PLC的机械手设计—毕业设计

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1、洛阳理工学院毕业设计（论文）IPLC 的机械手设计摘 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

2、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， PLC ，变频器 ，洛阳理工学院毕业设计（论文）II目 录前 言.4第一章第一章 可编程控制 PLC.511 PLC 简介.512 PLC 的工作原理.11第二章 机械手 PLC 控制系统设计.1821 机械手夹持器和机座的结构机械手夹持器和机座的结构.182.1.1 机械手夹持器 20 2.1.2 机座.20谢 辞.48参考文献.49洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言代工业中，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

3、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

4、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。洛阳理工学院毕业设计（论文）2第一章 可编程控制 PLC1.1 PLC 简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC

5、得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控制的首选产品，PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC 市场容量基数的不断扩大，近年来 PLC 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。综合相关资料

6、，2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入 PLC 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加 1，程序从起始步（步序号为零

7、）起依次执行到最终步（通常为 END 指令） ，然后再返回起始步循环运算。PLC 每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC，循环扫描周期在 1 微秒到几十微秒之间。PLC 用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16 位（也有 32 位的）为一个模拟量。大型 PLC 使用另外一个 CPU 来完成模拟量的运算。把计算结果送给 PLC 的控制器。洛阳理工学院毕业设计（论文）3相同 I/O 点数的系统，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些（大约能省 40%左右） 。PLC 没有专用操

8、作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比 DCS要低很多。一个 PLC 的控制器，可以接收几千个 I/O 点（最多可达 8000 多个I/O） 。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用 PLC 较为合适。PLC 由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。近 10 年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC 进行控制，PLC 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内 PLC 在我国仍将保持高速增长势头。 通用 PLC 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但

9、 PLC 相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制器1.2 PLC 的工作原理可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机 或切换到 STOP 工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，一次循环可分为 5 个阶段。可编程序控制器的这种周而

10、复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止洛阳理工学院毕业设计（论文）4（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外 3 个阶段的操作。在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄

11、存器和输出映像寄存器。可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。可编程序控制器的用户程序

12、由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。体型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线

13、圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。图 1.1 扫描周期若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点洛阳理工学院毕业设计（论文）5断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为 ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为 OFF。 扫描周期可编程序控制器在 RUN 工作状态时，执行一次图 1.1 所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为 1100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系。当用户

14、程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。如图 1.2 所示。第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第 N 个扫描周期输入采样输出刷新用户程序执行图 1.2 PLC 的扫描运行方式洛阳理工学院毕业设计（论文）6第二章 机械手 PLC 控制系统设计工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔

15、的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以

16、变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Han

17、d” ，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。2、 应用简况洛阳理工学院毕业设计（论文）7现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，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。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。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

18、，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。3、 发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、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，相应的发展通用机械手，有条件的还要研

19、制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，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、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作

20、业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有洛阳理工学院毕业设计（论文）8一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即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）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸

21、向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，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装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化

22、的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，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的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，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的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以

23、减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。洛阳理工学院毕业设计（论文）92.1 机械手夹持器和机座的结构2.1.1 机械手夹持器机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为外夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移。对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置。但其机械机构繁杂，体积大，制造精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候， 在满足工件的定位

24、精度要求的条件下，尽可能的采用结构比较简单回转型夹持器。 本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回转型夹持器。如图 2.1 所示，装在杆上端的滚子 3 和楔块之间为滚动接触。当电机带动连杆前进时，通过楔块 4 的斜面和杠杆 1，使两个手抓产生加紧动作和加紧力。当楔块后移时，靠弹簧的拉力使手指松开。这种末端 图 2.1 机械手夹持器执行器由于楔块和滚子之间为滚动接触，摩擦力小，活动灵活，且机构简单。2.1.2 机座机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时的稳定行。洛阳理工学院毕业设计（论文

