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1、 毕业设计（论文）（成教）题 目： 基于PLC机械手控制系统设计 院 (系)： 信息与机电工程学院 专 业： 机械制造及自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 二一六年三月十日毕业设计（论文）任务书学生姓名 学号 专 业机电一体化技术院（系）信息与机电工程学院毕业设计（论文）题目基于PLC机械手控制系统设计任务与要求任务：1.进行气动机械手的总体研究，并进行整体运动设计；2.设计气动机械手气路设计，进行关键部件的计算；3.用PLC对机械手控制的总体设计；要求：1.选取完成后会用软件编写梯形图；2.完成本毕业设计硬件程序设计； 3.完成程序调试。完成时间段2015年11月12日 至2016 年
2、3 月15 日 共 18 周指导教师单位重庆科创职业学院职称讲师院（系）审核意见毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签字2015.11.12-2015.12.3查找资料，选题2015.12.4-2015.12.24完成论文的初稿2015.12.25-2016.1.14完成论文二稿的写作2016.1.15-2016.2.4完成论文的终稿及格式修改2016.2.5-2016.2.25定稿，打印论文，做好评阅的准备2016.2.26-2016.3.15论文评阅教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 毕业设计(论文)中期检查记录表学生填写毕业设计(论文)题目: 基
3、于PLC机械手控制系统设计学生姓名: 宋登彩 学号：7145802010751专业：机电一体化技术指导教师姓名: 蒋 祥 龙职称: 讲师检查教师填写毕业设计(论文)题目工作量饱满一般不够毕业设计(论文)题目难度大不够毕业设计(论文)题目涉及知识点丰富比较丰富较少毕业设计(论文)题目价值很有价值一般价值不大学生是否按计划进度独立完成工作任务学生毕业设计(论文)工作进度填写情况指导次数学生工作态度认真一般较差其他检查内容：存在问题及采取措施:检查教师签字: 年 月 日院（系）意见(加盖公章): 年 月 日摘 要伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，
4、人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本设计采用三菱Q系列PLC作为控制机对工业机械手进行控制及监控。关键词：可编程控制器PLC 机械手 气动Abs
5、tract Follows the integration of machinery in each domain application, the mechanical device automatic control ingredient is appearing more and more importantly, industry manipulator is a new technology which in the modern automatic control domain appears, its development is because its positive rol
6、e was knowing day by day for the people: It can the partial zones for the manual control; Can defer to the production craft the request, follows the certain procedure, the time and the position completes the work piece the transmission and loading and unloading; Can manufacture the essential machine
7、s and tools to carry on the welding and the assembly thus greatly improves workers work condition, remarkably enhances the labor productivity, speeds up realizes the industrial production mechanization and the auto mated step. This design uses grinds the overseas Chinese laborer industry control com
8、puter to take on the position machine, Q PLC carries on the monitoring and the performance data as the lower position machine to freedom industries manipulator files awayKEY WORD ： PLC Gas Transducer ventilate 从非法目录第一章 绪论1第一节 设计的目的及意义1第二节 设计的主要内容2第三节 设计的背景2第二章 系统的方案设计4第三章 硬件的设计5第一节 PLC的硬件选择5第二节 编程软件
