plc控制的材料搬運裝置畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　PLC控制的材料搬運裝置</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從機械手問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解。機械手可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)

2、，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。機械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。機械手是工業(yè)機器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱為工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備?？删幊炭刂破魇抢^電器控制和計算機控制出上開發(fā)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展成以微器處理為核心把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控

3、制裝置。本文應(yīng)用三菱公司生產(chǎn)的可編程控制器FX系列PLC，實現(xiàn)機械手搬運控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了可編程控制器（PLC）控制功能。使該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，時期功能范圍得到廣泛應(yīng)用。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：材料搬運，可編程控制器PLC ，機械手，限位開關(guān)</p><p>　　MATERIAL HANDING DEVICE WITH PLC CONTROL</p><p

4、><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In industrial production and other fields, because of the need of the work, people often endangered high temperature, corrosive and toxic gases and other factors, t

5、he increase in labor intensity, and even life-threatening. Since the manipulator was born, the corresponding problems be smoothly done or easily solved. The robot arms can catch, put and carry objects, flexible, applicab

6、le to small batch production, automation of production varieties can be switched, widely used in flexible automatic </p><p>　　KEY WORDS: material handling, programmable controller PLC,manipulator, limit swit

7、ch</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　前　言III</b></p><p>　　第1章 PLC和機械手的介紹2</p><p>　　1.1 可編程控制器PLC2</p><p>　　1.1.1 PLC的概況2</p>

8、<p>　　1.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)4</p><p>　　1.1.3 PLC的工作原理7</p><p><b>　　1.2 機械手8</b></p><p>　　第2章 可編程控制器的編程語言10</p><p>　　2.1 梯形圖編程語言10</p><p>　　

9、2.2 功能塊圖編程語言10</p><p>　　第3章 PLC控制機械手的系統(tǒng)設(shè)計11</p><p>　　3.1各電器設(shè)備的控制方式及控制要求11</p><p>　　3.1.1 機械手的技能和特性11</p><p>　　3.1.2 軀干和傳動系統(tǒng)11</p><p>　　3.1.3 機械手的選擇12

10、</p><p>　　3.2 電器元件、設(shè)備的選擇12</p><p>　　3.2.1 PLC機型的選擇12</p><p>　　3.2.2 輸入/輸出的點數(shù)13</p><p>　　3.2.3 電源模塊的選擇13</p><p>　　3.2.4 電動機的選擇14</p><p>　　

11、第4章 機械手控制程序設(shè)計15</p><p>　　4.1 控制要求15</p><p>　　4.2 控制流程圖15</p><p>　　4.3 I/O分配表17</p><p>　　4.4 梯形圖17</p><p>　　4.5 指令表19</p><p>　　4.6 PLC外部接

12、線圖23</p><p><b>　　結(jié)　論24</b></p><p><b>　　謝 辭25</b></p><p><b>　　參考文獻26</b></p><p><b>　　前　言</b></p><p>　　機

13、械手是工業(yè)自動化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應(yīng)用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視。總之，機械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段。國內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展。</

14、p><p>　　可編程序控制器(PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的實時工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機通信技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進步，已經(jīng)成為工廠自動化的標準配置之一。</p><p>　　由于自動化可以節(jié)省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性，如通用性好、實用性強、硬件配套

15、齊全、編程方法簡單易學(xué)，因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用PLC。機械手在美國、加拿大等國家應(yīng)用較多，如用果實采摘機械手來摘果實、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機器人等。我國自動化水平本身比較低，因此用PLC來控制的機械手還比較少。本次課題設(shè)計的機械手就是通過PLC來實現(xiàn)自動化控制的。通過此次設(shè)計可以更進一步學(xué)習(xí)PLC的相關(guān)知識，了解世界先進水平，盡可能多的應(yīng)用于實踐。</p><p>　　在設(shè)計的過程中，將有一定的困難，但有指導(dǎo)老師

