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机械手电气控制系统设计
摘 要
在工业生产和其她领域内，由于工作需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素危害，增长了工人劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，合用于可变换生产品种中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手普通由耐高温，抗腐蚀材料制成，以适应现场恶劣环境，大大减少了工人劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人重要构成某些，在诸多状况下它就可以称为工业机器人。工业机器人是集机械、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当代制造业重要自动化装备。广泛采用工业机器人，不但可以提高产品质量与产量，并且对保障人身安全，改进劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及减少生产成本，有着十分重要意义。可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发产品，逐渐发展成以微器解决为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体新型工业自动控制装置。本文应用三菱公司生产可编程控制器FX系列PLC，实现机械手搬运控制系统，该系统充分运用了可编程控制器（PLC）控制功能。使该系统可靠稳定，时期功能范畴得到广泛应用。

核心字：机械手；自动化装备；可编程控制器；PLC

目 录
摘要
前言 2
第1章 设计目及重要内容 3
1.1设计目 3
1.2.重要内容 3
第2章 机械手操作规定及功能 4
2.1.操作规定 4
2.2操作功能 5
第3章 PLC及机械手选取和论证 6
3.1PLC 6
3.1.1 PLC简介 6
3.1.2 PLC构造及基本配备 6
3.1.3 PLC选取 7
3.2机械手 7
3.2.1机械手简介 7
3.2.2机械手选取 8
第4章 硬件电路设计及描述 8
4.1操作方式 10
4.2输入与输出分派表及I/O分派接线 10
第5章 软件电路设计及描述 12
5.1机械手操作系统程序 12
5.2回原位程序 12
5.3手动单步操作程序 13
5.4自动操作程序 14
5.5机械臂传送系统梯形图 14
5.6指令语句表 16
第6章 总结 17
参照文献 18

前 言
大二学习即将结束，课程设计是其中一种重要环节，是对此前所学知识及所掌握技能综合运用和检查。随着国内经济迅速发展，采用PLC技术得到愈来愈广泛应用。
可编程序控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，是在继电顺序控制基本上发展起来以微解决器为核心通用工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术迅猛发展，PLC功能也越来越强大，更多地具备计算机功能，因此又简称PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是为了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍习惯称为PLC。当前PLC已经在智能化、网络化方面获得了较好发展，并且现今已浮现SOFTPLC，更是PLC领域无限发展前景。本文重要通过气动机械臂PLC控制来简介PLC详细应用，让咱们更熟悉PLC，为此后学习打下基本。
机械手采用plc控制，具备可靠性高，变化程序灵活等长处。无论进行时间控制还是控制或混合控制，都可以通过设立plc程序实现。可以依照机械手动作顺序变化程序，是机械手通用性更好 。
采用气压传动，动作迅速，反映敏捷，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好。阻力损失和泄露减少。不会污染环境，造价低。

第 1 章 设计目及重要内容
1.1 设计目
1、培养学生综合分析和解决本专业普通工程技术问题独立工作能力，拓宽和深化学生知识。
2、培养学生树立对的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计普通程序规范和办法。
3、培养学生树立对的设计思想和使用技术资料、国标等手册、图册工具书进行设计计算，数据解决，编写技术文献等方面工作能力。
4、培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习基本工作态度，工作作风和工作办法。
1.2 重要内容
1. 对的选用机械手和PLC类
2. 绘制I/O分派
3. 设计梯形图
4. 指令语句
5.模仿调试
1.3 设计规定
1、接线图（一张）
2、原理图（一张）
3、设计计算阐明书（一份）

成员
任务
1：

2:

3:

第 2 章 机械手操作规定及功能
2.1 操作规定
气动机械手动作示意图如图1所示，气动机械手功能是将工件从A处移送到B处。控制规定为：
1、气动机械手升降和左右移行分别由不同双线圈电磁阀来实现，电磁阀线圈失电时能保持本来状态，必要驱动反向线圈才干反向运动；
2、上升、下降电磁阀线圈分别为YV2、YV1；右行、左行电磁阀线圈为YV3、YV4；
3、机械手夹钳由单线圈电磁阀YV5来实现，线圈通电时夹紧工件，线圈断电时松开工件；
4、机械手夹钳松开、夹紧通过延时1.7S实现；
5、机械手下降、上升、右行、左行限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现；
6、机械手工作流程：原点—下降—夹紧—上升—右行—下降—松开—上升—左行—原点

