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基于 PLC 上下 机械手 设计 自由度 圆柱 坐标

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基于PLC的上下料机械手设计（四自由度圆柱坐标）,基于,PLC,上下,机械手,设计,自由度,圆柱,坐标

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1,基于PLC的上下料机械手设计,指导老师： 作业学生： 学号：,2,机械手 , 定义 机械手 , 意义 机械手 - 机械手 ( 機械手 , 机械手 ) 能代替人手做某些動作的機械裝置。 種類繁多 , 可用於不適於人體直接操作的場合 , 如高溫、接觸放射性物質等。 由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。,课 题 背 景,3,最终选用了 四自由度，圆柱坐标系，电气驱动机械手设计,4,通过大量手绘草稿与计算确定了基本的建模,5,四自由度圆柱坐标系机械手,最终于开题报告前完成3D建模初稿与说明书初稿，然后后期坚持不断修改。,6,整体装配图,7,多功能手爪,哆啦A梦,8,多功能手爪剖面示意图,9,多功能机械手抓运动仿真,10,程序共有8个部分组成： 开机程序 初动程序 选择程序 运动程序（包含自动和手动） 报警程序 复位程序 停止程序 灯程程序 急停程序,11,FX2N-128MR-001,PLC I口,PLC O口,共使用43个I口与12个O口,12,初动模式,13,手动程序,复位程序,14,15,Now！My journey as end as begin!, 毕 业 设 计(论 文)题目：基于PLC的上下料机械手设计(英文)：Design on Loading and Unloading Manipulator Based on Programmable Logic Controller院 别： 广东技术师范学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 基于PLC的上下料机械手设计摘要 通过对大学本科四年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的转动方案，确定了机械手的技术参数。同时，计算出了回转油缸的驱动力矩，重点针对机械手的腰座、手臂、手爪等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了详细的设计。具体进行了机械手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结构的设计，末端执行器的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动系统的设计。同时对液压系统和控制系统进行了理论分析和计算。基于对PLC机械手的控制系统进行了深入细致的设计，通过对机械手作业的工艺过程和控制要求的分析，设计了控制系统的硬件电路，同时编制了机械手的控制程序。设计达到了设计的预期目标，即通过利用机械手与数控车床，数控铣床，加工中心等组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化、无人化。 关键词：PLC；圆柱坐标；机械手；气压Designon Loading and Unloading Manipulator Based on Programmable Logic ControllerAbstractIntegrate the knowledge that is learned through the past four years of undergraduate course, discuss and analysis the each part and function of manipulator,design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. This paper briefly introduces the concept of industrial robots, and their composition and classification. It makes an overall design of manipulator, and determines the rotation scheme and technical parameters of the manipulator. At the same time, the driven torque of the rotary fuel tank is calculated. In particular, made the detailed design about each part of the machine structure such as base, arm and end effector, and the control system. including Total design, waists construction design, the arms construction design, the end effectors construction design, and the drive system of manipulator. Meanwhile, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. Deeply design the manipulators control system, which based on