机械手电气控制设计大学设计.docx
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机械手电气控制设计大学设计
天津大学网络教育学院
毕业设计（论文）任务书
题目：
机械手的设计
完成期限：
2011年9月8日至2011年11月10日
学习中心东莞年级2009年秋季
专业机械设计制造及其自动化指导教师
姓名学号092032253004
摘要…………………………………………………………………………………3
第一章绪论……………………………………………………………………………5
1.1机械手简介……………………………………………………………………5
1.2机械手的设计的简介…………………………………………………………5
第二章机械手控制要求和总体设计……………………………7
2.1机械手控制要求………………………………………………7
2.2PLC的由来和定义…………………………………………………9
2.3PLC的特点和主要应用………………………………………………9
2.4机械手的总体设计……………………………………………………10
第三章机械手的硬件和软件设计………………………………………………11
3.1PLC的I/O分配…………………………………………………………11
3.2各种按钮选择…………………………………………………………13
3.3总体流程设计…………………………………………………………13
3.4软件系统设计…………………………………………………………14
3.5系统设计中的问题及解决方法………………………………………14
3.5.1硬件方面的问题………………………………………………………14
3.5.2软件方面的问题……………………………………………………15
3.5.3安装调试方面的问题…………………………………………………15
第四章总结…………………………………………………………………17
附件
附图梯形图：
……………………………………………………………18
附表语句表：
……………………………………………………………23
参考文献………………………………………………………………………25
致谢……………………………………………………………………………26
摘要
传统的自动控制装置在机械手控制过程中,由于可靠性差、故障多、维修困难等原因,已经不能满足机械手控制的需求。
以多关节机械手为研究对象,采用三菱FX2N-48MR可编程控制器（PLC）对其都电磁阀装置进行顺序控制,可以较好地解决这一问题,详细讨论了机械手系统的机械结构、工作原理及PLC系统控制,运用应用指令可以方便快捷的完成编程。
实践证明，机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。
工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的，有时候还要用行车员工件，生产速度大大延缓，这种情况采用机械手是很有效的。
此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。
关键词：
机械手；PLC；控制系统；FX2N—48MR
机械手的设计
第一章绪论
在工业生产和其他领域的某些工作中，人们经常处于高温或者有毒等对人身健康有损害的环境中从事重复的劳动，这样生产成本不但高，而且又危及人们的生命安全。
随着工业自动化的发展、生产效率的提高和劳动强度的增大，机械手的出现使这些问题得到了较好的解决，把人们从重复繁重的机械劳动中解放出来，处理更加复杂的生产过程，既能提高产品质量，又可以使人们受到较小的伤害。
机械手一般由耐高温、耐腐蚀的材料制成，多用于恶劣的生产环境，以及要求精度较高的工作场合。
1.1机械手简介
机械手的出现和发展已经使传统工业生产发生了根本性变化，从手工式、机械式的生产跨越到自动化、智能化的生产。
一般的工业机器人指的就是一个机械臂带动一个简单的夹紧机构组成，此类机器人用来完成大范围的工件转移或者加工，却不能实现精细操作的功能，同时由于传统机器入的各个部件的尺寸通常较大，其运动定位的精度就不高，所以无法进行装配及微小的操作。
普通的机械手手爪结构多为形状简单的夹钳式、托持式和吸附式等，只能用来抓握形状规则而且固定的工件，其抓握能用性非常有限，如果工件为不规则物体且没有对应的夹具，就无法对其进行操作。
但是随着工业化的进展，劳动强度和工作量的增大，容易造成对工人的伤害，同时，在一些具有危险性和未知的环境中，需要一些精密的控制，所以对于能适应各种工件形状的机械手的需求越来越多，于是机械手就逐渐发展起来了。
1.2机械手的设计的简介
传统的机械手采用继电器控制，由于其线路复杂、维护困难、可靠性差等缺点，无法满足机械手控制的需要。
可编程控制器（PLC）的出现使得这类问题得到解决，PLC控制，具有结构简单、控制方便、可靠性高、编程简单、功耗低和改造方便的特点。
传统的机械手无法完成精确的操作工作，所以使用PLC控制机械手，并且能够完成动作要求精度高的工作。
随着社会进步和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐步演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具——机械手。
与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高危性的，对人体伤害较大，有些领域不适宜人类工作，而机械手则正好适应这类工作。
第二章机械手控制要求和总体设计
2.1机械手控制要求
该系统的控制方式由操作面板的转换开关箭头指向的位置决定（参见图一）.
