搬运机械手PLC控制系统设计毕业设计

搬运机械手PLC控制系统设计毕业设计（通用6篇）

篇1：搬运机械手PLC控制系统设计毕业设计

设计题目 搬运机械手PLC控制系统设计 学生姓名 孙飞龙 学 号 02030801013 专业班级 机电一体化（1）班 指导老师 张兰仙

机电工程系

搬运机械手PLC控制系统设计毕业设计

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，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、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

目 录

前 言………………………………………………………………………………….1

第一章 机械手的概况

1.1 搬运机械手的应用简况…………………………………………………2

1.2 机械手的应用意义………………………………………………………3

1.3 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“ title=”下一页">> >> >>| 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……………………………………………… 操作面板及动作说明…………………………………………………… I/O分配………………………………………………………………… 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2～3个自由度。

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，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 5 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|<< << < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > >> >>| 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。

50～60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。

60～70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|<< << < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > >> >>| 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，9 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，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|<< << < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > >> >>| 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）.编程简单、使用、维护方便

4）.组合方便、功能强、应用范围广

PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此，PLC应用范围很广。

5）.体积小、重量轻、功耗低

PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。

5.PLC在机械手中的应用

机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强;编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围广;体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动。

第二章 搬运机械手总体设计方案

2.1搬运机械手结构及其动作

本机械手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图3—1所示：

图2—1机械手的动作周期

2.2机械手的控制过程

如图3—2所示由A、B两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作，A缸通过一个单电两位四通电磁换向阀控制工件的夹紧、放松，B缸通过一双电两位四通电磁阀控制机械手的升降；由小车实现机械手的移动。该小车由两台电动机驱动，一台是高速，一台是慢速。当小车前进时以慢—快—慢的形式进行，返回时按慢—快—慢的形式后退。当工件从传送带传输到机械手下方时，工件碰压行程开关SQ1，B缸活塞杆伸出，带动机械手下降，下降至终点碰压行程开关SQ3与机械手夹钳相连的A缸活塞杆收进，机械手将工件夹紧；当工件夹紧到位时，行程开关SQ5动作，B缸的活塞杆收进，把工件提升；当工件提升到最高位置时碰压行程开关SQ4，启动小车慢速右行；当小车碰压行程开关SQ7时转为快速行走；接近终点时小车碰压 14 行程开关SQ8，转为慢速行走；行至右端行程开关SQ9，小车停止前进；停留5秒后，B缸活塞杆再次外伸，机械手下降至终点，A缸活塞杆外伸带动夹钳松开，将工件放下；然后机械手上升，小车以慢—快—慢的形式沿原路返回，恢复到图示所示的原点位|<< << < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > >> >>| 置。

2.3机械手的控制要求

为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：单步、单周期、连续；手动操作包括手动和回原位的操作。

手动操作：供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。例如，当选择手动操作时，按下上升/下降按钮，机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以此类推。

回原位：当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次通电将操作方式选择置于回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原则返回到原点位置。

单步运行：供试用，即没按一次启动按钮机械手向前执行一个动作后停止。

单周期运行：供首次检验用，当机械手在原点时按下启动按钮，机械手自动执行一个周期后停止在原点位置

连续运行：正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始的执行各工步动作。

该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放置自动工作方式下。若自动工作状态解除，则硬件工作方式选择开关放置于“手从操作”位置。

第三章 搬运机械手硬件系统设计

硬件系统设计包括机械部分和电气控制部分的设计。

3.1机械手的结构

设计其结构如图3—2所示

图3—2：机械手的结构示意图

图中设置9个行程开关SQ1—SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施控制。其中SQ1为工件是否到位的检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3、SQ4分别为机械手下降上升是否到位检测开 16 关；SQ5、SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关；SQ7、SQ8分别为小车速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关。

3.2电气控制的设计

包括主电路和控制电路的设计。主电路由两台电动机，即慢速电机和快速电机，分别拖动小车慢行和快行，其控制如下：慢速电动机M1由接触器KM1、KM2分别控制其正传和反转；快速电动机M2由接触器KM3和KM4分别控制其正传和反转。机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械手松开，得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情况发生。

3.3操作面板及动作说明

根据控制和生产工艺的要求，控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步进、回原位操作，自动控制包括单步、单周期、连续的操作。故操作方式选择开关设置有五个档位。手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、快进、慢进、快退、慢退和复位，故设置六个动作看官按钮。各个动作进行的同时均设有动作指示灯。另外设有启动停止按钮。

其操作面板如图3—3所示：

图3—3机械手操作面板示意图

3.4 I/O分配

I/O设备即所需的I/O点数如下表所示：

信

I/O设备

号

操作方式选择旋钮开关 手动时运动选择按钮

输 入

启动停止按钮 行程开关 9 5 8

输 出

动作指示 原点指示 1

交流接触器控制线圈 电磁阀 3

I/O点数 信号

I/O设备

I/O点数

根据I/O点的分配要求及考虑10%到15%的I/O裕量，本设计PLC采用F1—60MR 36/24型，样图见图3-4所示：

图3—4 F1-40MR样图

控制电路设计主要是PLC输入、输出接线的设计，其I/O分配如图3—5所示。

电气接线图见附图

图3—5 PLC I/O接线控制图

第四章 搬运机械手的软件系统设计

机械手动控制属顺序控制，故其手动程序采用普通的PLC控制指令控制，自动程序采用步进梯形指令控制

4.1梯形图的总体设计

按照机械手控制和工艺流程的要求，在选择“手动方式”时应执行手动程序；在选择“回原位”时应执行回原|<< << < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > >> >>| 位程序；在选择自动程序时应执行自动程序。其中自动程序要在启动按钮按下时才执行。故梯形图的总体构成如图3—6所示。

