基于plc控制的机械手的设计毕业论文.docx

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基于plc控制的机械手的设计毕业论文

毕业设计（论文）

题　　目：

　基于plc控制的机械手的设计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

内容摘要及关键词：

【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。

自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。

机械手可在空间抓、放、搬运物体，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。

机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。

可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。

本文应用三菱公司生产的可编程控制器FX系列PLC，实现机械手搬运控制系统，该系统充分利用了可编程控制器（PLC）控制功能。

使该系统可靠稳定，时期功能范围得到广泛应用。

【关键词】:

材料搬运;可编程控制器PLC;机械手;限位开关

目　　录

第一章前言

1.1课题研究目的及意义

机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。

近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。

机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。

特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。

总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。

国内外都十分重视它的应用和发展。

可编程序控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。

随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一[1]。

由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。

机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。

我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。

本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。

通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。

MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域中有着广泛的应用[2]。

本设计通过MCGS组态软件对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加形象化。

1.2国内外机械手研究概况

机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在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，主要用于焊接、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。

这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。

现在，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准确处理，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[3]。

目前机械手技术有了新的发展：

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，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，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[4][5]。

国外方面：

近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。

机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的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：

目前在一些机种方面，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，解决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、弧焊自动线及其周边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，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础[6]。

1.3课题研究的内容

本课题主要研究的是基于PLC的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。

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。

利用组态软件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将机械手的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、准确的机械手运行状态，为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。

第二章PLC及机械手的介绍及选择

2.1.可编程控制器PLC

2.1.1PLC慨况

可编程控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER，简称PC）。

与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。

它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。

用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。

PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。

PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。

不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。

PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。

它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。

大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。

把计算结果送给PLC的控制器。

　　相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。

PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。

一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。

如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。

PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。

随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。

通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。

实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器

PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。

国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

可以预料：

在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流

PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。

用户程序由用户按控制要求设计。

2.1.2PLC的结构及基本配置

和继电器控制系统类似，PLC控制系统也是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。

一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。

但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。

对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。

无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

CPU的构成：

PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

PLC硬件结构图

CPU功能：

（1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器；

（2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；

（3）诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误；

（4）在PC进入运行状态后：

a）执行用户程序——产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路）

b）进行数据处理——分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务

c）更新输出状态——输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等）

存储器：

系统程序存储器——存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令

解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数

*不能由用户直接存取

用户存储器用户程序存储器——存放用户程序。

即用户通过编程器输入的用户程序。

功能存储器（数据区）——存放用户数据

PC的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。

注意：

系统程序直接关系到PC的性能，不能由用户直接存取，所以，通常PC产品资料中所指的存储器形式或存储方式及容量，是指用户程序存储器而言。

与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。

它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。

CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。

一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。

箱体式PLC的主箱体也有这些显示。

它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。

CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。

I/O模块：

PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

电源模块：

有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源以其输入类型有：

交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

底板或机架：

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

PLC的外部设备：

外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类

1.编程设备：

有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。

2.监控设备：

有数据监视器和图形监视器。

直接监视数据或通过画面监视数据。

3.存储设备：

有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。

4.输入输出设备：

用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。

PLC的通信联网：

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。

当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。

了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。

2.1.3PLC的选型

考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，采用PLC作为核心控制器，各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作，所以PLC采用日本三菱公司的FX2N-32MR型PLC（16点输入、16点输出）。

三菱FX2N系列可编程控制器是小型化，高速度，高性能的产品，是FX系列中最高档次的超小型程序装置。

性能规格：

FX2N性能规格运转控制方法通过储存的程序周期运转I/O控制方法批次处理方法（当执行END指令时）I/O指令可以刷新运转处理时间基本指令：

0.08μs应用指令：

1.52至几百微秒，指令编程语言逻辑梯形图和指令清单使用步进梯形图能生成SFC类型程序程式容量8000步内置。

2.1.4PLC的工作过程

1.初始操作（上电处理）

PLC未进入正式运行前，首先应确定自身的完好性。

这就是接通电源后的初始操作（见图）。

通电后，消除各元件的随机状态，进行清零或复位处理，检查I/O单元的连接是否正确（I/O总线）。

再做一道题，使它涉及各种指令和内存单元，若解题时间在to以内，则自身完好（否则，系统关闭），解题结束，将监控定时器to复位，才开始正式运行。

2.运行

·PLC的工作方式——（顺序）周期循环扫描

扫描——按分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，顺序进行，这种分时操作的过程称“CPU对程序的扫描”

