1、機電一體化系統設計課程設計說明書題 目 機械手PLC控制系統設計 機械工程 系 機械設計制造及其自動化 專業 0805班 10號學生姓名 彭交清 . 指導教師 伍新 吳晨曦 .完成日期 2011年11月23日 .湖南工程學院機械工程系湖南工程學院課程設計任務書設計題目： 機械手PLC控制系統設計 姓名 系別 機械工程 專業 機械設計 班級 08級 學號 指導老師 伍 新 吳晨曦 教研室主任 陳小異 一、設計要求及任務1設計要求（1）用PLC進行控制；（2）自動循環工作方式；（3）有必要的連鎖保護。2設計任務（1）繪制工作流程框圖或順序功能圖；（2）繪制PLC的硬件接線圖；（3）相關元器件的計算

2、與選型，制定元器件明細表；（4）編寫全程序梯形圖或指令表，并通過調試；（5）編寫設計說明書。二、進度安排及完成時間1設計時間：兩周，2011年11月 13日至2011年11月25日。2進度安排第12周：布置設計任務，查閱資料，熟悉設計要求及任務，軟硬件設計。第13周：調試程序，整理資料，撰寫設計說明書，答辯，交設計作業。（打印稿及電子文檔）。目 錄摘要1 一引言2二機械手的工作原理8 （一）機械手的概述8 （二）機械手的工作方式8三機械手控制的硬件設計10 （一）輸入和輸出點分配表及原理接線圖 10四.控制程序 11 （一）通用部分梯形圖設計11 （二）手動操作梯形圖11 （三）返回原位流程圖

3、12 （四）返回原位梯形圖13（五）“自動”狀態梯形圖13（六）“自動”狀態流程圖15（七） 搬運機械手PLC控制梯形圖及指令表16五總結與評價20六致謝21參考文獻22摘要:伴隨著機電一體化在各個領域的應用，機械設備的自動控制成分顯得越來越重要，由于某些工作環境如高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度。機械手是工業機器人系統中傳統的任務執行機構。其中工業機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術,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、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；能整理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。本設計

4、采用三菱Q系列PLC作為控制機對工業機械手進行控制及監控。關鍵詞：可編程控制器PLC;機械手;伺服馬達一、 引言1.1可編程控制器PLC，它是20世紀70年代以來，在集成電路、計算機技術基礎上發展起來的一種新型工業控制設備。由于它具有功能強、可靠性高、配置靈活、使用方面以及體積小、重量輕等優點，國外已經廣泛應用于自動化控制的各個領域，并已成為實現工業生產自動化得支柱產品。近年來，國內在PLC技術與產品開發應用方面發展很快，除有許多從國外引進的設備、自動化生產線，國產的機床設備已越來越多地采用PLC控制系統取代傳統的繼電-接觸器控制系統。與繼電-接觸器系統相比更加可靠；占位空間更??；價格上與繼電

5、-接觸器控制系統能形成競爭；易于在現場變更程序；便于使用、維護、維修；能直接推動電磁閥、接觸器與之相當的執行機構；能向中央執行機構；能向中央數據處理系統直接傳輸數據等。本課題在對一種執行機構由電動機和液壓缸組成的工業機械手的結構進行分析的基礎上，將PLC應用于其控制系統，完成了系統的硬件設計和軟件設計。根據該機械手的工作特點，采用步進順序控制方式，是程序簡化，便于調試。將PC與PLC組成分布式控制系統，進行聯網通信，工作人員可在上位機上編程、監控設備運行情況，實時地對現場參數進行修改、調整，使系統工作與最佳狀態。搬運機械手的應用簡況在現代工業中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械

6、工業中，加工、裝配等生產是不連續的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法，程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業，有待于進一步實現機械化。據資料介紹，美國生產的全部工業零件中，有75是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線。國內外機械工業、鐵路

