1、 Xinyu University毕业设计(论文)基于 PLC 的机械手控制系统设计学生姓名: 何友良学 号: 1201231016专 业: 电气工程及其自动化指导教师: 谢富珍 副教授学 院: 电气与电子工程江西新余独创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。其中除加以标注和致谢的地方，以及法律规定允许的之外，不包含其他人已经发表或撰写完成并以某种方式公开过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而作的材料。其他同志对本研究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并表示谢意。本毕业设计（论文）成果是本人在新余学院期间在指导教师
2、指导下取得的，成果归新余学院所有。特此声明。作者签名（手写）： 签名日期： 年 月 日版权使用授权书本毕业设计（论文）作者及指导教师完全了解新余学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业设计（论文）的复印件和磁盘，允许毕业设计（论文）被查阅和借阅。作者签名（手写）： 指导教师签名（手写）：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要论文题目：基于 PLC 的机械手控制系统设计专 业：电气工程及其自动化学生姓名：何友良指导教师：谢富珍 副教授摘 要随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的
3、要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。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。本文主要论述了基于
4、PLC 设计的机械手控制系统。首先，对可能用到的可编程控制器进行了相关的介绍，再选择设计所用到的 PLC 型号。然后，通过对机械手的控制方式及各功能的实现方式进行研究，确定各功能的实现方案和设计控制系统所用到的器材。最后，对 PLC 控制系统的软件程序和硬件结构进行设计。关 键 词：工业自动化；可编程控制器；机械手；远程控制；传感反馈摘 要ITitle: Design of manipulator based on PLC controlSpecialty: Electrical Engineering and automationApplicant: Youliang HeSuperviso
5、r: Fuzhen Xie associate professorAbstractWith the development of modern industrial technology, industrial automation technology is more and more high, the production conditions also tended to bad situation, the front-line workers skills also put forward higher requirements, and the operation safety
6、of workers has also been a corresponding threat. The workers work environment and work content also requires ideal for some simple, reciprocating work by robot remote control or automatic completion is very important This can avoid some people can not contact with the human body damage, such as meta
7、llurgy, chemical, pharmaceutical, aerospace, etc.In the mechanical manufacturing industry, the application of mechanical hand more, the development of faster. At present, it is mainly used in machine tools, forging press under the material and welding, painting and other operations, it can be in acc
8、ordance with pre established operating procedures to complete the prescribed operation, and some also have with sensor feedback ability, can cope with external changes. Application of the manipulator, to improve the material transfer, workpiece loading and unloading, tool replacement and machine ass
