plc触摸屏综合设计.docx
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plc触摸屏综合设计
绪论
机械手：
mechanicalhand，也被称为自动手，autohand。
能模仿人手和臂的某些功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具它可以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、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、材料和作业要求而由多种结构形式，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，被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。
一般专用机械手由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1章机械手概况
1.1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方法，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方法。
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；金届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。
1.1.1机械手的应用
国内外机械工业、铁路部门中机械手主要应用于以下几方面：
1.热加工方面的应用
热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。
为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。
2.冷加工方面的应用
冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。
进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。
最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。
3.拆修装方面
拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。
目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、活除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。
近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。
近些年，随着电脑技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。
1.1.2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
防止人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它蠹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。
在一些动作简单但乂重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以防止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。
1.1.3机械手的发展概况
专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。
由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。
智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。
目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。
90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。
90年代以后，随着电脑技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。
总之，目前机械手的主要经历分为三代：
第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，改良的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子电脑控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。
研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。
它与电子电脑和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS（Flexible
ManufacturingSystem）和柔性制造单元FMC（FlexibleManufacturingCell）中重要一环。
1.1.4机械手的发展趋势
目前国内工业机械于主要用于机床加工、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。
因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、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，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、电脑控制机械手和组合式机械手等。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。
既便于设计制造，乂便于改换工作，扩大了应用的范围。
同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于电脑联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。
目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。
如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。
为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。
如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。
视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪〔即距离传感器〕以及卫星电脑。
工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给电脑，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。
触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。
工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。
手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，到达自动调整握力的大小。
总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。
到1995年，全世界约有50%勺汽车由机械手装配。
现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
1.1.5PLC概况及在机械手中的应用
1.可编程序控制器的应用和发展概况
可编程序控制器〔programmablecontroller〕,现在一般简称为PLCCprogrammablelogiccontroller〕,它是以微处理器为基础，综合了电脑技术、
半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通
用的工业自动控制装置。
以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。
在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。
传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格廉价等优点，在工业生产中应用其广。
但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘〔柜〕就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。
2.PLC的应用概况
PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说但凡
需要控制系统存在的地方就需要PLC,尤其近几年来PLC的性价比不断提高已
被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。
按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面：
〔1〕用于逻辑控制
这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。
用PLC取代继电器控制和顺
序控制器控制。
例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。
〔2〕用于模拟量控制
PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。
〔3〕用于机械加工中的数字控制
现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制〔NO及电脑控制〔CNC紧密结合，实现数字控制。
〔4〕用于多层分布式控制系统
高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与
远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。
从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。
3.PLC的特点
〔1〕可靠性高、抗十扰能力强
PLC能在恶劣的环境如电磁十扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等
中可靠地工作,PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC
平均无故障时间间隔长达30万h,这是一般微机所不能比拟的。
〔2〕控制系统构成简单、通用性强
由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变
软件程序。
〔3〕编程简单、使用、维护方便
〔4〕组合方便、功能强、应用范围广
PLC既可用于开关量的控制乂可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，乂可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，乂可控制复杂系统。
因此，PLC应用范围很广。
〔5〕体积小、重量轻、功耗低
PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。
4.PLC在机械手中的应用
机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗十扰能力强；控制系统构成简单、通用性强；编程简单、使用、维护方便；组合方便、功能强、应用范围广；体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动。
