基于PLC控制的机械手设计(毕业论文)

第一篇：基于PLC控制的机械手设计(毕业论文)

第四章 程序设计

第四章 程序设计

4.1 编程软件简介

STEP 7-Micro/WIN是西门子公司为S7-200系列PLC的开发而设计的，是基于Windows操作系统的应用软件，其功能非常强大，操作方便，使用简单，容易学习。软件支持中文界面。其基本功能是创建、编辑和修改用户程序以及编译、调试、运行和实时监控用户程序。运行STEP 7-Micro/WIN软件，看到的是英文界面。如果想切换为中文环境，执行菜单命令Tools”→“Options”，点击出现的对话框左边的“General”图标，在“General”选项卡中，选择语言为“Chinese”，单击“OK”按钮后，软件将退出。退出后，再次启动该软件，界面和帮助文件均变为中文，在开始程序设计前必须对PLC进行通信连接，的那个PLC通信连接后在开始运行或者修改程序，在PLC程序梯形图中，程序被分成称为“网络”的一些段。一个网络是触点、线圈和功能框的有序排列。能流只能从左向右流动，网络中不能有断路、开路和反方向的能流。书写Plc程序的方法为在LAD编辑器中，它有4种输入程序指令的方法：鼠标拖放、鼠标单击、工具栏按钮、特殊功能键（如F4、F6、F9等）LAD程序使用线段连接各个元件，可以使用工具栏上的“向下线”、“向上线”、“向左线”、“向右线”等连线按钮，或者用键盘上的Ctrl+上、下、左、右箭头键进行编辑。STEP 7-Micro/WIN软件支持常用编辑软件所具备的插入和删除功能。通过键盘或者菜单命令可以方便地插入和删除一行、一列、一个网络、一个子程序或者中断程序，在编辑区右键单击要进行操作的位置，弹出快捷菜单，选择“插入”或“删除”选项，在弹出的子菜单中单击要插入或删除的项。子菜单中的“竖直”用来插入和删除垂直的并联线段。可以用“编辑”菜单中的命令进行以上相同的操作。按键盘上的Delete键可以删除光标所在位置的元件。在编写程序完成后，必须对程序进行编译，当程序编译无误后才能下载至PLC运行，4.2 程序总体设计

由于设计中机械手运动方式有5种模式，分别是手动、自动回原点、连续、单周期、单步5种工作方式，且必须保证在每种模式工作下相互之间互不干扰，为了减少PLC的输入点，使程序简单明了，采用主程序OBI加子程序模块的编写方式，由于每种程序运行前都有一些必要的前期准备工作，例如在单步、单周期、连续工作时必须保证

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机械手处于原点位置，而在每种模式下工作机械手都有运送工件的操作，所以可将每种模式下工作的程序中都应具备的条件作为公用程序，为各种工作模式做前期准备工作，而公用程序是无条件执行的，即当下载并运行程序后PLC程序后自动扫描并运行公用程序，为子程序的运行做准备，设计中机械手有5种工作方式，而其中的单周期和连续工作方式所用的顺序功能图是同一个，其去呗仅仅是单周期只是允许机械手运行一次，而连续模式则是要求机械手连续不断的运行，所以可以将单周期和连续工作作为一个单独的子程序编写；手动工作方式是为便于对机械手的检修而设计的，其操作并不存在必然的逻辑连续，即步与步之间的操作互不影响，所以用一个单独的子程序表达即可，而自动回原点程序是为其他各种工作方式做准备的，为了保证程序的运行稳定，在该模式下工作时，机械手无论处于任何位置都将自动返回原点，其步与步之间存在一定的逻辑关系，可以用一个单独的子程序编写；单步工作方式是主要是为了调试机械手运动是否稳定可靠而设计的，虽然其运动过程和单周期、连续工作的过程一样，但在操作上存在一定的区别，单周期和连续式要求系统在按下启动按钮后程序将自动进行步与步之间的转换，而单步工作方式是按下一次启动按钮系统将向前进行一步并停止，若要继续下一步的操作，必须在按一次启动按钮，为了不和连续单周期的程序发生冲突，所以将单独为单步程序编写一个子程序，且其位存储器也区别单周期和连续工作方式，目的是为了保证程序能稳定运行。

4.3 程序主体部分

4.3.1主程序OBI 语句表 LD SM0.0 CALL 公用:SBR0 LD SA1:I2.0 CALL 手动:SBR1 LD SA2:I2.1 CALL 自动回原点:SBR3 LD SA5:I2.4 O SA4:I2.3 CALL 自动程序:SBR2 LD SA3:I2.2

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CALL 单步:SBR4 以上指令为主程序块指令，在主程序块中，可以选择相应的输入点来选择工作模式，每次只能选择一种对应的工作模式，当选择了对应的模式后，程序将自动调用相应子程序并运行，例如,当选择了手动或者回原点程序后，系统将自动调用手动子程序或者回原点子程序，但不可以同时选择两种工作模式，因为机械手不可能同时在两种模式下工作，例如，的那个机械手选择了连续工作后，若此时在选择回原点，机械手将无法判断是进行连续操作还是回到原点位置。4.3.2 公用程序语句表 LD SQ4:I0.4 原点条件 A SQ2:I0.2 AN Q0.1 S M0.5, 1 = Q0.5 LD SM0.1 初始状态 O SA1:I2.0 O SA2:I2.1 LPS A M0.5 S M0.0, 1 LPP AN M0.5 R M0.0, 1 LD SA1:I2.0 复位非初始步 O SA2:I2.1 R M2.0, 8 LD M2.0 复位原点标志 R M0.5, 1 以上为公用程序指令，公用程序是无条件执行的，它用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同工作方式之间的相互切换处理，程序中当做限位开关I0.4好上 17

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限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的Q0.1的常闭触点的串联电路接通时，原点条件M0.5为ON，此时原位型号指示灯Q0.5接通，在开始执行用户程序SM0.1为ON时，系统处于手动状态或自动回原点状态，初始步对应的M0.0将被置位，未进入单步、单周期、连续工作方式做准备，若此时M0.2为OFF状态，初始步为不活动步，即使此时按下启动按钮也不能进行单步、单周期、连续工作的操作。4.3.3手动程序语句表 LD I1.2 夹紧 S Q0.1, 1 LD SQ3:I0.3 松开 O SQ4:I0.4 LPS A I0.7 R Q0.1, 1 LRD 上升 A I0.5 AN SQ2:I0.2 AN Q0.0 = Q0.2 LPP 下降 A I1.0 AN SQ1:I0.1 AN Q0.2 = Q0.0 LD I0.6 左行 AN SQ4:I0.4 A SQ2:I0.2 AN Q0.3 = Q0.4 LD I1.1 右行 18

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AN SQ3:I0.3 A SQ2:I0.2 AN Q0.4 = Q0.3 以上是手动程序的指令，启动程序并按下手动操作按钮I2.0时接通手动子程序，为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了必要的连锁，设置上升与下降之间、左行与右行之间的互锁，以防止功能相反地来年各个输出同时为ON，即当机械手左行时一定不可能进行右行，当机械手下降过程中，输出上升Q0.2一定为OFF状态。指令中的限位开关I0.1/I0.2/I0.3/I0.4的常闭触点是用来限制机械手的移动范围，即当机械手碰到限位开关时，相应的电磁阀断电机械化手停止运行，限位开关可以防止意外的发生，而上限位开关I0.2的常开触点与控制左、右行的Q0.4和Q0.3的线圈串联，只有当机械手上升到最高位置时才能左右移动，此设置可以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞发生损坏，而只有当机械手在做左边或者最右边时才允许执行上升、下降和松开工件的操作，在手动模式下，当按下I1.1时，机械手局执行夹紧操作，输出Q0.1并被置位，当按下I0.3时Q0.1被复位，此时PLC没有输出，按下I0.5和I0.4是机械手上升，按下I0.4和I1.0时，机械手下降，同时按下I0.6和I0.2时机械手左行,同时按下I1.1和I0.2时机械手右行，这既是机械手在手动状态下的全部操作。4.3.4 自动程序语句表 LD SA5:I2.4 O I2.6 O SA4:I2.3 AN I1.7 = M0.6 转换允许 LD SQ4:I0.4 A SA4:I2.3 O M0.5 A M0.6 O M0.0 19

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AN I1.7 AN M3.1 = M0.0 初始步 LD M4.0 A SQ4:I0.4 A SA5:I2.4 LD M0.0 A I2.6 OLD A M0.6 O M3.1 AN I1.7 AN M3.2 = M3.1 R M0.5, 1 LD M3.1 A SQ1:I0.1 A M0.6 O M3.2 AN I1.7 AN M3.3 = M3.2 LD M3.2 A T37 O M3.3 A M0.6 AN I1.7 AN M3.4 = M3.3

