毕业设计30机械手PLC控制系统总体设计

武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 1 1. 绪论 1.1 课题的研究目的与意义 特种机械或某些工程机械拟人操作需要具有高度智能水平的人工智能系统，以便在那些必要的场合能够代替人去执行各种任务。这样的系统具有自学习能力、自组织能力、自适应能力以及容错性、鲁棒性、实时性等，系统还应具有友好的人机界面，以保证人机通讯、人机互助和人机协同工作。特种机械或某些工程机械拟人操作智能控制体系统在国民经济中具有广泛的需求，其意义在于 : (1)模拟高水平技术工人的操作，大幅度提高生产率 ; (2)在有毒或危险场合实现无人操作。 随着世界经济和技术的发展，人类 活动领域的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。伴随着人类文明的进步，由机器人代替人完成危险、恶劣环境下的作业是社会发展的必然趋势，世界上许多国家都在积极进行特种机器人的开发研究工作。机器的产生本身己经大大提高了劳动生产率和产品的质量。随着机器人的产生和大量应用，很多领域，已经是许多单一、重复的机械工作由机器人 (或者说是机械手 )来完成。 如 :用于飞机、轮船、大型油罐、高层建筑等的日本的清洗机器人 :用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查等 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 2 1.2 机械手的发展状况 机器人学是一门迅速发展的前沿学科。其特点之一是综合、交叉，涉及的领域广泛 ;另一特点是发展迅速、日新月异，尚待研究的问题层出不穷。机器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果。世界经济的发展与各行业对自动化程度要求的提高，推动着机器人技术迅速发展，出现了各种各样的机器 人产品。随着机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益在扩大，现已广泛应用于制造业、农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。机器人技术的研究与应用水平，反映着一个国家的经济实力和科技发展水平。目前 ， 机 器 人 的发展已经历了三代 :第一代是示教 /再现可编程的机器人 ;第二代是有感觉的能自适应的机器人 :第三代是智能机器人。智能机器人正在发展阶段，预计到 21世纪初期将进入普及阶段。我国在 50年代开始搞固定动作机械手(行程开关控制 )， 60年代开始搞数控机械手， 70年 代末开始搞机器人。目前，工业机器人与智能机器人已进入我国七五、八五科技发展计划及863高技术规划，受到各方而越来越多的重视。 机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是从社会发展需求本身的一个需求。另一方面它也 是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中 ,来需求能够解放人的一种奴隶。那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。 21 世纪将是人类开发资源由陆地转向海洋和空间的 时代，无论是开发海洋，还是建立空间工业，由于海洋与空间都不适宜于人类的生存，适应这种需求，发展各种机器人将是一个可选择的途径，这将大大促进机器人的发展。毫无疑问，机器人己成为当代高技术注目的一项重要内容，机器人作为新一代的生产工具，能够代替人完成人力所不及或人所武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 3 不适宜的工作。随着机器人在各个领域的应用，对机器人的综合性能提出了更高的要求，专业化更强，实用性更高，经济性要求也已经摆到了人们的面前，因此，结构简单、操作方便、能满足功能要求又具有一定的可靠性的微型机器人或者说功能专一的机械手需求量越来越大 1.3 本设计的研究内容及步骤 【研究内容】 1.熟悉、了解三菱 FX2N 系列可编程控制器的工作原理与指令。 2.详细了解近几年来各国机械手的研究进展情况。 3.物料抓取机械手总体方案的分析。 4.物料抓取机械手控制系统软、硬件设计。 5.步进电动机控制的分析。 【研究方法】 运用网络、图书馆、公司等资源查阅相关资料，请教老师、工程师。下车间观察相关机械运作，并对查询的资料进行分析和研究，根据控制要求，逐步进行控制系统的软硬件设计。当调试成功后，按学校论文标准完成毕业论文。 【研究步骤】 1 熟识 三菱 FX2N 系列 PLC 编程软件及其指令的使用，熟识步进电机的工作原理。 2设计 PLC 外部接线图，以及其它相关设备的电气图 。 3 设计 PLC 程序，包括 PLC 工序图、梯形图、指令表等 3 种格式的程序及注解。 4 编制 PLC 编程元件明细表。 5 编制电气元件明细表。 6 编写操作原理说明。 7 编写摘要 (所做的设计如有特别之处，一定要挑明 )。 8 调试软件。 9 将设计资料装订成册，交给指导教师。 10修改论文，整理资料，准备答辩。 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 4 2. 机械手 PLC 控制系统总体设计方案概述 2.1 机械手 P L C 控制系统的总体设计 设计要求机械手能实现手动与自动之间的转换，能实现不同范围的移物，即通过改变档位来实现机械手从不同的位置移动物品（工件）到指定位置。 机械手在档位确定后，启动能按照要求顺利完成一个周期的动作，而且还能连续循环的工作。 机械手移动工件控制系统的控制要求如下： （ 1） 在初始位置出，按下启动按扭，系统开始工作； （ 2） 机械手首先向下运动夹起工件，运动到指定位置停止； （ 3） 机械手开始夹紧工件，一直到把工件夹紧为止 （ 4） 机械手开始向上运动，一直运动到指定位置，手开始向右运动 （ 5） 到达指定位置后，机械手向下运动； （ 6） 向下运动到指定位置后，机械手松开； （ 7） 松开工件后机械手开始向上运动； （ 8） 之后，机械手开始向左运动，直至回到初始位置； （ 9） 该系统要求能连续循环工作， 机械手在手动的情况下，能通过按钮来使机械手实现左右、上下以及夹紧和松开工件的动作。 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 5 2.2 机械手传送工件系统示意图 机械手传送工件系统示意图，如图 1 所示。 