基于西门子PLC的机械手设计毕业设计 精品.docx
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基于西门子PLC的机械手设计毕业设计精品
江苏城市职业学院
毕业设计（论文）
（2010届）
设计（论文）题目
基于西门子PLC的机械手设计
学点（系）
南通办学点
专业
机电一体化
班级
10机电
学号
100503350534
学生姓名
起讫日期
2012.12-2013.4
地点
机械工程学院
指导教师
张建职称讲师
2013年4月12日
江苏城市职业学院教务处制
内容摘要：
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。
化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地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,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。
机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。
自上世纪六十年代，PLC设计的机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。
关键词：
机械手、PLC、现代工业。
目录
一、引言················································1
二、机械手··············································2
（一）机械手的概念····································2
（二）机械手的应用····································5
（三）机械手的分类···································6
三、PLC及其应用········································7
（一）PLC概念·······································7
（二）PLC的组成····································15
（三）PLC的工作原理及特点·······················11
（四）PLC的应用····································11
四、机械手设计要求····································12
（一）机械手工作示意图·······················12
（二）机械手动控制要求······························15
五、设计内容···········································15
（一）方案分析··································18
（二）Ｉ／Ｏ分配表··································19
（三）PLC系统的接线原理图
（四）机械手的功能流程图
（五）程序··································21
六、系统调试·······································25
七、机械手的发展趋势································26
八、设计总结····································24
致谢辞···············································24
参考文献··············································32
1、引言
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。
化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
但在机械工业中，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的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地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。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。
工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。
他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
二、机械手
（一）一机械手概念
机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。
机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。
该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：
其一、它能部分的代替人工操作；
其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；
其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。
尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。
在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
机械手是由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。
本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。
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有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生产的。
自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，最典型的发展是生产者将此产品大量应用于卫生行业（全自动生化分析仪），从而实现了卫生检验中急需短时间、大量样品数据的要求，但在卫生领域的机械手因采用样品品单一酶试剂显色法，且采用滤光片结构设计，造成试剂价格昂贵，限制了产品市场的发展。
随着技术的进步，机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。
比如美国OI公司的产品，可针对单一项目，次序加4种试剂，加热温度也提高到50℃，检测器则采用二极管陈列技术，这些进步为新领域的应用提供了强大支持。
有专家估计未来10年，全自动流动分析仪的市场份额中，将有50％被全自动化学分析机械手取代。
通过了解上述两类产品的技术特点我们不难看出，机械手具有微升级试剂消耗，不受模板束缚，分析中不同检测项目可穿插完成，可完成研发性波长扫描优化检测条件，用户可自行设计新的检测项目，体积小，甚至可做现场快速分析等特点。
由此也不难看出，以前流动分析中不适合的用户群，如样品检测单一种类少而样品量多的情况，为机械手的应用提供了可能性。
对卫生行业的快速分析中，也因新型机械手的设计特点而使取代昂贵的试剂，降低分析成本成为可能。
机械手不能完全取代流动分析产品一个重要的理由是：
一些特殊样品处理技术不能在线实现，如萃取、高温蒸馏，需要离线进行，相信随着技术的进步，这些方面的技术也会提高。
正如一句广告语所讲的“没有最好，只有更好”。
且现代化的注塑机常常配置有机械手，以提高生产效率。
注塑机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。
注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。
随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。
近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。
电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。
从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。
20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:
1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6:
4，甚至接近5:
5。
我国的气动行业起步较晚，但发展较快。
从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。
随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。
（二）机械手的应用
由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作”’。