下降 夹紧 上升

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LD M3.3 A SQ2:I0.2 A M0.6 O M3.4 AN I1.7 AN M3.5 = M3.4 LD M3.4 A SQ3:I0.3 A M0.6 O M3.5 AN I1.7 AN M3.6 = M3.5 LD M3.5 A SQ1:I0.1 A M0.6 O M3.6 AN I1.7 AN M3.7 = M3.6 LD M3.6 A T38 A M0.6 O M3.7 AN I1.7 AN M4.0 = M3.7 LD M3.7

右行 下降 松开 松开 21

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A SQ2:I0.2 A M0.6 O M4.0 AN M3.1 AN I1.7 AN M0.0 = M4.0 LD M3.1 O M3.5 AN SQ1:I0.1 = Q0.0 LD M3.2 S Q0.1, 1 TON T37, 20 T37LD M3.6 R Q0.1, 1 TON T38, 20 T38LD M3.3 O M3.7 AN SQ2:I0.2 = Q0.2 LD M3.4 AN SQ3:I0.3 = Q0.3 LD M4.0 AN SQ4:I0.4 = Q0.4 LD M0.0 = Q0.5

左行 夹紧置位 计时器 计时器 上升 右行 左行 原位指示灯22

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以上用起保停电路编写的自动程序指令，当启动系统是，按下I2.4时将接通自动程序子程序，指令中的M0.6的常开触点接在每一个控制代表步得存储器位的启动电路中，当它们断开时将禁止步与步之间的活动状态转换，单周期与连续的工作方式相似，下面具体介绍两者的工作的过程，当启动系统并进入连续工作模式，即按下I2.4后，系统进入连续工作状态，此时步与步之间的转换标志M0.6被接通，系统扫描时首先执行公用程序，M0.0被置位，当扫描自动程序时，按下启动按钮I2.6后系统进入M3.1步，此时机械手开始运行离开原点位置开始下降，输出为Q0.0，此时原点标志N0.5被复位，当机械手碰到下限为开关I0.1时是停止运行，此时线圈M2.1接通，机械手执行抓紧工件的操作，Q0.1被置位，输出为0.1，此时并接通T37计时器延时2秒保证能安全稳定的抓取工件，当延时结束时接通线圈M3.2，机械手开始上升，输出为Q0.1、Q0.2，当机械手碰到上限位开关I0.2时停止运行，此时接通线圈MM3.3，机械手开始右行，其输出为Q0.1、Q0.3，当机械手右行到位碰到右限位开关时停止运行，此时接通线圈M3.4，机械手继续夹紧工件执行下降操作，输出为Q0.1、Q0.0，当机械手碰到下限位开关I0.1时，线圈M3.5得电，此时Q0.1被复位，机械手执行松开工件的操作，接通计时器T38并延时2秒，保证完全放开工件，计时结束后，接通线圈M3.6，此时机械手开始上升，输出为Q0.2，当上升到位时碰到上限位开关I0.2，机械手停止上升，并接通线圈M3.7，机械手开始左行返回原点，当机械手碰到左限制为开关时停止，此时机械手完成一个周期的运行，由于我们选择的连续运行模式，机械手在左移过程中碰到上限位开关的同时接通了线圈M4.0，此时M4.0步将转换到M.1步并接通线圈M3.1，如此循环往复的进行下去，机械手就达到了连续操作的目的，若此时我们选择的是单周期操作。即启动系统是我们按下的按钮为I2.3，当系统进行到最后一步是接接通线圈M4.0后。I2.4为OFF状态，系统将不能进入M3.1步，而转入M0.0步的初始状态由于没有碰到左限位开关断电也不能运行M0.0步，这样既可以达到单周期运行的目的。

4.3.5 自动回原点语句表

LD I1.2 S Q0.1, 1 LD I2.6 A Q0.1

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AN SQ3:I0.3 O M1.0 AN I1.7 AN M1.1 = M1.0 上升 LD M1.0 A SQ2:I0.2 O M1.1 AN I1.7 AN M1.2 = M1.1 = Q0.3 LD I2.6 A SQ3:I0.3 A Q0.1 LD M1.1 A SQ3:I0.3 OLD O M1.2 AN I1.7 AN M1.3 = M1.2 = Q0.0 LD M1.0 O M1.4 = Q0.2 LD M1.2 AN I1.7 A SQ1:I0.1

右行 下降 上升 24

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O M1.3 AN I1.7 AN M1.4 = M1.3 R Q0.1, 1 夹紧复位 TON T39, 20 LD I2.6 AN Q0.1 LD M1.3 A T39 OLD O M1.4 AN I1.7 AN M1.5 = M1.4 上升 LD M1.4 A SQ2:I0.2 O M1.5 AN I1.7 AN SQ4:I0.4 = M1.5 = Q0.4 左行

以上指令为自动回原点程序的语句表，当我们在主程序中选择了自动回原点工作模式后即按下I2.1后，机械手自动返回原点，该程序的设计思路是让那个机械手能在任何位置和状态下按下自动回原点按钮后能自动返回原点，若子啊运行中出现特殊问题时，可通过停止按钮I1.7停止机械手的运行，介于机械手在工作过程中可能停留在任何位置，所以我们根据机械手当时所处的状态和位置将其分为三种情况进行处理，并将其编写在同一字程序中，当机械手夹紧装置松开时即Q0.0为0状态，因为机械手是按照工作流程一步一步进行操作的，此时机械手没有夹持工件，只可能处于

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上升状态和左行状态，可直接返回原点，当我们选择了自动回原点工作方式按下启动按钮I2.6后应进入程序中的M1.4步，此时的转换条件为I2.6 Q0.1，如果此时机械手已经在最上面，上限位开关I0.2为1状态，在进入上升步后，因为转换条件已经满足，将马上转到左行步返回原点，此为第一种情况，第二种情况是当机械手处于夹紧状态，且机械手在最右边时，此时夹紧装置Q0.1和右限位开关I0.3均处于1状态，而此时应将工件放下后才能返回原点位置，按下启动按钮I2.6后，机械手转入下降步M1.2，转换条件为I2.6.Q0.1.I0.3，首先执行下降和松开操作，将工件放下后，机械手即返回原点，这是第二种情况，最后一种情况是当机械手装置处于夹紧状态，但机械手不在最右边时，此时夹紧输出Q0.1为1状态，右限位开关I0.3为0状态，当按下启动按钮后应进入步M1.0，此时转换条件为I2.6.Q0.1.I0.3 ,机械手进入步M1.0后将按顺序执行一个此工件的搬运工作后返回原点，即执行上升、右行、下降、松开、上升、左行返回原点。这既是机械手可能存在的位置情况划分，当机械手返回原点后公用程序中的原点条件标志M0.5和原位指示灯Q0.5应为1状态，当系统处于原点位置时即可以进行自动程序的运行。4.3.6 单步程序语句表 LD SM0.0 O M3.0 A I2.6 A SA3:I2.2 A M0.5 A M0.0 O M2.0 AN I1.7 AN M2.1 = M2.0 启动 LD M2.0 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ1:I0.1 26

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O M2.1 AN I1.7 AN M2.2 = M2.1 下降 LD M2.1 A SA3:I2.2 A I2.6 A T37 O M2.2 AN I1.7 AN M2.3 = M2.2 LD M2.2 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ2:I0.2 O M2.3 AN I1.7 AN M2.4 = M2.3 LD M2.3 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ3:I0.3 O M2.4 AN I1.7 AN M2.5 = M2.4 LD M2.4

夹紧 上升 右行27

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A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ1:I0.1 O M2.5 AN I1.7 AN M2.6 = M2.5 LD M2.5 A SA3:I2.2 A I2.6 A T38 O M2.6 AN I1.7 AN M2.7 = M2.6 LD M2.6 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ2:I0.2 O M2.7 AN I1.7 AN M3.0 = M2.7 LD M2.7 A SQ4:I0.4 O M3.0 AN M2.0 AN I1.7 = M3.0

下降 松开 上升 28

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S M0.5, 1 左行 LD M2.0 O M2.4 AN SQ1:I0.1 = Q0.0 = Q0.5 夹紧置位 LD M2.1 S Q0.1, 1 TON T37, 20 夹紧 T37计时器计时 LD M2.5 R Q0.1, 1 TON T38, 20 松开 T38计时器计时 LD M2.2 O M2.6 AN SQ2:I0.2 = Q0.2 上升 LD M2.3 AN SQ3:I0.3 = Q0.3 右行 LD M2.7 AN SQ4:I0.4 = Q0.4 左行

