前言
随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。
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。
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。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，生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
本文将通过西门子PLC控制机械手，PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能。目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展。该系统利用西门子PLC，在步进电机驱动下，完成对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对非正常情况实行自动报警和自动保护，实现企业的机电一体化，提高企业的生产效率。
1机械手概述
1.1机械手简介
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。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。机械手是工厂企业高度自动化的标志，它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动，尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不适宜人工工作的环境中，机械手起到了不可取代的作用。
1.2机械手组成
机械手主要由手部、驱动系统、控制系统组成。结构如图1-1所示：
图1-1机械手结构图
Fig. 1-1 Manipulator structure
（1）手部
即与物件接触的部件。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。
（2）驱动系统
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。
1.3机械手的应用
随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。在机械工业中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。其它部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。
机械工业中，应用机械手的主要目的是：
一、可以提高生产过程的自动化程度
应用机械手，有利于实现材料的传送、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和降低生产成本。
二、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，用人手直接操作时有危险或根本不可能。而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，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。
三、可以减少人力，并便于有节奏地生产
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线上，目前几乎都设机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏进行生产。
由此可见，有效地应用机械手，是发展工业的必然趋势。
2 PLC的简介
2.1 PLC的产生
1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时，原系统变更要少;用户程序存储容量可扩展到4K 。核心思想：用程序代替硬接线，输入/输出电平可与外部装置直接相联，结构易于扩展，这是PLC的雏形。
1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功。
2.2 PLC的定义和特点
2.2.1PLC的定义
美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义：可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。
早期的可编程控制器，主要用于开关量逻辑控制，所以称为可编程逻辑控制器，简称PLC，后来随着计算机技术不断发展，其功能已不仅限于开关逻辑控制，所以被称之为可编程控制器PC，但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此，一般把PLC作为可编程控制器的简称。
2.2.2 PLC的特点
可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工作环境，远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。
（2）编程简单，易于掌握 PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。
（3）功能完善，灵活方便随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。既可以单机使用、也可联网运行，既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。
（4）体积小、质量轻、功耗低由于采用了单片机等集成芯片，体积小、质量轻、机构紧凑、功耗低。
2.3可编程控制器的主要性能指标
可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项指标。
（1）输入/输出点数(I/O) I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。
（2）存储容量存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储容量。
（3）扫描速度一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms/千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us/步。
（4）功能扩展能力可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。
（5）指令系统指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。
2.4可编程控制器的分类
通常PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。
（1）按结构形式分类按结构形式不同，可分为整体式和模块式两类。整体式的PLC是将电源、CPU、存储器、输入/输出单元等各个功能部件集成在一个机壳内，从而具有结构经凑、体积小、价格低等优点，许多小型PLC多采用这种机构。模块式的PLC将各个功能部件做成独立模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块等，然后进行组合。
