蘇州經貿職業技術學院畢業設計論文題目基于PLC的穿銷機械手控制系統設計完成人學號系名智能裝備系專業機電一體化指導老師郭秀華完成地點蘇州經貿職業技術學院起訖日期20171120183蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計9719208002摘要隨著社會的進步，科技的發展，我國的機械手行業在不斷地發展和完善中。在21世紀的生活中，穿銷機械手的應用越來越廣泛，已成為工廠中不可或缺的一部分。鑒于穿銷機械手在工廠中的廣泛運用，本文利用PLC為主控制器，設計了穿銷機械手的控制系統。因為PLC是自動化控制系統中最常使用的一種方法，PLC與傳統的繼電器邏輯控制系統相比較，具有體積輕巧、節能性好、良好的穩定性和靈活性等優勢所在。本文在了解了穿銷機械手工作情況之后，提出了穿銷機械手控制系統的總體設計方案，并且給出了該設計方案的硬件設計以及PLC控制的軟件設計。最后利用實驗室現有的設備對該設計進行了模擬調試。從調試的結果來看，該設計方案是可行的。關鍵詞穿銷機械手；控制系統；可編程控制器（PLC）；傳感器蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計9719208003目錄第1章穿銷機械手的概述411穿銷機械手的研究背景、目的和意義412機械手發展現狀413穿銷機械手的技術發展方向414本課題研究的內容5第2章穿銷機械手控制系統的總體設計方案621穿銷機械手的基本結構622穿銷機械手的工作流程623穿銷機械手控制系統的結構724穿銷機械手控制系統的控制要求7第3章穿銷機械手的硬件設計931PLC可編程控制器的選型932傳送電機的選型933氣缸的選型和工作原理1034電磁閥的選型1035傳感器的工作原理及選型1036穿銷機械手的控制裝置設計11第4章穿銷機械手的軟件設計1341穿銷機械手設計的軟件選擇1342穿銷機械手控制系統梯形圖1443穿銷機械手的模擬調試16結束語18致謝19參考文獻20蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計9719208004第1章緒論11穿銷機械手的研究背景、目的和意義隨著科技的不斷進步和發展，工業操作要求的不斷提高和工業操作對人危害系數的增加，美國一些科研人員在1958年發明了世界上第一臺機械手。之后，隨著工業的高速發展，機械手已經成為工廠前沿最主要的自動化設備之一。因此，機械手得到快速的發展，同時穿銷機械手也得到了飛躍的提升。到了現在，穿銷機械手不但成為每個工廠必備的自動化設備之一，而且成為衡量歸家經濟實力和科技水平的重要因素。目前穿銷機械手不僅在工廠里尤為普遍，而且在國家的高新技術發展中占有突出地位。加之穿銷機械手給工廠帶來越來越多利益和穿銷機械手越來展現出越來越多的優點在供電的情況下，穿銷機械手就可以不停歇的去工作，沒有疲憊感；穿銷機械手不畏懼各種困難險境，勇敢直前的完成預先設定的目標；穿銷機械手工作時抓重物的力氣也不會像人似的，隨著工作次數的增多而有所減弱。因此，有必要對穿銷機械手的性能和自由度不斷地提高和完善，才能更好適應工廠操作的需求。本文課題研究的穿銷機械手控制系統利用PLC作為主控制器，使機械手能夠自動完成各項工作，這對普通機械手是一次技術的飛躍，能夠推動穿銷機械手的發展，具有一定的經濟價值。12機械手發展現狀近年來，機械手一直是我國一個值得“傷心”的話題，畢竟我國在發明創造方面并沒有什么優勢，技術創新領域方面一直表現平平。生產機械手的企業也并不多，很多產品的生產技術還需要從外國引進，高科技技術仍然掌握在國際龍頭的手里。因此與國外相比較，機械手行業仍然屬于比較落后的局面，并不具備與國外相爭的實力。目前我國使用的機械手主要來自于三個國家日本、歐洲和中國。在日本生產的機械手中，安川、松下、川崎等深受中國工廠的深愛；歐洲主要是德國的KUKA和瑞典的ABB；還有一些工廠主要使用的是沈陽機械公司生產的機械手。機械手水平的研發和改造需要進一步提高，穿銷機械手的技術也需要迅速得到拓寬，尤其是在自動化設備的廣泛應用。