数控铣床自动装卸料气动机械手PLC控制设计 机电一体化毕业论文

1、摘 要 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。机械手是机器人的操作机，是机器人完成各种任务的执行机构。 本文主要针对生产线上的自动化设计了一个四自由度搬运机械手，实现生产的自动化。减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。 该机械手采用电机驱动，实现了伸缩、升降、旋转、夹紧等动作。为了实现这些动作，采用逐个部件设计，分别实现这些动作。最后PLC把各个部件的独立运动协调起来，形成了一个有规那么的运动系统。各个部件的联接，控制系统采用PLC控制，程序用T形图编写。关键词 ：PLC，四自由度，工业

2、机器人 ABSTRACT In industry, automatic control system has a wide range of applications, such as industrial automation machine control, computer system, robots, etc. While industrial robot is relatively new electronic device, it is beginning to change the face of modern industry. The robotic arm is the

3、robot manipulator, is a robot for various tasks. This article focuses on the production line of automated design of a four degrees of freedom manipulator, enabling the production of automation. Reduced workers labour intensity, improving labor productivity. The manipulator used motor-driven, enablin

4、g expansion, the ascending and descending, rotation, clamping, etc. In order to achieve these movements, with each part design, implementation of these actions, respectively. Finally each part of the PLC independence movement coordination, forming a rules-based motion system. Each part of a join, co

5、ntrol system uses a PLC control, the programs are written using a t-shaped figure. Key words: PLC，four degrees of freedom， industrial robot 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc171001132 第1章 绪论1 HYPERLINK l _Toc171001171 设计背景1 HYPERLINK l _Toc171001175 1.2 设计的目的及意义1 HYPERLINK l _Toc171001133 第2章 总体方案

6、的设计及论证4 HYPERLINK l _Toc171001134 齿轮传动比的计算4 HYPERLINK l _Toc171001146 第3章 齿轮传动比计算6 HYPERLINK l _Toc171001147 提升机构滚珠丝杠螺母副的计算及选型6 HYPERLINK l _Toc171001148 伸缩机构滚珠丝杠的计算及选型11 HYPERLINK l _Toc171001149 第4章 电动机的计算和选型15 HYPERLINK l _Toc171001150 直流电动机的选型15 HYPERLINK l _Toc171001151 步进电动机概述19 HYPERLINK l _T

7、oc171001152 步进电机的计算及选型21 HYPERLINK l _Toc171001155 伸缩机构步进电机的计算及选型26 HYPERLINK l _Toc171001159 第5章 接近开关及限位开关的选型31 HYPERLINK l _Toc171001160 接近开关的工作原理及选型31 HYPERLINK l _Toc171001163 限位开关的工作原理及选型34 HYPERLINK l _Toc171001164 第6章 机械手PLC控制系统设计34 HYPERLINK l _Toc171001165 PLC的根本概念34 HYPERLINK l _Toc1710011

8、66 PLC产生和开展34 HYPERLINK l _Toc171001171 PLC的根本结构和工作原理37 HYPERLINK l _Toc171001175 PLC的分类、技术指标及主要功能41 HYPERLINK l _Toc171001176 PLC的特点、应用场合及开展趋势43 HYPERLINK l _Toc171001171 PLC的编程语言及外部接线图设计45 HYPERLINK l _Toc171001175 控制系统梯形图设计49 HYPERLINK l _Toc171001177 结 论50 HYPERLINK l _Toc171001178 致谢51 HYPERLIN

9、K l _Toc171001179 参考文献52第一章 绪 论 设计背景随着科技的开展，如何以高质量、低本钱、快速反响的手段在市场中取得生存和开展，已是我国企业不容回避的问题。工业机器人是机械技术、电子技术与计算机技术有机结合在一起形成的一种机电一体化的产品，从其诞生起就受到人们的关心与重视。经过几十年的开展，目前工业机器人技术已经很成熟。工业机器人已从最初解决劳动密集型工业中单调、重复的体力劳动开展到满足制造业自动化规模生产需要的工作。其应用领域不断扩大，从最初主要应用于汽车工业开展到现在涉及制造业的各个行业。这使得制造业进入了一个新的开展阶段。随着经济全球化和我国参加WTO，中国制造业面临

