1、內容摘要系統的自動控制部分主要由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分主要是由步進電機、傳感器、繼電器等硬件來完成本單元的動作。軟件部分主要運用了CAD、PLC和組態王等軟件工具。在這次設計中利用PLC編程來完成機械手單元整個動作。其中對單元操作進行了分步：如，繪制硬件連線、整個單元的流程圖、用CAD軟件繪制平面圖、用組態王來描述機械手動作的整個過程。本單元只是現場總線的其中一部分，但是它完全體現出了現場總線的優點。第一章是概述，第二章是在這次設計中所用到的工具軟件，第四、五章就是本次設計的重點。通過這次設計，讓我更深入的了解了自己所學專業。由于時間倉促、水平有限，其中有許多不足之處在所難免，敬請老

2、師批評指正，給予多多指導。關鍵詞：可編程控制器PLC; 機械手; 工作原理目 錄第一章 緒 論 21.1 研究意義現狀分析及其意義 21.2 機械手的發展趨勢.優點及其應用3第二章 系統設計中的應用軟件62.1 PLC軟件62.2 CAD軟件72.3 組態王軟件7第三章硬件部分10第四章 軟件部分16第五章 組態部分18第六章 結 論 22致 謝23參考文獻 24第一章 緒 論可編程序控制器(PLC)已在工業生產過程的自動控制中得到了廣泛的應用。它是以微處理器為核心,綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術發展起來的一種通用的自動控制裝置,它具有結構簡單、易于編程、性能優越、可靠性高、靈活通用和

3、使用方便等一系列優點;氣動技術也是實現工業自動化的重要手段,并且已廣泛地應用于各工業部門,在機械產品自動化、工業自動化及企業技術改造方面占有重要的地位。氣壓傳動的介質來自于空氣,環境污染小,工程容易實現。機械手在工業自動化生產中得到了很好的利用,它可減少人的重復操作,并且它還可以完成人無法完成的操作,從而大大地提高工業生產效率。人們一般的理解來看，機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機器，它有三個特點，一個是有類人的功能，比如說作業功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動作，它還有一個特點是根據人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它

4、的工作、動作、工作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機器或機械電子裝置。到目前為止，工業機器人是最成熟，應用最廣泛的一類機器人，世界總量目前已經銷售110萬臺，這是1999年的統計，但這110萬臺在已經進行裝備使用的是75萬臺，這個量也是不小的。總體情況看，日本在工業機器人這一塊，是首位的，成為機器人的王國，美國發展也很迅速，目前在新安裝的臺數方面，已經超過了日本，中國剛開始進入產業化的階段，已經研制出多種工業機器人樣機，而有小批量在生產中使用，這也是整個在日本、美國以及我們國家在工業機器人情況的一些比較。1.1 研究意義現狀分析及其意義工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備

5、。工業機械手的是工業機器人的一個重要分支。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。我國現有機器人研究開發和應用工程單位200多家 ,其中從事工業機器人研究和應用的有75家 ,共開發生產各類工業機器人約800臺 ,90%以上用于生產中 ,引進工業機器人做應用工程的約500臺。計算機控制系統是在自動控制技術和計算機技術發展的基礎上產生的。在經濟全球化的浪潮中，降低人力成本，提高生產率，縮短訂單處理時間等已成為生產企業的不斷追求。為了達到這一目標，它們越來越依賴于新一代的硬件和軟件系統。近年來，由于個人計算機（簡稱PC）的高速

6、率和對硬件與軟件的幾乎無限制的開放，使得PC的應用迅猛增長。將PC機CPU的高速處理性能和良好的開放性引入到計算機控制領域，形成了基于PC的控制系統。隨著計算機控制技術在機械手應用中的不斷深入，具有獨立控制器、程序可變、動作靈活、定位精度高、適用于可變換品種中小批量自動化生產的通用機械手得到迅速發展。各國大企業工業機械化生產過程不同程度實現了工業機械手的計算機控制。1.2 機械手的發展趨勢、優點及其應用工業機械手的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。它能部分地代替人工操作；能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來

