毕业论文-基于PLC的穿销机械手设计

苏州经贸职业技术学院毕业设计论文题目基于PLC的穿销机械手控制系统设计完成人学号系名智能装备系专业机电一体化指导老师郭秀华完成地点苏州经贸职业技术学院起讫日期20171120183苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计9719208002摘要随着社会的进步，科技的发展，我国的机械手行业在不断地发展和完善中。在21世纪的生活中，穿销机械手的应用越来越广泛，已成为工厂中不可或缺的一部分。鉴于穿销机械手在工厂中的广泛运用，本文利用PLC为主控制器，设计了穿销机械手的控制系统。因为PLC是自动化控制系统中最常使用的一种方法，PLC与传统的继电器逻辑控制系统相比较，具有体积轻巧、节能性好、良好的稳定性和灵活性等优势所在。本文在了解了穿销机械手工作情况之后，提出了穿销机械手控制系统的总体设计方案，并且给出了该设计方案的硬件设计以及PLC控制的软件设计。最后利用实验室现有的设备对该设计进行了模拟调试。从调试的结果来看，该设计方案是可行的。关键词穿销机械手；控制系统；可编程控制器（PLC）；传感器苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计9719208003目录第1章穿销机械手的概述411穿销机械手的研究背景、目的和意义412机械手发展现状413穿销机械手的技术发展方向414本课题研究的内容5第2章穿销机械手控制系统的总体设计方案621穿销机械手的基本结构622穿销机械手的工作流程623穿销机械手控制系统的结构724穿销机械手控制系统的控制要求7第3章穿销机械手的硬件设计931PLC可编程控制器的选型932传送电机的选型933气缸的选型和工作原理1034电磁阀的选型1035传感器的工作原理及选型1036穿销机械手的控制装置设计11第4章穿销机械手的软件设计1341穿销机械手设计的软件选择1342穿销机械手控制系统梯形图1443穿销机械手的模拟调试16结束语18致谢19参考文献20苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计9719208004第1章绪论11穿销机械手的研究背景、目的和意义随着科技的不断进步和发展，工业操作要求的不断提高和工业操作对人危害系数的增加，美国一些科研人员在1958年发明了世界上第一台机械手。之后，随着工业的高速发展，机械手已经成为工厂前沿最主要的自动化设备之一。因此，机械手得到快速的发展，同时穿销机械手也得到了飞跃的提升。到了现在，穿销机械手不但成为每个工厂必备的自动化设备之一，而且成为衡量归家经济实力和科技水平的重要因素。目前穿销机械手不仅在工厂里尤为普遍，而且在国家的高新技术发展中占有突出地位。加之穿销机械手给工厂带来越来越多利益和穿销机械手越来展现出越来越多的优点在供电的情况下，穿销机械手就可以不停歇的去工作，没有疲惫感；穿销机械手不畏惧各种困难险境，勇敢直前的完成预先设定的目标；穿销机械手工作时抓重物的力气也不会像人似的，随着工作次数的增多而有所减弱。因此，有必要对穿销机械手的性能和自由度不断地提高和完善，才能更好适应工厂操作的需求。本文课题研究的穿销机械手控制系统利用PLC作为主控制器，使机械手能够自动完成各项工作，这对普通机械手是一次技术的飞跃，能够推动穿销机械手的发展，具有一定的经济价值。12机械手发展现状近年来，机械手一直是我国一个值得“伤心”的话题，毕竟我国在发明创造方面并没有什么优势，技术创新领域方面一直表现平平。生产机械手的企业也并不多，很多产品的生产技术还需要从外国引进，高科技技术仍然掌握在国际龙头的手里。因此与国外相比较，机械手行业仍然属于比较落后的局面，并不具备与国外相争的实力。目前我国使用的机械手主要来自于三个国家日本、欧洲和中国。在日本生产的机械手中，安川、松下、川崎等深受中国工厂的深爱；欧洲主要是德国的KUKA和瑞典的ABB；还有一些工厂主要使用的是沈阳机械公司生产的机械手。机械手水平的研发和改造需要进一步提高，穿销机械手的技术也需要迅速得到拓宽，尤其是在自动化设备的广泛应用。