基于PLC的工业机械手控制系统设计.docx

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1、基于PLC的工业机械手控制系统设计优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ 基于PLC的工业机械手控制系统设计 摘 要 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、搬运、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。 本设计描述了基于PLC的机械手控制系统设计，重点介绍了机械手控制系统中的硬件选择方

2、法，软件的设计过程，以及PLC控制装置的工作过程。 本设计实现了机械手在搬运装配线上，通过S7-200PLC控制机械手完成从A传送带搬运物件至B传送带中，然后进入下一个工作流程。机械手的上升/下降和左转/右转的执行，分别由双线圈二位电磁阀控制气缸的运动实现；夹紧/放松则是由单线圈的二位电磁阀控制气缸的运动来实现。 机械手；PLC；电磁阀 优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ Based on plc industrial manipulator control system design Abstract In the field of industrial automation manipu

3、lator is often met in a control object. In recent years, with the development of industrial automation manipulator gradually become a new subject, and with the rapid development. Manipulator widely application and forging, stamping, forging, welding, assembling, handling, spray paint, heat treatment

4、, etc. Especially in heavy, high temperature, toxic and dangerous, radioactive, dust and so on bad work environment, manipulator because of its significant advantages by pay special attention to. In a word, the manipulator is to improve the labor productivity, improve working conditions, reduce labo

5、r intensity and realize industrial production automation is an important means. This design based on PLC describes the manipulator control system design, introduced the manipulator control system, the hardware selection method, the software design process, and the working process of the PLC control

6、device. The design and implementation of the manipulator in the handling assembly line, manipulator controlled by the S7-200PLC complete conveyor belt carrying objects from A to B conveyor, and then go to the next workflow. The implementation of the up / down and left / right of the manipulator, res

7、pectively, to achieve control movement of the cylinder by a double coil solenoid valve; clamp / unclamp cylinder is controlled by a single coil solenoid valve movement. Manipulator；PLC；solenoid valve 优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ 目 录 摘 要 . 1 目 录 . 4 第1章 绪 论 . 1 1.1 课题的目的和意义 . 1 1.2 课题研究的内容 . 1 第2章 机械手和PLC . 2

8、2.1 机械手 . 2 2.1.1 机械手的概述 . 2 2.1.2 机械手的应用 . 2 2.1.3 机械手的应用意义 . 3 2.1.4 机械手的发展概况 . 4 2.1.5 机械手的发展趋势 . 4 2.2 PLC . 5 2.2.1 PLC的基本概念 . 5 2.2.2 PLC的组成 . 6 2.2.3 PLC的主要特点 . 7 2.2.4 PLC的工作原理 . 8 2.2.5 PLC的应用领域 . 10 第3章 机械手控制系统的设计 . 12 3.1 机械手控制系统构件概述 . 12 3.2 系统控制对象及工艺过程 . 14 3.3 控制要求 . 16 3.4 方案选择及系统配置 .

9、 16 3.5 PLC的硬件设计 . 17 3.5.1 PLC的选型 . 17 3.5.2 I/O的资源配置 . 18 3.5.3 PLC的接线图 . 19 3.5.4 操作面板 . 20 3.6 系统软件设计 . 21 3.6.1 顺序功能图 . 21 3.6.2 全程序OB1 . 23 优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ 3.6.3 公用程序 . 25 3.6.4 手动程序 . 25 3.6.5 自动程序 . 26 3.6.6 回原点程序 . 31 第4章 系统程序调试 . 35 4.1 控制系统的程序调试步骤 . 35 4-2 调试过程中注意的事项 . 35 4-3 系统中调试结果 .

