最新版修改版 机电工程及自动化系毕业论文15170.docx
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最新版修改版机电工程及自动化系毕业论文15170
毕业论文
论文题目：
PLC控制机械手在汽车制造中的应用
学生姓名胡淑茗
学号
所属系部机电工程及自动化系
专业名称机电一体化
指导教师玉河
2014年3月20日
毕业论文任务………………………………………………………………………2
TOC\o"1-3"\h\u前言………………………………………………………………………………3
企业简介……………………………………………………………………………4
第1章绪论…………………………………………………………………………5
1.1本课题的意义……………………………………………………………………5
1.2本文的主要工作………………………………………………………………5-6
第二章PLC的概述…………………………………………………………………7
2.1PLC的基本知识………………………………………………………………7-8
2.2PLC的应用与前景……………………………………………………………9-10
第3章PLC的编程语言……………………………………………………………11
3.1梯形图编程语言………………………………………………………………11-12
3.2功能块图编程语言………………………………………………………………12
第四章PLC控制机械手的设计………………………………………………………13
4.1机械手在工业生产中的应用…………………………………………………13-14
4.2各电器设备的制方式及控制要求…………………………………………14-17
4.3电器元件设备的选择…………………………………………………………17-18
4.4控制系统的软、硬件设计………………………………………………………18-30
4.5功能表图设计……………………………………………………………………31-37
致谢及心得体会…………………………………………………………………38-39
参考文献………………………………………………………………………………40
广西电力职业技术学院机电工程及自动化系
毕业论文任务书
学生信息
学生姓名
所在专业
就读班级
学生学号
联系电话
电子邮箱
课题信息
论文题目
任务来源
□指导老师命题
□指导老师结合学生就业岗位命题
□学生从实习岗位提炼，指导老师确认
时间安排
任务下达：
年月日
毕业答辩：
年月日
定稿提交：
年月日
指导老师
教师姓名
职称
联系电话
电子邮箱
毕业论文任务简介：
（由指导老师填写）
毕业论文应完成的工作内容：
（由指导老师填写，以下供参考）
1.结合顶岗实习岗位的工作任务，确定毕业论文题目，列出写作提纲；
2.根据选题，查阅参考文献（不少于10篇），收集技术资料；
3.撰写毕业论文（不少于8000字）；
4.参加并通过毕业答辩。
主要参考文献：
（可由指导老师指定部分必读文献，学生补充有关文献资料）
[1]王建、赵金周.电器设备安装与维修[M].机械工业出版社,2007.2
…
学生签名：
指导教师签名：
年月日
专业带头人签名：
系主任签名：
年月日
前言
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，出现故障时可即使发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术有效一直外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可再强、通用性好；开发周期短，功耗小。
本课题将PLC控制机械手应用在汽车制造中，对现代工业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
企业简介
桂林福达股份有限公司（简称“福达股份”）是一家以汽车零部件为主营业务的国家高新技术企业，主要从事发动机曲轴、汽车离合器、汽车螺旋锥齿轮和精密锻件等汽车零部件的研发、生产与销售，是国内主要的锻钢曲轴、汽车离合器生产企业。
公司共有6家全资生产型企业，分布在广西桂林市和湖北襄阳市、孝感市。
公司总资产29.7亿元，员工2600余人。
福达股份具备年产112万根发动机锻钢曲轴、130万套汽车离合器总成、15万套螺旋锥齿轮和10万吨精密锻件的生产能力。
产品为国内外30多家知名的汽车、发动机及车桥企业配套，部分产品进入国际知名汽车制造商全球采购体系，产品主要配套范围包括商用车、乘用车和工程机械。
福达股份拥有广西壮族自治区认定的企业技术中心，公司以及全资子公司桂林福达曲轴有限公司、襄阳福达东康曲轴有限公司、桂林福达齿轮有限公司具有强大的自主开发能力，拥有多项生产关键汽车零部件产品的核心技术和生产工艺，先后被认定为国家高新技术企业。
公司已拥有41项专利以及轴颈及圆角淬火、圆角滚压等多项核心技术。
公司锻钢发动机曲轴项目被国家科学技术部列为2006年度国家火炬项目（项目编号：
2006GH041399），公司年产10万吨精密锻件建设项目被列为2011年度国家火炬项目（项目编号：
2011GH031814）和广西壮族自治区重大统筹推进项目。
公司是国家QCT25《汽车干摩擦式离合器总成技术条件》以及QCT27《汽车干摩擦式离合器总成台架试验方法》两项行业标准的制定单位之一。
福达股份已通过TS16949ISO14001OHSAS18001质量环境职业健康安全管理体系认证，产品及“FOTO”商标分别被评为“国家免检产品”、“广西名牌产品”和“广西著名商标”，公司于2013年获得首届桂林市市长质量奖，2014年获得第二届广西壮族自治区主席质量奖。
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、机械手的组成结构：
机械手：
mechanicalBlockDiagram）、顺序功能图（SFC-SequentialFunctionChart）。
文本化编程语言包括:
指令表（IL-InstructionList）和结构化文本（ST-StructuredText）。
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-LadderDiagram）
