毕业设计基于plc控制的机械手毕业设计.docx

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毕业设计基于plc控制的机械手毕业设计

摘要

机械手是能够模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳动。

较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。

在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

工业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，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、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。

更显其优越性，有着广阔的发展前途。

关键词：

机械化自动化有效劳动强度

Abstract

Manipulatoristobeabletoimitatemanpowermovement,andaccordingtosetprogram,locusandrequirementsubstitutemanpowertograb（inhale）,takethingsortoolortheautomationinstallationthatoperated，itcanbepartialto.Industrialrobotscanreplacethehandsofheavylabor,significantlyreducelaborintensity,andimprovelaborproductivityandautomationlevel.Industrialproductionoftenappearsintheheavyworkfrequently,handlingandlong-termoperation,ifnotdrabrobotsthatlaborintensityishigh,sometimesevenwithemployees,drivingspeedgreatlyretard,thiskindofcircumstanceusingmanipulatorisveryeffective.Inaddition,itcanbeinhightemperature,lowtemperature,water,theuniverse,reflectiveandothertoxic,environmentalpollutionconditionontheoperation.Moreshowitssuperiority,hasbroadprospects.

Keywords：

ImprovementMechanizationAutomationEffective

Laborintensity

绪论

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

　　机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

　　机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

我设计的机械手则是简单的前后上下运动而没有多个自由度旋转。

机械手的设计构想是以人的手为基础，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下三部分来实现：

1、肩的前后动作

2、肘的上下动作

3、腕（手）的动作

　　控制系统采用西门子PLC控制。

运动形式:

动力上下、左右两个自由度运动，均由两个液压伺服系统控制两个系统均为具有位置及动压反馈的闭环系统。

本设计阐述了应用微型可编程控制器西门子系列PLC的自动分拣大小球控制系统。

该系统充分利用了学习中讲述的可编程控制器（PLC）的多方面的设计知识和方法，再加上步进电机两者巧妙的配合精确的实现了机械手从原点的下降、判断、吸球、上升、右行、下降、释放、上升、左行、回原点等一系列的动作完成这一工序。

这一控制系统的实现和应用，充分体现了PLC系统在工业现场的应用，以及根据设计和不同的需求改变数据和状况，还可以使其应用的范围更加广泛。

第一章机械手基本知识

第一节机械手的基本概念

机械手的概述：

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：

（一）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。

（二）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。

（三）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。

（四）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。

（五）宇宙及海洋的开发。

（六）军事工程及生物医学方面的研究和试验。

第二节机械手的结构

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

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。

控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。

同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。

控制系统的核心通常是由单片机或DSP等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

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。

机械手由执行机构、驱动-传动机构、控制系统、智能系统、远程诊断监控系统五部分组成。

驱动-传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分：

机械式、电气式、液压式和复合式，其中液压操作力最大。

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。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

第三节可编程控制器（PLC）的历史与发展趋势

一、可编程控制器（PLC）的历史

可编程控制器（ProgremmableController,PC）是进几年迅速发展并得广泛应用的新一代工业自动化控制装置。

早年的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，因此被称为可编程顺序逻辑控制器（ProgrammableLogyController）.这时的PLC基本上是（硬）继电器控制装置的替代物，主要用于实现原先由继电器完成的顺序控制、定时、记数等功能。

国际电工委员会（IEC）与1987年2月在颁布的可编程控制器标准草案中将其一步定义为：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。

20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨变。

美国、日本、德国等一些厂商先后开采用微处理器作为PLC的CPU，这样使PLC的功能大大的增强。

20世纪80年代，由于超大规模集成电路技术的发展微处理器价格大幅下跌，使得各种类型的PLC所采用的CPU的档次谱偏提高，一般采用16位和32位的CPU。

目前，世界上约有200家PLC生产厂家。

其中，美国的（Rockwell）、（GE），德国的西门子（Siemems）,法国的施耐德（Schmeider）,日本的三菱，欧姆龙（Omron）还有我国江苏嘉华，他们从只有几十个点（I/O总点数）的微型PLC到上万个点的巨型PLC。