PLC. After analysis about the craft process and the requests of the manipulator, the hardware circuit and the control program of the manipulator is designed. In a word, the design of the manipulator has come to the anticipant object, that is, through combinating manipulator with CNC lathe, CNC milling machine and milling center, eventually form the production line, and achieve the manufacturing process of automation, no humanizing.Keywords：PLC; cylindrical coordinates; robot; pressure目录第一章 绪论11.1 引言11.2 搬运机械手的应用现状11.3 机械手的应用意义21.4 机械手的构成和分类31.4.1机械手的构成31.4.2机械手的分类4第二章 上下料机械手气压系统理论分析和计算92.1气压传动系统设计计算92.1.1确定气压系统基本方案92.1.2绘制机械手气压系统的设计102.13确定液压系统的主要参数112.14确定液压系统的主要参数122.2电机选型有关参数计算152.3 本章小结17第三章 机械手的总体方案设计183.1 机械手的运行方案设计与流程183.1.1机械手的运行方案183.1.2机械手的零部件选用213.1.3机械结构设计213.2本章小结24第四章 上下料机械手的控制系统254.1 PLC控制系统设计的步骤254.2 控制系统的要求254.3 控制系统及原理294.3.1 系统原理图294.3.2开机程序314.3.3初动程序324.3.4选择运行模式程序334.3.5机械手自动运行程序334.3.6机械手手动运行程序344.3.7系统报警程序354.3.8停止程序354.3.9复位程序374.4 本章小结37第五章 总结38参考文献39致谢40附录41基于PLC的上下料机械手设计1章 绪论1.1 引言 机械手是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、平移等独立运动方式，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。 机械手的种类，按驱动方式可分为机械式、气动式、电动式、液压式机械手；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。 本课题介绍了一种精确控制机械手的方法，以西门子公司的S7-200系列PLC作为机械手的主控制器，外接控制面板以实现对3自由度机械手控制的功能，实现一个精确的自动控制系统。 1.2 搬运机械手的应用现状 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、铁路部门中搬运机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。1.3 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。 1.4 机械手的构成和分类1.4.1机械手的构成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。 执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部: 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪和传力机构)所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕: 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂: 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 4、立柱: 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构: 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 7、机座: 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。1.4.2机械手的分类机器人的分类目前世界各国对处于发展阶段的机器人还没有统一的分类标准，大致有以下几种分类方法。1、按使用范围分类(1)固定程序的专用机器人(机械手)通常根据主机的特定要求设计成固定程序或简单的可变程序)。这种机器人(机械手)多为气动或液动用行程开关、机械挡块来控制其工作位置。工作对象单一动作较结构与系统简单价格低廉可以应用。 (2)可编程序的通用机器人工作程序可变，以适应不同的工作对象，通用性强，适合于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统中。 2、按使用行业、部门和用途分类 (1)工业机器人它们又可按作业类别分为锻压、焊接、表面喷涂、装卸、装配、检测等机器人。 (2)采掘机器人如海洋探矿机器人等。 (3)军事用途机器人 在跨世纪的军事活动中，机器人部队无疑将会参战。这些机器人具有较强的自主作战和参与军事使命的能力，它们纪律严明，组织紧凑，行动快捷，效果明显。这是和机器人部队的设计者与策划者的智慧、思想、设计和制造分不开的。