机电一体化毕业设计（论文）基于PLC的机械手控制系统

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1、安徽工商职业学院课题名称 基于PLC的机械手控制系统 课题性质 专业 机电一体化技术 班 级 09机电3班 学生姓名 学号 指导教师 教研室主任 系部主任 发放日期 毕业设计（论文）任务书一、 课题条件：二、 毕业论文（设计）主要内容：1、 运用PLC实现工业控制中常见的机械手控制方法。2、 论文总体方案设计.3、 PLC的选型和I/0地址分配。4、 控制系统原理图与电气线路安装设计图。5、 程序的编写与调试（梯形图、指令表、状态流程图等），并给出相应的软件仿真结果。6、 论文总结（设计思想和调试心得）三、 计划进度：6月下旬下发课题、课题汇总、确定指导教师并在放假前完成第一辅导7-8月 学生

2、自己查阅组织材料，可能的情况下利用便利条件和指导教师通过网络交流9月份 硬件系统设计10月份 软件系统设计、调试11月中旬左右 答辩。四、 主要参考文献：指导教师 （系）教研室主任 年 月 日 年 月 日 说明：毕业论文（设计）任务书由指导老师根据课题的具体情况填写，经系部审查，系主任签字后生效。此任务书在毕业设计开始前一周内填写并发给学生。摘要：目录：1. 关于机械手1. 工业机械手的概述2. 机械手的组成3. 机械手的分类2. 三菱PLC介绍1. 三菱PLC的发展历史2. FX系列PLC的子系列1) FX1S系列PLC2) FX1N系列PLC3) FX2N系列PLC4) FX2NC系列PL

3、C3. PLC控制系统设计原则1. 最大限度地满足控制要求保证2. PLC控制系统安全可靠3. 力求简单、经济、方便地使用及维修4. 适应发展的需求4. 控制器件的选型1. 步进电机及其驱动器2. 伺服电机及其驱动器3. 直流电机4. PLC的选型5. 6.7. 8. 9.关于机械手1. 工业机械手的概述机械手在机械化.自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已经成为高新技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术。它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那么灵活，但它具有能不断

4、重复工作和劳动、不知疲倦、不怕危险，抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到应用，例如：1) 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。2) 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板；在机械行业中它可以用来组装零部件。3) 可以在劳动条件差、单调、重复、易于疲劳的工作环境下代替人的劳动。4) 可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物品的搬运等。5) 可以应用于宇宙及海洋的开发。6) 军事工程及生物医学方面的研究和实验。2. 机械手的组成机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形

5、式是相同的。一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。1) 执行机构 机械手的执行机构由手、手腕、手臂和支柱组成。手是抓取机构，又来加紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手没有手腕。支柱用来支撑手臂也可以根据需要做成移动的。2) 传动系统传动机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。 3) 控制系统机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用地控制系统只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可

6、实现传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作；动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。4) 辅助装置辅助装置是机械手各部的连接装置，如:油箱、管道、仪表、基座等。3. 机械手的分类机械手按使用用途分：专用机械手，通用机械手。机械手按传动方式分：机械式机械式、液压式机械式、气压式机械式、电动机械式。三菱PLC介绍1. 三菱PLC的发展历史三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品。其小型机F1/F2系列是F系列的升级产品，早期在我国的销售量也不小。F1/F2系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比F系列有了更强的控制能力。继F1/F2系列之后，20世纪80年代末三菱公

7、司又推出了FX系列，在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有了全面的加强。FX2系列是在90年代开发的整体式高功能小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。FX2N是最近几年推出的高功能整体式小型机，它是FX2的换代产品，各种功能都有了全面的提升。近年来还不断推出满足不同要求的微型PLC,如：FX0S、FX1S、FXON、FX1N以及系列等产品。三菱公司的大中型机有A系列、QnA系列、Q系列，具有丰富的网络功能，I/O点数可达8192点。其中Q系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双CPU协同处理、多存储器、远程口令等特点，是三菱公司现有PLC中最高性能的PLC。三菱PLC中的F

8、X2N是小型化、高速度、高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输出1625点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。2. FX系列PLC的子系列1) FX1s系列PLCFX1S系列PLC是用于及小规模系统的超小型PLC，可进一步降低设备成本。该系列有16种基本单元，可组成1030个I/O点的系统，用户存储器（EEPROM）容量为2kB步。FX1S可使用一块I/O扩展板、串行通信扩展板或模拟量扩展板，可同时安装显示模块和扩展板，有两个内置的设置参数用的小电位器。每个单元可同时输出2点100kHz的高速

9、脉冲，有7条特殊的定位指令。通过通信扩展板可实现多种通信和数据链接，如：RS-232C、RS-422和RS-485通信，N：N链接、并行链接和计算机链接。2) FX1N系列PLC FX1N有12种基本单元，可组成24128个I/O点的系统，并能使用特殊功能模块、显示模块和扩展板。用户存储器容量为8kB步，有内置的实时时钟。PID指令可实现模拟量闭环控制，每个基本单元可同时输出2点100kHz的高速脉冲，有，有7条特殊的定位指令，有两个内置的设置参数用的小电位器。 通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接，如：CC-Link，AS-I 网络，RS-232C、RS-422和RS-485通

