機械手接觸器控制及PLC控制設計

班別：機電一體化3班

學號：

姓名：

目錄

摘要

第一章概述

前百

1.1課題意義的必要性與發展概況

1.2個人的特長與技能水平

1.3論文總體結構

第二章機械手各部份組成與電路原理分析

2.1機械手的電氣機械結構

2.2機械手的原理圖及動作分析

第三章機械手PLC控制

3.1輸入和輸出點分配表及原理接線圖

3.2各項動作的PLC編程

第四章心得體味與參考文獻

摘要：

隨著我國經濟的高速發展，微電子技術、計算機技術和自動控制技術也得到

了迅速發展，電磁閥驅動氣缸技術已經進入一個斬新的時代，其應用越來越廣。

而機械手作為能摹仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件

或者操作工具的自動操作裝置，與人們的生活密切相關，隨著人們對其要求的提高,

機械手得到了快速發展，其技術已經發展到了電磁閥驅動氣缸，其邏輯控制也由

PLC代替原來的繼電器控制。根據我校實訓室的情況，在原有的教學機械手模型

中進行更新與改進,本文是我們做畢業設計中的創新與改進。在己有的電磁閥驅

動氣缸的基礎上，采用PLC對機械手進行控制，通過合理的選擇和設計，提高

了機械手的控制水平，并改善了機械手運行的精度，使機械手達到了較為理想的

控制效果。本機械手控制系統主要由電磁閥驅動氣缸、輸入輸出單元以及PLC

單元構成。機械手本身已加入不少的感應器使機械手更完善的控制，為了能夠使

這項技術更加人性體，本文研究方向是機械手控制系統的控制信號的研究及編

程，以及改進。

Abstract:

Alongwithourcountryeconomyhighspeeddevelopment,themicroelectronic

technology,thecomputertechnologyandtheautomaticcontroltechnologyalso

obtainedtherapiddevelopment,thesolenoidvalveactuatedtheaircylinder

technologyalreadytoenterforabrand-newtime,itsapplicationwasmoreandmore

broad.Butthemanipulatorachievementcanimitatethemanpowerandthearm

certainmovementfunction,withbypressesthefixedroutinecapture,thetransporting

thing'OR'operationtoolautomaticoperationinstallment,withpeople'slifeclose

correlation,alongwiththepeopletoitsrequestenhancement,themanipulator

obtainedthefastdevelopment,itstechnologyalreadydevelopedthesolenoidvalveto

actuatetheaircylinder,itslogicalcontrolalsoreplacedtheoriginalblack-white

controlbyPLC.Reallyteachestheroomaccordingtomyschoolthesituation,carries

ontherenewalandtheimprovementintheoriginalteachingmanipulatormodel,this

articleiswemakesinthegraduationprojecttheinnovationandtheimprovement.Has

inoneselfthesolenoidvalveactuatestheaircylinderinthefoundation,usesPLCto

carryonthecontroltothemanipulator,throughthereasonablechoiceandthedesign,

raisedmanipulator'scontrollevel,andimprovedtheprecisionwhichthemanipulator

moves,enabledthemanipulatortoachievethemoreidealcontroleffect.Thethis

aircraftmanipulatorcontrolsystemmainlyactuatesaircylinder,theinputoutputunit

aswellasthePLCunitconstitutionbythesolenoidvalve.Itselfhasjoinedmany

inductionstoemployaccordingtoabilityamanipula:ormoreperfectcontrol,inorder

tocancausethistechnicalevenmorehumannaturebody,thisarticlestudiesthe

directionisthemanipulatorcontrolsystemcontrolsignalresearchandthe

programming,aswellasimprovement.

關鍵詞：PLC機械手程序設計梯形圖

第一章概述

前言:

機械手能摹仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或

者操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自

動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，于是廣泛應用于機械創造、冶金、

電子、輕工和原子能等部門。

機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或者工具）的部件,

根據被抓持物件的形狀、尺寸、分量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾

持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、挪移或者

復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿式。運動機構的升降、

伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置

和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由

度越多，機械手的靈便性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。普通專用機械手

有2?3個自由度。

月手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；

按合用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點

位控制和連續軌跡控制機械手等。

機械手通常用作機床或者其他機器的附加裝置，如在自動機床或者自動生產

線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，普通沒有獨立的控制裝置。

有些操

作裝置需要由人直接控制，如用于原子能部門操持危(wei)險物品的主從式操

作手也常

稱為機械手。

PLC是一種專門從事邏輯控制的微型計算機系統。由于PLC具有性能穩定、

抗干擾能力強、設計配置靈便等特點。因此在工業控制方面得到了廣泛應用。今

年來LC引入我國機械手行業以來，由PLC組成的機械手系統被許多機械手制

造廠家普遍采用。并形成為了一系列的定型產品。在傳統繼電器系統的改造工程中,

PLC系統向來是主流控制系統。

可編程控制器(ProgrammableLogiccontroller,簡稱PLC)是以微處理器為

基礎，綜合了計算機技術與自動化技術而開辟的新一代工業控制器-它具有可靠

性高、適應工業現場的高溫、沖擊和振動等惡劣環境的特點，己成為解決自動控

制問題的最有效工具，是當前先進工業自動化的三大支柱之一。

1.1課題意義的必要性與發展概況

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，

隨著電子技術特殊是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產己成為高技術

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便，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲

