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1.1选题的目的和意义1
1.2机械手的发展概况1
2可编程控制器2
2.1概述2
2.2PLC的结构组成2
2.2.1PLC的物理结构2
2.2.2PLC的软硬件结构3
2.3PLC的工作方式和编程语言4
2.3.1PLC的工作方式4
2.3.2PLC的编程语言4
2.4PLC的特殊性4
2.4.1PLC的特点5
2.4.2PLC的性能指标5
2.4.3PLC的应用领域6
3系统设计要求7
3.1设计对象7
3.2自动螺钉输送机7
3.3X-Y螺钉装配机械手10
4电气元件选择13
4.1PLC13
4.1.1自动螺钉输送机PLC113
4.1.2螺钉装配机械手PLC214
4.1.3高速计数器16
4.2自动螺钉输送机17
4.3装配机械手17
4.4步进电机18
4.5磁性开关19
4.6接近开关20
4.7旋转编码器21
4.8控制系统结构21
5软件设计24
5.1自动螺钉输送机的操作24
5.2X-Y机械手的操作26
5.3系统初始归零27
5.4机械手X轴定位29
5.5机械手Y轴定位30
5.6装配完成回零31
5.7PLC的通信32
5.7.1通信的基本概念32
5.7.2通信程序设计33
总结34
致谢35
参考文献36
前言
随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。
由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展。
机械手的积极作用正日益为人们所认识，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。
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。
因此，才有了这次论文的设计，希望能够改善机械手在工业方面的运用。
此次毕业设计第一阶段的主要工作是，学习有关PLC控制技术的基本知识，了解与其相关的技术，并在此基础上学习了PLC控制机械手和其他类似机器的工作原理。
第二阶段是在指导教师的指导下，进行系统的学习掌握如何用PLC控制机器和此次设计的各个部分的工作流程，学会了对电气原理图的设计制作、自动螺丝输送机及平面二维移动机械手的PLC控制编程及控制系统的实现。
通过教师的悉心指导和自己的努力，完成了毕业设计的各项任务，成功编制了控制机械手的程序，基本实现了各项功能。
论文正文主要包括以下几部分：
第1部分，绪论对选题的和意义进行了概括，以及对机械手的发展状况进行了总体阐述。
第2部分，对PLC的概述，包括它的定义、结构、工作方式和编程语言，以及它的特点、发展趋势和应用领域。
第3部分，对此次设计的要求和目标的叙述，即自动螺钉输送机和X-Y螺钉输送机需要完成的动作。
第4部分，对此次设计所需要的电器元件进行分别的阐述，如PLC需要用的是和利时LM系列的；
还有就是步进电机、磁性开关、接近开关、旋转编码器的定义和它们的电气接线图以及对整个系统的配电控制进行了分析。
第5部分，此次论文的软件设计，即设计的中各个部分的操作流程说明简介，使论文的操作更加的清楚明了。
最后，对系统中操作各个部分的程序进行了说明和引用，让PLC的程序透明化，并且，还有对PLC通信的基本概念和程序的叙述。
最后论文对设计的内容和结果进行了总结。
1绪论
1.1选题的目的和意义
它是近年发展起来的一种高科技自动化生产设备，机械手是工业机器人的一个重要的分支。
它的特点是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在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。
1.2机械手的发展概况
目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。
所以，在国内逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。
同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。
并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。
目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。
国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。
如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。
目前已经取得一定成绩。
随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。
2可编程控制器
本章介绍可编程控制器的历史、功能、特点、应用范围、发展趋势、结构和工作原理等知识，初步了解可编程控制器。
2.1概述
可编程控制器简称PLC，是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。
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、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
2.2PLC的结构组成
PLC的结构组成包括物理结构组成、硬件结构组成和软件结构组成，不同的组成部分，在PLC的应用中都有非常重要的作用，不可替代。
