基于三菱PLC的机械手控制系统设计.docx
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基于三菱PLC的机械手控制系统设计
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毕业设计（论文）
基于三菱PLC的机械手控制系统设计
DESIGNOFMANIPULATORCONTROLSYSTEMBASEDONMITSUBISHIPLC
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摘要
在机械加工行业，机械手使用的已经很多了，是自动化生产中最为重要的元素，现在车间工人的劳动环境改善了很多，劳动生产率也是提高了很多。
本文设计的是基于三菱PLC的机械手控制系统设计，该机械手主要由L1-25型单向节流阀和24D2H-15-S1型二位五通电磁阀组成的气压回路驱动，由气动机械手实现物件的抓取，利用气缸实现物件的移动，采用行程开关来实现物料的摆放，运用欧光PSD-1010（2D-PSD）光电位敏传感器来检测工件的位置，最后使用三菱FX2N-48MR来控制电磁阀，从而实现机械手臂的旋转-下降-伸出-夹紧-收回-上升-旋转-下降-松开-上升的控制功能。
关键词机械手；PLC；气压驱动；电气元件
Abstract
Inthemachiningindustry,therobothasbeenusedalot,istheautomatedproductionofthemostimportantelementsofplantworkersarenowalotofworktoimprovetheenvironment,laborproductivityisalsoimprovedalot.
ThisdesignisbasedontheMitsubishiPLCrobotcontrolsystemdesign,therobotconsistsofL1-25typewaythrottleand24D2H-15-S1typetwofive-waysolenoidvalvepneumaticcircuitisdrivenbyapneumaticmanipulatortoachievetheobjectcrawl,mobileaircylindertoachievetheobject,usingthelimitswitchtoachievethedisplayofmaterials,theuseofEuropeanlightPSD-1010（2D-PSD）positionsensitivephotoelectricsensortodetectthepositionoftheworkpiece,lastusedtocontroltheMitsubishiFX2N-48MRsolenoidvalve,inordertoachievetherotatingmechanicalarm-thedrop-projecting-clamping-recover-rising-rotation-fall-Release-increasedcontrolfunctions.
KeywordsManipulator;PLC;Pneumaticdrive；Electricalcomponents
1绪论
机械手诞生在上世纪六十年代，到现在也发展了四十多年了，现在机械手是工业化制造里面一个自动化的关键装置。
现在，机械手的发展很快，有了仿照忍受的机械手，微型的机械手还有操作机械手的微操作系统，机械手化及其，只能机械手等等。
机械手使用的范围已经从原来的工业行业到现在的服务业方向发展，而且发展的很快，在军事上面使用的也是很多的。
国外方面：
这些年国外机械手的发展主要体现在以下几个方面：
机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统现在跟PLC结合在一起，开放式的控制；传感器在机械手上面使用的越来越多，在虚拟的世界里面，机械手制造是仿照人手进行的，预演还有在过程里面进行控制。
国内方面：
目前存在一些机种方面，假如喷涂机械手，在对机械手进行设计还有操作的时候就相对熟悉了，将机械手控制系统进行了设计还有配置，对软件业进行了设计还有编程，这样自动化的一些列的过程就有了；在基础的元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了一些突破。
