1、 三 江 学 院 本科生毕业设计（论文） 题 目 基于 PLC 的柔性制造系统的搬运机构的 控制系统设计 高 职 院 （系） 机械设计制造及其自动化 专业 学 号 学生姓名 指导教师 起讫日期 设计地点 摘 要 在 基于 PLC 的柔性制造系统 为核心的基础上，重点进行了 搬运机构 的控制设计，详细叙述了该搬运单元由步进电机进行综合控制的软、硬件的实现方法。该设计利用步进电机单位脉冲所具有的步进距离不变的特点，对其采用开环点位控制。因此可将整个运动视为拆线运动，每一个动作可视为运动程序 相同、特征参数各异的点位相对运 动。其以起点作为参考点，通过脉冲 得到目的点的位置，手动点击按钮，实现机械手
2、从参考点运动到目的点。 关键词 :柔性制造系统； PLC；机械手 ABSTRACT In the basis of PLC as the core, with the focus on the control of the FMS handling unit design, this paper describes the handling unit consists of stepping motor comprehensive control the hardware and the software realization method. This design using the st
3、epping motor unit pulse with the characteristics of step distance unchanged, the position control by the open loop. So the entire movement as take o ut stitches movement, every movement can be regarded as exercise program is same, characteristic parameters of the relative motion dealership network.
4、His with starting point as a reference point, through the pulse count is purpose o clock position, manual click button, realize manipulator to destination reference point movement from the point. So as to realize the “Fang Hang“ technical FMS movements. Key words： Flexible Manufacturing System;Progr
5、ammable Controller;Manipulator 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 基于 PLC 的柔性制造系统 搬运 机构 的概述 . 1 1.2 机械手控制系统的背景和意义 . 2 1.2.1 可编程序控制器背景 . 2 1.2.2 可编程序控制器的应用意义 . 2 1.2.3 可编程序控制器的特点 . 3 1.3 本课题研究的内容 . 3 第二章 硬件设计 . 5 2.1 机械手的机械结构设计 . 5 2.2 传动系统的设计 . 7 2.3 其他辅助系统的设计 . 10 第三章 软件设计 . 12 3.1 总体流程图的设计 . 12 3.2 三菱 PLC 的选择 . 12
6、 3.2.1 三菱 PLC 控制系统设计的基本原则 . 12 3.2.2 三菱 PLC 控制系统设计步骤 . 12 3.2.3 三菱 PLC 品牌选择 . 13 3.2.4 三菱 PLC 系列选择 . 14 3.2.5 三菱 输出方式选择 . 16 3.3 三菱 PLC 的 I/O 口分配 . 17 3.3.1I/O 点数 . 17 3.3.2I/O 口分配原则 . 17 3.3.3I/O 口分配论证 . 18 3.4 三菱 PLC 程序的设计 . 19 结束语 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1
7、基于 PLC 的柔性制造系统 搬运机构 的概述 PLC柔性制造系统是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成。 机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。 在柔性制造系统中起到了物流的作用，是其中一个重要的环节。 机械手 的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。 其 作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机 械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓 工件（或工具
8、）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。 在 现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机
9、床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的 重要办法。 但 除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产 的全部工业零件中，有 75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，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。 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： 1.可以提高生产过程的自动化程度，
10、应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产 率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 2 接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3.可以减少人力，便
11、于有节奏地生产，应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手 可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。 综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。 1.2 机械手控制系统的背景和意义 机械手按驱动控制方式 分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；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。其中以 可编程序控制器 控制的电动式点位控制机械手应用最为广泛。 1.2.1可编程序控制器背景 可编程序控制 器（ program
12、mable controller ），现 在一般简称 为 PLC（ programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。 在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗 电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工
