基于plc的机械手控制系统设计毕业设计.docx
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基于plc的机械手控制系统设计毕业设计
XinyuUniversity
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:
12
专业:
电气工程及其自动化
指导教师:
谢富珍副教授
学院:
电气及电子工程
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
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
Title:
DesignofmanipulatorbasedonPLCcontrol
Specialty:
ElectricalEngineeringandautomation
Applicant:
YouliangHe
Supervisor:
FuzhenXieassociateprofessor
Abstract
Withthedevelopmentofmodernindustrialtechnology,industrialautomationtechnologyismoreandmorehigh,theproductionconditionsalsotendedtobadsituation,thefront-lineworkersskillsalsoputforwardhigherrequirements,andtheoperationsafetyofworkershasalsobeenacorrespondingthreat.Theworkersworkenvironmentandworkcontentalsorequiresidealforsomesimple,reciprocatingworkbyrobotremotecontrolorautomaticcompletionisveryimportantThiscanavoidsomepeoplecannotcontactwiththehumanbodydamage,suchasmetallurgy,chemical,pharmaceutical,aerospace,etc..
Inthemechanicalmanufacturingindustry,theapplicationofmechanicalhandmore,thedevelopmentoffaster.Atpresent,itismainlyusedinmachinetools,forgingpressunderthematerialandwelding,paintingandotheroperations,itcanbeinaccordancewithpreestablishedoperatingprocedurestocompletetheprescribedoperation,andsomealsohavewithsensorfeedbackability,cancopewithexternalchanges.Applicationofthemanipulator,toimprovethematerialtransfer,workpieceloadingandunloading,toolreplacementandmachineassemblyautomation,whichcanimprovelaborproductivity,reduceproductioncosts,acceleratethepaceofindustrialproductionmechanizationandautomation.
ThispapermainlydiscussesthedesignofmanipulatorcontrolsystembasedonPLC.First,thepossibleuseoftheprogrammablecontrollerisrelatedtotheintroduction,andthenchoosethedesignofthePLCmodel.Then,throughthecontrolmodeofthemanipulatorandtherealizationwayofeachfunction,therealizationschemeofeachfunctionandtheequipmentusedinthedesigncontrolsystemaredetermined.Finally,thesoftwareprogramandhardwarestructureofPLCcontrolsystemaredesigned.
Keywords:
industrial;automationprogrammablecontroller;manipulator；
Remotecontrol；sensorfeedback
1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机械手的定义及分类
机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]。
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
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。
2PLC的介绍及选择
2.1PLC的特点
PLC控制器由继电器控制技术、计算机技术等发展而来的，如今已经使用的非常广泛，在各个领域都有应用[9]。
它的核心部件是微型处理器，通过编辑程序实现对机器的控制、计数等功能，还可以改变输入/输出方式来控制各环节的机械制造过程。
PLC的特点主要包括:
（1）较高的可靠性：
在PLC中每个I/O接口都是相对独立的，各个模块之间都有相应的抗干扰屏蔽措施，PLC所使用的部件都是通过严格的筛选，且具有较好的自我诊断能力，一旦运行发生异常，CPU就会立即采取相关控制措施，防止故障的进一步扩大；在一些要求比较高的场合还采用了多CPU结构，使设备的稳定性更加可靠。
（2）I/O接口丰富：
PLC的接口针对在不同的使用场合，有不同的接口模块用来对设备进行通信和控制
（3）模块化的结构：
PLC的各个功能都是通过不同的模块实现的，每个模块之间相互独立，可以人为的根据对设备的需求自由的组合。
（4）编程语言简单：
PLC使用的编程相对简单，通常采用梯形图的形式，并不需要其他学科的专业知识，能够很快的被操作人员所熟悉掌握。
（5）安装、维修简易：
PLC能在各种环境下工作，不需要建立独立的机房。
将各设备的接口及相对应的PLC接口连接，就可以直接投入生产运行。
