机械手臂搬运加工流程控制

新疆工业高等专科学校

实 训 报 告

实 训 科 目 PLC基础及应用

系 部 电气与信息工程系 专 业 生产过程自动化 班 级 08-23-（1）班 姓 名 孙 玉 莲

实 训 地 点 仓房沟校区311教室

指 导 教 师 毛 昀 老 师 完 成 日 期 2010年12月2日

新疆工业高等专科学校教务处印制

说 明

一、报告封面必须按指定封面用钢笔或炭素笔填写，字体要规范。 二、报告应含有以下内容： 1、前言

2、实习目的及要求 3、实习时间 4、实习地点 5、实习单位和部门

6、实习内容：按实习大纲、实习进度计划的要求和规定，并结合自己的体会写。 7、实习总结

指导教师评语及成绩评定

教师评语： 年 月 日 评定结果 教师签字： 电气系《plc设计》实训任务书

10/11学年上学期 10年11月30日 专业 设计题目 起止时间 生产过程 自动化 班级 实训名称 PLC实训 机械手臂搬运加工流程控制 10-11-30至10-12-3 周数 1周 指导教师 设计地点 实训目的： 1、熟悉电气控制系统的基本控制电路,具有电气控制系统分析和设计的基本能力。 2、掌握可编程控制器原理。 3、熟悉PLC的编程和仿真软件。 4、熟练掌握三菱FX2N-48MR的接线。 5、会利用PLC的编程软件对简单的控制进行程序设计，并达到设计的要求。 实训任务或主要技术指标： 用PLC可编程控制器来实现机械手的自动控制。 实训进度与要求： 1、在一周的时间内完成机械手的自动控制设计 2、通过PLC编程实现机械手的自动控制，并对其原理进行简单的分析，画出其硬件图和软件图。 主要参考书及参考资料： [1] 谢克明，夏路易.可编程控制器原理与程序设计 电子工业出版社 [2] 廖常初 可编程序控制器应用技术（第四版） 重庆大学出版社 2002 [3] 自动化网论坛，机械手 PLC控制 教研室主任（签名） 系（部）主任（签名） 年 月 日

摘 要

PLC就是可编程控制器，它是一种数字式运算作的电子系统,专为工业环

境下应用而设计,因此它具有可靠性高,抗干扰能力强,功能强等优点而普遍应用在控制领域。

本设计主要阐述了机械手的构成、工作原理、工作条件。运用可编程控制器(PLC)对机械手臂搬运加工流程控制的方案，此方案大大提高了工作效率。本设计利用PLC控制机械手实现全自动运行。

关键词： PLC 机械手 自动控制

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2．1标准触点指令

LE常开触点指令，表示一个与输入母线相连的动合接点指令，即动合接点逻辑运算起始。

LDN常闭触点指令，表示一个与输入母线相连的动断接点指令，即动断接点逻辑运算起始。

A 与带开触点指令，用于单个动合接点的串联。 AX 与非常闭触点指令，用于单个动断开接点的串联。 O 或常开触点指令，用于单个动合接点的接点的并联。 ON 或非常闭触点指令，用于单个动断接点的并联。

LD、LDN、A、AN、O、ON触点指令中变量的数据类型为布尔(BOOC)型。LD、LDN两条指令用于将接点接到母线上，A、AN、O、ON指令均多次重复使用，但当需要对两个以上接点串联连接电路块的并联连接时，要用后述的OLDB指。

例子：

I 0.0

I 0.1 I 0.2

I 0.3

LD I0 .0 AN I0.1 O I0.2 A I0.3 ON C5 = Q0.3 = Q1.4 AN I3.4 = Q2.6

C5

Q0.3 （ ） Q1.4 （ ） I 3.4

Q2.6

（ ）

图2.1

2．2串联电路块的并联连接指令OLD

两个或两个以上的接点串联连接的电路叫串联电路块。串联电路块并联连接时，分支开始用LD、LDN指令，分支结束用OLD指令。OLD指令与后述的ALD指令均为无目标元件指令，而两条无目标元件指令的步长都为一个程序步。OLD有时也简称或块指令。