图3—6搬运机械手PLC控制梯形图总体构成

4.2各部分梯形图的设计

1.通用部分梯形图设计

通用部分梯形图分为三部分：

1）.状态器的初始化。初始化状态器S600在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关置于“返回原位”（X514接通）时，按下复位按钮（X507）时被置位，在“手动操作”（X510）接通时，S600复位。处于中间工步的状态器用手动做复位操作，即在方式选择开关位于“手动操作”或“返回原位”时，中间状态器同步复位。故初始化梯形图如图3—7所示，（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）。

图3—7 状态器初始化梯形图

2）.状态器转换启动。若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后按下启动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步一步的向下传递，即可进行转换。在执行“连续程序” 时，转换启动继电器M575一直保持到 22 停机按钮按下为止。另一面采用M100检查机器是否处于原位。当M575和M100都接通时，从初始状态器开始进行转换，故其梯形图如图3—8所示。

图3—8状态器转换启动梯形图

3）.状态器转换禁止梯形图。激活特殊辅助继电器M574并用步进梯形指令控制状态器转换时，状态器的转换就被自动禁止。

在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并自保持，操作停止在现行工步。当按下停止按钮时，从现行工步重新开始工作，M574应复位，即重新允许新转换。

在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。但没按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一次。

在“手动”工作方式时禁止进行状态转换。在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位。

PLC在启动时，用初始化脉冲M71和M574自保持，以此禁止状态转换，直到按下启动按钮。故状态器转换禁止梯形图如图3—8所示。

图3—8 状态器转换禁止梯形图

通过对3—7和3—8的分析可得出：在执行“手动操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通，（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时没按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的转换可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的转换被禁止，操作停止在现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续程序”时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。

2.手动操作梯形图

手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方式来设计梯形图。“手动操作时”按下放松按钮时，机械手卡抓松开，当松开放松按钮时，机械手卡爪在液压缸作用下自动加紧并保持；按下上升按钮，上升输出Y435保持 24 接通；按下下降按钮，Y436保持接通；在上限位按下慢进按钮，慢进输出Y430接通，至行程开关SQ7闭合，小车停止；快进、快退、慢退情况同慢进。

手动操作梯形图设置有互锁，只有在小车处于左限位（即X403闭合）或右限位（即X412闭合）时机械手的上升下降动作才能进行，只有当机械手处于下限位（即X404接通）机械手的加紧放松动作才可以手动控制；为了安全，同一个电动机的正反转线圈不能同时接通，设计中设计了自锁开关，防止线圈同时接通造成的短路。故手动操作时梯形图如图3—9所示。

图3—9 手动操作梯形图

3.返回原位梯形图 在“返回原位”状态下，“夹紧”与“下降”动作应被停止，上限位未动作时，应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限|<< << < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > >> >>| 位位置。故返回原位梯形图如图3—10所示：

图3—10 返回原位梯形图

4.“自动”状态梯形图 图3—11表示了机械手自动工作时执行各工步的情况，表示了各工步的实现和转换的条件。在第一次下降工步中，下降电磁阀Y436接通。自下限位置时，X404接通，转换为“夹持”过程；夹持电磁阀Y434复位，至加紧限位X406接通，转换为上升动作；当上限为开关SQ4闭合，X405接通，小车开始慢进动作。快进、慢进、延时、下降、加紧、上升、慢退、快退、慢退动作依次类推，如上所述一步一步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。26

图3—11搬运机械手自动工作流程图

用状态器代替自动工作流程图的各工步，可得到3—12所示的功能表图：

图3—12 搬运机械手自动工作功能表图

根据图3—12所示的自动工作功能表图，可设计出自动操作时的梯形图如图3—13所示。

图3—13搬运机械手自动工作梯形图

5、绘制搬运机械手PLC控制梯形图

将从初始化开始的一系列梯形图，按照总体结构图（图3—6）的形式组合在一起，得到机械手PLC控制的梯形图（见附图），其语句表见附录。

附图：

搬运机械手结构图

搬运机械手控制梯形图

搬运机械手动作流程图

搬运机械手控制接线图

结 论

本设计主要应用于机加工生产，货物调运等场合。

搬运机械手采用PLC控制，体积小，重量轻，控制方式灵活，可靠性高，操作简单，维修容易。使用该机械手代替人工搬运工件，既安全，又准确，提高了劳动生产率，保证了工件的质量，降低了工人的劳动强度，具有较好的经济效益和社会效益。

可编程控制器PLC以其丰富的I/O接口模块、高可靠性,可以在机械手的控制系统的设计中起到了十分重要的作用。

本文就设计过程中的几项关键的问题提出了自己的一些看法,可以有效地提高系统的抗干扰能力,对PLC读、写,事件响应等通信时间可进行精确的控制,取得了良好的效果.随着机械手应用的普及，机械手向着专用化，机械结构向模块化、可重构化的方向发展，机械手的动作更加灵活多样，其控制方式也在向着多元化的方向发展，在PLC控制的过程中,还有许多的问题需要解决，PLC在机械手开发中的开发应用还有很大的空间。

