中文摘要
摘要
随着工业生产自动化程度的不断提高，工业机械手在生产现场的流水线中扮演着越来越重要的作用，已经成为现代化工业生产中不可缺少的重要环节。
本文基于PLC控制和计算机监控的相关理论，根据工业机械手的控制要求，完成了其运动控制设计以及组态监控系统构建，对控制系统的总体构造、控制流程以及构成系统的各个模块的功能和控制方式进行了研究。
整个系统由控制器、驱动模块、执行部件、机械部件、传感器以及上位机组态监控系统组成。系统的控制器采用了三菱公司的FX2N系列PLC；系统的驱动模块由伺服电机驱动器和气压驱动两部分组成；执行部件分别为伺服电机和气缸；机械部件包括基座、滚珠丝杠和导向支撑部件等；监控部分由安装有组态王软件的个人计算机构成。
本论文的主要工作侧重于对机械手的运动控制设计以及上位机组态监控系统设计。控制方面的工作有：对系统前后端控制电路的设计，该部分用于传感器信号采集以及控制面板上按钮信号采集；对软件控制流程的制定和控制程序的编写，该部分使得系统能够按照控制要求以手动和自动两种方式进行工作；驱动模块和执行部件的参数计算和设置，包括对伺服电机的选型、伺服放大器的减速比以及电子齿轮比等控制参数的计算和选取、伺服放大器与PLC 的连接方式、气压驱动方式中的中间继电器、电磁阀和气缸相互的控制接线等。
另外，监控系统设计方面的工作主要包括MCGS的设备配置和通信参数设置、监控画面的设计、动画连接、数据库的构建、命令语言的编写等。PLC 采集的现场信号及输出信号的状态变化通过MCGS内构建的数据库实时更新，将机械手的运动状况实时地监控画面上进行显示。
通过上述工作，机械手最终能够按照控制程序的要求进行运动，并且实现了上位机监控系统对本机械手的直观形象观测，达到了本论文的设计目的和要求。
关键词:PLC，机械手，控制系统，组态监控
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英文摘要
Abstract
With the development of economy and automation,industry manipulator has been playing an important role in the assemble line of manufacturing site,which make it an necessary part in modern industry productiong.
In this paper, according to the control target: the performance of a manipulator, a design for both manipulator motion control and a monitor system, is demonstrated basing on the theory of PLC control and computer monitoring. The structure of the whole system, system control flow, and the functions and control methods of all the modules are also given.
The whole system consists of controller, drive module, actuating parts, mechanical part, sensors and computer monitoring system. Mitsubishi PLC was chosen as the controller of the system, drive module contains servo drive part and pneumatic drive part; actuating parts includes servo motor and cylinder; the ball screw and guide supporting portion constitute the mechanical part; monitoring system is made up of PC with King View monitor software installed.
This paper focuses on the manipulator motion control and host monitoring system, as for the motion control part, front-end and back-end circuit designs that are used to control the input of the control panel and sensor signal and the output of the PLC control signal are presented, establishment of software control flow and programming for the optional operation of manual and automatic are elaborate, besides, drive models and actuating part settings such as the calculation and selection of server motor type, reduction ratio and electronic gear ratio; connection between server amplifier and PLC; connection between solenoid valve and cylinder in pneumatic driving and the related control lines connections and so forth are also demonstrated in this section.
In addition, the monitoring system is composed of device configuration, communication parameters settings, design of monitoring screen, animation connection, database construction, and programming. The database uploads the change of the field signal and the output signal of PLC, and displays the movement status of the manipulator on monitoring screen in real time.
In conclusion, the manipulator can practice under the requirements of the control program, and implement the visual image observation with the host monitoring system.