X17
图一操作方式面板布置图
1.油泵启动及停车：
单按钮操作，压下油泵启/停按钮，油泵启动，再压一次，油泵停车
2.机械手的操作分为手动和自动两种操作方式
3.手动和自动两种工作方式不仅能各自独立工作，还能实现它们之间的互相转换，自动转换到手动时夹紧要保持，其它的都要复位；手动转换到自动时，按下自动的任意启动按扭，机械手能接着手动的动作继续运行
机械手在生产线上的主要任务是，将物品从传送带A点转移至B点，整个工作过程机械手包括以下动作：
机械手移动动作输入／输出信号定义如图二所示。
左上作为原点，工件按下降、夹紧、上升、右行、下降、松开、上升、左行回原点为一个工作周期的次序依次进行。
上升／下降、左行／右行、夹紧／松开均使用电磁阀控制液压系统实现。
图二机械手动作示意图
2.2PLC的由来和定义
可编程控制器（ProgrammableController）属于计算机家族中的一员，是为了工业控制方面的应用而设计制造的。
早期的可编程控制器被称为可编程逻辑控制器（programmablelogicalController），简称为PLC，主要用来进行逻辑控制。
随着计算机技术的进步，相继出现了微处理器和微型计算机，人们将微机的技术应用于这种装置中，增加了运算、数据传送和处理的功能，其功能大大超过了逻辑控制的范围，因此，这种装置被称为可编程控制器，简称PC，但由于它和个人计算机（PersonalComputer）的简称PC容易混淆，所以仍然称它为PLC。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境中应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，在其内部用于存储用户程序，并执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等用户的指令，并通过数字或模拟式输入肋出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按照方便与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
2.3PLC的特点和主要应用
为了满足现代化工业生产日趋复杂，以及多样化的特点（例如，实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作），对控制的要求也各不相同，目前普遍需要通用性高的控制系统。
PLC的出现受到了广大工程技术人员的欢迎，其主要特点包括以下几个方面。
（1）功能完善。
（2）控制系统结构简单，通用性强。
（3）编程方便，使用简易。
（4）设计、施工和调试的周期短。
（5）抗干扰能力强，可靠性高。
（6）体积小，维护操作方便。
PLC在其产生的初期由于价格高等原因，使它的使用受到了限制。
但近年来，PLC的应用逐渐广泛起来，主要原因有两个：
一是微处理器的芯片和相关元件的价格不断下降；二是PLC自身的功能大大增强。
PLC的应用面很广，在工厂自动化和计算机集成制造系统（CMS）内占有重要地位。
目前PLC在国内外己广泛应用于钢铁、采矿、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、造纸、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为六种类型：
①开关量的逻辑控制。
②模拟量控制。
③运动控制。
④过程控制。
⑥数据处理。
⑥通信及联网。
2.4机械手的总体设计
机械手控制系统设计主要包括两个方面：
一个是机械方面的设计（动作示意图如图图三所示），另一个就是电气控制方面的设计（信号输入输出表格一）。
这两个方面既相互独立，又有很多的联系，在设计机械结构的时候不仅需要考虑电气部分是否能够实现，而且也要考虑是否存在加工时的问题，在设计电气部分时，也要考虑是否有这样的机械结构能够满足要求。
第三章机械手的硬件和软件设计
3.1PLC的I/O分配及PLC外围接线图
I/O分配表
x1
启动
x12
左移
x2
停止
x13
右移
x3
回原点
x14
加紧
x4
单步
x15
放松
x5