谢 辞

此次设计是在张兰仙老师的悉心指导下完成的。导师为论文课题的研究提出了许多指导性的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。张兰仙老师的严谨治学、不断探索的科研作风，敏锐深邃的学术洞察力，孜孜不倦的敬业精神，给我留下了深刻的印象，使我受益良多。生活中张兰仙老师就是我的朋友，她的态度让我对生活有了新的认识。在本文结束之际，特向我敬爱的导师致以最崇高的敬礼和深深的感谢！

通过此次设计，一方面让我认识到自己的不足，发现了学习中的错误之处；另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。再一方面也加强了我和老师的交流，认识到知识的渊博度。

经过这次的努力，使我顺利的完成了毕业设计。这份毕业设计既是对过去三年所学知识的总结，又是自己知识的积累，也大大加深了对单片机技术的了解。

毕业设计中既动脑、，又动手，是一个理论与实际结合的过程。仅仅有理论是不够的，更重要的是实际的，是我们所设计的实物，具有设计合理，经济实用的优点。这就需要我们设计者考虑问题是要仔细、周密，不能有丝毫的大意。对设计方案的优越化，也需要我们综合各方面的因素考虑，尤其是实际。再次像教育指导我的老师及同学表示诚挚的感谢！

鉴于本人所学知识有限，经验不足，又是初次研究这种复杂的设计，在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请各|<< << < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > >> >>| 位老师给予批评和指正。

参考文献

[1] 王炳实.机床电气控制.第三版.北京：机械工业出版社，2004年：146-162 [2] 王本轶.机床设备控制基础.北京：机械工业出版社，2005年：283-288 [3] 丁树模.液压传动.北京：机械工业出版社，2007年

[4] 林平勇.高崇.电工电子技术.第二版：北京：高等教育出版社，2004年

[5] 熊幸明.曹才开.一种工业机械手的PLC控制.微计算机信息，2006年，第22卷第11期:120-122 [6] 孔秀艳.一种四轴搬运机械手的PLC控制.大众科技，2008年，第7期：112-113 [7] 刘轩.王丽伟.机械手的PLC控制.机床电器.2006年，34-49

[8] 张应金.PLC在机械手搬运控制系统中的应用.自动化博览，2008年02月刊：71-73 [9] 曾繁铃.一种PLC控制的工业机械手.常熟理工学院报，2008年4月第22卷第四期：101-104 [10] 罗庚合.蔡霞.搬运机械手的PLC控制.西安航空技术高等专科学校，2002年，第20卷第一期：7-9 [11] 言纪兰.懂峰.基于PLC控制的搬运机械手的应用.机械工程与自动化，2008年4月第2期：156-158 [12] 杨峰.SMR搬运机械手的PLC控制系统设计.机车车辆工艺，1998年第6期：36-40 [13] 詹贵印.周红梅.三自由度液压机械手的PLC控制研究.装备制造行业应用，2007年7月：109-112 [14] 姜培刚.盖玉先.机电一体化系统设计.北京：机械工业出版社，2008年

[15] 王坤.何小柏.机械设计.北京：高等教育出版社，1996年

附录：语句表 步序 1 2 3 4 5 6 7 指 LD AND S LD R LD OUT

令 X514 X507 S600 X510 S600 X510 F671 34 8 K 9 OUT 10 K 11 OUT 12 K 13 LD 14 AND 15 OR 16 ANI 17 LD 18 OR 19 OR 20 ANB 21 OUT 22 LD 23 AND 24 ANI 25 OUT 26 OUT 27 LD 28 PLS 29 LD 30 AND 31 OR 32 OR 33 OR 34 OR 35 OR 36 ANI 37 OUT 38 LDI 39 CJP 40 LD 41 ANI 42 LD 43 OR 44 ANB 45 ANI 46 OUT 47 OUT 48 LD 49 ANI 50 LD 51 OR

601 F672 610 F670 103 X501 M575 X400 X501 X501 X512 X513 M575 X405 X403 Y434 M100 Y540 X400 M101 X401 X502 X511 X512 X514 M71 M574 M101 M574 X510 700 L500 X405 X430 X412 Y435 Y436 Y530 X500 X405 X430 X412

52 ANB 53 ANI 54 OUT 55 OUT 56 LD 57 ANI 58 AND 59 OUT 60 OUT 61 LDI 62 ANI 63 AND 64 OUT 65 LD 66 ANI 67 ANI 68 AND 69 ANI 70 OUT 71 OUT 72 LD 73 ANI 74 ANI 75 AND 76 ANI 77 OUT 78 OUT 79 LD 80 ANI 81 AND 82 ANI 83 OUT 84 OUT 85 LD 86 ANI 87 AND 88 ANI 89 OUT 90 OUT 91 EJP 92 LD 93 CJP 94 LD 95 S

Y436 Y535 Y531 X502 X407 X404 Y434 Y533 X402 X406 X404 Y532 X504 X410 X412 X405 Y431 Y430 Y534 X506 X411 X403 X405 Y430 Y431 Y535 X530 X411 X405 Y433 Y432 Y530 X505 X410 X405 Y432 Y433 Y537 700 X517 701 X507 M200

96 LD 97 OUT 98 R 99 OUT 100 AND 101 R 102 R 103 OUT 104 AND 105 R 106 EJP 107 LD 108 OR 109 OUT 110 MC 111 STL 112 LD 113 AND 114 S 115 STL 116 OUT 117 AND 118 S 119 STL 120 OUT 121 AND 122 S 123 STL 124 OUT 125 AND 126 S 127 STL 128 OUT 129 AND 130 S 131 STL 132 OUT 133 AND 134 S 135 STL 136 OUT 137 AND 138 S 139 STL

