基于plc的机械手控制系统设计(毕业设计)

Xinyu University

毕业设计(论文)

基于PLC的机械手控制系统设计

学生姓名: 学 号: 专 业: 指导教师: 学 院:

何友良 1201231016 电气工程及其自动化 谢富珍 副教授 电气与电子工程

江西·新余

独创性声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。其中除加以标注和致谢的地方，以及法律规定允许的之外，不包含其他人已经发表或撰写完成并以某种方式公开过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而作的材料。其他同志对本研究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并表示谢意。

本毕业设计（论文）成果是本人在新余学院期间在指导教师指导下取得的，成果归新余学院所有。

特此声明。

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本毕业设计（论文）作者及指导教师完全了解新余学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业设计（论文）的复印件和磁盘，允许毕业设计（论文）被查阅和借阅。

作者签名（手写）： 指导教师签名（手写）：

日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

摘 要 论文题目：基于PLC的机械手控制系统设计 专 业：电气工程及其自动化 学生姓名：何友良 指导教师：谢富珍 副教授

摘 要

随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。

在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。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。

本文主要论述了基于PLC设计的机械手控制系统。首先，对可能用到的可编程控制器进行了相关的介绍，再选择设计所用到的PLC型号。然后，通过对机械手的控制方式及各功能的实现方式进行研究，确定各功能的实现方案和设计控制系统所用到的器材。最后，对PLC控制系统的软件程序和硬件结构进行设计。

关 键 词：工业自动化；可编程控制器；机械手；远程控制；传感反馈

I

ABSTRACT Title: Design of manipulator based on PLC control Specialty: Electrical Engineering and automation Applicant: Youliang He

Supervisor: Fuzhen Xie associate professor

Abstract

With the development of modern industrial technology, industrial automation technology is more and more high, the production conditions also tended to bad situation, the front-line workers skills also put forward higher requirements, and the operation safety of workers has also been a corresponding threat. The workers work environment and work content also requires ideal for some simple, reciprocating work by robot remote control or automatic completion is very important This can avoid some people can not contact with the human body damage, such as metallurgy, chemical, pharmaceutical, aerospace, etc..

In the mechanical manufacturing industry, the application of mechanical hand more, the development of faster. At present, it is mainly used in machine tools, forging press under the material and welding, painting and other operations, it can be in accordance with pre established operating procedures to complete the prescribed operation, and some also have with sensor feedback ability, can cope with external changes. Application of the manipulator, to improve the material transfer, workpiece loading and unloading, tool replacement and machine assembly automation, which can improve labor productivity, reduce production costs, accelerate the pace of industrial production mechanization and automation.

This paper mainly discusses the design of manipulator control system based on PLC. First, the possible use of the programmable controller is related to the introduction, and then choose the design of the PLC model. Then, through the control mode of the manipulator and the realization way of each function, the realization scheme of each function and the equipment used in the design control system are determined. Finally, the software program and hardware structure of PLC control system are designed.

Keywords: industrial; automation programmable controller ; manipulator； Remote control；sensor feedback