现在，编程技术与定位技术相结合，使的整个自动化技术系统得到了更精准的控制，穿销机械手的性能也更加可靠。柔性自动化生产线的迅速发展，使得对穿销机械手提出了更高的要求。因此，提高穿销机械手水平也是重中之重的事情。13穿销机械手的技术发展方向穿销机械手的技术发展方向主要从以下几个方面着手1保证重复时的精确度重复时的精确度指的是穿销机械手经过多次动作之后，仍然可以到达同样的精确度。它是穿销机械手进行定位控制的重要因素苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计9719208005之一，它主要由驱动器的分辨率和反馈装置来决定。虽然重复时产生的误差是随机产生的，但是通过一定重复次数的探索，寻找规律，便可以通过程序来避免重复时精度造成的误差。2节能化随着科技的不断发展和进步，新型材料的探索和研发，使得许多工厂可以达到无污染的目的。这不仅节省了润滑油，而且保护了环境，还使整个系统更加简单、操作更加方便。3多样化随着各种新型产品的出现和工作工艺难度的提升，使得穿销机械手的类型不断演变和增加。因此，机械手行业需要进一步开发各式各样的穿销机械手新产品来满足不同工厂的需求。4简单化穿销机械手通过可编程控制器和传感器等元器件的加入，使得穿销机械手的操作更加方便、接线更加简单、接线的数量比接继电器的数量有了大幅度的减少、系统的可靠性也大大地增强。14本课题研究的内容本文主要从下列几个方面对穿销机械手控制系统加以研究1机械手类型的选择机械手有着高效率、操作简单的优点，本文主要研究穿销机械手的控制系统。该系统主要选择PLC控制，能够实现放件、传送、装销、传送、报警等功能，这些功能的实现是由PLC来控制的，可以随意修改。2穿销机械手控制系统总体结构的设计本文通过对穿销机械手的基本结构进行分析，根据穿销机械手的控制要求给出了系统工作流程图以及控制系统的程序流程图。3穿销机械手硬件设计穿销机械手需要具备良好的稳定性，因此本文选用了稳定性较好的FX3U32MR的PLC作为主控制器，并根据实际要求绘制了PLC的外部硬件接线图。4穿销机械手软件设计本文选用了目前应用最为广泛的梯形图作为编程语言，它能够直观明了的设计出机械手的控制要求。苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计9719208006第2章穿销机械手控制系统总体设计方案21穿销机械手的基本结构穿销机械手按驱动方式大概分为液压式、气动式、电动式、机械式。在本文中，主要研究液压式穿销机械手。图21为液压式穿销机械手的基本结构图，液压式穿销机械手主要由手部、手臂和躯干组成。手部是与工件直接接触的部件，主要作用是夹持部件。手臂是用来引导抓住部件传送到指定位置上，并利用穿销机械手的3个精确度，使得穿销机械手能够准确到达指定地点。驱干位于穿销机械手的底部，其结构紧凑、结构灵活、抗干扰能力强，但其液压元器件精确度要求高，密封性要好。S1托盘检测，S2销钉检测，S3销钉气缸复位，S4销钉气缸至位，S5止动气缸至位，S6止动气缸复位，C1止动气缸，C2销钉气缸，M1传送电机，YV1止动气缸电磁阀，YV2销钉气缸电磁阀，HL1红色指示灯，HL2绿色指示灯。图21液压式穿销机械手的基本结构图22穿销机械手的工作流程穿销机械手的工作流程主要分为以下几个步骤放部件、传送、裝销、传送、报警等功能，如图22所示1、放部件将钉梢零件放到传送带的托盘上；2、传送系统启动后，电动机驱送传送带转动并保持运行，使得托盘到达定位口；3、装销启动装销装置，使工件主体与盖上的主体连接装配；4、传送销钉装配好后，经过传送带送到指定位置；5、报警若本站销钉被连续击穿3次，传感器都没有检测到销钉传入，则报警器报警。苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计9719208007图22穿销机械手的工作流程23穿销机械手控制系统的结构穿销机械手控制系统主要由以下几个元器件组成PLC（可编程控制器）、传送电机、止动气缸电磁阀、销钉气缸电磁阀、销钉气缸、止动气缸、传感器。1、PLC（可编程控制器）PLC主要是通过程序员预先编写的程序，对穿销机械手进行指挥、控制，完成各项任务,因此，PLC可以看做穿销机械手的大脑。