9、的选择6第三节 其他硬件的选择7第四节 I/O信号的确定及选取9第五节 PLC系统回路设计12第四章 PLC软件设计13第一节 工作流程图13第二节 机械手的程序设计14第三节 各模块的程序设计14第五章 PLC软件设计运行与调试17第一节 软件设计的介绍17第二节 运行结果与调试18结论21致谢22参考文献23附录23 第一章 绪论第一节 设计的目的及意义一、设计的目的其动机械手由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替
10、人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。二、设计的意义从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更
11、为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。第二节 设计的主要内容本课题将要完成的主要内容如下:(1)进行气动机械手的总体研究，并进行整体运动方式设计；(2)设计气动机械手气路设计，进行关键部件的设计计算；(
12、3)用PLC对机械手控制的总体设计;(4) 用三菱FX2N编程软件编出PLC梯形图。第三节 设计的背景机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用
13、在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。但是在多传感器信息融合控制技术、遥
14、控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。第二章 系统的方案设计本对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受
15、力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.机械手的运动示意图如图2-1所示。图2-1 机械手的运动示意第三章 硬件的设计第一节 PLC的硬件选择考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈
16、短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即1. 编程方便，现场可修改程序；2. 维修方便，采用模块化结构；3. 可靠性高于继电器控制装置；4. 体积小于继电器控制装置；5. 数据可直接送入管理计算机；6. 成本可与继电器控制装置竞争；7. 输入可以是交流115V；8. 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9. 在扩展时，原系统只要很小变更；10. 用户程序存储器容量至少能扩展到4K。第二节 编程软件
17、的选择一、PLC的结构，种类和分类PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，机械手的结构示意如图2-1所示：图3-1 机械手的结构示意图1. 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 2. 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。3. PLC常用的存储器类型： (1) RAM (Random Assess Memory) 这是一种读/写存储器(随机存
18、储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。 (2) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) 这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。(3) EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。二、PLC的分类有：1. 小型PLC 小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还
19、可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。2. 中型PLC中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。3. 大型PLC一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网
20、，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。第三节 其他硬件的选择1、 接近开关传感器的概念 在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。不同的接近开关检出距离也不同2. 设计参数项目/型号 AC2000 AC2500 AC3000 额定负载(kg) 2000 2500 3000 货叉最低高度(mm) 85 75 85 75 85 75 货叉最高
21、高度(mm) 200 190 200 190 200 190轮向轮(大轮)(mm) 20050 18050 20050 18050 20050 18050 承重轮(小轮)(mm) 单轮 8293 7493 8293 7493 8293 7493 双轮 8270 7470 8270 16050 8270 16050 货叉尺寸(mm) 16050 16050 16060 货叉总宽度(mm) 685 450/520/540/685 货叉长度(mm) 800/900/1000/1067/1100/1150/1220 低放型产品规格参数 项目/型号 ACD61 ACD51 ACD35 货叉最低高度(mm
