1、 本 科 生 毕 业 设 计毕 业 设 计 题 目 基于 FX2N及组态王的气动机械手监控 学 生 姓 名 * 所 在 学 院 *学院 专 业 及 班 级 测控技术与仪器 指 导 教 师 * 完 成 日 期 年 月 日 *大学本科生毕业设计（论文）摘 要在 工 业 生 产 等 相 关 领 域 内 ， 会 有 一 些 高 温 、 腐 蚀 及 有 毒 气 体 出 现 在 工 作 环 境 中 ，危 害 了 操 作 人 员 的 健 康 ， 增 加 了 工 人 的 劳 动 强 度 。 而 机 械 手 可 以 解 决 这 些 问 题 。机 械 手 可 在 空 间 抓 、 放 、 搬 运 物 体 ， 动 作
2、 灵 活 多 样 ， 从 而 替 代 人 工 操 作 ， 适 用 于 可变 换 生 产 品 种 的 中 、 小 批 量 自 动 化 生 产 。本 毕 业 设 计 任 务 主 要 通 过 PLC 完 成 对 一 个 5 自 由 度 的 机 械 手 模 型 控 制 ， 使 其 完成 一 系 列 的 生 产 动 作 过 程 ， 并 使 用 组 态 王 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 。 设 计 所 使 用 的 机 械 手 系 统 (TVT-99D)是 由 三 菱 FX2N-48MT PLC 主 机 、 机 械 手 (滚 珠 丝
3、 杆 、 滑 轨 )、 Syntron 42BYG250C 步 进 电 机 及 其 驱 动 器 、传 感 器 、 光 电 编 码 器 、 气 动 元 件 等 组 成 ， 可 实 现 机 械 手 的 上 下 移 动 、 左 右 移 动 、 底盘 旋 转 及 手 爪 旋 转 、 抓 放 等 动 作 。 主 要 采 用 了 步 进 顺 序 控 制 及 步 进 控 制 技 术 。 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 。设 计 报 告 首 先 介 绍 了 机 械 手 控 制 方 式 的 选 择 和 所
4、选 择 方 式 的 简 介 ； 其 次 介 绍 了应 用 PLC 设 计 机 械 手 的 步 骤 ； 还 介 绍 了 PLC 机 械 手 的 程 序 调 试 ； 最 后 介 绍 了 应 用 组态 王 对 机 械 手 监 控 的 过 程 ， 包 括 画 面 绘 制 、 数 据 变 量 的 设 置 等 。【 关 键 词 】 : 机 械 手 PLC 滚 珠 丝 杠 步 进 控 制*大学本科生毕业设计（论文）IAbstractIn industrial production and other domains, something like high temperature, corrosion an
5、d poisonous gas appear at workplace, which would increased workers labor intensity and even endangers their health. With manipulator used, those difficult problems can be easily solved. Hand operation can be replaced by manipulator operation, because it can grab, put, move objects flexibly and chang
6、efully. So it can be applied to transform the production of variety of medium and small-volume automated production. The task of the graduation design is to control a mechanical hand model with 5 degrees of freedom by PLC, and use it to complete a series of actions. The KINGVINGis used to monitor th
7、e mechanical hand, and change its movement into animations. The system(model: TVT-99D) I used is composed by MITSUBISHIS FX2N-MT PLC, mechanical hand(ball screw, slide rail), Syntron 42BYG250C step motor and its driver module, sensor, photoelectric encoder ,pneumatic component and so on. It controls
8、 manipulator move vertically or horizontally, chassis or paw rotate, pack-and-place. The design mainly uses stepping sequence control and stepping control technology. The process covers programmable control technology, position control technology, detection technology, which is a typical representat