以上语句表为单步程序的子程序语句，在设计此程序是因为其实现的功能和单周期操作一样，但单周期实现的为连续的操作，中间没有间断不需要人为的干扰便可自动运行，而单步工作是一步一步进行，且每一步的进行都需要人工启动，主要是为了调试机械手而设计的操作，为了不和自动程序发生冲突，为单步工作方式单独编写独立的子程序，并采用区别于自动程序的位存储器M2.0到M3.0。当在主程序中选择了单步工作方式后，即按下单步工作按钮I2.2后即开始运行单步程序，因为单步状态必须送原电位置开始启动运行，左移此时系统扫描会先无条件执行公用程序，此时若机

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械手手处于原点状态，则原点标志M0.5和原位信号指示灯Q0.5将为1状态，此时我们按下启动按钮I2.6后便接通M2.0步，此时机械手开始下降，当碰到下限位限位开关I0.1时停止运动，但并不马上转到下一步的操作，此时必须人为的按下启动按钮I2.6后才可接通M2.1步，此时机械手执行夹紧操作，若此时正在调试机械手的运行情况，便可观察到机械手在夹紧工件的过程中是否能在规定的2S时间内完成夹紧操作，若未能完成夹紧操作造成工件掉落，说明程序设计中给定的时间太短，又或者机械手夹取装置防滑性能不好，便可找出原因对机械手程序进行修改或者对夹取装置进行改进，当在按下启动按钮I2.6后机械手夹紧工件开始向上运行，的那个碰到上限位开关I0.2后停止运行，在此过程中我们可以检查机械手的上限位和下限位限位开关、上升电磁阀和下降电磁阀是否正常工作，若为正常工作，机械手将不会停止，若此时发生故障不能停止，可通过停止按钮I1.7强行停止机械手的运行，然后找出问题所在，机械手的单步工作程序的工作流程和单周期、连续操作一样，区别在于其使用上，单周期和连续式为生产加工工件而设计，而单步是为检修机械手而设计，在通过一次次按启动按钮的过程中观察机械手的运动情况和稳定性，来检修设备。4.3.7 PLC程序调试模拟调试

PLC程序模拟调试是使用S7-200仿真软件对已编好的机械手运动控制程序进行调试，在调试程序时需对仿真软件进行CPU模块配置，本次调试中我们选择CPU226模块进行调试，然后将PLC程序用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件导出功能将机械手运动程序保存为仿真软件所支持*awl文件格式，然后将*awl文件加载到使用仿真软件中并下载，即可以开始调试程序，调试时，可用鼠标点击CPU模块下的开关面板上面的黑色部分，的那个开关向上是，触点闭合，对应的输入点变为绿色，但开关向下时，即出点断开，输入点变为灰色，在运行程序后，可通过观察输入点的颜色变化来检查程序是否正确，本次仿真实验的截图如下图4-1所示: 30

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图4-1 4.3.8 上机调试

上机调试是在实际的PLC编程器上对程序进行调试和修改，当在计算机上对PLC程序模拟调试完成后，还应实际在PLC上对程序进行调试，以保证程序的完整和正确，在调试进行前，应对PLC进行连线并检查PLC的各输入输出点是否正常工作，在确认PLC无任何输入输出点故障时，变可将写好的OLC程序通过V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件导入计算机，首先我们应对PLC进行通信调试，在通信前应将PLC调解至RUN模式，然后将V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件和PLC控制器连接起来，在计算机和PLC通信成功后，将PLC在软件中进行编译，在确认无错误后，将机械手运动控制程 31

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序下载至PLC，然后通过鼠标操作计算机中的V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件，然后点击软件中的小三角符号，即开始运行程序，然后观察PLC的输出点是否和程序中的输出一致，由于在本次上机调试中，程序中的一些输入点为机械手的限位开关，在实际中是有机械手的运动通过物理方法启动，在上机调试过程中我们没有机械手进行相应的工作，只能由人工将相应的输入点按下，其实际效果和机械手按下一样，然后观察输入输出是否对应，在调试过程中我们可以通过V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件来辅助查看调试的结果，如程序出现错误，可以通过软件中的开始状态表监控、符号表、交叉引用表来检查程序中的错误点以便帮助我们修改程序。4.3.9 程序调试中遇到的问题

在本次程序调试中遇到的问题主要有，在对单步程序、单周期和连续程序进行调试时，在开始调试时三个程序是共用一个子程序即自动程序，由于三者的工作过程相近，所以在开始写程序时便将三个程序卸载一个子程序中运行，到哪子啊实际的上机调试过程中单周期和自动程序能够按照预定的要求运行，在运行单步程序时，却无法进行，经过对程序的检查分析后，是由于PLC程序中的一些软继电器和软元件位置在置位和无法自动复位，由于三种工作过方式共用一个子程序，也造成了一些位储器没有正常工作，由于多次的输入造成冲突，使程序无法正常运行，在几经调整后，决定单独为单步程序编写一个独立的子程序并使用了区别于单周期和连续的位存储器后，问题得到解决，单步程序和单周期、自动程序均可以正常运行，在其他的程序调试过程中，由于程序相对简单，未遇到问题，调试结果和预期结果一致。

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第二篇：PLC控制机械手设计毕业论文

XXX学校

XX办学点毕业论文

课题名称：PLC控制机械手设计

专 业： 班 级： 学 籍 号： 学生姓名： 导师姓名： 提交日期：

PLC控制机械手设计

（姓名）

摘 要：机械手是能够模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。在我国，工业机械手近年来有较快的发展，投入了大量的人力物力加以研究和应用，并且很好的效果。本课题主要研究的问题是“近距离自动移动式机械手臂设计--气压驱动式”。设计包括两大方面，其中之一是自动行走部分，另一部分为手臂的运转。采用同一驱动能源--气泵。行走部分可以采用气压马达带动两轮转动。气压泵固定在某处，用一根软管将泵与马达相连，马达安装在行走装置中。运动手臂的直线运动用气缸来实现，旋转运动用气压马达来实现。行走的时候手臂不动，手臂运动的时候，行走部分停止运动。关键词：机械手，气压驱动，自动移动，气泵

随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

一、机械手组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。

（一）执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

1、手部：即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。

2、手腕：是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。

3、手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。

4、立柱：是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

5、行走机构：机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。

6、机座：它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上，故起支承和联接的作用。

（二）驱动系统

机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。

1、液压传动：是以油液的压力来驱动执行机构运动。其主要特点是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然有的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。

2、气压传动：是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动。其主要特点是介质来源极方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性差，而且气源压力较低，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动：即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动。其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于为工作主机的上、下料。

4、电力传动：即由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。

（三）控制系统

有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给与机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

（四）位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的进度达到设定位置。

二、设计内容

这里介绍我将要做的近距离自动移动式机械手臂设计--气压驱动。

（一）气源系统

压缩空气是保证气动系统正常工作的动力源，空气压缩机是将动力机供给的机械能转换成气体压力能的一种能量转换装置。

（二）气动执行机构

气动执行机构由气缸和气动马达。气缸是利用压缩空气的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。它可以输出力，驱动工作部分作直线往复运动或往复摆动。气缸可分为：单向作用式气缸和双作用式气缸。气动马达是把压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换装置，其作用同于液压传动的油马达。它输出力矩，驱动机构作回转运动。

（三）空气控制阀

1、压力控制阀分为：调压阀、安全阀和顺序阀等。

2、流量控制阀是用来调节和控制压缩空气的流量、流速以改变执行机构的工作速度。流量控制阀主要有节流阀、单向截流阀和排气节流阀等。

3、方向控制阀是用来控制气流的方向、气路的通断，从而使执行机构的动作发生变化的气动原件。方向控制阀在整个气动元件中数量占有相当大的比例，并在气动系统中起着神经中枢的作用。

（四）气动基本回路

1、方向控制回路主要有：单作用气缸中间停止回路，双作用气缸换向回路，双作用气缸的活塞可在任意位置停止的回路，延时控制回路。

2、速度控制回路主要有：单作用气缸的速度控制回路，双作用气缸单向速度控制回路，双作用气缸双向速度控制回路，双作用气缸速回运动控制回路，双缸同步动作的速度控制回路，缓冲回路。

（五）其他部分

行走机构有：车轮式行走机构，履带式行走机构，步行式行走机构。

三、机械手的发展趋势

机械手目前多数应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按事先制订的程序完成操作，但普通不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，将引起零件甚至机械手本身的损坏。

为此，机械手发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，设它拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化作相应的变更，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，将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态。

