搬运机械手控制新版专业系统设计.doc

目录
前 言 1
第一章 绪 论 2
1.1课题背景与现实意义 2
1.2可编程控制器产生特点及发展趋势 2
1.3本文重要工作 5
第二章 方案论证和选取 7
2.1 题目与规定 7
2.2 方案选取与论证 8
2.2.1运用单片机实现对机械手控制 8
2.2.2运用老式继电器实现对机械手控制 8
2.2.3 实现对机械手控制 8
2.3 系统流程图 9
第三章 系统硬件设计 10
3.1 功能按钮概述 10
3.2 机械手传送系统输入和输出点分派表 10
3.3 输入和输出点分派表 10
3.4 输入和输出点原理接线图 12
第四章 系统软件 13
4.1 机械手操作系统程序图及原理 13
4.1.1 操作程序图 13
4.1.2 操作系统原理 13
4.2 原位程序 14
4.3 动单步操作程序 14
4.4 自动操作程序 15
4.4.1 程序原理 15
4.4.2 操作状态转移图 15
4.5 机械手传送系统梯形图 16
4.6 系统调试 18
第五章 总结与展望 20
5.1 系统总结 20
5.2 展望 20
参 考 文 献 21

前 言
工业机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人一种重要分支。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。它特点是可通过编程来完毕各种预期作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自长处，特别体现了人智能和适应性。机械手作业精确性和各种环境中完毕作业能力，在国民经济各领域有着辽阔发展前景。用机械手可以代替人从事单调﹑重复或繁重体力劳动﹐实现生產机械化和自动化﹐代替人在有害环境下手工操作﹐改进劳动条件﹐保证人身安全。20世纪40年代后期﹐美国在原子能实验中﹐一方面采用机械手搬运放射性材料﹐人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代后来﹐机械手逐渐推广到工业生產部门﹐用于在高温﹑污染严重地方取放工件和装卸材料﹐也作为机床辅助装置在自动机床﹑自动生产线和加工中心中应用﹐完毕上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手重要由手部机构和运动机构构成。手部机构随使用场合和操作对象而不同﹐常用有夹持﹑托持和吸附等类型。运动机构普通由液压﹑气动﹑电气装置驱动。机械手能模仿人手和臂某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具自动操作装置。它可代替人繁重劳动以实现生产机械化保护人身安全，因而广泛应用机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
第一章 绪 论
1.1课题背景与现实意义
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中一员，是为工业控制应用而设计制造。初期可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它重要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术发展，这种装置功能已经大大超过了逻辑控制范畴，因而，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）简称混淆，因此将可编程控制器简称PLC。
所谓搬运机械手，就是将机械手安装在移动平台之上。这种构造使机械手拥有几乎很大操作空间和高度运动冗余性，并同步具备移动和操作功能，这使它优于老式机械手，因而在危险作业、制造业、服务业等行业具备辽阔应用前景。但由于构造复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题存在，都使得对搬运机械手研究具备相称挑战性。近年来，对搬运机械手控制方略、运动规划等方面研究已越来越受到国内外注重，并已经获得了某些很有价值研究成果。国内在这方面起步较晚，研究多集中在理论方面。因而，设计制造一种实际搬运机械手平台，无论在理论上还是实践上都是非常故意义。
1.2 可编程控制器产生特点及发展趋势
可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定期，计数与算术操作等面向顾客指令，并通过数字或模仿式输入/输出控制各种类型机械或生产过程。可编程控制器及其关于外部设备，都按易于与工业控制系统联成一种整体，易于扩充其功能原则设计。”1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型工业控制装置以其简朴易懂，操作以便，可*性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列长处，不久地在美国其她工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置浮现，也受到了世界其她国家高度注重。1971日本从美国引进了这项新技术，不久研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们第一台PLC。国内从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展原则化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association）通过四年调查工作，于1984年一方面将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC作了如下定义：“PC是一种数字式电子装置，它使用了可编程序记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不涉及鼓式或类似机械式顺序控制器。”