工件传送机机械手的PLC控制系统的设计

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1、工件传送机械手的 PLC 控制系统的设计1工件传送机械手的 PLC 控制系统的设计摘要：在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。机械手就在这样诞生了,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。物料工件传送机械手，采用 PLC 控制，是一种按预先设定的程序进行工件工件传送加工的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并可根据工件的变化随时更改相关控制参数。工件

2、传送机械手为三自由度气压式圆柱坐标型机械手，主要由机座、腰部、水平手臂、垂直手臂、气爪等部分组成。其中，腰部采用步进电机驱动旋转，手臂及气爪采用气缸等气动元件。关键词：PLC 机械手 江苏信息职业技术学院毕业设计报告2第一章 序言可编程控制器，简称 PLC，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。在 PLC 问世之前

3、，工业控制中的顺序控制多采用由机器或控制器件作为控制元件的硬件布线逻辑控制系统，尤其是由电磁继电器构成的继电器控制系统。这种控制系统是根据特定的控制任务进行设计的，若控制任务有所改变就必须相应的改变硬件结构。另外机械电器式器件本身也有许多不足之处，必会影响控制系统的各种性能。11 机器类控制系统的弊端这种控制系统越来越不能适应现代工业发展的要求，主要原因：（1）设计制造周期长，维修和改变逻辑控制困难；（2）不能完成复杂的控制逻辑，没有运算、处理、通信等功能；（3）可靠性差，寿命短，运行速度慢，体积大，耗电多。12 PLC 的特点PLC 之所以能迅速发展除了它顺应自动化的客观要求之外，也具有许多

4、适合工业控制的优点，能交好地解决工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。它具有以下几个显著特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件

5、故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齐全，功能完善，适用性强 PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成工件传

6、送机械手的 PLC 控制系统的设计3各种控制系统变得非常容易。(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。(4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同

7、一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。(5)体积小，重量轻，能耗低以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。13 PLC 的国内外状况世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 只可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征

8、的工业控制装置。PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个阶段的一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽

9、车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。工件传送机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手主要由手部和运动机构组成。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。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

10、品种的中、小江苏信息职业技术学院毕业设计报告4批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。采用 PLC 控制，是一种按预先设定的程序进行工件分拣、工件传送和淬火加工的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并可根据工件的变化要求随时更改相关控制参数。工件传送机械手的 PLC 控制系统的设计5第二章 工件传送机械手的系统控制一台工件传送机械手的的作用是将传送带 B 上的物品等搬至 A，其示意图如下：21 控制系统设计的分析0-初始状态：机械手处于原位状态，即右限 SQ5，下限 SQ3 受压。1-按下启动按钮，传送带 A 开始运行，同时机械手从右下限开始上升。2-机械手上升至上

11、限位，SQ1 动作，上升动作结束，同时机械手开始左旋动作。3-机械手旋转至左限位，SQ2 动作，左旋动作结束，同时机械手开始下降动作。4-机械手下降至下限位，SQ3 动作，下降动作结束，同时传送带 B 开始起动。5-传送带 B 将工件送入光电开关检测区，SQ6 动作，传送带 B 停止运行，同时机械手开始抓物动作。6-机械手抓住工件，SQ4 动作，抓物动作完成，同时机械手再次上升。7-机械手上升至上限位开关 SQ1 动作，上升动作停止，同时机械手开始右旋动作。8-机械手右旋至右限位，SQ5 动作右旋动作停止，同时机械手开始下降动作。9-机械手下降至下限位，SQ3 动作，下降动作结束，同时机械手开

12、始放物动作，延时 T 秒后，放物动作完成。江苏信息职业技术学院毕业设计报告6以上是机械手传送工件的一次完整的工作流程，系统中传送带 A 随机械手的运行状态而工作，即按下启动按钮就开始运行，按下停止按钮结束动作。机械手运行期间，若按下停止按钮，系统需等整个循环结束进入下一次循环才停止。22 工件传送机械手的设计分析（1）根据控制系统要求的分析，先画出顺序图。（2）系统中会多次用到同一个限位开关产生不同的动作，所以我们要运用辅助继电器。例如第一次撞到 SQ1 时机械手停止上升左旋，第二次撞到 SQ1 时机械手停止上升右旋，此时我们就要加用辅助继电器使两次隔开。（3）我们要考虑到不同的按钮按控制同一