10、信，N:N链接、并行链接、计算机链接和I/O链接。3) FX2N系列PLC FX2N是目前FX系列中功能较强、速度较快的微型PLC，它有25种基本单元，它的基本指令执行时间高达0.08us每条指令，内置的用户存储器为8kB步，可扩展到16kB步，最大可扩展到256个I/O点。有多种特殊功能模块或功能扩展板，可实现多轴定位控制，每个基本单元可扩展8个特殊单元。机内有实时时钟，PID指令可实现模拟量闭环控制。有功能很强的数学指令集，如浮点数运算、开平方和三角函数等。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接，如：CC-Link，AS-I 网络、Profibus、Device Net等开放式

11、网络通信、RS-232C、RS-422和RS-485通信，N:N链接、并行链接、计算机链接和I/O链接。4) FX2NC系列PLC FX2NC具有很高的性能体积比和较强的通信功能，可安装到比标准的PLC小很多的空间内，它有5种基本单元。I/O型连接器可降低接线成本，节约接线时间。I/O点数可扩展到256点，最多可连接4个特殊功能模块。利用内置的功能，可控制两轴（包括插补功能），通过增加扩展单元可控制多轴。 通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接，如：CC-Link，AS-I 网络、Profibus、Device Net等开放式网络通信、RS-232C、RS-422和RS-485通信

12、，N:N链接、并行链接、计算机链接和I/O链接。FX2NC系列也可以使用FXON和FX2N的扩展模块。PLC控制系统设计原则任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1. 最大限度的满足控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑点问题

13、。2. 保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定地运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。3. 力求简单、经济、方便地使用及维修一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益，但是新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行自觉性的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益；另一方面也要注意不断的降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。4. 适应发展的需求由

14、于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断的提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、I/O模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。控制器件的选型为达到精确控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：1. 步进电机及其驱动器 机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250 C型两相混合式步进电机，步距角为0.9/1.8，电流1.5 A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用1040V

15、直流供电，H桥 双极 恒相电流驱动，最大3 A的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在1040VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3 A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7 三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9 A到3 A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细

16、分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3 三位可组合出不同的状态2. 伺服电机及其驱动器机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式(脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz ；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度

17、的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232 C 通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。3. 直流电机可回旋360的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用2448V直流供电，有起、停及转向控制、过流、过压及堵、转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快

18、速停机等特点。4. PLC的选型 根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A 小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRON PC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。5.搬运机械手PLC控制系统设计摘 要随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，

19、机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退的运动运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关(SQ1-SQ9)产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进、快进

20、、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。关键词：搬运机械手，可编程控制器（PLC），液压，电磁阀ABSTRACTWith the popularity of industrial automation and development, the demand for year-on-year increase of controller, handling the application of robot gradually popularity, mainly in the automotive, elec

21、tronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, we can be more good to save energy and improve the transport efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation and inadequate to meet the requirements o

22、f modern economic development.The manipulator mechanical structure includes two solenoid valves controlled by hydraulic manipulator steel to achieve the increased decline in sports and workpiece clamping action, the two different motor speed through the two motor coils positive control in order to a

23、chieve car of the fast-forward, slow forward, fast rewind, slow movement back movement; conversion by setting its action in various different parts of the trip switch (SQ1 - SQ9) generated on-off signal transmission to the PLC controller, through the PLC internal different output signal, which drive

24、s the external coil to control the motor or solenoid valves have a different action, the robot can achieve precise positioning; their course of action include: decline in clamping increased, slow forward, fast forward, slow progress, the extension of , the drop in, relax, rise, slow back, rewind, sl

25、ow back; its operation, including: Back in situ, manual, single-step, single cycle, continuous; to meet the production requirements of the various operations and maintenance.Keywords: handling mechanical hands, Programmable Logic Controller (PLC), hydraulic, solenoid valve目 录前 言.1第一章 机械手的概况1.1 搬运机械手

26、的应用简况21.2 机械手的应用意义31.3 机械手的发展概况3第三章 搬运机械手PLC控制系统设计3.1 搬运机械手结构及其动作3.2 搬运机械手系统硬件设计3.3 搬运机械手控制程序设计1 操作面板及动作说明2 I/O分配3 梯形图的设计1） 梯形图的总体设计2） 各部分梯形图的设计3） 绘制搬运机械手PLC控制梯形图结 论谢 辞参考文献. 附：语句表 梯形图 I/O接线图前 言机械手：mechanical hand，也被称为自动手，auto hand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

27、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23个自由度

28、。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。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。第一章 机械手概况1.1搬运机械手的应用简况在现代工业中，

29、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办法，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办法。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；金属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

30、生产，广泛应用于柔性自动线。国内外机械工业、铁路部门中机搬运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

31、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、清除石棉等，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，随着计算机技术、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。1.2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

32、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、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒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。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免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

33、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。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.3.3机械手的发展概况与发展趋势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

34、领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。5060年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。6070年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。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，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快

35、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，没有识别能力；改进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计算机控制系统，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。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。1.4机械手的发展趋势目前国内