10、着与国际接轨、参与国际竞争的局面。如何适应快速变化的国内外市场需求，这为工业机器人的应用提供了大的市场，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。 设计目的及意义 设计目的机器人与机床相结合，解决了工件自动上下料搬运问题，致使机床得以无人化24 小时连续运转。例如本论文设计的铣床四自由度上卸料机械手，适宜加工金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。可以代替至少2个工人的工作量。随着社会的不断开展和进步，劳动力的本钱越来越高，对环保及平安的要求也越来越严，所以工业机器人的应用必会给我国工业的开展带来巨大的推动。而且，由机器人干出的工件精度高，速度快。这样既保证了工人的平安，节省了劳动力，降低了本钱，提高

11、了劳动生产率。 设计意义工作单元还可以配备各种上料方式：如带视频装置可抓取随机摆放的工件，或以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。DC-5 工作单元可以处理的最大负荷为120/150kg。3D编程软件将以往8 小时编程时间缩减为15 分钟，为小批量多品种的工件提供最好的解决方案。随着社会的不断开展和进步，由机器人干出的工件，譬如说打磨，其零件的一致性肯定比人工来得好，因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步，规定必须由机器人来操作。由此看来，工业机器人在机床上的应用会越来越广。如果说20 世纪90 年代机床创新的最大成就是创造并联机床的话，那么当今工业机器人在机床上的应用已成为开展的一大

12、趋势。经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有了相当的实力，已有一支了解企业需求，能开发出符合实际使用条件，本钱低，效劳及时，具备与国外公司竞争的队伍，因此要加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定规模化生产能力，这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也形成具有一定规模的产业。但是，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外九十年代中期的水平。目前工业机器人的生产规模仍然不大，多数是单件小批生产，关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态，工业机器人的性价比较低。我国整体装备

13、制造水平不高，制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的开展。尽管中国工业机器人的需求在逐年增加，但要能为用户提供高质价廉的工业机器人商品，目前在我国尚有较长的路程。第二章 总体方案的设计及论证 齿轮传动比的计算 齿轮是机器中很重要的部件，它几乎是机器的象征。只要一看到齿轮，我们就会联想到机器。在这一章，我们将学习齿轮传动比的计算。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动 。 提升机构齿轮箱传动比计算已经确定提升机构脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比 可选定齿轮齿数为： 伸缩机构齿轮箱传动比计算已经确定提升机构脉冲当量，滚珠丝杠导程,初选步进电机步距

14、角1.5，可计算出传动比 可选定齿轮齿数为： 表2-1 传动齿轮几何参数齿数242520121506020分度圆d=mz4850402430012040齿顶圆5254442830412444齿根圆4345351910511535齿宽610m20201212202020中心距9864420 160第三章 滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型，确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定以后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径,导程，滚珠丝杠的工作圈数，列数，精度等级等。滚珠的循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。滚珠丝杠副的预紧方法

15、有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧，以及过盈预紧等。 提升机构滚珠丝杠螺母副的计算及选型 计算进提升率引力作用在丝杠上的提升率引力主要包括工作在上升时移动件的重量及其作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。计算公式如下：矩形导轨：燕尾形导轨：三角形或综合导轨：式中重力在各方向上的分力； 水平工作台重力；考虑颠覆力矩影响的实验系数在正常情况下，可取以下数值：矩形导轨 燕尾导轨 三角形或综合导轨 上列摩擦系数指滑动导轨。设计的铣床自动装卸料机械手的最大抓取重量为5，机械手伸缩机构总重量，水平机构工作台重量，提升机构工作臂重量。显然在最底点上升时

16、丝杠受力最大，此时此设计中选用矩形导轨 代入以上数据可得 为567.13N 计算最大动负载选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下式计算： 式中寿命，为转为一个单位， 丝杠转速，用下式计算 为最大负载条件下的进给速度； 丝杠的导程，； 使用寿命，一般； -运转系数，见表3-1 表3-1运转系数运转状态运转系数无冲击运转一般运转有冲击运转该设计的最大负载条件下的进给速度为，丝杠导程初选，运转状态为一般运转， 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅?数控机床课程设计指导书?，可采用

17、1列圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠螺母副，额定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度等级为3级。 传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中丝杠螺旋长升角；取摩擦角，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。 刚度验算先画出提升机构丝杠支承方式草图如图3-1所示。最大牵引力为567.13N，支承间距为，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的。图3-1提升机构系统计算简图1 丝杠拉伸或压缩变形量 查?数控机床课程设计指导书?，根据， 查出，可算出： 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量为： 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形查?数控