7、部門中機搬運械手主要應用于以下幾方面：（1）熱加工方面的應用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業就更需要采用機械手操作。（2）冷加工方面的應用冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯接的重要于段。（3）拆修裝方面拆修裝是鐵路工業系統繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采

8、用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內噴漆通用機械手，可用以對客車內部進行連續噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質量和效率。近些年，隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用，工業機械手已經成為工業生產中提高勞動生產率的重要因素。1.2機械手的應用意義在機械工業中，機械手的應用意義可以概括如下：（1）可以提高生產過程的自動化程度,應用機械手有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐

9、。（2）可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。（3）可以減少人力，便于有節奏地生產。應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產

10、的節拍，便于有節奏地進行生產。綜上所述，有效地應用機械手是發展機械工業的必然趨勢。1.3.3機械手的發展概況與發展趨勢。1.3機械手的發展概況專用機械手經過幾十年的發展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用和發展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術。目前國內外對發展這一新技術都很重視，幾十年來，這項技術的研究和發展一直比較活躍，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領域也在不斷地擴大。早在40年代

11、，隨著原子能工業的發展，已出現了模擬關節式的第一代機械手。5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數控示教再現型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型。6070年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術進入了應用階段。80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的發展，除了在工業上廣泛應用外，農、林、礦業、航天、海洋、文娛、體育、醫療、服務業、軍事領域上有較大的應用。90年代以后，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發展，機械手技術也得到飛速的多

12、元化發展?？傊壳皺C械手的主要經歷分為三代：第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持了解，并逐步發展成為柔性系統FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環。1.4機械手的發展趨勢目前國內工業機械于主要用于機床加工、鑄鍛

13、、熱處理等方面，數量、品種、性能方面都不能滿足工業生產發展的需要。因此，國內主要是逐步擴大機械手應用范圍，重點發展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業條件。在應用專用機械手的同時，相應地發展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記

14、憶再現型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯用，逐步成為整個機械制造系統中的一個基本單元。在國外機械制造業中，工業機械手應用較多，發展較快。目前主要用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業中，它可按照事先制定的作業程序完成規定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的發展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應的變更。如位置發生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學

15、測距儀（即距離傳感器）以及衛星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內的壓力敏感元件產生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內側的壓力敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小。總之，隨著傳感技術的發展，機械手的裝配作業的能力將進一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機械手裝配。現今機械手的發展更主要的是將機械手和柔性制造系統以及柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統的人

16、工操作狀態。1.5 PLC概況及在機械手中的應用（1）可編程序控制器的應用和發展概況可編程序控制器（programmable controller），現在一般簡稱為PLC（programmable logic controller），它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數字技術、通 信網絡技發展起來的一種通用的工業自動控制裝置。以其顯著的優點在冶金、化工、交通、電力等領域獲得了廣泛的應用，成為了現代工業控制三大支柱之一。在可編程序控制器問世以前，工業控制領域中是繼電器控制占主導地位。傳統的繼電器控制具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優點，在工業生產中應用甚廣。

17、但是控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構成系統，接線繁雜，當生產工藝或控制對象改變時，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差（2）PLC的應用概況PLC的應用領域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的PLC幾乎可以說凡是需要控制系統存在的地方就需要PLC，尤其近幾年來PLC的性價比不斷提高已被廣泛應用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業。按PLC的控制類型，其應用大致可分為以下幾個方面。（1）用于邏輯控制這是PLC最基本，也是最廣泛的應用方面。用PLC取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制

18、等。（2）用于模擬量控制PLC通過模擬量I/O模塊，可實現模擬量和數字量之間轉換，并對模擬量控制。（3）用于機械加工中的數字控制現代PLC具有很強的數據處理功能，它可以與機械加工中的數字控制（NC）及計算機控制（CNC）緊密結合，實現數字控制。（4）用于工業機器人控制（5）用于多層分布式控制系統高功能的PLC具有較強的通信聯通能力，可實現PLC與PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統或工廠自動化網絡。 1.5 PLC概況及在機械手中的應用（1）可靠性高、抗干擾能力強PLC能在惡劣的環境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工作，