参考文献

[1]曹承志.电机、拖动与控制学.第3版.北京：机械工业出版社,2000 [2]王庭树.机器人运动学及动力学.第2版.西安：西安电子科技大学出版社，1990.12 [3]孟繁华.机器人应用技术.第1版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989.6 [4]马香峰.机器人机构学.第1版.北京：机械工业出版社,1991.9 [5]赵锡芳.机器人动力学.第1版.上海：上海交通大学出版社，1992.12 [6]高松海.遥控机器人.第1版.北京：原子能出版社，1981 [7]孙耀明.微型机算计在机器人技术中的作用.第1版.北京：科学技术文献出版社，1987 [8]路甬祥.液压气动技术手册.第2版.北京：机械工业出版社,2002

第三篇：机电一体化毕业论文-PLC机械手控制设计

毕 业 设 计

论文名称：

PLC机械手控制设计

系部： 机车车辆学院

专业： 机电一体化 班级:

313-1 姓名：

全伟

指导教师：刘伟

二O一六年 一月

目录

第一章 PLC机械手控制设计………………………………...…3 1.1 摘要.................…………………………………………….3

1.2 引言 ……………………………………....................………4 第二章

PLC 的概述 …………………………………………4 2.1 PLC的基本知识

…………………………………………..4 2.2 PLC的应用与前景

………………………………………..5

第三章

PLC 的编程语言

…………………………………..7 3.1 梯形图编程语言……………………………………………...7 3.2 功能块图编程语言……………………………………………8 第四章

PLC控制机械手的设计……………………………….9 4.1

机械手在工业生产中的应用………………………………..9 4.2

各电器设备的制方式及控制要求…………………………..10 4.3

电器元件设备的选择 ………………………………………12 4.4

控制系统的软、硬件设计 ………………………………...13 4.5

功能表图设计

……………………………………………..26 第五章

设计小结

………………………………………………33 参考文献 ……………………………………………………....…..34 谢辞

…………………………………………………….....35

PLC机械手控制设计

1.1摘要： 当今的自动化技术发展迅速，正处于一个快速变革的时代。从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的全球竞争压力当今的自动化技术发展迅速，正处于一个快速变革的时代。从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的全球竞争压力，他们需要进一步降低成本、缩短产品生产周期，并能够迅速完成产品的更新换代。采用最新的自动化技术才是解决这一系列问题的有效手段。

本次论文明确了机械手的功能需求和动作流程通过查找了大量资料，了解完成了布进电机和驱动器的选型。通过对机械手制作流程的分析，确定采用PLC为核心的控制系统。在对机械手的分析设计部分梯形图及控制程序，完成PLC的I/O点分配和硬件接线图。

关键词：机械手，步进电机，可编程序控制器

引言

机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。汽车业的快速发展，车外型愈求美观流线，并由于汽车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要。

机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。

第二章

可编程控制器的概述

2.1可编程控制器的基本知识

PLC的种类繁多，其规格和性能也各不相同，对PLC的分类，通常根据其形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类.根据 1

PLC的结构形式可将PLC分为整体式和模块式两类（1）整体式PLC

整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等各件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式机构。

整体PLC由不同PLC点数的基本单元和扩展单元组成，基本单元内有CPU、I/O接口，与I/O扩展单元相连的扩展口、以及编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电等，没有CPU，基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展(2)

模块式PLC

模块式PLC是将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及其他模块。模块式PLC由框架或基板和 各种模块组成，模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活、可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用这种模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU，电源，I/O接口等也是各自独立的模块。但它们之间是非电缆进行联接，并且各模块可以应地叠装，这样不但系统可以灵活配置，还可以做的体积小巧。2 按功能分

根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低，中，高档次

（1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断监控等基本功能还可以少量模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较等功能，主要用于逻辑控制，顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档PLC出具有低档PLC的功能外，还具有模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较；数据转换，远程I/O，子程序，通信联网等功能，有些还可增设中断控制，PID控制等功能，适应于复杂控制系统。

（3）高档PLC除具有中档PLC的功能外，还增加了符号算术运算，矩阵运算，位逻辑运算，平方根运算及其他特殊功能函数的运算，制表及表格传递功能等。高档PLC具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型，中型和大型三类

（1）.型PLC——I/O点数<256点，单CPU，8位或16微处理器，用户存储器容量4K字以下

CE-I型

美国通用电气（GE）公司 TI100

美国德洲仪器公司 F、F1、F2

日本三菱电气公司 C20 C40

日本欧姆龙公司 SF200

德国西门子公司 EX20 EX40

日本东芝公司

SR-20/21

中外合资无锡华光电子工业有限公司（2）．中型——点数256-2048点，双CPU，用户存储器容量2-8K S7-300

德国西门子

SR-400

中外合资无锡华光电子工业有限公司 SU-5 SU-6

德国西门子公司 C-500

日本立石公司 CE-Ш

GE公司

（3）.大型PLC——I/O点数>2048点，多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8-16K S7-400

德国西门子公司 GE-IV

GE公司 C-2000

立石公司 K3

三菱公司

2.2 可编程控制器PLC的应用与前景

目前，在国内外PLC已广泛应用冶金，石油，化工，剪彩，机械制造，电力，汽车，轻工，环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格 的不断提高，器应用领域不断扩大，从应用类型看大致可归纳为以下几个方面： 2.2.1 强量逻辑运算

利用PLC最基本的逻辑运算，定时，计收等功能实现逻辑运算，科取代传统的继电器控制用于单片机控制，多机群控制，生产自动线控制等。例：机床，注塑机印刷机械，装配生产线，电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。2.运动控制

大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能广泛用于各种机械设备。例如：各种机床，装配机械。机器人等进行运动控制。3.过程控制

大，中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能。有的小型PLC也具有模拟量输入输出，所以PLC可实现模拟量控制而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于铝炉，反应堆，水处理，酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面。4.数据处理

现代的PLC都具有数学运算数据传递，转换，排序和查表等功能，可进行数据的采集，分析和处理，同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置。例如：CNC设备进行处理。5.通信联网

PLC的通信包括PLC与PLC，PLC与计算机，PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元，通信转换单元相连构成网络，已实现信息的交换和构成。集中管理分散控制的多级分布式控制系统。满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。2.2.2 国外PLC发展概况

PLC在问世以来，经过40多年的发展。在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有200多个厂家生产PLC。较多的有美国：AB通用电气、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、欧姆龙等；德国：西门子公司；法国：TE施耐德公司。韩国：三星、LG公司等

PLC的发展前景

（1）产品规模向大小两个方向发展

大：I/O点数达14336点，32位微处理器，多CPU并行工作，大容量存储器，扫描速度快高速；

小：整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本；（2）PLC在闭环过程中应用日益广泛；（3 不断加强通讯功能；（4）新器件和模块不断推出

第三章 可编程控制器的编程语言

3.1可编程控制器的几种编程语言

可编程控制器的编程语言按IEC61131-3国际标准来分主要包括图形化编程语言和文本化编程语言。图形化编程语言包括:梯形图(LD-Ladder Diagram)、功能块图(FBD-Function Block Diagram)、顺序功能图(SFC-Sequential Function Chart)。文本化编程语言包括:指令表(IL-Instruction List)和结构化文本(ST-Structured Text)。这些语言是基于WINDOWS操作系统的编程语言.而SFC编程语言则在两类编程语言中均可使用。下面分别来介绍这几种编程度语言。

3.1.1梯形图编程语言(LD-Ladder Diagram)

梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是PLC编程中被最广泛使用的一种图形化语言，由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图，便于理解,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。而且其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右 侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，一个简单的梯形图程序如图1所示:

图3.1

梯形图程序示例

梯形图的每个梯级表示一个因果关系,事件发生的条件表示在梯形的左面,事件发生的结果表示在梯级的右面。

梯形图编程语言具有如下特点:(1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;(2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习;(3)对于复杂控制系统描述,仍不够清晰;(4)可读性仍不够好。

几乎所有PLC厂商提供的PLC都支持梯形图编程语言,而且都比较容易理解，只是在梯形图结构上可能稍有变化。比如西门子的S7系列梯形图就没有右边的电力轨线。有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略。

3.1.2 功能块图编程语言(FBD-Function Block Diagram)

功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能，不同的功能模块具有不同的功能。功能模块用矩形来表示，每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端，右侧有不少于一个的输出端。功能模块的类型名称通常写在块内，其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方。

功能模块基本上分为两类:基本功能模块和特殊功能模块。基本功能模块如AND，OR XOR等等.特殊功能模块如ON延时，脉冲输出，计数器等等。功能块编程语言具有以下特点:(1)以功能模块为单位,从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变的容易;(2)功能模块用图形化的方式描述功能，较直观易掌握，方便组态，易操作。是有发展前途的一种编程语言;(3)对较复杂系统，由于控制功能关系能够比较清晰的描述，因此缩短了编程和调试时 间;(4)因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间，对功能块的执行需要一定的执行时间，因此，这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较广泛。

