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基于PLC的机械手控制设计毕业设计论文
基于PLC的机械手控制设计
摘要
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。
工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。
他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：
其一、它能部分的代替人工操作；其二、它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；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。
尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。
在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。
机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。
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。
目录
第1章前言..............................................................................................................3
1.1选题背景.....................................................................................................3
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可编程序控器PLC.......................................................................................4
2.1,.1可编程序控器的简介.......................................................................4
2.1.2PLC的结构，种类和分类...............................................................4
2.1.3FX2n系列三菱PLC特点................................................................7
2.1.4PLC的工作过程.............................................................................7
2.1.5I/O接口简介.....................................................................................8
2.2机械手........................................................................................................9
2.2.1机械手简介....................................................................................9
2.2.2机械手分类......................................................................................9
第3章设计主题部分..............................................................................................9
3.1机械手控制要求...........................................................................................9
3.2机械手控制系统设计步骤........................................................................10
3.3机械手工作过程..........................................................................................11
3.4用户I/O设备及所需PLC的I/O点数......................................................12
3.5设置PLC控制程序.....................................................................................14
附机械手动态演示图........................................................................................18
第4章论文小结......................................................................................................19
参考文献....................................................................................................................20
第1章前言
1.1选题背景
大学三年的专业知识学习生涯即将结束，课程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的工作原理来控制材料搬运装置的技术基本已经成熟，其中得到愈来愈广泛的就是采用PLC控制搬运机械手来实现搬运材料的装置。
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调试机械手动态图
第2章PLC及机械手的介绍及选择
2.1可编程序控器PLC
2.1.1可编程序控器的简介
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。
2.1.2PLC的结构，种类和分类
PLC的结构
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，如图所示：
图1
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。
PLC常用的存储器类型：
（1）RAM（RandomAssessMemory）
这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。
（2）EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）
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（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）
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。
3.电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
常见的PLC的类型挺多的，有三菱的FX系列、西门子的S7系列、台湾的丰炜等等。
PLC的分类
（一）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。
（二）中型PLC
中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024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。
（三）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，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。
PLC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。
2.1.3FX2n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：
0.08μs/指令
应用指令:
1.52～数100μs/指令
3、安心、宽裕的存储器规格
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16～256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。
6、面向海外的产品适合各种安全规格
为大量实际应用而开发的特殊功能：