不过，随着机器人在陆、海、空、天、电战场的超立方形空间中全面地投入军事活动，也为领导这些机器人部队的人类的指挥机构和各级作战人员带来不少新的、涉及到如何对待机器人行为的复杂问题 (4)服务机器人如医疗机器人、家用机器人、教学机器人等。 3、按机械结构、坐标系特点分类按机械结构、坐标系特点可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、多关节型等。这些配置方式都是经过实践证明为经济可行的方式，也是组合式模块化工业机器人坐标配置方式设计时所要借鉴和参照的方式。 (1)直角坐标型机器人 其运动部分由三个相互垂直的直线移动(即PPP)组成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。 图1.1 直角坐标型机器人(2)圆柱坐标型机器人 其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其他工业机器人协调工作。 图1.2 圆柱坐标型机器人 (2)球坐标型工业机器人又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动(即RRP)一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或教低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。 图1.3 球坐标型工业机器人(3)多关节型工业机器人又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人一体上肢类似，其前三个关节是回转副(即RRR)，该工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂见形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度教低，有平衡问题，控制耦合，这种工业机器人应用越来越广泛。 图1.4 多关节型工业机器人(4)平面关节型工业机器人它采用一个移动关节和两个回转关节即PRR，移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)装配机器人。在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有教大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业的插接、装配中应用广泛。通过对常用配置方式(常规坐标型)的机器人的运动分析可看到以下两点：1)基本动作可分解为体升降、比伸缩、体旋转、臂旋转、腕旋转等2)基本运动形式可分为直线运动和旋转运动两类。这启发我们自设计机器人时，可充分利用能够实现直线运动和旋转运动的通用部件(气、液、电等)来进行功能组合，也就是说可以经过合适选择的通用部件作为模块来进行集成。这些部件可以作为一个独立的基本模块，也可以将几个部件组合为一个复合模块。显然，配置方式应根据产品最终实现的功能要求来确定，同样，模块的分解也是基于产品应满足的功能要求下的模块分解。 图1.5 平面关节型工业机器人 4、按机器人运动控制方式分类 (1)点位控制(PTP)机器人就是由点到点的控制方式，这种控制方式只能在目标点处准确控制机器人末端执行器的位置和姿态，完成预定的操作要求。目前应用的工业机器人中，很多是属于点位控制方式的，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。 (2)连续轨迹控制(CP)机器人机器人的各关节同时作受控运动，准确控制机器人末端执行器按预定的轨迹和速度运动，并能控制末端执行器沿曲线轨迹上各点的姿态。弧焊、喷漆和检测机器人等均属连续轨迹控制方式。 5、按驱动方式分类 按驱动方式可分为液压驱动式、气动式、电力驱动式(这是目前用得最多的一类)。 6、根据机器人的功能水平和技术的先进程度按“代”分类 (1)第一代机器人其特点是采用开关量控制，示教再现控制或数字控制，其作业路径和运动参数需通过示教或编程给定。60年代以来，工业中实际应用的绝大多数工业机器人都属于第一代机器人，它包括可编程序(用于上下料)的工业机器人，具有记忆装置的示教再现型机器人，数控型搬运机器人等。 (2)第二代机器人是70年代开始出现的，其技术特点是采用计算机直接控制，是通过具有视觉、触觉的摄像机和传感器，能“感觉”外界信息并通过计算机进行计算和分析自动地控制操作机进行运动和操作，因此，其控制方式较第一代机器人要复杂得多，目前这类机器人已开始在工业生产、排险救灾等场合应用，并将进入普及阶段。 (3)第三代机器人即智能机器人。这是国内外正在积极研究，开发的高级机器人，其主要特点是具有人工智能。包括:模式识别能力、规划决策能力、知识库、专家系统、人机交互能力等。这一类机器人目前正在研究开发之中。2章 上下料机械手气压系统理论分析和计算2.1气压传动系统设计计算2.1.1确定气压系统基本方案气压执行元件大体分为气压缸和气压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运动。本设计因为机械手的形式为圆柱坐标形式，具有4个自由度，一个转动，两个移动自由度。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，剩下的两个运动均为直线运动。因此，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用双作用活塞杆气压缸，来实现直线往复运动，联合起来达到电-气驱动系统。各驱动的优缺点对比如下所示的数据表2.1。