第四章 PLC控制机械手的系统设计

4.1各电器设备的控制方式及控制要求 机械手的技能和特性

根据古典力学观点，物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定的。因此，抓握物体的位置和方向（即关节间的角度）能从理论上求得。据资料介绍，如果采用的机械手，其机能要接近人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”。这样就需要安装27根重量轻、小型和高输出力的“人造肌肉”。就目前的技术状况而言，上述功能还很难办到。而且把机械手的功能搞得那么复杂，动作彼此严重重叠也是完全不必要的。退一步，如果机械手要求具有完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共就要有24个自由度。这在实际上也是不必要的，这样会使机械手结构复杂，费用增多。因此，不应盲目模仿人手的动作，增加过渡的自由度，而应根据实际需要的动作，设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作。所以一般专用的机械手（不包括握紧动作）通常具有二到三个自由度。而通用机械手一般取四到五个自由度。本设计中设计的机械手，它共有五个自由度。即：手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓握。.躯干和传动系统

机械手的传动分为液压、气压、电气和机械四种，本设计采用综合传动方式，即手臂采用电气传动，而手爪则采用气压传动。

(1)、夹紧机构

机械手手爪使用来抓取工件的部件。手爪抓取工件是要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。设计制造夹紧机构——手爪时，首先要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度的情况来考虑。其加紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化，为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力应限制一定的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然停电被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和动作可靠。

夹紧机构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式的夹紧机构。

机械式夹紧机构是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式气动手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的张闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位，一般可设置在180度。(2)躯干

躯干由底盘和手臂两大部分组成。

底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手每旋转3度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达270度。

手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构。本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成伸缩、升降的运动。手臂采用步进电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出脉冲信号，经步进电动机驱动器驱动步进电动机旋转，带动滚珠丝杠旋转，完成手臂的运动。改变发出脉冲的个数，可控制手臂的两个轴运动的距离。同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传 动的特点是易于自锁，位置精度较高，传动效率较高。

4.2电器元件、设备的选择

PLC机型的选择

根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。

进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的ｗ装置等。2 输入/输出的点数：

I/O点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。

此外，还应考虑用户储存器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。

本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进店动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。松下FPO系列小型PLC具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性能要求，因此，本系统采用松下FPO系列的FPO——C16T作为基本模块，能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。由于输入输出点不够，扩展一个FPO——E16RS模块。3

电源模块的选择：

采用Dm150系列开关电源。其特点是输出功率大，体积小，重量轻，可靠性高，适应宽范围的输入电压波动，具有完备的过电压、过电流保护功能。主要参数：

输入交流电压：110~220V/50Hz、60Hz 输出直流电压：24V/6.5A 最大功率：156W 工作环境：-10~40度 4.步进电动机的选择：

采用二相八拍混合式步进电动机，主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等特点。型号：42BYGH101。

快接线插头中的红色表示A相，蓝色表示B相。

使用时如果发现步进电动机转向不对时可以将A相或B相两根线对调。（1）.步进电动机驱动模块

采用中美合资SH系列步进电动机驱动器，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出分等。如下图所示。

驱动模块

电源输入部分由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。

信号输入部分：信号源由FPO主机提供。由于FPO提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，中间加了保护电路。

输出部分：与步进电动机连接，注意相序。（2.）传感器

采用接近开关作为手爪旋转和底盘旋转限位检测用;采用微动开关作为横轴、纵轴限位检测用。

接近开关：接近开关有三根连接线（红、蓝、黑）红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。微动开关：当挡块碰到微动开关动作（常开点闭合）。

（3）FPO模块

由松下FPO系列PLC晶体管输出的主机，具有高速运算能力、PID调节功能，同时可以输出两路脉冲控制两台电动机的优点。输出两路脉冲梯形图及f/t。

（4）直流电动机

采用36ZY5-12型直流电动机。输入电压为12~24V,由FPO模块控制电动机正反转。（5）旋转码盘

机械手每旋转3度发出一个脉冲。

4.3 控制流程图

机械手工作流程图如下图所示。把可编程序控制器主机上的RUN-PROG的开关拨在RUN上，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转（横轴向手爪那边移动，竖轴向上移动）。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手抓电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪加紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手张开；延时后竖轴上升复位；然后开始下一周期动作。

图4.1机械手控制流程图

4.4控制系统的软、硬件设计 1 控制系统硬件设计

PLC硬件设计是指PLC外部设备的设计。在硬件设计重要进行输入设备的选择（如控制按钮、开关及计量保护装置的输入信号等），还有执行元件的选择以及控制台、柜的设计等。硬件设计还包括PLC输入/输出通道的分配，为便于程序设计和阅读，常作出I/O通道分配表，表中包括有I/O编号、设备代号、名称及功能等。机械手控制系统电器原理图。

可编程序控制器采用松下FP系列的FPO——C16T作为基本模块，由于输入输出点 不够，扩展一个FPO——E16RS模块。由于接近开关有三根线，接线时注意把红色的线接电源的正极，黑色线接电源的负极，蓝色的线接PLC的输入端子。2 控制系统的软件设计

软件设计主要是指编写工艺流程图，即将整个流程分解为若干步，确定每步的控制要求及转换条件，配合定时、计数、分支、循环、跳转及某些特殊功能指令便可完成梯形图的设计。I/O地址分配 I/O地址分配如表所示 I/O地址分配一览表

输入： X0 X1 X2 X3 X4 X20 X21 X22 X23 横轴正限位 竖轴正限位 横轴反限位 竖轴反限位 旋转脉冲 手正转限位 手反转限位 底座正限位 底座反限位

输出： Y0 Y1 Y2 Y3 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24

横轴脉冲 竖轴脉冲 横轴方向 竖轴方向 手正转 手反转 底座正转 底座反转 电磁阀动作

(1).确定输入输出接点的总数

输入接点：启动按钮SB、行程开关SQ1——SQ4、光电开关SQ5，一共6个。输出接点：YV1——YV2总共5个。(2).估算PC内存总数

选取PC类型，PC内存总数取决于程序指令总条数。PC内存总数又是选取PC类型的重要依据，为此依据下面的经验公式对指令总条数进行估算。指令总条数=（10——20）*（输入点数+输出点数）

本例中指令总条数为（10——20）*（6+5）=110——220条。(3).输入输出点分配

如下图是机械手输入和输出信号与PC输入输出端子的分配图，其中根据需要增加了机械手回到原位时的指示灯，为了防止误按启动按钮引起机械手的误动作，增加了复位按钮，启动时需要先按复位按钮在按启动按钮，否则机械手不会动作。

图4.2机械手PC输入/输出端子的分配

(4).方案选择

考虑到机械手在工作时间时可能发生误动作行程开关而引起的不安全动作，各个输入开关信号只能在规定的状态发生作用，例如，SQ1的闭合信号只能当机械手位于原位而且按下SB2后或从原位右移到右位后才能起作用，其他状态时SQ1不起作用。为了达到这一目的，选择使用移位寄存器来完成顺序控制。3 梯形图设计

机械手的控制属顺序控制，采用步进指令，根据说明机器工作状态转换的图形，很容易进行程序设计。

（1）根据机械手的工作方式情况，选择“梯形图的总体设计

单步操作”方式时，应执行“单步操作”程序；在选择“返回原位”方式时，应执行“返回原位”程序;“自动”方式时，应执行“自动”程序，故梯形图的总体构成如下图所示。其中，自动程序要在启动按钮按下时才执行。

图4.3机械手PLC控制梯形图总体构成

（2）各部分梯形图的设计

通用部分梯形图设计

A状态器的初始化：初始状态器S600在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关处于“返回复位”（X501接通）时，按下返回复位按钮（X505）时被置位;在“单步操作”（X500接通）时，S600复位。处于中间工步的状态器用手动作复位操作，即在方式选择开关位于“单步操作”或 “返回复位”时，中间状态器同步复位，故初始状态梯形图如下图示（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）

状态器初始化梯形图。

B状态器转换启动：若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后，按下启动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步步向下传递，即可以进行转换。在执行“连续操作”程序时，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。另一方面，采用M100检查机器是否处于原位。当M575和M100都接通时，从初始状态开始进行转换，其梯形图如下图。

图4.4状态器转换启动梯形图

C状态器转换禁止梯形图：激活特殊辅助继电器M574，并用步进指令控制状态器转换时，状态器的自动转换就被禁止。

在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并保持，操作停止在现行工步。当按下启动按钮时，从现行工序重新开始工作，M574应复位，即重新允许转换。

在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。但每按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一步。

在“手动”工作方式（单一操作，返回原位）情况下，禁止进行状态转换。在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位。

PLC在启动时，用初始化脉冲M71使M574自保持，以次禁止状态转换，直到按下启动按钮。状态器转换禁止梯形图如下。

图4.5状态器转换禁止梯形图

通过对上图的分析可得出：在执行“单步操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时，每按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的状态可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的状态转换被禁止，操作停止现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续操作”程序时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。