19、PLC的平均無故障間隔時間高，日本三菱公司的F1系列PLC平均無故障時間間隔長達30萬h，這是一般微機所不能比擬的。（2）. 控制系統構成簡單、通用性強由于PLC是采用軟件編程來實現控制功能，對同一控制對象，當控制要求改變需改變控制系統的功能時，不必改變PLC的硬件設備，只需相應改變軟件程序。（3）. 編程簡單、使用、維護方便（4）. 組合方便、功能強、應用范圍廣PLC既可用于開關量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機控制，又可用于組成多級控制系統；既可控制簡單系統，又可控制復雜系統。因此，PLC應用范圍很廣。（5）. 體積小、重量輕、功耗低PLC采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕

20、，同時功耗也很低，空載功耗約1.2KW。5.PLC在機械手中的應用機械手通常應用于動作復雜的場合來代替人的反復的操作，從而節省人的勞動，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經常被應用于動作簡單的電氣及流水線控制，而PLC以其可靠性高、抗干擾能力強;控制系統構成簡單、通用性強;編程簡單、使用、維護方便;組合方便、功能強、應用范圍廣; 體積小、重量輕、功耗低等有點被廣泛應用于類似機械手的控制動作復雜的場合，本設計正是以PLC控制為基礎從而實現機械手的各種動。二、機械手的工作原理（一）機械手的概述機械手是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛

21、應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：（1）機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。（2）在裝配作業中應用廣泛，在電子行業中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業中它可以用來組裝零部件。（3）可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環境工作，以代替人的勞動。（4）在危險場合下工作，如軍工品的

22、裝卸、危險品及有害物的搬運等。（5）宇宙及海洋的開發。（6）軍事工程及生物醫學方面的研究和試驗。（二）機械手的工作方式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示出來。當旋鈕打向回原點時，系統自動地回到左上角位置待命。當旋鈕打向自動時，系統自動完成各工步操作，且循環動作。當旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現。以下是設計該機械手控制程序的步驟和方法。1本次課程設計的機械手用于車間生產線上工件的自動搬運，根據對機械手的工藝過程及控制要求分析，機械手的動作過程如下圖所示：圖1 機械手的動作周期如圖所示機械手

23、能實現手動、回復位、單步、單周期和連續等五種工作方式。手動工作方式時，用各按鈕的點動實現相應的動作；回復位工作方式時，按下“回復位”按鈕，則機械手自動返回原位；單步工作方式時，每按一次起動按鈕機械手向前執行一步；選擇單周期工作方式時，每按一次起動按鈕，機械手只運行一個周期就停下；連續工作方式時，機械手向前執行一步；只要按下起動按鈕，機械手就會連續循環動作，直到按下停止按鈕，機械手才會最后運行到原位并停下；而在傳送工件的過程中，機械手必須升到最高位置才能左右移動，以防止機械手在較低位置運行時碰到其它工件。圖2 機械手傳送示意及操作動作傳送圖圖3 機械手傳送示意及操作動作執行圖三、機械手控制的硬件

24、設計（一）輸入和輸出點分配表及原理接線圖表1 機械手傳送系統輸入和輸出點分配表輸入觸點功能輸入觸點功能輸入觸點功能輸出觸點功能X1-SQ2左限位X10手動X16啟動Y0上升X2-SQ2右限位X11回原點X17停止Y1下降X4-SQ2上限位X12單步X20夾緊Y2右行X5-SQ2下限位X13單周期X21松開Y3左行X14連續X22上升Y4夾緊/放松X23下降X24右行X25左行表1 機械手傳送系統輸入和輸出點分配表圖4 機械手硬件控制連線圖四、控制程序（一）通用部分梯形圖設計公用程序用于自動程序和手動程序相互切換處理。左限位開關X1、上線位開關X4的常開觸點和表示夾緊裝置松開的Y4的常閉觸點組成

