1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于 PLC 的机械手控制系统设计方案 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 机械手是工业自动 化 控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬 卸 、 拆 装、 切割 、 分捡 等等，应用 范围也 越来越 广泛。 随着科学技术的发展，电气控制和 PLC 应用技术在工业各个领域的应用越来越多。近些年机械手采用 PLC 控制后，提高了自动化程度，增加了控制精度，确保了新产品质量，也提高了运行的灵活性，同时，更加便于维护管理。它是新时代全自动化的新产品，集成了高科
2、技、高知识、高效率， PLC 机械手的自动化技术到现在，已越来越完善了。 本文主要设计了基于 PLC 的机械手控制系统。全文共分为五章：第一章简单介绍本文要设计的机械手控制系统。第二章为针对机械手和 PLC 发展应用进行简要介绍。第三章为针对设计题目列出系统设计的主要内容 和基本设计步骤。第四章为使用 GX-Developer V8.31H 中文版 软件编译程序，通过 PC下载到 PLC 并且操作调试。第五章总结这次设计的不足和收获。 关键词 ： 机械手；可编程控制器；操作系统；三菱 - 2 - Abstract Industrial robot is often encountered in
3、 the field of automation and control a control object. Robots can accomplish many tasks, such as unloading, disassembly, cutting, sorting and so on, more and more extensive range of applications. As science and technology development, application technology of electrical control and PLC applications
4、 in industrial fields is increasing. PLC controlled robot used in recent years, the increased degree of automation, increase the control precision, to ensure the quality of new products, but also improve the flexibility of running the same time, easier maintenance and management. It is a new era of
5、new products fully automated, integrated high-tech, high knowledge, high efficiency, PLC robot automation technology to the present, has become increasingly refined. This paper studied the robot control system based on PLC. The paper is divided into five chapters: The first chapter gives the brief i
6、ntroduction of robot control systems. The second chapter introduces the PLC for the development of robotic. The third chapter lists the system design for a design of the main content and basic design steps. The forth chapter is the use of GX-Developer V8.31H Chinese version of the software compiler,
7、 downloads to the PLC via PC and operating debugging. The last chapter summarizes the design deficiencies and harvest. Key Words: Manipulator; PLC; Operating system;Mitsubishi - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 机械手及 PLC的简介 .2 2.1 机械手的结构和种类 .2 2.2 机械手的应用 .2 2.3 机械手的发展趋势 .3 2.4 PLC概况 .4 2.5 PLC机型选择 .4 3 机械手 PLC控制系统总
8、体设计 .6 3.1系统设计流程 .6 3.2系统硬件设计 .8 3.2.1机械手工作流程 .8 3.2.2 实验 PLC机型的选择 .9 3.2.3 控制电机的选择 .9 3.2.4输入和输出点分配及硬件接线图 .10 3.3系统软件设计 . 11 3.3.1控制系统总程序 .12 3.3.2回原点程序 .13 3.3.3手动单步程序 .13 3.3.4自动操作程序 .14 4 制作和调试 .16 4.1 编程器与 PLC之间的连接 .16 4.2 下载程序 .16 4.3 运行程序 .17 5 结论 .18 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .19 附录 1 系统实物图 .20
9、附录 2 系统源程序 .21 附录 3 毕业设计作品说明书 .26 - 1 - 1 引言 在现代工业中，生产过程中的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱之一，无人车间、无 人生产流水线等等，已经随处可见。同时，在现代生产中，存在着各种各样的恶劣生产环境，如高温、高压、放射性、 易爆 、有毒有害气体以及水下作业等，这些都非常不利于人员进行工作。 工业机械手是目前自动化控制领域中出现的一项新技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，已经成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提
10、高产品质量和生产效率的有效手段之一。特别在高温、高压、粉尘、噪声以及带有辐射污染的生产环境，使用的更加多了。 机械手的 应用 与发展 ，是 衡量 一个国家工 业自动化水平的重要标志 之一 。生产中应用机械手 不仅 可以 有效 提高生产 效率 ， 而且 可以 降低人工 劳动强度、 提高产品质量 ，以达到 安全生产 的目的 ;特别 在高温、 高压 、粉尘、有毒 有害 气体和辐射 等恶劣的环境中， 机械手 代替人进行正常的工作，意义 就 重大 了 。 所以 在机械 搬运 、冲压、铸锻、焊接、热处理、 切割 、喷漆、装配以及轻工业、运输业等许多 方面得到越来越广泛的 应 用。 本文主要设计搬运机械手控
11、制系统，采用三菱公司的 FX2N-48MR机型 PLC，对机械手的上下、左右以及抓取松开运动进行控制。并且在机械手控制模式上还设计了回原点、手动单步、 自动操作三种模式，这样就极大的丰富了机械手的功能。我们利用可编程技术，在编程软件平台上，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。 - 2 - 2 机械手及 PLC 的简介 2.1 机械手的 结构和种类 机械手主要 是 由手部、运动机构和控制系统三大部分组成 的 。 机械手 手部 主要 抓持工件的 元 件， 随着 被抓持物件的 大小 、尺寸、重量、 材质 和 操作 要求 不同因而 有 各种不同 结构 类型 ， 例如 夹持型、托持型和吸附型等。
12、运动机构 是指 使 机械手 手部完成各种转动、移动或复合运动来实现 要求 的动作， 变换 被抓持 工件 的位置和姿势。机械手的自由度 是指 运动机构的升降、 伸缩、旋转等独立运动方式。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， 它的 结构也越复杂。一般专用机械手有 2 3 个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或 DSP 等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 机械手的种类，按驱动方式可分为液
13、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。 2.2 机械手的应用 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。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 国内外机械工业、运输部门中搬运机械手主要应用于以下几方面： 1热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求