表2.1 各种驱动的优缺点对比特性输出功率和使用范围 控制性能和安全性 结构性能安装和维护要求 效率和制造成本气压驱动 气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大 只适用于小型，快速驱动压缩性大，对速度、位置精确控制困难。阻尼效果差。低速不易控制，排气有噪音 结构体积较大，结构易于标准化。易实现直接驱动，密封问题不突出 安装要求不高，能在恶劣环境种工作，维护方便 效率低，(为0.150.2) 气源方便，结构简单，成本低 液压驱动液压驱油压高，可获出功率，适用于重型，低速驱动器 液体不可缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无级调速、能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏对环境污染结构较气动要小，易于标准化，易实现直接驱动，密封问题显得重要安装要求高(防泄漏)，要配置液压元设备，安装面积大，维护要求较高 效率中等为0.30.6，管路结构较复杂，成本高交、直流普通电动机 适用于抓其重量较大而速度低的中、重型机器人的驱动 输出力较大 控制性能差，惯性大，不易精确定位 对环境无影响 电动机驱动以实现标准化，需减速装置，传动体积较大安装维修方便 成本低 效率为0.5左右步进、伺服电动机 步进电动机输出力较小、伺服电机可大一些 适用于运动控制要求严格的中、小型机器人控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响体积小，需减速装置维修使用较复杂成本较高 效率为0.5左右2.1.2绘制机械手气压系统的设计 图2.1机械手气压系统传动系统图如图2.1所示，机械手的传动系统分为电电机驱动和气压驱动。电机驱动只为提供了机械手的旋转作为传输源，使用的是表2.1所述的伺服电机Panasonic MDMA 152 PID型号，为机械手的旋转精度和双向旋转都提供了很好的动力来源。图2.1中。当YA1得电时，三位四通阀左位接通，使得伸缩缸做伸出运动，失电则因为弹簧复位，同理，YA2得电时，三位四通右位接通，伸缩缸做回缩运动，失电则因弹簧复位；当YA3得电时，三位四通阀左位接通，使得升降缸做伸出运动，YA3失电则因为弹簧复位三位四通中间位置，当YA4得电时，三位四通右位得电，使得升降缸做回缩运动，当YA4失电则因弹簧复位三位四通中位；当YA5得电时，真空吸爪停止吸取真空，当YA5失电时，真空吸爪正常吸取工作物料。综合以上动作，使得具有三个自由度的机械手能做出旋转、前后、升降和吸放的各种组合动作，使得机械手的工作能够正常运行。2.13确定气压系统的主要参数 1、机械手气压泵的计算 (1)确定气压泵的实际工作压力 (2-1)式中，-计算工作压力，先拟定为；-对于进气路采用调速阀的系统，可估为(0.51.5)，这里取为1。因此，可以确定气压泵的实际工作压力为 (2-2) (2)确定气压泵电机的功率 (2-3)式中，-为最大运动速度下所需的流量，由参考文献16表9.23，取为2.140； -气压泵实际工作压力，； -为气压泵总效率，取为0.8； 带入数据计算得： =。 (3)确定气压泵的流量 (2-4)式中，-为泄露因数，取1.1； -为机械手工作时最大流量。 由参考文献16表9.23，取=2.140 带入上式得 2、控制元件的选择 机械手其余控制元件的选择根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细，这里暂从略。 3、机械手辅助装置 气压泵出口应选管道，其他位置的管道可以选择用管道。因为气压驱动的工作环境较为干净不对管道及其他辅助装置有特殊要求，所以可以根据具体的工作环境结合要求选用各种管道。2.14确定气压系统的主要参数 气压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计气压系统，选择气压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于气压执行元件的运动速度和结构尺寸。 1、计算水平气压缸的总机械载荷 根据机构的工作情况，由参考文献16查得，气压缸所受的总机械载荷计算公式为 (2-5) 式中，-为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0； -为活塞上所受的惯性力； -为密封阻力； -为导向装置的摩擦阻力； (1)的计算 (2-6) 式中， -为气压缸所要移动的总重量，取m=10KG； -为重力加速度， ； -为速度变化量，取=1.2m/min； -启动或制动时间，一般为0.10.5，取0.1s 将各值带入上式，得：=12.2 (2)的计算 (2-7) 式中，-克服气压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该气压缸工作压力 ，可取 -为进气工作腔有效面积，； 代入数据计算得： (3)的计算 机械手水平方向上有一个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为 (2-8) 式中，-为机械手和所操作工件的总重量，取为m=6KG； -为摩擦系数，取f=0.1； 代入数据计算得： 2、手爪执行气压缸工作压力本设计参考的是来自康奈尔大学、芝加哥大学和iRobot 公司的最新全功能机械手，结构与构造都非常简单，但是效果却非常出众，对于各种不同外形的物料都可以抓握，其主要构成是一个气球(或软体布料)与颗粒数大于19um的填充物，只要维持真空工作压力就能抓握任何形态的物料详细经验数据见表2.2。表2.2 万能手抓工作压力经验表抓握手大小工作压力56815 3、气压缸主要参数的确定针对本设计是一个机械手的特点考虑，机械手系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行气压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性、安全性。