II

目 录 目录

1 绪论............................................................................................................................................. 1 1.1 课题背景 ............................................................................................................................... 1 1.2 机械手的定义与分类 ........................................................................................................... 1 1.3 机械手的应用及相关组成 ................................................................................................... 2 1.4 机械手的发展趋势 ............................................................................................................... 3 1.5 总体设计要求 ....................................................................................................................... 3 2 PLC的介绍与选择 ...................................................................................................................... 5 2.1 PLC的特点 ............................................................................................................................ 5 2.2 PLC的选型 ............................................................................................................................ 5 2.3 三菱FX系列的结构功能 ..................................................................................................... 6 2.4 PLC的保护 ............................................................................................................................ 7 3 机械手系统组成 ......................................................................................................................... 9 3.1 机械手模型的机能特性 ....................................................................................................... 9 3.2 夹紧机构 ............................................................................................................................... 9 3.3 躯干....................................................................................................................................... 9 3.4 旋转编码盘 ......................................................................................................................... 10 4 控制系统设计 ........................................................................................................................... 11 4.1 控制系统硬件设计 ............................................................................................................. 11 4.1.1 PLC梯形图中的编程元件 .......................................................................................... 12 4.1.2 PLC的I/O分配 .......................................................................................................... 12 4.1.3 机械手控制系统的外部接线图 ................................................................................. 13 4.2 控制系统软件设计 ............................................................................................................. 14 4.2.1公用程序 ...................................................................................................................... 14 4.2.2自动操作程序 .............................................................................................................. 15 4.2.3 手动单步操作程序 ..................................................................................................... 24 4.2.4 回原位程序 ................................................................................................................. 29 4.3 PLC程序的上载和下载 ...................................................................................................... 34 4.3.1 PLC程序的上载 .......................................................................................................... 34 4.3.2 PLC程序的下载 .......................................................................................................... 34 5 设计总结 ................................................................................................................................... 35 5.1 总结..................................................................................................................................... 35 5.2 展望..................................................................................................................................... 35 参考文献......................................................................................................................................... 37 致 谢 ............................................................................................................................................ 39

I

基于PLC的机械手控制系统设计 选择PLC型号。

西门子公司生产的PLC，在我国的各个行业应用已经相当广泛。他们生产PLC不仅活跃在工业自动化控制方面，就连基础设施建设方面也与涉及。

OMRON S7-200系列的PLC在内置功能和通讯方面有着突出的特点，而且使用的编程软件Micro/win也简单易学。

欧姆龙的PLC设计趋于小型化。SYSMAC CPM1A只有一张PC卡那么大，在大幅度缩减安装体积的同时，也节省了PLC控制台的空间。它还具有一些小型PLC不具备的功能，它能够连接程序的终端，塑造出全新的工业生产环境。

三菱公司生产的FX系列PLC在国内国外都独具特色，是当前的最新PLC的代表。这种PLC具备以往PLC所有的指令，还能够使用梯形图编辑程序和对一些需要有步骤的机械流程进行顺序功能设计，并且这些程序之间都是可以相互变换的。三菱PLC中还采用高速计数器，能够对继电器产生中断处理，拓宽了PLC的使用范围。

2. 确定使用型号FX1N-60MR

在选择使用PLC控制系统与其他控制系统时，应该尽量的提高所选器材的性价比，并且在维修和使用方面都要相对简单；所选择的PLC要保证能够实现相应的控制要求；不宜选用较落后的PLC机型，尽量选用功能完善的PLC新机型。同时还要为长远考虑，对以后工艺的拓宽留有余量；所选用的系统要能够平稳可靠运行[11]。本设计选用三菱的FX1N为核心部件。FX系列的PLC是原来的F系列的替代品，是近些年三菱公司推出的新型PLC，它的体积相对较小，性价比较高在各领域得到了广泛应用。 3. FX1N的优越性

FX1N的CPU处理速度相对较高，完成一个指令只需要0.065us。设备内的RAM存储器达到了64k。拥有两百多条指令，更加完善了指令功能[12]。 内置元件中还增加了新的指令：定位指令。能够实现对表格、中断单速等的定位。还内置了6个100KHZ的计数器，能够进行多相多频计数。

在通信方面上，有高达115.2kbps的通信口，而且能同时使用多个通信口。还增加了新的I/O适配器，这些新的适配器并不占用原来的系统I/O点数，使用也相对方便，可以连接多台适配器，实现多路高频高速计数的功能。

2.3 三菱FX系列的结构功能

PLC实质是应用在工业上的一台微型计算机，且结构也计算机类似。CPU、

I/O接口、存储器是PLC的主要组成部分。因为它的程序接口与微机的程序接口有差异，使得它的编程语言以及操作方式也与微机有所差异。PLC的定时、计数、

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基于PLC的机械手控制系统设计 数模转换等功能都是通过微处理器采用编程的形式进行联系实现的。

