完整版PLC机械手1毕业设计论文.docx
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完整版PLC机械手1毕业设计论文
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中南大学
毕业设计（论文）任务书
韶关高级技工学校站电气自动化专业09级姓名
毕业设计（论文）题目：
交流伺服电机驱动PLC控制的机械手
起止日期：
2011年2月21日至2010年3月20日
指导教师：
杨锋
毕业设计（论文）要求（包括日程安排和进度）：
一、任务：
机械原点设在可动部分左上方，即压下左限开关和上限开关，并且工作处于放松状态，下降、上升和左、右移动由交流伺服电机驱动实现的，当工件处于工作台B上方准备下放时，为确保安全，用光电开关检测工作台B有无工件，只在无工件时才发出下放信号。
机械手工作循环为：
启动右移下降夹紧
上升正摆下降放松上升左移
反摆
二、要求：
（1）电气原理图设计，工作方式设置为自动循环和点动两种；
（2）PLC梯形图设计，工作方式设置为手动和自动。
其手动方式包括：
单一、回原点；自动包括：
单步运行、单周运行、连续运行。
（3）有必要的电气保护和联锁；
（4）自动循环时应按上述顺序动作。
（5）任务上的机械手动作图：
三、日程安排和进度
（1）机械手动工作原理一天{讲课}
（2）气--电工作原理一天{讲课}
（3）电气原理图设计三天
（4）PLC梯形图设计调试五天
（5）写论文五天
（6）论文修改三天
（7）论文答辩两天
审查意见：
院（站）负责人：
年月日
注：
本任务书由指导教师填写并审查后，复印一份交学生装订在毕业设计（论文）的封面之后，原件存函授站。
摘要：
机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。
机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。
该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。
本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。
本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。
关键词：
机械手交流伺服点机PLC
目录
摘要………………………………………………………………1
第一章机械手简介…………………………………………5
第一节概述…………………………………………………5
第二节机械手的组成………………………………………5
第三节机械手的应用………………………………………5
第二章机械手的控制方案与选择……………………6
第一节控制要求……………………………………………6
第二节机械手的控制系统设计方案的比较………………7
第三章PLC的简介……………………………………8
第一节PLC的产生…………………………………………8
第二节PLC定义与特点……………………………………8
3.2.1PLC定义………………………………………….8
3.2.2PLC特点………………………………………….9
第3节可编程控制器的主要性能指标……………………9
第4节可编程控制器的分类………………………………..10
第5节PLC系统的组成…………………………………….11
3.5.1PLC的硬件结构…………………………………..11
3.5.2PLC的软件……………………………………….11
第六节可编程控制器的工作方式…………………………..11
第七节PLC的编程语言……………………………………..12
第八节PLC的应用领域……………………………………..13
第四章伺服电动机……………………………………..……15
第一节伺服电动机的简介……………………………………..15
第二节交流伺服电动机的简介………………………………15
第五章机械手电路图分析…………………………………16
第六章顺序控制状态转移图…………………………………19
第七章PLC程序图……………………………………..…………20
第八章程序指令表……………………………………..………22
第九章毕业设计总结……………………………………24
第十章致谢词……………………………………………25
参考文献…………………………………………………………26
引言
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。
随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。
同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。
在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。
该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。
我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。
由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。
第一章机械手简介
第一节概述
机械手首先是由美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。
机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可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。
第二节机械手的组成
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。
第三节机械手的应用
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。
另外，机械手在锻造工业中的应用不仅能进一步发展锻造设备的生产能力，而且还能改善热、累等劳动条件。
第二章机械手的控制方案与选择
第一节控制要求
如下图所示为某生产车间中自动化搬运机械手，用于将左工作台上的工件搬运到右工作台上。
机械手的全部动作由液压驱动。
液压泵由电磁阀控制，其上升下降、左移右移运动由双线圈两位电磁阀控制，即上升电磁阀得电时机械手上升，下降电磁阀得电时机械手下降。
夹紧放松运动由单线圈两位电磁阀控制，线圈得电时机械手夹紧，断电时机械手放松。
图2.1机械手的动作示意图
为便于控制系统调试和维护，本控制系统应有手动功能和显示功能。
当手动自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，就可实现上升、下降、左移、右移、夹紧、放松的手动控制。
当机械手处于原位时，将手动自动转换开关置于“自动”位置时，进入自动工作状态，手动按钮无效。
第二节机械手的控制系统设计方案的比较