后来国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC原则草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它定义：“可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定期，计数与算术操作等面向顾客指令，并通过数字或模仿式输入/输出控制各种类型机械或生产过程。可编程控制器及其关于外部设备，都按易于与工业控制系统联成一种整体，易于扩充其功能原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造计算机。它具备丰富输入/输出接口，并且具备较强驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一详细工业应用，在实际应用时，其硬件需依照实际需要进行选用配备，其软件需依照控制规定进行设计编制。
PLC重要特点：
1、高可靠性
（1）所有I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数普通为10~20ms。（3）各模块均采用屏蔽办法，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良开关电源。
（5）对采用器件进行严格筛选。
（6）良好自诊断功能，一旦电源或其她软，硬件发生异常状况，CPU及时采用有效办法，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2、丰富I/O接口模块PLC针对不同工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模仿量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应I/O模块与工业现场器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。
3、采用模块化构造为了适应各种工业控制需要，除了单元式小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化构造。PLC各个部件，涉及CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统规模和功能可依照顾客需要自行组合
4、编程简朴易学PLC编程大多采用类似于继电器控制线路梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机专门知识，因而很容易被普通工程技术人员所理解和掌握。
5、安装简朴，维修以便PLC不需要专门机房，可以在各种工业环境下直接运营。使用时只需将现场各种设备与PLC相应I/O端相连接，即可投入运营。各种模块上均有运营和故障批示装置，便于顾客理解运营状况和查找故障。由于采用模块化构造，因而一旦某模块发生故障，顾客可以通过更换模块办法，使系统迅速恢复运营。
PLC发展阶段：虽然PLC问世时间不长，但是随着微解决器浮现，大规模，超大规模集成电路技术迅速发展和数据通讯技术不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大体可分三个阶段：
1、初期PLC（60年代末—70年代中期）初期PLC普通称为可编程逻辑控制器。这时PLC多少有点继电器控制装置代替物含义，其重要功能只是执行原先由继电器完毕顺序控制，定期等。它在硬件上以准计算机形式浮现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场规定。装置中器件重要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。此外还采用了某些办法，以提高其抗干扰能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉继电器控制线路方式—梯形图。因而，初期PLC性能要优于继电器控制装置，其长处涉及简朴易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有编程语言—梯形图始终沿用至今。
2、中期PLC（70年代中期—80年代中，后期）在70年代，微解决器浮现使PLC发生了巨大变化。美国，日本，德国等某些厂家先后开始采用微解决器作为PLC中央解决单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增长了算术运算、数据解决和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有开关模块以外，还增长了模仿量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器容量，使各种逻辑线圈数量增长，还提供了一定数量数据寄存器，使PLC得应用范畴得以扩大。3、近期PLC（80年代中、后期至今）进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术迅速发展，微解决器市场价格大幅度下跌，使得各种类型PLC所采用微解决器当次普遍提高。并且，为了进一步提高PLC解决速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑解决芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