勞、不怕危(wei)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，特殊是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。

⑵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。

⑶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)可在危(\vei)險場合下工作，如軍工品的裝卸、危(wei)險品及有害物

的搬運等。

(5)宇宙及海洋的開辟。

⑹軍事工程及生物醫學方面的研究和試驗。

近20年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，特別是在各種自動化生產線上

得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統自動化程度

更高，控制方式更靈便，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產線的迅速發

展，對氣動技術提出了更多更高的要求；微電子技術的引入，促進了電-氣比例

伺服技術的發展；現代控制理論的發展，使氣動技術從開關控制進入閉環比例伺

服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調制技術具有結構簡單、抗污染能力

強和成本低廉等特點，國內外都在大力開辟研究。隨著微電子技術、PLC技術、

計算機技術、傳感技術和現代控制技術的發展與應用，氣動技術己成為實現現代

傳動與控制的關鍵技術之一。從氣動技術及氣動機械手的發展過程、氣動機械手

的應用現狀和發展前景及方向3個方面闡述了氣動機械手。在氣動技術及氣動機

械手部份介紹了氣動機械手的產生、發展過程和幾種不同的、典型的氣動機械手

及它們所用到的核心技術。從它們中間可以看出氣動機械手的應用領域和發展方

向。

1.2個人的特長與技能水平

我是個電子，電器和機械的愛好者，對于電器和機械方面深有研究興趣，自

己對電器和機械設備進行過測試和維修等。在大學期間所的學過的專業課程有：

電工基礎、電子技術、機械制圖、電子電路、CAD、翅迷冰、電子測量、PRQE、

可編程控制器應用技術、CAD/CAM應用、機電傳動控制等等。在努力的拼搏中，

對于自己的專業知識有一定的把握，己考過的證書有：高級電工證、中級電工證、

電工操作證、全國等級計算機一級。

綜上，我具有研究和完成本論文項目工作的專業實力。

1.3論文總體結構

題目：機械手接觸器控制及PLC控制設計

目的：

一、對控制方式的機械手系統進行分析，提出設備改造意見。

二、更新設備關鍵技術資料。

三、提高機械手的使用精度和增加其功能

任務分項：

一、電氣原理圖設計，工作方式設置為自動循環和點動兩種。

二、PLC梯形圖設計，工作方式設置為自動循環、點動、單周循環和步

進四種。

三、有必要的電氣保護和聯鎖。有必要的電氣保護和聯鎖。

四、自動循環時應按上述順序動作。

進度安排：

1、2022-9-26任務發出、參考文獻采集、文章結構設置

2、2022-9-27——2022-10-5采集相關的原理和所需的原件

3、2022-10-6——2022-10-19設計機械手的電氣原理圖

4、2022-10-20——2022-11-3對機械手的PLC梯形圖進行設計及各相

關圖紙的繪制

5、2022-11-4——2022-11-17文章撰寫、形成初稿

6、2022-11-18——2022-11-30文章成型、裝訂成冊

第二章機械手各部份組成與電路原理分析

2.1機械手的電氣機械結構

結構示意圖如下圖所示:

注！1機XA電機;3北山柒肉有“大竹力小A電機

6時步帶門光電/打＞＞一小胃，9f鵬。野心機;

ioF抓電機力■手抓.