单周期
x16
油泵启/停
x6
手动
x17
原点
x7
自动
x20
左限位
X10
上升
x21
右限位
x11
下降
x22
上限位
x23
下限位
表格一I/O分配表格
PLC外围接线图
图三PLC的外围接线图
3.2各种按钮选择及功能
急停按钮采用带锁的，常闭触点，按下后旋转复位：
手动／自动按钮采用旋扭，一边常闭，一边常通；其余按钮均采用触点触发方式，按下即接通，松开即复位。
在此系统中，共用勒4个限位开关：
上升限位开关、下降限位开关、左限位开关和右限位开关。
限位开关主要是用来控制机械手在运动过程中的停止时刻和位置。
（1）上升限位开关。
上升限位开关用于控制机械手在整体上升时的位置，防止机械手向上运动超出范围。
事先在机械工作平台上方的合适位置上安装好限位开关，当机械手逐渐上升，直到接触到工作台上方的限位开关时，PLC控制机械手停止上升。
（2）下降限位开关。
下降限位开关用于控制机械手在整体下降时的位置，防止机械手向下运动超出范围。
事先在机械工作平台下方的合适位置上安装好限位开关，当机械手逐渐下降，直到接触到工作台下方的限位开关时，PLC控制机械手停止下降。
（3）左限位开关。
左限位开关用于控制机械手手臂向左运动时的定位，防止机械手手臂运动到位后过冲。
事先在机械工作平台的合适位置上安装好限位开关，当机械手手臂向左运动，直到接触到工作台左边的限位开关时，PLC控制机械手手臂停止向左运动。
（4）右限位开关。
右限位开关用于控制机械手手臂向右运动时的定位，防止机械手手臂运动到位后过冲。
事先在机械工作平台的合适位置上安装好限位开关，当机械手手臂向右运动，直到接触到工作台右边的限位开关时，PLC控制机械手手臂停止向右运动。
3.3总体流程设计
根据系统的控制要求，此机械手工作时的动作有以下几个步骤。
（1）旋钮置于自动方式，按下启动按钮，工作台开始工作。
（2）机械手在油缸的驱动下上升至设定位置。
（3）机械手在到达设定的高度后，开始左移，同时左限位器检测是否到位。
（4）若右限位检测到位后，则机械手在油缸的驱动下下降至设定位置；下限位检测若到位，则机械手在下限位抓紧工件。
（5）手爪抓紧工件后，机械手上升至设定位置。
（6）上升到位后，机械手开始右移至设定位置。
（7）手臂右移到位后，开始下降至设定位置。
（8）下降到位后，手爪松开，放下工件。
（9）放下工件后机械手再次上升至设定位置。
（10）上升到位后，就往左移，一个周期完成。
（11）动作示意图
图三动作示意图
3.4软件系统设计
本文采用三菱FX2N-系列可编程控制器设计开发的，它功能强大，既可以作为用户开发控制程序使用，同时也可实时监控用户程序执行的状态。
以上介绍了械手的机构设计，以及PLC的外围电路连接，这是控制系统的基础，该部分设计的好与坏直接影响控制系统的功能。
软件系统的设计都是在机械结构或硬件结构确定后才开始，一般采用自上而下的设计方式，即先设计出控制系统的框图，然后按照具体的控制过程细化下去，接着完成梯形图的设计，最后总成调试。
3.5系统设计中的问题及解决方法
在设计过程中，会由于缺少经验或者考虑不周等各种原因，造成设计出的系统不能满足控制的要求，或者没有按照设计的要求来运行等问题主要来自于两个方面：
一个是机械结构方面的原因；另一个是软件设计方面的时序问题。
3.5.1硬件方面的问题
在硬件方面主要有机械结构的设计和PLC的外围硬件连接部分。
对于机械结构设计方面，完成一个多关节机械手的设计需要较好的机械设计与制造方面的知识，在设计过程中既要考虑整体结构的平衡性、各个部分的连接和动力配置及传送问题，还要考虑它的可加工性，可加工性是整个系统的重中之重。
因此在设计过程中，不仅需要设计整体的框架，同时还要考虑各种传感器、限位开关，以及油缸和电磁阀的摆放，预留出相应的位置和安排线路的空间，并且要考虑到各种设备的安装，以及更换是否方便等问题。
对于PLC连接外部设备方面，主要是一些按钮和仪器、仪表的设置，还有对外围一些电磁阀和继电器的控制。
注意考虑元件正负极的区别，并正确连接到PLC上，如果是对继电器等进行驱动，在输出点还需并联突波吸收二极管等保护装置，防止电流回流对PLC造成损坏。
3.5.2软件方面的问题
程序编写完成后，首先要进行模拟仿真。