至于气压缸的工作压力和缸的工作速度，放在气压系统设计阶段，通过外部的气压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析基本参数如下：表2.3 水平伸缩气压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力252.5124001因为伸缩缸的作用主要是实现伸缩直线运动这个运动形式，在其轴向上并不承受显性的工作载荷(因为手爪夹持工件，受力方向为垂直方向)，轴向主要是克服摩擦力矩，其所受的载荷主要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性，水平气压缸活塞杆要求具有比较大的工作行程。同时具有比较大的弯矩和比较长的行程，这对气压缸的稳定性和刚度问题有较高的要求。因此，在水平伸缩缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。表2.4 垂直气压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力252.5121001因为垂直气压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比较大的倾覆力矩(由加工工件的重力引起的)。作为气压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。 根据机械手的总体的受力,伸缩缸的选择可以和升降缸使用相同的型号不同行程的气动缸 4、气压缸强度的较核 (1)缸筒壁厚的较核 当 D/时，气压缸壁厚的较核公式如下： (2-9) 式中，-为缸筒内径； -为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取为； -为缸筒材料的许用应力，为材料抗拉强度，取为，为安全系数，此处取； 带入表2.3、2.4各项数据计算，上式成立。因此气压缸壁厚强度满足要求。 (2)活塞杆直径的较核 活塞杆直径的较核公式为 (2-10) 式中， -为活塞杆上作用力； -为活塞杆材料的许用应力，此处； 带入表2.3、2.4数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。 2.2电机选型有关参数计算 本设计是使用齿轮传动的回旋式机械手设计，通过如下公式 负载额定功率： (2-11) 负载加速功率： (2-12) 负载力矩(折算到电机轴)： (2-13) 负载GD(折算到电机轴)： (2-14) 起动时间： (2-15) 制动时间： (2-16) 式中，-为额定功率，KW； -为加速功率，KW； -为负载轴回转速度，r/min； -为电机轴回转速度，r/min； -为负载的速度，m/min； -为减速机效率； -为摩擦系数； -为负载转矩(负载轴)，； -为电机启动最大转矩，； -为负载转矩(折算到电机轴上)，； -为负载的，； -为负载(折算到电机轴上)，； -为电机的，； 因为本设计为圆柱坐标系机械手，只有腰部回转运动，只存在摩擦力矩则在回转轴上有； (2-17)式中， -为机械手本身与负载的重量之和，取50；-为滚动轴承摩擦系数，取0.005； -为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=260； 带入数据，计算得 ； 同时，腰部回转速度定为；传动比定为-3/13； 将其带入上(2-11)(2-16)式，得： 启动时间 ； 制动时间 ；折算到电机轴上的负载转矩为：。2.3 本章小结本章确定了气压系统基本方案，绘制完整的气压系统图，通过计算验证零件的可靠性，制定出满足要求的气压缸尺寸，对气压传动系统进行了详细的设计和计算，确定气压系统的主要参数，同时选择合适的伺服电机。3章 机械手的总体方案设计3.1 机械手的运行方案设计与流程3.1.1机械手的运行方案本课题的研究是要将一个工作位置的工作原料运送到另一个工作位置上的全自动(附带手动装置)的生产线控制系统。系统的工作布置如图3.1所示： 图3.1机械系统整体布局示意图机械手主要由手部、大臂、小臂、旋转体、机座和控制箱，以及其它附件组成。其中手部为多功能捕捉手，其运动由真空吸力导致颗粒夹紧完成；升降部以气缸为导向装置，其运动由气的的伸缩杆完成；大臂是以导轨为导向装置，气缸为驱动件工作。旋转关节运动由伺服电机驱动齿轮滚动来完成。PLC和相关控制器件安装于控制箱内，通过电缆和信号线与机械手进行联接。机械手的定位采用脉冲数来控制，升降运动和滑动都有位置调整，调整位置也由脉冲数来控制，而位置由行程开关调整。在料架A和料架B上分别安装接近开关，进行生产线上有无工件的检测，满足在料架A有工件基于PLC的搬运机械手控制系统设计时机械手才进行下降和抓取，料架B上无工件时机械手才下降放下工件。机械手还满在断气和掉电时能够自锁，保持当前的状态。 系统上电后机械手开始初始化，初始化完毕后选择工作方式，分别为手动模式和自动模式。 手动模工作式下，操作员可以通过控制面板控制机械手的单步运动和零点复位，能够在机械手故障时进行检修。 首先系统在启动时，会根据程序进行一段初运行程序，机械手将进行全方位的快速运动，使使用者确定机械手的运行正确无误，方便使用者减少机械出现错误的可能性。手动方式开始工作模式下，按下运行按钮后，机械手将执行所需要的程序，其中各自有：上行、下行、左转90度、右转90度、左转180度、右转180度、手部吸真空启动、手部吸真空停止和复位等的功能选择，使机械手的运作情况、调试以及自动化失效后或者需要手动情况下的各方面的调试与维护，是机械手的运作更为完善和方便，做到了人性化的机械设计。