M200 Y434 Y436 Y435 X405 Y430 Y432 Y433 X403 M200 701 X400 M102 M102 M102 S600 M575 M100 S601 S601 Y436 X404 S602 S601 Y434 X406 S603 S603 Y435 X405 S604 S604 Y430 X410 S605 S605 Y432 X411 S606 S606 Y430 X412 S607 S607

140 OUT T450 141 K 5 142 AND T450 143 S S610 144 STL S610 145 OUT Y436 146 AND X404 147 S S611 148 STL S611 149 OUT Y437 150 AND X407 151 S S612 152 STL S612 153 OUT Y435 154 AND X405 155 S S613 156 STL S613 157 OUT Y431 158 AND X411 159 S S614 160 STL S614 161 OUT Y433 162 AND X410 163 S S615 164 STL S615 165 OUT Y431 166 AND X403 167 S S600 168 RET 169 MCR M102 170 END

|<< << < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > >> >>| 附图：

搬运机械手结构图

搬运机械手控制梯形图

搬运机械手动作流程图

搬运机械手控制接线图

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篇2：搬运机械手PLC控制系统设计毕业设计

基于PLC控制的自动生产线工件搬运机械手设计

学院：机械工程学院

篇3：搬运机械手PLC控制系统设计

机械手又名自动手, 能够模仿人的手臂的某些动作, 完成抓取、搬运或使用工具等操作, 代替人的劳动, 让生产自动化和机械化变为现实, 在危险环境下运行以保护人的安全, 因此广泛应用于冶金、交通、电力、化工等方面。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于:热加工、冷加工、拆修装等方面, 它可以增加生产自动化的程度, 提高生产率;减少人力资源的浪费, 降低生产的成本;改善工人的从业条件, 避免在高温、高压、低温、低压、有毒或是有放射性物质存在环境下造成的人身事故;保证高速高效率的生产。

机械手主要分为手部、运动机构和控制系统三个部分。其中, 手部用以抓持物件, 根据被抓持物件的情况, 和操作要求可分为夹持型、托持型和吸附型等不同类型。运动机构是指是首部完成各种操作动作的部分, 可以让首部完成转动、移动或者转动-移动符合运动来实现操作目的。运动机构的升与降、伸与缩、旋转等独立运动方式, 被称为机械手的自由度。自由度是机械手的重要参数, 自由度越大机械手的灵活度也就越大, 但相应的结构也会越复杂。一般专用的机械手有2-3个自由度。控制系统是机械手的“大脑”, 通过对它的操作, 可以使机械手按照操作者的意愿完成一些简单或复杂的动作, 在下面的篇幅中会详细介绍。

2 PLC概况及在机械手中的应用

2.1 PLC

PLC (programmable logic controller) 全称是可编程序控制器 (programmable controller) , 是综合了计算机、半导体、自动控制、通信网络等各方技术, 以微处理器为基础成立发展而来的一种工业通用的自动控制装置, 并以其显著的优势活跃在冶金、交通、电力、化工等领域, 成为了现代工业不可或缺的重要组成部分。

2.2 PLC的优势所在

在PLC以前工业生产中的控制是由继电器占主要地位, 传统的继电器结构简单, 抑郁掌握, 且价格便宜, 在工业生产中应用广泛。但其控制装置不仅体积大、动作慢, 而且耗能大、功能单一, 组装还很繁琐, 因此在PLC问世以后便迅速被取代。相较于传统的继电器控制, PLC具有其显著的优势这包括:

2.2.1 可靠性高、抗干扰能力强。

PLC能够在电磁干扰、机械振动、温度变换等恶劣环境中稳定工作, 其无故障时间间隔是一般微机所无法相比的。

2.2.2 控制系统构成简单、通用性强。

因为PLC是以软件编程来实现其控制功能, 所以当控制要求改变时, 不需要改动硬件设备, 只需替换相应软件即可。

2.2.3 编程简单、使用、维护方便。

2.2.4 组合方便、功能强、应用范围广。

PLC既控制开关量也可控制模拟量, 技能用单片机控制也能用作组成多级控制系统, 可以控制简单的系统也能控制复杂的系统, 因此有着广泛的应用范围。

2.2.5 体积小、重量轻、功耗低。

PLC使用了半导体集成电路, 因此尺寸小、重量轻、耗能低。

2.3 PLC在机械手中的应用

机械手通常用作在高温、高压、低温、低压、有毒或是有放射性物质存在等不良环境下代替人的反复操作, 从而避免了人身事故、节省人力资源。而PLC因其可靠性高而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强, 统构成简单、通用性强, 编程简单、使用、维护方便, 组合方便、功能强、应用广, 体积小、重量轻、功耗低等优点被广泛应用于控制复杂动作的场合, 比如机械手的控制。

3 搬运机械手PLC控制系统设计

3.1 PLC的内部原理

PLC本质上是一种用于工业控制的专业计算机, 它的基本结构实际上和微机是一样的, 其基本的引荐结构如图1所示。

3.1.1中央处理单元 (CPU)

中央处理单元 (CPU) 是PLC的控制中枢, 它根据PLC系统设定的功能接受从编程器输入的数据并出巡它们, 例如检查电源、警戒定时器、存储器的状态等, 并能检查出用户程序错误的语法。运行PLC时, CPU会先以扫描的方式接受来自输入装置的各种状态和数据, 经过识别后分别存入I/O映象区, 然后再从程序储存器中读取用户的程序, 经过命令后按照预定的规则执行逻辑或算术运算等任务。待运算结果出来以后传入I/O映象区或数据寄存器内, 等执行完所有的用户程序, 最后将从寄存器输出的数据或是从I/O映象区输出的各种状态传递到相应的输出装置, 如此循环往复, 直到停止运行。

