应用与前景 目前，在国内外 PLC 已广泛应用冶金，石油，化工 ，剪彩，机械制造，电力，汽车，轻工，环保及文化娱乐等各行各业，随着 PLC 性能价格 的不断提高，器应用领域不断扩大，从应用类型看大致可归纳为以下几个方面。 2.2.1 强量逻辑运算
10、 利用 PLC 最基本的逻辑运算，定时，计收等功能实现逻辑运算，科取代传统的继电器控制用于单片机控制，多机群控制，生产自动线控制等。例：机床，注塑机印刷机械，装配生产线，电镀流水线及电梯的控制等。这是 PLC 最基本的应用，也是 PLC 最广泛的应用领域。 2.运动控制 大多数 PLC 都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能广 泛用于各种机械设备。例如：各种机床，装配机械。机器人等进行运动控制。 3.过程控制 大，中型 PLC 都具有多路模拟量 I/O 模块和 PID 控制功能。有的小型 PLC 也具有模拟量输入输出，所以 PLC 可实现模拟量控制而且具有 PID 控制功
11、能的 PLC 可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于铝炉，反应堆，水处理，酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面。 4.数据处理 现代的 PLC 都具有数学运算数据传递，转换，排序和查表等功能，可进行数据的采集，分析和处理，同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置。例如： CNC 设备进 行处理。 5.通信联网 PLC 的通信包括 PLC 与 PLC， PLC 与计算机， PLC 与其它智能设备之间的通信，PLC 系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元，通信转换单元相连构成网络，已实现信息的交换和构成。集中管理分散控制的多级分布式控制系统。满足工厂自动化（ FA）系统发展的需要。
12、 2.2.2 国外 PLC 发展概况 PLC 在问世以来，经过 40 多年的发展。在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有 200 多个 厂家生产 PLC。较多的有美国： AB 通用电气、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、欧姆龙等；德国：西门子公司；法国： TE 施耐德公司。韩国：三星、 LG 公司等。 PLC 的发展前景 （ 1）产品规模向大小两个方向发展 大： I/O 点数达 14336 点， 32 位微处理器，多 CPU 并行工作 ，大容量存储器，扫描速度快高速； 小：整体结构
13、向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本； （ 2） PLC 在闭环过程中应用日益广泛； （ 3 不断加强通讯功能； （ 4）新器件和模块不断推出 第三章 可编程控制器的 编程语言 3.1 可编程控制器的几种编程语言 可编程控制器的编程语言按 IEC61131-3 国际标准来分主要包括图形化编程语言和文本化编程语言。图形化编程语言包括 :梯形图 (LD-Ladder Diagram)、功能块图 (FBD-Function Block Diagram) 、顺序功 能图 (SFC-Sequential Function Chart)。文本化编程语 言包括 :指令表 (IL-Instru
14、ction List)和结构化文本 (ST-Structured Text)。这些语言是基于 WINDOWS 操作系 统的编程语言 .而 SFC 编程语言则在两类编程语言中均可使用。下面分别来介绍这几种编程度语言。 3.1.1 梯形图编程语言 (LD-Ladder Diagram) 梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是 PLC 编程中被最广泛使用的一种图形化语言，由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图，便于理解 ,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。而且其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平
15、梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈 等提供能量，功率流的终点是右侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，一个简单的梯形图程序如图 1 所示 : 图 3.1 梯形图程序示例 梯形图的每个梯级表示一个因果关系 ,事件发生的条件表示在梯形的左面 ,事件发生的结果表示在梯级的右面。 梯形图编程 语言具有如下特点 : (1) 与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性 ; (2) 与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习 ; (3) 对于复杂控制系统描述 ,仍不够清晰 ; (4) 可读性仍不够好。 几乎所有 PLC 厂商提供的 PLC 都支持梯形图编
16、程语言 ,而且都比较容易理解，只是在梯形图结构上可能稍有变化。比如西门子的 S7 系列梯形图就没有右边的电力轨线。有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略。 3.1.2 功能块图编程语言 (FBD-Function Block Diagram) 功能块图编程语言采用 功能模块表示所具有的功能，不同的功能模块具有不同的功能。功能模块用矩形来表示，每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端，右侧有不少于一个的输出端。功能模块的类型名称通常写在块内，其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方。 功能模块基本上分为两类 :基本功能模块和特殊功能模块。基本功能模块如 AND，OR XOR 等等 .特
17、殊功能模块如 ON 延时，脉冲输出，计数器等等。 功能块编程语言具有以下特点 : (1) 以功能模块为单位 ,从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变的容易 ; (2) 功能模块用图形化的方式描述功 能，较直观易掌握，方便组态，易操作。是有发展前途的一种编程语言 ; (3) 对较复杂系统，由于控制功能关系能够比较清晰的描述，因此缩短了编程和调试时间 ; (4) 因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间，对功能块的执行需要一定的执行时间，因此，这种语言在大中型可编 程控制器 和分散控制系统中应用较广泛。 第四章 PLC 控制机械手的系统设计 4.1 各电器设备的控制方式及控制要求 1 机械手的技
18、能和特性 根据古典力学观点，物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定的。因此，抓握物体的位置和方向（ 即关节间的角度）能从理论上求得。据资料介绍，如果采用的机械手，其机能要接近人的上肢，则需要具有 27 个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”。这样就需要安装 27 根重量轻、小型和高输出力的“人造肌肉”。就目前的技术状况而言，上述功能还很难办到。而且把机械手的功能搞得那么复杂，动作彼此严重重叠也是完全不必要的。退一步，如果机械手要求具有完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共就要有 24 个自由度。这在实际上也是不必要的
19、，这样会使机械手结构复杂，费用增多。因此，不应 盲目模仿人手的动作，增加过渡的自由度，而应根据实际需要的动作，设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作。所以一般专用的机械手（不包括握紧动作）通常具有二到三个自由度。而通用机械手一般取四到五个自由度。 本设计中设计的机械手，它共有五个自由度。即：手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓握。 2 .躯干和传动系统 机械手的传动分为液压、气压、电气和机械四种，本设计采用综合传动方式，即手臂采用电气传动，而手爪则采用气压传动。 (1)、夹紧机构 机械手手爪使用来抓取工件的部件。手爪 抓取工件是要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。设计制造
20、夹紧机构 手爪时，首先要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度的情况来考虑。其加紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化，为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力应限制一定的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然停电被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和动作可靠。 夹 紧机构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式的夹紧机构。 机械式夹紧机构是
21、最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式气动手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的张闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位，一般可 设置在 180 度。 (2) 躯干 躯干由底盘和手臂两大部分组成。 底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手每旋转 3 度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达 270 度。 手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构。本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成伸缩、升降的运动。手臂采用步进电动机带动
