两工位机械手设计说明书.docx
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两工位机械手设计说明书
扬州职业大学
毕业设计说明书
PLC气动机械手毕业设计
院系：
机械工程学院
专业：
机械制造与自动化
班级：
08机械
（2）班
学号：
0801010203
姓名：
戴从伟
指导老师：
冯晓九
完成时间：
2011年4月
摘要
在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，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，甚至于危及生命。
自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。
机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。
机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。
机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。
广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。
可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。
本文应用三菱公司生产的可编程控制器FX系列PLC，实现机械手搬运控制系统，该系统充分利用了可编程控制器（PLC）控制功能。
使该系统可靠稳定，时期功能范围得到广泛应用。
关键词：
可编程控制器PLC，PLC的结构及基本配置，机械手
第1章绪论
1.1选课背景————————————————————————2
1.2设计目的及主要内容———————————————————3
1.2.1设计目的—————————————————————3
1.2.2主要内容——————————————————————3
第2章PLC及机械手的介绍及选择————————————————4
2.1可编程控制器PLC—————————————————————4
2.1.1PLC概况———————————————————————5
2.1.2PLC的结构及基本配置—————————————————6
2.1.3PLC选型———————————————————————7
2.2机械手———————————————————————————8
2.2.1机械手简介——————————————————————8
2.2.2机械手的选择—————————————————————10
2.2.3搬运机械手的应用简况—————————————————11
2.2.4机械手的应用意义———————————————————11
第3章机械手总体设计——————————————————————13
3.1机械手实物—————————————————————————13
3.2台达WPLsoft编程器—————————————————————15
3.3机械手控制系统工作见面———————————————————15
3.4机械手的电路控制及设计———————————————————17
3.5机械手控制的动作流程————————————————————19
3.6机械手控制原理———————————————————————24
3.7PLC外部接线图————————————————————————28
3.8IO分配表——————————————————————————29
3.9程序设计——————————————————————————30
3.9.1梯形图——————————————————————————30
3.9.2指令表——————————————————————————34
第4章总结———————————————————————————40
第5章参考文献—————————————————————————41
第一章绪论
1.1选题背景
大学三年的专科学习即将结束，毕业设计是其中最后一个环节，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。
随着我国经济的迅速发展，采用PLC的技术得到愈来愈广泛的应用。
在完成大学三年的课程学习和课程、生产实习，我熟练地掌握了机械制图、机械设计、机械原理等专业基础课和专业课方面的知识，对机械制造、加工的工艺有了一个系统、全面的理解，达到了学习的目的。
对于PLC对搬运机械手的控制设计这个实践性非常强的设计课题，我进行了大量的实习。
经过在单位的生产实习，我对于PLC对搬运机械手的控制设计有了一个全新的认识，丰富了许多PLC方面的知识，而对于PLC方面的制造工艺更是实现了零的突破。
在指导老师的协助下，同时在现场查阅了很多相关资料，明确了PLC的一般工作原理、制造、工艺过程。
并在图书馆借阅了许多相关手册和书籍，设计中，将充分利用和查阅各种资料，并与同学进行充分讨论，尽最大努力搞好本次毕业设计。
在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。
由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中不妥之处在所难免，肯请各位老师指正。
1.2设计目的及主要内容
1.2.1设计目的
1、培养机械设计能力；2、扩展知识结构；3、培养综合运用能力；4、是课堂教学的有益补充。
通过本次论文，进一步加强自己对机械手和PLC的认识，以及它们在生活中广泛应用。
1.2.2主要内容
A正确选用机械手和PLC类B绘制I/O分配C设计梯形图D指令表E模拟调试
第二章PLC及机械手的介绍及选择
2.1.可编程控制器PLC
2.1.1PLC慨况
可编程控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER，简称PC）。
与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。
国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
PLC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。
可以预料：
在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流
PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。
用户程序由用户按控制要求设计。
2.1.2PLC的结构及基本配置
一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。
但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。
对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。
无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。
CPU的构成：
PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。
它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。
一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。
箱体式PLC的主箱体也有这些显示。
它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。
CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。
I/O模块：
PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
电源模块：
有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源以其输入类型有：
交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。
底板或机架：
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
PLC的外部设备：
外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类
1.编程设备：
有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。
2.监控设备：
有数据监视器和图形监视器。
直接监视数据或通过画面监视数据。
3.存储设备：
有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。
4.输入输出设备：
用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。
PLC的通信联网：
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。
当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。
了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。
2.1.3PLC的选型
考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，采用PLC作为核心控制器，各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作，所以PLC采用日本三菱公司的FX2N-32MR型PLC（16点输入、16点输出）。