現在，編程技術與定位技術相結合，使的整個自動化技術系統得到了更精準的控制，穿銷機械手的性能也更加可靠。柔性自動化生產線的迅速發展，使得對穿銷機械手提出了更高的要求。因此，提高穿銷機械手水平也是重中之重的事情。13穿銷機械手的技術發展方向穿銷機械手的技術發展方向主要從以下幾個方面著手1保證重復時的精確度重復時的精確度指的是穿銷機械手經過多次動作之后，仍然可以到達同樣的精確度。它是穿銷機械手進行定位控制的重要因素蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計9719208005之一，它主要由驅動器的分辨率和反饋裝置來決定。雖然重復時產生的誤差是隨機產生的，但是通過一定重復次數的探索，尋找規律，便可以通過程序來避免重復時精度造成的誤差。2節能化隨著科技的不斷發展和進步，新型材料的探索和研發，使得許多工廠可以達到無污染的目的。這不僅節省了潤滑油，而且保護了環境，還使整個系統更加簡單、操作更加方便。3多樣化隨著各種新型產品的出現和工作工藝難度的提升，使得穿銷機械手的類型不斷演變和增加。因此，機械手行業需要進一步開發各式各樣的穿銷機械手新產品來滿足不同工廠的需求。4簡單化穿銷機械手通過可編程控制器和傳感器等元器件的加入，使得穿銷機械手的操作更加方便、接線更加簡單、接線的數量比接繼電器的數量有了大幅度的減少、系統的可靠性也大大地增強。14本課題研究的內容本文主要從下列幾個方面對穿銷機械手控制系統加以研究1機械手類型的選擇機械手有著高效率、操作簡單的優點，本文主要研究穿銷機械手的控制系統。該系統主要選擇PLC控制，能夠實現放件、傳送、裝銷、傳送、報警等功能，這些功能的實現是由PLC來控制的，可以隨意修改。2穿銷機械手控制系統總體結構的設計本文通過對穿銷機械手的基本結構進行分析，根據穿銷機械手的控制要求給出了系統工作流程圖以及控制系統的程序流程圖。3穿銷機械手硬件設計穿銷機械手需要具備良好的穩定性，因此本文選用了穩定性較好的FX3U32MR的PLC作為主控制器，并根據實際要求繪制了PLC的外部硬件接線圖。4穿銷機械手軟件設計本文選用了目前應用最為廣泛的梯形圖作為編程語言，它能夠直觀明了的設計出機械手的控制要求。蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計9719208006第2章穿銷機械手控制系統總體設計方案21穿銷機械手的基本結構穿銷機械手按驅動方式大概分為液壓式、氣動式、電動式、機械式。在本文中，主要研究液壓式穿銷機械手。圖21為液壓式穿銷機械手的基本結構圖，液壓式穿銷機械手主要由手部、手臂和軀干組成。手部是與工件直接接觸的部件，主要作用是夾持部件。手臂是用來引導抓住部件傳送到指定位置上，并利用穿銷機械手的3個精確度，使得穿銷機械手能夠準確到達指定地點。驅干位于穿銷機械手的底部，其結構緊湊、結構靈活、抗干擾能力強，但其液壓元器件精確度要求高，密封性要好。S1托盤檢測，S2銷釘檢測，S3銷釘氣缸復位，S4銷釘氣缸至位，S5止動氣缸至位，S6止動氣缸復位，C1止動氣缸，C2銷釘氣缸，M1傳送電機，YV1止動氣缸電磁閥，YV2銷釘氣缸電磁閥，HL1紅色指示燈，HL2綠色指示燈。圖21液壓式穿銷機械手的基本結構圖22穿銷機械手的工作流程穿銷機械手的工作流程主要分為以下幾個步驟放部件、傳送、裝銷、傳送、報警等功能，如圖22所示1、放部件將釘梢零件放到傳送帶的托盤上；2、傳送系統啟動后，電動機驅送傳送帶轉動并保持運行，使得托盤到達定位口；3、裝銷啟動裝銷裝置，使工件主體與蓋上的主體連接裝配；4、傳送銷釘裝配好后，經過傳送帶送到指定位置；5、報警若本站銷釘被連續擊穿3次，傳感器都沒有檢測到銷釘傳入，則報警器報警。蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計9719208007圖22穿銷機械手的工作流程23穿銷機械手控制系統的結構穿銷機械手控制系統主要由以下幾個元器件組成PLC（可編程控制器）、傳送電機、止動氣缸電磁閥、銷釘氣缸電磁閥、銷釘氣缸、止動氣缸、傳感器。