2.2機械手的原理圖及動作分析

2、機械手工作原理圖如下圖所示

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上升右移左移

放松/夾緊

3、主要電氣元件說明

機械手的全部動作由氣缸驅動，而氣缸又由相應的電磁閥控制。其中，上升

下降和擺布挪移分別由雙線圈兩位電磁閥控制。也就是當下降電磁閥通電時，機

械手即下降；如果下降電磁閥斷電時，機械手下降住手；當上升電磁閥通電時，

機械手就上升，當上升電磁閥斷電時，即將住手上升。同樣，擺布挪移分別由左

移電磁閥和右移電磁質控制。機械手對工件的夾緊或者放松由單線圈兩位置電磁

閥控制，即線圈通電時，機械手夾緊工件，該線圈斷電時，機械手放松工件。

1M為機械手升降電動機，由交流接觸器KM1、KM2控制1M正反轉，實

現機械手升降運動；2M為機械手擺布挪移電動機，由交流接觸器KM3、KM4

控制2M正反轉，實現機械手擺布挪移；3M為夾緊電動機，由KM5控制3M夾

緊或者放松。

4、正常啟動操作

(1)自動回原位控制：按下SB1按鈕，即中間繼電器K0得電，其動合觸

頭K0閉合，接觸器KM2、KM4得電吸合，機械手向上和向左挪移，分別碰到

動斷觸點ST2和ST4然后住手；中間繼電器K0得電同時其動斷觸頭K0斷開，

使KM5失電斷開，表示機械手松開，同時指示燈HL亮。

(2)自動控制：在原點位置按下SB3按鈕，即中間繼電器K1得電，其各

個動合觸頭K1閉合，使中間繼電器K1自鎖，機械手實行自動操作。因為在原

點位置下動合觸點ST4閉合，驅動接觸器KM1也使接觸器KM1自鎖，使機械

手向下挪移。當機械手下降碰到下限開關ST1,機械手住手下降；同時ST1動合

觸點閉合，接觸器KM5得電吸合，KM5動合觸點閉合，使接觸器KM5自鎖，

機械手夾緊。過了5s后得電延時繼電器KT1得電，使失電延時繼電器KT2接

通，其動合觸頭KT2閉合使接觸器KM2得電吸合，動合觸頭KM2閉合，使接觸

器KM2自鎖，機械手上升。當機械手上升碰到上限開關ST2,上升電磁閥斷電，

上升住手；同時接通動合開關ST2,使右移電磁閥接通，同時km3自鎖，機械

手右移。當右移碰到右移開關ST3,右移電磁閥斷電，住手右移。此時動合觸頭

ST3閉合，中間繼電器KA得電吸合，使各動合觸頭KA閉合，也使中間繼電器

KA自鎖；而KM1同時得電吸合，驅動接觸器KM1,也使接觸器KM1自鎖，使

機械手向下挪移。當機械手下降碰到下限開關ST1,機械手住手下降；同時ST1

動斷觸點斷開，使夾緊電磁閥KM5失電，機械手放松。失電延時繼電器KT2過

了5s后其動合觸點KT2閉合，使接觸器KM2得電，機械手上上升。上升到頂

時，碰到上限開關ST2,上升電磁閥斷電，上升住手；同時接通左移電磁閥KM4,

機械手左移。左移到原點時，碰到左限位開關ST4,左移電磁閥斷電，左移住手。

至此，機械手經過八步動作完成為了一個周期。

(3)點動控制：在原點位置按下ST4按鈕，即中間繼電器K2得電，其各

個動合觸頭K2閉合，使中間繼電器K12自鎖，機械手實行點動控制。因為在原

點位置下動合觸點ST4閉合，按下降按鈕SB7,即驅動接觸器KM1也使接觸器

KM1自鎖，使機械手向下挪移。當機械手下降碰到下限開關ST1,機械手住手

下降，同時ST1動合觸點閉合，松開SB7o按夾緊按鈕SB5,接觸器KM5得電

吸合，KM5動合觸點閉合，使接觸器KM5自鎖.機械手夾緊。過了5s后得電

延時繼電器KT1得電，使失電延時繼電器KT2接通，其動合觸頭KT2閉合。按

上升按鈕SB8,使接觸器KM2得電吸合，動合觸頭KM2閉合，使接觸器KM2

自鎖，機械手上升。當機械手上升碰到上限開關ST2,同時接通動合開關ST2,

常閉開關ST2斷開，上升電磁閥斷電，上升住手，松開按鈕SB8o按右移按鈕

SB9,使右移電磁閥接通，同時km3自鎖，機械手右移。當右移碰到右移開關

ST3,右移電磁閥斷電，住手右移，松開按鈕SB9o此時動合觸頭ST3閉合，中

間繼電器KA得電吸合，使各動合觸頭KA閉合，也使中間繼電器KA自鎖。按

下降按鈕SB7,驅動接觸器KM1,也使接觸器KM1自鎖，使機械手向下挪移。

當機械手下降碰到下限開關ST1,機械手住手下降，同時ST1動合觸點閉合，松

開SB70按放松按鈕SB6,接觸器KM5失電斷開，機械手放松。失電延時繼電

器KT2過了5s后其動合觸點KT2閉合。按上升按鈕SB8,使接觸器KM2得電吸

合，動合觸頭KM2閉合，使接觸器KM2自鎖，機械手上升。當機械手上升碰

到上限開關ST2,同時接通動合開關ST2,常閉開關ST2斷開，上升電磁閥斷電，

上升住手，松開按鈕SB8。按左移按鈕SB10接通左移電磁閥KM4,機械手左移。

左移到原點時，碰到左限位開關ST4,左移電磁閥斷電，左移住手，松開左移SB10o