Key words:PLC, manipulator, control system, monitor
II
目录
目录
第1章绪论 (1)
1.1 机械手研究意义 (1)
1.2 机械手的发展 (3)
1.3 机械手组成和分类 (5)
1.3.1 机械手组成 (5)
1.3.2 机械手分类 (5)
1.4 机械手国内外研究现状 (6)
1.4.1 国外研究现状 (6)
1.4.2 国内研究现状 (8)
1.5 课题研究目的、研究思路及主要内容 (10)
1.5.1 研究目的 (10)
1.5.2 研究思路 (10)
1.5.3 研究的主要内容 (10)
第二章系统总体设计方案 (12)
2.1 机械手的工艺流程和实现功能 (12)
2.1.1 机械手工艺流程 (12)
2.1.2 机械手实现功能 (13)
2.2 系统总体设计 (14)
2.3理论支撑和分析 (15)
2.4各功能模块概述 (16)
2.4.1上位机监控系统 (16)
2.4.2控制器 (17)
2.4.3驱动模块 (17)
2.4.4执行模块 (18)
2.4.5传感器模块 (18)
第三章控制器设计及参数整定 (19)
3.1硬件系统结构 (19)
3.2控制电路设计 (21)
3.3伺服控制系统 (22)
3.3.1伺服系统概述 (22)
3.3.2伺服系统设计 (24)
3.4气动系统 (27)
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英文摘要
3.4.1气动系统概述 (27)
3.4.2气动控制系统设计 (29)
3.5机械部件 (32)
3.6传感器 (33)
第四章可编程控制器设计 (35)
4.1可编程控制器概述 (35)
4.1.1可编程控制器的发展 (35)
4.1.2可编程控制器的特点 (35)
4.1.3可编程控制器结构 (36)
4.1.4可编程控制器工作原理 (39)
4.2 PLC输入输出设计 (42)
4.3 PLC程序设计 (43)
4.3.1回原点程序 (46)
4.3.2手动操作程序 (47)
4.3.3自动操作程序 (51)
4.4系统运行结果 (53)
第五章组态监控系统设计 (57)
5.1 MCGS概述 (57)
5.1.1系统组态软件的选择 (57)
5.1.2 MCGS的构成 (58)
5.1.3 MCGS的主要特性和功能 (61)
5.1.4 MCGS的编程语言 (61)
5.1.5 MCGS的数据结构 (62)
5.1.6 MCGS的作用 (62)
5.2工程的建立与变量的定义 (63)
5.2.1工程的建立 (63)
5.2.2变量的分配 (64)
5.2.3变量定义的步骤 (65)
5.2.4 设备与变量连接 (66)
5.3工程画面的建设 (68)
5.3.2运行策略的建立及脚本程序的编写 (71)
5.4 动画的连接 (78)
5.4.1 指示灯的动画连接 (78)
5.4.2 机械手的动画连接 (80)
5.5 监控系统调试 (84)
第六章总结 (86)
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目录
附录 (87)
参考文献： (88)
致谢 (89)
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第1章绪论
1.1 机械手研究意义
从国民经济的角度来看，我国目前正在从劳动密集型生产方式向技术密集型生产方式转变，振兴制造业、实现工业化、提高工业生产的自动化和现代化水平是我国现阶段经济发展的重要任务和发展方向。从制造业的发展历程看、生产手段必然要经历机械化、自动化、智能化、信息化的变革。作为现代化生产方式中不可替代的重要准备和实现手段，工业机器人的应用和普及自然成为较为理想的选择。作为工业机器人的重要分支的工业机械手，具有十分重要的研究意义。
工业机械手对于社会生产的各个方面都有重要的意义，在传统的制造业中，如汽车制造业、电器制造业、塑料加工业、机械制造、采矿、冶金、石油化工等领域；现阶段的核能利用、航空航天、医药、生化等科技领域，工业机械手都在发挥着举足轻重的作用。
汽车行业和零部件加工行业是工业机械手应用的两个领域。有资料显示，有超过50%的工业机器人应用在汽车领域，工业机器人在汽车工业内主要完成弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛研磨抛光等复杂作业。虽然工业机器人的应用领域越来越广，但是汽车行业仍然是工业机器人的主要应用领域。
目前中国的汽车工业处在一个发展的黄金时期，在国家的政策支持和拉动内需的大环境下，2009年我国汽车总产量达到1379万辆，销售为1394万辆，产销量居世界第一。由于巨大的市场潜力，未来的中国汽车市场，将依然保持着良好的发展趋势，并且由于我国的地区发展格局，东中西部的发展状况有差，这也在一定程度上延长了汽车工业的发展期。因此，我国汽车工业将是未来国民降级增长中极为重要的部分，这也对汽车制造装配提出了更高的要求，作为在其中发挥举足轻重作用的工业机械手，其装配数量、使用密度、技术水平将会对我国汽车产业产生举足轻重的作用。
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第一章绪论
零部件加工是工业机械手应用的另一个主要领域。随着我国产业结构调整不断升级和深入，国际制造业中心开始向中国转移。在“柔性制造系统”、“自动化工厂”和“计算机集成制造系统”中，工业机器人已经成为其重要的自动化工具。“柔性制造”正事机器人技术成为未来制造业需求的关键技术的原因所在：因为工业机器人本身是可编程的，它可以根据不同的生产需求，改变为所需要的工艺流程，从而实现柔性化生产。机器人在生产中可以通过信息平台管理来满足客户的需求，令企业大袋最佳的竞争力，从技术来讲，机器人是生产线上必须的角色，是制造业迎接挑战的关键。
从企业角度来看，随着国民经济的快速发展，我国的生产技术水平不断提高，同时，过去的劳动力成本脸颊的时代也慢慢翻过，因此国企在新的环境下要获得长久的发展，就要不断实现降低工人的劳动强度、改善工人的劳动条件、提高产品质量，以使得企业的生产效率不断提高。工业机器人的出现，加上其在自动化生产线中的重要作用，使得企业的竞争力大大增强，同时也给用户带来了显著效益，随着企业自动化水平的不断提高，机器人自动化生产线的市场肯定会越来越大，将逐渐成为自动化生产线的主要形式。机械手是工业机器人的一个重要分支，因此研究和发展继续携手具有很大的现实意义和经济意义。
