基于西门子PLC的四站流水线机械手自动化控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于西门子PLC的四站流水线机械手自动化控制系统设计毕业设计论文
毕业设计
基于西门子PLC的四站流水线机械手自动化控制系统设计
摘要
机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。
它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。
可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
而PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，由于其控制方便，能够承受恶劣的环境，因此，在工业上优于单片机的控制。
PLC将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体,专门为工业控制而设计,具有功能强、通用灵活、可靠性高、环境适应性强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点,因此在工业上的应用越来越广泛。
纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。
采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。
对机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。
在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动等功能。
最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。
1.设计思路
机械手的总体结构原理，机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及传感器等组成的。
在PLC程序控制条件下，采用气压驱动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。
同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时要对机械手进行监视，当动作有错误时或发生故障时立即发出报警信号。
检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使机构，以一定的精确度达到设定小车位置。
机械手传送单元实际模型
1-机械手装置；2-旋转传输装置；3-输送小车；4-手动操作盘；5-直流电源；6—电机驱动板板；7-信号转换8-空气开关
2.机械手的系统工作原理图：
3.
（1）执行机构：
转盘：
货物送到指定位置
夹手：
即与物体接触的地方
升降臂：
连接夹手与推拉臂，将物体进行升降
推拉臂：
将夹手拉回与推出
立柱：
机械手的基本部位，负责机械手的旋转
小车：
用来对货物的存放与运送
（2）驱动系统
机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。
常用的有气压传动、升降和机械传动等四种形式。
（3）控制系统
有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。
它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手规定的程序运动，并记忆人们给与机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
（4）位置检测装置
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。
4.本机械手传送单元的工作原理：
机械手传送单元的工作原理：
当将手操盘上“手动/自动”切换开关从手动切换到自动，机械手传送单元转盘、小车、机械手自动复位，（需说明转盘上有四个承料块的托盘，一开始当托盘到达转盘定位位置时定位光电传感器响应，转盘停止运行，机械手正转到位以后停止，小车返回到初始状态停止）.
（1）物料侦判传感器检测接收料块托盘上的状态，若接收料块托盘上无料块则转盘停止运行直到物料侦判传感器侦查到物料后转盘停止一段时间；接着转盘反方向转动90度，并对定位光电传感器计数1次，当物料侦判传感器再次侦查到物料时，转盘再次停止一段时间，接着转盘再次反方向转动90度，并再次对定位光电传感器计数，当计数器计数为2次时，则计数满了，转盘停止运行一段时间，
（2）以计数器C1的指令作为推出机械臂的启动信号，机械臂推出到位时使机械臂下降，机械臂下降到位后使手指抓紧料块手指抓紧料块后使机械臂上升、机械臂收缩、机械手反转同时运行，由于机械臂的伸缩汽缸及升降汽缸各使用了一个磁开关来定位即机械臂伸出时受磁开关来定位，机械臂伸缩及下降时受磁开关来定位。
但机械臂缩回和上升却没有磁开关来定位，故需借用编程软元件来实现定位，确保机械臂上升的同时使机械臂缩回，机械臂缩回的同时使机械手反转；
（3）机械手反转到位后，反转传感器使机械臂推出，机械臂推出到位后使机械臂下降，机械臂下降到位后则松开手指把料块放在小车上，手指松开后，物体落入小车中，以手指的夹紧松开（取下降沿）为计数器的计数，（计数器为C3）计数一次（只有C3计数4次以后小车才会送出）
（4）机械臂再次上升、收缩，正转，回复原来的位置以后，机械臂运行的计数两次切换为计数一次，即转盘反方向转一次，步骤从
（2）循环到（4）3次.
（5）计数器C3计数3次，由于这时物料侦判传感器上无料了，为了让其再次行动，添加了一个计数器C4以手指的夹紧松开（取上升沿）为计数器的计数，只有计数3次以后才能让无料的物料侦判传感器反方向转动90度，然后继续
（2）到（3）动作，小车才会送出
5.程序流程图：
机械手原理图（详细）
机械手接线图（详细）
L30运行指示灯
CK30切换A
CK31切换M
K30转盘正转
K31转盘反转
K32机械手正转
K33机械手反转
6.PLC控制系统设计
根据本机械手传送单元的工作原理及其控制要求设计出了以PLC为控制单元的机械手传送单元。
PLC的I/O分配
输入信号表
接线编号
接线位置
线路名称
传感器名称
DDI13
1
I2.0
S30-S
转盘定位传感器
DDI12
2
I2.1
S31-S
转盘有料传感器
DDI14
3
II2.2
S32-S
机械手顺旋传感器
DDI15
4
I2.3
S33-S
机械手逆旋传感器
DDI16
5
I2.4
S34-S
机械臂推出传感器
DDI17
6
I2.5
S35-S
机械臂压下传感器
DDI126
7
I2.6
S36-S
小车返回传感器
DDI27
8
I2.7
S37-S
小车送出传感器
9
A/N
启用PLC的程序信号
输出信号表
接线编号
接线位置
信号名称
线路名称
驱动设备名称
2DD012
1
Q2.1
AD30
转盘正转拖动电机
2DD014
3
Q2.3
AD32
机械手正转电机
2DD015
4
Q2.4
AD33
机械手反转电机
1DD00
5
Q2.5
AD34
机械臂推拉气缸
1DD01
6
Q2.6
AD35
机械臂升降气缸
1DD02
7
Q2.7
AD36
手指
iDD09
8
Q3.0
AD37
小车（送出）
iDD010
9
Q3.1
AD38
小车（退回）
2DD013
2
Q2.2
AD31
转盘反转拖动电机
7.机械手相关参数介绍
机械手的自由度
每一个构件（即运动件）相对固定坐标系所具有的独立运动称为自由度。
本机械手有六个自由度（手臂的三个自由度）即手臂的伸缩、左右回转和升降运动,手指的夹放动作不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数。
本机械手传送单元的传感器信号与负载驱动
1.传感器信号类型:
（1）本设备所选用各
类传感器的供电源均为24VDC;输出驱动电路均为NPN型集电极开路形式;结构原理如图所示;
（2）设备中气缸定位所使用的磁开关结构及使用原理如图所示
注意:
设备信号输出端均为灌电流驱动电路,严禁直接接入24V+!