可以预见PLC将会是电气控制装置的主要控制元件。

二、可编程控制器的发展与趋势

由于工业生产对自动控制系统的多样性，今后几年的PLC技术将围绕如下几个方面发展。

（一）进一步加快CPU的处理速度。

全面使用高速CPU芯片和24位、32位、64位RIST芯片；采用新型体系结构，工作方式使扫描和中断并存；各种模块自能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可以使速度达到ns级。

（二）变革操作控制方式。

大量使用中断驱动方式，以增加对输入/输出（I/O）的快速反应能力。

（三）发展自能化模块。

自能化模块主要有：

通信模块、位置控制模块、数据处理模块与控制模块、数/模（D/A）转换模块、PID控制模块及一些自能化I/O模块。

（四）进一步提高可靠性。

PLC将在硬件上采用多CPU的容错系统，软件上开发更加高级的诊断程序，以及发展软件的容错技术，增强PLC的自诊断和外部故障检测功能等。

在PLC线路中采用隔离技术防止外部高压的窜入；采用滤波技术，可以有效抑制高频干扰信号；还设置了“看门狗”电路，能把因干扰而飞走的程序拉回来，从而起到自动恢复作用。

第四节可编程控制器的基本功能和特点

一、PLC的基本功能

（一）逻辑控制功能

逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是可编程控制器的最基本的功能之一。

PLC设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，利用这些指令，根据外部现场（开关、按扭或其他传感器）的状态，按照制定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、接触器、继电器、指示灯等）。

因此PLC中一个逻辑位的状态可以无限次地使用，逻辑关系的修改变更也十分方便。

（二）定时控制功能

PLC中用户提供使用的定时器，定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。

（三）记数控制功能

PLC为用户提供了很多计数器。

计数器到某一定值时（设定值），产生一个状态信号，利用该信号实现对某个操作的记数控制。

PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个工作过程的计数控制。

（四）步进控制功能

PLC为用户提供了若干个状态器，可以实现由时间、技术和其他指定逻辑信号为转移条件的步进控制，即在一道工序完成以后，在转移条件满足时，自动进行下一道工序。

（五）数据处理功能

大部分PLC都有数据处理功能，可实现算术运算、数据传送、数据比较、数据转换、译码等操作。

（六）过程控制功能

有些PLC具有A/D、D/A转换功能方便地对模拟量的控制调节。

（七）通信联网功能

有些PLC采用通信技术，可以多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通信等。

（八）监控功能

PLC设置了较强的监控功能。

操作人员利用编程器或监视器可对PLC的运行状态进行监控。

利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容为调试和维护提供极大的方便。

（九）停电记忆功能

PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（如备用电池），以保证断电后这部分存储器中的信息不会丢失。

（十）故障诊断功能

PLC可对系统组成、某些硬件状态及指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。

二、PLC的特点

PLC作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步，其领域从小到大，实现了单体设备控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越，今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用，主要特点有：

可靠性高，抗干扰能力强，能适应工厂环境。

第五节PLC的分类

PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。

因此，PLC的分类并没有一个统一的标准，而是按结构形式、控制规、实现的功能大致地分类。

一、按结构形式分类

PLC按硬件的结构形式可以分整体式和模块式。

（一）整体式PLC整体式PLC的CPU、存储器、I/O安装在同一机体内（如三菱的FX系列）。

这种结构的特点是：

结构简单、体积小、价格低。

适用于嵌入控制设备的内部，常用于单机控制。

（二）模块式PLC组合式PLC为总线结构。

其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。

配置灵活、组装方便、扩展容易。

二、按I/O点数和功能分类

I/O的点数是衡量PLC控制规模的重要参数。

因此，按控制规模可分为小型PLC、中型PLC和大型PLC.