1、PLC（可編程控制器）PLC主要是通過程序員預先編寫的程序，對穿銷機械手進行指揮、控制，完成各項任務,因此，PLC可以看做穿銷機械手的大腦。2、傳送電機主要目的是把部件傳送到指定的地點，具有輸送功率大、大載量等優點。3、止動氣缸、銷釘氣缸止動氣缸主要是使限位桿落下將托盤放行，而銷釘氣缸除了執行裝銷動作之外，還需要自動退回。4、傳感器銷釘傳感器主要用于檢驗產品的有無和被傳入的次數，而托盤傳感器的目的是檢驗是否有產品。5、止動氣缸電磁閥、銷釘氣缸電磁閥兩者都是利用電磁線圈產生的磁場來拉動閥芯，從而改變閥門的通斷。24穿銷機械手控制系統的控制要求根據穿銷機械手控制系統的要求，編制的程序流程圖如圖23所示初始狀態為直線傳送電機處于停止狀態；銷釘氣缸處于原位（即旋轉推筒處于退回狀態）；限位桿豎起禁行，工作指示燈熄滅。系統啟動運行后本單元紅色指示燈發光；直線電機驅動傳送帶開始運轉且始終保持運行狀態（分單元運行時可選用與PLC運行/停止同狀態的特殊繼電器保持直線傳送電機的運行狀態）。系統運行期間的動作過程如下1、當托盤載工件到達定位口時，托盤傳感器發出檢測信號，且確認無銷釘信號后，綠色指示燈亮，紅色指示燈滅，經3S確認后，銷釘氣缸推進執行裝銷釘動作；2、當銷釘氣缸發出至位檢測信號后結束推進動作，延時2S后自動退回；3、氣缸退回至復位狀態且接收到銷釘檢測信號后，進行2S延時，止動氣缸動作使限位桿落下將托盤放行。（若銷釘安裝為空操作，2S后銷釘檢測傳感器仍無信號，銷釘氣缸再次推進執行安裝動作，直到銷釘安裝到位）。4、放行3S后，限位桿豎起處禁行狀態，綠色指示燈滅，紅色指示燈亮。系統回復初始狀態。本站銷釘連續穿3次后，傳感器還未檢測到有銷釘穿入，報警啟動加載工件傳送裝銷傳送穿孔檢測若檢測大于3報警蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計9719208008器報警，此時應在銷釘下料倉內加入銷釘。圖23穿銷機械手控制系統程序流程圖蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計9719208009第3章穿銷機械手的硬件設計31PLC可編程控制器的選型可編程控制器（PROGRAMMABLELOGICALCONTROLLER簡稱PLC），已經普遍出現在工業控制系統中，并且在自動化產業中占主導地位。PLC主要由寄存器、中央處理器、I/O接口、擴轉接口電路、通訊等組成。PLC在機型選擇上一般要滿足以下要求PLC輸入輸出端子口量要比估算量多出10到20；由于不同的PLC在編程語言有所差異，因此選擇自己熟悉編程語言的PLC；用戶的存儲容量一般要比所存容量大10到15倍。現代PLC的優點1、結構緊湊、應用靈活、功能完善；2、速度快、可靠性高、價格低廉；3、易操作、適用性強、抗干擾能力強；4、維護方便、容易改造；通過對穿銷機械手功能的分析并結合PLC在機型上選擇的原則，以及FX3U系列的PLC在小型控制系統中具有突出的優勢。因此，本設計課題所選用的PLC因此，本文選用穩定性較好的日本三菱公司生產的FX3U32MR的PLC來實現此功能，如圖31所示。圖31FX3U32MRFX3U系列PLC的特點1中央處理的速度提升到0065US/基本指令；2高速脈沖輸出口增加到3個；3在使用通訊的情況下，最多可以連接8臺PLC4對于數據寄存器可以使用位指令，例D005對用模擬量使用UG來代替繁瑣的FROM和TO指令。32傳送電機的選型傳送電機的作用主要是使部件到達指定的位置，因此傳送電機的選型尤為重要。根據作業對穿銷機械手的要求來看，本文需要選擇的傳送電機應具備傳送距離精確、噪音微弱、安全可靠性高等工作優點。為了使部件在傳送帶不太大的范圍進行平滑調速，應選擇功能性較好的線性電機；從利益和價格來看，電機的轉速越低、尺寸越大，價格也越昂貴，因此盡量選用高速電機。綜合以上因素考慮，本文選用37KW,額定電壓380V的三相立式電機，如圖蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計9719208001032所示。圖32三相立式電機33氣缸的選型和工作原理對于以PLC作為主控制器的穿銷機械手而言，氣缸的選擇也是至關重要的，這會直接影響到裝銷工作的進程、和裝銷工作的質量。