2．3并联电路的串联连接指令ALD

两个或两个以上接点并联电路称为并联电路块，分支电路并联电路块与前面电路串联连接时，使用ALD指令。分支的起点用LD、LDN指令，并联电路结束后，使用ALD指令与前面电路串联。ALD指令也简称与块指令，ALD也是无操作目标元件，是一个程序步指令。

2．4输出指令

1、(=)输出指令与线圈相对应，驱动线圈的触点电路接通时，线圈流过“能流”，输出类指令应放在梯形图的最右边，变量为Bool型。

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2．5置位与复位指令S、R

S为置位指令，使动作保持；R为复位指令，使操作保持复位。从指定的位置开始的N个点的映像寄存器都被置位或复位,N=1～255如果被指定复位的是定时器位或计数器位,将清除定时器或计数器的当前值。

2．6跳变触点EU,ED

正跳变触点检测到一次正跳变(触点得输入信号由0到1)时,或负跳变触点检测到一次负跳变(触点得输入信号由1到0)时,触点接通到一个扫描周期.正/负跳变的符号为EU和ED,他们没有操作数,触点符号中间的”P”和”N”分别表示正跳变和负跳变

2．7空操作指令NOP

NOP指令是一条无动作、无目标元件的1程序步指令。空操作指令使该步序为空操作。用NOP指令替代已写入指令，可以改变电路。在程序中加入NOP指令，在改动或追加程序时可以减少步序号的改变。

2．8程序结束指令END

END是一条无目标元件的1程序步指令。PLC反复进行输入处理、程序运算、输出处理，若在程序最后写入END指令，则END以后的程序就不再执行，直接进行输出处理。在程序调试过程中，按段插入END指令，可以按顺序扩大对各程序段动作的检查。采用END指令将程序划分为若干段，在确认处于前面电路块的动作正确无误之后，依次删去END指令。要注意的是在执行END指令时，也刷新监视时钟。

3．可编程控制器梯形图编程规则

编程的几个步骤

（一）决定系统所需的动作及次序。

当使用可编程控制器时，最重要的一环是决定系统所需的输入及输出，这主要取决于系统所需的输入及输出接口分立元件。

输入及输出要求：

(1) 第一步是设定系统输入及输出数目，可由系统的输入及输出分立元件数目直接取得。

(2）第二步是决定控制先后、各器件相应关系以及作出何种反应。 （二）将输入及输出器件编号

每一输入和输出，包括定时器、计数器、内置寄存器等都有一个唯一的对应编号，不能混用。

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（三）画出梯形图。

根据控制系统的动作要求，画出梯形图。 梯形图设计规则

（1）触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。应根据自左至右、自上而下的原则和对输出线圈的几种可能控制路径来画。

（2）不包含触点的分支应放在垂直方向，不可放在水平位置，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。

（3）在有几个串联回路相并联时，应将触头多的那个串联回路放在梯形图的最上面。在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。这种安排，所编制的程序简洁明了，语句较少。

（4）不能将触点画在线圈的右边，只能在触点的右边接线圈。 （四）将梯形图转化为程序

把继电器梯形图转变为可编程控制器的编码，当完成梯形图以后，下一步是把它编码成可编程控制器能识别的程序。

这种程序语言是由地址、控制语句、数据组成。地址是控制语句及数据所存储或摆放的位置，控制语句告诉可编程控制器怎样利用数据作出相应的动作。 （五）在编程方式下用键盘输入程序。 （六）编程及设计控制程序。 （七）测试控制程序的错误并修改。

（八）保存完整的控制程序。

4机械手

4．1机械手历史

它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机

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器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成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。

4．2机械手构成

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（或工具）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（摆动）、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2～3个自由度。

4．3机械手分类

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、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。

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

4．3．1油田钻柱操作机械手

本产品由山东科技大学研发而成，主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸工作。操作机械手设计有两个，一个坐落在一层台井口旁边2米左右处，简称为下手；一个坐落在二层台上的中心台上，简称为上手。下手的腰部回转角度≥120°，最大伸缩距离为5.7米，有5个运动关节，在手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。

上手的腰部回转角度为310 °，最大伸缩距离≥2800mm，上手有9个运动关节，手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。 机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。

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机械手可以完成的操作对象参数为：①钻柱高30 m；②钻杆重量为：40 Kg/m，总重1200 Kg；③钻铤（七英寸直径）重量为：180 Kg /m，总重5400 Kg。