（2）按控制规模分类按控制规模大小，可分为小型、中型和大型PLC三种类型。
1）小型PLC。小型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量在2KB以内，其中输入输出点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。
2）中型PLC。中型PLC的开关量I/O点数通常在256-2048点之间，用户程序存储器的容量为2-8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节，如比例、积分、微分（PID）调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。
3）大型PLC。大型PLC也称为高档PLC，I/O点数在2048点以上，用户程序存储容量在8KB以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。
2.5 PLC系统的组成
PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其结构与微型计算机控制系统相似，也是有硬件系统和软件系统两大部分组成。
2.5.1PLC的硬件结构
一套PLC系统在硬件上由以下几部分组成：
(1)中央处理器(CPU) 与计算机一样，是PLC的核心部件。
(2)存储器 PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。
(3)输入/输出（I/O）接口电路。
(4)电源。
(5)扩展单元。
(6)外部设备。
其中，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。其结构简图如下：
图2-1 PLC硬件结构图
Fig. 2-1 PLC hardware structure
2.5.2 PLC的软件
PLC的软件是指PLC所使用的各种程序的集合。它由系统程序（系统软件）和用户程序（用户软件）组成。
（1）系统程序系统程序包括监控程序，输入译码程序及诊断程序等。
（2）用户程序用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。
2.6可编程控制器的工作方式
可编程控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的循序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。
图2-2 PLC工作方式图
Fig. 2-2 PLC work way figure
可编程控制器工作的扫描过程包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间成为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。
2.7 PLC的编程语言
PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言用的较多，流程图语言也在许多场合被采用。
1.梯形图语言
（1）梯形图从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。
（2）图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止母线可以省略。
（3）梯形图中的触点有两种，即动合触点和动断触点。
（4）梯形图的最右端必须连接输出元素。
（5）梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。
2.助记符语言
助记符语言是PLC命令的语言表达式。用梯形图编程虽然直观、简便，但要求PLC配置较大的显示器时可输入图形符号，这在有些小型机上常难以满足，所以助记符语言也是一种较常用的一种编程方式。不同型号的PLC，其助记符语言也不同，但其基本原理是相近的。编程时，一般先跟据要求编制梯形图语言，然后再根据梯形图转换成助记符语言。
3.顺序功能图语言
顺序功能图SFC是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，主要由“步”、“转移”及“有限线段”等元素组成，它将一个完整的控制工程分为若干个阶段(状态)，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，条件满足就实现状态转移，上一状态动作结束，下一动作开始。
2.8 PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、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、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶
金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6、通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
3机械手的设计
3.1机械手的控制要求
本机械手的控制要求：机械手搬运零部件动作示意图如下图3-1 所示，该机械手可用来将工件从A工位搬到B工位，实现方式有手动自动两种工作方式，其动作过程分为10 工步，即从原位开始顺序经过10个动作后完成一个周期，并返回原位，在此，定义机械手处于左旋限位，上行限位时为原点。具体过程是：横轴下降，至下限位开关，夹紧工件，横轴上升，至上限位开关，底盘右旋转，至右旋限位开关，横轴右行，至右限位开关，横轴下降，至下限位开关，松开工件，横轴上升，至上限位开关，横轴左行，至左限位开关，底盘左旋转，至左旋限位开关，返回原位，完成一个周期。
为了便于控制系统调试和维护，本控制系统有手动功能和自动功能。当手动/自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，就可实现上升、下降、左移、右移、夹紧、放松的手动控制。当机械手处于原位时，将手动/自动转换开关置于“自动”位置时，进入自动工作状态。机械手工作方式说明如下：
（1）手动工作方式即单步运行，每按一个按钮，执行一步操作；
（2）自动工作方式即连续运行，按下启动按钮，机械手自动运行，一个周期后循环工作，直至完成搬运任务；
（3）运行之前，通常对机械手进行复位操作，复位操作有机械手在左边、在右边、在中间三种情况，要逐一考虑，使机械手在任意位置都可以完成复位，回到原点；
（4）运行过程中，当按下停止按钮时，要停止一切动作。
图3-1机械手搬运零部件示意图
Fig. 3-1 Manipulator handling parts schemes
3.2机械手控制系统设计方案的比较
在工业自动化生产中常用的控制系统有：传统的继电器—接触器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种。但从使用性、经济性、可靠性出发，本设计选用了PLC控制系统。因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是用于在复杂的条件下工件的传输，主要动作是上升、下降、左移、右移、夹紧、放松、左旋、右旋和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主，是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简