9、ive of mechatronics.The design report firstly describes how to choose the way to control the mechanical hand and introductions of the ways. Then introduces the design steps. It also introduces program test of the manipulator. At last, the paper introduces the steps of processing and monitoring manip
10、ulator by KingView. 【 Key words】 : mechanical hand PLC ball screw step control*大学本科生毕业设计（论文）目 录一 、 绪 论 .1（ 一 ） 课 题 研 究 目 的 及 意 义 .1（ 二 ） 国 内 外 机 械 手 研 究 概 况 .11.国 内 方 面 .12.国 外 方 面 .2二 、 机 械 手 控 制 方 式 选 择 .3（ 一 ） 机 械 手 常 用 控 制 方 法 .31 控 制 方 式 的 分 类 .32.机 械 手 控 制 方 式 的 选 定 .4（ 二 ） PLC 简 介 .51.PLC 组 成
11、 .52.PLC 的 特 点 .63. PLC 的 主 要 功 能 .64. PLC 的 经 济 性 分 析 .75.PLC 的 应 用 领 域 及 发 展 状 况 .7（ 三 ） 组 态 王 简 介 .81.仿 真 的 基 本 方 法 .82.组 态 王 软 件 特 点 .8*大学本科生毕业设计（论文）（ 四 ） 机 械 手 系 统 介 绍 .101.机 械 手 本 体 .112.步 进 电 机 及 其 驱 动 器 .123.直 流 电 机 驱 动 器 单 元 .174 接 近 开 关 和 限 位 开 关 .185.旋 转 码 盘 .19三 、 应 用 PLC 设 计 机 械 手 的 步 骤
12、 .20（ 一 ） 工 艺 控 制 和 设 计 要 求 .201.具 体 流 程 及 步 骤 .202.设 计 要 求 .21（ 二 ） PLC 程 序 设 计 .221. I/O 点 数 的 确 定 及 PLC 类 型 的 选 择 .222. PLC 的 I/O 分 配 .223.编 程 方 式 及 指 令 的 选 择 .234.PLC 程 序 的 设 计 .25四 、 PLC 机 械 手 的 程 序 调 试 .31（ 一 ） PLC 控 制 的 安 装 与 布 线 .311.输 入 接 线 .312.电 源 接 线 .313.接 地 .32*大学本科生毕业设计（论文）（ 二 ） 机 械 手
13、 控 制 系 统 的 外 部 接 线 图 .33五 、 应 用 组 态 王 对 机 械 手 监 控 过 程 .34（ 一 ） 画 面 绘 制 .34（ 二 ） 数 据 变 量 的 设 置 .35（ 三 ） 组 态 王 与 PLC 的 通 讯 设 置 .35（ 四 ） 实 际 监 控 .36六 、 小 结 .37（ 一 ） 设 计 和 调 试 过 程 遇 到 的 问 题 及 解 决 方 法 .371.外 部 接 线 问 题 .372.PLC 选 型 的 问 题 .373.接 近 开 关 使 用 .374.合 并 程 序 .385.特 殊 辅 助 继 电 器 M8029 的 使 用 .386.步
14、进 电 机 控 制 问 题 .38（ 二 ） 心 得 体 会 .39七 、 致 谢 .40参 考 文 献 .41*大学本科生毕业设计（论文）0一 、 绪 论（一） 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
15、 、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 。对 于 机 械 手 的 了 解 和 控 制 ， 能 加 深 对 所 学 知 识 的 理 解 和 巩 固 ， 提 高 动 手 能 力 和解 决 实 际 问 题 的 能
16、力 。 接 触 与 生 产 相 关 的 东 西 ， 了 解 与 实 际 工 作 有 关 的 知 识 ， 对 于之 后 的 学 习 和 工 作 都 能 有 很 多 益 处 。（二） 国内外机械手研究概况1.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
17、 ， 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 。*大学本科生毕业设计（论文）12.国 外 方 面机 械 手 首 先 是 从 美 国 开 始 研 制 的 。 1954 年