2、传送电机主要目的是把部件传送到指定的地点，具有输送功率大、大载量等优点。3、止动气缸、销钉气缸止动气缸主要是使限位杆落下将托盘放行，而销钉气缸除了执行裝销动作之外，还需要自动退回。4、传感器销钉传感器主要用于检验产品的有无和被传入的次数，而托盘传感器的目的是检验是否有产品。5、止动气缸电磁阀、销钉气缸电磁阀两者都是利用电磁线圈产生的磁场来拉动阀芯，从而改变阀门的通断。24穿销机械手控制系统的控制要求根据穿销机械手控制系统的要求，编制的程序流程图如图23所示初始状态为直线传送电机处于停止状态；销钉气缸处于原位（即旋转推筒处于退回状态）；限位杆竖起禁行，工作指示灯熄灭。系统启动运行后本单元红色指示灯发光；直线电机驱动传送带开始运转且始终保持运行状态（分单元运行时可选用与PLC运行/停止同状态的特殊继电器保持直线传送电机的运行状态）。系统运行期间的动作过程如下1、当托盘载工件到达定位口时，托盘传感器发出检测信号，且确认无销钉信号后，绿色指示灯亮，红色指示灯灭，经3S确认后，销钉气缸推进执行装销钉动作；2、当销钉气缸发出至位检测信号后结束推进动作，延时2S后自动退回；3、气缸退回至复位状态且接收到销钉检测信号后，进行2S延时，止动气缸动作使限位杆落下将托盘放行。（若销钉安装为空操作，2S后销钉检测传感器仍无信号，销钉气缸再次推进执行安装动作，直到销钉安装到位）。4、放行3S后，限位杆竖起处禁行状态，绿色指示灯灭，红色指示灯亮。系统回复初始状态。本站销钉连续穿3次后，传感器还未检测到有销钉穿入，报警启动加载工件传送裝销传送穿孔检测若检测大于3报警苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计9719208008器报警，此时应在销钉下料仓内加入销钉。图23穿销机械手控制系统程序流程图苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计9719208009第3章穿销机械手的硬件设计31PLC可编程控制器的选型可编程控制器（PROGRAMMABLELOGICALCONTROLLER简称PLC），已经普遍出现在工业控制系统中，并且在自动化产业中占主导地位。PLC主要由寄存器、中央处理器、I/O接口、扩转接口电路、通讯等组成。PLC在机型选择上一般要满足以下要求PLC输入输出端子口量要比估算量多出10到20；由于不同的PLC在编程语言有所差异，因此选择自己熟悉编程语言的PLC；用户的存储容量一般要比所存容量大10到15倍。现代PLC的优点1、结构紧凑、应用灵活、功能完善；2、速度快、可靠性高、价格低廉；3、易操作、适用性强、抗干扰能力强；4、维护方便、容易改造；通过对穿销机械手功能的分析并结合PLC在机型上选择的原则，以及FX3U系列的PLC在小型控制系统中具有突出的优势。因此，本设计课题所选用的PLC因此，本文选用稳定性较好的日本三菱公司生产的FX3U32MR的PLC来实现此功能，如图31所示。图31FX3U32MRFX3U系列PLC的特点1中央处理的速度提升到0065US/基本指令；2高速脉冲输出口增加到3个；3在使用通讯的情况下，最多可以连接8台PLC4对于数据寄存器可以使用位指令，例D005对用模拟量使用UG来代替繁琐的FROM和TO指令。32传送电机的选型传送电机的作用主要是使部件到达指定的位置，因此传送电机的选型尤为重要。根据作业对穿销机械手的要求来看，本文需要选择的传送电机应具备传送距离精确、噪音微弱、安全可靠性高等工作优点。为了使部件在传送带不太大的范围进行平滑调速，应选择功能性较好的线性电机；从利益和价格来看，电机的转速越低、尺寸越大，价格也越昂贵，因此尽量选用高速电机。综合以上因素考虑，本文选用37KW,额定电压380V的三相立式电机，如图苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计9719208001032所示。图32三相立式电机33气缸的选型和工作原理对于以PLC作为主控制器的穿销机械手而言，气缸的选择也是至关重要的，这会直接影响到裝销工作的进程、和裝销工作的质量。