PLC机械手臂搬运加工流程控制

1引言

机械手：mechanicalhand,也被称为自动手,autohand

能模仿人手和臂日勺某些动作功能，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。它可替代人日勺繁重劳动以实现生产日勺机械化和自动化，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。

机械手重要由手部、运动机构和控制系统三大部分构成。手部是用来抓持工

件（或工具）的部件，根据被抓持物件的I形状、尺寸、重量、材料和作业规定而

有多种构造形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完毕多种转

动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，变化被抓持物件日勺位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取

空间中任意位置和方位日勺物体，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，其构造也越复杂。一般

专用机械手有2〜3个自由度。

机械手日勺种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;

按合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

位控制和持续轨迹控制机械手等。

机械手一般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H勺主从式操作手

也常称为机械手。机械手在铸造工业中日勺应用能深入发展铸造设备的生产能力,

改善热、累等劳动条件。

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制企业研制出第一台

机械手。

机械手自二十世纪六十年代初问世以来，通过40数年的发展，目前已经成

为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手

属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统,

没有感觉外界环境信息的感觉器官，重要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械

手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序

进行校正。这代机械手一般采用接触传感器一类的简朴传感装置和对应口勺适应性

算法。目前，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它

是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行精确处理，对自己行为做出

自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物,具有触觉、视觉、力觉、听觉、

味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、

语音功能和自学能力等人工智能。

目前机械手技术有了新口勺发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作

系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、

智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况对应地进行动作,

如同避障碍物的移动，作业次序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域

正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多

地装备部队。

国外方面：近儿年国外工业机械手领域有如K儿种发展趋势。机械手性能不

停提高，而单机价格不停下降；机械构造向模块化、可重构化发展；控制系统向

基于PC机的J开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机

械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。

国内方面：目前在某些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬

运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本

掌握了机械手操作机的设计制造技术，处理了控制驱动系统的设计和配置，软件

的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周围配套设

备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接

电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具有了独立自

主发展中国机械手技术口勺基础。

本课题重要研究的是基于PLC口勺机械手模型控制系统的设计，包括硬件的

设计利软件口勺设计。通过设计编制PLC程序实现机械手模型控制系统的自动控

制。运用组态软件MCGS设计出人机界面，进行设备和数据对象的连接，实现动

画连接，实现机械手的监控。通过MCGS将机械手口勺动作过程进行动画演示，使

机械手的动作形象化。提供较为直观、清晰、精确的机械手运行状态，为维修和

故障诊断提供多方面的也许性，充足提高系统的二作效率。

2设计任务及规定、工艺流程分析

2.1控制规定

（1）如图1所示，有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A送到加

工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台1日勺位置进行第一环节加工。当第

一环节加工完毕后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二环节加工；

当第二环节加工完毕后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码

管显示加工完毕日勺数量。

（2）假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起

动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站日勺极限

开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台1然后上升等待机械对工作物加工；

当工作物第一加工环节完毕时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一

下降一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第一加工环节。

（3）当第二加工环节完毕时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右

一下降一释放等流程，将工件放置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完

毕的多次。

图1机械手臂搬运加工流程控制过程示意图

2.2机械手臂搬运加工流程控制工艺分析

机械手能模仿人手和臂H勺某些动作功能，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。它可替代人H勺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。

目前机械手的重要发展经历可以分为三代：第一代机械手重要是靠人工进

行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改善日勺方向重要是将低成本和提高

精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、

想的能力。研究安装多种传感器，把接受到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；

第三代机械手能独立完毕工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联

络，并逐渐发展成为柔性系统FMS和柔性制造单元FMC中重要H勺环节。

机械手重要由手部、运动机构和控制系统三大部分构成。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、材料和作业规定而

有多种构造形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完毕多种转

动（摆动）、移动或复合运动来实现规定欧J动作，变化被抓持物件日勺位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手日勺自由度。为了抓取