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-FunctionBlockDiagram）
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，ORXOR等等.特殊功能模块如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，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丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。
由可编程控制器发出脉冲信号，经步进电动机驱动器驱动步进电动机旋转，带动滚珠丝杠旋转，完成手臂的运动。
改变发出脉冲的个数，可控制手臂的两个轴运动的距离。
同时在两轴的两端分别加限位开关限位。
采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁，位置精度较高，传动效率较高。
4.2电器元件、设备的选择
1、PLC机型的选择
根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。
进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。
对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。
当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。
对带有部分模拟量控制的ｗ装置等。
2、输入输出的点数：
IO点数可以衡量PLC规模的大小。
准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计IO点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。
多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。
模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。
此外，还应考虑用户储存器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。
本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进店动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。
松下FPO系列小型PLC具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性能要求，因此，本系统采用松下FPO系列的FPO——C16T作为基本模块，能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。
由于输入输出点不够，扩展一个FPO——E16RS模块。
3、电源模块的选择：
采用Dm150系列开关电源。
其特点是输出功率大，体积小，重量轻，可靠性高，适应宽范围的输入电压波动，具有完备的过电压、过电流保护功能。
主要参数：
输入交流电压：
110~220V50Hz、60Hz
输出直流电压：
24V6.5A
最大功率：
156W
工作环境：
-10~40度
4、步进电动机的选择：
采用二相八拍混合式步进电动机，主要特点：
体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等特点。
型号：
42BYGH101。
快接线插头中的红色表示A相，蓝色表示B相。
使用时如果发现步进电动机转向不对时可以将A相或B相两根线对调。
（1）.步进电动机驱动模块
采用中美合资SH系列步进电动机驱动器，主要由电源输入部分、信号输入部分、
输出部分等。
如下图所示。
驱动模块
电源输入部分由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。
信号输入部分：
信号源由FPO主机提供。
由于FPO提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，中间加了保护电路。
输出部分：
与步进电动机连接，注意相序。
（2）传感器
采用接近开关作为手爪旋转和底盘旋转限位检测用;采用微动开关作为横轴、纵轴限位检测用。
接近开关：
接近开关有三根连接线（红、蓝、黑）红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。
微动开关：
当挡块碰到微动开关动作（常开点闭合）。
（3）FPO模块
由松下FPO系列PLC晶体管输出的主机，具有高速运算能力、PID调节功能，同时可以输出两路脉冲控制两台电动机的优点。
输出两路脉冲梯形图及ft。
（4）直流电动机
采用36ZY5-12型直流电动机。
输入电压为12~24V,由FPO模块控制电动机正反转。
（5）旋转码盘
机械手每旋转3度发出一个脉冲。
4.3控制流程图
机械手工作流程图如下图所示。
把可编程序控制器主机上的RUN-PROG的开关拨在RUN上，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转（横轴向手爪那边移动，竖轴向上移动）。
归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手抓电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪加紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手张开；延时后竖轴上升复位；然后开始下一周期动作。
图4.1机械手控制流程图
4.4控制系统的软、硬件设计
1、控制系统硬件设计
PLC硬件设计是指PLC外部设备的设计。
在硬件设计重要进行输入设备的选择（如控制按钮、开关及计量保护装置的输入信号等），还有执行元件的选择以及控制台、柜的设计等。
