基于PLC的机械手系统设计毕业设计论文.docx
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基于PLC的机械手系统设计毕业设计论文
毕业设计正文
题目：
基于PLC的机械手系统设计
姓名：
专业：
机电
班级：
学号：
校内指导老师：
校外指导老师：
填表日期：
湘潭医卫职业技术学院教务处制
摘要：
PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在强、通用性好；开发周期短，功耗小。
本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。
关键词：
意义，应用，前景，编程语言，设计
第一章绪论…………………………………………………2
本课题的意义………………………………………………2
本文的主要工作……………………………………………2
第二章PLC的概述…………………………………………3
PLC的基本知识……………………………………………3
PLC的应用与前景…………………………………………3
第三章PLC的编程语言………………………………6
梯形图编语………………………………………………6
功能块图编程语…………………………………………6
第四章PLC控制机械手的设计………………………6
机械手在工业生产中的应用…………………………7
各电器设备的制方式及控制要求…………………………9
电器元件设备的选择……………………………………11
控制系统的软、硬件设计……………………………12
功能表图设计…………………………………………24
结论………………………………………………………31
谢辞……………………………………………………32
第一章绪论
本课题的意义
机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。
汽车业的快速发展，车外型愈求美观流线，并由于汽车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。
传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要。
机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。
因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。
在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。
本文主要做的工作
1.问题提出：
PLC控制的机械手最主要是应用于自动化生产中，如何综合地运用前面学过知识点，根据实际工程要求合理组合成控制系统，在此介绍组成可编程控制器控制系统的一般方法。
2.系统设计的主要内容
（1）拟定控制系统设计的技术条件。
技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；
（2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；（3）选定PLC的型号；（4）编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图；（5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；（6）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系。
第二章可编程控制器的概述
可编程控制器的基本知识
PLC的种类繁多，其规格和性能也各不相同，对PLC的分类，通常根据形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类.根PLC的结构形式可将PLC分为整体式和模块式两类。
（1）整体式PLC
整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等各件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
小型PLC一般采用这种整体式机构。
整体PLC由不同PLC点数的基本单元和扩展单元组成，基本单元内有CPU、I/O接口，与I/O扩展单元相连的扩展口、以及编程器或EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电等，没有CPU，基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
（2）模块式PLC
模块式PLC是将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及其他模块。
模块式PLC由框架或基板和各种模块组成，模块装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活、可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用这种模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC其CPU，电源，I/O接口等也是各自独立的模块。
但它们之间是非电缆进行联接，并且各模块可以应地叠装，这样不但系统可以灵活配置，还可以做的体积小巧。
2按功能分
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低，中，高档次。
（1）低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断监控等基本功能还可以少量模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较等功能，主要用于逻辑控制，顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
（2）中档PLC出具有低档PLC的功能外，还具有模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较；数据转换，远程I/O，子程序，通信联网等功能，有些还可增设中断控制，PID控制等功能，适应于复杂控制系统。
（3）高档PLC除具有中档PLC的功能外，还增加了符号算术运算，矩阵运算，位逻辑运算，平方根运算及其他特殊功能函数的运算，制表及表格传递功能等。
高档PLC具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
3按I/O点数分类
根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型，中型和大型三类