空间中任意位置和方位日勺物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计日勺关键参

数。

机械手口勺运动机构重要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上

升下降运动及夹紧工件日勺动作，两个转速不一样的电动机分别通过两线圈控制

电动机口勺正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退口勺运动运动；其动作

转换靠设置在各个不一样部位的行程开关产生时通断信号传播到PLC控制器，通

过PLC内部程序输出不一样的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产

生不一样的动作，可实现机械手日勺精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上

升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作

方式包括：回原位、手动、单步、单周期、持续；来满足生产中的多种操作规定。

本次设计使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起

动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限

开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台1然后上升等待机械对工作物加工；当

工作物第一加工环节完毕时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下

降一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第二加工环节。当第二加工环节完

毕时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件

放置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完毕的多次。动作示意图如图2所

不0

图2机械手控制动作示意图

3控制系统硬件设置

3.1机械手臂搬运加工流程控制系统硬件构成

本设计中采用欧I机械手，水平（X）轴、垂直（Y）轴采用步进电机控制，底

盘欧J旋转采用直流电机控制，抓取物体日勺电磁阀采用气动形式。步进电机欧J控制,

由对应的步进电机驱切器电路完毕。完毕本设计需要的试验设备有：（1）机械

手模型（2）计算机（3）导线（4）气泵（5）晶体管输出型可编程控制器

机械手日勺控制面板分如下几种模块：

（1）步进电机驱动及步进电机

驱动器电流设定为0.63A,细分设定为8细分，将24V电源接入驱动器,

此时驱动器日勺电源指示灯应点亮；将24V与OPTO端（驱动器使能端）连接起

来；PUL端是脉冲输入端；DIR是方向控制输入端。

（2）直流电机

本设计用时气夹电机和底座电机均是24V直流电机，PLC控制两个直流继电器

的吸合来控制电机RU正转和反转。

（3）旋转编码盘

在木设计模型的底座上有一种旋转编码盘.在底座旋转时.在此产生一种

VP-P为24V/、J方波信号，可以提供应PLC的高速计数器，用于机械手口勺定位控

制。

（4）靠近开关

在本设计模型中底座和气夹日勺限位通过4个电感式靠近开关来完毕。靠近开

关与触头靠近时靠近指示灯点亮、输出低电平，否则为高电平。

（5）行程开关

在本设计模型中两个滚珠丝杆的限位通过4个滚轴式行程开关

来完毕。当行程开关压下时，常开触点闭合，给PLC一种控制信号。

3.2PLC的简介及选型

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC或PC,是从初

期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不停吸取微计算机技术使之功能不停增

强，逐渐适应复杂日勺控制任务。

3.2.1PLC的构造

PLC和一般H勺微型计算机基本相似，也是由硬件系统和软件系统两大部分

构成的。PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM,ROM）、输入

输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备构成。各部

分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。其构造简

图如图2所示。

图3PLC硬件构造图

PLC的）软件系统是指PLC所使用的多种程序日勺集合，一般可分为系统程序

和顾客程序两大部分。系统程序是每一种PLC成品必须包括的部分，由PLC厂

家提供，用于控制PLC自身的运行，系统程序固化在EPROM中。顾客程序是由

顾客根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统构成了一种完整的PLC

系统，他们是相辅相成，缺一不可日勺。

3.2.2PLC的特点

可编程序控制器是一种以微机处理器为关键的工业通用自动控制装置，其

实质是一种工业控制用n勺专用计算机。国内外既有的机械手系统，它们口勺控制形

式大都采用可编程序控制器控制，尤其是在智能化规定程度高容量大的现代化

工业机械手系统中应用更为普遍。其重要原因是由于PLC具有如下长处：

（1）灵活、通用

（2）可靠性高、抗干扰能力强

（3）操作以便、维修轻易

（4）功能强

（5）体积小、重量轻和易于实现机电一体化

同样，可编程序控制器控制也有其局限性的地方，在性价比上要高于继电器

控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不一样厂家日勺

可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。

3.2.3PLC日勺重要功能

PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化妆置，在工厂自动化

（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占重要地位。