自动方式开始工作下，按下启动按钮，伺服电机通电，伸出平台、升降台、气缸等首先进行一次全位置移动显示机件正常，初动完成后回到原位，气压表显示正常。机械手运动到中间点原定位置。当检测到料架A上有工件时，电机7反转，旋转台4转动90度后到达料架B正上方，气缸2快速下降，到达下工位B时，电机7停转；气缸伸出手部1夹紧工件，当气缸压力到达一定程度时压力传感器得电表明工件夹紧；电机7正转，气缸2快速上升，当到达气缸2上位点时，气缸停止运动，升气缸2停止；电机7反转，旋转台4旋转180度，到达B工位正上方时电机7停止；当检测到生产线A无工件时，电机7反转，升降台2快速下降，到达下工位A时电机7停转；气缸2缩回放开工件，压力传感器失电表明工件已松开；电机7正转，气缸2上升，当到达气缸2上原点时气缸2停转，气缸2停止；电机7正转，伸缩平台3返回到初始位置，电机7停止。一个工作流程结束。机械手的工艺流程如图2.2所示。 YNYYYYYYYYYYYYYYYN开始初启动初启动完毕上升到达上限位右转到达右限位下降到达下限位吸真空延时一秒上升到达上限位左转到达左限位下降到达下限位停止抽真空没有压力NNNNNNN图3.2机械手的工艺流程3.1.2机械手的零部件选用 1、气缸的选用 根据本设计的要求，需要两个双作用气缸。根据实际情况选用了德国品牌FESTO 公司的两端带弹性缓冲环/板的DSNU-25-400-PPV-A与DSNU-25-100-PPV-A两个型号作为机械手的两个伸出部件。活塞缸内塞直径25mm，行程距离为400mm，理论作用力200N，最大负荷310N。 2、行程开关的选用 行程开关选用施耐德的XCK-J161型号。 3、阀门的选用 因为阀门是为了气缸的操作而提供的，所以根据实际情况，选择配置了一位单通阀门的型号，根据经验选择了SMC公司的AS2311F-U02-07K型号的阀门。 4、PLC的选用 PLC选用功能强大三菱FX2N系列，其强大功能为机械手的以后配置程序或改变输入输出提供了良好的平台。 5、电机的选用 直流伺服电机由于存在机械换向器和电刷，降低了电机运行的可靠性，加重了维护和保养负担。而交流异步电机虽然结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便，但调速问题一直没有得到经济合理的解决。近十年来，由于调频等调速方法发展很快，使其调速范围和成本与宽调速直流伺服电机接近，因此，交流伺服电机以其优良的控制性能和高可靠性在数控系统中得到了越来越广泛的应用。 为了方便设计和维修，升降电机与水平移动电机选用同一型号，根据经验选用松下公司MinasA4系列全数字式交流伺服电机和驱动器。电机型号：Panasonic MDMA152P1U(其中惯量，1.5KW，200V，增量式编码器，标准型，键轴，有制动器)。 驱动器型号：MDDDT5540。额定转矩T=7.15Nm，最大转矩Tmax=21.5Nm，额定转速V=2000rpm，最大转速Vmax=3000rpm，电机惯量J=kgm，脉冲数：2500p/r，分辨率：10000，线数：5。 3.1.3机械结构设计机械手腰部采用步进电机带动小齿轮转动，经过大齿轮减速，从而带动手臂部分实现机械手的旋转运动。采用一个单列圆锥滚子轴承对旋转台回转轴的定位，以满足定位精度要求。取大小齿轮模数为m=2，利用两个圆螺母固定大齿轮。部分具体零件设计尺寸如下：1、机械手地盘零件图 图3.3机械手地盘零件图 2、机械手多功能手部零件图 本设计采用的是多功能的气动抓握手爪，对于绝大多数表明成不规则的，或者特殊表面型材(如软体或者圆形)都可以稳固地抓握，相对于以往的只能抓住棒料或者型材的机械手更适合柔性生产，是得整个机械系统更加柔性更加有利于生产。 图3.4机械手多功能手部零件图3、机械手旋转轴零件图 图3.5机械手旋转轴零件图 4、机械手整体构造装配图 图3.6机械手整体构造装配图3.2本章小结 本章确定机械手采用电-气压传动，确定了机械手主要参数，动作顺序及其控制要求，同时确定了整体机械结构的设计方案，包括大臂，小臂和手部，由于本机械手只有四自由度无手部回转运动，因此没有手腕部分的设计，具体装配图与其余零配件部分详见CAD图纸。4章 上下料机械手的控制系统4.1 PLC控制系统设计的步骤 1、分析被控对象并提出控制要求本设计的设计对象是四自由度的机械手，被控对象是使用电机与气压驱动的联合驱动系统。对于机械手，要求PLC能够做到自动启动各种阀门，达到各部件的动作来完成机械手的工作，要求有各种传感器的反馈，使得PLC系统达到自反馈调整要求。 2、确定输入输出设备本设计需要为机械手的移动轨迹做反馈，于是需求传感器作为反馈的输入。根据本设计需求，需要若干位移传感器、若干压力传感器以及若干按钮构成输入PLC的设备。输出设备中，因为要对机械手做出若干的控制，所以输出有接触器，电磁阀。信号指示灯一起其他的执行装置。本设计一共使用了43个输入端口以及12个输出端口。 3、选择PLC本机选择的PLC类型为三菱的FX2N系列，虽然本设计没有完全用上FX2N的全部功能，但是为了以后根据用户的要求而可以做出改动，为此FX2N的多输入输出端口提供了良好的条件，为机械手系统的柔性发展更加高。 4、分配I/O点并设计PLC外围硬件线路 (1)PLC的I/O点与输入输出设备的连接图于对应关系表，该部分也详见下文 (2)设计PLC外围硬件线路 PLC外围硬件线路详细见下文4.2 控制系统的要求首先系统在启动时，系统首先会将本程序中的全部定时器与计数器全部清零，同时启动T0计数器计时0.5s，在T0计时器的作用下，蜂鸣器与C0没0.5d接通一次，当C0计数器计数满3次同时蜂鸣器鸣叫三次后接通复位C0与T0，最后启动初动程序。