18、机床课程设计指导书?，： 因进行了预紧，所以 3 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 采用8102推力球轴承，滚动体直径 ， 滚动体数量=12， 代入数据可得 因施加预紧力，故 根据以上计算 小于定位精度，符合要求。3.2 伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型 计算进伸缩率引力Fm作用在丝杠上的伸缩率引力主要包括工作在伸缩移动件的重量及其作用在导轨上的摩擦力。式中为滑动摩擦系数， 计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下式计算： 式中寿命，为转为一个单位， 丝杠

19、转速，用下式计算 为最大负载条件下的进给速度； 丝杠的导程，； 使用寿命，一般 运转系数该设计的最大负载条件下的速度为，丝杠导程初选，运转状态为一般运转， 滚珠丝杠螺母副的选型可采用，1列圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠螺母副，额定动载荷为395N，可满足要求，选定精度等级为3级。 传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中丝杠螺旋长升角；取摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。 刚度验算先画出提升机构丝杠支承方式草图如图3-2所示。3-2伸缩机构丝杠计算草图最大牵引力为14.7N，支承间距为，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的。由于牵引力很小无需进行刚度验算。表3-2及

20、滚珠丝杠几何参数 名称 符号螺纹滚道公称直径 2010导程54接触角钢球直径mm3175滚道法面半径1651偏心距0045螺纹升角螺杆螺杆外径d194螺杆内径16788螺杆接触直径16835螺母螺母螺纹直径D23212螺母内径 20635第四章 电动机的计算与选型 直流电动机的选型 腕回转机构直流电动机的选型标准电机 6W 尺寸6060mm电机型号/性能型号输出功率W电压V频率Hz电流A额定转速r/min起动转矩mNm额定转矩mNm运行电容齿轮轴圆轴60YS06GV1160YS06DV116单相11050120038503uF/250V601500404060YS06GV2260YS06DV2

21、26单相22050120038506015004040减速箱减速比/性能对照表减速比3561015202550Hz转速r/min5004163002502001501201007560额定转矩Nm60Hz转速r/min6005003603002401801441209072额定转矩Nm续减速比30365060759010012015018050Hz转速r/min5047302520171510额定转矩Nm60Hz转速r/min60503630242018151210额定转矩Nm注：1.表中转速是以电机的同步转速为基数除以减速比而得出的数值。2.灰色框表示轴和电机的旋转方向相反，白色框相同。由于

22、本设计需求的电动机力矩不大，所以在设计中我们选取6YS01电动机加标准减速箱。 腰部回转机构直流电机的选型目前市场上的型号如下：在本设计中我们选用90SZ13电动机。 步进电动机概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机那么转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上 步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必

23、须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好 步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 感应子式步进电机特点感应子式步进电机与传统的反响式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。必须采用双极电压驱动，而反响式电机那么不能如此。例如：四相，

24、八相运行A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=.一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线四相，这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。 驱动控制系统组成步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号,加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。

25、 典型的步进电机驱动控制系统主要由三局部组成： 1. 步进控制器，由单片机实现。 2驱动器，把单片机输出的脉冲加以放大，以驱动步进电机。 3步进电机。 现以三相六拍为例： 步序 控 制 位 C B A 控制模型 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A 1 1 1 1 1 0 0 1 F9H AB 1 1 1 1 1 0 1 1 FBH B 1 1 1 1 1 0 1 0 FAH BC 1 1 1 1 1 1 1 0 FEH C 1 1 1 1 1 1 0 0 FCH CA 1 1 1 1 1 1 0 1 FDH 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型。因此，步进驱动控制器实际上就

26、是按上述的控制方式所规定的顺序送脉冲序列，即可实现驱动步进电机三相六拍方式的转动。输入顺序脉冲序列的速率就是步进电机的速率。使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统功率放大是驱动系统最为重要的局部。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流而样本上的电流均为静态电流。平均电流越大电鼓励矩越大，要到达平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、上下压驱动、恒流、细分数等。4.3 步进电机的计算及选型4.3.1 提升机构步进电机的计算及选型1 等效转动惯量计算传动系统折