氣缸所采用的是氣動技術以壓縮空氣的能量轉化為機械能的傳動裝置。而在本文中氣缸主要應用于部件的的推送和退回，應選擇活塞雙作用氣缸，如圖33所示。圖33活塞雙作用氣缸活塞雙作用氣缸主要由缸體、工作臺、活塞、活塞桿組成。主要特點是氣缸因兩端活塞直徑相等，而使活塞兩側面積相等、流量相同，其往返運動時運動速度也相等。34電磁閥的選型電磁閥主要由固定鐵芯、動鐵芯、線圈等部件組成。當線圈通電或斷電時，磁芯的運轉將導致閥體或被切斷以達到開關或改變流體方向的目的。根據電磁閥的可靠性、安全性、經濟性原則，本文選擇兩位三通式電磁閥，如圖34示。圖34兩位三通式電磁閥35傳感器的工作原理及選型傳感器（TRANSDUCER）是一種能夠感受把非電量信息（溫度、壓力、流量）按照一定規律轉化成電信號或者其它所需形式的信息輸出。一般由敏感元件、傳感元件和測量轉換電路組成，傳感器的工作流程圖如35所示。非電量被測量非電量敏感元件傳感器元件電參量測量電路轉換蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計97192080011圖35傳感器的工作流程圖根據穿銷機械手的分析并結合設計要求，本文選擇型號為S185K的光電式傳感器進行信號的檢測，如圖36所示。圖36光電式傳感器36穿銷機械手的控制裝置設計穿銷機械手控制裝置的硬件由以下幾個部分組成可編程控制器（PLC）、傳送電機、銷釘檢測、托盤檢測、銷釘氣缸至位、銷釘氣缸復位、止動氣缸止位、止動氣缸至位、手動/自動按鈕、啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕、復位按鈕、止動氣缸、綠色指示燈銷釘氣缸、傳送電機、紅色指示燈、蜂鳴器報警等部件組成，其I/O地址分配表如表31所示。表31穿銷機械手的I/O地址分配表序列名稱PLC地址編號1銷釘檢測X0S22托盤檢測X1S13銷釘氣缸至位X2S44銷釘氣缸復位X3S35止動氣缸止位X4S56止動氣缸至位X5S67手動/自動按鈕X10SA8啟動按鈕X11SB19停止按鈕X12SB210急停按鈕X13SB3輸入11復位按鈕X14SB41止動氣缸Y0C12綠色指示燈Y1HL23銷釘氣缸Y2C24傳送電機Y3M15紅色指示燈Y4HL16蜂鳴器報警Y16HA1輸出7蜂鳴器報警Y17HA2根據穿銷機械手控制系統的I/0地址分配表，繪制了PLC和氣缸的外部接線圖。如圖37所示蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計97192080012圖37PLC和氣缸外部接線圖蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計97192080013第4章穿銷機械手的軟件設計41全穿銷機械手設計的軟件選擇梯形圖作為PLC編程中使用最為頻繁的編程語言，被稱為PLC第一編程語言。梯形圖延續了繼電器控制電路基礎，對常用的繼電器、接觸器的符號進行了簡化，同時也增加了許多強大的指令，使得編程更加簡單，、容易，實現功能更加多樣。梯形圖程序編程語言有以下幾個特點1梯形圖語言形象、具體、直觀、使用；2很容易被電氣技術人員接受，也是目前最受歡迎的PLC語言；3在PLC程序中，左右母線類似于實物中的電源線，輸出線圈類似于負載，常開常閉相當于按鈕；4梯形圖的語言指令強大復雜，一種動作可以用很多指令來寫達到同樣的效果；5梯形圖按照從上到下，從左到右的原則執行。在編寫梯形圖程序的過程中應該遵循以下幾個編程原則1用經驗法編寫梯形圖時，要避免雙線圈的輸出（即輸出繼電器只能出現一次），但在SFC編寫過程中可以多次出現；2梯形圖編寫時都要遵循從左母線開始編程，對于多次出現的線圈可以用中間繼電器M代替；3在編寫程序時要注意數據寄存器的位數（16位和32位），若為32位則在指令前加D，否則會造成數據的溢出；4在使用SFC編寫梯形圖程序時，必須要以RET和END作為結束語的標志。