2.2 操作功能
机械手操作面板如图2所示。机械手能实现手动、回原位、单步、单周期和持续等五种工作方式。
1、手动工作方式时，用各按钮点动实现相应动作；
2、回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则机械手自动返回原位；
3、单步工作方式时，每按下一次启动安钮，机械手向前执行一步；
4、单周期工作方式时，每按下一次启动安钮，机械手只运营一种周期；
5、持续工作方式时，机械手在原位，只要按下启动安钮，机械手就会持续循环工作，直到按下停止安钮；
6、传送工件时，机械手必要升到最高点才干左右移动，以防止机械手在较低位置运营时遇到其她工件；
7、浮现紧急状况，按下紧急停车按钮时，机械手停止所有操作。

第 3 章 PLC及机械手选取
3.1 PLC
3.1.1 PLC简介
可编程控制器（简称PLC）：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。
PLC具备通用性强、使用以便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简朴等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术应用必将形成世界潮流。
3.1.2 PLC构造及基本配备
普通讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们构成是相似，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，固然按CPU性能提成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种构造类型PLC，都属于总线式开放型构造，其I/O能力可按顾客需要进行扩展与组合。
CPU：PLC中CPU是PLC核心，起神经中枢作用，每台PLC至少有一种CPU。与通用计算机同样，重要由运算器、控制器、存储器及实现它们之间联系数据、控制及状态总线构成，尚有外围芯片、总线接口及关于电路。它拟定了进行控制规模、工作速度、内存容量等。内存重要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少构成单元。
存储器：可编程序控制器存储器分为系统程序存储器和顾客程序存储器。
I/O模块：PLC对外功能，重要是通过各种I/O接口模块与外界联系。
电源模块：有些PLC中电源，是与CPU模块合二为一，有些是分开，其重要用途是为PLC各模块集成电路提供工作电源。同步，有还为输入电路提供24V工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加为交流220VAC或110VAC，直流电源，加为直流电压，惯用为24V。
PLC 外部设备：外部设备是PLC系统不可分割一某些，它一共有四大类构成：1. 编程设备2. 监控设备3. 存储设备. 4. 输入输出设备.
3.1.3 PLC选取
考虑到机械手工作稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接灵活性和以便性，采用PLC作为核心控制器，各控制对象都必要在PLC统一控制下协同工作，同步考虑到工作流程和造价。因此咱们采用日本三菱公司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，高性能产品，是FX系列中最高档次超小型程序装置。性能规格：FX2N性能规格运转控制办法 通过储存程序周期运转I/O控制办法 批次解决办法（当执行END指令时） I/O指令可以刷新运转解决时间 基本指令：0.08μs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 。
3.2 机械手
3.2.1 机械手简介
机械手也被称为自动手，它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。机械手形式是各种各样，有较为简朴，有较为复杂，但基本构成形式是相似，普通由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置构成。
1．执行机构：机械手执行机构，由手、手腕、手臂、支柱构成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人手指相仿，能完毕人手类似动作。手腕是连接手指与手臂元件，可以进行上下、左右和回转动作。支柱用来支撑手臂，也可以依照需要做成移动。
2．传动系统：执行机构动作要由传动系统来实现。惯用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。
3.控制系统：机械手控制系统重要作用是控制机械手按一定程序、方向、位置、速度进行动作，简朴机械手普通不设立专用控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统控制，使执行机构按规定进行动作．动作复杂机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。
3.2.2机械手选取
工业机械手种类诸多，关于分类问题，当前在国内尚无统一分类原则，在此暂按使用范畴、驱动方式和控制系统等进行分类。
1、按用途分
（1）专用机械手：它是附属于主机、具备固定程序而无独立控制系统机械装置。专用机械手具备动作少、工作对象单一、构造简朴、使用可靠和造价低等特点，合用于大附属，如自动机床、自动线上、下料机械手和‘加工中心”批量自动化生产自动换刀机械手。
（2）通用机械手：它是一种具备独立控制系统、程序可变、动作灵活多样机械手。通过调节可在不同场合使用，驱动系统和格性能范畴内，其动作程序是可变，控制系统是独立。通用机械手工作范畴大、定位精度高、通用性强，合用于不断变换生产品种中小批量自动化生产。
通用机械手按其控制定位方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具备伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现持续轨迹控制，普通伺服型通用机械手属于数控类型。
2、按驱动方式分
（1）液压传动机械手：是以液压压力来驱动执行机构运动机械手。其重要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、构造紧凑、动作敏捷。但对密封装置规定严格，否则油泄漏对机械手工作性能有很大影响，且不适当在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现持续轨迹控制，使机械手通用性扩大，但是电液伺服阀制造精度高，油液过滤规定严格，成本高。
（2）气压传动机械手：是以压缩空气压力来驱动执行机构运动机械手。其重要特点是:介质来源极为以便，输出力小，气动动作迅速，构造简朴，成本低。但是，由于空气具备可压缩特性，工作速度稳定性较差，冲击大，并且气源压力较低，抓重普通在30公斤如下，在同样抓重条件下它比液压机械手构造大，因此合用于高速、轻载、高温和粉尘大环境中进行工作。
（3）机械传动机械手：即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动机械手。它是一种附属于工作主机专用机械手，其动力是由工作机械传递。它重要特点是运动精确可靠，动作频率大，但构造较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机上、下料。
（4）电力传动机械手：即有特殊构造感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动机械手，由于不需要中间转换机构，故机械构造简朴。其中直线电机机械手运动速度快和行程长，维护和使用以便。此类机械手当前还不多，但有发展前程。
3、按控制方式分
（1）点位控制:它运动为空间点到点之间移动，只能控制运动过程中几种点位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制点数多，则必然增长电气控制系统复杂性。当前使用专用和通用工业机械手均属于此类。
（2）持续轨迹控制:它运动轨迹为空间任意持续曲线，其特点是设定点为无限，整个移动过程处在控制之下，可以实现平稳和精确运动，并且使用范畴广，但电气控制系统复杂。此类工业机械手普通采用小型计算机进行控制。
依照我设计规定，由于机械手是在搬运中应用，因此采用传送带加旋转机械手类型。此机械手易于操作，性能可靠。并且依照规定，咱们设计选用是气动机械式。

