机械手plc控制系统设计.doc

Southwest university of science and technology

网络教育毕业设计

题 目 机械手PLC控制系统设计

学校名称
西南科技大学
专业名称
机电一体化技术（专）
学生姓名

学 号

指导教师

2016年3月

机械手PLC控制系统设计

【摘要】 机械手是能够模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
在我国，工业机械手近年来有较快的发展，投入了大量的人力物力加以研究和应用，并且很好的效果。

【关键词】 可编程序控制器PLC；机械手；限位开关；自动控制
Design of PLC control system of manipulator

【Abstract】 Manipulator is to be able to imitate manpower movement, and according to set program, locus and requirement substitute manpower to grab (inhale), take things or tool or the automation installation that operated， it can be partial to replace the handwork labor of person. The manipulator of higher level type can still imitate the arm movement of person，completes more complex work. In mechanical manufacturing industry, manipulator has been applied extensively，so improved the labor condition of worker greatly, raising labor productivity notably, quickly realize the step of industrial production mechanization and automation.

【Key word】 Programmable controller; Manipulator; Limit switch; Automatic control
目 录
第1章 绪论 1
1.1 PLC的发展及其应用 1
1.2 机械手的发展史 2
1.3 机械手前景展望 3
1.4 机械手分类及组成 3
第2章 机械手PLC控制系统设计 3
2.1 程序的总体结构 6
2.2 OB100中的初始化程序 6
2.3 公用程序 7
2.4 手动程序 7
2.5单周期、连续和单步程序 8
2.5.1单步与非单步的区分 9
2.5.2单周期与连续的区分 9
2.5.3单周期工作过程 10
2.5.4单步工作过程 10
2.5..5输出电路 11
2.6 自动返回原点程序 11
结束语 12
致谢 13
参考文献 14

第1章 绪论
1.1 PLC的发展及其应用
PLC是一种在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数核和算术运算等操作的指令，并能通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械生产过程。PLC及其有关的外国设备都应按照易于与工业控制形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
相对一般意义上的计算机。可编程控制器并不仅仅具有计算机的内核，它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。它实质上是经过一次开发的工业控制用计算机。它在很大程度上使得工业自动化设计从专业设计院走进了工厂和矿山，完成了普通工程技术人员力所能及的工作，再加上它体积小、可靠性高、抗干扰能力强等优点，PLC已在工业控制中获得了广泛的应用。
比较以前的继电接触器或普通计算机，PLC具有它的很多优点，如：可靠性高、抗干扰能力强、体积小、重量轻、能耗低、功能完善、易学易用、系统设计、施工、调试周期短等。目前PLC已广泛应用于钢铁、是石油、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。
PLC诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，如日本、德国、法国等国家相继研制各自的PLC。PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的1位机迅速发展为8位机。随着微处理器CPU和微型
计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。现在的PLC产品
已使用了16位，32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术PLC的应用得到进一步发展。
权威人士预计，21世纪，可编程控制器会有更大的发展，从技术上来看，计算机技术的新成果会更多的应用于可编程序控制器的设计及制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现。从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展。从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富，规格齐备。完美的人机界面，完备通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的要求。从市场上看，各国各自生产多品种的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言，这是有利于可编程技术的发展及可编程产品普及。
1.2 机械手的发展史
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教形的。
1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为UNIMATE（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司，专门生产工业机械手。
1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫VEWRSATRAN机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。
虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年美国UNIMATE公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种unimate-vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。
联邦德国knka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。
前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。
目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代机械手正在加紧研制。它没有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。
第三代机械手则能独立完成工作中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMS中的重要一环。
1.3 机械手前景展望
机械手目前多数应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按事先制定的程序完成操作，但普通不具备传感反馈能力，不能应付外景的变化。如发生某些偏离时，将引起零件甚至机械手本身的损害。
为此，机械手发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，设它拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化作相应的变更，如位置发生稍些偏差时即能更正，并自行检测。重点是研究视觉功能，将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态。
1.4 机械手分类及组成
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；按运动轨道控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。
<1>执行机构：包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
<2>驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。
<3>控制系统：有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给与机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
<4>位置检测装置：控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的进度达到设定位置。

第2章 机械手PLC控制系统设计

为了满足生产的需要，很多设备要求设置多种工作方式，如手动方式和自动方式，后者包括连续、单周期、单步、自动往回出始状态几种工作方式。
如图1-1所示，某机械手用来将工件从A点搬运到B点，控制面板如图1-2所示，图1-3是PLC的外部接线图。输出Q4.1为1时工件被夹紧，为0时被松开。