2.2.1PLC的物理结构
PLC产品种类繁多，对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
按结构形式不同，可将PLC分为整体式、模块式和叠装式。
1.整体式PLC：
将电源、CPU、I/O接口等部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。
整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）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，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电源等，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。
小型PLC一般采用这种整体式结构。
2.模块式PLC：
将PLC各组成部分分别做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）以及各种功能模块。
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模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
3.叠装式PLC：
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。
叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。
这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。
2.2.2PLC的软硬件结构
1.PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。
其中CPU是PLC的核心，按照系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作；
存储器主要用来存放系统程序、用户程序及工作数据；
输入单元和输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据，同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的；
通信接口用于与监视器、打印机、其它PLC、编程器、上位机等外设连接；
扩展接口用于连接扩展单元；
PLC配有开关电源，以供内部电路使用。
PLC主要的外部设备有很多，如：
EPROM写入器、外存储器、人机接口装置等。
EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中；
外存储器主要是用外部的磁带、磁盘及用半导体存储器做成的存储盒等来存储PLC的用户程序；
人机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话。
2.PLC的软件主要由系统程序和用户程序组成。
系统程序由PLC制造厂商设计编写，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改，系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等；
PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序，用以实现控制目的。
2.3PLC的工作方式和编程语言
了解PLC的工作方式，对于一个PLC的运行工作将会更加的熟悉，了解它的编程语言，对编写PLC的运用程序至关重要。
2.3.1PLC的工作方式
PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），主要分为三个阶段：
输入扫描、程序执行、输出刷新。
它的特点是当需要执行众多操作时，CPU不可能同时去执行多个操作，只能按分时操作方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行，其执行用户程序的过程为：
从第一条程序开始扫描，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。
然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复进行。
2.3.2PLC的编程语言
PLC编程语言主要由两大类：
一是采用字符表达方式的编程语言，二是采用图形符号表达方式的编程语言。
常见的PLC编程语言主要由：
1.梯形图语言：
以图形方式表达触点和线圈以及特殊指令块的梯级。
2.语句表语言：
类似于汇编程序的助记符编程表达方式。
3.逻辑图语言：
类似于数字逻辑电路结构的编程语言，由与门、或门、非门、定时器、计数器、触发器等逻辑符号组成。
4.功能表图语言：
又称状态转移图语言，它不仅仅是一种语言，更是一种组织控制程序的图形化方式，对于顺序控制系统特别适用。
5.高级语言：
为了争抢PLC的运算、数据处理及通信等功能，特别是大型PLC，可采用高级语言，如BASIC、C、PASCAL语言等。
2.4PLC的特殊性
PLC所独具的特殊性，使得它与其他的控制器有着很大的不同，也有着很多其他控制器不具有的功能。
让它在功能上更加的满足于我们的使用，能更好的为我们提供方便。
2.4.1PLC的特点
PLC主要特点如下：
1.可靠性高、抗干扰能力强。