18、 美 国 戴 沃 尔 最 早 提 出 了 工 业 机 器 人 的概 念 ， 并 申 请 了 专 利 。 该 专 利 的 要 点 是 借 助 伺 服 技 术 控 制 机 器 人 的 关 节 ， 利 用 人 手对 机 器 人 进 行 动 作 示 教 ， 机 器 人 能 实 现 动 作 的 记 录 和 再 现 。 这 就 是 所 谓 的 示 教 再 现机 器 人 。 现 有 的 机 器 人 差 不 多 都 采 用 这 种 控 制 方 式 。 1958 年 美 国 联 合 控 制 公 司 研制 出 第 一 台 机 械 手 铆 接 机 器 人 。 作 为 机 器 人 产 品 最 早 的 实 用 机 型
19、（ 示 教 再 现 ） 是1962 年 美 国 AMF 公 司 推 出 的 “VERSTRAN”和 UNIMATION 公 司 推 出 的 “UNIMATE”。这 些 工 业 机 器 人 主 要 由 类 似 人 的 手 和 臂 组 成 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 。近 几 年 国 外 工 业 机 械 手 领 域 有 如 下 几 个 发 展 趋 势 。 机 械
20、 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 。*大学本科生毕业设计（论文）2二 、 机 械 手 控 制 方 式 选 择（一）机械手常用控制方法1 控 制 方 式 的 分 类1)单片机单片机具有较高的集成度，特别是当前比较流行的增强型单片机，一块芯片上集成了 CPU、
21、RAM、 ROM(EEPROM 或 EPROM)、时钟，定时器。外部中断、模数转换、数模转换、SPI、PWM、PCA、ISP、IAP 等诸多功能，价格从几元到几十元不等，但总体来说比较便宜。其缺点是处理速度相对较慢，当要处理的数据量特别是浮点运算工作量比较大、实时性和精度要求比较高时运用单片机开发控制系统就比较困难了。2)ARMARM 核处理器，是具有高性能、廉价、低功耗的租 SC 处理器，同时，ARM 处理器可以支持 8 位、16 位、32 位数据类型，采用流水线来增加处理器指令流的速度，锁相环技术进一步提高指令运行速度。可以嵌入操作系统，运用于更加复杂的操作对象。其缺点是开发周期长，多用于
22、嵌入式运用。3)DSPDSP 器件具有很高的集成度，运行速度更快，多级流水线和内置的高速硬件乘法器，并且提供了高度专业化的指令集，这些都提高了 FFT 快速傅里叶变换和滤波器的运算速度，所以 DSP 器件多用于以算法为主的嵌入式系统。其缺点是开发难度相对比较大，而且 DSP 器件的价格也不便宜。4）LabView(虚拟仪器)虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集与控制、数据处理与分析及数据的显示这 3 部分的物理功能，将计算机资源与仪器硬件、DSP 技术相结合，在系统内共享软硬件资源。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立
23、图形化的软面*大学本科生毕业设计（论文）3板来替代常规的传统仪器面板。缺点有操作内存很难，设计过于程式化且对于硬件的依赖型很强。5）PLC(可编程控制器)详见下一节2.机 械 手 控 制 方 式 的 选 定PLC 实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用 PLC 厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。PLC 自问世以来，经过 20 多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前，PLC 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用 PLC 设计自动控制系统已成为世界潮流。PLC 之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要
24、求：高可靠性、强抗各种干扰的能力。编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC 的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。PLC 具有很多的优点。机械手控制系统若采用 PLC 控制，体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。由于 PLC 所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。机械手采用 PLC 控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，用 PLC 控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。上述的选择方案各有优缺点，这次对于控制系统的设计不需要选择速度最快的硬件器件，也不需要可视化的图形编程语言和平台，而是在达到设计要求的前提下，尽量降低系统的运行速度和开发成本，提高了系统运行的稳定性。且要求能方便地更改工作流程，完成复杂的运动控制。综上所述，机械手的控制方式选择 PLC 控制。