27、算到电机轴上的总的转动惯量可由下式进行计算：式中 步进电机转子转动惯量; ,-齿轮，的转动惯量； 滚珠丝杠转动惯量； 参考数控机床，初选反响式步进电机130BF001，该步进电机转子的转动惯量 代入上式： 可得 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 满足惯量匹配的要求。2 电机力矩的计算机械手在不同的工况下，所需转动力矩不同，下面分别按各阶段进行计算。1 快速空载起动力矩。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 上式中传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 电机最大角加速度 电机最大转速 运动部件最大快进速度 脉冲当量 -步进电机步距角 运动部件从停止起动加速到最大速度所

28、需时间 起动加速时间 代入上式可得摩擦力矩 上式中导轨的摩擦力(N) ，-导轨摩擦系数 G-运动部件总重量Ni- 齿轮降速比，按 计算 传动链总效率，一般取 折算到电机上的摩擦力矩 附加摩擦力矩式中滚珠丝杠预加负载，一般取，-为进给率引力 滚珠丝杠导程 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 代入数据可得 折算到电机轴上的轴向负载力矩 式中进给方向的最大抗力 =556.1N 上述三项合计： 2 快速起动所需力矩 3 最大负载所需力矩 从上面计算可以看出，三钟工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。 从?数控机床课程设计指导书?，当步进电机为五相十拍时 最大静力矩，大于所需

29、最大静转矩，可作为选定型号。 伸缩机构步进电机的计算及选型 等效转动惯量计算动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式进行计算：式中 步进电机转子转动惯量； ,-齿轮，的转动惯量； 滚珠丝杠转动惯量； 参考数控机床，初选反响式步进电机130BF001，该步进电机转子的转动惯量 代入上式： 可得 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 满足惯量匹配的要求。 电机力矩的计算机械手在不同的工况下，所需转动力矩不同，下面分别按各阶段进行计算。1、 快速空载起动力矩。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 上式中传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 电机最大角加速度 电机最大转速

30、运动部件最大快进速度 脉冲当量 -步进电机步距角 运动部件从停止起动加速到最大速度所需时间 起动加速时间 代入上式可得摩擦力矩 上式中导轨的摩擦力(N) ，-导轨摩擦系数 G-运动部件总重量Ni- 齿轮降速比，按 计算 传动链总效率，一般取 折算到电机上的摩擦力矩 附加摩擦力矩式中滚珠丝杠预加负载，一般取，-为进给率引力 滚珠丝杠导程 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 代入数据可得 折算到电机轴上的轴向负载力矩 上述三项合计： 2 快速起动所需力矩 3 最大负载所需力矩 从上面计算可以看出，三钟工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。 从?数控机床课程设计指导书?查

31、出，当步进电机为三相六拍时 最大静力矩，大于所需最大静转矩，可作为选定型号。第五章 接近开关及限位开关的选型 接近开关的工作原理及选型 接近开关概述电感式接近开关由三大局部组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并到达感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而到达非接触式检测目的接近传感器可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。根据操作原理，接近传感器大致可以分为以下三类：利用电磁感应的高频振荡型，使用磁铁的磁力型和利用电容变化的

32、电容型。1 高频振荡型接近传感器的工作原理电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振状态，转换为电信号通过整形放大后转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出。下面为详细介绍：1、通用型接近传感器的工作原理振荡电路中的线圈L产生一个高频磁场。当目标物接近磁场时，由于电磁感应在目标物中产生一个感应电流涡电流。随着目标物接近传感器，感应电流增强，引起振荡电路中的负载加大。然后，振荡减弱直至停止。传感器利用振幅检测电路检测到振荡状态的变化，

33、并输出检测信号。振幅变化的程度随目标物金属种类的不同而不同，因此检测距离也随目标物金属的种类不同而不同。2 所有金属型传感器的工作原理所有金属型传感器根本上属于高频振荡型。和普通型一样，它也有一个振荡电路，电路中因感应电流在目标物内流动引起的能量损失影响到振荡频率。目标物接近传感器时，不管目标物金属种类如何，振荡频率都会提高。传感器检测到这个变化并输出检测信号。3 有色金属型传感器工作原理有色金属传感器根本上属于高频振荡型。它有一个振荡电路，电路中因感应电流在目标物内流动引起的能量损失影响到振荡频率的变化。当铝或铜之类的有色金属目标物接近传感器时，振荡频率增高；当铁一类的黑色金属目标物接近传感

