1、0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
2、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。1目 录第 1 章 前言.31.1 选题背景.31
3、.2 设计目的及主要内容.31.2.1设计目的.31.2.2主要内容.3第2章 PLC 及机械手的介绍及选择.42.1可编程序控器 PLC.42.1,.1可编程序控器的简介.42.1.2 PLC 的结构，种类和分类.42.1.3 FX2n 系列三菱 PLC 特点. 72.1.4 PLC 的工作过程.72.1.5 I/O 接口简介.82.2 机械手.92.2.1 机械手简介.92.2.2 机械手分类.9第 3 章 设计主题部分.93.1机械手控制要求.93.2 机械手控制系统设计步骤 .103.3 机械手工作过程.113.4 用户 I/O 设备及所需 PLC 的 I/O 点数.123.5 设置
4、PLC 控制程序.14附机械手动态演示图.18第 4 章 论文小结.19参考文献.202第 1 章 前言1.1 选题背景大学三年的专业知识学习生涯即将结束，课程设计是其中最后一个环节，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。随着我国经济的迅速发展，采用PLC 的工作原理来控制材料搬运装置的技术基本已经成熟，其中得到愈来愈广泛的就是采用 PLC 控制搬运机械手来实现搬运材料的装置。在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中不妥之处在所难免，肯请各位老师指正。1.2设计目的及主要内容1.2.1设
5、计目的1、培养机械设计能力；2、扩展知识结构；3、培养综合运用能力；4、是课堂教学的有益补充。通过本次论文，进一步加强自己对机械手和 PLC 的认识，以及它们在生活中广泛应用。1.2.2主要内容A 正确选用机械手和 PLC 类 B 绘制 I/O 分配 C 调试机械手动态图 3第2章 PLC 及机械手的介绍及选择2.1 可编程序控器 PLC2.1.1 可编程序控器的简介在 60 年 代 ， 汽 车 生 产 流 水 线 的 自 动 控 制 系 统 基 本 上 都 是 由 继 电 器 控 制 装 置 构 成的 。 当 时 汽 车 的 每 一 次 改 型 都 直 接 导 致 继 电 器 控 制 装 置
6、 的 重 新 设 计 和 安 装 。 随 着 生产 的 发 展 ， 汽 车 型 号 更 新 的 周 期 愈 来 愈 短 ， 这 样 ， 继 电 器 控 制 装 置 就 需 要 经 常 地 重新 设 计 和 安 装 ， 十 分 费 时 ， 费 工 ， 费 料 ， 甚 至 阻 碍 了 更 新 周 期 的 缩 短 。 为 了 改 变 这一 现 状 ， 美 国 通 用 汽 车 公 司 在 1969 年 公 开 招 标 ， 要 求 用 新 的 控 制 装 置 取 代 继 电 器控 制 装 置 ， 并 提 出 了 十 项 招 标 指 标 ， 即1. 编 程 方 便 ， 现 场 可 修 改 程 序 ； 2.
7、 维 修 方 便 ， 采 用 模 块 化 结 构 ；3. 可 靠 性 高 于 继 电 器 控 制 装 置 ； 4. 体 积 小 于 继 电 器 控 制 装 置 ；5. 数 据 可 直 接 送 入 管 理 计 算 机 ； 6. 成 本 可 与 继 电 器 控 制 装 置 竞 争 ；7. 输 入 可 以 是 交 流 115V； 8. 输 出 为 交 流 115V， 2A 以 上 ， 能 直 接 驱 动 电 磁 阀 ， 接 触 器 等 ；9. 在 扩 展 时 ， 原 系 统 只 要 很 小 变 更 ；10. 用 户 程 序 存 储 器 容 量 至 少 能 扩 展 到 4K。2.1.2 PLC 的结构
8、，种类和分类PLC 的结构PLC 实 质 是 一 种 专 用 于 工 业 控 制 的 计 算 机 ， 其 硬 件 结 构 基 本 上 与 微 型 计 算 机 相同 ， 如 图 所 示 ：4图 11.中 央 处 理 单 元 (CPU)中 央 处 理 单 元 (CPU)是 PLC 的 控 制 中 枢 。 它 按 照 PLC 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 。 2.存 储 器存
9、放 系 统 软 件 的 存 储 器 称 为 系 统 程 序 存 储 器 。存 放 应 用 软 件 的 存 储 器 称 为 用 户 程 序 存 储 器 。PLC 常 用 的 存 储 器 类 型 ：(1) RAM (Random Assess Memory) 这 是 一 种 读 /写 存 储 器 (随 机 存 储 器 )， 其 存 取 速 度 最 快 ， 由 锂 电 池 支 持 。(2) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)这 是 一 种 可 擦 除 的 只 读 存 储 器 。 在 断 电 情 况 下 ， 存 储 器 内 的 所 有 内 容
10、保 持 不 变 。(在 紫 外 线 连 续 照 射 下 可 擦 除 存 储 器 内 容 )。(3) EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这 是 一 种 电 可 擦 除 的 只 读 存 储 器 。 使 用 编 程 器 就 能 很 容 易 地 对 其 所 存 储 的 内 容进 行 修 改 。3. 电 源 PLC 的 电 源 在 整 个 系 统 中 起 着 十 分 重 要 得 作 用 。 如 果 没 有 一 个 良 好 的 、 可 靠 得电 源 系 统 是 无 法 正 常 工 作 的 ， 因 此 PLC 的 制 造 商 对
11、 电 源 的 设 计 和 制 造 也 十 分 重 视 。一 般 交 流 电 压 波 动 在 +10%(+15%)范 围 内 ， 可 以 不 采 取 其 它 措 施 而 将 PLC 直 接连 接 到 交 流 电 网 上 去 。5常见的PLC的类型挺多的，有三菱的FX 系列、西门子的 S7系列、台湾的丰炜等等。PLC 的分类(一 ) 小 型 PLC小型 PLC 的 I/O 点数一般在 128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量 I/O 以外，还可以连接模拟量 I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应