13、艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。 1.2.2可编程序控制器的应用意义 PLC 的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的 PLC 几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要 PLC，尤其近几年来 PLC 的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。 按 PLC 的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面： 1.用于逻辑控制。这是 PLC 最基本，也是最广泛的应用方面。用 PLC 取代继 电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。 2.用于模拟量控制。 PLC 通过模拟量 I/O
14、 模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。 3.用于机械加工中的数字控制 。现代 PLC 具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（ NC）及计算机控制（ CNC）紧密结合，实现数字控制。 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 3 4.用于工业机器人控制。 5.用于多层分布式控制系统高功能的 PLC具有较强的通信联通能力，可实现 PLC与 PLC 之间、 PLC 与远程 I/O 之间、 PLC 与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控 制系统或工厂自动化网络。 1.2.3可编程序控制器的特点 1.可靠性高、抗干扰能力强 PLC 能在恶劣的环境如电磁干
15、扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作， PLC 的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的 F1 系列 PLC 平均无故障时间间隔长达 30 万 h，这是一般微机所不能比拟的。 2.控制系统构成简单、通用性强 由于 PLC 是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变 PLC 的硬件设备，只需相应改变软件程序。 3.编程简单、使用、维护方便 4.组合方便、 功能强、应用范围广 PLC 既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此， PLC 应用范围很广。
16、5.体积小、重量轻、功耗低 PLC 采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约 1.2KW。 1.3 本课题研究的内容 1.概要 任务：实现机械手在两个工作台间代替工人进行单调持久地搬移工作。 要求： PLC 控制，预置工作程序，动作灵活，可根据工件的变化随时更改相关控制参数。 2.硬件选择 动力源 步进电机及其 相应驱动设备。机械手夹持部位采用电磁控制。各元件应结合现场工作环境进行校核设计，本文中所选设备仅作示范性选择，未进行校核，不适用于具体设备制造，不代表最终机械手硬件。 传动机构 机械手臂采用滚珠丝杠螺母传动。 超程保护 设备运行过程中未能豁免发生控制程序或
17、电路故障，造成在极限位置仍继续发出前进信号，烧毁步进电机或其驱动设备。结构中在极限位置采用行程开关进行超程保护，各极限位置保留了一定工作区域，不作为工作行程。 操作台布置 尽力人性化处理，显示实时工作状态及故障报警。 3.控制要求 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 4 定位精确性 步进 电机和步进电机驱动器作为动力启动设备，采用开环点位控制，满足点位要求。 路径无干扰性 无干涉，无安全隐患。可以设定中间点位避让绕行。 4.输入输出设备 输入：指令按钮、旋钮、急停按钮、报警及指示装置。 输出：指示灯、二极管、步进电机及其驱动设备、电磁机械手。 5.研究对象特点 本设计的应
18、用研究，贴近企业生产，具有很强的可行性、实用性和经济性。该设备可以应用于中、小批量生产柔性制造自动化生产线，实现工件在两工作台间的搬移，大大的减轻工人的劳动强度、减少人力资源的浪费，节省生产成本，提高生产效率，减 少因为人工疏忽造成的安全事故。远程控制，对于恒温环境、不适合人直接接触工作的危险环境（如：高温、发射、剧毒、无氧、高空等恶劣环境）下较普通机械手（如：行程开关定位顺序控制）有明显的优势。 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 5 第二章 硬件设计 2.1 机械手的机械结构设计 1.夹紧机构 手爪 机械手手爪是用来抓取工件的部件。其构造模仿人的手指，分为无关节、固定
19、关节和自由关节三种。手指数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得较多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作。手爪抓取工件时，应具有 迅速性、灵敏性、准确性和可靠性。 设计过程中应根据需要对机械手的运动速度、加速度、夹持物体重量、惯性和冲击力、开口尺寸进行校核，且能够自锁，防止断电或设备故障造成被抓物掉落。 2.手爪结构图 假定被夹持工件为有凹槽回转体，且自重不超过机械手允许安全负载，作以下结构设计： 图 2.1 机械手手爪示意图 1.手爪 2.转轴 3.压缩弹簧 4.电磁铁芯 5.电磁线圈 6.螺母 7.机械手手爪壳体 8.点位销 9.限位螺钉 10.橡胶防滑垫
20、 工作原理：杠杆原理、胡克定律及安培定律。 工作方式：机械手的夹紧与放松由电磁 线圈控制。若线圈得电，手臂处产生电磁力矩，当电磁力矩大于弹簧被压缩所产生的力矩时，手臂吸合，手爪张开；三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 6 若线圈失点，手臂端无磁力矩，机械手手爪将在弹簧预压缩力所产生的力矩下，保持夹紧状态，实现自锁功能，避免因偶尔断电导致被抓物掉落。 特点：最大夹持半径可调，设定夹持点半径，可减少夹持力对夹持物表面的破坏。由于夹紧的为刚性工件，为了提高安全性能，防止破坏工件，我们可以在夹持部分加上一层橡胶，这样可以通过增大工件和手指之间的摩擦系数来增加安全性，通过橡胶的弹性
21、变形来缓冲对工件的冲击，可以减轻乃至消除对工件的损坏。 本设计使用的是电磁式控制吸合的机械手， 适用于磁性材料，有沟槽或穿孔的工件吸住；单位面积有较大的吸力；可以快速吸附和松放工件，从而快速实现工件在两工作台之间的搬运控制；此外， 结构简单，使用寿命较长。 3.机械手躯体的组成 机械手躯干包括立柱、机座、手臂和手腕四部分。 立柱是支撑手臂带动它升降、摆动和移动的机构，立柱和机座相联可固定在地面上、机床设备上、或者横挂在梁上，可固定在行走机座上。本设计中机座为落地固定式机座。 机座是支撑机械手全部重量的构建，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作方便和造型美观。 手臂 是机械手的主要部分，它支
22、持手腕、手指和工件使他们运动的机构。手臂应承载能力大、刚性好、自重轻、灵活、位置精度高、通用性强等特点。主要结构有伸缩式和关节式，本文优选伸缩式。 4.躯干传动定位机构 1) 手臂直线运动的结构 手臂直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置组成。文中选用步进电机作为动力，故选用丝杠螺母机构和齿轮传动机构。现就两者作以下分析： 丝杠螺母机构：位置较准确、降速比大、运动平稳、无噪音、易自锁，但高精度的丝杠制造比较困难，传动效率低。矩形、梯形螺纹结构，因传动力大，应用广泛。滚珠丝杠效率高， 但成本高。 齿轮齿条机构：传动效率高、速度快、无自锁。一般用于机械手的传动机构，不作为定位机构。 为满足自锁要求，优先选用丝杠螺母机构。 2) 手臂回转机构 由于采用步进电机作为驱动元件，回转机构相对简单，成本相对比较低。可直接采用齿轮减速以实现回转。 齿轮减速：工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；减速效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围很广等。
