工业机械手模型基于PLC的控制系统软硬件设计-毕业论文.doc

本科毕业设计（论文）工业机械手模型基于PLC的控制系统软硬件设计学生姓名：学生学号：院（系）：机电工程学院年级专业：机械设计制造及其自动化指导教师：助理指导教师:更多论文/fanteralII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，甚至于危及生命。工业机械手就这样诞生了,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。电气方面有电机、开关电源、电磁阀、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、气动技术等，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输出四路来分别驱动横轴、竖轴、底盘转动、手转动电机，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；电机拖动手爪和底盘旋转；电磁阀控制气阀的开关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。本课题拟开发的工业机械手模型可在空间抓放物体，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。关键字：可编程控制器PLC,机械手,电机,任意位置ⅡIIABSTRACTInindustrialproductionandotherdomains,becauseworksneed,thepeoplefrequentlyreceivefactortheandsoonhightemperature,corrosionandvirulentgasharm,increasedworker'slaborintensity,evenendangerslife.Theindustrymanipulatorlikethiswasborn,themanipulatorisintheindustryrobotassemblysystemthetraditionaldutyimplementingagency,isoneofrobotkeycomponents.Theelectricalaspecthastheelectricalmachinery,theswitchingpowersupply,thesolenoidvalve,andsoontheelectronicdevicecomposition.Thisequipmenthascoveredtheprogrammablecontroltechnology,thepositioncontroltechnology,theairoperatedtechnologyandsoon,istheintegrationofmachinerymodelrepresentsoneofinstruments.ThisarticleintroducedthemanipulatorisoutputsfourgroupsbyPLCseparatelytoactuatetheabscissaaxis,thez-axis,thechassisrotation,handturnsanelectricmotor,controlsthemanipulatorabscissaaxisandthez-axispintpointing,themicroswitchbequeathsthepositionsignalthePLCmainengine；Theelectricalmachinerydrivesthehandfingernailandthechassisrevolves；Thesolenoidvalvecontrolstheairvalvetheswitchtocontrolthemanipulatorhandfingernailtogather,thusrealizesthemanipulatorpropermotionfunction.Thistopicplanstheindustrymanipulatormodelwhichdevelopstobepossibleinthespacetograspputstheobjectnimbly,themovementisdiverse,mayreplaceartificiallycarriesontheworkinhightemperatureandthedangerousoperationarea,andmaychangestherelatedparameterasnecessaryaccordingtotheworkpiecechangeandthemovementflowrequest.Keywords:ProgrammablecontrollerPLC,manipulator,electricalmachinery,freeposition.1目录摘要.........................................................................................................................................IABSTRACT.............................................................................................................................II1绪论..........................................................................................................................................11.1课题背景...........................................................................................................................11.1.1设计的目的和意义....................................................................................................21.2设计要求............................................................................................................................31.2.1控制要求....................................................................................................................31.3PLC的发展概况...............................................................................................................41.3.1可编程控制器的产生.................................................................................................41.3.2PLC的定义................................................................................................................41.3.3PLC的特点................................................................................................................52机械手概述...........................................................................................................................62.1机械手的定义与分类.......................................................................................................62.2机械手发展情况...............................................................................................................72.3机械手的发展趋势............................................................................................................83控制系统硬件设计.............................................................................................................93.1PLC的选型.......................................................................................................................93.1.1常用PLC介绍..........................................................................................................93.1.2确定型号FX1N－60MR........................................................................................133.1.3FX1N所具有优越性能...........................................................................................133.1.4FX系列PLC型号的说明.......................................................................................163.2三菱FX系列的结构功能..............................................................................................163.2.1PLC内部功能..........................................................................................................173.2.2PLC输入输出接口的安全保护..............................................................................183.3手持编程器FX－20P－E的使用.................................