三菱FX2N系列可编程控制器是小型化，高速度，高性能的产品，是FX系列中最高档次的超小型程序装置。
性能规格：
FX2N性能规格运转控制方法通过储存的程序周期运转I/O控制方法批次处理方法（当执行END指令时）I/O指令可以刷新运转处理时间基本指令：
0.08μs应用指令：
1.52至几百微秒，指令编程语言逻辑梯形图和指令清单使用步进梯形图能生成SFC类型程序程式容量8000步内置。
2.2机械手
2.2.1机械手简介
mechanicalhand也被称为自动手，autohand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部和运动机构组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
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。
近年来，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。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能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大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，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。
机械手简述:
机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。
1．执行机构
机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。
手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。
手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。
简单的机械手可以没有手腕。
支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。
2．传动系统
执行机构的动作要由传动系统来实现。
常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。
3.控制系统
机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。
2.2.2机械手的选择
由于机械手是在搬运中的应用，所以采用传送带加旋转的机械手类型。
此机械手易于操作，性能可靠。
2.2.3搬运机械手的应用简况
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。
专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。
但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。
据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。
从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。
机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。
2.2.4机械手的应用意义
在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：
1.可以提高生产过程的自动化程度
应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。
而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。
在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3.可以减少人力，便于有节奏地生产
应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。
综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。
1.3.3机械手的发展概况与发展趋势
第3章机械手总体设计
3.1机械手实物
成型机械手实物照片
此机械手采用气动传动
此机械手制作总数为三台，主要用于搬运工件。
全部采用气动传动。
气缸实物图
气压传动的优点
（1）气压传动的工作介质是空气，它取之不尽用之不竭，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境。
（2）气压传动的工作介质粘度很低，所以流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。
气压传动的缺点
（1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的速度和位置控制精度带来很大的影响。
（2）气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，需要加消音器。
3.2台达wplsoft编程器
下图为台达wplsoft编程器的工作界面
3.3机械手控制系统工作界面
操作面板及动作说明
根据控制和生产工艺的要求，控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步进、回原位操作，自动控制包括单步、单周期、连续的操作。
故操作方式选择开关设置有五个档位。
手动工作方式下，手动动作包括上升、伸出、夹紧、伸回、平转、翻转、松开、下降，故设置五个动作看官按钮。
另外设有启动停止按钮。
此为机械手控制面板的实物图
机械手控制面板布置
3.4机械手电路控制及设计
控制柜电气布置实物图
机械手电气布置图
3.5机械手控制的动作流程
本机械手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图所示：
`
机械手示意图
机械手的控制要求
为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。
分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：
单步、单周期、连续；手动操作包括手动和回原位的操作。
手动操作：
供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。
例如，当选择手动操作时，按下上升/下降按钮，机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以此类推。
回原位：
当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次通电将操作方式选择置于连续运行：
正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始的执行各工步动作。
回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原则返回到原点位置。
3.6机械手控制原理
机械手电气控制原理图
如图所示为机械手的原理图
其主要由外部电源、plc、开关电源、电源指示、电源控制、夹紧、下降、伸缩、翻转、旋转、报警等主要部分组成。
外接端子图
在工程实践中,一般输入输出设备不可能直接与plc连接。
而且plc的多个输入输出端子公用一个COM端。
也不可能在一个端子上连接几根甚至几十根导线，所以必须采用端子排连接。
端子排通常是由多片端子并排安装在导轨上组成的。
每片端子的两个接口是短接的，根据需要可以将各片端子短接在一起。
Plc通过端子排与外围设备连接的示意图如图所示。
也可以采用编码呼应法标注各端子接线。
PLC输入控制
PLC输出控制
Y0：
异常停机Y2:
夹紧
Y3：
下降Y4：
伸缩
Y5:
翻转Y6:
旋转
Y14:
报警
如图所示
夹紧、下降、伸缩、翻转、旋转采用气缸动作
3.7PLC外部接线图
Plc外部接线图
3.8IO分配表
I/O设备即所需的I/O点数如下表所示：
3.9程序设计
1.梯形图
2.指令表
0
LD
X0
1
RST
M21
4
RST
M31
7
RST
M41
10
MPS
11
AND
X15
12
AND
X17
13
RST
M51
16
MRD
17
AND
X14
18
AND
X15
19
RST
M61
22
MPP
23
SET
S0
24
LDI
X0
25
RST
M20
28
RST
M30
31
RST
M40
34
RST
M50
37
MPS
38
AND
X15
39
RST
M60
42
MRD
43
ANDP
X7
46
AND
X16
47
ALT
M31
50
MRD
51
ANDP
X10
54
ALT
M41
57
MRD
58
ANDP
X11
61
AND
X17
62
AND
X14
63
ALT
M51
66
MRD
67
ANDP
X12
70
AND
X15
71
AND
X14
72
ALT
M61
75
MPP
76
ZRST
S20
S31
81
LD
M20
82
OR
M21
83
OUT
Y2
84
LD
M30
85
OR
M31
86
OUT
Y3
87
LD
M40
88
OR
M41
89
OUT
Y4
90
LD
M50
91
OR
M90
92
OR
M51
93
OUT
Y5
94
LD
M60
95
OR
M61
96
OUT
Y6
97
LDI
X16
98
AND
M3
99
SET
M100
100
L
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