（1）减少人力投入，降低生产成本
应用机械手代替人手进行工作，可以减少人力资源方面的投入，同时由于应用机械手可以连续工作性，在工作强度和时间长度上提高很多；另外，由于减少了人工操作，也降低了用于人员的管理成本，此外，采用机械手进行生产活动，产品的废品率低、生产效率高、品质稳定、污染小，实现更准确地生产控制。
（2）可以改善劳动条件，避免人身伤害
在各种恶劣的生产环境，如高温、高压、易燃、易爆、强噪声、有放射性或有其它毒性污染等场合中，由人工进行作业具有很大的危险性，工业机械手的出现很好地解决了此问题，利用机械手可以代替人工操作，很大程度上改善了工人的劳动条件；另外，在一些机械性、重复性的劳动操作中，以机械手代替人进行工作，可将工人从繁重、单调的重复性劳动中解放出来，同时也可以避免由于疲劳操作或疏忽而造成的人身伤害，很大程度上降低了工伤事故率。
（3）可以提高生产过程的自动化程度
将机械手装配于工业生产线，实现了材料和工件传送的快速化和精确化，
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是工作系统的自动化程度得以提高。
在这样的背景和趋势下，我国的工业机器手发展面临一个空前的发展机遇，工业机器手市场会迅速扩大，无论是从其数量上还是其技术要求上，都会有全新的、更高层次的要求，这对于我国的工业机械手产业来说,是一个巨大的挑战，同时也是我国机械手发展的一个良好契机。因此发展具有自主产权的、技术先进的工业机械手，对于我国国民经济的发展及相应的产业层次提升具有十分重要的意义。
1.2 机械手的发展
机械手是一种模仿人手和臂的某些动作功能,按预定程序吸附、搬运物件或操作工具的自动操作装置，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。机械手是最早出现的工业机器人，是机器人领域的一个重要分支。如今机械手在社会生产中的各个领域都有很高的应用率，其应用规模和技术水平是考量一个国家自动化水平的重耍指标。
机械手的研制开始于二十世纪中叶，特别是1946年第一台数字电子计算机问世后，计算机技术以惊人的速度发展着，CPU的处理速度不断变快、存储容量不断加大，同时价格却越来越低。而且，伴随着生产业的大发展，大批量和快速性的生产需要推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础、创造了动力；另一方面，核能技术也在取得快速进步，也迫切需要采用机械操作代替人工进行放射性物质的处理。
在这样的需求背景下，美国率先开始了机械手的研究。1954年,美国的戴沃尔率先提出了工业机器人的概念，并申请了专利。工业机器人按照时间的发展可分为三代，第一代为示教再现型机器人，它主要由机器手控制器和示教盒组成，可按预先引导动作记录下信息重复再现执行，不具备信息反馈功能，1962年美国的UNIMATION公司推出的“UNIMATE”，可以实现伸缩、回转和俯仰运动，采用的驱动方式是液压驱动，这是机器人产品最早的实用机型，标志着第一代机器人的产生。第二代工业机器人为感觉型机器人，该类型工业机器人的特点是传感器的运用，使机器人具有了对外界信息进行反馈调整的功能。1965年约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出了“Beast”机器人，
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第一章绪论
该机器人能根据环境的变化，通过声纳系统、光电管等装置实现对自己位置的校正。从20世纪60年代中期开始，美国和英国大学的一些实验室兴起了研究带传感器的第二代机器人的热潮。第三代工业机器人为智能型机器人，它具有感知和理解外部环境的能力，能够理解指示命令和感知环境，并且能够识别对象，可以规划自身程序来完成预定任务，1968年，美国斯坦福研究所研发成功了机器人“Shakey”，该机器人安装有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大，但“Shakey”机器人依然可以算是世界第一台智能机器人，并且，机器人领域由此拉开了第三代机器人研发的序幕。
我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，大致经历了三个发展时期：70年代的萌芽期,80年代的快速发展期和90年代的投入实用期。70年代受很多因素的影响，发展速度缓慢，水平很低；从80年代开始，在国家政策的扶持下，特别是在“七.五”科技攻关中将工业机器人列入了发展计划，通过科研人员的大力科技攻关，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人，取得丰硕成果。从90年代开始，随着国家高技术研究发展计划“863计划”开始实施，经过努力，开发出了 7种工业机器人系列产品，102种特种机器人，实施了 100多项机器人应用工程。在90年代末期，我国分别新建了 9个机器人产业化基地和7个科研基地，包括有新松机器人公司、博实自动化设备有限公司、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心、海尔机器人公司等。
产业化基地以及研究机构的建立，使得工业机器人的研究有了宽广的平台。经过从业人员的努力，目前我国己经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊、点嬋机器人、搬运码垛机器人等产品，其中一些品种实现了小批量生产。
另外在产业化进程方面也取得了不小的进步，一批企业根据市场及自身发展的需求，采取与科研单位或者高校进行合作科研的形式，进行相关工业机器人的开发，同时实现其产业化生产。如奇瑞汽车与哈工大合作研究的点垾机器人、西安北村精密数控与哈工大合作开发的机床上下料搬运机器人，都实现了产业化生产；昆山华恒与东南大学等合作开发的弧焊机器人、盐城宏达开发弧焊机器人、广州数控开发焊接机器人等都取得了良好的效果。
