机械手plc课程设计.docx
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机械手plc课程设计
学号
PLC课程设计任务说明书
课程名称
基于PLC机械手的控制
教学院
专业
班级
姓名
指导教师
年
12
月
14
日
目录
第一章绪论
1．1设计的目的和意义……………………………03
1．2设计项目发展情况……………………………04
1．3设计原理………………………………………04
第二章各控制设备的控制方式及控制要求………06
2．1机械手的机能与特性…………………………06
2．2机械手的分类…………………………………06
2．3躯干和传动系统………………………………08
2．4控制按钮………………………………………09
2．5电磁式继电器…………………………………09
第三章控制流程……………·…………………………10
3．1控制流程…………………………………………10
3．2机械手现场器件与PLC内部继电器对照表……11
3．3PLc与现场器件连接图…………………………11
第四章PLC控制系统的设计……………………………12
4．1PLc机型选择……………………………………12
4．2控制系统硬件设计………………………………12
4．3控制系统软件设计………………………………13第五章机械手的设计过程………………………………15
5.1程序设计思路……………………………………15
5.2梯形图……………………………………………17
5.3相关调试图………………………………………21
第六章设计小结…………………………………………24
参考文献……………………………………………………………………25
摘要：
机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。
它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，机械手虽然目前还不如然手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此获得日益广泛的应用。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
通过对机电一体化专业大学专科三年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种机械手通过PLC系统来编写程序控制机械手运动轨迹。
例如：
（1）机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
（2）在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。
（3）可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。
（4）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
（5）宇宙及海洋的开发。
（6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。
（7）低压配电电器这类电器包括刀开关，转换开关，熔断器和
自动开关等
（8）低压控制电器包括接触器，控制继电器，主令开关，启动器和电磁铁等．主要用于电力拖动自动控制系统和用电系统中，要求寿命长，体积小且工作可靠
（9）自动电器自动电器是按照外来的信号或某个物理量的变化而自动动作的电器，如接触器，继电器等．
（10）非自动电器是通过人工或外力直接而操作而动的电器，如按钮行程开关等．
第一章：
绪论
1．1、设计的目的和意义．
毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。
这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。
其主要目的：
（1）、培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。
、
（2）、培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。
（3）、培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。
（4）、培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。
在发达国家，机械手已广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。
产业部门应用最多的当推汽车工业和电子工业，在金属加工、塑料成型、机械制造等行业也有普遍应用，并逐渐向纤维加工业、食品工业、家用产品制造等行业发展。
在工业生产和其它应用领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温，腐蚀，有毒气体以及人的有限体能等种种劣势的限制，工作效率很低。
自从机械手问世以来，相应的各种难题应刃而解。
机械手由耐高温，防腐蚀的材料制成，工作效率极高，而且不受体能的限制，非常方便。
机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置；而可编程控制器（PLc）由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用。
1．2、设计项目发展情况
我国机械手的研究和应用起步较晚，但是随着国内外机械手的快速发展、社会需求的增大和技术的进步，装配机械手得到了迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，是推动装配机械手发展的直接动力。
PLc是可编程序控制器的简称，于60年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。
经过近几十年的发展，PLc己十分成熟与完善。
当前的中国，随着生产力的迅猛发展，工业发展的步伐越来越快在各行业各领域，对自动化程度的要求也愈来愈高．了更好地适应这种情况，科学技术必须被广泛地应用在实际生产中，而PLc以其自身的优势，在自动化领域内扮演着重要的角色，不容忽视!