22、) 61 51 35 货叉最高高度(mm) 175 165 90 轮向轮(大轮)(mm) f18050 f18050 f16050 双轮 f6070 f5070 f3458 货叉尺寸(mm) 16037 16030 货叉总宽度(mm) 540/658/838 530/685 货叉长度(mm) 1150/1220 1120 超长、超宽型产品规格参数 项目/型号 AC20 AC20L 额定负载(kg) 2000 货叉最低高度(mm) 75/85 轮向轮(大轮)(mm) f20050 承重轮(小轮)(mm) 单轮 f7493/f8293 双轮 f7470/f8270 货叉尺寸(mm) 16050 1
23、6060第四节 I/O信号的确定及选取本设计采用的PLC是日本三菱公司的FX2N系列的继电器输出型PLC。其特点是：1、内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K。2、CPU运算处理速度0.08S/基本指令。3、在PLC右侧可连接各种输入输出扩展模块和特殊功能模块。4、基本单元中内置2轴独立最高的20kHz定位功能(晶体管,继电器输出型）。5、快速断开端子块，其采用优良的可维护性快速断开端子块，（类似于热插型，接上电缆的时候也可以更换但元）。6、时钟功能及小时表功能，所有的FX2N 系列PLC中都有实时时钟标准。7、输入滤波器调节功能，通过用输入滤波器来平整输入信号（在基本单元中x0到x
24、17）。8、注解记录功能，元件注释可以在程序寄存器当中记录。如图3-2所示为三菱FX2N-16MR。图3-2 三菱FX2N-16MR表3-1 I/O分配输入端一览表 输入 功能(设备) 输入 功能(设备) X000 原点 X014超程保护(行程开关LS3) X001 X方向位移+SB4 X015旋转原点(行程开关LS4) X002 X方向位移-SB5 X016超程保护(行程开关LS5) X003 Y方向位移+SB6 X017位置保存SB3 X004 Y方向位移-SB7 X020 手动 X005 旋转位移+SB8 X021 回原点 X006 旋转位移-SB9 X022 单步运动 X007 机械手
25、夹紧SB10 X023 单周期运动 X010机械手放松SB11 X024 全自动运行 X011 X原点(行程开关LS0) X025 回原点启动SB0 X012 超程保护(行程开关LS1) X026 自动启动SB1 X013 Y原点(行程开关LS2) X027 停止SB2表3-2 I/O分配输出端一览表 输出功能(设备) 输出功能(设备) Y000 步进电机脉冲信号 Y014 Y方向位移+指示灯L4 Y001 X步进电机驱动器ENA Y015 Y方向位移-指示灯L5 Y002 X步进电机转向 Y016 旋转位移+指示灯L6 Y003Y步进电机驱动器ENA Y017 旋转位移-指示灯L7 Y004
26、 Y步进电机转向 Y020 机械手指示灯L9 Y005旋转步进电机驱动器ENA Y021 故障指示灯L10 Y006 旋转步进电机转向 Y022 故障报警嗡鸣器 Y007 机械手夹紧/放松、L8 Y023 Y010 回原点指示灯L0 Y024 Y011自动启动指示灯L1 Y025 Y012 X方向位移+指示灯L2 Y026 Y013 X方向位移-指示灯L3 Y027此方案对超程保护所使用的行程开关合运动方向指示灯，独立分配I/O。优点：1. 独立控制，互不干扰。2. 程序简单，无需添置编码、解码张芯片及其抗干扰设施。3. 良好的稳定性。缺点：价格略高。PLC硬件接线图见图3-3所示：图3-3
27、三菱FX2N-48MT-D PLC接线图1.三菱FX2N-48MT-D型PLC 2.ST-2HB02X型步进电机动驱动器 3. 42HS003两相混合式步进电机第五节 PLC系统回路设计整个系统的回路设计如下:机械手右旋转机械手上升机械手手臂伸长机械手下降机械手手腕右旋机械手加紧机械手上升机械手手腕左旋机械手手臂收缩 机械手左旋机械手下降机械手手臂伸长机械手手腕右旋机械手下降机械手松开机械手手臂收缩第四章 PLC软件设计第一节 工作流程图本机械手采用点位控制，我们可将整个运动看作折线运动，每一步动作归纳为参数不同的点位之间动作。以起点作为参考点，通过脉动计数，得到目的点的位置。手动操作机械手从
28、参考的到达目的点后，保存目的点的相对特征参数，并对每一步保存的参数进行列表管理。实现手动模式下关键点位输入，自动模式查表“仿形”运动。手动设置好以后就可以按预先设置自动运行。核心思想：记录关键点，构造工作路径和状态。现就四工位作以下说明。用户在手动原点状态下，控制机械手至A点位（到A点的路径可制定中间点实现绕行），按下保存，记录该点重要参数。之后控制机械手到B点位夹取工件，同时记录机械手张开位置及夹紧位置，为简化过程，可在A点设置机械手张开，B点设置夹紧。控制机械手移动，同前所述记录关键点位，到D点放下工件。再用同样的方法到下一工位进行操作。图4-1 工作流程图第二节 机械手的程序设计自动线的
29、输送动作由步进电动机带动实现间隔输送，实现设计要求的输送状况。其工作的过程是：机械手首先处于初始位置，然后经过一系列的动作将断续传送带上的工件拿走，此时传送带上的光电检测检测开关检测到工件被取走。然后传送带开始转动，当检测到下一个工件时传送带停止转动等待机械手来取工件，当然只要机械手取走工件传送带就开始转动，这样设计是为了节省工作时间从而不会出现机械手等待传送带的时间。对程序的要求如下：(1)首先启动机械手时机械手自动复位处于初始位置；(2)在机械手工作前还要对其进行设备的检测即机械手空运行一次而且机械手的每一个动作都有相应的定时器进行监控若超出规定的运行时间则认为是设备出现故障。(3)机械手