PLC系统重要有如下功能：

（1）多种控制功能；

（2）数据采集、存储与处理功能；

（3）通信联网功能；

（4）输入、输出接口调理功能；

（5）人机界面功能；

（6）编程、调试功能。

PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在减少，虽然软件价格占日勺比重有

所增长，不过各厂商为了竞争也对应地减少了价格。此外，采用PLC还可以大大

缩短设计、编程和投产周期，使总价格深入减少。PLC产品面临现场总线的发展,

将再次革新，满足工业与民用控制日勺更高需求。

PLC造型

本次的设计使用的是THWJX-1型机械手实物教学试验装置。本装置需采用晶体

管输出型可编程控制器，可同步输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进电机

运行。由于机械手系统的输入/输出点少，规定电气控制部分体积小，成本低，并

可以用计算机对PLC进行监控和管理，该机械手的控制为纯开关量控制，且I/O

点数不多，考虑留有一定口勺裕量，故选用日本三菱企业生产口勺多功能小型

FX1N-24MT-D主机。

4PLC控制系统软件设计

4.1机械手臂搬运加工流程控制系统的I/O分派

根据机械手动作日勺规定及机械手实物教学试验装置阐明指导，输入、输出点

分派状况如表1所示。

表1PLC的I/O分派表

名称输入名称输出

气夹正转限位X0驱动器一PULY0

气夹反转限位XI驱动器二PULY1

基座正转限位X2驱动器一DIRY2

基座反转限位X3驱动器二D1RY3

旋转脉冲X4气夹正转Y4

X轴前限位X5气夹反转Y5

X轴后限位X6基座反转Y6

Y轴上限位X7基座正转Y7

Y轴下限位X10气夹电磁阀YV+Y10

启动按钮XII

复位按钮X12

4.2机械手臂搬运加工流程控制系统接线图设计

本模型口勺接线设计如图4所示。

图4PLC控制系统接线图

4.3机械手臂搬运加工流程控制程序流程图设计

见附录A。

4.4机械手臂搬运加工流程控制程序梯形图设计

见附录B。

5上位机组态监控系统设计

5.1PLC与上位监控软件通讯

机械手日勺所有动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。步进电

机的运动需要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲

由低变高时步进电机走一步；变化电机转向时，需要加方向信号。机

械手的上升/下降、前伸/后缩动作就是通过控制这两个步进电机的正

反转来实现日勺。基座正转/反转和气夹正转/反转是通过两个继电器的

吸合与断开来控制直流电机日勺转动方向来实现的。机械手的放松/夹

紧由一种单线圈两位置电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手放松；

该线圈断电时，机械手夹紧。

5.2上位监控系统组态设计

根据控制和生产工艺的规定，控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步

进、回原位操作，自动控制包括单步、单周期、持续的操作。故操作方式选择开

关设置有五个档位。手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、快进、

慢进、快退、慢退和复位，故设置六个动作看官按钮。各个动作进行的同步均设

有动作指示灯。此外设有启动停止按钮。其操作面板如图5所示。

图5机械手操作面板示意图

5.3实现的）效果

打开电源，按下起动按钮时，开机复位。机械手若不在原点则PLC向驱动器

一同步输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。当后缩到位时碰

到后限位开关，然后主机向驱动潜二输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上

升。上升究竟时碰到上限位开关，上升停止，回到原点。主机向驱动器二同步输

入脉冲信号和电平信M步进电机二反转，机械手下降。降究竟时碰到下限位开

关，下降停止，气夹电磁阀断电，机械手夹紧。夹紧后，主机向驱动器二只输入脉

冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停

止。

PLC向驱动器一只输入脉冲信号，步进电机一正转，机械手前伸，前伸到位

时，碰到前限位开关前伸停止。主机向驱动器二同步输入脉冲信号和电平信号,

步进电机二反转，机械手下降。降究竟时碰到下限位开关下降停止，同步夹紧电

磁阀断电，机械手放松。放松后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二

正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关上升停止。上升到顶时，碰到

上限位开关，上升停止。PLC向驱动器一同步输入脉冲信号和电平信号，步进电

机一反转，横轴后缩。机械手后缩.当后缩究竟时碰到后限位开关.然后主机向

驱动器二同步输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。下降究

竟时碰到下限位开关，下降停止，回到原点。至此，机械手通过八步动作完毕一

种循环。

6机械手臂搬运加工流程控制监控系统调试及成果分析

6.1机械手臂搬运加工流程控制系统调试及处理的问题

（1）编程指令的选择

我们设计了三个方案

方案一：使用起保停电路的编程方式。用辅助继电潜代表步，仅仅使用与触

电和线圈有关日勺指令。编出程序规范，具有易于阅读和轻易查错时长处，但由于

存在大量的自保持触点，使程序代码较长。

方案二：采用以转换为中心的I编程方式。这种编程方式与转换实现日勺基本规

则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂H勺次序功能图日勺梯形图时，会有很大

协助。

方案三：采用STL指令的编程方式。STL指令（步进梯形指令）是三菱厂

家设计的专门用于次序控制日勺指令，使用该指令可以使编制次序控制程序愈加

以便，并且易于调试和维护，且代码较短。

（2）接地点H勺选择

完善接地系统接地日勺目的一般有两个，其一为了安全，其二是1()