16、的悉心指導(dǎo)和自己的努力，相信會完滿的完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。由于學(xué)生水平有限，而且缺乏經(jīng)驗，設(shè)計中不妥之處在所難免，肯請各位老師指正。</p><p>　　PLC和機械手的介紹 </p><p>　　1.1 可編程控制器PLC</p><p>　　1.1.1 PLC的概況</p><p>　　PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年

17、代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行

18、到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結(jié)果送給PLC的控制器。</p><p&

19、gt;　　通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器</p><p>　　PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控

20、制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（IEC）頒布了對PLC的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。</p><p>&

21、lt;b>　　1. PLC的特點</b></p><p>　　可編程序控制器是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機。國內(nèi)外現(xiàn)有的機械手系統(tǒng)，它們的控制形式大都采用可編程序控制器控制，特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍。其主要原因是因為PLC具有以下優(yōu)點：</p><p><b>　?。?

22、）靈活、通用</b></p><p>　　（2）可靠性高、抗干擾能力強</p><p>　　（3）操作方便、維修容易</p><p><b>　　（4）功能強</b></p><p>　?。?）體積小、重量輕和易于實現(xiàn)機電一體化</p><p>　　2. PLC的主要功能</p&

23、gt;<p>　　PLC是一種應(yīng)用面很廣、發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動化(FA)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)內(nèi)占重要地位。</p><p>　　PLC系統(tǒng)主要有以下功能：</p><p>　　（1）多種控制功能；</p><p>　　（2）數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能；</p><p>　?。?）通信聯(lián)網(wǎng)功能；<

24、;/p><p>　?。?）人機界面功能；</p><p>　?。?）編程、調(diào)試功能。</p><p>　　PLC的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應(yīng)地降低了價格。另外，采用PLC還可以大大縮短設(shè)計、編程和投產(chǎn)周期，使總價格進一步降低。PLC產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求。<

25、/p><p>　　3. PLC發(fā)展狀況及趨勢</p><p>　　現(xiàn)代PLC的發(fā)展主要有兩個趨勢：一是向體積更小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展。</p><p><b>　?。?）大型網(wǎng)絡(luò)化</b></p><p><b>　　（2）多功能&l

26、t;/b></p><p>　　1.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　可編程序控制器實施控制，其實質(zhì)就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個基本點，同時物理實現(xiàn)也是PLC與普通微機相區(qū)別之處，其需要考慮實際控制的需要，應(yīng)能排除干擾信號適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用，所

27、以PLC采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要是由微處理器（CPU）、存儲器（RAM/ROM）、輸入輸出接口（I/O）電路、通信接口及電源組成。PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：</p><p>　　圖1-1 PLC的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　一般講，PLC分為箱體式和模塊式兩種。但它們的組成是相同的，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當然按CPU性能分成若干型號

28、，并按I/O點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式PLC，有CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其I/O能力可按用戶需要進行擴展與組合。</p><p>　　CPU的構(gòu)成：PLC中的CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)

29、定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。</p><p><b>　　CPU功能：</b></p><p>　　1. 用掃描方式（后面介紹）接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器；</p&

30、gt;<p>　　2. 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；</p><p>　　3. 診斷電源和PC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編程過程中的語法錯誤；</p><p>　　4. 在PC進入運行狀態(tài)后：執(zhí)行用戶程序——產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號（從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，經(jīng)命令解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去啟閉有關(guān)的控制電路）</p><p>

31、;　　進行數(shù)據(jù)處理——分時、分渠道地執(zhí)行數(shù)據(jù)存取、傳送、組合、比較、變換等動作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯或算術(shù)運算任務(wù)</p><p>　　更新輸出狀態(tài)——輸出實施控制（根據(jù)運算結(jié)果，更新有關(guān)標志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，再由輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容，實現(xiàn)輸出控制、制表、打印、數(shù)據(jù)通訊等）</p><p>　　與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的