D单步操作梯形图

手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方法来设计梯形图。“单步操作”时，按下夹持按钮时，夹持输出Y431自保持，只有按下松开按钮时，Y431才会复位；按下上升按钮，上升输出Y432保持接通；按下下降按钮，Y430保持接通；在上限位按下左行按钮，左行输出Y434保持接通；在上限位按下右行按钮，右行输出Y433保持接通。单步操作是梯形图如下图。

图4.6机械手单步操作梯形图

E返回原位梯形图

在“返回原位”状态下，“夹持”与“下降”动作应被停止，上限位未动作时应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位置。返回原位梯形图如下图。

图4.7机械手返回原位梯形图

F “自动”状态梯形图

如下图表示了机械手自动工作时执行各工步的情况。表明了各工步的实现以及各工步的转换条件。在第一次下降工步中，下降电磁阀Y430接通。自下限位置时，X401接通，转化为“夹持”过程。在夹持工步中，夹持电磁阀Y431置位，同时驱动T450。T450接通后，转化为第一次上升。此后执行类似的操作，完成由初始条件到下一个初始条件的一系列操作。在夹持输出Y431置位后，保持夹持，直到夹持输出复位松开。如上述一步步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。这种控制过程用继电器符号程序很难实现程序设计。

图4.8机械手自动工作流程图

用状态器替代自动工作流程图中的各工步，可得到如下图所示的功能表图。初始状态在图中用双线框表示。

图4.9机械手自动工作功能表图

根据上图所示的功能表图，可设计出自动操作时的梯形图，如下图所示。

图4.10机械手自动工作梯形图 绘制机械手PLC将控制梯形图

将从初始化开始的一系列梯形图，按照总体构成图的形式作何在一起，得到机械手PLC控制的梯形图，如下图所示。

图4.11机械手PLC控制梯形图 该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放至自动工作方式下。若自动工作状态解除，则应将工作方式选择开关放至“单步操作”位置。

4.5 功能表图设计

步的划分

分析被控对象的工作过程及控制要求，将系列的工作过程划分成若干阶段，这些阶段称为“步”。步是根据PLC输出量的状态划分的，只要系统的输出量状态发生变化，系统就从原来的步进入新的步。如下图所示，某液压动力滑台的整个工作过程可划分为四步，即：0步A、B、C均不输出；1步A、B输出；2步B、C输出；3步C输出。在每一步内PLC各输出量状态均保持不变。

步也可根据被控对象工作状态的变化来划分，但被控对象的状态变化应该是由PLC输出状态变化引起的。如下图所示，初始状态是停在原位不动，当得到起动信号后开始快进，快进到加工位置转为工进，到达终点加工结束又转为快退，快退到原位停止，又回到初始状态。因此，液压滑台的整个工作过程可以划分为停止（原位）、快进、工进、快退四步。但这些状态的改变都必须是由PLC输出量的变化引起的，否则就不能这样划分。例如：若从快进转为工进与PLC输出无关，那么快进、工进只能算一步。

总之，步的划分应以PLC输出量状态的变化来划分，因为我们是为了设计PLC控制的程序，所以PLC输出状态没有变化时，就不存在程序的变化。2.转换条件的确定

确定各相邻步之间的转换条件是顺序控制设计法的重要步骤之一。转换条件是使系统从当前步进入下一步的条件。常见的转换条件有按钮、行程开关、定时器和计数器触点的动作（通/断）等。

如上图“步的划分方法二”所示，滑台由停止（原位）转为快进，其转换条件是按下起动按钮SB1（即SB1的动合触点接通）；由快进转为工进的转换条件是行程开关SQ2动作；由工进转为快进的转换条件是终点行程开关SQ3动作；由快退转为停止（原位）的转换条件是原位行程开关SQ1动作。转换条件也可以是若干个信号的逻辑（与、或、非）组合。如：A1*A2、B1+B2。3.功能表图的绘制

根据以上分析画出描述系统工作过程的功能表图，是顺序控制设计中最为关键的一个步骤。绘制功能表图的具体方法将在下面介绍。4.梯形图的编制

根据功能表图，采用某种编程方式设计出梯形图程序。有关编程方式建在下一节中介绍。功能表图的绘制方法 A

功能表图概述

功能表图又称流程图。它是描述控制系统的控制过程、功能和特征的一种徒刑。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，是一种通用的技术语言，因此，功能表图也可用于不同专业的人员进行技术交流。

功能表图是设计顺序控制程序的有力工具。在顺序控制设计法中，功能表图的绘制是最关键的一个环节。它直接决定用户设计的PLC程序的质量。

各个PLC厂家都开发了相应的功能表图，各国也动制定了功能表图的国家标准。我国于1986年也颁布了功能图的国家标准（GB6988.6——86）。B

功能表图的组成要素

如下图所是为功能表图的一般形式。它主要是由步、转换、转换条件、有向连线和动作等要素组成。

C

步与动作

前面已介绍过，用顺序控制设计法设计PLC程序时，应根据系统输出状态的变化，将系统的工作过程划分成若干个状态不变的阶段，这些阶段称为“步”。步在功能表图中用矩形框表示。如，框内的数字是该步的编号。如下图所示各步的编号为n-

1、。当系统正工作于某一步时，该步处于活动状态，每个功能表图至少应n、n+1。编程时一般用PLC内部软继电器来代表各步，因此经常直接用相应的内部软继电器编号作为步的编号，如该有一个初始步。

所谓“动作”是指某步活动时，PLC向被控系统发出的命令，或被控系统应该执行的动作。动作用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应步的矩形框相连接。如果某一步有几个动作，可用下图中的两种画法来表示，但并不隐含这些动作间的任何顺序。

称为“活动步”。在功能表图中初始步用双线框表示，如

当步处于活动状态时，相应的动作被执行。但应注意表明动作是保持型还是非保持型的。保持型的动作是指该步活动时执行该动作，该步变为不活动后继续执行该动作；非保持型动作是指该步活动时执行，该步变为不活动时动作也停止执行。一般保持型的动作在功能表图中应该用文字或助记符标注，而非保持型动作不要标注。D

有向连线、转换和转换条件 如上图“功能表图的一般形式”所示，步与步之间用有向连线连接，并且用转换将步分隔开。步的活动状态进展是按有向连线规定的路线进行。有向连线上无箭头标注时，其进展方向是从上倒下、从左到右。如果不是上述方向，应在有向连线上用箭头注明方向。步的活动状态进展是由转换来完成的。转换是用与有向连线垂直的短划线来表示。步与步之间不允许直接相连，必须有转换隔开，而转换与转换之间也同样不能直接相连，必须由步隔开。转换条件是与转换相关的逻辑命题。转换条件可以用文字语言、布尔代数表达式或图形符号标注表示转换的短划线旁边。

转换条件和，分别表示当二进制逻辑信号为“1”和“0”状态时条件成立；转换条件和1.分别表示的是，当从“0”（断开）到“1”（接通）和从“1”到“0”状态条件成立。

功能表图中转换的实现

步与步之间实现转换应同时具备两个条件：①前几步必须是“活动步”；②对应的转换条件成立。

当同时具备以上两个条件时，才能实现步的转换，即所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动，而所有由有向连线与相应转换符号相连的前几步都变为不活动。2.功能表图的基本结构

根据步与步之间转换的不同情况，功能表图有以下几种不同的基本结构形式。（1）单序列结构

功能表图的单序列结构形式最为简单，它由一系列按顺序排列、相继激活的步组成。，每一步的后面只有一个转换，每一个转换后面只有一步。（2）选择序列结构

选择序列有开始和结束之分。选择序列的开始称为分支，选择序列的结束称为合并；选择序列的分支是指一个前级步后面紧接着有若干个后续步可供选择，各分支都有各自的转换条件。分支中表示转换的短划线只能标在水平线之下。

如下图所示为选择序列的分支。假设步4为活动步，如果转换条件a成立，则步4向步5实现转换；如果转换条件b成立，则步4向步7转换；如果转换条件c成立，则步4向步9转换。分支中一般同时只允许选择其中一个序列。

选择序列的合并是指几个选择分支合并到一个公共上。各分支也都有各自的转换条件，转换条件只能标在水平线之上。

如下图所示为选择序列的合并。如果步6为活动步，转换条件d成立，则由步6向步11转换；如果步8为活动步，且转换条件c成立，则步8向步11转换；如果步10为活动步，转换条件f成立，则步10向步11转换。