13、个输出时梯行图上只能有一个输出点。（4）按照以上思路我们就能设计出整个机械手系统。如果通过通过基本逻辑指令编写梯形图比较复杂,我们可以通过先画出它的流程图,搞清基本的流程,然后再划梯形图就简单多了.本题的关键点是机械手上升同样是撞 SQ1 但一个是左旋一个右旋，我们可以通过辅助继电器来解决。工件传送机械手的 PLC 控制系统的设计7第三章 工件传送机械手的硬件设计31I/O 端口分配表元件输入作用 元件 输出 作用SB1 X0 启动 KA1 Y1 上升SQ1 X1 上限位 KA3 Y3 下降SQ2 X2 左限位 KA2 Y2 左旋SQ3 X3 下限位 KA6 Y6 右旋SQ4 X4 抓紧 KA

14、5 Y5 抓紧SQ5 X5 右限位 KA7 Y7 放松 SQ6 X6 零件检测KA4 Y0 传送带 A SB2 X7 停止 KA0 Y4 传送带 B32 外部接线图根据控制要求，工件传送机械手的外部接线图如图 31 所示。江苏信息职业技术学院毕业设计报告831 机械手控制系统外部接线图工件传送机械手的 PLC 控制系统的设计9第四章 工件传送机械手的软件设计41 流程图SQ1SQ2SQ3SQ6SQ4SQ1SQ5SQ342 机械手梯形图启动 输送带 A 启动机械手上升 停止上升并左旋停止左旋并下降停止下降并接通输送带 B输送带 B 停止抓零件上升停止上升并右旋下降停止下降放零件延时 5 秒上升按

15、停止、循环一次结束江苏信息职业技术学院毕业设计报告10工件传送机械手的梯形图续图工件传送机械手的 PLC 控制系统的设计11江苏信息职业技术学院毕业设计报告1243 指令表0 LD X0001 OR M02 ANI X0073 OUT M04 LD X0005 OR Y0006 LDI T07 OR M08 ANB9 OUT Y00010 LD T011 AND M012 OR X00013 OR Y001 14 OR X00415 ANI X00116 OUT Y00117 LD X00118 OR Y00219 ANI X0022O ANI M121 OUT Y00222 LD X0022

16、3 OR Y00324 OR X00525 ANI X00326 OUT Y00327 LD X00328 OR Y00429 ANI X00630 ANI M231 OUT Y00432 LD X00633 OR Y005 34 ANI X004工件传送机械手的 PLC 控制系统的设计1335 OUT Y00536 LD Y00537 OR M138 ANI Y00739 OUT M140 LD Y00541 OR M242 ANI TO43 OUT M244 LD X00145 AND M246 OR Y00647 ANI X00548 OUT Y00649 LD X00350 AND M

17、251 OR Y00752 ANI T053 OUT Y00754 OUT T0 K5055 END江苏信息职业技术学院毕业设计报告14第五章 系统的调试分析51PLC 常用语言设计简介梯形图编程中，用到以下四个基本概念：1软继电器PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器） ，每一软继电器与 PLC 存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电” ，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态

18、。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。2能流如图 5-1 所示触点 1、2 接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流”(Power Flow)从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向右流动。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。图 5-1a 中可能有两个方向的能流流过触点 5（经过触点 1、5、4 或经过触点 3、5、2） ，这不符合能流只能从左向右流动的原则，因此应改为如图5-1b 所示的梯形图。5-1a）错误的梯形图 b）

19、正确的梯形图3母线梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)， 。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。工件传送机械手的 PLC 控制系统的设计154梯形图的逻辑解算根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。52 调试准

20、备工作PLC 程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对 PLC 外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台 P

21、LC 或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到 PLC 系统的输入端，其时效性较强。2）软件模拟法是在 PLC 中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。运行 SWOPC-FXGP/WIN-C 软件后，将出现初始启动画面，点击初始启动界面菜单中“文件”菜单并在下拉菜单条中选取“新文件”菜单条，即出现图 1 所示的 PLC 类型选择对话框，选择好机型，这里选择 FX2N,点击确认。图 1 PLC 类型选择图确认后,进入程序编辑的主界面,如图 2 所示江苏信息职业技术学院毕业设计