硬件设计还包括PLC输入输出通道的分配，为便于程序设计和阅读，常作出IO通道分配表，表中包括有IO编号、设备代号、名称及功能等。
机械手控制系统电器原理图。
可编程序控制器采用松下FP系列的FPO——C16T作为基本模块，由于输入输出点不够，扩展一个FPO——E16RS模块。
由于接近开关有三根线，接线时注意把红色的线接电源的正极，黑色线接电源的负极，蓝色的线接PLC的输入端子。
2、控制系统的软件设计
软件设计主要是指编写工艺流程图，即将整个流程分解为若干步，确定每步的控制要求及转换条件，配合定时、计数、分支、循环、跳转及某些特殊功能指令便可完成梯形图的设计。
IO地址分配
IO地址分配如表所示
IO地址分配一览表
输入：
输出：
X0
横轴正限位
Y0
横轴脉冲
X1
竖轴正限位
Y1
竖轴脉冲
X2
横轴反限位
Y2
横轴方向
X3
竖轴反限位
Y3
竖轴方向
X4
旋转脉冲
Y20
手正转
X20
手正转限位
Y21
手反转
X21
手反转限位
Y22
底座正转
X22
底座正限位
Y23
底座反转
X23
底座反限位
Y24
电磁阀动作
（1）.确定输入输出接点的总数
输入接点：
启动按钮SB、行程开关SQ1——SQ4、光电开关SQ5，一共6个。
输出接点：
YV1——YV2总共5个。
（2）.估算PC内存总数
选取PC类型，PC内存总数取决于程序指令总条数。
PC内存总数又是选取PC类型的重要依据，为此依据下面的经验公式对指令总条数进行估算。
指令总条数=（10——20）*（输入点数+输出点数）
本例中指令总条数为（10——20）*（6+5）=110——220条。
（3）.输入输出点分配
如下图是机械手输入和输出信号与PC输入输出端子的分配图，其中根据需要增加了机械手回到原位时的指示灯，为了防止误按启动按钮引起机械手的误动作，增加了复位按钮，启动时需要先按复位按钮在按启动按钮，否则机械手不会动作。
图4.2机械手PC输入输出端子的分配
（4）.方案选择
考虑到机械手在工作时间时可能发生误动作行程开关而引起的不安全动作，各个输入开关信号只能在规定的状态发生作用，例如，SQ1的闭合信号只能当机械手位于原位而且按下SB2后或从原位右移到右位后才能起作用，其他状态时SQ1不起作用。
为了达到这一目的，选择使用移位寄存器来完成顺序控制。
3、梯形图设计
机械手的控制属顺序控制，采用步进指令，根据说明机器工作状态转换的图形，很容易进行程序设计。
（1）根据机械手的工作方式情况，选择“梯形图的总体设计
单步操作”方式时，应执行“单步操作”程序；在选择“返回原位”方式时，应执行“返回原位”程序;“自动”方式时，应执行“自动”程序，故梯形图的总体构成如下图所示。
其中，自动程序要在启动按钮按下时才执行。
图4.3机械手PLC控制梯形图总体构成
（2）各部分梯形图的设计
通用部分梯形图设计
A状态器的初始化：
初始状态器S600在手动方式下被置位、复位。
当方式选择开关处于“返回复位”（X501接通）时，按下返回复位按钮（X505）时被置位;在“单步操作”（X500接通）时，S600复位。
处于中间工步的状态器用手动作复位操作，即在方式选择开关位于“单步操作”或“返回复位”时，中间状态器同步复位，故初始状态梯形图如下图示（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）状态器初始化梯形图。
B状态器转换启动：
若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后，按下启动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步步向下传递，即可以进行转换。
在执行“连续操作”程序时，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。
另一方面，采用M100检查机器是否处于原位。
当M575和M100都接通时，从初始状态开始进行转换，其梯形图如下图。
图4.4状态器转换启动梯形图
C状态器转换禁止梯形图：
激活特殊辅助继电器M574，并用步进指令控制状态器转换时，状态器的自动转换就被禁止。
在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并保持，操作停止在现行工步。
当按下启动按钮时，从现行工序重新开始工作，M574应复位，即重新允许转换。
在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。
但每按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一步。
在“手动”工作方式（单一操作，返回原位）情况下，禁止进行状态转换。
在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位。
PLC在启动时，用初始化脉冲M71使M574自保持，以次禁止状态转换，直到按下启动按钮。
状态器转换禁止梯形图如下。
图4.5状态器转换禁止梯形图
通过对上图的分析可得出：
在执行“单步操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时，每按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的状态可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的状态转换被禁止，操作停止现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续操作”程序时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。
D单步操作梯形图手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方法来设计梯形图。
“单步操作”时，按下夹持按钮时，夹持输出Y431自保持，只有按下松开按钮时，Y431才会复位；按下上升按钮，上升输出Y432保持
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