气缸所采用的是气动技术以压缩空气的能量转化为机械能的传动装置。而在本文中气缸主要应用于部件的的推送和退回，应选择活塞双作用气缸，如图33所示。图33活塞双作用气缸活塞双作用气缸主要由缸体、工作台、活塞、活塞杆组成。主要特点是气缸因两端活塞直径相等，而使活塞两侧面积相等、流量相同，其往返运动时运动速度也相等。34电磁阀的选型电磁阀主要由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成。当线圈通电或断电时，磁芯的运转将导致阀体或被切断以达到开关或改变流体方向的目的。根据电磁阀的可靠性、安全性、经济性原则，本文选择两位三通式电磁阀，如图34示。图34两位三通式电磁阀35传感器的工作原理及选型传感器（TRANSDUCER）是一种能够感受把非电量信息（温度、压力、流量）按照一定规律转化成电信号或者其它所需形式的信息输出。一般由敏感元件、传感元件和测量转换电路组成，传感器的工作流程图如35所示。非电量被测量非电量敏感元件传感器元件电参量测量电路转换苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计97192080011图35传感器的工作流程图根据穿销机械手的分析并结合设计要求，本文选择型号为S185K的光电式传感器进行信号的检测，如图36所示。图36光电式传感器36穿销机械手的控制装置设计穿销机械手控制装置的硬件由以下几个部分组成可编程控制器（PLC）、传送电机、销钉检测、托盘检测、销钉气缸至位、销钉气缸复位、止动气缸止位、止动气缸至位、手动/自动按钮、启动按钮、停止按钮、急停按钮、复位按钮、止动气缸、绿色指示灯销钉气缸、传送电机、红色指示灯、蜂鸣器报警等部件组成，其I/O地址分配表如表31所示。表31穿销机械手的I/O地址分配表序列名称PLC地址编号1销钉检测X0S22托盘检测X1S13销钉气缸至位X2S44销钉气缸复位X3S35止动气缸止位X4S56止动气缸至位X5S67手动/自动按钮X10SA8启动按钮X11SB19停止按钮X12SB210急停按钮X13SB3输入11复位按钮X14SB41止动气缸Y0C12绿色指示灯Y1HL23销钉气缸Y2C24传送电机Y3M15红色指示灯Y4HL16蜂鸣器报警Y16HA1输出7蜂鸣器报警Y17HA2根据穿销机械手控制系统的I/0地址分配表，绘制了PLC和气缸的外部接线图。如图37所示苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计97192080012图37PLC和气缸外部接线图苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计97192080013第4章穿销机械手的软件设计41全穿销机械手设计的软件选择梯形图作为PLC编程中使用最为频繁的编程语言，被称为PLC第一编程语言。梯形图延续了继电器控制电路基础，对常用的继电器、接触器的符号进行了简化，同时也增加了许多强大的指令，使得编程更加简单，、容易，实现功能更加多样。梯形图程序编程语言有以下几个特点1梯形图语言形象、具体、直观、使用；2很容易被电气技术人员接受，也是目前最受欢迎的PLC语言；3在PLC程序中，左右母线类似于实物中的电源线，输出线圈类似于负载，常开常闭相当于按钮；4梯形图的语言指令强大复杂，一种动作可以用很多指令来写达到同样的效果；5梯形图按照从上到下，从左到右的原则执行。在编写梯形图程序的过程中应该遵循以下几个编程原则1用经验法编写梯形图时，要避免双线圈的输出（即输出继电器只能出现一次），但在SFC编写过程中可以多次出现；2梯形图编写时都要遵循从左母线开始编程，对于多次出现的线圈可以用中间继电器M代替；3在编写程序时要注意数据寄存器的位数（16位和32位），若为32位则在指令前加D，否则会造成数据的溢出；4在使用SFC编写梯形图程序时，必须要以RET和END作为结束语的标志。