3.1.2 存储器

PLC与微型计算机一样, 除了硬件之外, 还要有软件, 这才是完整的PLC。它的软件包括系统软件和应用软件两个部分。系统程序储存器是存放系统软件的储存器。根据PLC的工作机理而言, 它的储存空间一般包括系统程序存储区、系统RAM存储区和用户程序存储区三个区域, 其中统RAM存储区又包含了I/O映象区和系统软设备等。

3.1.3 PLC电源

PLC的电源是整个系统中十分重要的部分。无论是小型、中型还是大型的PLC, 它们的电源的性能都是相同的, 都是为PLC内部的所有构件提供一个稳定可靠的直流电源以保证它们的正常运作。一般的交流电电压波动在正负10%-15%之间, 因此可以将其直接接入将PLC使用。PLC一般来说使用的是220V的交流电源, 其内部的直流稳压电源课为各元件提供直流电。某些可编程序控制器也可以为少量的外部电子检测装置和输入电路提供24V的直流电源。而驱动现场执行机构的电源一般是由用户来提供的。

3.2 PLC的工作原理

可编程序控制器有运行 (RUN) 与停止 (STOP) 两种基本的工作状态, 在运行状态是, 通过执行和反映控制要求的程序来实现控制功能。为了使PLC的输出能够及时响应随时可能变化的输入信号, 用户程序并非只是执行一次, 而是必须不断地重复, 一直到停机或者状态切换到停止。

在每一次的循环过程中, PLC除了执行用户程序之外, 还需要完成内部的信息处理、通信处理等工作。一次的循环包括了内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理这五个阶段, 这种周而复始、循环往复的工作方式被称为扫描式工作。

因为计算机执行指令的运转速度极高, 从外部输入-输出的关系看来, 处理过程几乎是同时完成的。而实际上, 在内部处理时, PLC检查CPU内部的硬件是否正常时, 同时也在讲监控定时复位, 并完成一些别的内部处理工作。在通信服务阶段, PLC响应编程器输入的命令, 与其他的带微处理器的智能装置进行通信以更新显示器的显示内容。

响应社会的发展需求, 机械手的应用越发普及广泛, 在这样的大背景下, 机械手已经在向功能专用化、结构模块化、可重构化等方向发展, 它的动作越发灵活, 控制方式也发展趋向多元化。在PLC的控制过程中, 还有许多尚待探索与解决的问题, PLC在机械手的开发与应用中还具有很大的潜在空间等待人们的探索。

摘要：随着现代工业的发展, 工业自动化正迅速普及各行业中, 控制器的市场需求量也急剧上升, 其中搬运器械的应用也广泛普及, 主要应用于机械加工、汽车、生产线、货物装卸等方面, 能够有效的节约能源并提高运输、生产的效率, 满足经济发展的客观要求。PLC综合了计算机、半导体、自动控制、通信网络等各方技术, 以微处理器为基础成立发展而来的一种工业通用的自动控制装置, 并以其显著的优势活跃在冶金、交通、电力、化工等领域, 成为了现代工业不可或缺的重要组成部分。本文就搬运机械手PLC控制系统设计过程中的一些关键问题谈谈自己的看法。

关键词：搬运机械手,可编程控制器 (PLC) ,液压,电磁阀

参考文献

[1]王建军.搬运机械手及PLC控制系统设计[J].液压气动与密封.2010. (10) .

[2]李雪静.小型搬运机械手结构及PLC控制系统的设计[J].装备制造技术.2010. (03) .

篇4：搬运机械手PLC控制系统设计毕业设计

目前，由于机械手技术有了快速的发展，同时PLC控制技术以及点控制技术也在生产实践中得到应用，所以，适合在工业自动化生产中使用的通过机械手也有了不小的进展。因为气动机械手具有诸多优势，比如结构简单、定位精确、控制便捷等，因此被自动化生产线大量采用。本文将结合自动化生产线的实际情况，进行基于PLC与步进电机的气动手搬运机械手控制的探讨。

一、起动机械手的机构及原理

1、气动机械手的结构

该气动机械手的结构如图1所示，其中1为推料气缸，2为工作库，3为单杆气缸，4为双导杆气缸，5为气动手抓，6为转轴，7为步进电机，8为传送带。在以上组成元件中，燃料气缸主要负责在工件库中推送工件；气动手抓则是用来抓紧工件或放松工件；双导杆气缸是用来控制机械手臂进行缩回或者伸出动作；单杆气缸可以提升或者降低气动手抓；不仅电机控制着机械手臂的旋转，并且依据脉冲数量来保障定位准确。

2、气动机械手的工作原理

本文探讨的气动系统包括了推料气缸、升降气缸、伸缩气缸和气动手抓等组成部分。其中，单电控制二位五通阀负责控制推料气缸、升降气缸以及伸缩气缸。而气动手抓则是被双电控制二位五通阀来进行控制。至于气缸动作过程中的稳定性，一般通过单向节流阀来控制其速度，速度得到控制以后，气缸在运动过程中的稳定性即可大大提高。该气动机械手在工作中遵循以下流程：工件存料后气动机械手向前伸出—前臂降低—工件被气动手指夹住—前臂抬升并缩回—手臂向右旋转—手臂前屈—手爪把工件放进料口—手臂缩回—机械手复位，直到下一个工件就位，这一过程循环进行达到工作的目的。在本系统中，为了保障机械手的定位准确，把电感传感器装置在机械手底座处，当作其基准传感器。并且在机械手向左、向右旋转到最大位置处加装限制装置。