34、器时，振荡频率降低。如果振荡频率高于参考频率，传感器输出信号。 主要技术参数1动作距离测定;当动作片由正面靠近接近开关的感应面时，使接近开关动作的距离为接近开关的最大动作距离，测得的数据应在产品的参数范围内。2释放距离的测定;当动作片由正面离开接近开关的感应面，开关由动作转为释放时，测定动作片离开感应面的最大距离。3回差H的测定;最大动作距离和释放距离之差的绝对值。4动作频率测定;用调速电机带动胶木圆盘，在圆盘上固定假设干钢片，调整开关感应面和动作片间的距离，约为开关动作距离的80%左右，转动圆盘，依次使动作片靠近接近开关，在圆盘主轴上装有测速装置，开关输出信号经整形，接至数字频率计。此时启动

35、电机，逐步提高转速，在转速与动作片的乘积与频率计数相等的条件下，可由频率计直接读出开关的动作频率。5重复精度测定;将动作片固定在量具上，由开关动作距离的120%以外，从开关感应面正面靠近开关的动作区，运动速度控制在0.1mm/s上。当开关动作时，读出量具上的读数，然后退出动作区，使开关断开。如此重复10次，最后计算10次测量值的最大值和最小值与10次平均值之差，差值大者为重复精度误差. 5.1.3 接近开关的选型 在本设计中我们选用XL-LJM8短圆柱电感式接近开关。非埋入式埋入式 限位开关的工作原理及选型 HYPERLINK :/list.b2b.hc360 /supplytrade/006

36、/006012.html t _blank 行程开关又称 HYPERLINK :/list.b2b.hc360 /supplytrade/006/006011.html t _blank 限位开关，用于控制 HYPERLINK :/list.b2b.hc360 /supplytrade/012/003.html t _blank 机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的 HYPERLINK :/ search.hc360 /cg

37、i-bin/ls?c=%b9%a9%d3%a6%d0%c5%cf%a2&i=&s=&w=%b5%e7%c6%f7&d=&k=0&z=&a=&j=&f= t _blank 电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类 HYPERLINK :/list.b2b.hc360 /supplytrade/056/019.html t _blank 机床和 HYPERLINK :/info .hc360 /list/qzjx.shtml t _blank 起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在 HYPERLINK :/list.b2b.hc360 /supplytrade/016/00500

38、1.html t _blank 电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。 在本设计中伸缩机构限位开关我们选用交叉滚轮柱塞型接近开关，提升机构限位开关我们选用滚轮连杆型限位开关。交叉滚轮柱塞型接近开关滚轮连杆型限位开关第六章 机械手PLC控制系统设计 PLC的根本概念可编程控制器，简称PLC(Programmable Logic Controller)，是指以计算机技术为根底的新型工业控制装置。1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)公布的 PLC标准草案中对 PLC做了如下定义：“PL

39、C是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原那么而设计。6.2 PLC的产生和开展现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反响，生产出小批量、多品种、多规格、低本钱和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。20世纪60年代末期，美国汽车工业竞争剧烈，为了适应生产工艺不断更新的

40、需求，1968年，美国通用汽车公司(GM)为适应汽车型号的不断翻新，并设想把计算机功能的完备、灵活通用和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格廉价等优点结合起来，制成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向用户的“自然语言编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年美国数字设备公司(DEC)按GM的功能要求研制出了世界上第1台PLC，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用，获得成功。从此，这项新技术便迅速开展起来。1971年日本从美国引进了该项新技术，很快就研制出了日本第1台PLC。19731974年，德国和法国也相继研制出了自己的第1台PLC

41、。中国从1974年开始研制，1977年应用于工业生产。限于当时的元器件条件和计算技术的开展水平，早期的PLC主要由分立元件和小规模集成电路组成。19691973年是PLC的初创时期。在这个时期，PLC从有触点不可编程的硬接线顺序控制器开展成为小型机的无触点可编程逻辑控制器，可靠性比以往的继电器控制系统有较大提高，灵活性也有所增强。19741977年是PLC的开展中期。PLC得到了迅速开展和完善，并逐步趋向系列化和实用化，普遍应用于工业生产过程控制。PLC除了原有功能外可靠性进一步提高，开始具备自诊断功能。1978-1983年，PLC进入成熟阶段。这个时期， PLC除了采用微处理器及EPROM，