25、的串聯電路接通時，“遠點條件”輔助繼電器M5變為ON。當機械手處于原點狀態（M5為ON），在開始執行用戶程序（M8002為ON）、系統處于手動狀態或回原點狀態（X10或X11為ON）時，初始步對應的M0將被置位，為進入單步、單周期和連續工作方式工作方式作好準備。如果此時M5為OFF狀態，M0將被復位，初始步為不活動步，進入單步、單周期和連續工作方式工作后按啟動按鈕也不會轉換到下一步，因此禁止了單步、單周期和連續工作方式的運行。系統處于手動工作方式時，必須將除初始步以外的各步對應的輔助繼電器（M20M27）復位。在非連續方式，將表示連續工作狀態的M7復位。否則當系統從自動方式切換到手動方式，然后

26、又返回自動方式時，可能會出現同時有兩個活動步的異常情況，引起錯誤的動作。（二） 手動操作梯形圖 1.手動操作方式由于不需要任何復雜的順序控制，可以用常規繼電器順序方式來設計梯形圖?！笆謩硬僮鲿r”按下放松按鈕時，機械手卡抓松開，當松開放松按鈕時，機械手卡爪在液壓缸作用下自動加緊并保持；按下上升按鈕，上升輸出Y000保持接通；按下下降按鈕，Y001保持接通；在上限位按下右行按鈕，右行輸出Y002接通，至行程開關SQ2閉合。手動操作梯形圖設置有互鎖，只有在小車處于左限位（即X001閉合）或右限位（即X002閉合）時機械手的上升下降動作才能進行，只有當機械手處于下限位（即X005接通）機械手的加緊放松

27、動作才可以手動控制；為了安全，同一個電動機的正反轉線圈不能同時接通，設計中設計了自鎖開關，防止線圈同時接通造成的短路。故手動操作時梯形圖如圖所示：手動操作梯形圖 從梯形圖可以看出，用上限位開關X4為ON作為手動左行和右行的條件，禁止機械手在較低的位置水平運動（三）.返回原位流程圖 在“返回原位”狀態下，“夾緊”與“下降”動作應被停止，上限位未動作時，應進行“上升”；上限位動作時，“右行”動作應停止，并左行至左限位位置。故返回原位梯形圖如圖所示：（四）. 返回原位梯形圖 在“返回原位”狀態下，“夾緊”與“下降”動作應被停止，上限位未動作時，應進行“上升”；上限位動作時，“右行

28、”動作應停止，并左行至左限位位置。故返回原位梯形圖如圖所示：返回原位梯形圖（五）.“自動”狀態梯形圖  自動程序里面有單步與非單步、單周期與連續的區分，工作于單步的時，X12的常閉觸點斷開，這時M6為OFF不允許步與步之間的轉換：在連續工作方式，X14為ON，按下啟動按鈕X16，連續標志M7變為ON并鎖存。在單周期工作方式，因為X14為OFF,M7不會變為ON。程序流程圖如下：(六)“自動”狀態流程圖（七）搬運機械手PLC控制梯形圖及指令表：搬運機械手PLC控制梯形圖五總結與評價機械手的控制對于很多場合需求很大，不論是機床使用的小型系統還是流水線上的這類設備，其基本動作要求類似，所以控制的實現也可以相互借鑒。對于控制程序的編寫，這里給出的只是一種實現手段，使用可編程控制器還有其他的方法可以實現這樣的控制，針對所用的具體系統的情況，設計人員可以選用不同的方法來編寫程序。機械手高效的工作效率，準確的定位精度，以及簡單的結構及控制方式是人手不能替代的，機械手的使用也將越來越廣泛。六致謝在這四年中我學到了許多專業知識，提高了理論與實踐相結