32、數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。</p><p>　　CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。 </p><p>　　CPU的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。</p><

33、p>　　CPU的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。</p><p>　　CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CPU芯片實際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對CPU內(nèi)部的詳細分析已無必要，我們只要弄清它在PLC中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。</p><p>　　CPU模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設(shè)定或控制開關(guān)。一般

34、講，CPU模塊總要有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接I/O模板或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi)存，有外設(shè)口，用于接外部設(shè)備，有的還有通訊口，用于進行通訊。CPU模塊上還有許多設(shè)定開關(guān)，用以對PLC作設(shè)定，如設(shè)定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。</p><p>　　I/O模塊：PLC的對外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點數(shù)確定

35、模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。</p><p>　　電源模塊：有些PLC中的電源，是與CPU模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源以其輸入類型有：交流電源

36、，加的為交流220VAC或110VAC，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24V。</p><p>　　底板或機架：大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。</p><p>　　PLC 的外部設(shè)備：外部設(shè)備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類</p><

37、p>　　1. 編程設(shè)備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。</p><p>　　2. 監(jiān)控設(shè)備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。</p><p>　　3. 存儲設(shè)備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用

38、于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如EPROM、EEPROM寫入器等。</p><p>　　4. 輸入輸出設(shè)備：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，打印機等。PLC的通信聯(lián)網(wǎng)：PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制?，F(xiàn)在幾乎所有的PLC新產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它和計算機一樣具有R

39、S-232接口，通過雙絞線、同軸電纜或光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的范圍內(nèi)交換信息。</p><p>　　1.1.3 PLC的工作原理</p><p>　　由于PLC以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方，若有鍵按下或有I/O變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無則繼續(xù)掃描等待。</p&g

40、t;<p>　　PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個掃描周期主要可分為3個階段。</p&

41、gt;<p><b>　　1.輸入刷新階段</b></p><p>　　在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。</p><p><b&

42、gt;　　2，程序執(zhí)行階段</b></p><p>　　在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸出刷新階段。</p><p><b>　　3.輸出刷新階段</b></p><p>　　當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸

43、出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。</p><p>　　由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段構(gòu)成PLC一個工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為I/O刷新階段。實際上，除了執(zhí)行程序和I/O刷新外，PLC還要進行各種錯誤

44、檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務(wù)”，一般在程序執(zhí)行之后進行。</p><p><b>　　1.2 機械手</b></p><p>　　機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)

45、合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度。</p><p>　　機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通

46、用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。</p><p>　　機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。</p><p>　　機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近

47、年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。</p><p>　　機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：機床加工工件的裝卸；在電子行

48、業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件；可在勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動；可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運；宇宙及海洋的開發(fā)；軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗等。</p><p>　　機械手簡述:機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復(fù)雜，但基本的組成形式是相同的，一般由執(zhí)行機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。</

49、p><p><b>　　1．執(zhí)行機構(gòu)</b></p><p>　　機械手的執(zhí)行機構(gòu)，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機構(gòu)，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進行上下、左右和回轉(zhuǎn)動作。簡單的機械手可以沒有手腕。支柱用來支撐手臂，也可以根據(jù)需要做成移動。</p><p><b>　　

50、2．傳動系統(tǒng)</b></p><p>　　執(zhí)行機構(gòu)的動作要由傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。常用機械手傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。</p><p><b>　　3. 控制系統(tǒng)</b></p><p>　　機械手控制系統(tǒng)的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進行動作，簡單的機械手一般不設(shè)置專用的控制系統(tǒng)，

51、只采用行程開關(guān)、繼電器、控制閥及電路便可實現(xiàn)動傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構(gòu)按要求進行動作．動作復(fù)雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。</p><p>　　可編程控制器的編程語言</p><p>　　2.1 梯形圖編程語言</p><p>　　梯形圖來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述，是PLC編程中被最廣泛使用的一種圖形化語言，由于梯形圖類似于繼電器控制的電