单从技术这个层面来说，国家目前已经可以自主进行机械手的研究了。
1.1机械手的概述
1.1.1机械手的设计背景
机械手的技术目前已经联系到了力学，机械，电气，液压，计算机，传感器等等，所以说机械手是一个综合学科产生的技术。
最近这些年以来，因为计算机还有电子，传感器的技术使用的是越来越多，所以现在机械手已经是提高劳动生产率的关键。
在PLC的帮助下，因为PLC进行工业处理的能力很强大，所以结合了PLC以后，工业自动化就可以实现了。
在这个设计方案上面对机械手进行设计，要能够实现加工的产品的要求，这样加工出来的产品的质量就提高了很多，使用了机械手以后，劳动力就解放了很多，工人的工作环境就改变了很多，劳动强度也在一定程度上降低了，成本也减少了很多，工作效率提高了，所以机械手的诞生意义很重大。
在同一时间，在组态软件的帮助下，系统的工作效率相对提高了很多。
所以，在自动化的生产线上还有综合加工的生产线上面，现在基本上都还是人工，为了能够减少劳动力还要将生产的节拍控制好，这样进行生产的时候就非常有节奏了。
工业上使用的机械手在最近这些年发展的很迅速，它是一种拥有高科技，自动化的机器。
机械手其实是机器人的一种，机械手最大的特点就是可以实现进行程序的编制，然后按照这个程序来进行工作，机械手的结构还有性能上面，具有了人的优点也具有了机器的优点，这样机械手的智能化就更高了，而且适应性也高了很多。
机械手在进行工作的时候准确性更高，而且不管什么样的环境都可以进行工作，所以机械手的市场前景分厂看好。
结合上面的描述，对机械手进行利用是将来工业上面发展的方向。
1.1.2机械手的组成
机械手的组成部分由执行装置，驱动装置还有控制系统。
执行装置的组成由手部，手臂还有躯干。
将手装在手臂的前面，这样手可以旋转起来，将手指打开或关闭。
机械手的手指的结构是仿照人的手指来制造的，它的关节有无关节，固定关节和自由关节。
机械手的手指部分可以分成两指，三指，四指等等，在这个里面两指用的是很多的。
可以按照实际抓取的对象的形状还有大小来装形状不一样，尺寸不一样的夹头，这样操作起来就很方便。
本次设计里面使用的是两个指头的结构。
手臂是用来指挥手指抓取物料，然后将这个物料送到需要的地点上面。
为了确定机械手工作的准确性，对于手臂自由度要进行准确定位。
也就是，机械手在进行运动的时候就是两种，一种是直线运动，一种是转动，所以机械手使用的执行装置是直线液压缸等。
机械手的躯干用来装手臂，动力源还有别的执行装置的。
机械手的驱动装置如下：
。
这个里面使用最多的驱动是电气驱动还有气动驱动，九成以上的机械手都是采用这两种动力，液压驱动还有机械驱动使用的相对比较少。
液压驱动的是液压缸，液压阀，还有油箱来实现传动的。
气压驱动的工作原理就是使用的零部件是气压缸，气马达还有气阀等等。
通常使用的气阀有4到6个，有的一些要到了8-10个大气压。
本次论文里面所设计机械手的动力是气压驱动。
在进行驱动的时候，直线运动时就是电动机将丝杠，螺母装置带动起来。
通用型的机械手使用的电动机是步进电动机还有直流或者是交流伺服电动机，还有变速箱等等。
本次论文里面使用的是步进电动机，直流电动机驱动手指还有机械手的底盘进行旋转运动。
机械驱动只适用于固定动作的场合。
对机械手进行控制的重点有工作的先后顺序，到达的地点还有工作的时间，运动的速度还有加速度、减速度等等。
对机械手进行控制时有点位控制还有连续轨迹控制，现在使用最多的是点位控制。
在对系统进行控制的时候可以按照动作的需要，在进行设计的时候使用的是数字顺序，先要进行编制程序，然后将这个程序储存起来，之后再按照之前设定好的程序，控制机械手进行工作。
如果机械手的动作很复杂，那么进行控制的时候使用的是数字控制，小型的计算机或者是微处理器。
设计的这个控制的系统可以进行编程，编程不复杂，而且工作的时候可靠性很高等等。
1.1.3机械手的分类及应用组合
机械手分为三大类。
一种是不需要人进行操作的机械手，但是这种机械手是独立的，不需要靠在任何一个主机上。
这个机械手可以按照事先设定好的程序进行工作。
这个机械手的特点是不仅具有机械的特性，还有机械，记忆，的功能。
还有一种是需要有人来进行操作的，一般把这种机器叫做操作机。
这个机械手一般用在原子，军事工业，在进行使用的时候是先用操作机将规定好的程序完成，然后发展到用无线电来控制机械手，来进行月球，火星的探测。