4．3．2硬臂式助力机械手

硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程“漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。比如在工件重心远离臂悬挂点，或是工件需要翻转或倾斜情况下，必须选用硬臂式助力机械手，还有在厂房高度有限情况下，可以选用硬臂式助力机械手。

硬臂式助力机械手可以实现提升最大500Kg的工件，半径最大可以达到3000mm，提升高度最大2500mm。根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工件重量的最小型号的机器，如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感觉很笨重。

配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。

上海永乾制造的助力机械手（含硬臂式、软索式）还可以在用户现场气压不足的情况下，增加增压泵，可以使设备运行更加平稳。

配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。 4．3．3软索式机械手

软索式机械手的功能与气动平衡吊类似，具有全行程的“漂浮”功能，但是提升位移比气动平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大负载只有450Kg。

配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者。

配合各种非标夹具，软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以固定地面或悬挂固定使用，不能使用导轨式。 4．3．4T型助力机械手

区别于硬臂式助力机械手的是T型助力机械手没有双关节机械臂，它的前后左右位移靠导轨来实现。由于T型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式显得小巧，更适合于操作空间狭小的场合。

T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根据客户要求设计，而且搬运范围要比硬臂式大的多。

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配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。

配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式为导轨移动.

5 、小组设计：机械手臂搬运加工流程控制

5．1实训目的

用数据移位指令来实现机械手臂搬运加工流程控制动作的模拟。

5．2控制要求

图中为一个将工件由A处传送到B处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如图所示，有八个动作，即为：

图5.1

5．3机械手动作的模拟实验面板图：

见附录（图2机械手动作的模拟实验面板图）

此面板中的启动、停止用动断按钮来实现，限位开关用钮子开关来模拟，电磁阀和原位指示灯用发光二极管来模拟。

5．4输入/输出接线列表:

表5.1

输入 接线 输出 接线

YV1 Y0 YV2 Y1 YV3 Y2 YV4 Y3 10

YV5 Y4 HL Y5 SB1 X0 SQ1 X1 SQ2 X2 SQ3 X3 SQ4 X4 SB2 X5 机械手臂搬运加工流程控制

5．5工作过程分析：

当机械手处于原位时，上升限位开关X002、左限位开关X004均处于接通（“1”状态），移位寄存器数据输入端接通，使M100置“1”，Y005线圈接通，原位指示灯亮。

按下启动按钮，X000置“1”，产生移位信号，M100的“1”态移至M101，下降阀输出继电器Y000接通，执行下降动作，由于上升限位开关X002断开，M100置“0”，原位指示灯灭。

当下降到位时，下限位开关X001接通，产生移位信号，M100的“0”态移位到M101，下降阀Y000断开，机械手停止下降，M101的“1”态移到M102，M200线圈接通，M200动合触点闭合，夹紧电磁阀Y001接通，执行夹紧动作，同时启动定时器T0，延时1.7秒。

机械手夹紧工件后，T0动合触点接通，产生移位信号，使M103置“1”，“0”态移位至M102，上升电磁阀Y002接通，X001断开，执行上升动作。由于使用S指令，M200线圈具有自保持功能，Y001保持接通，机械手继续夹紧工件。

当上升到位时，上限位开关X002接通，产生移位信号，“0”态移位至M103，Y002线圈断开，不再上升，同时移位信号使M104置“1”，X004断开，右移阀继电器Y003接通，执行右移动作。

待移至右限位开关动作位置，X003动合触点接通，产生移位信号，使M103的“0”态移位到M104，Y003线圈断开，停止右移，同时M104的“1”态已移到M105，Y000线圈再次接通，执行下降动作。

当下降到使X001动合触点接通位置，产生移位信号，“0”态移至M105，“1”态移至M106，Y000线圈断开，停止下降，R指令使M200复位，Y001线圈断开，机械手松开工件；同时T1启动延时1.5秒，T1动合触点接通，产生移位信号，使M106变为“0”态，M107为“1”态，Y002线圈再度接通，X001断开，机械手又上升，行至上限位置，X002触点接通，M107变为“0”态，M110为“1”态，Y002线圈断开，停止上升，Y004线圈接通，X003断开，左移。