22、报告16图 2 程序编辑主界面程序编辑操作（采用梯形图方式时的编程操作图略）53 结果分析将上述程序输入 PLC 中，在此之前连接好相应的硬件设备。经现场调试。得出以下结果：按下启动按钮 SB1 常开触点 X0 闭合，辅助继电器 M0、输出 Y0、Y1得电，开触点 M0、Y0、Y1 闭合形成自锁，传送带 A 运行机械手上升。到位撞到限位开关 SQ1，常闭触点 X1 断开，输出 Y1 断电，机械手停止上升，X1 闭合输出Y2 得电，常开 Y2 闭合形成自锁，机械手左旋。到位撞 SQ2 常闭 X2 断开输出 Y2失电停止左旋，常开 X2 闭合，输出 Y3、Y4 得电，常开 Y3、Y4 闭合形成自锁

23、，机械手下降，传送带 B 运行。零件通过检测器 SQ6 时，常闭 X6 断开，输出 Y4 失电 B 停止运行，常开 X6 闭合，输出 Y5 得电，常开 Y5 闭合形成自锁，辅助继电器 M1、M2 得电，机械手开始抓零件，常开 M1、M2 闭合，常闭 M1、M2 断开，使再次撞到 SQ1、SQ3 时不执行上面的动作，执行下面的动作。抓紧撞 SQ4，常闭X4 断开，输出 Y5 失电抓紧零件，常开 X4 闭合，输出 Y1 得电，机械手上升，到位第二次撞 SQ1，输出 Y1 失电停止上升，此时不再接通 Y2 ，输出 Y6 得电，机械手右旋，到位撞 SQ5 停止右旋，输出 Y3 得电，机械手下降，到位撞

24、 SQ3，此时不再接通 Y4，输出 Y7、定器器 T0 得电，机械手放零件，记时 5 秒，5 秒后 T0 常开闭闭打开，Y7、M1、M2 失电，常开 T0 闭合，接通 Y1 系统开始循环。当按下停止按钮 SB2，常闭 X7 断开，辅助继电器 M0 失电，M0 常开由闭合断开，当 T0 记时 5 秒时，T0 常开再闭合不再接通 Y1，常开 T0 断开，Y1 失电，传送带 A 停止运行，整个系统不再循环。工件传送机械手的 PLC 控制系统的设计17第六章 工件传送机械手的优缺点分析61 工件传送机械手的优点机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程

25、序抓取、工件传送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。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。应用 PLC 控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。（1）从人体工程学来看工件传送机械手特别设计的汽缸能够保证负载平衡，并且沿着轨迹整体上下运动。（2）可靠其完全气动系统可以确保产品的长期可靠性和只需非常简单的维护。（3）安全配备安全装备，保持负载的夹持，甚至在断电的情况下。（4）多才多艺它可配备无数类型夹

26、具：机械或真空，标准或定制。（5）方便本机械手控制系统结构紧凑，动作可靠，使用方便。62 工件传送机械手的缺点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。江苏信息职业技术学院毕业设计报告18结束语一个机械手，能更灵巧、更快、更准确地调遣机电设备，工厂，造船所，飞机场，建筑场所和仓库的物品。当工人使用机械手去接触和操纵载荷时，像自然反馈一样，机械手把正在操纵的载荷按比例降低的重量传递到工人的手臂，这样，机械手就预防了工人发生工伤事故。工件传送机械手的 PLC 控制系统的设计19谢辞

27、经过一个月的努力，关于工件传送机械手的 PLC 控制系统的设计课题研究，终于完成了。在此也要感谢所有给我帮助的老师和同学，谢谢你们！通过此次的论文，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业论文，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。 在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先做学问要一丝不

28、苟，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就达退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。而且要学会与人合作，这样做起事情来就可以事倍功半。 总之，此次论文的写作过程，我收获了很多，即为大学三年划上了一个完美的句号，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。 再次感谢我的大学和所有帮助过我并给我鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们！ 江苏信息职业技术学院毕业设计报告20参考文献1.张万忠，可编程控制器应用技术M.北京：化学工业出版社，2006，22.邵阳,胡军,熊伟编.可编程控制器原理应用与实训解析M.北京：清华大学出版社,2007.113.刘继修，PLC 应用系统设计M.4.黄净，电气控制与可编程序控制器M.