第 4 章 硬件电路设计及描述
4.1 操作方式
设备操作方式普通可分为手动和自动两大类，手动操作方式重要用于设备调节，自动操作方式用于设备自动运营。
手动操作方式------手动操作：用单个按钮接通或断开各自相应负载。
------回原点：按下回原点按钮，使设备自动回归到原点位置。
自动操作方式------单步运营：每按一次启动按钮，设备迈进一种工步。
------单周期运营：在原点位置时，按下启动按钮设备自动运营一种周期后停止原位；途中按下停止按钮，设备停止运营；再按下启动按钮时，设备从断点处继续运营，直到原位停止。
-------持续运营：在原点位置按下启动按钮，设备按既定工序持续重复运营。半途按下停止按钮，设备运营到原位停止。
4.2 输入和输出点分派表及I/O分派接线
表1 机械臂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
X0
左限位
SQ1
X8
单周期
SB13
X16
停止
SB2
X1
右限位
SQ3
X9
回原点启动
SB14
X17
上升
SB3
X2
上限位
SQ2
X10
电磁阀下降
YV1
Y0
下降
SB4
X3
下限位
SQ4
X11
电磁阀上升
YV2
Y1
左移
SB5
X4
手动
SB9
X12
电磁阀左行
YV3
Y2
右移
SB6
X5
自动
SB10
X13
电磁阀右行
YV4
Y3
放松
SB7
X6
回原点
SB11
X14
电磁阀夹紧
YV5
Y4
夹紧
SB8
X7
单步
SB12
X15

I/O分派及接线图I
第 5 章 软件程序设计及描述
5.1机械手操作系统程序
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，如图3所示。

其原理是：
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。如果旋钮置于自动位置，（既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。

5.2 回原位程序
回原位程序如图4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M8043置1。

5.3手动单步操作程序　

　如图5所示。图中上升/下降，左移/右移均有联锁和限位保护。

5.4 自动操作程序
自动操作状态转移见图6所示。当机械臂处在原位时，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。
5.5 机械臂传送系统梯形图
如图7所示。图中从第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3操作系统运营。
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。

5.6指令语句表

第 6 章 总结

通过本次机械手电气控制系统设计课程设计进一步理解和掌握了电气控制系统设计，比较全面将所学电气控制和电力拖动方面知识运用于设计当中。可编程控制器课程设计是课程当中一种重要环节，这两周课程设计使我对plc设计过程有进一步理解，对plc产品关于控制知识有了深刻结识。整个机械手电气控制系统设计分阶段地有循环完毕，从电气控制设计到电力拖动方面设计。
由于理论知识学不牢固，在设计遇到了不少问题，通过理论与实际结合，进一步提高观测、分析和解决问题实际工作能力，以便培养成为可以积极适应社会主义当代化建设需要高素质复合型人才。运用学习成果，把理论运用于实际，使理论得以提高，形成创新思想。通过本次设计过程，巩固了专业基本知识，培养了我综合应用可编程控制器设计课程及其她课程理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题能力，在设计过程中还培养出了咱们团队精神，为此后学习和工作过程打下基本。

参照文献
《可编程控制器原理与应用》 主编：周惠文 电子工业出版社 北京，.8
《可编程控制器原理与应用》 主编：涂明武 北京航空航天出版社 北京，.8
《PLC操作实训（三菱）》 主编：孙德胜 李伟 机械工业出版社 北京，.9
《PLC应用技术》 主编：冯新强 北京邮电大学出版社 北京，.4