PLC每个模块都有正常工作和故障报警指示的装置，对用户了解生产状况有着极大的帮助。
总而言之，PLC类似于一台计算机，它能够适应各种恶劣的环境，且功能丰富；在工业的生产中得到了较多的应用。
2.2PLC的选型
在选择PLC的型号时，我们除了要考虑PLC的I/O接口点数、指令条数等PLC性能外，还需要考虑它的经济性和实用性以及工作环境的影响[10]。
1.常用PLC类型
PLC技术经过这些年的发展，技术已经相当成熟。
不同厂家生产的PLC在侧重功能上也不尽相同；因此，我们在选择PLC要根据设计所需的功能，合理地选择PLC型号。
西门子公司生产的PLC，在我国的各个行业应用已经相当广泛。
他们生产PLC不仅活跃在工业自动化控制方面，就连基础设施建设方面也及涉及。
OMRONS7-200系列的PLC在内置功能和通讯方面有着突出的特点，而且使用的编程软件Micro/win也简单易学。
欧姆龙的PLC设计趋于小型化。
SYSMACCPM1A只有一张PC卡那么大，在大幅度缩减安装体积的同时，也节省了PLC控制台的空间。
它还具有一些小型PLC不具备的功能，它能够连接程序的终端，塑造出全新的工业生产环境。
三菱公司生产的FX系列PLC在国内国外都独具特色，是当前的最新PLC的代表。
这种PLC具备以往PLC所有的指令，还能够使用梯形图编辑程序和对一些需要有步骤的机械流程进行顺序功能设计，并且这些程序之间都是可以相互变换的。
三菱PLC中还采用高速计数器，能够对继电器产生中断处理，拓宽了PLC的使用范围。
2.确定使用型号FX1N-60MR
在选择使用PLC控制系统及其他控制系统时，应该尽量的提高所选器材的性价比，并且在维修和使用方面都要相对简单；所选择的PLC要保证能够实现相应的控制要求；不宜选用较落后的PLC机型，尽量选用功能完善的PLC新机型。
同时还要为长远考虑，对以后工艺的拓宽留有余量；所选用的系统要能够平稳可靠运行[11]。
本设计选用三菱的FX1N为核心部件。
FX系列的PLC是原来的F系列的替代品，是近些年三菱公司推出的新型PLC，它的体积相对较小，性价比较高在各领域得到了广泛应用。
3.FX1N的优越性
FX1N的CPU处理速度相对较高，完成一个指令只需要0.065us。
设备内的RAM存储器达到了64k。
拥有两百多条指令，更加完善了指令功能[12]。
内置元件中还增加了新的指令：
定位指令。
能够实现对表格、中断单速等的定位。
还内置了6个100KHZ的计数器，能够进行多相多频计数。
在通信方面上，有高达115.2kbps的通信口，而且能同时使用多个通信口。
还增加了新的I/O适配器，这些新的适配器并不占用原来的系统I/O点数，使用也相对方便，可以连接多台适配器，实现多路高频高速计数的功能。
2.3三菱FX系列的结构功能
PLC实质是应用在工业上的一台微型计算机，且结构也计算机类似。
CPU、I/O接口、存储器是PLC的主要组成部分。
因为它的程序接口及微机的程序接口有差异，使得它的编程语言以及操作方式也及微机有所差异。
PLC的定时、计数、数模转换等功能都是通过微处理器采用编程的形式进行联系实现的。
几乎所有的PLC硬件组成结构都相同，图2-1为PLC结构示意图；在PLC中数据的传送和指令的传送都是通过总线的结构而进行的，编程器则为用户提供编辑控制程序而被作为PLC的外设[13]。
输
入
接
口
电源
SB
位置开关SQ
接触器触点
KM
电磁阀
YA
KM
外电源
输
出
接
口
用户存储器
系统存储器
中央处理器
手持编程器或计算机计算机
图2-1PLC结构示意图
PLC的运行过程大致可描述为：
首先，外部输入信号经PLC输入端进入PLC内部的存储器，存储器对这些信号的数据和状态进行收集和锁存；再由CPU[14]按生产的实际要求对这些信号进行处理和运算；最后，将处理结果传送到输出端使执行结构产生动作，完成对现场设备的控制。
2.4PLC的保护
由于电感类元件，在电路的通断时会产生较高的电压，对PLC的I/O结口将造成损坏，所以需要在元件的两端采取相应的保护措施。
当使用的是直流电源时，应该通过采取接入续流二极管的方式对电路进行保护；而当使用的是交流电源时，则需要通过接入阻容电路的方式对电路进行保护。
图2-2为PLC的I/O端口保护电路示意图。
图2-2I/O端的保护
3机械手系统组成
3.1机械手模型的机能特性
我们生活的空间是一个三维的空间，任何物体所在的位置都可以由三个坐标和方向来确定；因此，只要求得所要搬运物体的位置坐标和位置方向，就能确定物体的具体位置。
机械手是一种用来替代人手的设备，每完成一个动作都需要有一个自由度，而制造的成本也及自由度的多少息息相关，自由度越多，成本也就越高。
3.2夹紧机构
手爪是机械手的抓取结构。
设计一台合格的机械手除了要考虑良好的灵敏度和准确性外，还需要考虑被夹物体的形状、大小、重量等因素来合理的设计机械手手爪的结构。
手爪的夹紧力要设计合理，不能损坏被夹物体，可以在手爪内镶嵌弹性的垫片或软质的材料来保护被夹物体；同时还应有自锁的结构，防止当机械手因突然断电而使物体损落。
机械手的手爪结构形式多样，有的甚至还带有传感装置；在工业生产中最常见的有机械式、电磁式、吸盘式等。
机械式的手爪因其功能丰富、种类繁多，而被大量的应用在各种工业场合。
本设计采用到是二指机械式手爪，手爪的开闭由PLC控制电磁阀的通断来控制，手爪的回旋则由一台直流电动机和两个限位开关共同作用控制。
3.3躯干
躯干主要由底盘和手臂构成。
底盘在机械手中的作用是用来承载重物和带动手臂运动的机构。
它由一台直流电动机和旋转编码盘及限位开关组成。
正常工作时，直流电动机驱动底盘旋转并带动编码盘一起运动，底盘每发出一个脉冲信号旋转的角度就为3度，这些脉冲信号由传感器检测并传入到PLC中；因此，只要知道发出脉冲的个数，就能够知道底盘旋转的角度。
手臂是用来连接和承载手爪运动的重要机构。
它由PLC控制电动机的运转情况来控制丝杆和螺母的运动，同时采用限位开关对这些运动进行限位，保证运动的精准和高效率运行。
3.4旋转编码盘
旋转编码盘的结构示意图如图3-1所示。
图3-1旋转编码盘
机械手每旋转3度就发出一个信号脉冲，只要改变PLC[15]程序计数器中的数值，就可以完成不同角度的旋转。
本设计选用器材如表3-1.
表3-1设计选用器材
名称
型号或规格
数量
名称
型号或规格
数量
PLC
FX1N-60MR
1
限位开关
LX19-111
8
电磁阀
VF3130
1
转换开关
LW6-5
1
按钮
LA10-1H
13
熔断器
RC1A-30/15
2
连接导线
若干
4控制系统设计
4.1控制系统硬件设计
设计出的机械手要能够实现手动控制和自动控制等控制方式，且正在工作的方式要能够简单明了的从操纵面板上反映出来。
系统的控制面板如图4-1所示，旋钮开关可以控制机械手的
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