1.3 本文重要工作
本文重要工作是应用PLC（可编程控制器）实际设计一种工业机械手，能实现工业机械手基本功能。工作内容:
（1）阐述机械手在工业应用中作用和意义
（2）设计机械手方案选取与实现
（3）机械手硬件设计原理,涉及可编程控制器型号选定，PLC电气连线图,I/O地址分派表等
（4）机械手软件设计原理，涉及流程图，程序清单。
（5）最后是系统调试和参照文献列举

第二章 方案论证和选取
2.1 题目与规定
采用电气控制搬运机械手，其任务是把左工位工件搬运到右工位，机械手工作方式分为手动和持续两种。
工作方式如下：
机械手在原位压左限位开关和上限位开关，按启动按钮机械手开始下降，下降到左工位压动下限位开关后自停；接着机械手夹紧工件后开始上升，上升到原位压动上限位开关后自停；接着机械手开始右行直到压动右限位开关后自停；接着机械手开始下降，下降到右工位压动下限位开关（两个工位用一种下限位开关）后自停；接着机械手放松工件后开始上升直到压动上限位开关后自停（两个工位用一种下限位开关）；接着机械手开始左行直到压动左限位开关后自停。至此一种周期动作结束，开始下一种周期运营。
在手动方式下按下按钮则机械手开始一种动作，松开按钮则停止该动作。
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还规定有持续控制和手动控制等操作方式。工作方式选取可以很以便地在操作面板上表达出来。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，系统自动完毕各工步操作，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干实现。
2.2 方案选取与论证
2.2.1运用单片机实现对机械手控制
由单片机设计系统均有一种共性就是抗干扰性差,由于机械手普通都用在干扰源比较多、状况比较复杂工业现场,因此由单片机设计系统很难保证长期稳定工作。因此不适当选用此方案。
2.2.2运用老式继电器实现对机械手控制
此控制系统可运用四个老式继电器作为限位开关，并加上辅助电路以实现机械手功能。但是由于老式继电器触点接触不良容易浮现故障，并且接线复杂抗干扰能力差，难以实现模块化和智能化，性价比较低。因此这种控制方式已经逐渐被裁减，显然此控制系统不能选用此方案。
2.2.3 实现对机械手控制
此控制系统运用PLC就可以非常容易实现。基于PLC长处在绪论中已经阐述，对于复杂控制系统，使用PLC后，可以减少大量中间继电器和时间继电器，小型PLC体积相称于几种继电器大小，因而可将开关柜体积缩小到本来确1/2-1/10。 PLC配线比继电器控制系统配线要少得多，故可以省下大量配线和附件，减少大量安装接线工时，可以减少大量费用。
系统输入信号有3个启动按钮，4个限位开关，5个手动输入信号，1个有工件检测信号，共计14个数字量输入信号；输出信号有机械手上升/下降驱动信号﹑左移/右移驱动信号和机械手夹紧驱动信号，共有5个数字量输出信号。
不需模仿量模块，选取三菱系列FX2N-40MR，加上数字量输入模块MR321及输出模块MR322就可以满足规定，并且尚有一定裕量。
因此选用PLC实现对机械手控制为最佳方案，本次设计就选用此方案进行设计。
2.3 系统流程图
机械手整个搬运过程规定都能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制及自动控制或半自动控制(又称单周期控制)，以便对设备进行调节和检修。下图是机械手控制系统逻辑流程图。系统启动之前，机械手处在原始位置，条件是机械手在高位﹑左位。
整个系统流程可用图2-2来阐明

图2-2 系统流程图

第三章 系统硬件设计
3.1 功能按钮概述
系统输入信号有3个启动按钮，4个限位开关，5个手动输入信号，1个有工件检测信号，共计14个数字量输入信号；输出信号有机械手上升/下降驱动信号﹑左移/右移驱动信号和机械手夹紧驱动信号，共有5个数字量输出信号。
3.2 机械手传送系统输入和输出点分派表
机械手传送系统输入和输出点分派表如表3-1所示。
表3-1 机械手传送系统输入和输出点分派表
名 称
代号
输入
名 称
代号
输入
名 称
代号
输出
启动
SB1
X000
夹紧
SB5
X010
电磁阀下降
YV1
Y000
下限行程
SQ1
X001
放松
SB6
X011
电磁阀夹紧
YV2
Y001
上限行程
SQ2
X002
单步上升
SB7
X012
电磁阀上升
YV3
Y002
右限行程
SQ3
X003
单步下降
SB8
X013
电磁阀右行
YV4
Y003
左限行程
SQ4
X004
单步左移
SB9
X014
电磁阀左行
YV5
Y004

3.3 输入和输出点分派表
输入和输出点分派表如表3-2所示。
表3-2 输入和输出点分派表
表1停止
SB2
X005
单步右移
SB10
X015
原点批示
EL
Y005
00手动操作
SB3
X006
回原点
SB11
X016

持续操作
SB4
X007
工件检测
SQ5
X017

3.4 输入和输出点原理接线图
输入和输出点原理接线图如图3－1所示。

图3-1 原理接线图

第四章 系统软件
操作系统涉及回原点程序，手动单步操作程序和自动持续操作程序
4.1 机械手操作系统程序图及原理
4.1.1 操作程序图
(X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。其操作系统程序如图4-1所示。

图4-1 机械手操作系统程序
4.1.2 操作系统原理
把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动批示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指结束位置。
4.2 原位程序
回原位程序如图4-2所示。用S10~S12作回零操作元件。应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器MR8043置1。

图4-2 回原位状态转移图

4.3 动单步操作程序　
图4-3中上升/下降，左移/右移均有联锁和限位保护。可执行手动单步操作。

图4-3 手动单步操作系统
4.4 自动操作程序
4.4.1 程序原理
当机械手处在原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。
移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。
在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动线圈，却可以使用多次，但两者不能出当前持续位置上。因而步进顺控编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。
4.4.2操作原理图
操作原理图如4-4所示。

图4-4 自动操作状态转移图
4.5 机械手传送系统梯形图
回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。