二、气动机械手控制标准

对于气动机械手控制标准，主要体现在搬运工件的工作中，不仅要准确控制其操作，还要同步呈现系统的状态。在遇到紧急事件时，可以进行相应的处理。具体要求分三个方面：（1）机械手在工件到位后向前伸出手臂，当传感器检测后，手爪气缸延迟0.5秒后下降，在限位传感器感应后，同样延迟0.5秒再抓取工件，手抓接受到加紧信号之后，延迟0.5秒上升气缸，到位后手臂气缸回缩，缩回限位到位之后右旋转，到达一定角度之后手臂向前伸出，伸出限位后手爪气缸降低，下降限位后，手动手爪延迟0.5秒松开工件，手爪提高限位后，手臂气缸向后缩，缩回限位后手臂进行左旋转，直到下一个工件就位，再重复以上要求。（2）启动、停止、复位、警告。在该系统通电，“复位”被点动后系统复位，并且清除干净存料台。点击“启动”按钮之后，表示缺料情况的黄灯会闪烁，设备在放进工件后再运转。当点动“停止“按钮后，全部元件都会暂停工作，警告灯也会点亮，同时缺料黄灯也会继续闪烁。（3）系统意外断电的处理。设备会在系统意外断电后暂停工作。直到电源供应恢复之后，点击“复位”按钮，并且再次点动“启动”按钮，这个时候机械手会执行控制要求（1）中的有关内容。

三、气动机械手控制系统的设计

1、气动机械手控制系统的硬件设计

本系统在动作流程上主要根据气动机械手控制系统的工作原理，并且结合电磁铁的状态和步进电机的方向信号DIR和脉冲信号的状态来安排气动机械手的动作顺序。在PLC I/O口分配方面，主要依据该系统输出与输入的数量特征。决定将控制器选择为西门子S7-200系列PLC。该气动搬运机械手控制系统的I/O口分配情况如表1所示。

2、气动机械手控制系统的软件设计

在本文中的机械手软件设计过程中，步进电机的控制是比较复杂的难点。对于步进电机控制系统而言，其驱动器的方向信号DIR和脉冲信号PLU是由Q0.1和Q0.0分别提供的。利用程序对步进电机的旋转方向和脉冲数目进行相应设置后，基本上可以保障机械手向左、向右旋转的准确度。结合步进电机的动作特征，应用S7-200PLC的脉冲指令PLS来保证步进电机的定位。其中，高速脉冲指令包括宽度可变脉冲PWM和高速脉冲PTO這两种类型。由于PTO方式能够有效控制脉冲数量和周期，所以被该系统采纳。步进电机一旦在启动瞬间发生高频脉冲增加的情况，会导致电机出现失步等故障。为此，步进电机在进行启动、运行、停止、高速运行、减速等阶段时，可以在PTO指令过程中运用多管线控制手段。

结论

本文进行基于PLC与步进电机的气动手搬运机械手控制系统的设计，通过相关实验，证明了该机械手控制方便、定位精确，可以长期稳定的运行。在实际生产过程中可以结合需要来调整机械手动作流程，提高其适应性。

参考文献

[1]何献忠.可编程控制器应用技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

篇5：搬运机械手PLC控制系统设计毕业设计

摘 要

随着工业自动化进程的加快，搬运机械手的应用也得到了飞速发展，主要在体现在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运方面, 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。

本机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升下降和左移右移分别由双线圈二位电磁阀控制，放松夹紧则由一个单线圈二位电磁阀控制。通过在各个不同部位的限位开关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。其动作过程包括：下降、夹紧、上升、右移、下降、放松、上升、左移；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），气缸，电磁阀

ABSTRACT With the acceleration of industrial process automation, handling robot application has been rapid development, mainly the production line or in terms of cargo transported automotive, electronics, machinery processing, food, medicine, etc., may be better to save energy and improve efficiency of transport equipment or products to reduce restrictions and lack of other transport modes, to meet the requirements of modern economic development.All movements of the robot driven by the cylinder, and the cylinder from the corresponding solenoid valve control.Among them, the rise and fall right and left respectively, by two dual-coil solenoid valve controlled by a single coil loosen the clamping two solenoid valves.Off different parts of the signal transmission generated by the limit switch to the controller PLC, the PLC program via different output signals to drive an external coil or solenoid to control the motor to produce different actions.Its course of action, including: reduced clamping rise, right, down, relax, up, left;its mode of operation include: back in place, manual, single-step, single cycle, continuous;to meet a variety of production operating requirements.Keywords: Handling robots, programmable logic controller(PLC), cylinder, solenoid valve

目 录

前言…………………………………………………………………………………1 第一章 机械手的概况

1.1 机械手的应用简况…………………………………………………2 1.2 机械手的应用意义………………………………………………………3 1.3 机械手的发展概况………………………………………………………3 第二章 搬运机械手PLC控制系统设计

2.1 搬运机械手结构及其动作……………………………………………… 2.2 搬运机械手系统硬件设计……………………………………………… 2.3机械手的控制要求 ……………………………………………… 第三章 搬运机械手控制程序设计

3.1机械手的结构…………………………………………………… 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………………………………………………………………………………

前 言 机械手最早是由美国人开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，被称为：mechanical hand。