36、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、计算机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，又便于改换工作，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

37、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，并考虑于计算机联用，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

38、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）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，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，达到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%的汽车由机械手装配。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，

39、从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.5 PLC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（programmable controller），现在一般简称为PLC（programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、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、价格便

40、宜等优点，在工业生产中应用甚广。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几乎可以说凡是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

41、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（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。4）. 用于工业机器人控制5）. 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、抗干扰能力强PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温

42、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自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，利用机械手搬运物体、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。现在已经应用在了机械制造、冶金、化工、电力、采矿、建材、轻工、食品、环保等各行各业之中。比如：最典型的发展是生产者将此产品大量应用于卫生行业（全自动生化分析

43、仪），从而实现了卫生检验中急需短时间、大量样品数据的要求，但在卫生领域的机械手因采用样品加单一酶试剂显色法，且采用滤光片结构设计，造成试剂价格昂贵，限制了产品市场的发展。 随着技术的进步，机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。随着社会的快速发展，工业现场机械手的要求将越来越高，其技术也越来越成熟。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。图1 是机械手搬运物品示意图。 图1 机械手搬物示意图图中机械手的任务是将传送带A

44、上的物品搬运到传送带B。为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5，对机械手分别进行抓紧、左转、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。传送带A上装有光电开关SP，用于检测传送带A上物品是否到位。机械手的起、停由图中的起动按钮SB1、停止按钮SB2控制。传送带A、B由电动机拖动。机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由液压驱动，并分别由六个电磁阀来控制。2 机械手的动作流程传送带B处于连续运行状态，故不需要用PLC控制。机械手及传送带C 顺序动作的要求是：1) 按下起动按钮SB1时，机械手系统工作。首先上升电磁阀通电，手臂上升，至

45、上升限位开关动作；2) 左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作；3) 下降电磁阀通电，手臂下降，至下降限位开关动作；4) 启动传送带A运行，由光电开关SP检测传送带A上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作；5) 手臂再次上升，至上升限位开关再次动作；6) 右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作；7) 手臂再次下降，至下降限位开关再次动作；8) 放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。9) 按下停止按钮SB2或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继续工作。根据对机械手的顺

46、序动作要求，可以画出时序图如图2所示。由时序图可作出图3所示的机械手动作流程图。 图2 机械手佛那故作布序图 图3 机械手动作流程图3 PLC选型及其I/O点编号分配3.1 PLC的选型由于机械手系统的输入/输出接点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，故选用日本OMRON（立石）公司生产的多功能小型C20P主机。该机输入点为12，输出点为8。内部主要有：136个辅助继电器、16个特殊功能继电器、160个保持继电器、8个暂存继电器、48个定时/计数器、64个16位数据存贮器。3.2 I/O点编号分配根据图3所示的机械手动作流程图，可以确定电气控制系统的I/O

47、点分配，如表1所示。表1 机械手控制I/O分配表 根据图3流程图和表1的I/O分配表，可以编制出状态转移图如图4所示。 图4 机械手状态转移图4 编程及程序运行4.1 用步进指令编程根据图4状态转移图，编制的步进梯形图程序如图5所示。 图5中，“全部输出禁止”部分的作用是在停止时禁止全部输出，使机械手停止在现行的工步上；重新起动时又能从停止前的工步继续动作。在状态由HR010转移至HR000的条件中，增加了保持继电器的常闭触点 ，其作用是：当机械手工作在某一中间工步时，若 PLC断电或停止运行，机械手停止在中间工步上。PLC复电或重新投入运行后，由于保持继电器HR具有状态断电保护的功能，因此在

48、重新起动时，中有某一个是断开的，使得HR000不能置位，机械手只能从停止前被置位的保持继电器的后续工步继续动作。4.2 程序运行按下起动按钮SB1，输入点0000为ON,则作为互锁条件的辅助继电器1000为ON，互锁指令IL接通，IL与ILC之间的线圈正常工作，“全部输出禁止”解除。若(抓图1)常闭触点都为ON，保持继电器HR000接通，输出点0503使上升电磁阀得电，手臂上升。当手臂上升到位时，上升限位开关使输入点0005闭合，保持继电器HR001 接通，HR000复位，输出点0501使左转电磁阀得电，手臂左转。.以后每当一步动作到位，限位条件满足时，状态转移，进行下一工步动作。当状态转移到

49、HR008为ON时，输出点0506使放松电磁阀得电，机械手放松，同时定时器TIM00计时。当计时2秒到，状态又转移到HR000，程序又重新从第一工步开始循环。停止时，按下停止按钮SB2，0001断开，辅助继电器1000为OFF，互锁指令断开，全部输出被禁止，但各保持继电器的状态是断电保护的，机械手停在现行的工步上。当重新按起动按钮时，互锁指令接通，停止前的输出被恢复，机械手继续在停止前某保持继电器为ON的工步动作。5 结束语本文介绍了日本OMRON公司生产的C系列P型小型多功能PLC在机械手步进控制中的设计应用。说明了机械手的动作原理，设计要求，程序设计方法。本文介绍的程序已在实际生产中获得了成功的应用。