PLc它也是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计．它采用可编程续的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程．PLc技术近年来发展很快，并逐渐取代继电器。
跨i’具有通用性强，使用方便，适应面广，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单等特点，弛t：
在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位。
总之，为了准确地掌握PLc的基本知识和基本应用，在毕业设计中，我选择了该题目。
1．3、设计原理
机械手主要由执行机构．驱动机构和控制系统构成．。
机械手的执行机构又包括手部、手臂和躯干。
手部安装在最前端，任务是来准确的抓取工件，当然一说到手一定是与人的相似，所以必须具备手指，而且应具有与人手相似的动作或能代替人完成一系列的动作，以此来达到目的。
手臂的作用是用来辅助手部准确的抓住工件并能够转移到所需要的位置，机械手的运动有两种：
一个是上下直线运动，另一个是左右直线运动。
因此其必须安装有液压缸、电液脉冲马达、电磁阀等作为其执行机构的动力部分或辅助系统。
驱动机构主要有四种：
液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。
其主要以电气和气压驱动为主，只有少量的运用液压和机械驱动。
液压驱动主要是驱动大体积的重型工业设备如：
锅炉等。
它的优点是压力高、体积小、力量大动作平稳。
缺点是结构繁琐．成本高．而且需要配备压力源。
气压驱动的元件是气压缸、气压马达等。
一般采用4—6个大气压．也有一些更大的．具体要根据实际情况来定，虽然它的力量比较小、体积比较重，但是出于廉价，而且不影响动作。
所以我们的手部采用此种驱动。
电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。
我们通用的机械手则考虑到用步进电动机、直或交流司服电机、和变速箱等电气驱动有动力源简单、维护和使用比较方便。
驱动机构采用一种形式的动力，力量比较大。
所以本设计用该种驱动形式。
蕞且是电磁阀驱动气压缸的形式。
机械手的控制要素主要包括工作的顺序、能提起多大的重量、运动的时间、到达的位置等。
具体还要加上点控和连续控制。
控制系统可根据动作的要求设计数字顺序。
它首先要编制程序加以存储，然后在根据规定的程序，控制机械手的运动工作。
为了使其程序简单、修改容易等优点，本设计采用PLC控制系统来完成操作。
进度安排
1.明确设计任务和控制要求1天
2.查阅资料，系统设计方案论证1天
3.系统硬件选型及外部连线设计1天
4.控制系统控制程序设计调试2天
5.设计资料软硬件联机调试2天
6.设计资料汇总、撰写设计报告2天
7.答辩1天
第二章各电器设备的控制方式及控制要求
2．1、机械手的机能和特性
机械手最显著的特点有以下几个：
（1）可编程
生产自动化的进一步发展是柔性自动化。
机械手可随其工作环境变化的需要再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统（FMS）中的一个重要组成部分。
（2）拟人化
机械手在机械结构上有类似人的小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。
此外，智能化机械手还有许多类似人类的“生物传感器”，如接触传感器、力传感器、负载传感器等．传感器提高了机器手对周围环境的白适应能力。
（3）通用性
除了专门设计的专用机器手外，一般机械手在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。
比如，更换机械手手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。
（4）机电一体化
机械手技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。
因此，机械手技术的发展必将带动其它技术的发展，机械手技术的发展和应用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。
2．2机械手的分类
目前世界各国对处于发展阶段的机械手还没有统一的分类标准，大致有以下几种分类方法。
1．按使用范围分类
（1）固定程序的专用机械手通常根据主机的特定要求设计成固定程序（或
简单的可变程序）。
这种机械手多为气动或液动。
气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是：
介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。
但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
气动技术有以下优点：
（1）介质提取和处理方便。
气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器：
介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题．
（2）阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小（一般不卜浇塞仅为油路的干分之一），空气便于集中供应和远距离输送。
外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。
（3）动作迅速，反应灵敏。
气动系统一般只需要0．02s—O．3s即可建立起所需的压力和速度。
气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。
（4）能源可储存。
压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。
（5）工作环境适应性好。
在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。
