机械手的PLC控制装置设计毕业设计.docx
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机械手的PLC控制装置设计毕业设计
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日期：
指导教师签名：
日期：
河南工业职业技术学院
毕业设计论文
题目：
机械手的PLC控制装置设计
前言
可编程控制器（ProgrammableLogicController）是一种以微处理器为核心的工业控制装置。
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、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的设备或生产过程。
可编程控制器以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，在汽车、钢铁、航空航天、船舶、化工、纺织、食品、造纸、军工等工业领域获得了广泛的应用。
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象，机械手可以完成许多工作，如搬运物品、装配工件、切割、喷染等等，应用非常广泛，应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高生产效率。
为了使动作操作更加准确，加入一些检测元件，更加完善的应用于各各领域，在此做些改进。
摘要
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。
关键字：
可编程控制器；机械手；传感器；微器处理；继电器；自动控制。
Pick
Sincethesincethedevelopmentofmanipulator,correspondingwithvariousproblemssolved.Manipulatorinthespacegrasping,andhandlingobjectsthatmovementsareflexibleanddiverse,appliestothetransformationsintheproductionofvarieties,smallbatchautomation,widelyusedinflexibleautomaticproductionline.Manipulatorishightemperature,corrosion-resistantmaterials,toadapttotheharshenvironment,greatlyreducingthelaborintensityofworkers,improvetheefficiency.Manipulatorisanimportantpartofindustrialrobots,inmanycasesitcanbereferredtoasindustrialrobots.Industrialrobotisamechanical,electrical,control,artificialintelligence,computers,sensorsandothermultidisciplinaryadvancedtechnologyinoneoftheimportantmodernmanufacturingautomationequipment.Extensiveuseofindustrialrobots,notonlycanimprovetheproductqualityandproductivity,andtoprotectthepersonalsafety,improvetheworkingenvironment,reducelaborintensityandincreasetheproductivity,conservationofrawmaterialsconsumptionandlowerproductioncosts,hasaveryimportantsignificance.Relaycontrolandcomputercontrolforprogrammablecontrollersaredevelopedonaproduct,evolvedintoautomationbasedonthemicro-processingtechnology,computertechnology,communicationtechnologyintegratedintonewindustrialautomaticcontroldevice.
Keywords:
PLC;Manipulator;Sensor;Microprocessor;relay;automaticcontrol.
第1章绪论
随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。
电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。
从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。
20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:
1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6:
4，甚至接近5:
5。
我国的气动行业起步较晚，但发展较快。
从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。
随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。
由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作”’。
而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。
所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。
现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。
车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。
高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。
在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。
对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。
第2章PLC的简介
2.1PLC的产生
1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:
软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时，原系统变更要少;用户程序存储容量可扩展到4K。
核心思想：
用程序代替硬接线，输入/输出电平可与外部装置直接相联，结构易于扩展，这是PLC的雏形。
1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功。
2.2PLC的定义和特点
2.2.1PLC的定义
美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义：
可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。
它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。
早期的可编程控制器，主要用于开关量逻辑控制，所以称为可编程逻辑控制器，简称PLC，后来随着计算机计术不断发展，其功能已不仅限于开关逻辑控制，所以被称之为可编程控制器PC，但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此，一般仍把PLC作为可编程控制器的简称。
2.2.2PLC的特点
可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强；
（2）编程简单，易于掌握；
（3）功能完善，灵活方便；
（4）体积小、质量轻、功耗低。
2.3PLC的组成与分类
2.3.1PLC的组成
PLC的构成：
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