7、完成工件的傳送和裝卸；能制作必要的機具進行焊接和裝配從而大大改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產率，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。廣泛采用工業機械手，不僅可以提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節約原材料消耗以及降低生產成本，有著十分重要的意義。工業生產上應用的機械手，由于使用場合和工作要求的不同，其結構型式亦各不相同，技術復雜程度也有很大差別。但它們都有類似人的手臂、手腕和手的部分動作及功能；一般都能按預定程序，自動地、重復循環地進行工作。此外，還有些

8、非自動化的裝備，具有與人體上肢類似的部分動作，結構上與工業機械手是一致的，亦可歸屬于工業機械手的范疇。例如，早期就有一種由人直接用繩索牽引進行操作的隨動機械手和近期發展起來的由人工進行操縱的機械手（如平衡吊），以及一些就近按鈕控制或遙控的非全自動的單循環的機械手等。機械手的總體設計要進行全面綜合考慮，盡可能使之做到結構簡單、緊湊、容易操作、安全可靠、安裝維修方便、經濟性好。機械手在工業生產中的應用，幾乎遍及各行各業。歸納起來，大致有如下幾個方面： 1合單機實現自動化 生產上出現的許多高效專用加工設備（如各種專用機床等），如果工件的裝卸等輔助作業，繼續由人工操作，不僅會增加工人勞動強度，同時亦不

9、能充分發揮專用設備的效能，必然會影響勞動生產率的提高。若采用機械手代替人工上、下料，則可改變上述不相適應的情況，實現單機自動化生產，并為實現多機床看管提供了條件。如：自動機床及其上下料機械手、沖壓機械手、注塑機及其取料機械手等。 2組成自動生產線 在單機自動化的基礎上，若采用機械手自動裝卸和輸送工件，可使一些單機連接成自動生產線。目前在軸類和盤類工件的生產線上，采用機械手來實現自動化生產尤為廣泛。如：軸類加工自動生產線及其上下料機械手、盤類加工自動生產線及其機械手、齒輪加工機床的上下料機械手等。 3高溫作業自動化 在高溫環境下作業（如熱處理、鑄造和鍛造等），工人的勞動強度大，勞動條件差，采用機

10、械手操作，更具有現實意義。如汽車鋼板彈簧淬火機械手、壓鑄機用澆鑄機械手等。 4操作工具 用機械手握持工具，在高溫、粉塵及有害氣體環境下進行自動化操作，可以使人脫離惡劣的勞動條件，并減輕勞動強度，提高勞動生產率和保證產品質量。如汽車車身等薄鋼板的點焊工藝、自動噴漆或自動噴丸清砂工作等。 5進行特殊作業 在現代科學技術中，原子能的應用，海底資源的開發，星際探索等等都已為人們所熟悉。但放射性輻射，或海底、宇宙等環境，常常是人體不能直接接觸或難以接近的，采用遙控機械手代替人們進行這種作業，既能完成這些特殊作業，又能長時間地安全地進行工作，成為人類向新的自然領域進軍的一種有效手段。 實踐證明：工業機械手

11、可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和生產自動化水平。工業生產中經常出現的笨重工件的搬運和長期、頻繁、單調的操作，采用機械手是有效的；此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環境條件下進行操作，更顯示其優越性，有著廣闊的發展前途。總之，工業機械手的應用在工業生產中是多方面的，為了使機械手能發揮它的更多的作用，還應注意發展其他的輔助設備與之配合。 第二章 系統設計中的應用軟件2.1 PLC軟件2.1.1 PLC的結構PLC是微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物，從廣義上講，plc也是一種計算機系統，只不過它比一般計算機具有更強的與工業