单、易于维护等特点，特别是替代继电器控制系统，这更是它的优势。
本系统的开关量输入信号为数字信号，直接连接PLC，PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制。系统框图如图3-2所示。
图3-2系统框图
Fig. 3-2 The system frame
4系统硬件电路的设计
4.1 PLC的选型
目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、德国的西门子（SIMENS）、法国的TE、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。
本文选择的是德国西门子公司生产的S7-200 PLC。S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此它一经推出，即受到了广泛的关注。特别是S7-200CPU22*系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，其速度快，具有极强的通信能力，几乎可以完成任何功能的控制任务。
根据机械手的控制要求，PLC输入、输出点分配如表所示：
表4-1 PLC的I/O分配表
Tab. 4-1 PLC of I/O distribution list
由上表可知，该控制系统共需要17个输入点，8个输出点，此处选用西门子公司生产的小型PLC S7-200系列的CPU226继电器输出型可编程控制器，该控制器输入点24个，输出点16个。
4.2机械手驱动的选择
机械手的全部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；改变电机转向时，需要加方向信号。机械手的上升/下降、左行/右行动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。基座旋转是通过控制直流电机的转动方向来实现的。机械手的放松/夹紧由一个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。
4.2.1步进电机
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。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
本系统采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作，相比直流电机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。此处采用串联型接法，其电气接线图如下图4-1所示。
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转化为步进电机的角位移, 或者说: 控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
图4-1步进电机电气接线图
Fig. 4-1 Step motor electrical hookup
4.2.2步进电机的选择
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般为低速）二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍最好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）
3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。
4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= Ω·M Ω=2π·n/60 P=2πnM/60 其P为功率，单位为瓦；Ω为每秒角速度，单位为弧度；n为每分钟转速；M为力矩，单位为牛顿·米；P=2πfM/400(半步工作），其中f为每秒脉冲数（简称PPS) 。
此外，在选取电机时，我们应该注意：
1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时3000PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。
2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。
3、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一是可以保证电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。
4、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。
5、应遵循先选电机后选驱动的原则。
根据以上原则，我们选用深圳雷塞两相57HS13系列步进电机，电机参数为：
表4-2 步进电机参数表
Tab. 4-2 Step motor parameter table
选用雷塞两相M860系列步进电机驱动器，工作电流2.4——7.2A，工作电压24——80V。
4.3 PLC原理接线图
根据PLC的选型、输入/输出端口分布表以及步进电机和步进电机驱动器类型，画出PLC的外部接线图,如下：
图4-2 PLC外部接线图
Fig. 4-2 PLC external hookup
5控制系统软件设计
本控制系统，我们选取自动和手动两种工作方式，手动控制方式即单步运行方式，手动操作不需要按工序顺序动作，可以按普通继电器接触器控制系统来设计，利用按钮对机械手每一动作单独进行控制，如按“下降”按钮，机械手下降；按“上升”按钮，机械手上升。而自动工作方式，按下启动按钮后，机械手从原点开始按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机。
自动控制系统的整体运行情况是：打开电源，按下起动按钮时，开机复位。机械手的动作示意图如图3-1所示。机械手若不在原点则PLC向上下行驱动器输入脉冲信号，上下行步进电机正转，机械手上升。上升到底时碰到上限位开关，然后主机向左右行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，左右行步进电机反转，横轴左行。当行进到位时碰到左限位开关，左行停止，回到原点。主机向上下行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，上下行步进电机反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，夹紧电磁阀断电，机械手夹紧。夹紧后，主机向上下行驱动器只输入脉冲信号，上下行步进电机正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向基座电机输入正转信号，电机正转，机械手右旋，碰到右旋限位开关，右旋停止。主机向左右行驱动器输入脉冲信号电平信号，步进电机左右行正转，机械手右行，右行到位时，碰到右限位开关，右行停止。主机向上下行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，上下行步进电机反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，同时夹紧电磁阀得电，机械手放松。放松后，主机向驱动器上下行输入脉冲信号，上下行步进电机正转，机械手上升，上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向左右行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，左右行步进电机反转，横轴左行，当左行到底时碰到左限位开关，然后主机向基座电机同时输入反转信号，电机反转，机械手左旋，碰到左旋限位开关左旋停止，回到原点。至此，机械手经过十步动作完成一个循环。