42、EEPROM，CMCS RAM 等LSI电路外，还向多微处理器开展，使PLC的功能和处理速度大大提高。 1984年后，PLC的规模更大，多台PLC可与大系统一起连成整体的分布式控制系统，在软件方面有的已与通用计算机系统兼容。编程语言除了传统的梯形图、流程图语句表外，还有用于算术的BASIC语言、用于机床控制的数控语言等。在人机接口方面，采用了现实信息等更多直观的CRT，完全代替了原来的仪表盘，使用户的编程和操作更加方便灵活。 PLC的根本结构和工作原理 PLC的根本结构PLC实现控制的两个根本点是输入输出的变换并予以物理实现。 输 入输出的变换就是信息处理，当今世界最常用的是微机处理技术。PL

43、C也采用这种微机技术，使其专门化-用于工业现场。 物理实现要求PLC的输入应排除各种干扰，适应于工业现场，输出应放大到工业控制水平，能为实现控制系统方便使用，即I/O电路为专门设计。其内部结构框图如下图： PLC的工作原理PLC 有两种根本的工作状态，即运行状态RUN与停止状态STOP状态。PLC在运行(RUN)工作模式时，反复不停地重复执行图所示的5个阶段的任务；在停止(STOP)工作模式时，只执行上面两个阶段任务。PLC这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式，或称为扫描循环(Scan CYc1e)。 在内部处理阶段，PLC完成硬件自检测和将监控定时器复位等内部工作。在通信效劳阶段，PL

44、C处理与计算机、编程器和别的智能装置的通信。响应通信命令，更新编程器的显示内容。 在PLC的存储器中设置了一片区域，用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像存放器和输出映像存放器。 PLC梯形图中其他的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像存放器。 在输入处理阶段，PLC将外部输入电路的接通断开状态读入并输入映像存放器。外部输入电路接通时，对应的输入映像存放器为1状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开，反之亦反。在程序执行阶段，即使外部输入电路的状态发生了变化，输入映像存放器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段

45、被读入。 PLC的用户程序由假设干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束。执行指令时，从元件映像存放器中将有关编程元件的01状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，最后的运算结果写入到线圈或输出类指令对应的元件映像存放器中。因此，各编程元件的映像存放器输入映像存放器除外的内容随着程序的执行而变化。 在输出处理阶段，CPU将所有输出映像存放器的值送到输出模块。梯形图中某一输出继电器的线圈 “通电时，对应的输出映像存放器为1状态，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作，

46、反之亦反。PLC的梯形图程序就是这样通过输入、输出映象存放器与外部输入电路和外部负载联系起来的。扫描过程 PLC的外部接线图与梯形图执行程序时，读写的是输入输出映象存放器的值，而不是直接对实际的IO点进行操作，这样做有以下好处： 1、程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出映象存放器的值更新输出点，使系统的运行稳定。 2、用户程序读写IO映象存放 器比读写IO点快得多，这样可以提高程序的执行速度。 3、扫描工作方式具有较好的抗干扰能力，在一个扫描周期中， 输入处理仅占极少局部时间，在大局部时间内，干扰信号不会被采集进PLC。可编程控制器是专为工业控制而开发的装置。PLC多采用以下适合

47、其领域的编程语言表达式。各个厂家的编程语言(包括梯形图、命令语句等)的表达形式虽不一致，但其原理大同小异。 PLC的分类、技术指标及主要功能 PLC的分类 PLC生产厂家及产品很多，为便于用户对一个应用来讲选择最适宜的PLC，厂商通常通过杂志或其他途径，定期地将不同功能与特性的PLC列表进行比较 ，表中的内容大体有：总I/O点数，最多开关量IO点数，最多模拟量IO点数，继电器梯形逻辑图，高级语言，PID功能，远动控制，文件编制功能，数据总线 ，接口类型，扫描速度，存储器类型与容量，以及CPU类型与工艺等。为适应用户的不同应用要求，很多厂家均开发生产了相互有关连的系列产品，为区别PLC的综合特性

48、，通常以下述两种方法分类。 1按I/O点数容量分类 按PLC的输入、输出点数的多少可分为以下三类。小型机：IO总点数一般在256点以下，用户程序的存储量在4K字左右。 中型机：IO总点数在2562048点之间，用户程序的存储量在8K字左右。 大型机：IO 总点数在2048点以上，用户程序的存储量在16K字以上。2按结构形式和功能分1、整体式 整体式结构的特点是将PLC的根本部件，组成PLC的一个根本单元或扩展单元。 整体式结构紧凑，体积小，价格低，安装方便。小型PLC一般为整体式结构2、机架模块式模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，把这些模块插在框架或基板上即可。模块式结构的PLC价格较高