在本课题的软件选择上，运用了三菱公司的GXWORKS2梯形图编程软件来实现，其GXWOKS2软件编程界面如图41所示图41GXWORKS2编程软件界面苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计9719208001442穿销机械手控制系统梯形图根据穿销机械手控制系统的控制要求和程序流程图，编制的梯形图如图42所示苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计97192080015苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计97192080016图42梯形图43穿销机械手的模拟调试根据穿销机械手控制系统的I/0分配表，PLC与灯泡的外部接线图，利用实验室现有的设备对PLC的硬件和软件进行了现场的接线，然后进行了模拟调试。在调试过程中，遇到的问题进行了逐一排除，直至调试成功。调试现场的程序监视图如图43所示43调试现场的监视图1、通讯测试打开GXWORKS2软件选择工程中的新建工程选择PLC类型（FXCPU3U）接着在页面上双击【连接目标】再接着要把PLCCOM口改成与自己电脑安装驱动COM相同最后点击通讯测试即可。连接目标设置如图44所示2、梯形图写入PLC等编写好程序后，点击【在线】中的【PLC写入】，在对话框中根据所需设置要求在对应对话框中打钩，并执行。这样便可以完成GXWORKS2的程序写入。3、程序调试将PLC操作面板上的小拨动开关由STOP拨到RUN的位置，再使用快捷键F3使程序界面进入监视模式，即开始运行PLC。然后根据本课题所需要设计的内容进行一步步的测试，在测试过程中，若遇到PLC动作与设计内容相冲突的情况，则需要通过程序中的写入对程序进行一次又一次的修改，直至程序的准确无误。苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计97192080017图44连接目标设置苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计97192080018结束语时光飞逝，转眼便进入大学生写论文的季节。经过几个月的艰苦奋斗，我的毕业设计终于圆满完成。在没有接触到毕业设计之前我便对他充满了恐惧和胆怯（在我上大学期间就听到写论文的学长说“大学最痛苦的事情便是写论文”）。但是通过这次毕业设计使我懂得了许多道理只要肯努力付出，就一定会有回报；在遇到困难时，只要不退缩，勇敢直前，直面困难，你就有成功的一天；团结合作会使你的工作变得更加完美、效率有所提高通过本次毕业设计，使我懂得了学习一个东西要学习他的整套系统，而不能只单单专攻一个方面。在本次设计中，让我认识到自己仍有很多不足之处，需要学习的东西很多很多，学习的心态也要慢慢去改变，不能再想以前一样狂妄自大什么都会，而应该认真听见，虚心采纳。本次毕业设计是我在大学生涯里所做的最后一件事情，不仅可以让我对以往所学的知识有所回顾，而且让这些知识得到了升华所学的东西可以组成一个系统来做一件事情。在此期间，我对自己AUTOCAD软件的运用、快捷键的命令有了新的理解，绘图能力也有所提升；PLC方面，我对指令的使用更加运用自如、编程修改的次数越来越少、编程速度也有所加快。在三年的大学生活中，我不仅参加了学校的社团活动，还增加了社会经验（做了各种各样的兼职）。在这三年中，我很庆幸遇到了很多知心朋友和良师，他们无论在学习、生活还是其他方面，都给我很大帮助，让我在一个温暖阳光的校园中度过。大学之情感谢之词华丽的言辞无以表达，使用最朴实的“谢谢”两字致以最高的敬意。“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海”，这是我高中老师赠送我的一句诗。用这句话来作为我基本课题设计的结束语，也代表着大学生活的结束，工作生活的开始。只要梦想在，奋斗在，困难算什么，我们依就可以把它踩在脚下，直达胜利的彼岸。苏州经贸职业技术学院毕业设计定制PLC/单片机毕业设计,选择圆梦设计97192080019致谢通过几个月的忙绿和学习，本次毕业设计已接近尾声，作为一个大学生，初写毕业论文，难免会遇到很多问题，会有很多细节考虑不到，在这里我要衷心感谢郭老师