9、embly automation, which can improve labor productivity, reduce production costs, accelerate the pace of industrial production mechanization and automation.This paper mainly discusses the design of manipulator control system based on PLC. First, the possible use of the programmable controller is rela
10、ted to the introduction, and then choose the design of the PLC model. Then, through the control mode of the manipulator and the realization way of each function, the realization scheme of each function and the equipment used in the design control system are determined. Finally, the software program
11、and hardware structure of PLC control system are designed.Keywords: industrial; automation programmable controller ; manipulator；ABSTRACTIIRemote control；sensor feedback目录1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 机械手的定义与分类 .11.3 机械手的应用及相关组成 .21.4 机械手的发展趋势 .31.5 总体设计要求 .32 PLC 的介绍与选择 .52.1 PLC 的特点 .52.2 PLC 的选型 .52.3 三菱
12、 FX 系列的结构功能 .62.4 PLC 的保护 .73 机械手系统组成 .93.1 机械手模型的机能特性 .93.2 夹紧机构 .93.3 躯干 .93.4 旋转编码盘 .104 控制系统设计 .114.1 控制系统硬件设计 .114.1.1 PLC 梯形图中的编程元件 .124.1.2 PLC 的 I/O 分配 .124.1.3 机械手控制系统的外部接线图 .134.2 控制系统软件设计 .144.2.1 公用程序 .144.2.2 自动操作程序 .154.2.3 手动单步操作程序 .244.2.4 回原位程序 .294.3 PLC 程序的上载和下载 .344.3.1 PLC 程序的上载
13、 .344.3.2 PLC 程序的下载 .345 设计总结 .355.1 总结 .355.2 展望 .35参考文献 .37致 谢 .39基于 PLC 的机械手控制系统设计01 绪论1.1 课题背景在我国飞速发展的现代化经济中，工业生产力的高低是衡量发展快慢的重要因素。在不断发展的工业经济中，操作工人的生产环境愈加恶劣，这使得在要求提高工人操作技能的同时，也使他们的工作安全也受到了不同程度的威胁。随着一系列现代化设备的推进，大大的减轻了操作工人的劳动强度，对于以前那些操作困难、操作危险的工业操作，都是通过操作工人远程控制自动化设备自动完成生产的。这不但可以避免一些有害物质对操作工人的伤害，还可以
14、提高工厂的生产效率。在各国的工业制造中，机械手技术是应用最为广泛的一种技术 1。它能够按照人们的事先要求完成相应的操作，有的机械手还带反馈能力，能够根据生产条件的变化自动的调整生产操作，使生产的质量和稳定性得到提高。目前在一些生产的机床和焊接的行业中，得到大量的应用。机械手的使用不但缩减了工业的生产成本，还提高了工业的生产效率和生产质量，促进了社会的现代化发展。机械手技术是一门涉及多领域的跨学科综合性技术。近年来，机械手的发展越加的迅速，电子技术、计算机技术、传感器技术以及一些最新的技术也在机械手中有了应用 2。机械手技术的使用，已经是我国的工业发展的重要组成部分。PLC 技术能够远程的控制工
15、业生产对象，实现工业的自动化生产。PLC 技术在机械手中的应用，在满足完成工业生产操作的同时，也大大的改善了工人的操作环境，提高了产品的质量，对自动化技术的发展有着重要的意义。同时，机械手可以能够借助软件的编程，对不同的生产对象，完成不同的控制，提高了生产的效率。目前，在一些对人力要求较高的工业中，基本上都有使用机械手技术，用来减轻人力的需求和更好的控制，实现产业的最大化。机械手有着 40 多年的发展历史，是一种类似于机器人的生产设备。它能够完成事先编辑好的操作程序，在各种工业条件都能有条不紊的作业。它有着人的智能性和机器的适应性，在现代化经济发展中有着广阔的前景。1.2 机械手的定义与分类机