52、氣接線圖，便于理解,因此許多編程人員和維護人員都選擇了這一編程方式。而且其圖形結(jié)構(gòu)類似于登高用的梯子，故名梯形圖。</p><p>　　梯形圖編程語言具有如下特點: (1) 與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性; (2) 與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，易于掌握和學(xué)習(xí); (3) 對于復(fù)雜控制系統(tǒng)描述,仍不夠清晰; (4) 可讀性仍不夠好。</p><p&g

53、t;　　2.2 功能塊圖編程語言</p><p>　　功能模塊基本上分為兩類:基本功能模塊和特殊功能模塊?；竟δ苣K如AND，OR XOR等等.特殊功能模塊如ON延時，脈沖輸出，計數(shù)器等等。功能塊編程語言具有以下特點: (1) 以功能模塊為單位,從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變的容易; (2) 功能模塊用圖形化的方式描述功能，較直觀易掌握，方便組態(tài)，易操作。是有發(fā)展前途的一種編程語言;

54、 (3) 對較復(fù)雜系統(tǒng)，由于控制功能關(guān)系能夠比較清晰的描述，因此縮短了 編程和調(diào)試時間; (4) 因為每一個功能模塊要占用一定程序存儲空間，對功能塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時間，因此，這種語言在大中型可編程控制器和分散控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。</p><p>　　第3章 PLC控制機械手的系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　3.1各電器設(shè)備的控制方式及控制要求</p>&

55、lt;p>　　3.1.1 機械手的技能和特性</p><p>　　根據(jù)古典力學(xué)觀點，物體在三維空間的靜止位置是由三個坐標和繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定的。因此，抓握物體的位置和方向（即關(guān)節(jié)間的角度）能從理論上求得。據(jù)資料介紹，如果采用的機械手，其機能要接近人的上肢，則需要具有27個自由度，而每一個自由度至少要有一根“人造肌肉”。這樣就需要安裝27根重量輕、小型和高輸出力的“人造肌肉”。就目前的技術(shù)狀況而言，上述功

56、能還很難辦到。而且把機械手的功能搞得那么復(fù)雜，動作彼此嚴重重疊也是完全不必要的。退一步，如果機械手要求具有完全通用的程度，那么它的整機、本體、手臂和手指都得有三個直線運動和三個旋轉(zhuǎn)運動，總共就要有24個自由度。這在實際上也是不必要的，這樣會使機械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費用增多。因此，不應(yīng)盲目模仿人手的動作，增加過渡的自由度，而應(yīng)根據(jù)實際需要的動作，設(shè)計出最少的自由度就能完成作業(yè)所要求的動作。所以一般專用的機械手（不包括握緊動作）通常具有二到三個自

57、由度。而通用機械手一般取四到五個自由度。</p><p>　　本設(shè)計中設(shè)計的機械手，它共有五個自由度。即：手臂伸縮、手臂上下擺動、手臂左右擺動、手腕回轉(zhuǎn)、手指抓握。</p><p>　　3.1.2 軀干和傳動系統(tǒng)</p><p>　　機械手的傳動分為液壓、氣壓、電氣和機械四種，本設(shè)計采用綜合傳動方式，即手臂采用電氣傳動，而手爪則采用氣壓傳動。 </p>

58、<p><b>　　1. 夾緊機構(gòu)</b></p><p>　　機械手手爪使用來抓取工件的部件。手爪抓取工件是要滿足迅速、靈活、準確和可靠的要求。設(shè)計制造夾緊機構(gòu)——手爪時，首先要從機械手的坐標形式、運行速度和加速度的情況來考慮。其加緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小來計算。同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化，為擴大機械手的應(yīng)用范圍，還需備有多種抓