（6）成本低廉。
由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。
传统观点认为：
由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难（尤其在高速情况下，似乎更难想象）。
此外气源工作压力较低，抓举力较小。
虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。
（7）可编程序的通用机械手工作程序可变，以适应不同的工作对象，通用性强，适合于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统中。
2．按使用行业、部门和用途分类
（1）工业机械手它们又可按作业类别分为锻压、焊接、表面喷涂、装卸、装配、检测等
（2）采掘机械手如海洋探矿机器人的机械手等。
（3）军事用途机械手
（4）服务机械手如医疗机械手，家用机器人（机械手）等。
3．按机械手运动控制方式分类
（1）点位控制（PTP）机器手就是由点到点的控制方式，这种控制方式只能在目标点处准确控制机械手末端执行器的位置和姿态，完成预定的操作要求。
目前应用的工业机械手中，很多是属于点位控制方式的，如上下料搬运机械手。
（2）连续轨迹控制（cP）机械手机器人的各关节同时作受控运动，准确控制机器人末端执行器按预定的轨迹和速度运动，并能控制末端执行器沿轨迹上各点的姿态。
弧焊、喷漆和检测机械手等均属连续轨迹控制方式
根据力学的观点，自由度指的是力学系统的独立坐标的个数。
力学系统由一组坐标来描述。
比如一个质点的三维空间中的运动，由x，y，z三个坐标来描述；或者在球坐标系中，由r，e，（P三个坐标描述。
描述系统的坐标可以自由的选取，但独立坐标的个数总是一定的，即系统的自由度。
本设计的机械手共有三个自由度，即：
手臂的伸缩、手臂的上下摆动、手指的抓握。
2．3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，而手爪采用气压传动。
（1）夹紧机构
机械手的是抓取工件的部分。
因此要准确迅速的抓起工件是设计的最起码的要求。
当我们设计手爪时，首先要知道机械手的坐标形式、运动的速度和加速度的具体要求，还要考虑被夹紧的物体的重量、大小和惯性来计算。
同时还要考虑手爪的开口尺寸，以保证有足够的开口来抓取工件。
为了防止工件在被夹紧是有损坏，所以我们要在手
爪的接触部分加上弹性棉垫。
为了防止电源临时出现故障。
所以我们应该对其工件加以保护。
夹紧机构的形式是多样的，有吸盘式的、有机械式的，为了简化我们的设计，所以我们采用机械式的夹紧机构。
机械式的夹紧机构是一种应用很广泛的一种，它主要是更能够与人的动作相协调，可以直线运动等。
本设计采用二指气动手爪，利用PLc技术来完成其的某部分的动作。
（2）躯干
躯干是由底盘和手臂两大部分组成的。
底盘是支撑机械手的重量的机构，在本设计中只起到支撑的作用。
手臂是机械手的主要部分它由操作机的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件，它主要是对手爪起到一个支撑作用，其也是通过可编程控制器的脉冲信号来控制电磁阀驱动气压缸控制手臂完成各种运动的．
2．4控制按钮
控制按钮是一种利用人手来操作，、并具有能使弹簧复位的一种控制开关，在低压电路中，常用于发布动作命令，远距离控制各种电磁开关，再用电磁开关控制电动机等。
控制按钮常开按钮常用设备的起动，常闭按钮常用设备的停止。
2．5电磁式继电器
电磁式继电器广泛用于电力拖动控制系统中，其结构及工作原理与接触器类似，也是由电磁机构和触点系统组成。
继电器只能用于切换电流较小的控制电路或保护电路（各触点允许通过的电流多为5A），继电器可对多种输入信号量的变化作出反映，而接触器只能对电压信号作出反应。
第三章控制流程
3．1控制流程：
机械手通常处于原位，图中sQl为下限位开关，SQ2为上限位开关，SQ3$~SQ4分别为右、左限位开关，机械手的上下左右移动以及工件的夹持与松开均由电磁阀驱动气缸来实现的，由电磁阀YVl控制机械手下降，YV2负责夹持及松开工件，YV3使机械手上升，YV4控制机械手右移，YV5控制机械手左移。
搬运工件时，先按下起动按钮sBl，YVl得电动作，机械手先由原位下降，碰到下限位开关sQl后Yvl失电，停止下降；电磁阀YV2动作将工件夹持，移动到右限位开关sQ3位置时，Yv4失电停止右移；YVl得电，改为下降，至碰到下限位开关SQimI，Yv2失电，机械手将工件松开，放在工作台上，为确保可靠松开，机械手在该位置停留2s时间，然后使YV3得电机械手上升；碰到上限位开关SQ2后，Yv3失电上升停止，YV5得电改为左移，回到原位，压动左限位开关SQ4．Yv5失电，机械手停在原位，完成一次搬运过程，再按下起动按钮又重复上述过程。
机械手动作顺序表
步序
输入转步
输出状杰
条件
YVl
YV2
YV3
YV4
YV5
HL
（下）降）
（夹）持）
（上）升）
（右）移）
（左）移）
（灯）
0（原位）
S04（S02）
+
1（下降）
SBl
+
2（夹持）
SQl
+
3（上升）
KTl（3秒）
+
+
4（右移）
S02
+
+
5（下降）
S03
上
+
6（松开）
SQl
7（上升）
K02（2秒）
上
8（左移）
S02
+
0复位
S04（S02）
+
3．2、绘制机械手现场器件与PLC内部继电器对照表
根据机械手动作顺序表选定的各开关、电磁阀等现场器件和PLc内部等效继电器的地址编号，得到机械手现场器件和PLc
3．3、绘制PLC与现场器件的连接图。
现场器件
内部继电器地址
说明
现场器件
内部继电器地址
说明
SBl
X400
起动按钮
YVl
Y431
下降电磁阀
SQl
X401
下限位开关
YV2
Y432
夹持电磁阀
输
入
SQ2
X402
上限位开关
输
出
．YV3
Y433
上升电磁阀
S03
X403
右限位开关
YV4
Y434
右移电磁阀
S04
X404
左限位开关。
YV5
Y435
左移电磁阀
SB2
X406
复位按钮
HL
Y430
原位指示灯
第4章PLC控制系统的设计
4．1PLC机型的选择