25、）10 图 2-2 机座如图 2-2 所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。这种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。图中电动机 3 经减速器 4、主动小齿轮 5、中间齿轮 6、大齿轮 7 驱动丝杆 2 旋转，从而驱动升降台上下运动。整个机座安装在基座 8 上。2.2 机械手 PLC 选择及参数2.2.1 PLC 机型的选择方法1PLC 的类型PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型 PLC 的 I/O

26、 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。2输入输出模块的选择洛阳理工学院毕业设计（论文）11输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟

27、量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程 I/O机架等。3.电源的选择PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入 PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。4.存储器的选择由于计算

28、机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求 PLC 的存储器容量，按 256 个 I/O 点至少选 8K 存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。5.冗余功能的选择a控制单元的冗余（1）重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应 1B1 冗余。（2）在需要时也可选用 PLC 硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2 重化或 3 重化冗余容错系统等。b I/O 接口单元的冗余（1）控制回路的多点 I/O 卡应冗余配置。（2）重要检测点的多点 I/O 卡可冗余配置。3）根据需要对重要的 I/O 信号，可选用 2 重化或 3 重化的

29、I/O 接口单元。6.经济性的考虑选择 PLC 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，估因此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。洛阳理工学院毕业设计（论文）122.2.2 参数 综合上述原则机械手控制系统主机为三菱的 FX2N-48MR。1.主要技术数据如下：工作电源：24V

30、DC输入点数：24输出点数：24输入信号类型：直流或开关量输入电流：24VDC 5mA模拟输入：-10V10V（-20mA+20mA）输出晶体管允许电流 0.3A/点（1.2A/COM）输出电压规格：30VDC最大负载：9W输出反应时间：OffOn 20s OnOff 30s基本指令执行时间：数个 s程序语言：指令+梯形图+SFC程序容量：3792STEPS基本顺序指令：32 个（含步进梯形指令）应用指令：100 种初始步进点：S0S9一般步进点：118 点，S10S127辅助继电器：一般用 512+232 点（M000M511+M768M999）停电保持用 256 点（M512M767）特殊

31、用 280 点（M1000M1279）定时器：100ms 时基 64 点（T0T63）10ms 时基 63 点（T64T126，M1028 为 ON 时）1ms 时基 1 点（T127）计数器：一般用 112 点（C000C111，16 位计数器）停电保持用 16 点（C112C127，16 位计数器）高速用 13 点 1 相 5kHz，2 相 2kHz（C235C254，全部为停电保持32 位计数器）洛阳理工学院毕业设计（论文）13数据寄存器：一般用 408 点（D000D407）停电保持用 192 点（D408D599）特殊用 144 点（D1000D1143）指针/中断：P64 点；I4

32、 点（P0P63/I001、I101、I201、I301）串联通信口：程序写入/读出通讯口：RS232 一般功能通讯口：RS485主机电源 220V AC2.PLC 主机的组成1、输入单元输入单元由 8 个按扭、8 个开关和 16 个接插件组成，它们分别与 PLC 的 16 个输入点相接。改变这些开关或按扭的通断状态，即可对主机输入所需要的开关量。16 个接插件可外接其它直流或开关量输入信号。2、输出单元输出单元由 24 个二极管和 24 个接插件组成，它们分别与 PLC 的 24 个输出点相连。发光二极管是否发光，即可表示输出点的状态，使用者可得到主机的输出信息。24 个输出接插件可外接其它

33、需要控制的设备。输出单元的 4 个地端，分别引出到面板，其中只有 C4 与 3V 电源共地。3、电源单元PLC 主机左边有外接 220V/AV 的电源插座，作为 PLC 的工作电源。内装变压器，输出 3V 电源，供二极管使用。另外 PLC 的 24VDC 和 24GND 已引出到面板，供外接输入器件（如传感器）的工作电源用4、电动机Y2 系列三相异步电动机具有结构新颖、造型美观、噪音低、振动小、绝缘等级高等特点，产品现已达到九十年代国际先进水平，是 Y 系列电机的更新产品。外壳防护等级 IP54，它具有良好的起动性能和运行性能，结构简单，工作可靠，维修方便等特点，电机采用 E 级或 B 级绝缘