59、取機構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物體，夾緊力應(yīng)限制一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動定心結(jié)構(gòu)。為防止突然停電被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、動作靈活和動作可靠。</p><p><b>　　2. 軀干</b></p><p>　　軀干由底盤和手臂兩大部分組成。</p><p>　

60、　底盤是支撐機械手全部重量并能帶動手臂旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)。底盤采用一個直流電動機驅(qū)動，底盤旋轉(zhuǎn)時帶動一個旋轉(zhuǎn)碼盤旋轉(zhuǎn)，機械手每旋轉(zhuǎn)3度發(fā)出一個脈沖，由傳感器檢測并送入可編程控制器，從而計算底盤旋轉(zhuǎn)的角度。同時，在底盤上裝有限位磁頭，最大旋轉(zhuǎn)角度可達270度。</p><p>　　手臂是機械手的主要部分，它是支撐手爪、工件并使它們運動的機構(gòu)。本設(shè)計中手臂由橫軸和豎軸組成，可完成伸縮、升降的運動。手臂采用步進電動機帶動絲杠、

61、螺母來實現(xiàn)伸縮和升降運動。由可編程控制器發(fā)出脈沖信號，經(jīng)步進電動機驅(qū)動器驅(qū)動步進電動機旋轉(zhuǎn)，帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，完成手臂的運動。改變發(fā)出脈沖的個數(shù)，可控制手臂的兩個軸運動的距離。同時在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位。采用絲杠、螺母結(jié)構(gòu)傳動的特點是易于自鎖，位置精度較高，傳動效率較高。</p><p>　　3.1.3 機械手的選擇</p><p>　　由于機械手是搬運中的應(yīng)用，所以采用傳送帶加旋

62、轉(zhuǎn)的機械手類型。此機械手易于操作，性能可靠。</p><p>　　3.2 電器元件、設(shè)備的選擇</p><p>　　3.2.1 PLC機型的選擇</p><p>　　根據(jù)被控對象對PLC控制系統(tǒng)的功能要求，可進行PLC型號的選定。</p><p>　　進行PLC選型時，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要，同時要兼顧維修、備件的通用性。對開關(guān)量控

63、制的系統(tǒng)，當控制速度要求不高時，一般的PLC都可以滿足要求，如對小型泵的順序控制、單臺機械的自動控制等。當控制速度要求較高、輸出有高速脈沖信號等情況時，要考慮輸入/輸出點的形式，最好采用晶體管形式輸出。對帶有部分模擬量控制的ｗ裝置等。</p><p>　　3.2.2 輸入/輸出的點數(shù)</p><p>　　I/O點數(shù)可以衡量PLC規(guī)模的大小。準確統(tǒng)計被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)并考慮

64、今后系統(tǒng)的調(diào)整和擴充，在實際統(tǒng)計I/O點數(shù)基礎(chǔ)上，一般應(yīng)加上10%-20%的備用點數(shù)。多數(shù)小型PLC為整體式，具有體積小、價格便宜等優(yōu)點，適于工藝過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡單的系統(tǒng)。模塊式結(jié)構(gòu)的PLC采用主機模塊與輸入模塊、功能模式塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊、判斷與處理故障快速方便，適用于工藝變化較多、控制要求復(fù)雜的系統(tǒng)。</p><p>　　3.2.3 電源模塊的選擇</p>

65、<p>　　1. 可編程控制器內(nèi)部有一個穩(wěn)壓電源，用來把供電電源轉(zhuǎn)換成滿足PLC的各內(nèi)部電路（如CPU，儲存，I/O接口等）工作所需要的直流電源。FX系列PLC采用開關(guān)電源，除向PLC內(nèi)部電路供電外，還向外提供DC24V穩(wěn)壓電源用于對外部供電。 </p><p><b>　　主要參數(shù)：</b></p><p>　　輸入交流電壓：110~220V 50H