16、械手是一种能够在各种条件下工作的设备，它的工作主要是模仿人手的操作，并且可以通过改变控制程序实现不同的操作的多功能机器 3。基于 PLC 的机械手控制系统设计1机械手因其对工业生产具有积极作用而被人们所认识。因它能代替人们在一些条件恶劣的场合，在保证生产质量的同时完成生产工序，大大的提高了工业生产率，受到了各国的强烈重视。尤其在一些带有放射性和强污染性的场合，投入研究的财力和物力更加之多。机械手大致可分为三类。第一类独立机械手，第二类人工操作机械手，第三类专用机械手。独立机械手又可称为通用机械手，独立机械手顾名思义就是独立的不需要人工操作的机械手，而且它不附属于主机，在拥有一般机械手传统功能的
17、同时还拥有记忆智能功能。人工操作机械手简称操作机，它由原子和军事工业发展而来，后来发展到通信行业，在星球的探测中用通信设备控制机械手对星球进行探测。专业机械手是专门用来工厂机床的下料和传送的机械手，它一般附属于自动生产的生产线上或生产机床上，除少数工序外，它的操作工序都是由主机驱动且固定地为主机服务。本设计所设计的机械手属于独立机械手，即通用机械手。1.3 机械手的应用及相关组成目前，机械手应用已经触达各个领域。在热加工方面，对人们不能胜任的高温锻造工业中，机械手可以实现自动化完成下料和铸造，大大的减轻了操作负担，提高了生产质量好生产效率；在冷加工方面，对生产过程中的零配件进行下料和安装，代替
18、人的手工操作，已经成为生产线上的重要设备；甚至在拆、装、修方面也有应用，例如在劳动强度高的铁路部门，利用机械手拆装铁路的阀门，清除路况等，大大的降低了工人的劳动强度。机械手主要由：用于执行动作的执行机构和用于驱动各动作运动的驱动机构，以及用于控制机械手运动的控制系统构成。执行机构又由用来支撑整个机械手的躯干和手臂、手爪组成。手臂是用来引导机械手抓取物体的部件，在手爪抓取物体后并承担运输的任务，将抓取的物体运送到该工件需要加工的位置，手臂还应具有多个自由度，能够自由的旋转，以完成机械手工作过程的精准。手爪是用来模仿人类手指的功能，能够对物体进行抓取，手爪的手指数量可以根据工作的需求设计出不同的手
19、指数 4-6。驱动机构是用来驱动机械手各部件运动的机构。目前应用最多的驱动技术主要是电气驱动和气压驱动，当然在一些自动化工业生产还有一些其他驱动技术，如液压驱动和机械驱动等。控制系统时用来控制机械手加工的顺序，加工的快慢和在加工过程中加入适当的延时，保证系统平稳运行的装置。在机械手中一般采用 PLC 作为它的控制系统，PLC 控制系统它的可靠性比较高，使用方便，编程也相对简单，完全基于 PLC 的机械手控制系统设计2能够满足以点动和连动为主的机械手控制。在控制过程中，首先需要弄清机械手所要完成的操作步骤，然后根据操作步骤设计合理的控制程序，用来控制机械手的运行。在一些复杂的生产工艺中，有的还采
20、用计算机控制系统等对机械手进行控制。本设计采用的是小型 PLC 控制系统。1.4 机械手的发展趋势随着社会的不断进步，各种技术也在不断的完善。机械手技术的性能也在不断的提高，目前，机械手发展的方向主要有以下几个方面：1.加大在热加工行业的应用热工业行业因其工作温度高，工作环境复杂。这使得工业的生产受到了一定的影响，机械手技术能够很好的解决这一现况，为锻造、焊接、热处理等加工行业提供很好的服务。随着工业生产的发展，机械手在这些热加工行业的使用也将逐步的扩大。2.提高机械手的工作性能目前，市场的机械手性能优劣不一，价格也不尽相同，性能的好坏会直接影响到生产的质量和效率。快速性和平稳性是衡量机械手性
21、能的主要指标，提高二者的性能必定是机械手今后发展的有力方向。3.发展新型组合式机械手从工业的长远发展来说，拓展和更新功能越强的机械手，其发展前景越好；但是这类机械手的生产成本过于高昂，使的这类机械手的推广受到了限制；而专用机械手虽然价格低廉，但是其适用性远不如功能全面的机械手。为了使机械手的应用领域拓宽和更好的发展，组合式机械手将会是一种具有发展前途的机械手 7。组合式机械手可以根据工业的实际需求，将机械手的基本部件进行基本的组合，完成工业生产的目的。4.开发具有观感能力的智能机械手 对于一些需要人工判断的场合如事故、障碍和情况变化的场合，传统的机械手已经不能够代替人的工作了。因此，需要对机械
22、手提出更高的要求，设计出具有感官能力的智能型机械手能很好的解决这一现况。这种机械手对于一些精密的操作方面，有着不错发展前景。1.5 总体设计要求1. 机械手结构图基于 PLC 的机械手控制系统设计3图 1-1 机械手结构图2.机械手工作流程机械手工作流程是:运行机械手后，首先判断当前机械手是否在初始位置，如若不在，通过电机的驱动使机械手回到原来位置；然后开始由电机驱动，使机械手完成前伸动作，到达位置后，电机驱动手爪旋转，通过检测元件检测限位磁头所在的位置，使电动机停止工作；由 PLC 控制手爪的张开，经过一段延时后，电机驱动机械手向下运动，下降到一定位置后，PLC 又控制手爪的闭合；再经过一段延时后，电机又驱动机械手向上运动，同时驱动机械手的手臂、底盘运动；当机械手到达规定位置后，又驱动机械手完成前伸动作，前伸到一定位置后旋转并向下运动，到达规定位置后，手爪张开；再经过一段延时使机械手回到初始位置，接着进行下一周期运动 8。3.控制要求能够按控制要求实现手爪抓取物件后，手臂能够完成上下左右的运动，手腕能够在电机的驱动下按控制做出旋转，机械手能够完成整个工序周期内所有的操作动作。