12、用指令。(二) 中型 PLC中 型 PLC 采 用 模 块 化 结 构 ， 其 I/O 点 数 一 般 在 2561024 点 之 间 。 I/O 的 处 理方 式 除 了 采 用 一 般 PLC 通 用 的 扫 描 处 理 方 式 外 ， 还 能 采 用 直 接 处 理 方 式 ， 即 在 扫 描用 户 程 序 的 过 程 中 ， 直 接 读 输 入 ， 刷 新 输 出 。 它 能 联 接 各 种 特 殊 功 能 模 块 ，通 讯 联 网 功 能 更 强 ， 指 令 系 统 更 丰 富 ， 内 存 容 量 更 大 ， 扫 描 速 度 更 快 。(三 ) 大 型 PLC一 般 I/O 点 数
13、在 1024 点 以 上 的 称 为 大 型 PLC。 大 型 PLC 的 软 、 硬 件 功 能 极 强 。具 有 极 强 的 自 诊 断 功 能 。 通 讯 联 网 功 能 强 ， 有 各 种 通 讯 联 网 的 模 块 ， 可 以 构 成 三 级通 讯 网 ， 实 现 工 厂 生 产 管 理 自 动 化 。 大 型 PLC 还 可 以 采 用 三 CPU 构 成 表 决 式 系 统 ，使 机 器 的 可 靠 性 更 高 。PLC 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
14、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：0.08s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 。62.1.3 FX2n系列三菱PLC特点1、集成型高性能。CPU、电源、输入输出三为一
15、体。对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。2、高速运算基本指令：0.08s/指令应用指令:1.52数100s/指令3、安心、宽裕的存储器规格内置8000步RAM存贮器安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。4、丰富的软元件范围辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数：235点数据寄存器；8000点5、除了具有输入输出16256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。6、面向海外的产品适合各种安全规格为大量实际应用而开发的特殊功能：开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要-模拟I/O，高速计数器。定位控制达到16轴，脉冲串输
16、出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。对每一个FX2n主单元可配置总计达8个特殊功能模块。2.1.4 PLC 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7PLC 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
17、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）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2.四大类处理过程输入采样 三个阶段 执行用户程序输出刷新2.1.5 I/O 接口简介（1）I/O 接口的概念 CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到
18、接口只是指I/O接口。(2）接口的分类 I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和 外围设备联系在一起，按照电路和设备的复杂程度，I/O接口的硬件主要分为两大类： 1）I/O 接口芯片 这些芯片大都是集成电路，通过CPU输入不同的命令和参数，并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作，常见的接口芯片如定时计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。 2）I/O 接口控制卡 8有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件，或者直接与CPU同在主板上，或是一个插件插在系统总线插槽上。 按照接口的连接对象来分，又可以将他们分为串行接口、并行接口、键盘接口和磁盘接口等。 2.2 机
19、械手2.2.1 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。2.2.2 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
20、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
21、技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。第3章 设计主题部分3.1机械手控制要求机械手运动各检测元件、执行元件及分布动作如图2所示，全部动作由气缸驱动，9而气缸又由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移 /右移分别由双线圈二位电磁阀控制。例如，当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手停止下降，但保持现有的动作状态。只有在上升电磁阀通电时，机械手才上升。当上升电磁阀断电时，机械手停止上升。同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀控制，该线圈通电时，机械手夹紧；该线圈断电时，机械手放松。机械手右移到位并准备下降时，必须
22、对右工作台进行检查。确认上面无工件才允许机械手下降通常采用光电开关进行无工件检测。原点夹紧右位放松1 3845 7启动停止下降电磁阀上升电磁阀夹紧电磁阀下限位开关左限位开关原点上限位开关右移电磁阀下降 上升左移上升下降右移左移电磁阀右限位开关下降电磁阀上限位开关下限位开关 上升电磁阀光电开关夹紧电磁阀62图2 机械手动示意图3.2 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