（一）微型PLCI/O点数小于64点

（二）小型PLCI/O点数在64-256点之间。

（三）中型PLCI/O点数在256点—512点之间。

（四）大型PLCI/O点数在512—8192之间。

（五）超大型PLC大于8192点

三、按控制实现的功能分类

按照PLC所能实现的功能不同，可以把PLC大致地分为低档PLC、中档PLC和高档PLC三类

第二章机械手的设计

第一节机械手设计的目的

机械设计制造及其自动化专业是为了培养从事机械设计、制造行业的人才而开设的专业。

而工业机械手课程设计不仅培养设计者对机械的认识、运用能力,而且-液压、气压、电气传动及单片机、PLC、可编程控制器等控制系统与基本理论知识。

主要是通过培养学生的机械设计能力、扩展学生的知识结构和帮助学生培养综合运用能力，是课堂教学的有益补充。

第二节机械手设计的原理

机械手的设计原理是以人的手为基础，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下四部分来实现：

自由度的旋转、肩的前后动作、肘的上下动作、腕（手）的动作。

工业机械手的结构是基于模组块系统上的，模组块系统适合于提高移动的速度或特殊类型的工作。

在设计上考虑维修的简单性。

维修的人员需要具备一定的资格，应能处理一般的机械设备的问题或通常液压件的安装。

该控制系统的设计是可以给操作臂一个信号的动力反馈系统。

该工作臂类似一个伸缩仪。

在方位、肩部和肘部上的三个轴直接控制位置，利用主臂控制速度。

在机械手的操作柄有一个按钮来控制工作头（降低、翻转、倾斜和抓住的装置）。

控制系统的特性是可以使操纵器以一定的速度和精确性进行工作。

在工作过程中，当工件过来后，将光挡住，此时相当输入一个信号系统，手开始抓。

然后，机械手开始进行上升，转动和下降运动。

第三节机械手的用途

可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是一种适用性强的工业用控制器，广泛应用于各类工业生产线，移动机械设备的控制等环境较恶劣的工业场合。

其工作性能稳定，可扩展性强，应用简便。

根据不同的模块配置，可以进行逻辑及算数运算，对数字开关量、模拟量等进行控制和采集，同时具有丰富的总线接口形式，可以利用公开的协议与不同设备构成复杂的系统。

在我们所研制的工业机械手中，各关节由比例阀或开关阀构成开环液压控制回路，实现比例调速或开关动作，因此我们选用了西门子系列PLC作为其控制器。

 在一些环境复杂的应用场合，尤其是对于移动机械设备，控制系统的布线受到诸多限制，操作人员与控制系统的位置安排不方便。

因此，具有高度灵活性的无线遥控操作系统的应用得到了推广。

目前工业上应用的无线遥控操作系统一般采用无线电数字传输方式。

一些芯片厂商如Infineon、Micrel、RFMonolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各种适应于不同场合和要求的RF芯片。