而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。
所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。
现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。
车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。
高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。
在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。
对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。
气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。
如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。
此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。
如：
气动自动调节病床，Robodoc机器人，daVinci外科手术机器人等。
（三）机械手分类
机械手一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。
它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。
第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。
在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。
通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。
三、PLC及其应用
（一）PLC的概念
可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。
但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
（二）PLC的组成
PLC的构成：
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
PLC的硬件系统结构如图1所示：
图1PLC的硬件系统结构
PLC的各组成元素的构成及功能：
1、CPU的构成及功能------CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
2、I/O模块------PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。
3、内存---------内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。
4、电源模块-------PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
5、底板或机架-------大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
6、PLC系统的其它设备------i）编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编写程序、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
某些PLC也配有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
ii）人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面也非常普及。
iii）输入输出设备：
用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
7、PLC的通信联网--------依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。
首先,网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。
（三）PLC工作原理及其特点
PLC的工作原理：
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC的特点：
抗干扰能力强、可靠性高。
控制系统结构简单，通用性强。
编程方便，易于使用。
功能强大，成本低。
设计、施工、调试的周期短。
维护方便。
（四）PLC的应用
初期的PLC主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但在20世纪90年代后，PLC也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线控制系统，PLC更是其中的主角，起应用面越来越广.目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车、粮食加工、化学/制药、金属/矿山、纸浆/造纸等行业。
PLC的主要应用范围通常可分成以下几种：
中小型电气控制系统。
制造业自动化。
运动控制。
流程工业自动化。
四、机械手设计要求
（一）机械手工作示意图
图2机械手工作示意图
（二）机械手控制要求
系统在原位时：
上升限位SQ1、右转限位SQ4处于压下状态，这两个开关此时为红色。
①按启动按钮SB1（按下为红色，松开为灰色），传送带A运行，直到光电开关PS检测到物体传送带A才停止；
②光电开关动作（红色），机械手下降（SQ1为灰色，YV2为红色）；
③下降到位后机械手夹紧物体（YV2为灰色，SQ2为红色），2S后开始上升，而机械手保持夹紧（SQ2、PS为灰色，YV1、YV5为红色）；
④上升到位左转（SQ1为红色，YV1为灰色，YV3为红色）；
⑤左转到位后下降（YV3为灰色，SQ3、YV2为红色）；
⑥下降到位机械手松开（SQ2为红色，YV2为灰色，YV5为灰色），2S后机械手上升（SQ2为灰色，YV1为红色）；
⑦上升到位后（SQ1为红色，YV1为灰色），传送带B开始运行，同时机械手右转（YV4为红色）；
⑧右转到位（YV4为灰色，SQ4为红色），传送带B停止，此时传送带A运行，进入下一次循环；
⑨按停止按钮，过程将复位，重新进入下一次循环过程。
五、设计内容
（1）根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定控制方案。
（2）分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。
（3）确定机械手控制原理图。
（4）确定机械手的功能流程图（5）根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形、助记符或流程图语言形式的用户程序。
PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。
（一）方案分析
整个系统由操控面板来完成整个机械手的的操作，为了提高抗干扰强度，工件通过光电开光进行检测。
在机械手的驱动方面，目前常见的有气缸控制，滚珠丝杠控制，步进控制，私服控制的机械臂，各有优缺点。
有的成本低，比如气缸，但不精确，收气源质量影响；滚珠的精确，但位移速度慢；步进的快，但抗过载能力差，容易丢失步；最理想的是私服，速度快，并且精确，不过价格较贵，成本是气缸的十倍以上。
经综合考虑，本文机械手的各个动作由汽缸驱动，汽缸由相应的电磁阀控制。
根据系统控制要求及经济情况，本文选用S7-200CPU226型PLC作为机械手的核心控制元件。
（二）Ｉ／Ｏ分配表
表1
输入
输出
名称
ＰＬＣ节点
名称
ＰＬＣ节点
启动按钮（SB1）
Ｉ０.０
上升YV1
Q0.1
停止按钮（SB2）
Ｉ０.５
下降YV2
Q0.2
上升限位（SQ1）
Ｉ０.１
左转YV3
Q0.3
下降限位（SQ2）
Ｉ０.２
右转YV4
Q0.4
左转限位（SQ3）
Ｉ０.３
夹紧YV5
Q0.5
右转限位（SQ4）
Ｉ０.４
传送带A
Q0.6
光电按钮（ＰＳ）
Ｉ０.6
传送带B
Q0.7
热继电器（FR1）
Ｉ０.7
热继电器（FR2）
Ｉ1.0
（四）机械手的功能流程图
图4机械手的功能流程图
（五）程序
LD启动按钮:
I0.0
A上升限位SQ1:
I0.1
A右转限位SQ4:
I0.4
OM0.0
AN热继电器（FR1）:
I0.7
AN热继电器（FR2）:
I1.0
AN停止按钮:
I0.5
=M0.0
LDSM0.1
SM30.0,
LD上升限位SQ1:
I0.1
A右转限位SQ4:
I0.4
AM30.0
AM0.0
SM11.1,1
LDM11.1
LPS
A光电开关PS:
I0.6
SM10.1,1
RM11.1,1
LPP
RM30.0,1
LDM10.1
RM11.1,1
A下降限位SQ2:
I0.2
SM10.2,1
LDM10.2
RM10.1,1
TONT37,20
AT37
SM10.3,1
LDM10.3
RM10.2,1
A上升限位SQ1:
I0.1
SM10.4,1
LDM10.4
RM10.3,1
A左转限位SQ3:
I0.3
SM10.5,1
LDM10.5
RM10.4,1
A下降限位SQ2:
I0.2
SM10.6,1
L
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