34、，外壳防护等级为 IP44，冷却方式为ICO141，额定频率为 50Hz，额定电压为 380V。洛阳理工学院毕业设计（论文）14竖轴驱动电机承载整个机械手的所有负载，需要功率较大，而机械手主要用于生产线夹持较轻便物体，综合考虑，竖轴选用 Y2-63M2-2，功率 250W，可满足生产需要。 横轴主要驱动横臂的左右运动，承载重量较小，选用 Y2-63M1-2，功率180W，即可满足生产需要。 电动机 3 主要用来控制机械手抓的加紧和放松，所承载负载最小，因此可用Y2-63M1-4，功率 120W。2.3 机械手的工艺过程了解设备概况机械手的结构和各部分动作示意图(图 2.3 所示)及控制面板（图

35、 2.4 所示）.机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。分析工艺过程机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降加紧工件上升右移再下降放松工件在上升左移八个动作，完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。洛阳理工学院毕业设计（论文）15图 2.3 机械手的结构和各部分动作示意图图

36、 2.4 控制面板洛阳理工学院毕业设计（论文）16为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。1） 手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。2） 单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。3） 单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。4） 连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连

37、续工作方式下设置两种停车状态： 正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。 紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。2.4 PLC 控制系统1确定输入/输出点数并选择 PLC 型号1）输入信号 位置检测信号：下限、上限、右限、左限共 4 个行程开关，需要 4 个输入端子。 “无工件检测”信号：用光电开关作检测元件，需要 1 个端子。 “工作方式”选择开关：有手动、单步、单周期和连续 4 种工作方式，需要4 个输如端子。 手动操作：需要有下降、上升、右移、左移、加紧、放松

38、6 个按钮，也需要6 个输入端子。 自动工作：尚需启动、正常停车、紧急停车 3 个按钮，也需要 3 个输入端子。以上共需要 18 个输入信号。洛阳理工学院毕业设计（论文）172）输出信号 PLC 的输出用于控制机械手的下降、上升、右移、左移、加紧、放松以三个电动机转速的控制等，共需要 11 个输出点。机械手从原点开始工作，需要一个原点指示灯，也需要 1 个输出点。所以，至少需要 6 个输出点。 由于机械手的控制属于开关量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型号的小型 PLC 均可满足要求。表 1-1 为输入和输出点分配表名名 称称代号代号输入输入名名 称称代号代号输入输入名名 称称代号代号输

39、出输出启动SB1X0夹紧SB5X10电磁阀下降YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X11电磁阀夹紧YV2Y1上限行程SQ2X2单步上升SB7X12电磁阀上升YV3Y2右限行程SQ3X3单步下降SB8X13电磁阀右行YV4Y3左限行程SQ4X4单步左移SB9X14电磁阀左行YV5Y4停止SB2X5单步右移SB10X15原点指示ELY5手动操作SB3X6回原点SB11X16连续操作SB4X7工件检测SQ5X17表 1 机械手传送系统输入和输出点分配表2分配 PLC 的输入/输出端子 PLC 的输入输出端子分配接线图，如图 2-5 所示。洛阳理工学院毕业设计（论文）18图 2-5 输入/输出分配接

40、线图3 PLC 控制系统程序设计 为了方便编程，可将手动和自动程序分别编出相对独立的程序段，用跳转指令进行选择，控制系统程序结构框图，如图 2-6 所示。选择手动方式时，X3 接同，跳过自动程序，执行手动程序；选择自动工作方式时，X3 断开，执行自动程序。（1）手动程序 手动操作不需要按工序顺序进行动作，所以可按普通继电器程序来设计。手动操作的梯形图，如图 2-7 所示，手动按钮 X20-X25 分别控制下洛阳理工学院毕业设计（论文）19图 2-6 总程序结构框图洛阳理工学院毕业设计（论文）20图 2-7 手动程序降、上升、右移、左移、加紧和放松各个动作。为了保证系统的的安全与进行，设置了一些