5.元件功能表

代號名稱規格及型號數量單位

QS電源開關HZ1人

SB1回原點開關LA1-1Z1人

SB2住手按鈕LA1-1Z1人

SB3自動開關LA1-1Z1人

SB4手動開關LA1-1Z1人

SB5夾緊開關LA1-1Z1人

SB6松開開關LA1-1Z1人

SB7下降開關LA1-1Z1人

SB8上升開關LA1-1Z1個

SB9右移開關LA1-1Z1人

SB10左移開關LA1-1Z1人

STI下限位開關LS30P1人

ST2上限位開關LS30P1人

ST3左限位開關LS30P1人

ST4右限位開關LS30P5人

CJ12-100/2

K\irKM5交流接觸器5人

220V/380V

FU1,FU2熔斷器RT18-32380V/32A2人

FR1-FR3熱繼電器JS293人

TC控制變壓器TBK3-250VA50/60HZ1人

人

KA、KO、KkK2中間繼電器JZ144

得電延時繼電

KT1JS20-2/021人

器

失電延時繼電

KT2JS20-2D/021人

器

第三章機械手PLC控制

3.1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

名稱代號輸入名稱代號輸入名稱代號輸出

啟動SBOX0夾緊SB5X10電磁閥下降KM1Y0

下限行程SQ1X1放松SB6X11電磁閥夾緊KM5Y1

上限行程SQ2X2單步上升SB7X12電磁閥上升KM2Y2

右限行程SQ3X3單步下降SB8X13電磁閥右行KM3Y3

左限行程SQ4X4單步左移SB9X14電磁閥左行KM4Y4

住手SB2X5單步右移SB10X15原點指示ELY5

連續操作SB3X6回原點SB1X16

手動操作SB4X7

―?220U

T降電甌聞r°

上BR

柳

左戰

停止

手動-2o-

連續

上升電空閱

減

右行電磁面

?步耳

統步下降

左行電困悶

單步左移

單步石稔

回原點原點揩示燈

操作系統包括回原點程序，點動單步操作程序和自動連續操作程序，，如圖所示。

S3機械手操作孳統程序

其原理是:

把旋鈕置于回原點，X16接通，系統自動回原點，Y5驅動指示燈亮。再把

旋鈕置于手動，則X6接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉（CJ為一跳轉指令，

如果CJ驅動，則跳到指針P所指P0處），執行點動程序。之后，由于X7常閉

觸點，當執行CJ指令時，跳轉到P1所指的結束位置。如果旋鈕置于自動位置，

（既X6常閉閉合、X7常閉打開）則程序執行時跳過手動程序，直接執行自動

程序。

3.2各項動作的PLC編程

回原位程序

回原位程序如圖4所示。用S10?S12作回零操作元件。應注意，當用S10-S19

作回零操作時，在最后狀態中在自我復位前應使特殊繼電器M8043置1

M8002

點動單步操作程序

如圖所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯鎖和限位保護。

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圖5手動單步操作程序

自動操作程序

自動操作狀態轉移見圖6所示。當機械手處于原位時，按啟動X0接通，狀

態轉移到S20,驅動下降Y0,當到達下限位使行程開關X1接通，狀態轉移到

S21,而S20自動復位。S21驅動Y1置位，延時1秒，以使電磁力達到最大夾

緊力。當TO接通，狀態轉移到S22,驅動Y2上升，當上升到達最高位，X2接

通，狀態轉移到S23oS23驅動Y3右移。

移到最右位，X3接通，狀態轉移到S24下降。下降到最低位，X1接通，電磁鐵

放松。為了使電磁力徹底失掉，延時1秒。延時時間到，T1接通，狀態轉移到

S26上升。上升到最高位，X2接通，狀態轉移到S27左移。左移到最左位，使

X4接通，返回初始狀態，再開始第二次循環動作。

在編寫狀態轉移圖時注意各狀態元件只能使用一次，但它驅動的線圈，卻可

以使用多次，但兩者不能浮現在連續位置上。因此步進順控的編程，比起用基本

指令編程較為容易，可讀性較強。

夾緊

放松

圖6自動操作狀態轉移圖

機械手傳送系統梯形圖

如圖所示。圖中從第0行到第27行為回原位狀態程序。從第28行到第66

行，為點動單步操作程序。從第67行到第129行為自動操作程序。這三部份程

序（又稱為模塊）是圖3的操作系統運行的。

回原位程序和自動操作程序。是用步進順控方式編程。在各步進順控末行，

都以RET結束本步進順控程序塊。但兩者又有不同。回原位程序不能自動返回

初始態S1o而自動操作程序能自動返回初態S2o

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