（3）并列序列结构

并列序列也有开始与结束之分。并列序列的开始也称为分支，并列序列的结束也称为合并。下图（a）所示为并列序列的分支，它是指当转换实现后将同时使多个续步激活。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。如果步3为活动步，且转换条件c也成立，则4、6、8三步同时变成活动步，而步3变为不活动。应当注意，当步4、6、8被同时激活后，每一序列接下来的转换将是独立的。下图（b）所示为并列序列的合并，当直接在双线上的所有前级步5、7、9都为活动步时，转换条件d成立，才能使转换条件实现，即步10变为活动步，而步5、7、9均变为不活动步。

（4）子步结构

在绘制复杂控制系统功能表图时，为了使总体设计时容易抓住系统的主要矛盾，能更简洁地表示系统的整体功能和全貌，通常采用“子步”的结构形式，可避免一开始就陷入某些细节中。

所谓子步的结构是指在功能表图中，某一步包含着一系列子部和转换。如下图所示的功能表图采用了子步的结构形式。功能表图中步5包含了5.1、5.2、5.3、5.4四个子步。

子步结构

这些子步序列通常表示整个系统中的一个完整子总能，类似于计算机编程中的子程 序。因此，设计时只要先画出简单的描述整个系统的总功能表图，然后再进一步画出更详细的子功能表图。子步中可以包含更详细的子步。这种采用子步的结构形式，逻辑性强，思路清晰，可以减少设计错误，缩短设计时间。

功能表图除以上四种基本结构外，在实际使用中还经常碰到一些特殊序列，如跳步、重复和循环序列等。

（5）跳步、重复和循环序列

除以上单序列、选择序列、并行序列和子步四种基本结构外，在实际系统中经常使用跳步、重复和循环序列等特殊序列。这些序列实际上都是选择序列的特殊形式。如下图（a）所示为跳步序列，当步3为活动步时，如果转换条件c成立，则跳过步4和步5直接进入步6。

如下图(b)所示为重复序列，当步6为活动步时，如果转换条件d步成立而条件e成立，则重复返回步5，重复执行步5和步6。直到转换条件d成立，重复结束，转入步7。如下图（c）所示为循环序列，在序列结束后，即步3为活动步时，如果转换条件e成立，则直接返回初始步0，形成系统的循环。

跳步、重复和循环序列

在实际控制系统中，功能表图中往往不是单一地含有上述某一种系列，而经常是上述各种序列结构的组合。

第五章 设计小结

毕业设计是我们毕业前夕最后也是最重要的一份作业，是对我们三年求学的一个总结，包含了我们三年中所学知识的积累，更是提升我们能力的一种方式。同时也是对我们学业的考核使我们的学业得以圆满结束。

经过一段时间的设计，可编程控制器和机械手的设计完毕，机械手的模型已设计完毕，其功能基本达到要求。整个系统稳定性好，而且只要修改控制程序，就可以让机械手作出不同的动作，控制的柔性很好。系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习与探索的过程。在这个过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和深刻的体会，并在学习和实践过程中增长了知识、丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行于调试的过程来进行。系统的分析和设计是一项既复杂又辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程，在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力直到问题得到解决。

在设计中，体会到理论必须和实际相结合。虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多差异，出现了许多意想不到的问题。许多问题都是书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出达到要求的系统。

参 考 文 献

可编程序控制器的原理及应用

机械工业出版社

主编

王卫兵 可编程序控制器的原理应用试验

机械工业出版社 主编

常斗南 机电传动与控制

华中理工大学出版社

主编 程宪平数控机床电气控制

西安电子科技大学出版社

主编机电一体化系统设计

高等教育出版

主编

张建民

姚永刚

谢辞

紧张充实的毕业设计就要结束了，大学三年的生活也到了尾声。回想起以往的美好时光，此时感慨万千，首先感谢指导教师党老师在毕业设计中对我的帮助，鼓励和精心指导，党老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄廓，关键是指导有方严格我们要求，为我营造了一种良好的精神氛围。置身党老师的指导过程中，不仅我的思想观念焕然一新，也改善了我的思考方式，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。其严以律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，令我如沐春风，倍感温馨。一股暖意细水长流，源自内心而又沐润全身，微言寸语岂能祥诉感激之情，只好铭记心中，唯有虔诚的祝福导师合家欢乐，一生平安。同时，也将祝福送给每一位帮助我的师长。同时感谢我的同学在我的毕业设计过程其中对我莫大的鼓励。毕业设计的完成也算是对我们学习生涯的一个句号，回想三年大学时光，与老师和同学们的点点滴滴，你们给与我的种种帮助，使我得以今天能顺利完成毕业设计，完成学业。谢谢你们，我所有的老师与同学。最后衷心的祝愿你们工作顺利、家庭幸福、身体健康！

感谢我的朋友和同学们在我三年生活和学习中对我的帮助，就要分别了，衷心祝福各位一路走好。再次感谢各位老师和同学，希望大家以后工作顺利。谢谢！

第四篇：基于PLC控制的机械手设计(毕业论文)摘要

摘要

本文的主要内容是基于PLC的机械运动手控制，工业机械手是工业生产的产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定程序输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。本文将通过PLC程序来实现机械手的运动控制，PLC是一种以微处理器为核心的工业控制装置，它采用了可编程序的存储器，可以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时器、计数器和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的设备或生产过程。本文中机械手涉及到8个动作过程，我们将通过V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6PLC编程软件来对其工作过程进行编程设计，V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6编程软件操作简单方便，而且还可以通过和计算机的通信实时的对工作程序进行模拟调试和修改，工业机械手是工业机器人的一部分，是机电一体化的结合，为了使工业机械手的操作自动化程度提高，本文还将加入机械手人机界面控制，通过触摸屏的来对机械手的运功过程进行操作，人机界面能更加直观方便的对机械手的运动过程进行控制和实时监控，本文将使用SIMATIC WinCC flexible 2007人机界面软件来对机械手人机界面进行设计，使用PLC编程控制器和人机界面一起对工业机械手的运动过程进行控制。

关键字： 工业机械手 PLC 人机界面 机电一体化

Abstract

The main content of this paper is based on the PLC mechanical movements of the hand control, industrial machinery hand is the product of industrial production, it is a copy of the upper part of the human body functions, in accordance with predetermined program conveying workpieces or hold the tools to operate the equipment automation technology, to achieve industrial production automation, the promotion of industrial production of the further development plays an important role in.This will be through the PLC program to the manipulator motion control, PLC is a microprocessor as the core of industrial control device, it uses a programmable memory, can be in the implementation of its internal storage logical, sequential control, timer, counter and arithmetic operations such as instructions, and through digital, analog input and output, the control of various types of equipment or production process.In this paper the manipulator relates to the 8course of action, we will be through the V4.0STEP 7MicroWIN SP6PLC programming software on its working process of programming, V4.0STEP 7MicroWIN SP6 programming software operation is simple and convenient, but also through the communications and computer real time on work procedure of the simulation to debug and modify, industrial machinery hand is industrial robot part, is the integration of mechanical and electrical integration, in order to make the industrial manipulator operation has high degree of automation, this paper will also join the manipulator of man-machine interface control, through the touch screen to manipulator's moving process, man-machine interface can be more intuitive and convenient for the manipulator motion process control and real time monitoring, this paper will use the SIMATIC WinCC flexible 2007interface software for mechanical hand man-machine interface design, the use of PLC programming controller and human-machine interface for industrial manipulator motion process control.Keywords : industrial machinery hand PLC man-machine interface integration of mechanical and electrical

第五篇：plc机械手课程设计

课程设计说明书

目录 引言.................................................................5 2 设计目的及主要内容...................................................6 2.1设计目的.......................................................4 2.2.主要内容.......................................................4 3 气动机械手的操作要求及功能...........................................4

3.1.操作要求.......................................................4 3.2操作功能.......................................................5 4 PLC及机械手的选择和论证.............................................6 4.1 PLC............................................................6 4.1.1 PLC简介...................................................6 4.1.2 PLC的结构及基本配置.......................................6 4.1.3 PLC的选择及论证..........................................7 4.2机械手.........................................................7 4.2.1机械手简介.................................................7 4.2.2机械手的选择...............................................8 5 硬件电路设计及描述...................................................8 5.1操作方式.......................................................8 5.2 PLC的I/O分配接线.............................................9 6 软件电路设计及描述..................................................10 6.1机械手的操作系统程序..........................................10 6.2回原位程序....................................................10 6.3手动单步操作程序..............................................11 6.4自动操作程序..................................................12 6.5机械臂传送系统梯形图..........................................12 6.6指令语句表....................................................13 7 心得体会...........................................................15 参考文献.............................................................16

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1引 言

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。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，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的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地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有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生产的。并且在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，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。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。