初动程序运行后会根据程序进行一段初运行程序，机械手将进行全方位的快速运动，首先上下缸向上移动，直到上位位移传感器被接通，然后上下缸向下移动，直到下位位移传感器被接通，然后上下缸再次向上运动，直到上下缸的中位位移传感器被接通后停止在上下缸的中间位置；下一步是旋转台的向左转运动，直到旋转台的左位位移传感器接通，然后反向向右转动，直到旋转台的右位位移传感器接通，然后旋转台再次向左旋转，直到旋转台的中位传感器接通后停留在旋转台的中间位置；最后一步是伸缩缸向前运动，直到伸缩缸的前位位移传感器接通，然后反向向后移动，直到伸缩缸的后位位移传感器接通，然后伸缩缸再次向前旋转，直到伸缩缸的中位传感器接通后停留在伸缩缸的中间位置。以上的初动程序使使用者确定机械手的运行正确无误，方便使用者减少机械出现错误的可能性。初动程序步骤完成后进入选择运行模式状态，本设计有两种机械手运行模式，第一种为自动模式，第二种为手动模式。自动模式为初动程序运行后对机械手的总体运行模式感到满意，无其他不良运行状态下的工作模式，此模式为机械手的正常工作模式。手动模式为初动程序运行后发现机械手运行不良或者维护检修时使用，根据操作面板可对机械手执行上行、下行、左转90度、右转90度、左转180度、右转180度、吸盘抓紧、吸盘松开和复位动作操作。对于维护检修等操作非常方便，同时在自动化程序失效或者不适用自动化程序时，可以起到一个更替人手操作的效果手动方式开始工作模式下，按下运行按钮后，机械手将执行所需要的程序，其中各自有：上行、下行、左转90度、右转90度、左转180度、右转180度、手部吸真空启动、手部吸真空停止和复位功能按钮，每次按下后机械手自动执行相应程序，动作执行后机械手静置等待下一步指令。自动方式开始工作下，首先上下缸向上移动，直到上位位移传感器被接通，然后向右90度转动，直到旋转台的右位位移传感器接通，然后上下缸向下移动，直到下位位移传感器被接通，然后启动机械手的吸盘手爪，延时1s使得手爪完全抓紧物料，然后上下缸再次向上运动，直到上下缸的上位位移传感器被接通，下一步是旋转台的向左转180度运动，直到旋转台的左位位移传感器接通，然后上下缸向下移动，直到下位位移传感器被接通，最后执行机械手手爪的释放操作。以上为自动化的程序一次工作完成的步骤，重复程序后做到自动的移动、抓拿与释放的操作，详细动作重复可查看上文图2.2示意图。 机械手功能图示如图4.1。 图4.1机械手功能图示 根据本次设计需要，设计机械手控制面板示意图见下图4.2图4.2机械手控制面板示意图 机械手的传送系统I/O点分配表见表4.1与表4.2。表4.1 机械手的传送系统I点分配表输入口元件编号动作解析输入口元件编号动作解析X001SB1启动X024SQ1上位位移传感器X002SB2复位X025SQ2下位位移传感器X003SB3急停X026SQ3左转位移传感器X004SB4自动X027SQ4右转位移传感器X005SB5手动X030SQ5前行位移传感器X006SB6上行X031SQ6后行位移传感器X007SB7下行X032SQ7旋转台中位位移传感器X010SB8左转90度X033SQ8上下缸中位位移传感器X011SB9右转90度X034SQ9伸缩缸中位位移传感器X012SB10左转180度X035SQ10上位超程位移传感器X013SB11右转180度X036SQ11下位超程位移传感器X014SB12吸盘抓紧X037SQ12左转超程位移传感器X015SB13吸盘释放X040SQ13右位超程位移传感器X016SB14关机X041SQ14前行超程位移传感器X017SB15确认X042SQ15后行超程位移传感器X020SB16前行X043SQ16前行超程位移传感器X021SB17后行X044SQ17后行超程位移传感器X046Q1吸紧压力传感器X047Q2释放压力传感器X050SQ18转动向前位移传感器X054SQ19转动向前后中位移传感器X051SQ20转动向后位移传感器X055SQ21转动向前X052SQ22转动向前超程位移传感器X056SB18转动向后X053SB19转动向后超程位移传感器表4.2 机械手的传送系统I点分配表输出口元件编号动作解析Y000YA1上下缸上行Y001YA2上下缸下行Y002KM1旋转台左转Y003KM2旋转台右转Y004YA3伸缩缸前行Y005YA4伸缩缸后行Y006KA5吸盘吸紧Y007KM3吸盘释放Y010KM4蜂鸣器Y011LED灯Y012KM5向前旋转Y013KM6向后旋转4.3 控制系统及原理4.3.1 系统原理图 根据机械手传送系统I/O点分配表，选用日本三菱公司的可编程控制器(PLC)，型号为FX2N-128MR-001，继电器输出,输入80点,输出80点。FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能(晶体管输出型)，可连接FX2N系列用的扩展模块以及FX2N系列用的扩展单元，内置实时时钟指令基本指令27个、步进梯形图指令2个、应用指令132种，有输入输出刷新指令、输入滤波调整指令、输入中断功能、定时中断功能、计数中断功能、脉冲捕捉功能最大输入输出点数256点，辅助继电器、定时器辅助继电器：3072点、定时器：256点，计数器一般用16位增计数器：200点，一般用32位增减计数器：35点，高速用32位增计数减计数器，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。PLC的外部硬件接线图如图4.5。 图4.5 PLC的外部硬件接线图 系统原理图如图4.6。PCPLCFX2N-128MR-001机械手到位检测、升降限位检测、夹紧/放松检测、机械手自动控制等开关量输入信号机械手升降、夹紧/放松控制、机械手工作状态指示状态等输出信号 图4.6 系统原理图4.3.2开机程序系统启动时首先会执行一段程序，使得机械手的内部状态归零，使得机械手的运行更为可靠。开机程序如图4.7 图4.7开机程序将本程序中的全部定时器与计数器全部清零，同时启动T0计数器计时0.5s，在T0计时器的作用下，蜂鸣器与C0没0.5d接通一次，当C0计数器计数满3次同时蜂鸣器鸣叫三次后接通复位C0与T0，最后启动初动程序。