2.信号的传输与使用
信号直接输出,不敷出与PLC输入端口相接;电平关系如图所示;
3.负载的驱动
模型装置上共有两类设备（负载）;继电器和电磁阀,工作时由PLC输出口直接驱动;电平关系如图所示;
机械手接线图（详细）
L30运行指示灯
CK30切换A
CK31切换M
K30转盘正转
K31转盘反转
K32机械手正转
K33机械手反转
K34推拉手
K35升降手
K36手指张合
K37小车出
K38小车回
PLCI\O分配点接线图
B-0板
4.PLC输入模块板
1代表转盘定位传感器S30-S
2代表物料传感器S31-S
3代表机械手正转限位S32-S
4代表机械手反转限位S33-S
5代表机械手推出限位S34-S
6代表机械手下降限位S35-S
7小车返回限位S36-S
8小车送出限位S37-S
9代表自动手动换挡
开关电源
PLC24V电源
开关电源
PLC24V电源
开关电源
PLC24V电源
开关电源
PLC24V电源
开关电源
PLC24V电源
BN板
PLC手动输入模块
1代表机械手推出开关
2代表机械手下降开关
3代表机械手夹紧开关
开关电源
PLC24V电源
PLC继电器模块板
DB-0板
24V+为开关电源
24-为PLC电源
DB-1板
DB-2板
PLC输出模块板
1代表转盘正转AD30
2代表转盘反转AD31
3代表机械手正转AD32
4代表机械手反转AD33
5代表机械手推出AD34
6代表机械手下降AD35
7代表机械手夹紧AD36
8代表小车返回AD37
9代表小车送出AD38
BI板
开关电源
开关电源
开关电源
开关电源
开关电源
7.硬件调试
调整好转盘、传感器、机械手、小车等高度与位置。
使其机械手推出与降下夹手时正好能在转盘中夹取到货物与能将货物放入小车中。
8.软件调试
将所编写的梯形图程序进行编译，通过上下位机的连接电缆把程序下载到PLC中。
刚编好的程序难免有这样那样的缺陷或错误。
为了及时发现和消除程序中的错误，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常和异常情况时都能做正确的响应，需要进行离线测试，既不将PLC的输出接到设备上。
按照控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，若输出不符合要求，则查找原因，并排除之。
9.整体调试
将设备接入PLC，进行联机调试，看是否满足要求，如果不满足要求，可通过综合调整软件和硬件系统，直到满足要求为止。
结论：
纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。
采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。
对机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。
在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动等功能。
最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。
通过本次对机械手传送单元的设计，我比较清楚地了解了机械手传送单元的工作原理，同时也学到了要了解一件事情，必须去深入了解它的特性，要不然就会迷惑不解，在设计机械手传送单元之前，我们纠结于现有的理论知识，没去了解这些涉及了如PLC、传感器、位置控制、电、气传动等技术的知识和去实际观察，导致我们的进度很慢，后来经过老师和师兄的点醒，才知道要做好一件事情，必须要查资料和询问有经验的人，还有实际操作和观察，才能成功.
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期：
年月日
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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。
尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者（本人签名）：
年月日
学位论文出版授权书
本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》（以下简称“章程”），愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。
论文密级：
□公开□保密（___年__月至__年__月）（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）
作者签名：
_______导师签名：
_______
_______年_____月_____日_______年_____月_____日
独创声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
致谢
时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。
首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。
本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。
本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。
经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。
这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。
没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。
首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。
郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。
从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。
再次对周巍老师表示衷心的感谢。
其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。
另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。
最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。
四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。
从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。
回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。
感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。
学友情深，情同兄妹。
四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。
在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。
最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。
是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。
老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。
他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。
在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。
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