30、设有急停按钮（一般情况下是不被允许使用的）只有出现紧急情况时才允许按此按钮，按下此按钮将切断储气罐与各汽缸的联系将被切断各汽缸处于无动力状态。第三节 各模块的程序设计1. 子程序调用和返回指令指令编号及助记符：子程序调用功能指令FNC01 CALL ，CALL（P）。子程序返回功能指令 FNC02 SRET。指令的目标操作元件是指针号P0P62（允许变址修改）。子程序与标号的位置：CALL指令必须和FEND，SRET一起使用。子程序标号要写在主程序结束指令FEND之后。标号P0和子程序返回指令SRET间的程序构成了P0子程序的内容。当主程序带有多个子程序时，子程序要依次放在主程序结束指令FEN
31、D之后， 并用不同的标号相区别。子程序标号范围为P0P62，这些标号与条件转移中所用的标号相同，而且在条件转移中已经使用了标号，子程序也不能再用。同一标号只能使用一次，而不同的CALL指令可以多次调用同一标号的子程序。图4-2 CALL指令举例2. 多点传送指令指令格式指令编号及助记符：传送指令FNC16 FMOV SDn其中：S为源软组件；D为目软组件；n为目软组件个数指令中给出的是目软组件的首地址。常用于对某一段数据寄存器清零或置相同的初始值。 源操作数可取除V、Z以外的所有的数据类型，目标操作数可取KnY、KnM、KnS、T、C、和D，n小等于512。FMOV指令是将源操作数中的数据传送
32、到指定目标开始的n个元件中去，这n个元件中的数据完全相同。图4-3多点传送指令FMOV指令举例第五章 PLC软件设计运行与调试第一节 软件设计的介绍PLC通过软件设计与触摸屏进行数据交换，PLC将数据和参数，其中包括变量以及固定量写入数据块中，送入触摸屏的地址，将数据写入触摸屏中，在触摸屏中变量显示为变化的参数，固定量显示为固定参数。FX2N 系列三菱PLC特点：1、集成型高性能。CPU、电源、输入输出三为一体。对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。2、高速运算基本指令：0.08s/指令应用指令:1.52数100s/指令3、安心、宽裕的存储器规
33、格内置8000步RAM存贮器安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。 4、丰富的软元件范围 辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数：235点 数据寄存器；8000点 5、除了具有输入输出16256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制.。第二节 运行结果与调试将在三菱PLC编辑软件上编辑的程序下载进PLC中，按照电气原理图将线路连接好，紧接着就在触摸屏上面监视运行结果。程序初始化及梯形图：图5-1 初始化及程序梯形图图5-2 初始化及程序梯形图（续）自动程序：5-3 自动程序流程结论1、本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此
34、适用面更广。2、采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。3、通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。4、机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。22致谢本论文在导师蒋老师的悉心指导下完成的。老师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，平易近人的人格魅力对本人影响深远。不仅使本人掌握了基本的研究方法，还明白了许多为人处事的道理。本次论文从选题到完成，每一步都是在老师的悉心指导下完成的，倾
35、注了导师大量的心血。在此，谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在写论文的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。 在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的2013级的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在此我向他们以及多年来为我的成长付出辛勤劳动的老师和同学们表示衷心的感谢。感谢父母 、家人，感谢所有关心我的朋友和老师！ 参考文献1张建民，工业机器人，北京:北京理工大学出版社，1988年。2蔡自兴，机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，2001年。3金茂青、曲忠萍、张桂华;国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用，2001年。4王雄耀，近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用,液压气动与密封 1999年。5严学高、孟正大;机器人原理.南京:东南大学出版社，1992年。6机械设计师手册，北京，机械工业出版社，1986年。7黄锡恺、郑文伟、机械原理.北京人民教育出版社，1981年。8成大先.机械设计图册:北京化学工业出版社。9郑洪生.气压传动及控制:北京机械工业出版社，1987年。