就此给出自动控制系统的功能流程图和系统整体的PLC程序。
5.1控制系统功能流程
图5-1控制系统功能流程图Fig. 5-1 Control system function flow chart
学院 课程设计说明书 题目:基于PLC控制的工业机械手 专业:机电一体化技术 班级: 学号: 姓名: 指导老师: 二○一○年十一月三日
摘要 机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可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，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。 通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型工业机械手的设计方案，对其他经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值。 关键词:机械手，气动控制，可编程控制器（PLC），自动化控制。
学院 课程设计说明书 题目:基于PLC控制的工业机械手 专业:机电一体化技术 班级: 学号: 姓名: 指导老师: 二○一○年十一月三日
毕业设计任务书 机电工程系机电一体化技术专业 学生姓名学号 一、毕业设计题目：PLC控制的工业机械手设计 二、毕业设计时间 2010 年11月1日至2010年 11 月 28日 三、毕业设计地点： 四、毕业设计的内容要求： 1、系统的电路原理图。 2、元器件的明细表。 3、毕业设计说明书包含工作原理、系统结构、控制过程、控制流程图机控制程序等，字数不少于6000字。 4、设计格式按照要求完成。 指导教师年月日
毕业设计报告 课题：气动机械手PLC控制系统的设计 系部：电气工程系 专业：机电一体化技术 班级：机电092 姓名：XXX 学号：XXXXXXX 指导老师：XXXX 2011．3
江苏信息职业技术学院毕业设计报告 目录 摘要 (3) 第一章机械手的简介 (4) 1．1 概述 (4) 1．2 机械手的组成 (4) 1．3 机械手的应用 (4) 1．4 机械手应用 (4) 第二章机械手机械设计 (5) 2．1 机械手总体结构设计 (5) 2．2 机械手的工作原理 (6) 2．3 机构模块化设计 (7) 2．4 手部结构设计 (8) 第三章机械手机械控制设计 (10) 3．1 工作过程与控制要求 (10) 3．2 气动驱动设计的简述 (11) 3．3 PLC控制系统设计 (12) 结束语 (20) 谢辞 (21) 参考文献 (22)
气动机械手PLC控制系统的设计 气动机械手PLC控制系统的设计 摘要:气动技术具有一系列显著优点，在工业生产中得到越来越广泛的应用，己成为自动化不可缺少的重要手段。进入 90 年代后，气动技术更突破传统死区，经历着飞跃性进展。再者，冲压自动化是解决冲压生产成本及安全问题、提高冲压生产企业效益的必然选择，而冲压机械手是冲压自动化的重要组成部分。但是，目前冲压机械手高昂的价格却使国内众多的中小冲压企业望而却步。 PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在强、通用性好；开发周期短，功耗小。本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。 关键词：意义，应用，原理，plc，机械手，气动控制技术
一、要求 机械手的PLC控制 1．设备基本动作：机械手的动作过程分为顺序的8个工步：既从原位开始经下降、夹紧、上升、右移、下降、放松、上升、左移8个动作后完成一个循环（周期）回到原位。并且只有当右工作台上无工件时，机械手才能从右上位下降，否则，在右上位等待。 2．控制程序可实现手动、自动两种操作方式；自动又分为单工步、单周期、连续三种工作方式。 3．设计既有自动方式也有手动方式满足上述要求的梯形图和相应的语句表。 4. 在实验室实验台上运行该程序。 二参考 1. “PLC电气控制技术——CPM1A系列和S7-200” 书中212页“8.1.3机械手的控制” 2. “机床电气控制”第三版王炳实主编 书中156页“三、机械手控制的程序设计”。 3．“可编程控制器原理及应用”宫淑贞徐世许编著人民邮电出版社书中P168—P175例4.6。其中工作方式时手动、自动（单步）、单周期、连续；还有自动工作方式下的误操作禁止程序段（安全可靠）。 注解： “PLC电气控制技术——CPM1A系列和S7-200”书中212页“8.1.3机械手的控制”例中只有手动和自动（连续）两种操作模式，使用顺序控制法编程。PLC 机型选用CPM2A-40型，其内部继电器区和指令与CPM1A系列的CPM有所不同。 “机床电气控制”第三版王炳实主编书中156页“三、机械手控制的程序设计”。本例中的程序是用三菱公司的F1系列的PLC指令编制。有手动、自动（单工步、单周期、连续）操作方式。手动方式与自动方式分开编程。参考其编程思想。 “可编程控制器原理及应用”宫淑贞徐世许编著人民邮电出版社书中P168—P175例4.6。其中工作方式有手动、自动（单步）、单周期、连续；还有自动工作方式下的误操作禁止程序段（安全可靠）。用CPM1A编程。 这里“误操作禁止”是指当自动（单工步、单周期、连续）工作方式时，按
概要 本文介绍了用PLC S7-200为控制电路主元件，外加电器系统，输入输出电路，构成了整体的实训项目。通过PLC控制机械手来模拟工业生产过程中机电设备的工作原理。工业机械手的任务是搬运物品，要求把物品从一个工位搬到另一个工位，如下图所示。机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制，这样使我们能更近距离地了解工业生产过程。 左移
目录 前言 第一章机械手简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1．1 机械手概念 1．2 机械手总体结构 第二章PLC介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 2．1 PLC发展史 2．2 PLC应用 2．3 PLC特点 第三章汽缸简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 3．1汽缸概念与汽缸分类 3．2汽缸结构与工作原理 第四章相关元气件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 4．1电磁阀介绍 4．2传感器介绍 第五章项目的实施. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 5．1机械手的控制要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .11 5．2机械手总体设计方案. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .11