开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I/O，高速计数器。
定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。
对每一个FX2n主单元可配置总计达8个特殊功能模块。
2.1.4PLC的工作过程
1.初始操作（上电处理）
PLC未进入正式运行前，首先应确定自身的完好性。
这就是接通电源后的初始操作（见图）。
通电后，消除各元件的随机状态，进行清零或复位处理，检查I/O单元的连接是否正确（I/O总线）。
再做一道题，使它涉及各种指令和内存单元，若解题时间在to以内，则自身完好（否则，系统关闭），解题结束，将监控定时器to复位，才开始正式运行。
2.运行
·PLC的工作方式——（顺序）周期循环扫描
扫描——按分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，顺序进行，这种分时操作的过程称“CPU对程序的扫描”
·工作特点——集中输入，集中输出（小型PLC）
1.四大类操作
（1）公共操作——故障诊断及处理（自检），一般故障，只报警，不停机
（2）I/O操作——联系现场的数据输入及控制信号的输出
（3）执行用户程序——顺序循环扫描
（4）服务外设
2.四大类处理过程
输入采样
三个阶段执行用户程序
输出刷新
2.1.5I/O接口简介
（1）I/O接口的概念CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。
存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是指I/O接口。
（2）接口的分类
I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外围设备联系在一起，按照电路和设备的复杂程度，I/O接口的硬件主要分为两大类：
1）I/O接口芯片
这些芯片大都是集成电路，通过CPU输入不同的命令和参数，并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作，常见的接口芯片如定时／计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。
2）I/O接口控制卡
有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件，或者直接与CPU同在主板上，或是一个插件插在系统总线插槽上。
按照接口的连接对象来分，又可以将他们分为串行接口、并行接口、键盘接口和磁盘接口等。
2.2机械手
2.2.1机械手简介
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。
2.2.2机械手分类
机械手一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。
它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。
第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。
在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。
通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。
第3章设计主题部分
3.1机械手控制要求
机械手运动各检测元件、执行元件及分布动作如图2所示，全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。
其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀控制。
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，机械手停止下降，但保持现有的动作状态。
只有在上升电磁阀通电时，机械手才上升。
当上升电磁阀断电时，机械手停止上升。
同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。
机械手的放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀控制，该线圈通电时，机械手夹紧；该线圈断电时，机械手放松。
机械手右移到位并准备下降时，必须对右工作台进行检查。
确认上面无工件才允许机械手下降通常采用光电开关进行无工件检测。
图2机械手动示意图
3.2机械手控制系统设计步骤
根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。
（2）分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。
在此基础上确定PLC的选型。
（3）根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。
PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。
（4）对所设计的PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。
（5）保存已完成的程序。
3.3机械手工作过程
机械手在生产线上的任务是将工件从A处传送到B处。
根据外界情况，机械手在空间上主要进行以下动作：
机械手下降，机械手抓紧工件，机械手与工件上升，机械手与工件有右移，机械手与工件下降，机械手放松工件，机械手上升，机械手左移。
控制器检测上，下，左，右限位开关的通断，决定当前的动作，通过驱动系统输出，控制机械手的动作。
同时，用两位数码管显示搬运工件的数量。
（1）启动控制有2种，1个由启动开关安装在现场，1个由通过组态王软件控制。
在控制面板上，安装一个档位开关，分手动和自动两大档位，手动挡包括调试和回原位两档，自动挡分单步、半自动和全自动三档，要求自动挡的操作必须在回原位的基础上才能进行。
原位下降夹紧上升右移
左移上移放松下降
图3机械手结构示意图
（2）机械手的控制方式分为手动操作和自动控制两种方式。
手动控制分为手动和回原点两种操作方式；
手动：
用按钮对机械手的每一步运动单独进行控制。
例如，选择上、下运动时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮，机械手下降。
当选择左、右运动时，按下启动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。
其他类推。
此操作方式主要用于维修。
回原点：
在该方式下按动原点按钮时，机械手自动回归原点。
步进操作：
每按一次起动按钮，机械手前进一个工步即自动停止。
单周期操作：
每按一次起动按钮，机械手从原点开始，自动完成一个周期的动作后停止。
若按下停止按钮，机械手停止运行；再按起动按钮，从断点处开始继续运行，回到原点自动停止。
连续操作：
每按一次起动按钮，机械手从原点开始，自动的、连续不断地周期性循环。
若按下停止按钮，机械手完成正在进行的这个周期的动作，返回原点自动停止。
（3）机械手操作面板布置
图4机械手操作面板布置图
3.4用户I/O设备及所需PLC的I/O点数
分析可知，本控制需设工作方式选择开关1个。
占5个输入点；手动时设选择开关1个，占3个输入点；上下左右4个位置检测开关，占4个输入点；无工作检测开关1个，占1个输入点；原点、起动、停止3个按钮，占3个输入点，共需16个输入点。
实际应用时还要考虑15%的余量。
输出设备有上升/下降、左移/右移电磁阀，占4个输出点；夹紧/松开电磁阀，占1个输出点；设原点指示灯1个，占1个输出点。
共需6个输出点，实际应用时，还要考虑15%的余量。
综上分析，可选用FX2n-48MR型PLC,这种PLC有16个输入点，16个输出点，可满足控制要求。
输入
输出
X000
XOOOX000
SQ1
下降限位开关
Y00000
YA1
下降电磁阀
X001
SQ2
上升限位开关
Y001
YA2
上升电磁阀
X002
SQ3
右限位开关
Y002
YA3
夹紧电磁阀
X003
SQ4
左限位开关
Y003
YA4
右行电磁阀
X004
SQ5
无工件检测开关
Y004
YA5
左行电磁阀
X005
SA1-1111
左移/右移SA1-1
输入端子
输出设备
Y005
YA6
原点指示灯
X006
SA1-2
上升/下降
X007
SA1-3
夹紧/放松
X010
SA2-1
手动操作
X011
SA2-2
回原点操作
X012
SA2-3
步进操作
X013
SA2-4
单周操作
X014
SA2-5
连续操作
X015
SB1
原点按钮
X016
SB2
起动按钮
X017
XOOOX000
SB3
停止按钮
图5PLC输入输出端子分配表
图6PLC输入输出端子接线图
3.5设置PLC控制程序
PLC控制程序主要由手动操作和自动操作两部分组成，自动操作程序包括步进操作、单周操作和连续操作程序。
使用功能指令FNC60（IST），能自动设定与各个运行方向相对应的初始状态，是程序简化。
使用时，必须指定如下具有连续编号的输入点。
如果无法指定连续编号，则要用辅助继电器M，重新安排输入编号，在设置FNC60（IST）时，将M作为首输入原件号。
X010：
手动X014：
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