10、 36 第五章 结束语 . 40 参考文献 . 41 致谢 . 412 优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ 第1章 绪 论 1.1 课题的目的和意义 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。 可编程序控制器

11、(programmable logic controller,PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一。 由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的

12、机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。 1.2 课题研究的内容 本课题主要研究的是基于PLC的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。通过设计编写PLC程序实现机械手模型控制系统的自动控制。 优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ 第2章 机械手和PLC 2.1 机械手 2.1.1 机械手的概述 它能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而

13、广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电

14、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；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 2.1.2 机械手的应用 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床

15、、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。 但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。 国内外机械工业、铁路部门中机械手主要应用于以下几方面： 优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ 1.热加工方面

16、的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。 2.冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。 3.拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、

17、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。 近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。 2.1.3 机械手的应用意义 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： 1.可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 2.可以改善劳动条件、避免人身

18、事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3.可以减少人力，便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。 优

19、秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ 综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。 2.1.4 机械手的发展概况 专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。 早在XX年代，随着原子能工业的发

20、展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。 50XX年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。 60XX年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。 80-XX年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。 XX年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。 XX年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。

21、 总之，目前机械手的主要经历分为三代： 第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。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系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。 2.1.5 机械手的发展趋势 目前国内工业机械于主要用于机床加工、

22、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。 将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ 的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地

23、发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。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和触觉功

24、能。 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。 触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。 现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

25、2.2 PLC 2.2.1 PLC的基本概念 现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规模、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动化产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性， PLC正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。 PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛第应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如明勇和家庭自动化的应用也得到迅速的发展。PLC依然处于不断的发展之中，器功能不断增强，更加开放，它不但是单片自动化中应用最广的控制设备，在大兴工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位，PLC应

26、用面之广、普及程度之高，是其他计算机控制设备无法比拟的。 优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ 国际电工委员会在XX年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其相关设备，都应按易于使工业系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业计算机，除了能完成各种的控制功能外，还有与其他计算机

27、通讯联网的功能。 2.2.2 PLC的组成 PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。PLC的特殊功能模块用来完成特殊的任务。 图2-1 PLC的组成 1.CPU模块 CPU模块主要有微处理器）CPU芯片和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当认得大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。S7-200将CPU模块简称为CPU。 2. I/O模块 输入模块和输出模块简称为I/O模块，它们相当于人们的眼、耳、优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ 手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号，开关

28、量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨号开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。 CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC外部的输入、输出电路的电源电压较高，例如DC 24V和AC 220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU 模块中的元器件，或使PLC不能正常共作。在I/O模块中，用光耦合器，光敏晶闸管、小型继电器等期间来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路。I/O

29、模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 3. 编程器 编程器用来生成用户程序，并用它来编程、检查、修改用户程序，事件用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编程指令表程序，因此又叫做指令编程器。；它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。 使用编程软件可以再计算机屏幕上生成和编辑梯形图或指令表程序，并且可以实现不同程序语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以讲PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络或电话线，还可以实现远程编程和传达。 4.电源 PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开

30、关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC 24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。 2.2.3 PLC的主要特点 一、抗干扰能力强，可靠性高 PLC专门为工业环境而设计，具有很高的可靠性。它的主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信息调理电路；在机构上对耐热、防潮、防尘、抗震都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等干扰和故障诊断措施。所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力，因此稳定、可靠，抗干扰能力强。与继电器接触装置和通用计算机相比，PLC更能试用工业现

31、场较为恶劣的生产环境。 二、控制系统机构简单，通用性强 优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！ PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需要在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量且繁杂的硬接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和应用软件的不同。PLC的输入/输出可以直接与交流220V、直流24V等强电相连，并有较强的带负载能力。 三、编程简单，易于使用 PLC是面向用户的设备，PLC的

32、设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，因此PLC程序的编制采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识就可在短时间内学会。 四、功能完善 现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、步进控制功能，还能完成A/D转换、D/A转换、模拟量处理、高速计算、联网通信等功能，可以通过上位计算进行显示、报警、记录，进行人机对话，使控制水平大为提高。因此，PLC具有极强的适用性，能够很好地满足各类型控制的需要，是目前工厂中应用最广的自动化设备。 五、体积小、维护操作方便 PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入/输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监控。 2.2.4 PLC的工作原理 PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。为了使PLC得输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 1）读取输入 在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程