PLC的硬件系统结构如图1所示：
图2.1PLC的硬件系统结构
2.3.2PLC的分类
通常PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。
（1）按结构形式分类按结构形式不同，可分为整体式和模块式两类。
（2）按控制规模分类按控制规模大小，可分为小型、中型和大型PLC三种类型。
2.4PLC的工作原理与应用
2.4.1PLC的工作原理
PLC的工作原理：
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
2.4.2PLC的应用
（1）开关量的逻辑控制
（2）模拟量控制
（3）运动控制
（4）过程控制
（5）数据处理
（6）通信及联网
第3章PLC控制程序的设计
3.1各电器设备的控制方式及控制要求
3.1.1机械手的技能和特性
根据力学观点，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。
就目前的技术状况而言，上述功能还很难办到。
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。
3.1.2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。
（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。
手臂采用气动电磁阀带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。
3.2电气元件、设备的选择
3.2.1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。
（1）输入设备---用以生产输入控制信号。
本设计中应包括：
操作方式转换开关：
该开关应有手动、单步、单周期、连续等四个位置可供选择。
手动时运动选择开关：
该开关应有上/下，左/右，夹紧/放松等三个位置可供选择。
起动、停止及复位按钮。
开关及按钮在操作屏上的布置所示。
位置检测元件：
机械手的运动是按行进程原则进行控制的。
其上限、下限、左限、右限的位置分别用限位开关来检测。
无工件检测元件：
右工作台上无工件用光电开关来检测。
（2）输出设备---由PLC的输出信号驱动的执行元件。
本设计中应包括下降电磁阀、上升电磁阀、右移电磁阀、左移电磁阀、夹紧电磁阀。
为了对机械手处于原点进行指示，还可以配置一个原点的指示灯。
3.2.2PLC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。
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。
在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。
而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。
根据不同的应用对象，对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。
这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。
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装置等。
该机械手的控制为纯开关量控制，且所要的I/O点数不多，因此选择一般小型抵挡机即可。
在设计中PLC有三种选择模块即CPU222，CPU224，CPU226。
由于所要的I/O点数为19/6点，考虑到机械手操作的工艺固定，PLC的I/O点基本上可不留裕量。
根据资料的机型，根据控制要求，PLC控制系统选用SIEMENS公司S7-200系列CPU224，因为此次设计I/O为19/6.因为I/O点数不够，另外选择扩展模块EM221
EM221I/O规格D1DC24V8路数字量DC24输入
3.2.3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/6.5A
最大功率：
156W
工作环境：
-10~40度
3.2.4电气元件的选择
选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。
这些设备属于一般的电气元件。
（1）在设计中用到了行程开关，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。
在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。
（2）电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。
这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
电磁阀分为：
直动式电磁阀、分布直动式电磁阀、先导式电磁阀、在设计中采用直动式电磁阀。
直动式电磁阀原理：
通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。
特点：
在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。
（3）传感器能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
可以用不同的观点对传感器进行分类：
它们的转换原理（传感器工作的基本物理或化学效应）；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：
传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：
在设计中采用红外传感器利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。
红外系统的组成、主要光学系统和辅助光学系统红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。
任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。
红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。
（4）在自动控制系统中，有时需要继电器得到信号后不立即工作，而是延顺一段时间后再动作并输出控制信号，以达到按时间顺序进行控制的目的。
时间继电器就可以满足这种要求。
间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。
它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型等。
时间继电器原理：
在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器,它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。
它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。
3.3控制系统的硬件设计
3.3.1控制要求
机械手移动工作动作示意图3.1所示。
机械手需要将工件从工作台甲移送至工作台乙上，其动作过程为下降，上升，右移，再下降，再上升，左移。
这些动作均由电磁阀控制液压系统来驱动完成。
图3.1机械手移动工作动作示意图
工业传动机械手PLC控制面板如图3.2所示
图3.2控制面板
此外，机械手在夹送工件右行到位后，如果工作台乙上的工件尚未移走，机械手则停止运动，待工作台乙上的工件被运走后，机械手才能下降。
3.3.2系统的硬件程序设计
机械手的动作有汽缸驱动，而汽缸又由相应的电磁阀控制。
其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈两位电磁阀控制。
例如当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。
只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀端电时，机械手上升停止。
同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。
机械的放松/加紧由一个单线圈两位置电磁阀（称为加紧电
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