66、z/60Hz</p><p>　　輸出直流電壓：24V 250mA</p><p><b>　　最大功率：156W</b></p><p>　　工作環(huán)境：-10~40度</p><p><b>　　2. 電源接線</b></p><p>　　電源是PLC引入干擾的主要途徑之

67、一，PLC應(yīng)盡可能取用電壓波動較小、波形畸變較小的電源，這對提高PLC的可靠性有很大幫助。PLC的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強干擾設(shè)備（如高頻爐、弧焊機等）分開。為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關(guān)電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。隔離變壓器是初級和次級之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導(dǎo)磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個接地抽頭。初級與

68、次級之間的靜電屏蔽要聯(lián)結(jié)到零點位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點。在選用交流穩(wěn)壓器時，一般可按照實際最大需求容量的130%計算。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓器工作可靠。</p><p>　　PLC供電電源為50Hz、220V(10%的交流電。由于本設(shè)計使用的是FX1N系列可編程控制器，所以有直流24V輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關(guān)或接近開關(guān)）提供直流24V電源。</p>&

69、lt;p><b>　　3. 接地</b></p><p>　　正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電

70、壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。</p><p>　　3.2.4 電動機的選擇</p><p>　　采用二相八拍混合式步進電動機，主要特點：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等特點。型號：42BYGH101。</p><p>　　1. 電動機驅(qū)動模塊</p><p>　　采用中美合資SH系列步進電動機驅(qū)動器，主要

71、由電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。</p><p><b>　　驅(qū)動模塊</b></p><p>　　電源輸入部分由電源模塊提供，用兩根導(dǎo)線連接，注意極性。</p><p>　　信號輸入部分：信號源由PLC主機提供。由于PLC提供的電平為24V，而輸入部分的電平為5V，中間加了保護電路。</p><p>　　輸出

72、部分：與步進電動機連接。</p><p><b>　　2. 傳感器</b></p><p>　　采用接近開關(guān)作為手爪旋轉(zhuǎn)和底盤旋轉(zhuǎn)限位檢測用;采用微動開關(guān)作為橫軸、縱軸限位檢測用。</p><p><b>　　機械手控制程序設(shè)計</b></p><p><b>　　4.1 控制要求<

73、/b></p><p>　　搬運機械手工作示意圖如圖4-1所示，其任務(wù)是將傳送帶A的物品搬到傳送帶B上。機械手的原位是在傳送帶B上，開始工作時，先是手臂上升，到上限位時，上升限位開關(guān)LS4閉合，手臂左旋；左旋到位時，左旋限位開關(guān)LS2閉合，手臂下降；到下限位時，下降限位開關(guān)LS5閉合，傳送帶A遠行。當光電開關(guān)PS1檢測到物品已進入手指范圍時，手指抓物品。當物品抓緊時，抓緊限位開關(guān)LS1動作，手臂上升；到上限

74、位時，上升限位開關(guān)LS4閉合，手臂右旋；右旋到位時，右旋限位開關(guān)LS3閉合，手臂下降；下降到下限位時，下降限位開關(guān)LS5閉合，手指放開，物品被放到傳送帶B上延時2s時間到，一個循環(huán)結(jié)束，再重復(fù)。</p><p>　　圖4-1 搬運機械手工作示意圖</p><p><b>　　4.2 控制流程圖</b></p><p>　　機械手控制流程圖，如下

75、圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2 機械手控制流程圖</p><p>　　4.3 I/O分配表</p><p>　　表4-1 I/O分配表</p><p><b>　　4.4 梯形圖</b></p><p><b>　　4.5 指令表</b></p>

76、<p>　　4.6 PLC外部接線圖</p><p>　　圖4-9 PLC外部接線圖</p><p><b>　　結(jié)　論</b></p><p>　　經(jīng)過一段時間的設(shè)計，可編程控制器和機械手的設(shè)計完畢，機械手的模型已設(shè)計完畢，其功能基本達到要求。整個系統(tǒng)穩(wěn)定性好，而且只要修改控制程序，就可以讓機械手作出不同的動作，控制的柔性很好。系統(tǒng)