41、必要的连锁。其中在左、右移动的电路中加入 X11 作上限连锁，这是因为机械手只有处于上限位置时，才允许左、右移动。（1）自动程序 自动程序如图 2-8 所示。 1）连续及单周期操作。当机械手在原点时，程序处于初始状态 S0，执行下降动作。当下降到下限位开关时，X10 接通，又接通下一个状态 S21，接着执行下一步动作。当执行完最后一步动作，即左移到原点碰到左限位开关时，X13 接通，如果是单周期操作，则 M0 断开，回到初始状态，如果连续操作，则 M0 接通，状态转移至 S20，又开始下一个周期的循环。在运行中，如按正常停车按钮，则 X1 接通，M0 复位，机械手的动作继续执行完一个周期后，回

42、到初始状态。如按紧急停车按钮，则 X2 接通，状态 S0S33全部复位，机械手工作停止。重新启动时，先用手动来将机械手移回原点，才能再次进行自动操作。2）单步操作。当自动操作程序采用步进指令设计时，单步操作程序用“禁止状态转移”标志器 M8040 来实现，如图 2-8 所示。该继电器线圈接通时，禁洛阳理工学院毕业设计（论文）21 图 2-8 自动程序洛阳理工学院毕业设计（论文）22止步进状态转移，线圈断电时，允许状态转移。 在单步操作方式下，利用启动按钮 X0 作为单步操作信号，X4 接通。不按启动按钮时，X0 断开，其常闭接点闭合，M8040 接通，状态转移被禁止。图 2-9 用“禁止状态转

43、移”设计的单步操作梯形图当完成一步动作后，按下启动按钮，X0 接通， ，其常闭接点将 M8040 断开，状态转移到下一步。将如图 2-9 所示的单步操作梯形图连接在如图 2-8 所示的自动程序上端，就得到了包括单步、单周期、连续操作在内的整个自动操作的梯形图。，机械手的控制程序分段设计完毕。根据图 2-6 所示的总程序结构框图，将手动操作程序梯形图和自动程序梯形图嵌入，就得到整个程序的梯形图。洛阳理工学院毕业设计（论文）1谢 词本设计及论文是在我的指导老师余炳辉老师和机电一体化教研组的诸位老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励

44、着我。从课题的选择到项目的最终完成，朱老师和各位专业老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向各老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我还要感谢在一起愉快的度过三年生活的 D070213 班各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 洛阳理工学院毕业设计（论文）2参考文献【1】 胡晓明主编 电气控制及 PLC 机械工业出版社 2006【2】 程周主编 P

45、LC 技术与应用 福建科学技术出版社 2004【3】 李中年主编 控制电气及应用 清华大学出版社 2006【4】 刘美俊编著 通用变频器应用技术 福建科学技术出版社 2004【5】 冯辛安主编 机械制造装备设计 机械工业出版社 2005【6】 廖常初主编 可编程序控制器应用技术 重庆大学出版社 2002【7】 邱士安主编 机电一体化技术 西安电子科技大学出版社 2005【8】 田鸣主编 机械技术基础 机械工业出版社 2005【10】 杨黎明.机械零件设计手册.第一版.国防工业出版社,1986,12【11】 吴宗泽.机械设计. 第一版.中央广播电视大学出版社,1998,2【12】 卢颂峰.机械设