第2章机械手总体设计方案
2.1机械手的结构
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手
动控制等操作方式。
工作方式的选择可以很方便地再操作面板上表示出来。
当旋钮打向原点时，系统自动地回到左上角位置待命。
当旋钮打向自动时，系统自动完成个工步操作，且循环动作。
当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。
2.1.1执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
1.手部
即与物体接触的部件。
由于与物体接触的形式不同，可分为加持式和吸附式，在本课题中我们采用加持式结构。
加持式手部由手指〔或手爪〕和传动机构所构成。
手指是与物体直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。
回转型手指结构简单，制造容易，故应用广泛。
平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。
手指结构取决于被抓取物体的外表形状、被抓部位〔是外廓或是内孔〕和物件的重量及尺寸。
常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。
而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物体的任务。
传力机构型较多时常用的有：
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
2.手腕
手部是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位〔即姿势〕。
3.手臂
手臂是支撑被抓物体、手部、手腕的重要部位。
手臂的作用是带动手指去抓取物体，并按预定要求将其搬运到指定的位置。
工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件〔如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、和凸轮机构等〕与驱动源〔如液压、气压或电机等〕相配合，以实现手臂的各种运动。
4.立柱
立柱是支撑手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降〔或俯仰〕运动均与立柱有密切的联系。
机械手的立柱因工作需要，有时也可以横向移动，即称为可移式立柱。
5.行走机构
当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。
滚轮式被分为有轨的和无轨的两种。
驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。
6.机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
2.1.2驱动机构
驱动机构是由驱开工业机械手执行机构运动的动力装置、调节装置和辅助
装置组成。
常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。
2.1.3控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。
目前工业机械手
的控制系统一般由程序控制系统和电气定位〔或机械挡块定位〕系统组成。
控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息〔如运动顺序、运动轨迹、运动速度及时间〕，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
2.1.4位置检测装置
控制机械手执行机构的运动装置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度到达设定位置。
2.2机械手的分类
工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂时按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。
2.2.1按用途分
机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：
1.专用机械手
它是附届于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。
专用机
械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。
2.通用机械手
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。
各
性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。
通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。
通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种：
简易型以“开-关”式控制定位，
只能是点位控制；伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型运用机械手届于数控类型。
2.2.2按驱动方式分
1.液压传动机械手
液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特
点是：
抓重可达几白公斤以上、传动平稳、机构紧凑、动作灵活。
但对密封装置要求严格，不然油的泄露对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。
假设机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控
制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
2.气压传动机械手
气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主
要特点是：
介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。
但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高温、高速、轻载和粉尘大的环境中进行工作。
3.机械传动机械手
机械传动机械手是由机械传动机构〔如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等〕驱动的机械手。
它是一种附届于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。
它的主要特点是运动准确可靠，用于工作的上、下料，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。
4.电力传动机械手
电力传动机械手是有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直
接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机构结构简单。
其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。
此类机械手目前还不多，但有发展前途。
2.2.3按控制方式分
1.点位控制
它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。
假设欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。
目前使用的专用和通用工业机械手均届于此类。
2.连续轨迹控制
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移
动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。
这类工业机械手一般采用小型电脑进行控制。
2.3
气动机械手的控制要求
TV5
m:
件
图2.1气动机械手的动作
气动机械手的动作示意图如图2.1所示，气动机械手的功能是将工件从A处移动到B处。
控制要求为：
1气动机械手的升降和左右移动分别有不同的双线圈电磁阀来实现，电
磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动；
2上升、下降的电磁阀线圈分别为YV2、YV1;右行、左行的电磁阀线圈为YV3YV4;
3机械手的火钳由单线圈电磁阀YV5来实现，线圈通电时夹紧工件，线圈断电时松开工件；
4机械手的火钳的松开、火紧通过延时1S实现；
5机械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程开关SQtSQ2SQ3
SQ4来实现；
图2.2机械手的操作面板
原位下限位加紧限位上限位
左限位右限位松开限位
返回
图2.3机械手的显示面板
机械手的操作面板如图2.2所示。
机械手能实现手动、回原位、单周期和连续等四种工作方式。
1手开工作方式时，用个按钮的电动实现相应的动作；
2回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则机械手自动返回原位；
3单周期工作方式时，每按下一次启动按钮，机械手只运行一个周期；
4连续工作方式时，机械手在原位，只要按下启动按钮，机械手就会连续循环工作，直到按下停止按钮；
5传送工件时，机械手必须升到最高点才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其他工件；
6出现紧急情况，按下紧急停车按钮时，机械手停止所有的操作。
第3章气动机械手系统的设计
名称
代号
输入
名称
代号
输入
启动
SB1
夹紧
SB7
停止
SB2
单步右移
SB5
下限行程
SQ1
放松
SB8
上限行程
SQ2
单步上升
SB4
右限行程
SQ3
单步下降
SB3
左限行程
SQ4
单步左移
SB6
急停
SQ5
回原位
SQ6
手动
SQ7
自动
SQ8
单周期
SQ9
表3.2输出点分配表
名称
代号
输出
名称
代号
输出
电磁阀卜降
YV1
电磁阀右行
YV3
电磁阀夹紧
YV5
电磁阀左行
YV4
电磁阀上升
YV2
原点指示
HL
SHOO
下赋上婀那位瑚
IM
AC220V
KM
Kil
Bl
11
右行
下降夹紧上升
DC24VL
2M
图3.1原理接线图
4.1制作过程
第4章触摸房的制作
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设备展性
图4.3设备属性
图4.4设备属性
通讯口设置
图4.5通讯口设置
图4.6窗口设置
图4.7位状态设置元件属性
祈埔位状奢切趣开关元并
图4.8位状态切换开关元件
图4.9机械手的操作面板
图4.10机械手的显示面板
第5章系统的调试
5.1设计注意事项
设计时主要应注意以下几方面：
1.PLC输出电路中没有保护，因此在外部电路中应设置申联熔断器等保护装置，以防止负载短路造成PLC损坏，熔断器容量一般为0.5A。
2.PLC存在I/O响应延迟问题，因此在快速响应设备中应加以注意。
3.编制控制程序时，最好用模块结构程序。
这样既可增强程序的可读性，方便调试和维持工作；乂能使数据库结构统一，方便组态时变量标签的统一编制和设备状态的统一显小0
4.硬件资源。
要合理配置硬件资源，以提高系统可靠性。
如PLC电源配电系统要配备冗余的USB不问断电源，以排除停电对全线运行的不利影响。
乂如对电机的控制回路要进行继电器隔离，以消除外部负载对I/O棋板的可
能损坏。
另外，系统设备要采用独立的接地系统，以减少杂波十扰。
5.2使用要点
1.抗十扰措施。
来自电源线的杂波，能造成系统电压畸形，导致系统内
电气设备的过电压、过负荷、过热甚至烧毁元器件，造成PLC等控制设备误
动作。
所以，在电源入口处最好应设置屏蔽变压器或电源滤波等防十扰设施。
其中，电源滤波器的地线要以最短线路接到中央
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