12、過程相連接的輸入/輸出接口，具有跟適合于控制要求的編程器，具有個適合與工業環境的抗干擾性能。因此，plc市一中工業控制用的專用計算機，它的實際組成于一般微型計算機系統基本相同，也是硬件系統和軟件系統兩大部分組成。圖2.1 plc結構示意圖2.1.2 PLC的工作原理PLC與繼電器構成的控制裝置的重要區別之一就是工作方式不同，繼電器控制是并行運行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點立即動作，只要形成電流通路，就有可能有幾個電器同時動作。而PLC則不同，它采用循環掃描技術，只有該線圈通電或斷電，并且必須當程序掃描到該線圈時，該線圈觸點才會動作，而且每次它只能執行一條指令，這也就是說PLC以

13、“串行”方式工作的，這種工作方式可以避免繼電器控制的觸點競爭和時序失配等問題。也可以說，繼電器控制裝置是根據輸入和邏輯控制結構就可以直接得到輸出，而PLC控制則需要輸入傳送、執行程序指令、輸出3個階段才能完成控制過程。 2.2 CAD軟件CAD（計算機輔助設計）技術是隨著計算機及其外圍設備，計算機軟件的迅速發展而形成的一門新興技術，是電子信息技術與產業工程技術的結晶。CAD技術及其應用程度已成為衡量一個國家科技現代化和現代制造業水平的重要標志。隨著微型計算機技術的迅速發展，CAD系統已開始從小型計算機向微型計算機轉化，從而使CAD技術能在企業中被廣泛采用，并產生了巨大的經濟效益。在機電、建筑、

14、藝術設計等行業，AutoCAD軟件在全球各種CAD軟件中獨占鰲頭。它具有易于掌握、使用方便、體系結構開放的特點。根據當今計算機硬件及軟件的發展狀況，預計CAD技術今后將在以下幾個方面進行重點研究，并有望取得進展：CAD系統的智能化；CAD系統的集成化；CAD系統的標準化；CAD系統的可視化（包括虛擬設計）；網絡化的CAD系統。CAD技術的首要任務是為產品設計和生產對象提供方便、高效的數字化表示和表現（Digital Representation and Presentation）的工具。數字化表示是指用數字形式為計算機所創建的設計對象生成內部描述，象二維圖、三維線框、曲面、實體和特征模型；而數

15、字化表現是指在計算機屏幕上生成真實感圖形、創建虛擬現實環境進行漫游、多通道人機交互、多媒體技術等。CAD的概念不僅僅是體現在輔助制圖（圖形實現）方面,它更主要地起到了設計助手的作用，幫助廣大工程技術人員從繁雜的查手冊、計算中解脫出來。極大地提高了設計效率和準確性，從而縮短產品開發周期、提高產品質量、降低生產成本，增強行業競爭能力。2.3 組態王軟件組態王開發監控系統軟件是新型的工業自動控制系統正以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統，它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。通常可以把這樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層三個層次結構。其中監控層對下

16、連接控制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監測與控制，且在自動控制系統中完成上傳下達、組態開發的重要作用9。尤其考慮三方面問題：畫面、數據、動畫。通過對監控系統要求及實現功能的分析，采用組態王對監控系統進行設計。組態軟件也為試驗者提供了可視化監控畫面，有利于試驗者實時現場監控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式、數據鏈接功能。1.使用組態王實現控制系統實驗仿真的基本方法：(1)圖形界面的設計(2)構造數據庫(3)建立動畫連接(4

17、)運行和調試2.使用組態王軟件開發具有以下幾個特點:(1)實驗全部用軟件來實現,只需利用現有的計算機就可完成自動控制系統課程的實驗,從而大大減少購置儀器的經費。(2)該系統是中文界面,具有人機界面友好、結果可視化的優點。對用戶而言,操作簡單易學且編程簡單,參數輸入與修改靈活,具有多次或重復仿真運行的控制能力,可以實時地顯示參數變化前后系統的特性曲線,能很直觀地顯示控制系統的實時趨勢曲線,這些很強的交互能力使其在自動控制系統的實驗中可以發揮理想的效果。3.在采用組態王開發系統編制應用程序過程中要考慮以下三個方面:(1)圖形,是怎樣用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業現場和相應的工控設備。(2)數據,