46、计课程设计手册. 第一版.中央广播电视大学出版社,1998,4【13】 非标准零件手册.第三版.国防工业出版社【14】 液压与气动传动.机械工业出版社【15】 机械手及其应用.机械工业出版社【16】 液压元件样本.机械工业出版社【17】 杨长能, 张兴毅.可编程序控制器基础及应用. 第一版.重庆大学出版社,1992,1【18】 左建民.液压与气压传动.第二版.北京:机械工业出版社,1999,5【19】 孙燕华.AutoCAD2000 机械制图.北京:机械工业出版社,2002,9【20】 顾京.数控加工编程及操作.北京:高等教育出版社,2008可编程控制器是一种工业控制计算机，简称 PLC。可编

47、程控制器现已成为一种广泛使用的工业控制器，在很多场合，可编程控制器是快速、可靠、经济地构洛阳理工学院毕业设计（论文）3建控制系统的重要设备。可编程控制器的基本组成和普通的计算机相同，都包含 CPU、I/O 接口、存储器电源模块、PLC 的外部设备.1. CPU 的构成CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢作用，每台 PLC 至少有一个 CPU,它按 PLC的系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按

48、指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。与通用计算机一样，PLC 中的 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由振荡信号控制。CPU 的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU 的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作的。CPU 虽然划分为以上几个部分，但 PLC 中的 CPU 芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对 CPU 内部的详细分析已无必要，我们只需要弄清它在PLC

49、中的功能与性能，能正确的使用它就够了。2. I/O 接口PLC 的对外功能，主要是通过各种 I/O 接口模块与外界联系的，按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点数反映输出暂存器状态。根据现场执行部件的不同需要，输出接口分为继电器型、晶闸管型和晶体管型三种类型。继电器型输出接口为有触点输出，外加负载电源既可以是交流，也可以是直流，响应时间为毫秒量级；晶闸管型接口只能带交流负载，响应时间为微秒量级；晶闸管型接口只能带直流负

50、载，响应时间最短，为纳秒量级。3. 存储器洛阳理工学院毕业设计（论文）4PLC 的内部存储器用来存储系统管理程序和用户程序。内存系统所用的存储器基本上由 ROM、EPROM 和 RAM 组成，存储能力的大小随机器的性能而变化。根据存储内容的不同，PLC 的存储空间一般分为以下三个区域：（1）.系统程序存储区用于存放 PLC 的系统程序。系统程序是由控制器的制造厂家在研制系统是确定的，它和机器的硬件组成有关，并在机器使用过程中是不变动的，因此系统程序在机器出场时由制造厂用 PROM 存储器做成，用户不能访问修改这一部分存储器内容。（2）.用户程序存储器区，用于存放应用程序。用户应用程序是随控制器

51、的使用环境而定的，随着控制对象的不同而变动，但是这种变动并不是经常发生的，它由使用人员根据控制对象的要求编制而成的，一般存放于 EPROM 中。（3）.系统 RAM 存储区，用于存放控制器在运行过程中经常发生变化和需要经常存取的一些数据。该存储器中存放的数据一般不需要长久保持，因此这部分存储器都选用 RAM，以适应随机存取的要求。与一般计算机系统不同，在PLC 系统 RAM 存储器中，除存储工作数据外，还开辟有输入/输出映像区及定时器/计数器的设定值与当前值的数据存放区。4. 电源模块有些 PLC 中的电源，是与 CPU 模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为 PLC 各模块的集成电路提

52、供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V的工作电源。电源以其输入类型可分为：交流电源，常用的为 220V 或 110V；直流电源，常用的为 24V。5. PLC 的外部设备外部设备是 PLC 系统不可分割的一部分，它有如下 4 大类。编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状态。编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程

53、序不丢失。输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读入器，输入模拟洛阳理工学院毕业设计（论文）5量的电位器、打印机等。可编程控制器的特点可编程控制器是专为在工业化境下应用而设计的工业计算机，其出现后就受到普通重视，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占有及其重要的地位。它与现有的各种控制方式相比较，具有如下特点：1. 可靠性高可编程控制器的平均无故障时间长达 30 万 h，也就是说一台可编程控制器可连续运行 30 多年不出故障，到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠性能达到和超过 PLC。为了能够具备这样的可靠性，开发 PLC 时，在硬件方面采用了屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离及模