第三种是专门的机械手，这种机械手都是装在自动机床还有自动生产线上面的，主要是用来进行机床上的上料还有下料，还要对工件进行传输。
这种机械手主要是给主机来进行服务的，它的驱动是主机，除了一些少的机械手以外，这种程序通常是固定的，所以它就是专用的。
现在工业的发展很快，在工业上的自动化程度也高了很多，而且工作的环境也比原来差了很多，所以工人的操作技术水平要比原来高很多，在这样恶劣的环境下进行工作，工人的人身安全也有危险。
对于操作人员工作的环境还有内容要求的比较简单，所以有一些重复的工作通过机械手来完成就显得简单很多了，这样，进行工作的时候不需要操作人员亲身去跟需要加工的物件进行接触，防止出现伤害，比方说冶金行业，化工行业，医疗行业，航空航天等等。
进行机械加工的时候，使用机械手的频率很高，所以现在机械手发展的是很快的。
现在机械手主要是用在机床上，模锻的压力机上面，可以用来进行上料还有下料，也可以进行焊接等等工作，机械手可以按照之前编制好的程序进行工作，有的机械手还有传感反馈的功能，在出现意外情况的时候可以面对。
假如说机械手有偏移，那么就非常容易导致零件或者是机械坏，但是一旦机械手的上面有了传感反馈的功能，那么机械手在遇到情况的时候就会进行自我的调整。
在实际的生产中的时候，可以将材料进行传动的速度增快，可以对工件进行装卸，也可以将刀具换掉，还有可以对机器进行装配，这些都是自动化高的标志，使用机械手以后，劳动的生产效率提高了很多，生产成本也比原来降低很多，这样工业自动化的进程就加快了。
1.2机械手的发展及现状
1.2.1机械手的发展
机械手的概念是上世纪六十年代美国人提出来的。
但这个概念是由美国George•C•Pevol在1954年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。
在这个专利里面描述的机械手，从现在来看，就是说的示教再现机器人。
按照这个专利在上世纪六十年代的时候发明出来了数控自动化装置的原始机型。
随后，美国专业制造公司在上世纪六十年代的时候加工生产了一号机，这个机器的外形就跟坦克一样，使用的结构式极坐标的，但是另外一种机器人使用的是圆柱坐标的结构。
上面说到的两种机器人现在都是主要使用的结构，美国汽车公司在对金属进行冷加工还有热加工的时候，都是使用这种机器进行压，铸还有冲压的加工，对材料进行上料还有下料，效果都是很好的。
美国的机器人的发展，大概经过了几个过程：
1、1963~1967年对机械手进行实验，然后将机械手进行定型。
在这个时期，研发出来的机械手都是给用户来使用看是不是可以的。
到1967年的时候，加工出来的机械手大概有一千九百台。
2、1968~1970年为实验应用阶段。
这一时期，机器人机械手在美国进入应用阶段。
比方说美国的汽车公司就购买了六十八台的机械手；到了69年的时候，自己又研究出来了SAM的机械手，而且用21台机械手组成了焊接的生产线，这个生产线是自动化的。
3、1970年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。
1970~1972年，这段时间是机械手的发展的阶段。
到1970年四月份的时候，在美国召开了世界上第一个机械手的会议。
据当时统计，美国已采用了大约200台机器人机械手，工作时间共达60万小时以上。
在这个时期，还出现了当时说的高级机器人。
欧洲地区第一个机械手是1963年瑞典发明出来的。
日本早在上世纪六十年代初的时候就开始对固定程序控制的机械手进行研究了，而且当时还从别的国家引进了一些生产过程不一样的机械手，从中获得了很多有价值的技术，很快就研究出来了日本自己生产的机械手，关于机器人的研究水平很快就达到了发达国家的水平，后来还超过了他们，现在关于机器人的技术现在是世界最先进的。
国家研究的机器人比日本晚了五年左右，但是因为各种别的原因，机械手的技术发展的很慢。
但是现在受到了很大的重视，不仅引进国外的技术，对国外的技术进行消化还有仿制，现在还可以进行自我设计和研发。
在上世纪58年的时候，在新疆的一个广交会上，成都研究院研发的机器人会跳舞。
上世纪86年的时候，国家生产的机器人可以进行简单的对话。
清华大学研发出来的机器人，可以有人的眼睛还有首的功能，现在水平是很高的。
现在，机器人的听觉，视觉，还有说话功能等等都取得了很大的进步。
近几年来的我国在机械手的成就表明，我国的技术已经向前迈出了成功的一步。
相信用不了多久，一定回赶上世界各国前进的步伐。