主要是为了减轻人类繁重的劳动，能有效防止人类在有危害的环境下受到伤害，是能模仿和替代人类的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，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。

机械手主要分成三大部分：执行机构、驱动机构、控制系统。执行机构是在躯体的支撑下利用手部抓持住工件精确地运送到相应的位置；机械手所应用最为广泛的驱动机构主要是：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。控制系统中机械手的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动加减速度等。控制系统采用数字顺序控制，以插销板用的形式最多见。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。

第一章

机械手的概况 1.1机械手的应用简况

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，迅速发展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。

在工业制造领域，利用机器手在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作，达到事半功倍的效果。在军事领域，让机器手执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些危险的任务。在医疗领域，机器手可以用来辅助护士进行一些日常的工作，有些国家还发明了一种可以进入人体血管的微型机器手，帮助医生在病人的血管内灭杀病毒。

国内外还将机械手应用于冷加工、热加工、拆装修方面。工业机械手以成为不可或缺的重要工具。

1.2 机械手的应用意义

（1）推进了工业自动化进程的发展。

应用机械手，加快了材料的传送速度，使人力劳动得到进一步解放，工业生产机械化和自动化相得益彰。

（2）改善了劳动人民的生产环境。

利用机械手，使工人的安全得到良好的保障，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。

（3）提高了生产效率，节约了人力资源。

通过机械手，解放了劳动生产力，机械作业直接替代了手工作业，保障了人类健康和减轻了人类的负担。还可以更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

1.3 机械手的发展概况

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，是近年来机械自动化的发展方向，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，也是科学技术进步的重要体现。

第一代机械手是以模拟关节式的形式出现的，这也是最早的机械手。

随着科技的不断创新第二代机械手也在50～60年代诞生。是以传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。后来随着日本出现了装配机械手，装配机械手进入鼎盛时期。现代机械手的研究始于20世纪中期发展，在我国的三大产业中都有重要应用，机械手技术也得到飞速的多元化发展。

三代机械手的不段演变，体现了科学技术水平的不断攀升，人类自主创新能力的不断提高。逐步减少人力劳动是三代机械手演变过程的前进方向。

第二章 搬运机械手PLC控制系统设计

2.1 搬运机械手结构及其动作

该机构的上升、下降和左移、右移是由双线圈两位电磁阀推动气缸来控制的。机械手工作循环过程主要有8个动作，机械手的动作过程如图2—1所示：

图2—1 机械手的动作周期

2.2机械手的控制过程

图2—2 机械手结构示意图

如图2-2所示，从原位开始，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手爪下降。当碰到下限位开关时，下降电磁阀电源断开，机械手爪停止下降。同时，夹紧电磁阀通电，机械手爪夹紧工件。上升电磁阀通电，机械手爪上升。当碰到上限位开关时，上升电磁阀断电，机械手爪停止上升。同时，右移电磁阀通电，机械手爪向右移。当碰到右限位开关时，机械手爪停止右移。此时，光电开关接通，当检测到工作台上无工件时，下降电磁阀通电，机械手爪下降。当碰到下限位开关时，机械手爪停止下降。同时，放松电磁阀通电，放下工件。上升电磁阀通电，机械手爪上升。当碰到上限位开关时，停止上升。此时，左移电磁阀接通，机械手爪向左移。当碰到左限位开关时，机械手爪到达原位，停止移动。

2.3机械手的控制要求

机械手的操作方式分为：手动操作和自动操作两种。自动操作又分为单步、单周期和连续操作方式。

手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制。

单步操作：每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。

单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将完成一个周期的动作，然后停止在原起始点位置。

连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将自动地、连续不断地周期性循环工作。

在工作中若按一下停止按钮，机械手动作停止。重新起动时，用手动操作方式将机械手移回原位，按一下启动按钮，机械手又重新开始连续操作。

在工作中若按一下复位按钮，机械手将完成一个周期的动作后，回到原位，自动停止。

篇6：搬运机械手PLC控制系统设计毕业设计

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[1>。笔者开发的用于热处理淬火加工的物料搬运机械手，采用PLC控制，是一种按预先设定的程序进行工件分拣、搬运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以及淬火工艺的要求随时更改相关控制参数。物料搬运机械手结构

如图1所示，物料搬运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。对应的物料分拣装置由4个普通气缸构成，用以将不同长度的工件经分拣后送至各自的轨道中，并在轨道终端进行淬火加工，加工完毕后再由机械手抓取、搬运和分类堆放。机械手抓取长、短工件的顺序不是固定的，要视物料分拣装置的分拣结果以及长、短工件哪一个先到达轨道终端来定。但机械手对工件的堆放顺序却是固定的，要按照一定的规律堆放(如图1中，长、短工件各放一边，以4个为一组进行堆放)，并且堆放工件的位置精度也是有要求的。

图1 物料搬运机械手装置结构示意图 机械手控制系统组成

由于取工件和堆放工件都有定位精度要求，所以在机械手控制中，除了要对垂直手臂滑块气缸、气爪等普通气缸进行控制外，还要涉及到对水平手臂气缸以及机械手腰部回转的伺服控制。其中，机械手水平手臂气缸的伺服控制采用气动比例伺服控制系统;机械手的回转控制则采用三相混和式步进电机及其控制系统。考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，对这种混合驱动机械手采用PLC作为核心控制器，上述各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作(如图2所示)，PLC采用日本三菱公司的FX2N-32MR型PLC(16点输入、16点输出)。