77、的分析與設(shè)計過程也是對學(xué)習(xí)的總結(jié)過程，更是進一步學(xué)習(xí)與探索的過程。在這個過程中，我對利用可編程控制器進行控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)有了深刻的認識，對機械手的工作原理有了進一步的掌握，對控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計有了切身的認識和深刻的體會，并在學(xué)習(xí)和實踐過程中增長了知識、豐富了經(jīng)驗。控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須嚴格按照系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實施、系統(tǒng)運行于調(diào)試的過程來進行。系統(tǒng)的分析和設(shè)計是一項既復(fù)雜又辛苦的工作，同時也是一個充滿樂

78、趣的過程，在設(shè)計過程中，要邊學(xué)習(xí)，邊實踐，遇到新的問題就不斷探索和努力直到問題得到解決。</p><p>　　在設(shè)計中，體會到理論必須和實際相結(jié)合。雖然收集了大量的資料，但在實際應(yīng)用中卻有很多差異，出現(xiàn)了許多意想不到的問題。許多問題都是書本上是這樣，而在實際運用中卻很不一樣，在經(jīng)過多次分析修改后，才設(shè)計出達到要求的系統(tǒng)。</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計對我來說非常有意義，在寫論文的過程中

79、學(xué)到了很多關(guān)于機械手和PLC方面的知識，我以后會加強對他們的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。我覺得PLC會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地可編程控制器的設(shè)計和制造上。會有運算速度更快，儲存容量更大，只能更強的產(chǎn)品出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型或超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性能上看，產(chǎn)品品種會更加豐富，規(guī)格更加齊全。可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。將在工業(yè)以及工業(yè)以外的更大領(lǐng)域發(fā)揮它的最大作用。 &

80、lt;/p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　緊張充實的畢業(yè)設(shè)計就要結(jié)束了，大學(xué)三年的生活也到了尾聲。回想起以往的美好時光，此時感慨萬千，首先感謝指導(dǎo)教師xx老師在畢業(yè)設(shè)計中對我的幫助，鼓勵和精心指導(dǎo)，xx老師治學(xué)嚴謹，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄廓，關(guān)鍵是指導(dǎo)有方嚴格我們要求，為我營造了一種良好的精神氛圍。置身黨老師的指導(dǎo)過程中，不僅我的思想觀念煥

81、然一新，也改善了我的思考方式，而且還明白了許多待人接物與為人處世的道理。其嚴以律己，寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實無華、平易近人的人格魅力，令我如沐春風(fēng)，倍感溫馨。一股暖意細水長流，源自內(nèi)心而又沐潤全身，微言寸語豈能祥訴感激之情，只好銘記心中，唯有虔誠的祝福導(dǎo)師合家歡樂，一生平安。同時，也將祝福送給每一位幫助我的師長。同時感謝我的同學(xué)在我的畢業(yè)設(shè)計過程其中對我莫大的鼓勵。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計的完成也算是對我們

82、學(xué)習(xí)生涯的一個句號，回想三年大學(xué)時光，與老師和同學(xué)們的點點滴滴，你們給與我的種種幫助，使我得以今天能順利完成畢業(yè)設(shè)計，完成學(xué)業(yè)。謝謝你們，我所有的老師與同學(xué)。</p><p>　　最后衷心的祝愿你們工作順利、家庭幸福、身體健康！感謝我的朋友和同學(xué)們在我三年生活和學(xué)習(xí)中對我的幫助，就要分別了，衷心祝福各位一路走好再次感謝各位老師和同學(xué)，希望大家以后工作順利。謝謝！</p><p><b

83、>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，2001</p><p>　　[2] 廖常初.PLC梯形圖程序的設(shè)計方法與技巧[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2001</p><p>　　[3] 郭純生.可編程控制器編程實踐與提高[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006 <

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