49、，大中型的PLC一般采用这种结构。3、叠装式此种结构用的很少，一般为特定的情况而生产。 PLC的技术性能指标 1 输入/输出点数即指PLC外部输入、输出端子数，这是最重要的一项技术指标。2扫描速度一般以执行1000步指令所需要的时间来衡量，故单位为ms/千步，有时也以执行一步指令的时间计，如us/步。3内存容量一般以PLC所能存放的用户程序数量来衡量。4指令条数这是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。5内部存放器PLC内部有许多存放器，用以存放变量状态、中间结果、数据等。一个指标。6高级功能模块PLC除了主控模块还可以配接各种高级功能模块。主控模块实现根本控制功能，高级功能模块那么可实现某一种特

50、殊功能。 PLC的主要功能PLC的主要功能如下：1 条件控制功能2 定时/计数控制功能3 数据处理功能4 步进控制功能5 A/D和D/A转换功能6 运动控制功能7 过程控制功能8 扩展功能9 远程I/O功能10通信联网功能11监控功能6.5 PLC的特点、应用场合及开展趋势6.5.1 PLC的特点 1 通用性强，控制程序可变 ，具有很好的柔性 2 可靠性高，抗干扰能力强 3 功能性强，适应面广4 编程方法简单 ，容易掌握 5 控制系统的设计、安装、调试和维修方便6) 体积小 、质量小、功耗低 7 价格低廉 6.5.2 PLC的应用场合目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、

51、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1 逻辑控制2 运动控制3 过程控制4 数据处理5多级控制6.5.3 PLC的开展趋势随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的不断开展，PLC的结构和功能不断改良，生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，平均35年更新换代1次。PLC的开展有2个重要趋势： 向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微型化开展，以适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求，实现机电一体化； 向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式工厂全自动网络化方向开展。智能I/O模块是以微处理器为根底的功能部件。它们的CPU 与

52、PLC的主CPU 并行工作，占用主机CPU 的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。智能模块主要有模拟量I/O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制等，高速计数、中断输入、BASIC和C语言组件等。智能I/O的应用，使过程控制功能增强。某些PLC的过程控制还具有自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。目前，个人计算机主要用作PLC的编程器、操作站或人机接口终端，其开展是使PLC具备计算机的功能。大型PLC采用功能很强的微处理器和大容量存贮器，将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通讯功能紧密结合在一起。这样，PLC与个人计算机、工业控制计算机、集散控制系统在功能和应用方面相互渗透，

53、使控制系统的性能价格比不断提高。PLC的通讯联网功能使PLC与PLC之间，PLC与计算机之间交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制，形成分布控制系统。改善和开展新的编程语言、高性能的外部设备和图形监控技术构成的人机对话技术，除梯形图、流程图、专用语言指令外，还增加了BASIC语言的编程功能和容错功能。如：双机热备、自动切换I/O、双机表决(当输入状态与PLC逻辑状态比较出错时，自动断开该输出)、I/O三重表决(对I/O状态进行软硬件表决，取2台相同的)等，以满足极高可靠性要求。厂家在对硬件与编程工具不断升级的同时，日益向制造自动化协议(MAP)靠拢，并使PLC的根本部件(In输入输出模

54、块、接线端子、通讯协议、编程语言和编程工具等)的技术标准化、标准化，使不同产品互相兼容、易于组网，以真正方6.6 PLC的编程语言及外部接线图设计6.6.1 PLC的编程语言PLC不是采用微机的编程语言，而是采用梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。其中，梯形图语言和指令助记符语言是世界第一编程语言。梯形图语言是在原机电接触器控制系统中的继电器控制原理逻辑图根底上演变而来的一种图形语言，是目前世界上用的最多的PLC的编程语言。1 梯形图编辑梯形图表达式是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图根底上演变而来的，它与电气操作原理图相照应，它形象、直观和实用，为广阔电