图1-1 机械手示意图 如图1-2 操作面板

工作方式选择开关的5个位置分别对于5种工作方式，操作面板左下部的6个按钮是手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KM(见图1-3）。在PLC开始运行时按下“负载电源”按钮，使KM线圈得电并自锁，KM的主触头接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。
如图1-3 外部接线图

系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点5种工作方式，机械手在最上面和最左边且松开时，称为系统处于原点状态（或称初始状态）。在公用程序中，左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的Q4.1的常闭触点的串联电路接通时，“原点条件”存储器为M0.5变为ON。
如果选择的是单周期工作方式，按下起动按钮I2.6后，从初始步M0.0开始，机械手按顺序功能图1-8的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。如果选择连续工作方式，在初始状态按下起动按钮后，机械手从初始步开始一个周期接一个周期地反复连续工作。按下停止按钮，并不马上停止工作，完成最后一个周期工作后，系统才返回并停留在初始步。在单步工作方式，从初始步开始，按一下起动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停在该步，在按一下起动按钮，又往前走一步。单步工作方式常用于系统的调试。
在进入单周期、连续和单步工作方式之前，系统应处于原点状态;如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式，然后按起动按钮I2.6，使系统自动返回原点状态。在原点状态，顺序功能图中初始步M0.0为ON，进入单周期、连续和单步工作方式作好了准备。
2.1 程序的总体结构
项目的名称为“机械手控制”，在主程序OB1中（见图1-4），用调用功能（FC)的方式来实现各种工作方式的切换。公用程序FC1是无条件调用的，供各种工作方式公用。由外部接线图可知，工作方式选择开关是单刀5掷开关，同时只能选择一种工作方式。选择手动方式时调用手动程序FC2，选择回原点工作方式时调用回原点程序FC4，选择连续、单周期和单步工作方式时，调用自动程序FC3。
在PLC进入RUN运行模式的第一个扫描周期，系统调用组织块OB100，在OB100中执行初始化程序。

2.2 OB100中的初始化程序
机械手处于最上面和最左边的位置、夹紧装置松开时，系统处于规定的初始条件，称为“原点条件”，此时左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示夹紧装置松开的Q4.1的常闭触点组成的串联电路接通，存储器位M0.5为1状态（见图1-5）。
图1-5 OB100初始化程序
对CPU组态时，代表顺序功能图中的各位的MB0-MB2应设置为没有断电保持功能，CPU起动时它们均为0状态。CPU刚进入RUN模式的第一扫描周期执行图1-5中的组织块OB100时，如果原点条件满足，M0.5为1状态顺序功能图中的初始步对应的M0.0被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式作好准备。如果此时M0.5为0状态，M0.0将被复位，初始步为不活动步，禁止在单步、单周期和连续工作方式工作。

2.3 公用程序
图1-6中的公用程序用自动程序和手动程序相互切换的处理。当系统处于手动工作方式和回原点方式，I2.0或I2.1为1状态。与OB100中的处理相同，如果此时满足原点条件，顺序功能图中的初始步对应的M0.0被置位，反之则被复位。
当系统处于手动工作方式时，I2.0的常开触点闭合，用MOVE指令将顺序功能图中除初始步以外的各步对应的存储器位（M2.0-M2.7)复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动步的异常情况，引起错误的动作。在非连续方式，将表示连续工作状态的标准M7.0复位。

如图1-6公用程序

2.4 手动程序
图1-7是手动程序，手动操作时用I0.5-I1.2对于的6个按钮控制机械手的升、降、左行、右行和夹紧、松开。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的联锁，例如限位开关对运动极限位置的限制；上升与下降之间、左行与右行之间的互锁用来防止功能相反的两个输出同时为ON。上限位开关I0.2的常开触点与控制左、右行的Q4.4和Q4.3的线圈串联，机械手升到最高位置才能左右运动，以防止机械手在较低的位置运行时与别的物体碰撞。

图1-7手动程序

2.5单周期、连续和单步程序
图1-8a是处理单周期、连续和单步工作方式的功能FC3的顺序功能图，图1-8b上梯形图程序。M0和M20-M27用典型的启停电路来控制。
单周期、连续和单步这3种工作方式主要是用“连续”标志M0.7和“转换允许”标志M0.6来区分的。