前言 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。 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。 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。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，生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。 本文将通过西门子PLC控制机械手，PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能。目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展。该系统利用西门子PLC，在步进电机驱动下，完成对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对非正常情况实行自动报警和自动保护，实现企业的机电一体化，提高企业的生产效率。
第一章绪论 1. 1 PLC简介 可编程控制器简称PLC(Progrsmmable Logic Controller, PLC),它是以微处理器为基础服务夫人通用工业控制装置。国际电工委员会(IEC)在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“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储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输出和输入，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。它的程序是可以控制不同的对象。具有更大的灵活性，再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点，它可以方便地应用在各种场合，PLC釆用了典型的计算机结构，主要是山微处理器(CPU)、存储器(RAM/R0M)、输入输出接口(I/O)电路、通信接口及电源组成。 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 PLC的主要特点，可靠性高、抗干扰能力强功能完善、应用领域广编程简单，易学易用系统安装简单、体积小、价格低可编程控制器的应用领域PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛，主要有以下儿个方面的控制，开关量的逻辑、控制模拟量控制、运动控制过程控制、数据处理通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着现代社会计算机技术的提高，网络通讯技术的不断发展，它也将和其他的工业控制计算
基于PLC的工业机械手控制系统设计 摘要 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、搬运、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。 本设计描述了基于PLC的机械手控制系统设计，重点介绍了机械手控制系统中的硬件选择方法，软件的设计过程，以及PLC控制装置的工作过程。 本设计实现了机械手在搬运装配线上，通过S7-200PLC控制机械手完成从A传送带搬运物件至B传送带中，然后进入下一个工作流程。机械手的上升/下降和左转/右转的执行，分别由双线圈二位电磁阀控制气缸的运动实现；夹紧/放松则是由单线圈的二位电磁阀控制气缸的运动来实现。 【关键词】机械手；PLC；电磁阀
Based on plc industrial manipulator control system design Abstract In the field of industrial automation manipulator is often met in a control object. In recent years, with the development of industrial automation manipulator gradually become a new subject, and with the rapid development. Manipulator widely application and forging, stamping, forging, welding, assembling, handling, spray paint, heat treatment, etc. Especially in heavy, high temperature, toxic and dangerous, radioactive, dust and so on bad work environment, manipulator because of its significant advantages by pay special attention to. In a word, the manipulator is to improve the labor productivity, improve working conditions, reduce labor intensity and realize industrial production automation is an important means. This design based on PLC describes the manipulator control system design, introduced the manipulator control system, the hardware selection method, the software design process, and the working process of the PLC control device. The design and implementation of the manipulator in the handling assembly line, manipulator controlled by the S7-200PLC complete conveyor belt carrying objects from A to B conveyor, and then go to the next workflow. The implementation of the up / down and left / right of the manipulator, respectively, to achieve control movement of the cylinder by a double coil solenoid valve; clamp / unclamp cylinder is controlled by a single coil solenoid valve movement. 【Key Words】Manipulator；PLC；solenoid valve