模拟调试时，先从各个模块单元入手，观察输入和输出状态指示灯，看它们是否按照所需的逻辑状态亮和灭；对于中间继电器的状态则需要在装置监控中观察：
对于计数器和定时器的值则可以在梯形图下打开梯形图监控，观察它们值的变化。
再对整个程序进行调试，直到没有时序错误符合工艺的控制要求。
同时，在调试时还可以发现硬件方面的错误，例如，PLC的接线或者外部连接与设计图纸不同，此时若硬件改动比较方便则改动硬件：
若改动起来比较麻烦，就可以在软件上进行修改，既方便，又省时省力。
、
对于自动过程的程序编写，应按照逻辑关系进行编程；而对于手动控制，则采用状态变量编程，尽量少用上升沿触发等逻辑关系，容易造成控制错误或者设备不动作。
3.5.3安装调试方面的问题
虽然PLC的抗干扰能力较强，但是为了保证控制过程的可靠性，仍然需要采取一定的损干扰措施，主要有以下几项措施。
（1）电源回路的杂波可以通过电源导线进入控制装置，这种杂波对系统中各种电气设备危害很大，容易造成评论PLC误动作。
可采取屏蔽变压器和电源滤波等方式预防。
（2）通过接地也可以有效地防止电磁干扰。
（3）PLC的布线要尽量远离高压、高频等设备。
在调试的时候，会出现控制动作与设计思路不同，首先要用GX的编程软件监控程序执行过程，观察相关触点的状态，根据现象找出可能出问题的触点，看是否存在触点无法接通或无法关断的问题。
在手动程序中，尤其要注意，机械手的每一个动作都是独立的，其他动作没有先后顺序，所以在程序编写过程中，需要注意不能使用上升／下降沿等指令，最好使用状态指令，即使用常开、常闭触点；在自动程序过程中，由于采用了顺序控制指令，所以需要先设计好机械手的工作顺序。
若顺序出现问题时，首先检查程序编写是否存在逻辑错误；然后利用编程软件监控顺序执行过程，先观察每个动作的触发是否能正常闭合或断开，同时观察每个状态内的触点是否被触发。
由于顺序控制指令执行时，会同时复位上一个状态元件，所以可以最后检测每个状态内的触点闭合、断开情况。
第四章总结
本文详细讲解了机械手的控制系统设计过程。
该系统采用FX2N-系列的PLC作为控制主机，以其丰富的I/O接口模块、高可靠性,以及I/O和模拟输入/输出扩展模块，通过按钮和一些开关，对电磁阀、继电器等设备进行控制，实现了机械手自动运行控制在机械手控制系统的设计中起到了十分重要的作用。
但在PLC控制的过程中,还有许多问题需要解决,本文就设计过程中的几项关键问题提出了自己的一些看法,经实践证明,可以有效地提高系统的抗干扰能力,对PLC读、写,事件响应等通信时间可进行精确控制,取得了良好的效果。
附件
附图梯形图：
附表语句表：
0
LD
X016
67
RST
Y013
1
OUT
C1
K3
68
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69
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5
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M0
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SET
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6
MPS
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7
AND=
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MPP
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S23
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RET
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END
参考文献
主要参考文献：
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