PLc机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。
进行选型时．鱼丛／输出的选择，工作环境是工业生产现场。
它与工业生产过程的联系是通过I／0接口楚监来实现的，最好是选用继电器形式输出，还要根据绌系统的要求确定所需要的I／0点数。
此外，PLC最主要的目的是控制外部系统。
这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。
不同型号的PLc有不同的适用范围。
根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I／o点数和I／0点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。
适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器），j丕应考虑到PLc的处理程度能否满足控制的要求、编程器与外围设备的选择等。
根据I／0点数等因素确定本设计的PLC型号为：
．F1___一40MR三菱系列小型PLc具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点能够满足控制的各种要求，因此我们采用此系列的PLc来控制这个开关量系统。
4．2控制系统硬件设计
PLCfl~硬件设计主要是~'PLCg[-部设备的设计，硬件之PLC系统是当中的核心，它可以独立的完成智能的处理。
它的作用是采集起重机运行时各机构状况的实时数据，按其相应的程序做处理，并同时将采集的数据通过串口与监控计算机通讯，其cPu发布指令给输出模块调节各机构运行动作。
硬件设计更是PLc控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。
主要包括输入和输出电路两部分。
1PLC控制系统的输入电路设计
PLC供电电源一般fijAC85--240V，适应电源范围较宽，但应该加装抗干扰装置，PLC输入电路电源一般应采用Dc24V，同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电安全和PLc安全至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLc的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。
2PLC控制系统的输出电路设计
依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器／数字直流调速器的启动停止应采用继电器输出，它适应于高频动作，并且响应时间短：
如果PLc系统输出频率为每分钟6次以下，应首选继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。
如果PLc输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLc的输出造成浪电
流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLc。
当对于两个重要输出量，不仅在PLc内部互锁，建议在PLc外部也进行硬件上的互锁，以加强PLc系统运行的安全性、可靠性。
对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLc的D0接点直接驱动，尽管PLc手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。
3行程开关：
行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。
在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。
因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。
行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。
4．3PLC控制系统的软件设计
在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。
软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。
在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，优秀的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。
1PLC控制系统的程序设计思想
由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序
和模块化程序。
基本程序：
既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序：
依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种：
顺序结构、条件分支结构和循环结构。
模块化程序：
把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。
这种方法叫做模块化程序设计。
我们经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。
特别是用于复杂控制要求的生产过程。
2PLC控制系统的程序设计要点
PLc控制系统I／O分配，依据生产流水线从前至后，I／0点数由小到大：
尽可能把一个系统、设备或部件的I／0信号集中编址，以利于维护。
定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLc工作运行的可靠性。
程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I／O位），也要统一编号，进行分配。
在地址分配完成后
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