（1）.型PLC——I/O点数<256点，单CPU，8位或16微处理器，用户存储器容量4K字以下
CE-I型美国通用电气（GE）公司
TI100美国德洲仪器公司
F、F1、F2日本三菱电气公司
C20C40日本欧姆龙公司
SF200德国西门子公司
EX20EX40日本东芝公司
SR-20/21中外合资无锡华光电子工业有限公司
（2）．中型——点数256-2048点，双CPU，用户存储器容量2-8K
S7-300德国西门子
SR-400中外合资无锡华光电子工业有限公司
SU-5SU-6德国西门子公司
C-500日本立石公司
CE-ШGE公司
（3）.大型PLC——I/O点数>2048点，多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8-16K
S7-400德国西门子公司
GE-IVGE公司
C-2000立石公司
K3三菱公司
可编程控制器PLC的应用与前景
目前，在国内外PLC已广泛应用冶金，石油，化工，剪彩，机械制造，电力，汽车，轻工，环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格的不断提高，器应用领域不断扩大，从应用类型看大致可归纳为以下几个方面。
强量逻辑运算
利用PLC最基本的逻辑运算，定时，计收等功能实现逻辑运算，科取代传统的继电器控制用于单片机控制，多机群控制，生产自动线控制等。
例：
机床，注塑机印刷机械，装配生产线，电镀流水线及电梯的控制等。
这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。
2.运动控制
大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能广泛用于各种机械设备。
例如：
各种机床，装配机械。
机器人等进行运动控制。
3.过程控制
大，中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能。
有的小型PLC也具有模拟量输入输出，所以PLC可实现模拟量控制而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。
这一功能已广泛用于铝炉，反应堆，水处理，酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面。
4.数据处理
现代的PLC都具有数学运算数据传递，转换，排序和查表等功能，可进行数据的采集，分析和处理，同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置。
例如：
CNC设备进行处理。
5.通信联网
PLC的通信包括PLC与PLC，PLC与计算机，PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元，通信转换单元相连构成网络，已实现信息的交换和构成。
集中管理分散控制的多级分布式控制系统。
满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。
国外PLC发展概况
PLC在问世以来，经过40多年的发展。
在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。
目前，世界上有200多个厂家生产PLC。
较多的有美国：
AB通用电气、莫迪康公司；日本：
松下、三菱、富士、欧姆龙等；德国：
西门子公司；法国：
TE施耐德公司。
韩国：
三星、LG公司等。
PLC的发展前景
（1）产品规模向大小两个方向发展
大：
I/O点数达14336点，32位微处理器，多CPU并行工作，大容量存储器，扫描速度快高速；
小：
整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本；
（2）PLC在闭环过程中应用日益广泛；
（3不断加强通讯功能；
（4）新器件和模块不断推出
第三章可编程控制器的编程语言
可编程控制器的几种编程语言 可编程控制器的编程语言按IEC61131-3国际标准来分主要包括图形化编程语言和文本化编程语言。
图形化编程语言包括:
梯形图（LD-LadderDiagram）、功能块图（FBD-FunctionBlockDiagram）、顺序功能图（SFC-SequentialFunctionChart）。
文本化编程语言包括:
指令表（IL-InstructionList）和结构化文本（ST-StructuredText）。
这些语言是基于WINDOWS操作系统的编程语言.而SFC编程语言则在两类编程语言中均可使用。
下面分别来介绍这几种编程度语言。
梯形图编程语言（LD-LadderDiagram） 梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是PLC编程中被最广泛使用的一种图形化语言，由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图，便于理解,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。
而且其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。
梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右侧的电力轨线。
每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，一个简单的梯形图程序如图1所示:
图 梯形图程序示例
梯形图的每个梯级表示一个因果关系,事件发生的条件表示在梯形的左面,事件发生的结果表示在梯级的右面。
梯形图编程语言具有如下特点:
（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;
（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习;（3）对于复杂控制系统描述,仍不够清晰;（4）可读性仍不够好。
几乎所有PLC厂商提供的PLC都支持梯形图编程语言,而且都比较容易理解，只是在梯形图结构上可能稍有变化。
比如西门子的S7系列梯形图就没有右边的电力轨线。
有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略。
功能块图编程语言（FBD-FunctionBlockDiagram）
功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能，不同的功能模块具有不同的功能。
功能模块用矩形来表示，每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端，右侧有不少于一个的输出端。