几乎所有的PLC硬件组成结构都相同，图2-1为PLC结构示意图；在PLC中数据的传送和指令的传送都是通过总线的结构而进行的，编程器则为用户提供编辑控制程序而被作为PLC的外设[13]。

手持编程器或计算机计

电磁阀

YA

接触器触点 KM

中央处理器

输

系统存储器

出 接 口

位置开关SQ

输 入 接 口

KM

SB

外电源

电源

用户存储器

图2-1 PLC结构示意图

PLC的运行过程大致可描述为：首先，外部输入信号经PLC输入端进入PLC内部的存储器，存储器对这些信号的数据和状态进行收集和锁存；再由CPU[14]按生产的实际要求对这些信号进行处理和运算；最后，将处理结果传送到输出端使执行结构产生动作，完成对现场设备的控制。

2.4 PLC的保护

由于电感类元件，在电路的通断时会产生较高的电压，对PLC的I/O结口将造成损坏，所以需要在元件的两端采取相应的保护措施。当使用的是直流电源时，应该通过采取接入续流二极管的方式对电路进行保护；而当使用的是交流电源时，则需要通过接入阻容电路的方式对电路进行保护。图2-2为PLC的I/O端口保护电路示意图。

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基于PLC的机械手控制系统设计

图2-2 I/O端的保护

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基于PLC的机械手控制系统设计 3 机械手系统组成

3.1 机械手模型的机能特性

我们生活的空间是一个三维的空间，任何物体所在的位置都可以由三个坐标

和方向来确定；因此，只要求得所要搬运物体的位置坐标和位置方向，就能确定物体的具体位置。机械手是一种用来替代人手的设备，每完成一个动作都需要有一个自由度，而制造的成本也与自由度的多少息息相关，自由度越多，成本也就越高。

3.2 夹紧机构

手爪是机械手的抓取结构。设计一台合格的机械手除了要考虑良好的灵敏度

和准确性外，还需要考虑被夹物体的形状、大小、重量等因素来合理的设计机械手手爪的结构。手爪的夹紧力要设计合理，不能损坏被夹物体，可以在手爪内镶嵌弹性的垫片或软质的材料来保护被夹物体；同时还应有自锁的结构，防止当机械手因突然断电而使物体损落。

机械手的手爪结构形式多样，有的甚至还带有传感装置；在工业生产中最常见的有机械式、电磁式、吸盘式等。

机械式的手爪因其功能丰富、种类繁多，而被大量的应用在各种工业场合。本设计采用到是二指机械式手爪，手爪的开闭由PLC控制电磁阀的通断来控制，手爪的回旋则由一台直流电动机和两个限位开关共同作用控制。

3.3 躯干

躯干主要由底盘和手臂构成。

底盘在机械手中的作用是用来承载重物和带动手臂运动的机构。它由一台直流电动机和旋转编码盘及限位开关组成。正常工作时，直流电动机驱动底盘旋转并带动编码盘一起运动，底盘每发出一个脉冲信号旋转的角度就为3度，这些脉冲信号由传感器检测并传入到PLC中；因此，只要知道发出脉冲的个数，就能够知道底盘旋转的角度。

手臂是用来连接和承载手爪运动的重要机构。它由PLC控制电动机的运转情况来控制丝杆和螺母的运动，同时采用限位开关对这些运动进行限位，保证运动的精准和高效率运行。

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基于PLC的机械手控制系统设计 3.4 旋转编码盘

旋转编码盘的结构示意图如图3-1所示。

图3-1 旋转编码盘

机械手每旋转3度就发出一个信号脉冲，只要改变PLC[15]程序计数器中的数值，就可以完成不同角度的旋转。

本设计选用器材如表3-1.

表3-1 设计选用器材

名称 PLC 电磁阀 按钮 连接导线

型号或规格 FX1N-60MR VF3130 LA10-1H

数量 1 1 13 若干

名称 限位开关 转换开关 熔断器

型号或规格 LX19-111 LW6-5 RC1A-30/15

数量 8 1 2

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