第三章机械手分选大小球设计

第一节毕业设计任务书——原始资料

一、目的

（一）指导学生从做接线工作开始，最终基本能够独立设计、组建、调试、维护一个典型PLC应用系统，为学生即将从事的专业工作奠定基础。

（二）机械设计制造及其自动化专业是为了培养从事机械设计、制造行业的人才而开设的专业。

而工业机械手课程设计不仅培养设计者对机械的认识、运用能力,而且也增进了对机械工业发展的了解和认知。

工业机械手的设计涉及：

机械设计原理、液压、气压、电气传动及单片机、PLC、可编程控制器等控制系统与基本理论知识。

提高学生对文献资料的检索和信息处理的能力。

二、任务

要求独立完成用PLC对机械手大小球分选设备的控制。

机械手大小球分选设备的控制要求如下：

（一）题意简图

图3.1控制系统图

（二）主要工序要求如下：

图3.2主要工序

原点状态=手臂位于左限位置处+右限位处+手爪释放。

要有手动、回原点、多周等3种可选工作方式，多周为自动方式。

手臂回原点完成后，才能真正切换到自动方式。

第二节硬件图

电气主接线图如图3.3.1所示。

图3.3.1电气主接线图

PLC端子接线图如图3.3.2所示。

图3.3.2接线端子图

第三节I/O分配表

一、输入地址分配表

列出机械手的输入分配表，如表3.1所示。

表3.1输入地址分配表

输入端子地址

功能说明

I0.0

启动SB1

I0.1

左限SQ1

I0.2

下限SQ2

I0.3

上限SQ3

I0.4

右限SQ4（大、小球）

I0.6

停止按钮SB2

二、输入地址分配表

列出机械手的输出分配表，如表3.2所示。

表3.2输出地址分配表

输出端子地址

功能说明

Q0.0

下降KM1

Q0.1

夹紧YV

Q0.2

上升KM2

Q0.3

右移KM3

Q0.4

左移KM4

Q0.5

原位灯显示HL1

Q0.7

夹大球灯显示HL2

第四节PLC状态转移图

图3.4状态转移图

第五节梯形图

图3.5用基本指令编程实现大小球分类的梯形图

第六节梯形图对应的指令表

Network1//启动

LDM1.7

AI0.1

LDI0.0

OLD

LDM0.0

OLD

ANM0.1

ANI0.6

=M0.0

Network2//机械手处于原点指示

LDI0.1

AI0.3

ANQ0.1

=Q1.0

Network3//下降到下限位，定时2秒

LDM0.0

AI0.2

LDM0.1

OLD

ANM0.2

ANI0.6

=M0.1

TONT3720

Network4//2秒过后，机械手夹紧小球，并上移

LDM0.1

AT37

LDM0.2

OLD

ANM0.3

ANI0.6

=M0.2

SQ0.1

Network5//上移到上限位后右移

LDM0.2

AI0.3

LDM0.3

OLD

ANM0.4

ANI0.6

=M0.3

=Q0.3

Network6//右移到右限位后下降

LDM0.3

AI0.4

LDM0.4

OLD

ANM0.5

ANI0.6

=M0.4

Network7//下降到下限位机械手放松小球，定时2秒

LDM0.4

AI0.2

LDM0.5

OLD

ANM0.6

ANI0.6

=M0.5

TONT3820

RQ0.11

Network8//2秒后，机械手上移

LDM0.5

AT38

LDM0.6

OLD

ANM0.7

ANI0.6

=M0.6

Network9//上移到上限位后左移

LDM0.6

AI0.3

LDM0.7

OLD

ANM1.0

ANI0.6

=M0.7

=Q0.4

Network10//左移到左限位后，开始大球循环下降

LDM0.7

AI0.1

LDM1.0

OLD

ANM1.1

ANI0.6

=M1.0

TONT3920

Network11//定时2秒后，判定为大球循环，蓝灯（Q0.7）亮

LDM1.0

AT39

LDM1.1

OLD

ANM1.2

ANI0.6

=M1.1

SQ0.71

Network12//判定为大球后机械手夹紧并上移

LDM1.1

AQ0.7

AT40

LDM0.2

OLD

AM1.3

=M1.2

SQ0.12

Network13//上移到上限位后右移

LDM1.2

AI0.3

LDM1.3

OLD

ANM1.4

ANI0.6

=M1.3

=Q0.3

Network14//右移到右限位后下降

LDM1.3

AI0.4

LDM1.4

OLD

ANM1.5

ANI0.6

=M1.4

Network15//下降到下限位后，机械手放松大球并蓝灯熄灭

LDM1.4

AI0.2

LAM1.5

OLD

ANM1.6

ANI0.6

=M1.5

TONT4020

RQ0.12

RQ0.71

Network16//定时2秒后上移

LDM1.5

AT40

LDM1.6

OLD

ANM1.7

ANI0.6

=M1.6

Network17//到达上限位后左移

LDM1.6

AI0.3

LDM1.7

OLD

ANM0.0

ANI0.6

=M1.7

=Q0.4

Network18

LDM0.0

OM0.4

OM1.0

OM1.4

=Q0.0

Network19

LDM0.2

OM0.6

OM1.2

OM1.6

=Q0.2

第七节机械手的操作指南

初始状态：

机械手处于左限位（I0.1）上限位（I0.3）,红灯亮（Q1.0）

（一）按下启动按钮（I0.0）,机械手在左限位下降（Q0.0）。

（二）下限位（I0.2）闭合后,定时器（T37）2秒之后夹到小球,此时机械手夹紧（Q0.1）上升（Q0.2）亮。

（三）上升时,下限位（I0.2）断开,上限位（I0.3）闭合,夹紧（Q0.1）右移（Q0.3）亮。

（四）