机械手的PLC控制(完整)

江苏信息职业技术学院毕业设计报告

毕业设计报告

课题：机械手的PLC控制

系 部：机 电 系

专 业：电气自动化

班 级：电气1332

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学 号：**********

指导老师：***

2016-6

机械手的PLC控制

摘 要

机械手是工业自动化系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。

关键词：机械手 PLC 交流电机

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机械手的PLC控制

目 录

摘 要 ................................................................................................................................................ 1

引 言 .............................................................................................................................................. 3

第一章

机械手机械结构 ................................................................................................................ 4

1．1

传动机构 ..................................................................................................................... 4

1．2机械手夹持器和机座的结构 .................................................................................................... 6

第二章 机械手PLC及电机的应用 ................................................................................................. 8

2．1 PLC简介................................................................................................................................... 8

2．2 PLC内部原理 ...................................................................................................................... 10

2．3 机械手PLC选择及参数 ..................................................................................................... 12

2．4 机械手电机的选用 ............................................................................................................... 13

第三章 机械手PLC控制系统设计 ............................................................................................... 14

3．1 机械手的工艺过程 ................................................................................................................. 14

3．2

PLC控制系统 .................................................................................................................... 16

致答谢词 .......................................................................................................................................... 21

参考文献 .......................................................................................................................................... 21

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机械手的PLC控制

引 言

在现代工业中，随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。

本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。

由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。

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第一章 机械手机械结构

1．1 传动机构

1.1.1螺旋机构

螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，其主要功能是将转动变换为直线运动，并同时传递运动和动力，按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构可以分为滑动螺旋机构和滚动螺旋机构两种类型。按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。

螺旋机构具有结构简单，制造方便，传动平稳，无噪声易于自锁等优点。

1.1.2滑动螺旋机构

螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构，称为滑动螺旋机构。滑动螺旋机构所用的螺纹为传动性能好，效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。

滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成。根据机构的组成及运动方式，滑动螺旋机构又分为以下两种。

（1）．由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构，螺母与机架固联，螺杆转动并移动（如图1-1b所示），这种螺旋机构以传递动力为主，故又称传力螺旋机构。一般要求用较小的转矩产生较大的轴向力，多用在工作时间短，速度较低的场合。

（2）．由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构，如图1-1a所示，螺杆转动，螺母移动，这种螺旋机构以传递运动为主，故又称为传导螺旋机构。

本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。这种传动形式结构紧凑，刚度较大，传动效率高，精度高。

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（a）螺杆转动，螺母移动 (b) 螺母固定，螺杆转动并移动

图1-1

1.1.3滚动螺旋机构

螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构，称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。其机构特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道，并在其间放如刚球，当螺杆转动时，刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。按循环方式的不同，分为外循环和内循环两种形式。

滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环叫外循环（如图1-2所示）。外循环螺母只需设置一个反向器，当滚珠进入反向器时，就被阻止而转弯，从返回通道回到滚道的另一端，形成一个循环回路。

机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动。滚动螺旋机构摩擦阻力小，动作灵敏度高，传动效

率高，可达90%以上。用调整的方法可消除间

隙，传动精度高。

图1-2

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1．2机械手夹持器和机座的结构

1.2.1机械手夹持器

机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为外夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。

回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移。对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置。但其机械机构繁杂，体积大，制造精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候，在满足工件的定位精度要求的条件下，尽可能的采用结构比较简单回转型夹持器。

本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回转型夹持器。如右图所示，装在杆上端的滚子3和楔块之间为滚动接触。当电机带动连杆前进时，通过楔块4的斜面和杠杆1，使两个手抓产生加紧动作和加紧力。当楔块后移时，靠弹簧的拉力使手指松开。这种末端执行器由于楔块和滚子之间为滚动接触，摩擦力小，活动灵活，且机构简单。

1.2.2机座

机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时的稳定行。

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如图1-3所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。这种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。图中电动机3经减速器4、主动小齿轮5、中间齿轮6、大齿轮7驱动丝杆2旋转，从而驱动升降台上下运动。整个机座安装在基座8上。

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第二章 机械手PLC及电机的应用

2．1 PLC简介

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic

Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。

PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。

相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比8

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DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。

通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器

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2．2 PLC内部原理

PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一

的。如图2.1所示， PLC硬件的基本结构图所示：

编程器

输入电路中央处理单元

输出电路

（CPU）

系统程序存储区 用户程序存储区

电源

图2-1 PLC硬件的基本结构图

（1）中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区, 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行为止。

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（2）存储器

与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的PLC。PLC的软件分为两部分: 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理， 其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。

（3）PLC电源

PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的PLC，还是中、大型的PLC，其电源的性能都是一样的，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负10%（15%）之间，因此可以直接将PLC接入到交流电网上去。

可编程序控制器一般使用220V交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源。驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。

可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。

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2．3 机械手PLC选择及参数

综合上述原则机械手控制系统主机为西门子的S7-224XP。

2.3.1.主要技术数据如下：

工作电源：24VDC

输入点数：24

输出点数：24

输入信号类型：直流或开关量

输入电流：24VDC 5mA

模拟输入：-10V～10V（-20mA～+20mA）

输出晶体管允许电流0.3A/点（1.2A/COM）

输出电压规格：30VDC

最大负载：9W

主机的组成

（1）、输入单元

输入单元由8个按扭、8个开关和16个接插件组成，它们分别与PLC的16个输入点相接。改变这些开关或按扭的通断状态，即可对主机输入所需要的开关量。16个接插件可外接其它直流或开关量输入信号。