图4-5 机械手传递系统梯形图
图4-5中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三某些程序（又称为模块）是图4-5操作系统运营。
PLC程序调试可以分为模仿调试和现场调试两个调试过程，在此之前一方面对PLC外部接线作仔细检查，这一种环节很重要。外部接线一定要精确无误。也可以用事先编写好实验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。但是，为了安全考虑，最佳将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模仿调试好程序送入顾客存储器进行调试，直到各某些功能都正常，并能协调一致地完毕整体控制功能为止。因本系统为课程设计项目，因此模仿调试和现场调试都将在实验室进行。
4.6 系统调试
4.6.1 程序模仿调试
将设计好程序写入PLC后，一方面逐条仔细检查，并改正写入时浮现错误。顾客程序普通先在实验室模仿调试，实际输入信号可以用钮子开关和按钮来模仿，各输出量通／断状态用PLC上关于批示灯来显示，普通不用接PLC实际负载(如接触器、电磁阀等)。可以依照功能表图，在恰当时候用开关或按钮来模仿实际反馈信号，如限位开关触点接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序重要任务是检查程序运营与否符合功能表图规定，即在某一转换条件实现时，与否发生步活动状态对的变化，即该转换所有前级步与否变为不活动步，所有后续步与否变为活动步，以及各步被驱动负载与否发生相应变化。在调试时应充分考虑各种也许状况，对系统各种不同工作方式、有选取序列功能表图中每一条支路、各种也许进展路线，都应逐个检查，不能漏掉。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中程序，直到在各种也许状况下输入量与输出量之间关系完全符合规定。如果程序中某些定期器或计数器设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模仿调试结束后再写入它们实际设定值。在设计和模仿调试程序同步，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外其她硬件安装、接线工作也可以同步进行。
4.6.2 程序现场调试
完毕上述工作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中也许存在传感器、执行器和硬接线等方面问题，以及PLC外部接线图和梯形图程序设计中问题，应对浮现问题及时加以解决。如果调试达不到指标规定，则对相应硬件和软件某些作恰当调节，普通只需要修改程序就也许达到调节目。所有调试通过后，通过一段时间考验，系统就可以投入实际运营了。

第五章 总结与展望
5.1系统总结
可编程控制器PLC以其丰富I／O接口模块、高可靠性，在机械手控制系统设计中起到了十分重要作用，但在PLC控制过程中，尚有许多问题需要解决，本文就机械手自动控制系统过程中硬件选取与设计以及软件编程中几项核心问题提出了自己某些看法，经实践证明，可以有效地提高系统抗干扰能力，对PLC读、写，事件响应等通信时问可进行精准控制，获得了良好效果。
在系统设计设计过程中，我遇到了诸多设计方面问题。为了弄懂有关知识，掌握有关技术，我翻阅了大量书籍和资料，并积极运用互联网丰富资源找取答案，从中收获是非常丰富。从这次设计中我有了很深体会，任何事情都不是一蹴而就，都需要付出很艰辛努力。
5.2 展望
工业机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人一种重要分支。它特点是可通过编程来完毕各种预期作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自长处，特别体现了人智能和适应性。机械手作业精确性和各种环境中完毕作业。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动多功能机器，它有各种自由度，可用来搬运物体以完毕在各个不同环境中工作。
参 考 文 献
[1] 赵金荣,叶真编.可编程序控制器原理及应用,上海应用技术学院,
[2] 董儒胥主编. 电工电子选训教程，上海交通大学出版社，
[3] 王兆义主编. 可编程序控制器教程 ，机械工业出版社，
[4] 钟肇新， 彭侃编 . 华南理工大学出版社，
[5] 王永华主编. 当代电气及可编程技术，北京航空航天大学出版社
[6] 汤以范主编. 电气与可编程序控制器技术，机械工业出版社，
[7] 苗常初编. PLC编程及应用，机械工业出版社，
[8] 廖常初. PLC编程及应用机械工业出版社 ，1999
[9] 郁汉琪主编.机床电气及可编程序控制器实验、课程设计指引书，
高等教诲出版社，
[10] 易传禄主编.可编程序控制器应用指南，电子工业出版社，
[11] 胡学林.可编程控制器教程（实训篇），电子工业出版社 ，
[12] 易传禄. 可编程序控制器应用指南， 上海科普出版社,
[13] 朱绍祥. 可编程序控制器(PC)原理与应用， 上海交大出版社，
[14] 方承远. 工厂电气控制技术， 机械工业出版社，

潍坊学院本科课程设计成绩评议表
学生姓名
崔永胜
院/系部
信息与控制工程学院
专业
自动化
年级
级自动化本4班
指引教师
张海燕
职称

指引教师意见：

签名：

年 月 日

成绩：

签名：

年 月 日