到达左限位开关位置，X004触点接通，M110变为“0”态，M111为“1”态，移位寄存器全部复位，Y004线圈断开，机械手回到原位，由于X002、X004均接通，M100又被置“1”，完成一个工作周期。

再次按下启动按钮，将重复上述动作。

5．6梯形图参考程序

见附录（图3 梯形图参考程序）

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总 结

经过一周的奋战我的PLC实训终于完成了。在没有做PLC实训以前觉得PLC实训只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做PLC实训发现自己的看法有点太片面。PLC实训不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次PLC实训使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次PLC实训，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这次PLC实训中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

在此要感谢我们的指导老师毛老师对我们悉心的指导，感谢老师们给我们的帮助。在实训过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个实训做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次实训的最大收获和财富，使我终身受益。

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致 谢

在实训完成之际，我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，毛老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在实训的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了毛老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是她广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！

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参 考 文 献

[1] 谢克明，夏路易.可编程控制器原理与程序设计 电子工业出版社

[2] 廖常初 可编程序控制器应用技术（第四版） 重庆大学出版社 2002 [3] 自动化网论坛，机械手 PLC控制

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附录

按 钮选择开关限位开关电 源可编程序控制器输入模块输出模块接触器电磁阀指示灯电 源CPU模块编程装置图1

元件名称 输入寄存器 输出寄存器 位存储器 定时器 代表字母 I Q M ～t255) 编号范围 I0.0～I1.5共14点 Q0.0～Q1.1共10点 M0.0～M31.7 T0,T64 T1～T4,T65～T68 T5～T31,T69～T95 T32,T96 T37～T63,T101～T255 计数器 高速计数器 顺序控制继电器 变量存储器 局部存储器 特殊存储器 特殊存储器 累加寄存器 V L SM SM(只读) AC VB0.0～VB5119.7 LB0.0～LB63.7 SM0.0～SM549.7 SM0.0～SM29.7 AC0～AC3 表1

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功 能 说 明 接受外部输入设备的信号 输出程序执行结果并驱动外部设备 在程序内部使用，不能提供外部输出 保持型通电延时1ms 保持型通电延时10ms 保持型通电延时100ms ON/OFF延时,1ms ON/OFF延时,100ms 加法计数器，触点在程序内部使用 用来累计比CPU扫描速率更快的事件 提供控制程序的逻辑分段 数据处理用的数值存储元件 使用临时的寄存器，作为暂时存储器 CPU与用户之间交换信息 接受外部信号 用来存放计算的中间值 256(T0T33～T36,T97～T100 ON/OFF延时,10ms C HC S C0～C255 HC0～HC5 S0.0～S31.7 机械手臂搬运加工流程控制

LD LDN A AN O ON NOT EU ED 二 S R SHRB SRB SLB RRB RLB TON TOF CTU CTD END STOP WDR JMP CALL CRET N N N N N N N S_BIT,N S_BIT,N DATA,S_BIT,N OUT,N OUT,N OUT,N OUT,N Txxx,TP Txxx,TP Cxxx,PV Cxxx,PV N N(N1,N2??) 装载(开始的常开触点) 取反后装载(开始的常闭触点) 与(串联的常开触点) 取反后与(串联的常闭触点) 或(并联的常开触点) 取反后或(并联的常闭触点) 栈顶值取反 上升沿检测 下降沿检测 赋值 置位一个区域 复位一个区域 移位寄存器 字节右移N位 字节左移N位 字节循环右移N位 字节循环左移N位 通电延时定时器 断电延时定时器 加计数器 减计数器 程序的条件结束 切换到STOP模式 看门狗复位300ms 跳到指定的标号 调用子程序，可以优16个可选参数 从子程序条件返回 For/Next循环 电路块串联 电路块并联 网络读 网络写 FOR/NEXT INDX,INIT,FINAL ALD OLD NETR NETW TABLE,PORT TABLE,PORT 16

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SLCR SLCT SLCE N N 顺控继电器段的启动 顺控继电器段的转换 顺控继电器段的结束 表2 S7-200的SIMATIC基本指令简表

图2机械手动作的模拟实验面板图

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图3 梯形图参考程序

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qcnd.html