（2）、输出单元

输出单元由24个二极管和24个接插件组成，它们分别与PLC的24个输出点相连。发光二极管是否发光，即可表示输出点的状态，使用者可得到主机的输出信息。24个输出接插件可外接其它需要控制的设备。输出单元的4个地端，分别引出到面板，其中只有C4与3V电源共地。

（3）、电源单元

PLC主机左边有外接220V/AV的电源插座，作为PLC的工作电源。内装变压器，输出3V电源，供二极管使用。另外PLC的24VDC和24GND已引出到面板，供外接输入器件（如传感器）的工作电源用。

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2．4 机械手电机的选用

Y2系列三相异步电动机具有结构新颖、造型美观、噪音低、振动小、绝缘等级高等特点，产品现已达到九十年代国际先进水平，是Y系列电机的更新产品。外壳防护等级IP54，它具有良好的起动性能和运行性能，结构简单，工作可靠，维修方便等特点，电机采用E级或B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为ICO141，额定频率为50Hz，额定电压为380V。

竖轴驱动电机承载整个机械手的所有负载，需要功率较大，而机械手主要用于生产线夹持较轻便物体，综合考虑，竖轴选用Y2-63M2-2，功率250W，可满足生产需要。

横轴主要驱动横臂的左右运动，承载重量较小，选用Y2-63M1-2，功率180W，即可满足生产需要。

电动机3主要用来控制机械手抓的加紧和放松，所承载负载最小，因此可选用

Y2-63M1-4，功率120W。

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第三章 机械手PLC控制系统设计

3．1 机械手的工艺过程

3.1.1了解设备概况

机械手的结构和各部分动作示意图，如图3-1所示。机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。

分析工艺过程

机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降——夹紧工件——上升——右移——再下降——放松工件——再上升——左移八个动作，完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是有时间来控制的。

为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。

3.1.2控制方面的要求：

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图3-1 机械手结构图

为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单周期和连续工作方式。

1） 手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。

2） 单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。

3） 连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连续工作方式下设置两种停车状态：

正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。

紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。

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3．2 PLC控制系统

3.2.1确定输入/输出点数并选择PLC型号

1）输入信号

位置检测信号：下限、上限、右限、左限共4个行程开关，需要4个输入端子。

“无工件检测”信号：用光电开关作检测元件，需要1个端子。

“工作方式”选择开关：有手动、单周期和连续3种工作方式，需要3个输入端子。

手动操作：需要有下降、上升、右移、左移、加紧、放松6个按钮，也需要6个输入端子。

自动工作：尚需启动、正常停车、紧急停车3个按钮，也需要3个输入端子。以上共需要18个输入信号。

2）输出信号

PLC的输出用于控制机械手的下降、上升、右移、左移、加紧、放松以三个电动机转速的控制等，共需要6个输出点。机械手从原点开始工作，需要一个原点指示灯，也需要1个输出点。所以，至少需要6个输出点。

由于机械手的控制属于开关量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型号的小型PLC均可满足要求。根据所需的I/O总点数并留有一定的备用量，可选用S7-224XP，其输入和输出各24点，继电器输出型。S7-224XP的各项工作参数已在第二章介绍，在此不在做介绍。

3.2.2分配PLC的输入/输出端子

PLC的输入输出端子分配接线图，如图3-2所示。

3.2.3PLC控制系统程序设计

（1）手动程序 手动操作不需要按工序顺序进行动作，所以可按普通继电器程序来设计。手动操作的梯形图，如图3-3所示，手动按钮I1.3-I2.0分别控制下降、上升、右移、左移、加紧和放松各个动作。为了保证系统的的安全与进行，

设置了一些必要的连锁。其中在左、右移动的电路中加入I0.7作上限连锁，这16

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是因为机械手只有处于上限位置时，才允许左、右移动。

图3-2 输入/输出分配接线图

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图3-3手动程序

自动程序 自动程序如图3-4所示。

连续及单周期操作。当机械手在原点时，程序处于初始状态，执行下降动作。当下降到下限位开关时，机械手夹紧工件，然后执行上升动作。当达到上限位时，机械手方可作横向运动，到达右工作台上方。当检测到右工作台上无工件时，机械手方可下降。机械手将物件放到右工作台上后，机械手反向运行，回到初始点。

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图3-4自动程序

将如图3-3所示的自动操作梯形图，包括单周期、连续操作在内的整个自动操作的梯形图。

至此，机械手的控制程序分段设计完毕。根据图3-2所示的总程序结构框图，将手动操作程序梯形图和自动程序梯形图嵌入，就得到整个程序的梯形图。

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致答谢词

设计及论文是在我的指导老师贾君贤以及各位电气自动化专业的老师共同指导下完成的，我很感谢他们不计辛苦的指导我，同时也要感谢帮助我的同学，给我提供了宝贵的建议！指导老师的治学态度严谨，无私的奉献精神让我深有感触。从尊敬的指导老师身上，我感受到了她的无私，也学到了更多了专业知识。同时也学到了很多做人的道理！我要向我的指导老师致以最崇高的敬意！

参考文献

1．胡晓明主编 电气控制及PLC 机械工业出版社 2006

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机械手的PLC控制

2．程周主编 PLC技术与应用 福建科学技术出版社 2004

3．李中年主编 控制电气及应用 清华大学出版社 2006

4．冯辛安主编 机械制造装备设计 机械工业出版社 2005

5．廖常初主编 可编程序控制器应用技术 重庆大学出版社 2002

6．张继和 张润敏 梁海峰主编 电机控制与供电基础 西南交通大学出版社

2000

7．田鸣主编 机械技术基础 机械工业出版社 2005

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