4.3.3初动程序图4.8初动程序首先系统在启动时，会根据程序进行一段初运行程序，机械手将进行全方位的快速运动，使使用者确定机械手的运行正确无误，方便使用者减少机械出现错误的可能性。初动程序如图4.8。机械手将进行全方位的快速运动，首先执行步进指令S20上下缸向上移动，直到上位位移传感器被接通，然后执行步进指令S21上下缸向下移动，直到下位位移传感器被接通，然后执行步进指令S22上下缸再次向上运动，直到上下缸的中位位移传感器被接通后停止在上下缸的中间位置，然后执行步进指令S23旋转台的向左转运动，直到旋转台的左位位移传感器接通，然后执行步进指令S24反向向右转动，直到旋转台的右位位移传感器接通，然后执行步进指令S25旋转台再次向左旋转，直到旋转台的中位传感器接通后停留在旋转台的中间位置；执行步进指令S26伸缩缸向前运动，直到伸缩缸的前位位移传感器接通，然后执行步进指令S27反向向后移动，直到伸缩缸的后位位移传感器接通，然后执行步进指令S30伸缩缸再次向前旋转，直到伸缩缸的中位传感器接通后停留在伸缩缸的中间位置；最后是执行步进指令S31电机向前转动，直到电机的前位位移传感器接通，然后执行步进指令S32转动向后移动，直到电机的后位位移传感器接通，然后执行步进指令S33伸缩缸再次向前旋转，直到电机的中位传感器接通后停留在电机的中间位置。最后跳转到系统选择运行模式程序。4.3.4选择运行模式程序选择模式下，可以选择手动和自动模式，分别为步进指令S32和步进指令S53.选择运行模式程序如图4.9图4.9 选择运行模式程序4.3.5机械手自动运行程序自动模式为机械手的正常运行模式，这个模式下靠程序与传感器的反馈完成一连串的动作。如图4.10所示 自动方式开始工作下，首先执行步进指令S32上下缸向上移动，直到上位位移传感器被接通，然后执行步进指令S33向右90度转动，直到旋转台的右位位移传感器接通，然后执行步进指令S34上下缸向下移动，直到下位位移传感器被接通，然后执行步进指令S35启动机械手的吸盘手爪，执行步进指令S36延时1s使得手爪完全抓紧物料，然后执行步进指令S37上下缸再次向上运动，直到上下缸的上位位移传感器被接通，下一步是执行步进指令S40旋转台的向左转180度运动，直到旋转台的左位位移传感器接通，然后执行步进指令S41上下缸向下移动，直到下位位移传感器被接通，最后执行机械手手爪的释放操作。以上为自动化的程序一次工作完成的步骤，重复程序步进指令S41跳转步进指令S32后做到自动的移动、抓拿与释放的操作。图4.10 机械手自动运行程序4.3.6机械手手动运行程序图4.11 机械手手动运行程序手动程序模式下，使机械手的运作情况、调试以及自动化失效后或者需要手动情况下的各方面的调试与维护更为方便，是机械手的运作更为完善和方便，做到了人性化的机械设计。程序如图4.11所示手动方式开始工作模式下，按下运行按钮后，机械手将执行所需要的程序，其中各自有：上行步进指令S42、下行步进指令S43、左转90度步进指令S44、右转90度步进指令S45、左转180度步进指令S46、右转180度步进指令S47、手部吸真空启动步进指令S50、手部吸真空停止步进指令S51和复位功能按钮步进指令S52，每次按下后机械手自动执行相应程序，动作执行后机械手静置等待下一步指令。4.3.7系统报警程序 系统报警为机械手的运行状况做出及时的回报，只要出现错误就会马上启动蜂鸣器和LED灯报警。 程序如图4.12所示图4.12 系统报警程序 上述程序中，只要机械手的任何一个行程超过了最大限度，接通了上位超程位移传感器、下位超程位移传感器、左位超程位移传感器、右位超程位移传感器、前位超程位移传感器和或者后位超程位移传感器，都将会发出蜂鸣器和LED灯接通1s，断开1s的警报，直到系统问题被解决才会停止警报。4.3.8停止程序机械手每次因各种原因停止工作时，都会执行一段停止程序，使得机械手的操作更为安全可靠。程序执行后，系统会不管机械手的现状运行状态是否空载，首先执行步进指令S60，使得机械手的上下缸向上运动，直到上下缸上位位移传感器被接通，然后向执行步进指令S61旋转台左转，直到左位位移传感器接通，同时此位置也是物料的堆放处上方，再来执行步进指令S62上下缸下行，直到下位位移传感器接通后，机械手上下缸停止运动同时手爪释放物料，使得机械手不管是否空载都先将手爪运行到物料堆放处释放，使得机械手停止运行后不会载有物料造成生产问题隐患，释放物料后，机械手执行步进指令S63，使机械手上下缸上行，直到上下缸中位位移传感器接通，使停留在上下缸的中位位置，然后执行步进指令S64旋转台右转，直到右位位移传感器被接通，使得旋转台停留在旋转范围的中位位置，然后执行步进指令S65伸缩缸的前行，只到前位位移传感器接通后，执行步进指令S66伸缩缸的后行，直到伸缩缸的中位位移传感器接通，使得机械手伸缩缸停留在伸缩缸的中位位置，从上面行动动作可看出，机械手已经安全释放完物料和回到零位，这几个动作使得机械手的安全隐患减少，同时为了之后的机械手的重新运行做了良好的环境。程序如图4.13所示图4.13停止程序4.3.9复位程序当机械手运行状态不佳或者要根据实际情况对机械手逇运行模式尽享更换时，复位程序使得操作更为简单，复位程序使PLC的T0、T1、T2、T3定时器和C0计数器清零后，跳转到机械手运行模式程序，使操作者的操作更简单更明了，同时为机械手的自身机能更添一笔。复位程序如图4.14所示图4.14 机械手的复位程序4.4 本章小结 本章主要对PLC硬件和软件部分进行设计。软件部分思路：开机程序。初动程序、运动程序、报警程序、复位程序、停止程序和外加的附带报警器材程序七大部分共通过组成，逐一设计PLC梯形图框架，并最终绘制出完整的整体PLC控制梯形图。硬件部分思路：分析要实现的控制功能，设计了PLC面板，选用三菱系列PLC，绘制I/O点分配图和控制系统原理接线图。5章 总结 通过本设计可以让大家清楚的了解三菱公司FX系列PLC的特点，机械手模型控制系统利用了三菱F