18、就是創建一個具體的數據庫,并用此數據庫中的變量描述工控對象的各種屬性,比如水位、流量等。(3)連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現場設備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。第三章硬件部分31可編程程序控制器的硬件系統（1）微處理器單元中央處理器（CPU）是PLC的核心部分，它包括微處理器和控制接口電路，微處理器是plc的運算控制中心，有他實現邏輯運算，協調控制系統內部各部分的工作。它的運行式按照系統程序所賦予的任務進行的。它通過系統總線與用戶存儲器、輸入/輸出（I/O）、通信端口等單元相連。通過制造廠家預制在系統存儲器內部的系統程序完成各項任務。其主要功能是由編程器寫入控制程序和

19、數據到存儲器、調用系統程序對用戶程序進行編輯或編譯并把相應的操作數轉存到內存中去、從存儲器上讀取和執行程序，還可以進行PLC內部故障的診斷等。（2）存儲器根據存儲器存儲內容的不同，我們把存儲器分為：系統程序存儲器：用來存放系統程序的存儲器。系統程序相當于計算機操作系統，主要包括檢查程序、編譯程序和監控程序，是PLC廠家根據選用的CPU的指令系統編寫的，并固化到ROM里，用戶不能修改其內容。用戶程序存儲器：用來存放用戶根據控制要求編制的程序。不同類型的PLC，其存儲容量也不一樣。數據存儲器：用以存放PLC運行中的各種數據的存儲器。因為運行中數據不斷變化，所以這種存儲器必須可讀寫。（3）輸入/輸出

20、（I/O）單元輸入/輸出（I/O）單元是PLC與外部設備連接的紐帶。輸入單元接收現場設備向PLC提供的開關量信號，經過處理后，變成CPU能夠識別的信號。輸出單元將CPU的信號經處理后來控制外部設備的。（4）電源部分電源單元數plc的電源供給部分。它的作用是把外部供應的電源變成系統內部個單元所需的電源，有的電源單元還想提供直流電源，給與開關量輸入單元連接的現場但愿開關使用。電源還包括掉電保護電路和后被電池。以保持ram在外部電源后存儲的內容不丟失，PLC的電源議案賽用開關電源，其特點是輸入電壓范圍寬，體積小，質量輕，效率高。抗干擾型好。斷電不同型號的PLC有不同的供電方式，所以PLC電源的輸入電

21、壓既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。PLC內部使用的電源是整體的供給中心，它的優劣直接影響到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用開關式穩壓電源供電。（5）通信端口PLC的CPU模塊上至少有一個通信端口。通過這個通信端口，PLC可以直接和編程器或上位機相連。（6）編程器幾乎每個PLC廠家都有自己的編程器。用戶通過編程器來編寫控制程序，并通過編程器接口將自己的控制程序輸入到PLC。它還可以在線檢測程序的運行情況。（7）特殊功能單元主要包括模擬量輸入/輸出單元、遠程I/0模塊、通信模塊、高速計數模塊、中斷輸入模塊和PID調解模塊等。隨著PLC的進一步發展，特殊功能單元的應

22、用也越來越多。警燈直流減速電機圖3.1機械手的主視圖雙作用氣缸雙作用氣缸雙作用氣缸圖3.2機械手的側視圖表3.1 機械手工作所用電機及傳感器序號名 稱型 號數量廠商1直流減速電機70ZYNJ 55r/min3國產2繼電器MY2N-DC24V6歐姆龍3雙作用氣缸19203 DSNU-16-100-PA1費斯托4單向截流閥197578 GRLA-M5-QS-6-D2費斯托5舌簧開關164595 SMEO-4-K-LED-24-B2費斯托6行程開關安裝附件19275 SMBR-162費斯托7截止閥162807 HE-1/4-D-MINI1費斯托8單電控電磁閥173127 MEH-5/2-1/8-B1