·工作特点——集中输入，集中输出（小型PLC）

二、PLC运行过程

1.四大类操作

（1）公共操作——故障诊断及处理（自检），一般故障，只报警，不停机

（2）I/O操作——联系现场的数据输入及控制信号的输出

（3）执行用户程序——顺序循环扫描

（4）服务外设

2.I/O处理过程——（教材P63Fig3-6）

输入采样

三个阶段执行用户程序

输出刷新

·工作过程框图：

·

I/O处理过程：

（1）数据输入/输出——I/O状态刷新采样输入信号

送出处理结果

a.输入映像存储器及其刷新——对应于输入端子状态的数据区

PLC中的CPU是不能直接从与外部接线端子打交道的。

在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，经过输入调理电路（光电隔离、电平转换、滤波处理等）后进入输入缓冲器等待采样。

没有CPU的采样“允许”，外界的输入信号是不能进入内存的。

当CPU采样时，输入信号便进入输入映像存储器——刷新。

接着进入程序的执行阶段，直至信号的输出。

在此期间，输入映像存储器将现场与CPU隔离，无论输入信号如何变化，输入映像存储器中的内容保持到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新采样新的信号，即：

输入映像存储器每周期刷新一次。

这样，是否会影响对现场信息的反应速度？

由于，PLC扫描周期一般仅几十mS，两次采样之间的间隔时间很短，对一般的开关量而言，可以认为采样是连续的。

b.输出映像存储器及其刷新——CPU数据处理的中间结果和最终结果的存放区域

同理，CPU不能直接驱动负载，处理的结果存放在输出映像存储器中，直至所有程序执行完毕，才将输出映像区的内容经输出锁存器（称为输出状态刷新）送到输出端子上驱动外部负载。

即：

输出映像存储器——随时刷新

输出锁存器——每周期刷新一次（刷新后的输出状态一直保持到下一次刷新）

同样，两次刷新的间隔仅几十mS，即使考虑电路的电气惯性（延迟）时间，仍可认为输出是及时的。

c.输入/输出状态表——状态RAM表

I/O映像存储器的内容，在CPU中构成I/O状态表，其内容是CPU处理用户程序及数据的依据。

注意：

输入状态表——采样时刷新

输出状态表——随时刷新（中间值和最终结果）

输出端子的接通或开断——输出锁存器决定

（2）执行用户程序执行

监视

a.监控定时器WDT（WATCHDOGTIMER）——即监控定时器t1

·正常：

执行完用户程序所需的时间应不超过t1。

执行程序前，复位t1，执行程序开始t1计时，完毕后立即复位t1，表示程序执行正常。

·异常：

因某些原因，程序进入死循环，执行程序时间超出t1值，WDT发出警告，程序重新开始执行，同时复位t1。

若因偶然因素，则重新执行程序将正常，否则，系统自动停止执行用户程序，切断外部负载，并发出故障信号等待处理。

b.执行用户程序

（3）执行外设命令

每次执行完用户程序，输出后，就进入服务外设命令的操作，如没有外设命令，自动循环扫描。

2.2机械手

2.2.1机械手简介

mechanicalhand也被称为自动手，autohand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。

机械手主要由手部和运动机构组成。

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2～3个自由度。

机械手的种类，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。

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

（1）机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。

（2）在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中

它可以用来组装零部件。

（3）可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。

（4）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。

（5）宇宙及海洋的开发。

（6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。

机械手简述:

机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

1．执行机构

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。

手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。

手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。

简单的机械手可以没有手腕。

支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。

2．传动系统

执行机构的动作要由传动系统来实现。

常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

3.控制系统

机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、