为了克制干扰。完善日勺接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰日勺重要

措施之一。系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三

种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直

接接地方式。

6.2成果分析

通过论证和老师讲解，本设计采用［1勺编程方式选用方案三。

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以防止偶尔发生的电压冲

出危害。因此最终我们给FLC接上了专用接地线。

搬运机械手采用PLC控制，体积小，重量轻.控制方式灵活，可靠性高.操

作简朴，维修轻易。使用该机械手替代人工搬运工件，既安全，又精确，提高了劳

动生产率，保证了工件的质量，减少了工人的劳动强度，具有很好的经济效益和

社会效益可编程控制器PLC以其丰富的I/O接口模块、高可靠性，在机械手啊

控制系统的设计中起到了十分重要的作用。

结束语

这次的课程设计让我学会了诸多，在老师和同学的I指导学习下，终于完毕了

这一份课程设计。本来认为自己对可编程序控制器原理日勺知识掌握的还比很好,

不过到做课程设计的时候才发现自己存在着诸多局限性，其中就布•诸多基础知

识都不是很完善，诸多知识都掌握的不是很扎实。

课程设计是一种理论与实际结合日勺过程。仅仅有理论是不够的，更重要的是

实际H勺，是我们所设计的实物，具有设计合理，经济实用日勺长处。这就需要我们

设计者考虑问题是要仔细、周密，不能有丝毫的大意。对设计方案的优越化，也

需要我们综合各方面的原因考虑，尤其是实际。设计的同步也加强了我和老师的

交流，认识到知识的渊博度。再次向教育指导我H勺老师及同学表达诚挚的感谢！

我很兴奋，由于整个过程都是我们自己去设计的。设计过程中，通过针对性

地查找资料，理解有关电子方面的资料，既增长了自己的知识面，补充最新的专

业知识，又提高了自己日勺应用能力和实践能力。对学过日勺书本理论知识起到了很

好的温习作用。机械手臂搬运加工采用PLC为控制关键构造合理、测试措施可靠,

它具有较强H勺灵活性，提高了设备运行的可靠性。通过对机械手臂搬运加工PLC

控制系统设计日勺设计，让我很好的运用了PLC日勺知识，对书本日勺知识深入日勺消化

和巩固。这次课程设计终于顺利完毕了，这个设计让我获益良多，只要专心去学

习，不怕困难，不管多么艰难，我们都能获得成功。

鉴于学生所学知识有限，经验局限性，乂是初次研究这种复杂的试验，在此

过程中难免存在某些错误和局限性之处，恳请老师予以批评和指正。

道谢

在课程设计论文完毕之际，我要忠心的感谢身边予以过我莫大协助的

老师、同学和朋友，致以他们最诚挚的谢意。

本次课程设计是在戴老师的亲切关怀和悉心指导下完毕的。他严厉的

科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和鼓励着

我。从课题的选择到项目的最终完毕，戴老师都一直予以我细心的指导和不

懈的支持。戴老师多次问询研究进程，并为我指点迷津，协助我开拓研究思

绪，精心点拨、热忱鼓励，这让我在整个论文日勺撰写过程中学习到了诸多有

关课题研究方面日勺知识。

本文参照了大量的文献资料，在此，向各学术界日勺前辈们致敬。最终要感谢

的是我日勺父母和家人.感谢他们数年来对我默默日勺支持和协助。由衷的但愿

在未来日勺日子里.周围日勺老师、同学和朋友们一如既往的在各方面继续予以

我更多日勺指教和协助,以期获得新日勺进步和成绩来回报大家。

参照文献

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北京昆仑通态自动化软件科技有限企业.MCGS顾客指南.

附录A程序流程图

kl

XZ1八_

接通Y3、Y1,下降

接通Y10、T1,放松

接通Y1,上升

接通Y2、Y0,后缩

附录B程序梯形图

S271011TOOOl

T卜T卜

SET次置

Y010位

TOOOl

|I_______________________________________________________________

11

SET农置

S28a

S281011工007TOOOl

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