在本課題的軟件選擇上，運用了三菱公司的GXWORKS2梯形圖編程軟件來實現，其GXWOKS2軟件編程界面如圖41所示圖41GXWORKS2編程軟件界面蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計9719208001442穿銷機械手控制系統梯形圖根據穿銷機械手控制系統的控制要求和程序流程圖，編制的梯形圖如圖42所示蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計97192080015蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計97192080016圖42梯形圖43穿銷機械手的模擬調試根據穿銷機械手控制系統的I/0分配表，PLC與燈泡的外部接線圖，利用實驗室現有的設備對PLC的硬件和軟件進行了現場的接線，然后進行了模擬調試。在調試過程中，遇到的問題進行了逐一排除，直至調試成功。調試現場的程序監視圖如圖43所示43調試現場的監視圖1、通訊測試打開GXWORKS2軟件選擇工程中的新建工程選擇PLC類型（FXCPU3U）接著在頁面上雙擊【連接目標】再接著要把PLCCOM口改成與自己電腦安裝驅動COM相同最后點擊通訊測試即可。連接目標設置如圖44所示2、梯形圖寫入PLC等編寫好程序后，點擊【在線】中的【PLC寫入】，在對話框中根據所需設置要求在對應對話框中打鉤，并執行。這樣便可以完成GXWORKS2的程序寫入。3、程序調試將PLC操作面板上的小撥動開關由STOP撥到RUN的位置，再使用快捷鍵F3使程序界面進入監視模式，即開始運行PLC。然后根據本課題所需要設計的內容進行一步步的測試，在測試過程中，若遇到PLC動作與設計內容相沖突的情況，則需要通過程序中的寫入對程序進行一次又一次的修改，直至程序的準確無誤。蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計97192080017圖44連接目標設置蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計97192080018結束語時光飛逝，轉眼便進入大學生寫論文的季節。經過幾個月的艱苦奮斗，我的畢業設計終于圓滿完成。在沒有接觸到畢業設計之前我便對他充滿了恐懼和膽怯（在我上大學期間就聽到寫論文的學長說“大學最痛苦的事情便是寫論文”）。但是通過這次畢業設計使我懂得了許多道理只要肯努力付出，就一定會有回報；在遇到困難時，只要不退縮，勇敢直前，直面困難，你就有成功的一天；團結合作會使你的工作變得更加完美、效率有所提高通過本次畢業設計，使我懂得了學習一個東西要學習他的整套系統，而不能只單單專攻一個方面。在本次設計中，讓我認識到自己仍有很多不足之處，需要學習的東西很多很多，學習的心態也要慢慢去改變，不能再想以前一樣狂妄自大什么都會，而應該認真聽見，虛心采納。本次畢業設計是我在大學生涯里所做的最后一件事情，不僅可以讓我對以往所學的知識有所回顧，而且讓這些知識得到了升華所學的東西可以組成一個系統來做一件事情。在此期間，我對自己AUTOCAD軟件的運用、快捷鍵的命令有了新的理解，繪圖能力也有所提升；PLC方面，我對指令的使用更加運用自如、編程修改的次數越來越少、編程速度也有所加快。在三年的大學生活中，我不僅參加了學校的社團活動，還增加了社會經驗（做了各種各樣的兼職）。在這三年中，我很慶幸遇到了很多知心朋友和良師，他們無論在學習、生活還是其他方面，都給我很大幫助，讓我在一個溫暖陽光的校園中度過。大學之情感謝之詞華麗的言辭無以表達，使用最樸實的“謝謝”兩字致以最高的敬意。“長風破浪會有時，直掛云帆濟滄海”，這是我高中老師贈送我的一句詩。用這句話來作為我基本課題設計的結束語，也代表著大學生活的結束，工作生活的開始。只要夢想在，奮斗在，困難算什么，我們依就可以把它踩在腳下，直達勝利的彼岸。蘇州經貿職業技術學院畢業設計定制PLC/單片機畢業設計,選擇圓夢設計97192080019致謝通過幾個月的忙綠和學習，本次畢業設計已接近尾聲，作為一個大學生，初寫畢業論文，難免會遇到很多問題，會有很多細節考慮不到，在這里我要衷心感謝郭老師