图 1 机械手传送示意及操作面板图 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 6 2.3 机械手传送系统输入和输出点分配表 机械手传送系统输入和输出点分配表 名 称 代号 输入 名 称 代号 输入 名 称 代号 输出 启动 SB1 X0 夹紧 SB5 X10 电磁阀下降 YV1 Y0 下限行程 SQ1 X1 放松 SB6 X11 电磁阀夹紧 YV2 Y1 上限行程 SQ2 X2 单步上升 SB7 X12 电磁阀上升 YV3 Y2 右限行程 SQ3 X3 单步下降 SB8 X13 电磁阀右行 YV4 Y3 左限行程 SQ4 X4 单步左移 SB9 X14 电磁阀左行 YV5 Y4 停止 SB2 X5 单步右移 SB10 X15 原点指示 EL Y5 手动操作 SB3 X6 回原点 SB11 X16 连续操作 SB4 X7 工件检测 SQ5 X17 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 7 2.4 机械手传送系统原理接线图 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 8 2.5 机械手 PLC 控制操作系统及原理 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图 3 所示。 其原理是： 把旋钮置于回原点， X16 接通，系统自动回原点， Y5 驱动指示灯亮。再把旋钮 置于手动，则 X6 接通，其常闭触头打开，程序不跳转（ CJ 为一跳转指令，如果 CJ 驱动，则跳到指针 P 所指 P0 处），执行手动程序。之后，由于 X7 常闭触点，当执行 CJ 指令时，跳转到 P1 所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既 X6 常闭闭合、 X7 常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 9 2.6 机械手 PLC 控制回原位程序 回原位程序如图 4 所示。用 S10S12 作回零操作元件。应注意，当用 S10S19 作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043 置 1。 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 10 2.7 机械手 PLC 控制手动单步操作程序 如图 5 所示。图中上升 /下降，左移 /右移都有联锁和限位保护。 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 11 2.8 机械手 PLC 控制自动操作程序 自动操作程序 自动操作状态转移见图 6 所示。当机械手处于原位时，按启动 X0 接通，状态转移到 S20，驱动下降 Y0，当到达下限位使行程开关 X1 接通，状态转移到 S21，而 S20 自动复位。S21 驱动 Y1 置位，延时 1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当 T0 接通，状态转移到 S22，驱动 Y2 上升，当上升到达最高位， X2 接通， 状态转移到 S23。 S23驱动 Y3 右移。 移到最右位， X3 接通，状态转移到 S24 下降。下降到最低位， X1 接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时 1 秒。延时时间到， T1 接通，状态转移到 S26 上升。上升到最高位， X2 接通，状态转移到 S27 左移。左移到最左位，使 X4 接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。 在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 12 2.9 机械手 PLC 控制系统传 送系统梯形图 如图 7 所示。图中从第 0 行到第 27 行为回原位状态程序。从第 28行到第 66 行，为手动单步操作程序。从第 67 行到第 129 行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图 3 的操作系统运行的。 回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以 RET 结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态 S1。而自动操作程序能自动返回初态 S2。 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 13 图 7 机械手传送系统梯形图 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 14 3. 设计总结与自我评价 3.1 设计总结 本设计对上、下料机械手的结构设计、分析和控制的一些普遍性问题及方法进行了深入的研究。在全面分析上、下料机械手功能的基础上，着重进行了机械手结构设计、机械手运动过程分析、三菱 PLC 控制系统设计等几个方面的研究工作。现总结如下 : （ 1） 机械手的结构设计 -用模块化的设计理念，对上、下料机械手进行设计。兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系列化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，缩短设计周期。 （ 4） 机械手控制系统设计 机 械手采用 PLC 控制，系统硬件具有可靠性高、结构简单、价格便宜、扩展性强等特点 :程序可以灵活改变，无论是进行单步控制还是连续控制，都可通过设定 PLC 程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。但 PLC 在编程时需注意每次断电前的状态必须能存到有断电记忆功能的寄存器中。 （ 5） 随着微处理器、计算机的迅速发展，计算机控制技术己经广泛应用在工业控制的各个方面。作为工业应用的微处理器 PLC，与传统的电气控制相比，有着无比地优越性： 灵活，控制条件的改变，可以并轻松地通过程序来进行实现，在工程改 造中可以节约大量的时间和硬件成本。 可靠性非常高，抗干扰能力强，传统的继电器控制系统使用了大量的中继和时继，由于触点接触不良容易发生事故， PLC 用软触点代替了硬触点，完全消除了由于中间触点所引发的事故。 武汉科技学院 2005 届毕业设计论文 15 接线简单，由于 PLC 的中间控制环节完全由软件实现，接线工作主要是输入