功能模块的类型名称通常写在块内，其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方。
功能模块基本上分为两类:
基本功能模块和特殊功能模块。
基本功能模块如AND，ORXOR等等.特殊功能模块如ON延时，脉冲输出，计数器等等。
功能块编程语言具有以下特点:
（1）以功能模块为单位,从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变的容易;
（2）功能模块用图形化的方式描述功能，较直观易掌握，方便组态，易操作。
是有发展前途的一种编程语言;（3）对较复杂系统，由于控制功能关系能够比较清晰的描述，因此缩短了编程和调试时间;（4）因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间，对功能块的执行需要一定的执行时间，因此，这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较广泛。
第四章PLC控制机械手的系统设计
各电器设备的控制方式及控制要求
1机械手的技能和特性
根据古典力学观点，物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定的。
因此，抓握物体的位置和方向（即关节间的角度）能从理论上求得。
据资料介绍，如果采用的机械手，其机能要接近人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”。
这样就需要安装27根重量轻、小型和高输出力的“人造肌肉”。
就目前的技术状况而言，上述功能还很难办到。
而且把机械手的功能搞得那么复杂，动作彼此严重重叠也是完全不必要的。
退一步，如果机械手要求具有完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共就要有24个自由度。
这在实际上也是不必要的，这样会使机械手结构复杂，费用增多。
因此，不应盲目模仿人手的动作，增加过渡的自由度，而应根据实际需要的动作，设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作。
所以一般专用的机械手（不包括握紧动作）通常具有二到三个自由度。
而通用机械手一般取四到五个自由度。
本设计中设计的机械手，它共有五个自由度。
即：
手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓握。
2.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，而手爪则采用气压传动。
（1）、夹紧机构
机械手手爪使用来抓取工件的部件。
手爪抓取工件是要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。
设计制造夹紧机构——手爪时，首先要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度的情况来考虑。
其加紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。
同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化，为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。
为防止损坏被夹的物体，夹紧力应限制一定的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。
为防止突然停电被抓物体落下，还可以有自锁结构。
夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和动作可靠。
夹紧机构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。
有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。
本设计采用机械式的夹紧机构。
机械式夹紧机构是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。
如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。
本设计采用二指式气动手爪。
由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的张闭。
手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位，一般可设置在180度。
（2）躯干
躯干由底盘和手臂两大部分组成。
底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。
底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手每旋转3度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。
同时，在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达270度。
手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构。
本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成伸缩、升降的运动。
手臂采用步进电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。
由可编程控制器发出脉冲信号，经步进电动机驱动器驱动步进电动机旋转，带动滚珠丝杠旋转，完成手臂的运动。
改变发出脉冲的个数，可控制手臂的两个轴运动的距离。
同时在两轴的两端分别加限位开关限位。
采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁，位置精度较高，传动效率较高。
电器元件、设备的选择
1PLC机型的选择
根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。
进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要同时要兼顾维修、备件的通用性。
对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。
当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。
对带有部分模拟量控制的ｗ装置等。
2输入/输出的点数：
I/O点数可以衡量PLC规模的大小。
准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。