Xinyu University 毕业设计(论文) 基于PLC的机械手控制系统设计 学生姓名:何友良 学号:1201231016 专业:电气工程及其自动化 指导教师:谢富珍副教授 学院:电气与电子工程 江西·新余
独创性声明 本人郑重声明： 所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。其中除加以标注和致谢的地方，以及法律规定允许的之外，不包含其他人已经发表或撰写完成并以某种方式公开过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而作的材料。其他同志对本研究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并表示谢意。 本毕业设计（论文）成果是本人在新余学院期间在指导教师指导下取得的，成果归新余学院所有。 特此声明。 作者签名（手写）：签名日期：年月日 版权使用授权书 本毕业设计（论文）作者及指导教师完全了解新余学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业设计（论文）的复印件和磁盘，允许毕业设计（论文）被查阅和借阅。 作者签名（手写）：指导教师签名（手写）： 日期：年月日日期：年月日
摘要 论文题目：基于PLC的机械手控制系统设计 专业：电气工程及其自动化 学生姓名：何友良 指导教师：谢富珍副教授 摘要 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。 在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。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。 本文主要论述了基于PLC设计的机械手控制系统。首先，对可能用到的可编程控制器进行了相关的介绍，再选择设计所用到的PLC型号。然后，通过对机械手的控制方式及各功能的实现方式进行研究，确定各功能的实现方案和设计控制系统所用到的器材。最后，对PLC控制系统的软件程序和硬件结构进行设计。 关键词：工业自动化；可编程控制器；机械手；远程控制；传感反馈
１．０引言?本文以某物流控制中的机械手控制为例，分析了PLC与步进驱动装置的控制方法,本系统涉及的主要硬件是S７-200 PLC和ＳH－２H０57步进驱动器。 (1）Ｓ7-200 PＬC系列是西门子公司的可编程控制器,这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制要求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令,使得Ｓ7-２00 PＬC可以满足小规模的控制要求。此外,丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。 1台S7－2０0 ＰLC包括一个单独的S7-２0０CＰU,或者带有各种各样的可选扩展模块。S7-200 ＣＰU模块包括一个中央处理单元（CPU）、电源以及数字量Ｉ/Ｏ点,这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。 l CPU负责执行程序和存储数据,以便对工业自动化控制任务或过程进行控制; l 输入和输出是系统的控制点:输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及控也过程中的其他设备； l 电源向ＣＰU 及其所连接的任何设备提供电力; l通讯端口允许将S7－200 CＰU同编程器或其他一些设备连起来；?l 状态信号灯显示了ＣPU 的工作模式(运行或停止),本机I/O的当前状态,以及检查出来的系统错误;?ｌ通过扩展模块可提供其通讯性能; l通过扩展模块可增加CPU的I/O点数(CPU ２21不扩展);?l 一些CPＵ有内置的实时时钟,或添加实时时钟卡;?ｌEEPROM卡可以存储CPU程序,也可以将一个CPＵ中的程序送到另一个CPU中; 2）SH l 通过可选的插入式电池盒可延长ＲAM中的数据存储时间;?l最大I/O配置。?( -2H057驱动器输入信号共有三路,他们是:步进脉冲信号ＣP、方向电平信号ＤＩR、脱机电平信号FREＥ.他们在驱动器内部分别通过2７０Ω的限流电阻接入光耦的负输入端，且电
基于PLC机械手控制系统设计 摘要：工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 一、机械手简介 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 1、机械手分类 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。 2、机械手控制系统设计步骤 根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。(2)分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。在此基础上确定PLC的选型。(3)根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。PLC的用户程序体现
目录 摘要 (2) ABSTRACET (3) 引言 (5) 1 PLC的发展历程和构成 (7) 1.1 PLC的发展史 (7) 1.2 PLC的构成 (8) 1.3 CPU的构成 (8) 1.4 I.O模块 (8) 1.5 电源模块 (9) 1.6 底版和机架 (9) 1.7 PLC系统的其他设备 (9) 2 机械手的组成 (10) 2.1 机械手的发展 (10) 2.2 动力臂的机械构造 (10) 2.3 控制和动力臂的机械构造 (11) 2.4 位置控制系统 (11) 2.5 负载反传系统 (11) 3 机械手PLC的发展历程和构成 (12) 3.1 根据工艺过程分析控制要求 (12) 3.2 确定所需的用户输入/输出设备及I/O点数 (15) 3.3 PLC的选择 (18) 3.4 分配PLCI/O点的编号(定义号) (18) 3.5 PLC程序设计 (18) 4 英文资料 (30) 个人小结 (35) 参考文献 (46)
机械手的PLC控制设计及调试 摘要 机械手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 关键词:点控制机械手连续控制机械手可编程控制技术
毕业论文(设计）开题报告