1.2.2PLC控制系统的引用
文献[1]中作者用电动机直接控制机械手，电机的转动速度和机械手的停止位置取决于脉冲，控制方面采用三菱FX2N系列的PLC控制，最终能够实现机械手的上下移动、左右移动、180度回转和抓紧等功能。
文献[2]中运用电磁阀来控制伸缩旋转气缸，用限位开关检测伸缩旋转是否到位，用PLC直接控制电磁阀来实现机械手的动作。
文献[3]中首先进行了机械结构的设计，并采用气压驱动机械手，然后用欧姆龙公司的PLC和触摸屏控制电磁阀，实现机械手各动作的控制。
最后用编程软件CX-Programnie:
r7.0编程来实现机械手180度旋转、伸缩、手腕关节的转动和手爪抓取等动作。
文献[7]设计了机械手的机械结构和驱动回路，并采用SolidWorks软件来进行气动机械手的虚拟设计。
文献[9]中设计了一个3自由度的气动机械手，并设计了机械手的驱动回路，操作面板触摸屏以及控制系统。
文献[10]中首先对机械手进行了结构的介绍，然后决定采用气动技术来驱动机械手，之后对各组件的作用，元器件的选型和PLC硬件设计做了详细的说明，最后进行了PLC梯形图，流程图的设计和PLC指令表的编写,实现了机械手的半自动化和全自动化的控制。
课题研究中，主要运用了引用文献法等常用的研究方法。
文献[17]中首先选用三菱FX2N-48MR型号的PLC，然后加入人机界面，使其与PLC联合控制机械手，并使用SIMATICWinCCflexible软件对触摸屏进行了设计，最后在人机界面中添加了变量,并将其与控制系统连接，从而运用触摸屏来控制和监测机械手。
文献[18]对PLC的具体选型，PLC的硬件软件设计做了详细的说明，还介绍了48MRPLC的通信网络的设计思路和解决的问题。
文献[19]中采用PLC同时控制两个气压马达，从而实现机械手的横向纵向的移动，同时还用了人机界面对对机械手进行了状态检测，以确保机械手正常安全运行。
1.3本课题研究的主要内容及技术路线
1.3.1本课题研究的主要内容
……………………………..
1.3.2本课题研究的技术路线
……………………..
1.4控制要求及机械手参数
1.4.1控制要求
2机械手的机械设计
2.1执行机构的设计
2.1.1工作原理及组成
结论
我论文中的机械手是3个自由度的机械手，由单向节流阀和二位五通电磁阀组成的气压回路驱动，由气动机械手实现物件的抓取，利用气缸实现物件的移动，采用行程开关来实现物料的摆放，使用三菱
FX2N-48MR来控制电磁阀，降低了机械手的控制和复杂程度，在学习上面的知识也不足，还请各位老师指正。
在构想的机械手的设计中，我查了好多的相关书籍，图片，资料和网上的相关资料，特别是在资料中看到的其他的总的设计资料中，我所学习的知识的到了更好的提升；在这次的机械手的设计中，让我对机械上面的知识有了更多的了解，因此让我对机械方面有了更高的了解。
通过这次的机械手设计业让我的设计能力的到了很大的提高。
我希望通过本次毕业设计对自己未来将从事的工作是更高的提升，这样能更好的锻炼自己的能力，为将来的工作能更好的发挥。
致谢
参考文献
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56-93.
附录
附录1气压控制原理图
附录2输入输出分配表
名称
代号
输入
名称
代号
输入
启动
SB1
X0
加紧
SB5
X12
右转限位开关
SQ1
X1
放松
SB6
X13
左转限位开关
SQ2
X2
单步上升
SB7
X14
上限行程开关
SQ3
X3
单步下降
SB8
X15
下限行程开关
SQ4
X4
单步向前
SB9
X16
前限行程开关
SQ5
X5
单步向后
SB10
X17
后限行程开关
SQ6
X6
单步左转
SB11
X20
停止
SB2
X7
单步右转
SB12
X21
手动操作
SB3
X10
回原点
SB13
X22
连续操作
SB4
X11
工件检测
SQ5
X23
名称
代号
输出
名称
代号
输出
接触器右转
KM1
Y0
电磁阀向后
YV4
Y5
接触器左转
KM
Y1
电磁阀下降
YV5
Y6
电磁阀放松
YV1
Y2
电磁阀上升
YV6
Y7
电磁阀加紧
YV2
Y3
原点指示
EL
Y10
电磁阀向前
YV3
Y4
附录3外部接线图
附录4状态控制图
附录5梯形图
..
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