多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。
模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。
此外，还应考虑用户储存器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。
本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进店动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。
松下FPO系列小型PLC具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性能要求，因此，本系统采用松下FPO系列的FPO——C16T作为基本模块，能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。
由于输入输出点不够，扩展一个FPO——E16RS模块。
3电源模块的选择：
采用Dm150系列开关电源。
其特点是输出功率大，体积小，重量轻，可靠性高，适应宽范围的输入电压波动，具有完备的过电压、过电流保护功能。
主要参数：
输入交流电压：
110~220V/50Hz、60Hz
输出直流电压：
24V/
最大功率：
156W
工作环境：
-10~40度
4.步进电动机的选择：
采用二相八拍混合式步进电动机，主要特点：
体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等特点。
型号：
42BYGH101。
快接线插头中的红色表示A相，蓝色表示B相。
使用时如果发现步进电动机转向不对时可以将A相或B相两根线对调。
（1）.步进电动机驱动模块
采用中美合资SH系列步进电动机驱动器，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。
如下图所示。
驱动模块
电源输入部分由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。
信号输入部分：
信号源由FPO主机提供。
由于FPO提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，中间加了保护电路。
输出部分：
与步进电动机连接，注意相序。
（2.）传感器
采用接近开关作为手爪旋转和底盘旋转限位检测用;采用微动开关作为横轴、纵轴限位检测用。
接近开关：
接近开关有三根连接线（红、蓝、黑）红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。
微动开关：
当挡块碰到微动开关动作（常开点闭合）。
（3）FPO模块
由松下FPO系列PLC晶体管输出的主机，具有高速运算能力、PID调节功能，同时可以输出两路脉冲控制两台电动机的优点。
输出两路脉冲梯形图及f/t。
（4）直流电动机
采用36ZY5-12型直流电动机。
输入电压为12~24V,由FPO模块控制电动机正反转。
（5）旋转码盘
机械手每旋转3度发出一个脉冲。
控制流程图
机械手工作流程图如下图所示。
把可编程序控制器主机上的RUN-PROG的开关拨在RUN上，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转（横轴向手爪那边移动，竖轴向上移动）。
归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手抓电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪加紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手张开；延时后竖轴上升复位；然后开始下一周期动作。
图机械手控制流程图
控制系统的软、硬件设计
1控制系统硬件设计
PLC硬件设计是指PLC外部设备的设计。
在硬件设计重要进行输入设备的选择（如控制按钮、开关及计量保护装置的输入信号等），还有执行元件的选择以及控制台、柜的设计等。
硬件设计还包括PLC输入/输出通道的分配，为便于程序设计和阅读，常作出I/O通道分配表，表中包括有I/O编号、设备代号、名称及功能等。
机械手控制系统电器原理图。
可编程序控制器采用松下FP系列的FPO——C16T作为基本模块，由于输入输出点不够，扩展一个FPO——E16RS模块。
由于接近开关有三根线，接线时注意把红色的线接电源的正极，黑色线接电源的负极，蓝色的线接PLC的输入端子。
2控制系统的软件设计
软件设计主要是指编写工艺流程图，即将整个流程分解为若干步，确定每步的控制要求及转换条件，配合定时、计数、分支、循环、跳转及某些特殊功能指令便可完成梯形图的设计。
I/O地址分配
I/O地址分配如表所示
I/O地址分配一览表
输入：
输出：
X0
横轴正限位
Y0
横轴脉冲
X1
竖轴正限位
Y1
竖轴脉冲
X2
横轴反限位
Y2
横轴方向
X3
竖轴反限位
Y3
竖轴方向
X4
旋转脉冲
Y20
手正转
X20
手正转限位
Y21
手反转
X21
手反转限位
Y22
底座正转
X22
底座正限位
Y23
底座反转
X23
底座反限位
Y24
电磁阀动作
（1）.确定输入输出接点的总数
输入接点：
启动按钮SB、行程开关SQ1——SQ4、光电开关SQ5，一共6个。
输出接点：
YV1——YV2总共5个。
（2）.估算PC内存总数
选取PC类型，PC内存总数取决于程序指令总条数。
PC内存总数又是选取PC类型的重要依据，为此依据下面的经验公式对指令总条数进行估算。
指令总条数=（10——20）*（输入点数+输出点数）。
本例中指令总条数为（10——20）*（6+5）=110——220条。
（3）.输入输出点分配
如下图是机械手输入和输出信号与PC输入输出端子的分配图，其中根据需要增加了机械手回到原位时的指示灯，为了防止误按启动按钮引起机械手的误动作，增加了复位按钮，启动时需要先按复位按钮在按启动按钮，否则机械手不会动作。
图机械手PC输入/输出端子的分配
（4）.方案选择
考虑到机械手在工作时间时可能发生误动作行程开关而引起的不安全动作，各个输入开关信号只能在规定的状态发生作用，例如，SQ1的闭合信号只能当机械手位于原位而且按下SB2后或从原位右移到右位后才能起作用，其他状态时SQ1不起作用。
为了达到这一目的，选择使用移位寄存器来完成顺序控制。
3梯形图设计
机械手的控制属顺序控制，采用步进指令，根据说明机器工作状态转换的图形，很容易进行程序设计。
（1）根据机械手的工作方式情况，选择“梯形图的总体设计。
单步操作”方式时，应执行“单步操作”程序；在选
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