保持的握力的大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动,机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。(3)可编程控制器(PLC) 可编程控制器（简称PLＣ）:是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换,并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点,同时物理实现也是PＬＣ与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场,输出应放大到工业控制的水平,能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器(CＰU)、存储器（RAM／ＲOM)、输入输出接口(I/O)电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如下图所示：?图2-1 PLC基本结构图 ?当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PＬC 的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如下: (一) 输入采样阶段在输入采样阶段,PLＣ以扫描方式依次地读入所有输入状态和 数据，并将它们存入I／Ｏ映象区中的相应得单元内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化，I／Ｏ映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 (二）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RＡM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功
1.课程设计目的 1.机械手的工作原理 1.1.1机械手的概述 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。 1.1.2 机械手的工作方式 机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。 1、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 2.课程设计题目和要求 机械手顺序动作的要求是： 1) 按下起动按钮SB1时，机械手系统工作。首先上升电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作。 2) 左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作。
电气控制设计 题目：机械手plc控制系统 课程：电气控制及可编程控制器 专业：电气工程及其自动化 学号： 班级： 姓名： 指导教师： 完成日期： 目录 一、任务书.................................................................................. 错误！未定义书签。
二、课程设计报告含输入输出设备清单、主电路.................. 错误！未定义书签。 三、控制流程图.......................................................................... 错误！未定义书签。 四、I/O地址分配表................................................................... 错误！未定义书签。 五、I/O接线图........................................................................... 错误！未定义书签。 六、梯形图及程序说明.............................................................. 错误！未定义书签。 七、指令助记符程序.................................................................. 错误！未定义书签。 八、课程设计总结...................................................................... 错误！未定义书签。 九、参考文献.............................................................................. 错误！未定义书签。 一．任务书 （一）、课程设计的目的和要求
第三章 PLC控制流程图设计 3.1 PLC 选型及I/O分配点 基于PLC的机械手运动控制设计中所用到17个输入点，6个输出点分别对机械手的各种动作进行控制，其I/O分配表如下: 输入输出 SQ1 下限位I0.1 YV1 下降Q0.0 SQ2 上限位I0.2 YV2 上升Q0.2 SQ2 右限位I0.3 YV3 右移Q0.3 SQ4 左限位I0.4 YV4 左移Q0.4 SB1 上升I0.5 YV5 夹紧Q0.1 SB2 左移I0.6 YV5 原味指示灯Q0.5 SB3 松开I0.7 M1.4 回原点开始步第一种情况 SB4 下降I1.0 M12.2 回原点开始步第二种情况 SB5 右移I1.1 M1.0 回原点开始步第三种情况 SB6 夹紧I1.2 M0.5 原点标志 T37 2秒I1.3 M0.0 初始步 T38 2秒I1.4 M0.6 转换标志 T39 2秒I1.5 SM0.0 启动步 SA1 手动I2.0 SA2 回原点I2.1 SA3 单步I2.2 SA4 单周期I2.3 SA5 连续I2.4 SB7 启动I2.6 SB8 停止I1.7 表3-1
3.2 PLC选型 介于I/O分配点为17个输入6个输出点，I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据，选用西门子S7-200 PLC，S7系列PLC分为S7-200小型机、 S7-300中型机、S7-400大型机。S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型机，其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛。S7-200 CPU的类型发展至今，大致经历了两代，第一代产品，其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同配置的CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，本书不介绍该产品。第二代产品，其CPU模块为CPU 22X，主机都可进行扩展，它具有五种不同配置的CPU单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226和CPU226XM，除CPU 221之外，其它都可加扩展模块，是目前小型PLC的主流产品。该实验我们采用的是CPU226型PLC，其增加了通信口的数量，通信能力大大增强，可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。CPU 226具备了24个输入点和16个输出点，能够满足设计需求。设计中的选用的电源为交流220V输入，而输出为直流24VDC晶体管型。为保证PLC安全，在安装和拆除S7-200之前，必须确认该设备的电源已断开。 3.3 PLC S7-200的工作方式和工作过程 S7-200有两种操作模式：停止模式和运行模式。CPU面板上的LED状态灯可以显示当前的操作模式。在停止模式下，S7--200不执行程序，可以下载程序和CPU组态。在运行模式下，S7-200将运行程序。S7-200提供一个方式开关来改变操作模式，可以用方式开关（位于S7-200前盖下面）手动选择操作模式：当方式开关拨在停止模式，停止程序执行；当方式开关拨在运行模式，启动程序的执行；也可以将方式开关拨在TERM（终端）（暂态）模式，允许通过编程软件来切换CPU的工作模式，即停止模式或运行模式。如果方式开关打在STOP或者TERM模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会自动进入STOP模式。如果方式开关打在RUN模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会进入RUN模式。