图2 基于PLC的机械手控制系统硬件原理图

步进电机选用深圳白山机电公司的BS110HB3L142-04型三相混合式步进电机，最大扭矩:12Nm;保持转矩:13.5Nm;额定电流4.2A。步进电机驱动器性能的优劣，直接关系到步进电机的正常运行，必须合理选配。为此，我们仍选择白山公司与BS110三相混合式步进电机配套的Q3HB220M等角度恒力矩细分型驱动器，定位精度可达30000步/转。为了确保步进电机控制的稳定性、可靠性以及便于日后维护，我们选择与FX2N系列PLC配套的脉冲发生单元FX2N-1PG作为步进电机驱动器的控制单元[2>。PLC通过扩展电缆、控制信号以及FROM/TO指令对1PG进行控制，向1PG发出定位命令，然后由1PG通过向步进电机驱动器输出指定数量的脉冲(最大100KPPS)来具体执行这个定位命令，从而最终实现PLC对步进电机的伺服定位控制，既提高了控制的灵活性和可靠性, 又便于控制程序的编写。

在图2中，FX2N-1PG的FP和RP分别与步进电机的DR-和PU-端子相连，表示输出脉冲类型分别为前向脉冲和反向脉冲。1PG的DOG端为确定步进电机原点位置时所用。在调试时，当步进电机接近原点位置时，应通过此端对应的按钮接通24V电源，从而使步进电机开始以原点返回速度(爬行速度)转动，以便在到达设定的原点位置时方便于PG0端的控制。PG0+和PG0-为步进电机到达原点位置时的停转控制信号，需外加一个5V电源，正端接PG0+，负端通过开关K与PG0-相连。当步进电机在DOG信号的控制下缓慢转动到达设定的原点位置时，可通过手动或行程开关触发PG0+和PG0-，使两端接通5V电源，于是电机停转，并将原点位置记录下来，存贮在1PG的BFM#26和#27这2个寄存器中，作为PLC对步进电机进一步控制的基准和重要参数。

气动比例伺服控制系统采用德国Festo公司的相关产品，主要由HMP坐标气缸、伺服定位控制器SPC200以及与之配套的内置位移传感器MLO-POT-0225、气动伺服阀MPYE-5-1/8-LF-010-B和伺服定位控制连接器SPC-AIF-POT等装置组成。在图2的控制系统硬件接线中，主要涉及其中SPC200的DIO数字量I/O模块的接线[3>。从该图中可见，一方面PLC通过输出端Y0-Y3控制SPC200的定位指令(Record Select工作方式)记录号选取，并通过Y6启动伺服定位;另一方面SPC200又通过定位任务完成信号Q0.4(MC-A)将定位执行情况反馈到PLC的输入端X12，以便于PLC 的程序控制。

在滑块气缸和气爪上都安装有磁性开关传感器，用于检测气缸活塞的位置。通过这些传感器的信号，并结合步进电机和气动伺服的启停信号，在PLC的控制下，就能够对滑块气缸和气爪对应的电磁阀进行控制，进而实现气缸的动作。控制系统PLC程序设计 4.1 步进电机初始化控制程序

PLC与1PG间通过FROM/TO指令进行联系。通过TO指令，PLC将控制命令及参数写入1PG的缓存，而在1PG控制下，步进电机的运行状态则由PLC通过FROM指令读入，以便程序处理。在图3所示的部分步进电机初始化程序中，PLC一旦通电运行，便在每一个循环执行周期中将其M0～M15寄存器的内容写入1PG的操作命令缓存“BFM#25”中，控制1PG的工作。同时，PLC还不断从1PG的“BFM#28”、“BFM#27”和“BFM#26”缓存中读入步进电机的运行状态和当前位置值，以便在逻辑控制中通过对这些输入值的处理来进一步控制机械手的动作。

图3 步进电机初始化控制程序

按设计要求，同类型工件每4个为一组放置，两种工件各自的堆放顺序不能互相干扰。因此，同类型的4个工件搬运为一个基本循环，在各自的工件循环中分别设置了相应的工件计数标志位。

4.2 机械手综合控制程序

综合前述的步进电机和气动伺服控制技术，同时结合对垂直手臂滑块气缸、气爪的控制要求, 下面给出机械手完成一次定位并抓取工件的部分PLC程序(如图4所示):

图4 机械手综合控制程序

该程序表明:当工件分拣加工完毕后，机械手首先转动一定的角度指向取工件位置，待步进电机定位结束后，垂直手臂滑块气缸活塞落下，然后水平手臂气缸在气动伺服控制下伸出设定的定位位移。定位位移是由PLC的输出端子(Y2～Y0)控制SPC200输入端子(I0.2～I0.0)的状态来决定的，如附表所示，从而实现了PLC对气动伺服定位的控制。当气动伺服定位结束后，气爪动作,夹紧工件。后续的搬运和放置工件的控制程序原理与之类似。

附表 PLC输出端子与SPC200输入端子接口状态对应表结束语

上述针对机械手的控制方法充分利用了PLC和其它控制装置的特性，结构紧凑、控制可靠，目前在现场运行良好。作为一个相对独立的PLC控制系统，它还可以通过RS-485总线或CC-Link总线与生产线上的其它PLC及控制器组成工业控制网络, 实现更进一步的自动化生产控制。

参考文献

[1> 张建民.工业机器人[M>.北京:北京理工大学出版社,1996.[2> 三菱公司.FX2N-1PG PULSE GENERATOR UNIT USER’S MANUAL[Z>.2003.[3> FESTO公司.Pneumatic positioning system Smart Positioning Controller SPC200 Manual[Z>.2002