23、費斯托9"1"型螺紋接頭153002 QS-1/8-63費斯托10"1"型螺紋接頭153005 QS-1/4-81費斯托11"1"型螺紋接頭153003 QS-1/4-61費斯托12消音器2307 U-1/82費斯托13警燈TH-DC24V 1國產14微動開關12國產直流減速電機作用：其作用就是在保證精密傳動的前提下，主要被用來降低轉速增大扭矩和降低負載/電機的轉動慣量比。繼電器作用：用小電流或低電壓或小功率控制大電流或高電壓或大功率的設備。雙作用氣缸作用：可以在活塞的兩個面上施力以控制其主動運動可以雙向作用的氣缸叫雙作用的。單向截流

24、閥作用：當截流閥關閉、氣源截流的同時，氣動系統中的氣壓次壓側壓力將通過截流閥的排氣孔排空，方便系統的調試與維修。截止閥作用：截止閥只適用于全開和全關，不允許作調節和節流。截止閥屬于強制密封式閥門，所以在閥門關閉時，必須向閥瓣施加壓力，以強制密封面不泄漏。單電控電磁閥作用：單電控電磁閥，線圈通電氣缸打開,線圈釋電后氣缸關閉。微動開關作用：微動開關是一種施壓促動的快速開關，又叫靈敏開關。其工作原理是外機械力通過傳動元件（按銷、按鈕、杠桿、滾輪等）將力作用于動作簧片上，并將能量積聚到臨界點后，產生瞬時動作，使動作簧片末端的動觸點與定觸點快速接通或斷開。降臂檢測 后退電機1 抬臂檢測 前進電機1順轉檢

25、測 順轉電機1逆轉檢測 逆轉電機1 工件檢測1 降臂止動氣缸復位1 抬臂止動氣缸至位1 直流電池吸鐵1后推限位1前進限位1 止動氣缸1手動/自動按鈕1 工作指示燈1啟動按鈕1停止按鈕1急停按鈕1圖33電路連接圖第四章 軟件部分機械手電氣控制系統，除了有多工步特點之外，還要求有連續控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表機械手工作的流程(1) 首先進行機械手的伸縮、升降、轉盤和抓手的重啟動和原點搜索物體(2) 機械手的伸縮臂向前，同時轉盤逆時針旋轉，一直分別運行到逆時針限位點(3) 機械手下降，一直到下降到下限到位(4) 抓手電磁閥啟動，抓手抓緊，抓起貨物A(5) 機械

26、手的升起到上限到位(6) 機械手的轉盤順時針旋轉到順時針到位(7) 機械手下降到下降到位(8) 抓手電磁閥再次啟動，抓手放松，貨物A放下(9) 再次對機械手的升降進行原點搜索(10) 機械手的伸縮臂、轉盤進行原點搜索，全部復位。 電源啟動原點搜索手臂逆時針旋轉手臂下降逆時針到位搜索到位位下降到位抓手抓緊手臂順時針旋轉手臂下降抓手轉手到位順時針到位手臂抬起到位抓手放松到位抓手放松下降到位手臂抬起復位圖4.1流程圖第五章 組態部分本章中主要用組態王設計了機械的簡圖及其工作時候的指示燈的指示情況，組態王開系統軟件是新型的工業自動控制系統正以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系

27、統，它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。通常可以把這樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層三個層次結構。其中監控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監測與控制，且在自動控制系統中完成上傳下達、組態開發的重要作用，尤其考慮三方面問題：畫面、數據、動畫。通過對監控系統要求及實現功能的分析，采用組態王對監控系統進行設計。組態軟件也為試驗者提供了可視化監控畫面，有利于試驗者實時現場監控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式、數據鏈接功能。 汽缸動作結束，抓取到工件汽缸動作，抓取工件工件到位plc啟動移動至抓取點上方移動至抓取點汽缸動作，放置工件移動至放置點上方移動至原點移動至放置點汽缸動作結束，放置工件圖5.1動作流程圖下面是機械手畫面和工作指示情況的截圖 圖5.2 機械手 圖5.3 工作情況隨著