基于PLC的机械手控制系统 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一(张志献，2002)。新世纪，生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的牛产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故(杨永清等，2008)。 在机械工业中，机械手的应用具有以下意义。 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。 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。同时，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。 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。 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术也越来越高，工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。对于机械手的研究国内外的水平不一，但代表当今最先进的技术在日本，他的自动化，人性化令人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合各种尖端技术的现代机器。我国也陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化水平有待提高，只相当于世界先进技术在八十年代的水平。随着工业现代化的发展，机械手技术也随之提高，发展的趋势是工作强度高，灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能，使人只作平时的简单的维护，这也是现代工厂的发展趋势。 目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有
基于PLC控制的多轴机械手设计方案 目前世界高端工业机械手均有高精化、高速化、多轴化、轻量化的发展趋势。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，以减轻劳动强度，改善作业条件。随着社会生产不断进步和人们生活节奏的不断加快，机械手在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能得到广泛的运用。可编程序控制器（PLC）是工业控制中应用最广泛最可靠的控制器。本项目通过对机械手的组装和 PLC 系统的编程，实现多轴机械手可靠稳定的搬运工件。通过本项目的研制，研制人员提高了自主动手能力，掌握机电一体化综合设计技能，学习和掌握 PLC 语言的编写，且借此可以了解学习国内外机械手的发展水平。 1 总体部分 如图 1 所示，本项目研制的机械手教学实训设备的总体结构由机械部分和电气部分组成。 图 1 PLC 多轴机械手总体结构图 1.1 机械部分
机械手的机械部分总体结构由夹持部分、传动机构和旋转机构所组成。（1）夹持部分使用机械夹手与真空吸盘相结合的结构夹持工件，可根据被夹持工件的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头和真空吸盘，以适应操作。真空吸盘一般用橡胶制造，主要作用是将工件吸合便于搬运，最大限度的保护工件的外观，还具有易使用、零污染等优点；（2）传动机构由 XY 轴滚珠丝杠副组成，滚珠丝杠副传递力矩，完成工件在 XY 轴方向上的往复运动，其利用滚珠运动的原理可以具有较高的重复精度，实现运动的微进给，从而保证更准确的将运送工件至指定地点；（3）旋转机构 Z 轴由底座和机械手所组成，旋转机构扩大了机械手的动作范围，提高了机械手在搬运过程中的灵活性。 1.2 电气部分 PLC 控制多轴机械手电气部分主要由变压器，步进电机驱动器，直流电机驱动器，PLC 主机模块，控制面板等部分组成。（1）变压器作用是把 220V 的交流电压转换为电机与 PLC 工作的 24V 直流电压；（2）X 轴 Y 轴直线运动由步进电机实现，步进电机能够达到比较高的重复定位精度。步进电机驱动器将输入的电信号（或者脉冲信号）通过模数处理，转变为电机的步进运动与增量位移，控制机械运动；（3）机械手有两个旋转动作，分别是抓手轴的正反旋转和旋转底盘 Z 轴的正反旋转，其动作由直流无刷电机带动，可回旋 360°，无刷直流电机的驱动器采用 24V 直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护等特点；（4）
山西机电职业技术学院 毕业综合实践报告 题目：机械手PLC控制系统的组态仿真模拟 学生姓名段艳荣 学院名称山西机电职业技术学院 专业电气自动化技术 学号28140105 指导教师李潞生 电子电气工程系 二O一一年三月二十日
公司简介 立中车轮集团控股有限公司于2004年6月10日在新加坡注册成立，注册地址为哥烈码头10号海洋大厦19-08号。公司在中国下设六个子公司，分别为保定市立中车轮制造有限公司、秦皇岛戴卡美铝车轮有限公司、天津立中车轮有限公司、天津戴卡轮毂制造有限公司、天津那诺机械制造有限公司及内蒙古立中霍煤车轮有限公司。立中车轮集团控股有限公司于2006年10月在天津滨海新区设立天津车轮项目，项目总投资7.8亿元，注册资本2.6亿元，占地285，000多平方米（427亩）土地。项目分三期建设。计划于2011年前达成年产500万只铝合金汽车车轮的规模，项目建成后立中车轮控股有限公司的年产能将达到1060万只，将成为中国最大的汽车铝合金车轮制造厂商之一。 天津戴卡轮毂制造有限公司是立中车轮集团和中信戴卡强强联合的结晶（天津车轮项目一期工程）。地处于面积达2，270平方公里，继珠江三角洲、长江三角洲经济发展区之后的环渤海经济发展区（天津滨海新区）。 公司成立于2007年10月23日，建筑面积41712m2，投资方共有4家，分别为：中信戴卡轮毂制造股份有限公司、立中车轮集团、天津立中车轮制造有限公司、澳门瑞智投资有限公司；企业注册资本为6000万元人民币，项目总投资为15000万元人民币，专业从事设计，制造，销售汽车铝合金车轮产品，现集团公司产品有1400余种从12in～26in的电镀和喷涂铝合金车轮，销售区域广阔。 公司现有员工750余人,设计产能为年产200万只,并已全面投入生产。公司一直秉承“立中车轮、追求完美、服务用户、奉献社会”的经营方针，本着“诚信、勤勉、合作、发展”的公司理念，在强化内部管理，不断开发新品种的基础上，为用户提供优质的售前、售中、售后服务。