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1.3 机械手组成和分类
1.3.1 机械手组成
现代工业机械手一般由控制器、驱动模块、执行机构、位置检测传感器等部分组成。其中控制器是机械手系统的核心，它对整个系统的运行起控制决策作用，其主耍功能是按照程序要求控制各种驱动设备和执行机构，驱动工业机械手按照预定的动作要求完成相应的动作；驱动模块由动力源和辅助装置组成，作为执行机构的驱动源，为工业机械手的运动提供动力来源。目前较为普遍的驱动方式有电力方式驱动、液压方式驱动、气压方式驱动和机械方式驱动；执行机构完成机械手的执行动作，目前机械手较为常用的执行机构有手抓、夹钳和吸盘等；位置检测传感器主要用于检测机械手的位置，并将位置信息实时反馈给控制器，构成闭环控制系统，能实现较为精确的定位。
常用的机械手控制系统的组成如图1-1所示。
图1-1机械手系统组成
1.3.2 机械手分类
关于工业机械手的分类，在国际上尚无统一的标准，在国内暂时按驱动方式、手臂坐标、使用范围对工业机械手进行分类。若按照驱动方式进行分类，机械手可以分为液压传动机械手、气压传动机械手、电力传动机械手、机械传动机械手。
(1)液压传动机械手。液压传动的工作原理是以液体为介质，利用其压力进行能量的传递和控制，基于流体力学的Pascal原理，通过静压传递动力的。
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第一章绪论
液压传动的特点是输出功率较大，具有很大的力矩，并且启动制动方便迅速，惯性小，运动较为平稳；缺点是对装置的密封性要求很高，若在工作过程中工作液油泄露，会造成很大的传动误差和污染，并且由于液油对温度的敏感性，不适宜在对高温或者低温的环境下工作。
(2)气压传动机械手。气压传动是以压缩气体为工作介质，依靠气体的压力传递动力或信息的流体传动技术。气压传动机械手的工作原理是由空气压缩机压缩空气，经由管道和控制阁送给气动执行元件，一般为气缸，实现将压力能转换为机械能。主要特点是结构简单、动作迅速成本低且无污染，缺点是机械手的工作稳定性较差，抓取力较小，适合应用高速度和小负载的工作环境。
(3)电力传动机械手。电力传动机械手是以电力作为驱动源来驱动执行机构的一类机械手。最为常用的驱动设备和执行机构为电机，如直流电机、交流电机等，该类型的机械手具有响应速度快、可靠性高、控制精度高、维护与使用方便等特点。
(4)机械传动机械手。机械传动机械手是利用机械传动机构驱动执行机构的一类机械手。常用的机械传动机构有凸轮、连杆、齿轮和齿条等，该类型机械手的主要特点是控制精度高、运动可靠性好。
按照上述的分类情况，本机械手属于电力传动和气压传动相结合型的机械手。
1.4 机械手国内外研究现状
1.4.1 国外研究现状
在地区分布现状：美国是机器人的诞生地，并且每次机器人的更新换代，都是以美国的机器人产品为导向的，经过半个世纪的发展，目前依然是世界上机器人技术最先进的国家之一，凭借其全面和先进的技术、良好的适应性等特性，美国的机器人技术一直处在世界领先水平。
曰本素有“机器人王国”之称，其机器人的数量和密度都是世界第一的，上世纪80年代至90年代，日本的机器人进入全盛时期，从90年代中后期，
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日本机器人的发展进入低潮期，世界机器人的发展中心向北美和欧洲转移；21世纪以来，伴随着中国和亚洲一些国家对于机器人的巨大需求，日本机器人的发展重新焕发生机，将迎来一个新的发展阶段。
德国、法国和英国是欧洲三个最大的机器人市场，目前德国的机器人数量仅次于日本，居世界第二位。德、法、英的工业机器人的发展，政府的引导和促进发挥了重要作用，政府规定，在有毒、有害、危险的工作场合，必须由机器人来代替普通人进行工作，另外由于较高的技术水平和较少的人口，这些都成为欧洲工业机器人发展的良好背景。近些年来，意大利、瑞典、西班牙、芬兰、丹麦等国家的机器人市场发展十分迅速，使得欧洲成为和美国、日本并列的三大机器人中心。
在研究内容方面，各个组成模块都有新的发展方向，对于工业机械手的控制器，主耍研究控制技术和控制方式的开放化和网络化；对于机械手的机械结构，研究重点是模块化、微型化、标准化和具有可重构性；对亍机械手的传感器模块，重点是研制新型的、更精确的传感器，并发展多传感器的融合技术，目前己有成熟应用的产品；对于机械手的伺服模块，研究重点是伺服驱动技术的数字化、集成化和分散化。
再者，随着应急响应、灾难控制、环境监测等场合对机器人的需求不断增大，机器人与环境的交互成为机器人领域的又一研究热点。该方向的研究是追求系统的全部自治，表现在图形识别，路径规划和自主导航的功能。机器人通过相应的传感器对环境进行数据收集，机器人根据采集到的外部信号以及信息进行数据处理，得到可以与对图像进行匹配的有用信息，诸如物体外形轮廓、关键特征点等，通过有尺度不变特征转换法和更为有效的傅里叶描叙子法，最后将得到的特征信息与机器人的数据特征库进行匹配，进行对象识别。
另外，虚拟现实技术也成为机器人发展的一个研究方向，目前在过程控制方面取得不小的进展，其原理是使操作者获得置身于远程机器人所在环境中的感觉，根据此感觉信息远程控制机器人完成相应任务，其目的是实现操作者和机器人的人机交互，而不是追求系统的全部自治，通过建立监视控制系统来完成作业功能，这个方面最为典型的应用便是美国发射的火星机器人“索杰纳”号，如图1-2所示。
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图1-2 美国"索杰纳"号火星机器人
1.4.2 国内研究现状
我国现有的机器人研究机构和相关单位已经超过200余家，其中，从事工业机器人研究及其产业化发展的超过80家。目前这些科研机构和单位已经能够基本掌握控制系统的硬件构造原理及实现、软件算法设计、运动学和运动轨迹规划等，开发出的工业机器人中有90%以上用于生产实际之中，根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势预测，到2015年，我国机器人市场容量将达十几万台套。
2006年我国市场上的工业机器人台数为17327台，2007年为23908台，2008年为达到31787台，截止到2009年末，我国已拥有377312台工业机器人。