2.编程简单、使用方便。
3.功能完善、通用性强。
4.设计安装简单、维护方便。
5.体积小、重量轻、能耗低。
PLC具有高可靠性，主要是它采用了一系列硬件和软件抗干扰措施：
1.硬件方面：
I/O接口采用采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源的影响；
对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；
对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；
对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。
2.软件方面：
采用扫描工作方式，减少了外界的干扰；
设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；
当由干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。
2.4.2PLC的性能指标
PLC主要性能指标有：
1.存储容量：
用户程序存储器的容量。
2.I/O点数：
PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和。
3.扫描速度：
PLC执行用户程序的速度。
4.指令的功能与数量：
编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单方便，越容易完成复杂的控制任务。
5.内部元件的种类和数量：
元件的种类和数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。
6.特殊功能单元：
特殊功能单元种类越多，功能越来越强，使得PLC控制功能日益扩大。
7.可扩展能力：
PLC可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。
2.4.3PLC的应用领域
PLC已经广泛的应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，PLC的应用范围不断的扩大，主要有以下几个方面：
1.数字量逻辑控制。
2.运动控制。
3.闭环过程控制。
4.数据处理。
5.通信联网。
3系统设计要求
3.1设计对象
被控对象：
所选被控对象为自动螺钉装配机械手装置。
自动螺钉装配机械手装置具备高效率、高可靠性、性价比高等优点，在自动化装配的电子行业、机械行业等各行业使用非常广泛。
因此选用该装置作为本次比赛的被控对象，具有很强的代表性和可行性。
该装置分为自动螺钉输送机和X-Y螺钉装配机械手，如图3.1所示。
图3.1自动螺钉装配机械手装置
3.2自动螺钉输送机
1.机构说明
图3.2螺钉输送机构说明图
图3.3锁丝扳手机构说明
图3.4辅助控制电器图
2.功能编号说明
表3.1输送机的功能表
序号
名称
说明
类型
信号输入点说明
1
SB1
螺钉输送机PLC启动
按下ON弹起OFF/自动复位型
2
SB2
螺钉输送机PLC停止
3
SB3
螺钉输送机PLC急停
按下OFF弹起ON/手动复位型
4
PH1
螺钉加料检测传感器
叉形光电开关NPN型DC24V
5
PX1
螺钉滑牙检测传感器
接近开关M12NPN型DC24V
6
1B1
出料气缸后位检测
磁性开关两线制DC24V
7
2B1
锁丝气缸上位检测
8
NJ
扭矩达到输入信号
开关量信号
控制输出点说明
9
M1
料筒电机螺钉上料转动
直流电机5WDC24V
10
M2
毛刷电机把料槽里排序不整的料扫出
直流电机2WDC24V
11
YV1
出料阀控制拉动气缸落料
两位五通单电控阀DC24V
12
YV2
吹气阀把落入透明管里的螺丝吹到锁嘴部位
两位三通单电控阀DC24V
13
YV3
锁丝阀控制带动扳手的气缸下压锁紧
14
HL1
螺钉锁紧过程中滑牙报警
DC24V
15
HL2
料筒螺钉缺料报警
16
ZZQ
把料槽里的螺钉震动移动
AC220V
17
BS
锁丝扳手
DC30V
3.3X-Y螺钉装配机械手
1.机构说明：
（1）机械手结构图
图3.5X-Y螺钉装配机械手结构图
（2）机械手X轴和Y轴螺钉孔图
图3.6X-Y螺钉装配孔板标识图
表3.2机械手的功能表
A-A
Y轴编旋转编码器A相
增量型旋转编码器、DC24V、1024P/R、NPN信号
B-B
Y轴编旋转编码器B相
Z-Z
Y轴编旋转编码器Z相
SQ1
X轴后限位开关
接近开关、NPN信号、DC24V
SQ2
X轴参考点开关
SQ3
X轴前限位开关
SQ4
Y轴左限位开关
SQ5
Y轴参考点开关
SQ6
Y轴右限位开关
机械手PLC启动按钮
按下ON/弹起OFF/自动复位型
机械手PLC停止按钮
急停按钮
按下OFF弹起ON手动复位型
M3脉冲
X轴（M3）电机驱动器控制脉冲信号接入点
脉冲信号
M3方向
X轴（M3）电机驱动器控制方向信号接入点
方向信号
M3脱机
X轴（M3）电机励磁失电控制信号输入点
脱机信号，为ON时电机停止转动，作为超程保护开关
M4脉冲
Y轴（M4）电机驱动器控制脉冲信号接入点
M4方向
Y轴（M4）电机驱动器控制方向信号接入点
18
M4脱机
Y轴（M4）电机励磁失电控制信号输入点
19
设备故障报警、超程报警等
红灯闪烁
20
正常运行指示灯
绿灯闪烁
3.机械参数:
（1）X轴移动行程400mm。
（2）X轴电机每转一圈移动10mm。
（3）Y轴移动行程400mm。
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