55、气技术人员所熟知，是PLC的主要编程语言。PLC梯形图编程使用的是内部继电器、定时计算器等。都是由软件实现的，使用方便，修改灵活，是原电器控制的继电器梯形图的硬件接线无法比较的。2 梯形图的格式每个梯形图网络由多个梯级组成，每个输出元素可构成一个梯级，每个梯级可由多个支路组成，通常每个支路可容纳l1个编程元素。最右边的元素必须是输出元素。在梯形图编程时，只有在一个梯级编制完整后才能继续后面的程序编制。PLC的梯形图从上至下按行绘制，两侧的竖线类似电器控制图的电源线，称作(BUS BAR)，每一行从左至右，左侧安排输人接点，输入接点不管是外部的按钮、行程开关，还是继电器触点，在图形符号上只用常开

56、“和常闭“，而不计其物理属性。在梯形图中每个编程元素应按一定的规那么加标字母数字串，不同的编程元素常用不同的字母符号和一定的数字串来表示。3 PLC梯形图编程格式的特点1、梯形图格式中的继电器不是物理继电器，每个继电器和输入接点均为存储器中的一位，相应位 l态，表示继电器线圈通电或常闭接点断开；2、梯形图中流过的电流不是物理电流，而是“概念电流。是用户程序解算中满足输出执行条件的形象表示方式。“概念电流只能从左向右流动；3、梯形图中的继电器接点可在编制用户程序时无限引用，既可常开又可常闭；4、梯形图中用户逻辑解算结果，马上可为后面用户程序的解算所利用；5、梯形图中输入接点和输出线圈不是物理接点

57、和线圈，用户程序的解算是根据PLC内IO映象区每位的状态，而不是解算时现场开关的实际状态；6、输出线圈只对应输出映象区的相应位，不能用该编程元素直接驱动现场机构， 6.6.2 PLC外部接线图设计 本设计的机械手有四个自由度，分别用两个步进电机来驱动提升机构和伸缩机构，用两个直流电机来完成手腕部和腰部的旋转动作，在提升机构中用两个限位开关来限制机械手的上下运动边界，伸缩机构中同样也是用两限位开关来限制机械手的前后运动边界，在手腕部和腰局部别用两个接近开关来限制正反转的极限角度，所以PLC的输入点数有八个，两个步进电机分别用两个步进电机驱动器控制，两个直流电机用两个直流电机控制器控制，手抓的夹紧

58、和张开用一个电磁阀控制，所以PLC有九个输出点，I/O总数是十七，我们选用三菱公司该PLC有十六个输入点和十六个输出点，I/O端子分配如表6-1所示表6-1控制系统原理如图6-2所示图6-26.7 控制系统梯形图设计 由于控制过程中经常要共用线圈，所以我们使用了中间继电器，每次置位后都进行复位，其流程图如图6-3所示图6-3结 论本设计的机械手有四个自由度，分别用两个步进电机来驱动提升机构和伸缩机构，用两个直流电机来完成手腕部和腰部的旋转动作，在提升机构中用两个限位开关来限制机械手的上下运动边界，伸缩机构中同样也是用两个限位开关来限制机械手的前后运动边界，在手腕部和腰局部别用两个接近开关来限制

59、正反转的极限角度，所以PLC的输入点数有八个，两个步进电机分别用两个步进电机驱动器控制，两个直流电机用两个直流电机控制器控制，手抓的夹紧和张开用一个电磁阀控制。在这次毕业设计，我认识到要完整地完成一次设计不能有半点马虎和侥幸心理。每一个小的细节都得经过精心的选择，不懂的，不会的，要及时查手册，尽量选用标准件，对于结构方面要多请教老师。这次最大的收获是：在动手之前要经过一番仔细的思考，只有这样才能更有效的利用时间；其次是自己开始认识到手册的重要性；再次我们应当认真做好每一个小的细节，平时多思考，尽量使自己的结构平安可靠，不仅在设计中是这样，生活中也是这样。我们即将走向社会，把毕业设计作为我们走向社会的一次很好的锻炼，认真做好它，将来不管干什么都得：“认认真真做事，做好每件事。做一个对得起自己和别人的人。致谢在完本钱设计之际，首先向尊敬的指导老师致以衷心的感谢。本设计是在老师的精心指导、热情鼓励和支持下完成的。在整个课题的设计过程中，老师严谨的治学态度，高深的学术造诣和诲人不倦的精神，时刻鼓励着我，令我受益匪浅。 在做毕业设计的这几个月中，我从老师的耐心指导中获得了许多帮助，也学到了很多知识，令学生感谢不尽。同时也感谢大学四年来，所有老师对我辛勤的教导，大学是我人生中最重要的一段经历，在这其中我不仅从老师们那里学到了非常多