虽然我国对于工业机器人的数量有刚性的需求，但是国内生产的工业机器人无论是在产品的性能、技术水平以及规模产业等方面与国外还存在着较大的差距。究其原冈，一方面是因为我国在发展工业机器人过程中，忽略了与企业相结合，导致很难结合实际进行研发，实用性方面较差；另一方面是我国关于工业机器人的研究方法和研究策略，一直走的是引进和学习外国的技术，然后在此基础上做开发和研究，这样就造成自主创新技术和创新意识的缺乏，很大程度上制约了我国工业机械手产业的发展。现阶段，我国的基础制造业仍然是国民经济中很薄弱的环节，几乎没有自己的工业机器人品牌，虽然国内的机械手的数量在不断增加，但是自主研发的工业机械手在质量和技术上和国外先进水平还有很大的差距。
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为了能实现自主研制具有高性能、高水平的工业机械手产品，国家正在逐步加大对工业机器人的重视程度，不断加大宣传的力度，提供多种形式的优惠政策，鼓励研究机构、高校和企业共同研发、发展工业机器人，以期实现本国工业机械手的产业化、普及工业机械手在我国现代工业中的应用；以生产实际的需要为主体，以产学研为主耍的发展模式，密切关注社会以及生产实际对工业机器人的需求的变化和更新；以市场需求为导向，重点攻关一些具有核心竞争力的产品；在科研方面，对发展工业机器人专门立项，解决工业机器人中的具有核心竞争力的关键技术，加速我国机器人迈向产业化的步伐。
2009年，ABB 在中国本土研发的首款机器人核心产品“IRB120”中国龙正式发布。这是彼时世界上速度最快和精度最高的六轴小型机器人。这款机器人小巧灵活，自重仅有25千克，但是工作能力位居业内领先水平，它的工作范围可达580毫米，每公斤物料拾取节拍仅需0.58秒，重复定位精度高达0.01mm ，如图1-3所示。
2011年，ABB 在华团队研制出全球最快码垛机器人IRB 460，主要用于生产线末端进行高速码垛作业。IRB460的操作节拍最高可达2190循环/小时，运行速度比同类常规机器人提升了 15%，作业覆盖范围为2.4米。同时，其占地面积则比一般码垛机器人节哲20%，更适用在狭小的空间内进行高速作业，如图1-4所示。
图1-3 IRB120 图1-4 IRB460
第一章绪论
1.5 课题研究目的、研究思路及主要内容
1.5.1 研究目的
本文研究的机械手控制系统，要求在流水线、抛光机和装箱线之间进行动作，用以实现抓取工件在此三个工位之间的位置转换，实现工件的运送、抛光和装箱的动作，可以采用手动控制方式和自动控制方式进行；另外，要求在上位机采用组态进行监控，方便工作人员不在生产现场也可观测到机械手工作的实际运行状况。
1.5.2 研究思路
本文设计的系统属于机电一体化系统的一种，结合了 PLC控制、气动控制、伺服电机控制、机械技术、传感器技术、组态监控等多方面的技术。依照本系统的控制要求，计划采用如下方式进行系统设计：
(1)根据系统的控制要求，分析计算PLC的输入和输出口的数量，确定PLC 的选型；再根据控制要求确定系统的控制流程。
(2)分析系统的结构和精度要求，确定硬件系统选型和具体参数设定。如基座、导轨、滚珠丝杠、伺服驱动器和伺服电机、气压系统选型等设备的参数计算和设定。
(3)按照控制流程和硬件结构，编写PLC的控制程序。PLC控制程序是实现系统控制功能的核心，输入量经PLC程序运算，输出端口的输出量控制硬件设备以实现执行部件动作。
(4)监控系统构建。为能实现在上位机的监控，需要在监控系统中迸行数据库的构建和监控画面的设计，根据PLC的输入和输出量，构建组态软件中的相关变量，实现数据的实吋交换。
(5)进行画面的调试和程序的修改，以期达到更好效果。
1.5.3 研究的主要内容
本课题主要的研究内容大致如下：
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(1)本机械手系统的设计方案的提出。分析了组成机械手控制系统的各个模块以及各自的功能，据此设计出总体设计方案。
(2)控制器的选用以及机械系统构造的设计。研究了三菱PLC的功能以及控制方法；机械设计部分主要分析了支撑部件和滚珠丝杠的选型。
(3)驱动和执行部件设计。伺服驱动系统研究了伺服电机以及伺服放大器的功能，用于控制机械手横轴和纵轴的移动；气动驱动系统的气缸控制，用于控制机械手竖轴的移动和吸附动作，分析设计了硬件设备的参数计算和选取、与PLC的接线方式等。
(4)PLC控制系统的软件设计。主要包括PLC的选型、PLC与驱动设备之间的连接以及I/O 口分配、控制程序流程图以及PLC控制程序的编写和调试等工作。
(5)组态监控系统的构建。主要研究了上位机组态与下位机的通信调试，组态王数据库的建立，数据变量与现场数据的对应关系建立、组态画面的构建、控制按钮的设计、命令语言的编写等。
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第二章系统总体设计方案
第二章系统总体设计方案
本章主要阐明了本机械手控制系统的工艺流程和实现功能，并由此提出了总体设计方案，且对组成系统的各个模块及其相应的功能作了概述，另外对于应用到的相关理论知识也作了简要阐述。采用模块化的思想进行系统构建，发挥各个模块的优点，可以实现高效和集成化程度高的系统建立，对工程人员实现较优化的控制有重要意义。
2.1 机械手的工艺流程和实现功能
2.1.1 机械手工艺流程
本设计耍求在流水线、抛光机和装箱机之间设置一个机械手，用以完成工件在三个工位之间的空间位置转换。根据系统的控制要求，机械手能够以手动和自动两种方式完成工件的搬移工作。
对于手动控制方式，按照点动的方式进行，手动控制按钮有“手动右移”、“手动左移”、“手动前进”、“手动后退”、“手动上升”、“手动下降”、“手动吸附”和“手动松开”，按下相应的按钮，机械手分别执行机械手臂X轴右移、X轴左移、Y轴前进、Y轴后退、Z轴上升、Z轴下降、吸盘吸附、吸盘松开动作。另外还有“自动/手动”按钮，用以选择系统的控制方式，按下时为自动控制方式，未按下时为手动控制方式。
对于自动控制方式，按照时间推移具体动作顺序如下：
(1)等待接收工件到位信号；
(2)横轴移动至XI，纵轴移动至Yl，竖轴下降至Z2，启动吸附；
(3)机械手从流水线将工件取下；