14、实现自动化。为了提高工作效率和确保工作人员的安全，尤其对于大件、少量、低速和人力不能胜任- 3 - 的作业就需要采用机械手操作。 2.冷加工方 面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上线工序联接的重要手段。 3.拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、构舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装
15、的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对 客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高了喷漆的质量和效率。 近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感器技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。 2.3 机械手的 发展趋势 随着工业自动化的进一步发展，尤其是 PLC 技术的日新月异，机械手的功能也越来越多越来越完善。工业自动化生产中，机械手的身影也会随处可见。以下几方面是机械手的发展趋势。 1工业 机械手 性能不断提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修 )，而 且机械手的 单机价格不断下降。 2机械结构向模块化、 可重构化发展。
16、例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化 :由关节模块、连杆模块用重组方式构造 机械手 整机 ;国外已有模块化装配 机械手 产品问市。 3工业 机械手 控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化 ;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构 :大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 4传感器 在机械手 中的 越来越多 ，除 了在 传统的位置、速度、加速度等 方面使用 传感器外，装配、焊接 机械手 还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控 机械- 4 - 手 则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来 进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在
17、产品化系统中已有成熟应用。 5虚拟现实技术在 机械手 中的作用 日渐凸显。它 已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控 机械手 操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵 机械手 。 6 目前机械手 系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机械手 的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能 机械手 走出实验室进入实用化阶段。 2.4 PLC概况 可编程控制器 是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出的，并逐步发展成为以微处理器为核心，把自动控制技术 ，计算机技术和通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。 可编程控制器 在近 40 年来得到了迅猛的发展，至
18、今已经成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制装置，居于工业生产自动化三大支柱（可编程控制器，机器人，计算机辅助设计与制造）的首位。 可编程序控制器（ PLC）已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛的应用。它是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置，它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点。 目前，世界上 PLC 产品按地域分成三 大流派：第一个流派是美国产品，第二个流派是欧洲产品，第三个流派是日本产品。因为美国和欧洲在相对隔离的情况下各自研发 PLC 技术，所以他们生产的 PLC 产品有着很明显的区别。另
19、外，我们比较了解的日本 PLC 技术虽然是在美国的基础上研发的，但也开发了其独有的PLC 技术。美国和欧洲主要以大中型 PLC 产品为主，而日本则以小型 PLC 为主。 2.5 PLC 机型选择 PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便等前提下，争取最佳的性价比。选择时主要以下面几点作为参考： - 5 - (一 ) 选择合理的结构型式 PLC 主要的结 构型式有整体式和模块式两种。整体式 PLC 的每一个输入输出点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小 ,通常只用于系统过程较为固定的小型控制系统；而模块式 PLC 的功能扩展灵活方便 ,在输入输出点数、输入点数与输出点数
20、的比例、 I O 模块的种类等方面选择余地大，重要的是维修方便，一般于较复杂的控制系统。 (二 ) 选择合适的安装方式 PLC 系统的安装方式分为集中式、远程 I O 式以及多台 PLC 联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程 I O 硬件，系统反应快、成本低；远程 I O 式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程 I O 可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程 I O 电源；多台 PLC 联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型 PLC。 (三 ) 满足相应的功能要求 一般情况下，对于只需要开关量控制的设备，小型 PLC 具有的逻辑运
21、算、定时、计数等基本功能都能满足。针对控制比较复杂，要求实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中型或大型 PLC。但是一来中、大型 PLC 价格较贵，再者大中型通常用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。 (四 ) 保证合适的响应 速度 PLC 是专为工业环境应用而设计的通用控制器，一般 PLC 的响应速度都能满足其应用范围内的绝大多数需要。假如要跨范围使用 PLC，又或者对某些功能和信号有特殊的速度要求时，就必须慎重考虑 PLC 的响应速度，选用具有高速处理功能的 PLC 或者具有更快速响应模块和中断输入模块的 PLC 等等。 (五 ) 选择最好的系统
22、可靠性 对于一般系统 PLC 的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。 - 6 - 3 机械手 PLC 控制系统总体设计 本文设计基于 PLC 的机械手控制系统需要实现机械手的夹紧、松开、上 升、下降、左移和右移这些基本动作。在硬件设计方面，我们主要是要选择合适的PLC 与驱动电机。这样我们就能够直观的了解和分析机械手控制系统成功与否。在软件设计方面，我们主要是设计机械手控制系统总程序和子程序来实现机械手的回原点、手动单步和自动操作模式。 3.1 系统设计流程 一、系统设计的主要内容 1、 拟定机械手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
23、确定，它是整个设计的依据； 2、 选择机械手的驱动电动机、电磁阀等执行机构； 3、 选定机械手控制系统使用 PLC 的型号； 4、 编制 PLC 的输入 /输出分配表和绘制输入 /输 出端子接线图； 5、 根据机械手控制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、 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沟通关系； 7、 设计操作台、电气柜及非标准电器元部件； 8、 编写控制系统设计说明书和使用说明书。 二、系统设计的基本步骤 如图 3-1 是机械手控制系统总体设计流程图，机械手控制系统的基本设计步骤如下： 1熟悉机械手，制定控制方案：分析机械手的工艺过程及工作特点，了解机械手机、电、液之间的配合，确定机械手对 PLC 控制系统的控制要求。 2确定 I O 设备：根据系统的控制要求，确定系统所需的输入 (如按钮、行程开关、选择开关等 )和输出设备 (如接触器、电磁阀、信号指示灯等 )由此确