机械手采用plc控制，具有可靠性高，改变程序灵活等优点。无论进行时间控制还是控制或混合控制，都可以通过设置plc的程序实现。可以根据机械手的动作顺序改变程序，是机械手通用性更好。

采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好。阻力损失和泄露减少。不会污染环境，造价低。

在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不

一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。

课程设计说明书 设计目的及主要内容

2.1设计目的

1、培养plc设计能力；

2、扩展知识结构；

3、培养综合运用能力；

4、是课堂教学的有益补充。通过本次课程设计，进一步加强自己对机械手和PLC的认识，以及它们在生活中广泛应用。

2.2主要内容

1.正确选用机械手和PLC类 2.绘制I/O分配 3.设计梯形图 4.指令语句 5.模拟调试 气动机械手的操作要求及功能

3.1操作要求

气动机械手的动作示意图如图1所示，气动机械手的功能是将工件从A处移送到B处。控制要求为：

1、气动机械手的升降和左右移行分别由不同的双线圈电磁阀来实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动；

2、上升、下降的电磁阀线圈分别为Q0.0、Q0.2；右行、左行的电磁阀线圈为Q0.3、Q0.4；

3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀Q0.1来实现，线圈通电时夹紧工件，线圈断电时松开工件；

4、机械手的夹钳的松开、夹紧通过延1S实现；

5、机械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程开关I1.0、I0.5、I1.1、I0.6来实现；

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3.2操作功能

机械手的操作面板如图2所示。机械手能实现手动、回原位、单步、单周期和连续等五种工作方式。

1、手动工作方式时，用各按钮的点动实现相应的动作；

2、连续工作方式时，机械手在原位，只要按下启动安钮，机械手就会连续循环工作，直到按下停止安钮；

3、单步工作方式时，每按下一次启动安钮，机械手向前执行一步；

4、单周期工作方式时，每按下一次启动安钮，机械手只运行一个周期；

5、传送工件时，机械手必须升到最高点才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其他工件；

6、出现紧急情况，按下紧急停车按钮时，机械手停止所有的操作。

课程设计说明书 PLC及机械手的选择和论证

4.1 PLC 4.1.1 PLC简介

可编程控制器（简称PLC）：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。

4.1.2 PLC的结构及基本配置

一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开

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放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

CPU：PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU。与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

存储器：可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的。电源模块：有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

PLC 的外部设备：外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类 1.编程设备2.监控设备3.存储设备.4.输入输出设备.4.2 机械手

4.2.1机械手简介

mechanical hand 也被称为自动手，auto hand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。

机械手简述:机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

1．执行机构

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。

2．传动系统

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执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

3.控制系统

机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。

4.2.2机械手选择

由于机械手是在搬运中的应用，所以采用传送带加旋转的机械手类型。此机械手易于操作，性能可靠。并且根据要求，我们设计的是气动机械式。硬件电路设计及描述

5.1 操作方式

设备的操作方式一般可分为手动和自动两大类，手动操作方式主要用于设备的调整，自动操作方式用于设备的自动运行。

手动操作方式------手动操作：用单个按钮接通或断开各自对应的负载。

自动操作方式------单步运行：每按一次启动按钮，设备前进一个工步。------单周期运行：在原点位置时，按下启动按钮设备自动运行一个周期后停止原位；途中按下停止按钮，设备停止运行；再按下启动按钮时，设备从断点处继续运行，直到原位停止。

-------连续运行：在原点位置按下启动按钮，设备按既定工序连续反复运行。中途按下停止按钮，设备运行到原位停止。

5.2 PLC的I/O分配接线

I/O分配及接线图I 软件电路设计及描述

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6.1 主程序设计

主程序是整个程序的开始，系统读取的时候一定从主程序开始，至于之后需执行哪个子程序，都在主程序中体现。SM0.0的常开触点一直闭合，链接公用程序，公用程序是无条件执行的；在手动控制方式中，I2.0为ON时，其常开触点闭合，执行“手动”子程序；在回原点控制方式中，I2.1为ON时，其常开触点闭合，执行“回原点”子程序；在单步、单周期和连续控制方式中，I2.2、I2.3、I2.4并联，其中任何一个为ON时，执行“自动”子程序。主程序梯形图为：

图2-1 主程序梯形图

6.2 公用程序设计

公用程序用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理。左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的Q0.1的常闭触点串联接通时，“原点条件”M0.5变为ON，机械手处于原点状态，在开始执行用户程序、系统处于手动或自动回原点状态时，初始步对应的M0.0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式作好准备。若M0.5为OFF状态，M0.0被复位，初始步为不活动步，按下启动按钮也不能进入步M2.0，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。

当系统处于手动工作方式和回原点方式时，必须将单步、单周期以及连续工作方式程序中，除初始步以外的各步对应的存储器位（M2.0~M2.7）复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动部的异常情况，引起错误的动作。如果不是回原点方式，I2.1的常闭触点闭合，代表回原点中的各步

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M1.0~M1.5复位。在非连续方式，I2.4的常闭触点闭合，表示连续工作状态的标志M0.7复位。公用程序梯形图为：

图2-2 公用程序梯形图

6.3 手动程序设计

在手动程序中，为了保证系统安全运行，设置了上升与下降之间、左行与右行之间的互锁，防止功能相反的两个输出同时为ON；限位开关I1.2的常开触点闭合使得输出Q0.1置位得电，表示工件已夹紧；当左限位开关或右限位开关的常开触点闭合同时限位开关I0.7常开触点闭合时，输出Q0.1复位失电，表示工件已松开；I0.1~I0.4的常闭触点，限制机械手移动的范围；上限位开关I0.2的常开触点与控制左右行的Q0.4和Q0.3的线圈串联，机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞；只允许机械手在最左边或最右边时上升、下降和松开工件。

手动程序梯形图为：

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图2-3 手动程序梯形图

6．4 自动程序设计

自动程序（包括单步、单周期和连续）采用起保停电路控制。单周期、连续和单步工作方式主要用“连续”标志M0.7和“转换允许”标志M0.6来区分，M0.0表示初始步，M2.0~M2.7分别表示下降、夹紧、上升、右行、下降，松开、上升、左行标志。当系统处于单步工作状态时，I2.2常闭触点断开，只有在每按下一次启动按钮I2.6，M0.6才能得电一个扫描周期，程序执行一步，以此来实现单步执行，此时转换不允许。当系统处于连续工作状态时，M0.6始终得电，按下启动按钮I2.6后同时未按停止按钮I2.7之前，“连续”标志M0.7始终得电，系统首先通过M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得电，进而开始程序执行，由于M0.7始终得电，其常闭触点断开，使得程序执行完一个周期后不在进入初始步M0.0，而是直接进入M2.0，开始了下一个周期的执行，以此来实现连续执行。当系统处于单周期工作状态时，M0.7不得电，M0.6得电，按下启动按钮I2.6后系统也是首先通过M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得电，进而开始程序执行，由于M0.7不得电，其常闭触点闭合，当程序执行完一个周期后，返回初始步M0.0，此时程序再要执行必须重新按下启动按钮I2.6，以此来实现单周期执行。自动程序梯形图见附录1。

6.5 自动回原点程序设计

自动回原点程序用起保停电路设计。在此工作方式下，I2.1为ON，按下启动按钮I2.6后，机械手可能处于三种情况下，应分别处理。

Q0.1为0状态，即机械手处于松开状态，应直接返回原点应进入上升步M1.4或左行

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步M1.5；若Q0.1为1状态同时机械手在最右边此时说明应执行下降步M1.2,；若Q0.1为1状态同时机械手不在最右边，应将工件先送到B点，再返回原点，进入步M1.0。

返回原点后，原点条件满足，公用程序中的原点条件标志M0.5为ON，此时I2.1为ON，M0.0在公用程序中置位，为进入自动工作方式作好准备。因此可以认为自动程序中的初始步M0.0是步M1.5的后续步。自动回原点程序见附录2。心得体会

可编程控制器课程设计是课程当中一个重要环节，通过了2周的课程设计使我对plc设计过程有进一步了解，对plc产品的有关的控制知识有了深刻的认识。

因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。运用学习成果，把理论运用于实际，使理论得以提升，形成创新思想。通过此次设计过程，巩固了专业基础知识，培养了我综合应用可编程控制器设计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力，在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，为今后的学习和工作过程打下基础。

参考文献

《可编程控制器原理与应用》 主编：周惠文 电子工业出版社 北京，2007.8 《可编程控制器原理与应用》 主编：涂明武 北京航空航天出版社 北京，2008.8 《PLC操作实训（三菱）》 主编：孙德胜 李伟 机械工业出版社 北京，2007.9 《PLC应用技术》 主编：冯新强 北京邮电大学出版社 北京，2009.4

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附录1 自动程序梯形图：

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附录2 自动回原点程序梯形图：

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