(4)竖轴上升至Zl，横轴移动至X2，纵轴移动至Y2，竖轴下降至Z2；
(5)松开工件，机械手将工件放置到抛光机上；
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(6)竖轴上升，启动抛光，机械手进行抛光等待；
(7)抛光完成信号置位；
(8)竖轴下降，吸附工件；
(9)竖轴上升至Zl ，横轴移动X3，纵轴移动Y3，竖轴下降至Z2，松开工件；
(10)竖轴上升，X 回原点，Y 回原点。
上述1-10为一个动作循环。
在本文中用X 轴表示横轴，Y 轴表示纵轴，Z 轴表示竖轴；如此在X 轴上有XI 、 X2、X3三个工位，在Y 轴上有Yl 、 Y2、 Y3三个工位，在Z 轴上有Z1和Z2两个工位，吸盘装置有吸附和松开动作。X 轴上的行程为900mm ， Y 轴上的行程为600mm ， X 轴驱动采用伺服电机驱动，Y 轴采用直流电机驱动，机械构件采用滚珠丝杠，Z 轴的行程为300mm ，采用气缸驱动。
机械手各个工位的俯视图如图2-1所示，未包含有Z 轴的工位标示。
图2-1 机械手工位俯视图
2.1.2 机械手实现功能
基于上述的控制耍求，本机械手控制系统实现下述功能：
(1)机械手按手动和自动两种方式动作：设计要求机械手可以通过手动和自动两种方式实现控制功能，在手动方式下，用点动的方式进行机械手的移动控制，对应的控制按钮在控制面板之上；在自动方式下，机械手根据编制的自
第二章 系统总体设计方案
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动控制程序实现自动运行，完成工件的抓取、抛光和装箱过程。
(2)上位机监控：设计要求在上位机上构建一个组态监控系统，实时采集机械手现场信号的变化，通过计算机内组态王中构建的数据库与对应变M 实现实时更新，通过设计的画面和动画连接，使现场变化的数据在画面上实时呈现，实现监控功能。
2.2 系统总体设计
在本设计中，将系统分成各个不同的组成模块，通过有机组合实现系统功能。系统大致由以下几个部分组成：上位机监控系统、运动控制模块、驱动模块、执行部件模块、传感器模块等。其中，上位机监控系统通过与现场数据的实时交换，实现对系统的监控功能；运动控制模块主耍用以实现运动程序的控制要求以及发送控制命令，实现对执行部件的控制；驱动模块为各执行部件提供动力；执行模块主耍是为完成作业要求，实现各种运动的机械部件。各模块间的相互关系如图2-2
图2-2 系统个模块 系统由上述几个模块协调工作，共同完成系统的控制任务。控制面板装有自动手动控制方式转换开关、手动控制按钮、停止等按钮。系统的控制核心是可编程控制器，外部信号和控制面板上的幵关、按钮等通过控制电路接入可编
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
PLC课程设计报告题目：基于PLC的机械手控制系统及组态设计 二级学院：电气与电子工程学院 班级： 14电气实验班 姓名：李浩文 学号： 组员： 指导老师： 成绩： 日期： 2017年4月
基于PLC的机械手控制系统及组态设计 摘要 随着21世纪的发展，技术科技的不断完善，人们对于机械手的控制系统运用越来越成熟，机械自动化逐步代替了人工操作，这意味着将解放人类劳动力，一些简单重复的动作将会有机器代替运作，并且在某些场所，例如高温高压，有毒气体以及威胁到人类生命安全的环境。为了适应社会需求的变化，人类不断实践和探索，机械手应运而生，相应的各种难题迎刃而解。 本设计主要介绍了国内外机械手研究现状及可编程控制器S7-200 PLC的研究发展趋势，基于PLC编程可知，组态王可以实现与S7-200编程器相结合，组建简单的仿真界面，通过仿真软件可以清晰的了解到机械手的操作，包括上移、下移、左移、右移。实验表明，由S7-200PLC和Kingview6.55构成的控制系统人机界面简单、易于操作、经济实用、可靠性高、稳定性高。 关键词：S7-200PLC；组态王Kingview6.55；机械手
目录 1绪论 (1) 1.1研究该课题的重要性 (1) 1.2国内外机械手研究现状 (1) 1.3该课题研究的内容 (2) 2组态王Kingview 6.55和可编程控制器的介绍 (3) 2.1组态王Kingview 6.55的介绍 (3) 2.1.1组态王的历史 (3) 2.1.2组态王的结构 (3) 2.1.3组态王的基本配置 (5) 2.1.4组态王软件产生的背景 (8) 2.1.5组态软件的发展方向 (8) 2.2可编程控制器的介绍 (10) 2.2.1可编程控制器的概述 (10) 2.2.2可编程控制器的历史 (10) 2.2.3 PLC的基本结构 (11) 2.2.4 PLC的工作原理 (12) 2.2.5 PLC的基本配置 (12) 3机械手控制系统的设计 (15) 3.1机械手控制方式的选择 (15) 3.1.1机械手控制方式的分类 (15) 3.1.2 PLC与IPC和DCS的比较 (15) 3.2 PLC的控制电路程序设计 (16) 3.2.1 PLC的I/O分配表 (16) 3.2.2编程指令的选择 (17) 3.2.4 机械手的动作实现过程 (19) 3.2.5 PLC控制机械手的模拟工作图 (19) 3.2.6 PLC梯形图设计 (21) 3.3 PLC程序的调试 (30) 3.3.1 PLC控制的安装与布线 (30) 3.3.2机械手控制程序的调试 (31) 4组态王Kingview 6.55在机械手控制系统中的应用 (32) 4.1工程的建立与结构变量的定义 (32) 4.1.1工程的建立 (32) 4.1.2建立结构变量的步骤 (33) 4.1.3设备与组态王的连接 (35) 4.2动画的连接 (38)
设计题目基于PLC的机械手控制系统设计 摘要 【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。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。 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。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