54、块机构等措施来增加 PLC 的可靠性；在软件方面，设置了自诊断、警戒时钟 WDT、信息保护和恢复等措施；此外，PLC采用周期扫描、集中采样、集中输出的工作方式也及有效地提高了自身的抗干扰能力。总之，采用这些措施后，使 PLC 具有了极高的可靠性和很强的抗干扰能力，被誉为“不会损坏的仪表” 。2. 控制程序可变，具有很好的柔性在生产工艺流程改变或设备更新，需要改变控制功能时，PLC 往往不必改变硬件设备，只需改变一下应用程序就可以达到目的。所以，从这个意义上说，它具有很突出的柔性控制能力，此能力正是目前企业“小批量、多品种”产品所强烈要求的。正因为此，PLC 在柔性制造单元、柔性制造系统以至于工

55、厂自动化中被大量采用。3. 编程方法简单易学目前，对大多数 PLC 编程采用的都是与继电器控制电路相似的梯形图，它形象直观，易学易懂，因此受到普遍欢迎；PLC 还针对具体问题，开发了顺序功能图语言，简化了复杂控制系统的编程。4. 功能强，性能价格比高现代 PLC 内部有成百上千的内部继电器、几十个特殊继电器、许多数据寄存器、几十到几百的定时器和计数器，还开发了几十到几百的功能指令，所以它不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序等功能，还具有较强的数值处理功能、模拟量输入输出处理功能、通信联网功能等；此外，还能扩展位置控制、运动控制等各种特殊功能的智能模块。与相同功能的继电控制系统相比，它具有很高的性

56、能价格比。洛阳理工学院毕业设计（论文）65. 体积小，重量轻，能耗低由于半导体集成电路的应用，PLC 的体积相对很小。一台收音机大小的 PLC具有相当于三个 1.8M 高的继电器柜的功能，节点能达到 50%以上。现代可编程序控制器的发展趋势近年来，随着技术的发展和市场需求的增加，PLC 的机构和功能正在不断改进，各个生产厂家不断推出 PLC 新产品，平均 35 年更新换代一次，有些新型中小型 PLC 的功能甚至达到或超过了过去大型 PLC 的功能。现代可编程控制器有两个方面的发展趋势。a. 发展微小型 PLC，使其体积更小、速度更快、功能更强、价格更低配置更加灵活。由于自动控制系统规模的不同，

57、小型化、低成本的 PLC 将广泛应用于各行各业，其组成由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，例如SIEMNS 公司的 S-200 的最小配置为 CPU221，主机有 6DI/4DO（数字量输入/数字量输出） ，而 CPU244 主机可扩展 7 个模块，最大达94DI/74DO，16AI/16AO（模拟量输入/模拟量输出） ，可满足比较复杂的控制系统的要求。b. 发展大型 PLC，使其具有大型网络化、高可靠性、多功能、良好的兼容性等特点。网络化和强化通信能力是 PLC 发展的一个重要问题，向上与以太网、MAP 网等相连，向下通过现场总线将多个 PLC 与远程 I/O 等相连，构成整个工厂的自动化控制系统。近年来各公司陆续推出各种智能模块，大大增加来了 PLC的控制功能。智能模块是以微处理器为基础的功能部件，其 CPU 与 PLC 的 CPU并行工作，能够独立完成某些控制功能，如通信控制、高速计数、模拟量输入输出等，使系统设计和调试时间减少，控制精度提高。好的兼容性是 PLC 深层次应用的重要保证，SIEMENS 公司的 S7 系列 PLC 与通用微机兼容，可运行DOS/Windows 程序，PLC 的编程语言 STEP7 可运行在 windows 环境下，提供了很强的梯形图、语句表的编程、调试和诊断等功能，体现了现代 PLC 的特点。