图1-8a 顺序功能图 图1-8b 梯形图

2.5.1单步与非单步的区分
图1-8顺序功能图M0.6的常开触点接在每一个控制代表步的存储器位的起动电路中，它们断开时禁止步的活动状态的转换。如果系统处于单步工作方式，I2.2为1状态，它的常闭触点断开，“转换允许”存储器位M0.6在一般情况下为0状态，不允许步与步之间的转换。单某一步的工作结束后，转换条件满足，如果没有按起动按钮I2.6，M0.6处于0状态，起保停电路的起动电路处于断开状态，不会转换到下一步。一直要等到按下起动按钮I2.6，M0.6在I2.6的上升沿ON一个扫描周期，M0.6的常闭触点接通，系统才会转换到下一步。系统工作在连续、单周期（非单步）工作方式时，I2.2的常闭触点接通，使M0.6为1状态，串联在各起保停电路的起动电路中的M0.6的常开触点接通，允许步与步之间的正常转换。

2.5.2单周期与连续的区分
在连续工作方式，12.4为1状态。在初始状态按下起动按钮I2.6，M2.0变为1状态，机械手下降。与此同时，控制连续工作的M2.7的线圈“通电”并自保持。
当机械手在步M2.7返回最左边时，I0.4为1状态，因为“连续”标志位M0.7为1状态，转换条件M0.7.I0.4满足，系统将返回步M2.0,反复连续地工作下去。
按下停止按钮I2.7后，M0.7变为0状态，但是系统不好立即停止工作，在完成当前工作周期的全部操作后，在步M2.7返回最左边，左限位开关I0.4为1状态，转换条件M0.7。I0.4满足，系统才返回并停留在初始步。
在单周期工作方式，M0.7一直处于0状态。当机械手在最后一步M2.7返回最左边时，左限位开关I0.4为1状态，转换条件M0.7.I0.4满足，系统返回并停留在初始步。按一次起动按钮，系统只工作一个周期。

2.5.3单周期工作过程
在单周期工作方式，I2.2（单步）的常闭触点闭合，M0.6的线圈“通电”，允许转换。在初始步时按下起动按钮I2.6，在M2.0的起动电路中，M0.0、I2.6、M0.5(原点条件）和M0.6的常开触点均接通，使M2.0的线圈“通电”，系统进入下降步，Q4.0的线圈“通电”，机械手下降;碰到下限位开关I0.1时，转换到夹紧步M2.1，Q4.1被置位，夹紧电磁阀的线圈通电并保持。同时接通延时定时器T0开始定时，定时时间到时，工件被夹紧，1S后转换条件T0满足，转换到步M2.2。以后系统将这样一步一步地工作下去，直到步M2.7，机械手左行返回原点位置，左限位开关I0.4变为1状态，因为连续工作标志M0.7为0状态，将返回初始步M0.0，机械手停止运动。

2.5.4单步工作过程
在单步工作方式，I2.2为1状态，它的常闭触点断开，“转换允许”辅助继电器M0.6在一般情况下为0状态，不允许步与步之间的转换。设系统处于原点状态，M0.5和M0.0为1状态，按下起动按钮I2.6，M0.6变为1状态，使M2.0的启动电路接通，系统进入下降步。放开启动按钮后，M0.6变为0状态。在下降步，Q4.0的线圈“通电”，当下限位开关I0.1变为1状态时，与Q4.0的线圈串联的I0.1的常闭触点断开（见图1-10输出电路最上面的梯形图），使Q4.0线圈“断电”，机械手停止下降。I0.1的常开触点闭合后，如果没有按起动按钮，I2.6和M0.6处于0状态，不会转换到下一步。一直要等到按下起动按钮，I2.6和M0.6变为1状态，M0.6常开触点接通，转换条件I0.1才能使图1-8中的M2.1的启动电路接通，M2.1的线圈“通电”并自保持，系统才能由步M2.0进入步M2.1.以后在完成某一步的操作后，都必须按一次起动按钮，系统才能转换到下一步。
图1-8中控制M0.0的起保停电路如果放在控制M2.0的起保停电路之前，在单步工作方式步M2.7为活动步时按起动按钮I2.6，返回步M0.0后，M2.0的起动条件满足，将马上进入步M2.0.在单步工作方式，这样连续跳两步是不允许的，将控制M2.0的起保停电路放在控制M0.0的起保停电路之前和M0.6的线圈之后可以解决这一问题。在图1-8中，控制M0.6（转换允许）的是起动按钮I2.6的上升沿检测信号，在步M2.7按起动按钮，M0.6仅ON一个扫描周期，它使M0.0的线圈通电后，下一扫描周期处理控制M2.0的起保停电路时，M0.6已变为0状态，所以不会使M2.0变为1状态，要等到下一次按起动按钮时，M2.0才会变为1状态。
图1-9 输出电路
2.5..5输出电路
出电路（见图1-9）是自动程序FC3的一部分，输出电路中I0.1~I0.4的常闭触点是为单步工作方式设置的。以下降为例，当小车碰到限位开关I0.1后，与下降步对应的存储器位M2.0或M2.4不会马上变为OFF，如果Q4.0线圈不与I0.1的常闭触点串联，机械手不能停止在下限位开关I0.1处，还会继续下降，对于某些设备，可能会造成事故。