ABSTRACT Manipulator hand and arm can imitate the certain movements function, according to fixed program to grab, transporting or operating tool for automatic operation of the device. It can replace the hard labor in order to realize people the mechanization of manufacturing and automation, can in harmful environment operation to protect the personal safety and so widely used. The type of manipulator, according to drive mode can be divided into hydraulic, pneumatic, electric and mechanical manipulator; According to applicable range can be divided into robots for and general manipulator two; According to the trajectory control mode can be divided into position control and continuous track control robots. The design of the manipulator and add plane rotation type and structure, the action of the manipulator by pneumatic cylinder driving, pneumatic cylinder of the corresponding electromagnetic valve to control, electromagnetic valve controlled by PLC. Drive the implementation of the component finish, can very convenient embedded in all kinds of industrial production line. Manipulator used PLC control, and has high reliability, change program flexible, and other advantages, whether for time control or travel control or mixed control, can be set to realize through PLC program. According to the order of the manipulator action can modify the program, so that more of the manipulator strong generality. Keywords: manipulator electromagnetic valve PLC
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
内容摘要 系统的自动控制部分主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分主要是由步进电机、传感器、继电器等硬件来完成本单元的动作。 软件部分主要运用了CAD、PLC和组态王等软件工具。在这次设计中利用PLC 编程来完成机械手单元整个动作。其中对单元操作进行了分步：如，绘制硬件连线、整个单元的流程图、用CAD软件绘制平面图、用组态王来描述机械手动作的整个过程。本单元只是现场总线的其中一部分，但是它完全体现出了现场总线的优点。 第一章是概述，第二章是在这次设计中所用到的工具软件，第四、五章就是本次设计的重点。通过这次设计，让我更深入的了解了自己所学专业。 由于时间仓促、水平有限，其中有许多不足之处在所难免，敬请老师批评指正，给予多多指导。 关键词：可编程控制器PLC; 机械手; 工作原理
目录 第一章绪论 (2) 1.1 研究意义现状分析及其意义 (2) 1.2 机械手的发展趋势.优点及其应用 (3) 第二章系统设计中的应用软件 (6) 2.1 PLC软件 (6) 2.2 CAD软件 (7) 2.3 组态王软件 (7) 第三章硬件部分 (10) 第四章软件部分 (16) 第五章组态部分 (18) 第六章结论 (22) 致谢 (23) 参考文献 (24)
第一章绪论 可编程序控制器(PLC)已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛的应用。它是以微处理器为核心,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置,它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点;气动技术也是实现工业自动化的重要手段,并且已广泛地应用于各工业部门,在机械产品自动化、工业自动化及企业技术改造方面占有重要的地位。气压传动的介质来自于空气,环境污染小,工程容易实现。机械手在工业自动化生产中得到了很好的利用,它可减少人的重复操作,并且它还可以完成人无法完成的操作,从而大大地提高工业生产效率。 人们一般的理解来看，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机器或机械电子装置。 到目前为止，工业机器人是最成熟，应用最广泛的一类机器人，世界总量目前已经销售110万台，这是1999年的统计，但这110万台在已经进行装备使用的是75万台，这个量也是不小的。总体情况看，日本在工业机器人这一块，是首位的，成为机器人的王国，美国发展也很迅速，目前在新安装的台数方面，已经超过了日本，中国刚开始进入产业化的阶段，已经研制出多种工业机器人样机，而有小批量在生产中使用，这也是整个在日本、美国以及我们国家在工业机器人情况的一些比较。 1.1 研究意义现状分析及其意义 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。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。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。