在工业自动化生产中常用的控制系统有：
传统的继电器—接触器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种。
但从使用性、经济性、可靠性出发，本设计选用了PLC。
因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是用于各种传感器在复杂的条件下工件的传输，主要动作是上升、下降、左移、右移、夹紧、放松和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主。
是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，特别是替代继电器控制系统，这更是它的优势。
第三章PLC的简介
第一节PLC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。
第二节PLC的定义和特点
3.2.1PLC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。
3.2.2PLC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，抗干扰能力强用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工作环境，远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。
（2）编程简单，易于掌握PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。
（3）功能完善，灵活方便随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。
既可以单机使用、也可联网运行，既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。
而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。
（4）体积小、质量轻、功耗低由于采用了单片机等集成芯片，体积小、质量轻、机构经凑、功耗低。
第三节可编程控制器的主要性能指标
可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项指标。
（1）输入输出点数（IO）IO点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。
它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。
（2）存储容量存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储容量。
（3）扫描速度一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us步。
（4）功能扩展能力可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。
如AD模块、DA模块、位置控制模块等。
（5）指令系统指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。
第四节可编程控制器的分类
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。
整体式的PLC是将电源、CPU、存储器、输入输出单元等各个功能部件集成在一个机壳内，从而具有结构经凑、体积小、价格低等优点，许多小型PLC多采用这种机构。
模块式的PLC将各个功能部件做成独立模块，如电源模块、CPU模块、IO模块等，然后进行组合。
（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。
1）小型PLC。
型PLC的IO点数在256点以下，存储容量在2K步以内，其中输入输出点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。
2）中型PLC。
中型PLC的开关量IO点数通常在256~2048点之间，用户程序存储器的容量为2~8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量IO、数字计算、过程参数调节，如比例、积分、微分（PID）调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程IO及通信联网功能。
3）大型PLC。
大型PLC也称为高档PLC，IO点数在2048点以上，用户程序存储容量在8K以上，其中IO点数大于8192点的又称为超大型PLC，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。
第五节PLC系统的组成
PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构上与微型计算机控制系统相似，也是有硬件系统和软件系统两大部分组成。
3.5.1PLC的硬件结构
一套PLC系统在硬件上由以下几部分组成：
（1）中央处理器（CPU）与计算机一样，是PLC的核心部件。
（2）存储器PLC配有两种存储器：
系统存储器和用户存储器。
（3）输入输出（IO）接口电路。
（4）电源。
（5）扩展单元。
（6）外部设备。
3.5.2PLC的软件
PLC的软件是指PLC所使用的各种程序的集合。
它由系统程序（系统软件）和用户程序（用户软件）组成。
（1）系统程序系统程序包括监控程序，输入译码程序及诊断程序等。
（2）用户程序用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。
第六节可编程控制器的工作方式
可编程控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。
从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的循序逐条执行程序，即按循序逐条执行程序直到程序结束。
然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。
可编程控制器工作的扫描过程包括五个阶段：
内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。
PLC完成一次扫描过程所需的时间成为扫描周期。
扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。
第七节PLC的编程语言
PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。
其中前两种语言用的较多，流程图语言也在许多场合被采用。
1.梯形图语言
（1）梯形图从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。
PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。
（2）图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。
每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止母线可以省略。
（3）梯形图中的触点有两种，即动合触点和动断触点。
（4）梯形图的最右端必须连接输出元素。
（5）梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。
2.助记符语言
助记符语言是PLC命令的语言表达式。
用梯形图编程虽然直观、简便，但要求PLC配置较大的显示器放可输入图形符号，这在有些小型机上常难以满足，所以助记符语言也是一种较常用的一种编程方式。
不同型号的PLC，其助记符语言也不同，但其基本原理是相近的。
编程时，一般先跟据要求编制梯形图语言，然后再根据梯形图转换成助记符语言。
3.顺序功能图语言
顺序功能图SFC是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，主要由“步”、“转移”及“有限线段”等元素组成，它将一个完整的控制工程分为若干个阶段（状态），各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，条件满足就实现状态转移，上一状态动作结束，下一动作开始。
第八节PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的AD转换及DA转换。
PLC厂家都生产配套的AD和DA转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量IO模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6、通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
第四章伺服电动机
第一节伺服电动机的简介
伺服电动机又称执行电动机。
其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。
伺服电动机可控性好，反应迅速。
是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。
第二节交流伺服电动机简介
交流伺服电动机，是将电能转变为机械能的一种机器。
交流伺服电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。
电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。
交流伺服电动机主要由定子部分和转子部分组成，其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组（其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组）。
交流伺服电动机控制精度高，矩频特性好，具有过载能力，多应用于物料计量，横封装置和定长裁切机上。
交流伺服电动机的特点：
不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。
第五章机械手电路图分析
启动—右移—下降—夹紧—上升--正摆—下降—放松—上升—左移—反摆
循环分析
在工件到位时，机械手右移，到达右限位，机械手下降，到达下限位，机械手夹紧，一定时间后，机械手上升，到达上限位，机械手臂向正摆，到达左工作台时，机械手下降，到达下限位，机械手放松，一定时间后，机械手上升，到达上限位，机械手左移，到达左限位，机械手反摆，回到原点。
当机械手处于原位时，按动SA1接通电路，左限位开关SQ左、SQ上、SQ反摆被压合。
闭合SA2，由于SQ左、SQ上、SQ反摆被压合，KM1得电，闭合自锁，机械手右移。
状态右移碰到SQ右，压合SQ右，接通KM2，KM2闭合自锁，机械手下降。
下降到压下限位开关SQ下，SQ下闭合，KM3得电闭合自锁同接通时间继电器KT1。
KM3闭合，机械手夹紧，5秒后，时间继电器延时闭合常开触头闭合，碰到KM4，KM4得电闭合自锁与KA1也得电闭合自锁。
KM4得电，机械手上升到压下上限位开关SQ上，停止上升。
SQ上闭合，接通KM5，机械手正摆，到压下SQ正摆，接通KM2得电闭合自锁，机械手开始下降。
碰到压下SQ下，接通KM8与时间继电器KT2线圈得电。
KM8得电闭合自锁，机械手放松。
5秒后，时间继电器延时闭合常开触头KT2闭合。
接通KM4，KA1线圈也得电闭合自锁。
机械手上升压合SQ上,机械手开始左移，到压下SQ左，接通KM7，闭合自锁。
机械手反摆动作，到压下SQ反摆，机械手回归原点，再开始第二次循环动作。
若按SA1，机械手停止动作。
至此，机械手通过了八步完成了一个周期的动作
点动分析
闭合SA1手动控制档
1.机械手右移
按下SB1,机械手右移，到达限位开关SQ右时停止。
若突然断开SB1，机械手也会停止右移
2.机械手左移
按下SB7，机械手左移，到达限位开关SQ左时停止，若突然断开SB7，机械手也会停止左移。
3.机械手上升
按下SB5，机械手上升，到达限位开关SQ上时停下。
若突然断开SB5，机械手也会停止上升
4.机械手下降
按下SB2，机械手下降，到达限位开关SQ下时停下。
若突然断开SB2，机械手也会停止下降。
5.机械手夹紧
按下SB3，机械手夹紧，到时间继电器延时断开常闭触头断开，KM3断电，机械手实现夹紧工件。
6.机械手放松
按下SB4，机械手放松，到时间继电器延时断开常闭触头断开后，机械手松开工件。
7.机械手正摆
按下SB6，机械手正摆，到达碰到限位开关时停下。
若突然断电，机械手会停止正摆
8.机械手反摆
按下SB8，机械手反摆，达到碰到限位开关时停下。
若突然断电，机械手会停止反摆。
单周运行
机械手从原点开始，按下启动暗流SA1开始自动运行性状态，接通SA2后，机械手开始动作，这时断开SA2，机械手不会立即停止动作，在机械手自动完成一个周期的动作后，即SA2是机械手实现连续循环和单周循环的选择按钮。
在机械手动作循环过程中，有许多为安全起见的电气联锁。
IO分配表
第六章顺序控制状态转移图
把按钮置于单周档X7，机械手回到原点，须按下启动按钮机械手才能启动。
选择循环档X5，机械手自动循环。
机械手状态流程为：
启动-右行-下降-夹紧-上升-正摆-下降-放松-上升-左行-反摆。
第七章PLC程序图
如图可知，当输出Y1时，机械手右移；输出Y2时，机械手下降；输出Y3时，机械手夹紧与时间继电器工作；输出Y4时，机械手上升；输出Y5时，机械手正摆；再次输出Y2，机械手下降；输出Y10时，机械手放松与时间继电器工作；输出Y4，机械手上升；输出Y6，机械手左移；输出Y7，机械手反摆。
当条件满足时，才会进入下一步的程序。
这就是我们设计必要的
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