2.6 自动返回原点程序
图1-10b 梯形图
图1-10a、b是自动回原点程序的顺序功能图和梯形图。在回原点工作方式，I2.1为1状态，按下起动按钮I2.6，M1.0变为1状态并保持，机械手上升，升到上限位开关时改为左行，到左限位开关时，I0.4变为1状态，将步M1.1和Q4.1复位。机械手松开后原点条件满足，M0.5变为1状态，在公用程序中，FC3的初始步M0.0被置位，为进入单周期、连续或单步工作方式作好了准备，因此可以认为初始步M0.0是步M1.I
的后续步。

图1-10a 顺序功能图

结束语
经过了一个月忙碌，我终于完成了《机械手PLC控制系统设计》的论文。从开始接到论文题目到系统的实现,再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在网络学习期间完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有许多感受，做论文的经历也会使我终生受益。我感受到论文是要真正用心去做的一件事情。是真正的自己学习的过程和研究的过程。但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。这次论文写作是对自己大学所学的一次检验，让我明白自己所学的还很浅薄，还不能灵活应用。
通过此次设计，一方面让我认识到自己的不足，发现了学习中的错误之处另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。经过这次的努力，使我顺利的完成了毕业设计。这份毕业设计既是对过去近三年所学知识的总结，又是自己知识的积累，也大大加深了对单技术的了解。

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致谢
此次设计是在陈老师的悉心指导下完成。陈老师为论文课题的研究提出了许多指导性的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。陈老师的严谨治学、不断探索的科研作风，敏锐深邃的学术洞察力，孜孜不倦的敬业精神，给我留下深刻的印象，使我受益良多。生活中陈老师就是我的朋友，她的态度让对生活有了新的认识。在本文结束之际，特向我敬爱的老师致以最崇的敬礼和深深的感谢!

参考文献
[1]胡成龙，何琼。PLC应用技术，湖北科学技术出版社，2008.
[2]王兆义，PLC在起重机控制中的应用；电工技术杂志；2000年11期
[3]梁景凯，盖玉先。机电一体化技术与系统。北京：机械工业出版社，2007
[4]廖常初，PLC基础及应用，北京：机械工业出版社，2004.
[5]廖常初，S7-300/400PLC应用技术，北京：机械工业出版社，2005.
[6]王红，《可编程控制器使用教程（第二版）》， 电子工业出版社 2007.7
[7]宋伯生编著，PLC系统配置及软件编程，中国电力出版社；2006.
[8]刘洪涛，黄海主编，PLC应用开发（从基础到实践），电子工业出版社。 目 录
第一章　项目概要 1
1.1 项目背景 1
1.2 项目建设内容与工期 2
1.3 投资估算和资金筹措 3
1.3.1投资估算 3
1.3.2 资金筹措方案 3
1.4 效益分析 4
1.4.1 经济效益 4
1.4.2 社会效益 5
1.4.3 生态效益 5
第二章 项目区概况 6
2.1 自然概况 6
2.2 社会经济状况 8
第三章 项目建设的必要性和可行性 10
3.1 项目区农业发展的制约因素 10
3.2项目建设的必要性 10
3.3 项目建设的可行性 13
第四章 水资源评价及水利工程设施 14
4.1 项目区水资源概况 14
4.2 水利工程措施 14
第五章 规划设计 18
5.1 指导思想 18
5.2 选项原则 18
5.3 建设标准 18
5.4 道路建设 19
5.5 建设规模 20
5.6 规划布局 20
第六章 开发任务与开发原则 22
6.1 开发任务 22
6.2 开发原则 22
第七章 投资估算与资金筹措 24
7.1投资估算 24
7.2 资金来源构成及筹措方案 24
第八章 综合效益分析 26
8.1 经济效益 26
8.2 社会效益 26
8.3 生态效益 26
第九章 组织实施和运行管护 28
9.1 组织机构设置 28
9.2 项目实施管理 29
9.3 运行管理和维护 29
第十章 环境影响与评价 31
10.1生态影响分析评价 31
10.2 环境质量影响分析评价 31
第十一章 可行性研究结论和建议 33
11.1 项目可行性研究的总体评价 33
11.2 主要污染物及治理措施 35
11.3 问题与建议 36