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。
毕业设计（论文） 题目: 机械手的PLC控制 专业: 机电一体化 班级: 学号: 姓名: 指导老师: 成都电子机械高等专科学校 xxxx年x月
摘要 机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC 主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。 关键词：机械手 PLC 变频器交流电机
Abstract Manipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor, and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines. This paper presents a manipulator by three PLC output pulse, driving horizontal, the vertical axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision, micro-switches position signal transmission will host PLC; location close to the switching signal from the feedback from the mainframe to the PLC, through the exchange of Motor reversion to control the manipulator gripper Zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects, movements flexible, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, According to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters. Key Words: Manipulator PLC Inverter AC motor
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
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
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
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
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
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
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。
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。
基于PLC的小型搬运机械手控制系统设计 目录 (1) 文摘 (3) Abstract (3) 第一章绪论 (4) 1.1机械手概述 (4) 1.2机械手的组成和分类 (4) 1.2.1机械手的组成 (5) 1.2.2机械手的分类 (6) 1.3国内外发展状况.. (7) 1.4课题的提出及主要任务 (8) 1.4.1课题的提出 (8) 1.4.2课题的主要任务 (9) 第二章机械手的设计方案 (9) 2.1机械手的座标型式与自由度 (10) 2.2机械手的手部结构方案设计 (11) 2.3机械手的手腕结构方案设计 (13) 2.4机械手的手臂结构方案设计 (14) 2.5机械手的驱动方案设计 (15) 2.6机械手的控制方案设计 (17) 2.7机械手的主要参数 (18) 2.8机械手的技术参数列表 (19) 第三章手部结构设计 (20) 3.1夹持式手部结构 (21) 3.1.1手指的形状和分类 (22) 3.1.2设计时考虑的几个问题 (23) 3.1.3手部夹紧气缸的设计 (24) 第四章手腕结构设计 (26) 4.1手腕的自由度 (28) 4.2手腕的驱动力矩的计算 (29) 4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩 (29) 4.2.2回转气缸的驱动力矩计算 (30) 4.2.3回转气缸的驱动力矩计算校核 (33) 第五章手臂伸缩，升降，回转气缸的设计与校核 (33) 5.1手臂伸缩部分尺寸设计与校核 (34) 5.1.1尺寸设计 (35) 5.1.2尺寸校核 (35) 5 .1 .3导向装置 (36)
5 .1 .4平衡装置 (37) 5.2手臂升降部分尺寸设计与校核 (37) 5.2.1尺寸设计 (37) 5.2.2尺寸校核 (37) 5.3手臂回转部分尺寸设计与校核 (38) 5.3.1尺寸设计 (39) 5.3.2尺寸校核 (40) 第六章气动系统设计 (41) 6.1气压传动系统工作原理图 (42) 6.2气压传动系统工作原理图的参数化绘制 (43) 第七章机械手的PLC控制设计 (44) 7.1可编程序控制器的选择及工作过程 (45) 7.1.1可编程序控制器的选择 (46) 7.1.2可编程序控制器的工作过程 (47) 7.2可编程序控制器的使用步骤 (48) 7.3机械手可编程序控制器控制方案 (49) 结论 (50) 致谢 (51) 参考文献 (52)