................................................183.3.1HPP的组成与操作面板..........................................................................................193.3.2HPP的操作过程......................................................................................................2124各功能实现形式与控制方式..........................................................................................254.1本机械手模型的机能和特性.........................................................................................254.2夹紧机构.........................................................................................................................254.3躯干..................................................................................................................................254.4旋转编码盘......................................................................................................................265软件设计...............................................................................................................................275.1编程软件的使用.............................................................................................................275.2FX1NPLC梯形图中的编程元件..................................................................................285.3程序的总体结构.............................................................................................................295.3.1各部分程序如下.....................................................................................................305.4PLC程序的上载和下载.................................................................................................405.4.1PLC程序的上载......................................................................................................405.4.2PLC程序的下载......................................................................................................40设计小结..................................................................................................................................41参考文献...........................................................................................................................42附录...........................................................................................................................................43附录A:PLC接线图..............................................................................................................43附录B:指令表.......................................................................................................................44致谢.........................................................................................................................................4611绪论1.1课题背景随着我国社会经济的迅猛发展，人民物质文化生活水平日益提高，随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大。为了改变落后的生产状态,缓解日趋紧张的供求关系,我们研究就得开发多工步搬运机械手。新中国成立特别是改革开放以来，我国社会主义现代化建设取得了举世瞩目的伟大成就。同时，必须清醒地看到，我国正处于并将长期处于社会主义初级阶段。全面建设小康社会，既面临难得的历史机遇，又面临一系列严峻的挑战。经济增长过度依赖能源资源消耗，环境污染严重；经济结构不合理，农业基础薄弱，高技术产业和现代服务业发展滞后；自主创新能力较弱，企业核心竞争力不强，经济效益有待提高。在扩大劳动就业、理顺分配关系、提供健康保障和确保国家安全等方面，有诸多困难和问题亟待解决。从国际上看，我国也将长期面临发达国家在经济、科技等方面占有优势的巨大压力。为了抓住机遇、迎接挑战，我们需要进行多方面的努力，包括统筹全局发展，深化体制改革，健全民主法制，加强社会管理等。与此同时，我们比以往任何时候都更加需要紧紧依靠科技进步和创新，带动生产力质的飞跃，推动经济社会的全面、协调、可持续发展。进入21世纪，我国作为一个发展中大国，加快科学技术发展、缩小与发达国家的差距，还需要较长时期的艰苦努力，同时也有着诸多有利条件。中华民族拥有5000年的文明史，中华文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成独特的创新文化。只要我们增强民族自信心，贯彻落实科学发展观，深入实施科教兴国战略和人才强国战略，奋起直追、迎头赶上，经过15年乃至更长时间坚韧不拔的艰苦奋斗，就一定能够创造出无愧于时代的辉煌科技成就。科技工作的指导方针是：自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展，就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。要把提高自主创新能力摆在全部科技工作的突出位置。在对外开放条件下推进2社会主义现代化建设，必须认真学习和充分借鉴人类一切优秀文明成果。改革开放20多年来，我国引进了大量技术和装备，对提高产业技术水平、促进经济发展起到了重要作用。但是，必须清醒地看到，只引进而不注重技术的消化吸收和再创新，势必削弱自主研究开发的能力，拉大与世界先进水平的差距。总之，必须把提高自主创新能力作为国家战略，贯彻到现代化建设的各个方面，贯彻到各个产业、行业和地区，大幅度提高国家竞争力。我国科学技术发展的总体目标是：自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强，为全面建设小康社会提供强有力的支撑；基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础，形成比较完善的中国特色国家创新体系。1.1.1设计的目的和意义科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展，就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。科技人才是提高自主创新能力的关键所在。要把创造良好环境和条件，培养和凝聚各类科技人才特别是优秀拔尖人才，充分调动广大科技人员的积极性和创造性，作为科技工作的首要任务，努力开创人才辈出、人尽其才、才尽其用的良好局面，努力建设一支与经济社会发展和国防建设相适应的规模宏大、结构合理的高素质科技人才队伍，为我国科学技术发展提供充分的人才支撑和智力保证。31.2设计要求采用PLC构成机械手的自动控制系统，可通过修改PLC控制程序，改变对机械手模型的控制要求。机械手横轴水平面内作前后方向运动，竖轴能在垂直面内作上下两方向运动，底座能作正反两方向旋转，手能正反两方向旋转，并且底座能在任意位置停止的功能。机械手抓取：最多1.5kg的重物；机械手前后最大行程500mm；上下最大行程800mm。模型如图1.1；图1.1模型图1.2.1控制要求1、接通电源后，机械机构自动复位；2、横轴前伸；3、机械手旋转到位；4、电磁阀动作，机械手张开；5、竖轴下降；6、电磁阀复位，机械手夹紧重物；7、竖轴上升；8、横轴缩回；9、底盘旋转到位；10、横轴前伸；11、机械手旋转；12、竖轴下降；13、电磁阀动作，机械手张开，放下货物；14、竖轴上升复位。41.3PLC的发展概况可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。1.3.1可编程控制器的产生PLC是在激烈的市场竞争中产生的，20世纪60年代末，美国汽车制造业竞争激烈。为适应生产工艺不断更新的需要，美国通用汽车公司（GM）对控制系统提出要求为：（1）能替代各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统，既传统的继电－接触器控制，它简单易懂，价格低廉，能够满足生产工艺改动频繁的需要；（2）编程简单；（3）模块式结构；输入、输出电压是交流115V（美国标准），输出能直接驱动继电器和电磁阀；（5）抗电磁干扰强；（6）具有数据通信功能。就是把继电－接触器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电－接触器控制的硬接线逻辑不易修改。美国数字设备公司（DEC）在1969年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车装配线上应用成功，实现装配线的自动控制。1.3.2PLC的定义PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系