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1、毕业设计（论文）机械手 PLC 控制系统的设计班级 学生姓名 学号 指导教师 周天沛 职称 讲师 导师单位 徐州工业职业技术学院 论文提交日期 徐州工业职业技术学院 毕业设计（论文）任务书课题名称 机械手 PLC 控制系统的设计 课题性质 工程设计类 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 周天沛 导师职称 讲师 一选题意义及背景通过本次毕业设计，使学生掌握 PLC 控制的基本原理、步进电机及驱动模块、直流电 机、传感器、开关电源等器件的原理及使用，学生可以加深对相关器件的感性认识，增强基 本技能训练的实践性教学环节，为学生毕业后从事相关工作打下良好基础。本课题具有较强 的应用性和实用性。二毕业设
2、计（论文）主要内容：本课题应完成的主要工作为机械手控制系统中 PLC 的选型、设备元件的选择及相应硬件 线路设计；PLC 程序的编写，主要使用步进指令；调试系统达到设计要求，并完成毕业论文。预期成果为应用软件一套，提交毕业设计论文一篇。三计划进度： 第 8 周 查阅资料、选型对比调研，初步确定系统方案。第 9-10 周 完成 PLC 的选型、设备元件的选择及相应硬件线路设计。第 11 周 PLC 程序的编写。 第 12 周 调试系统达到设计要求，并完成毕业论文。第 13 周 答辩。四毕业设计（论文）结束应提交的材料： 1、论文一篇(8000 字以上)2、应用软件一套指导教师 教研室主任年 月
3、日年 月 日论文真实性承诺及指导教师声明论文真实性承诺及指导教师声明学生论文真实性承诺学生论文真实性承诺本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。毕业生签名： 日 期： 指导教师关于学生论文真实性审核的声明指导教师关于学生论文真实性审核的声明本人郑重声明：已经对学生论文所涉及的内容进行严
4、格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。指导教师签名： 日 期： 徐州工业职业技术学院毕业设计徐州工业职业技术学院毕业设计( (论文论文) )指导教师评阅表指导教师评阅表学 号学生姓名论文成绩系 部专 业班 级导师姓名周天沛职 称讲师题 目机械手 PLC 控制系统的设计指导教师评语（包含对论文的性质、难度、份量、学生实际完成情况，论文撰写格式、学生学术道德等方面的评价，是否同意答辩等）指导教师签名：年 月 日摘要摘要伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来 越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及
5、有毒气体等因素的危害， 增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手 是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极 作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求， 遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进 行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实 现工业生产机械化和自动化的步伐。本设计采用三菱 FX 系列 PLC 作为控制机 对工业机械手进行控制及监控。 关键词：关键词： 可编程控制器 PLC；机
6、械手；步进电机Abstract自己翻译Keywords: 目录第 1 章绪论 .11.1 课题背景11.2 本次设计的主要内容1第 2 章 可编程控制器 .22.1 可编程控制器的定义.22.2 可编程控制器的特点.22.3 PLC 的基本结构.22.4 PLC 的工作原理.2第 3 章 机械手控制系统的硬件电路设计.73.1 硬件电路连线图 .83.2 硬件设备选择 .93.3 PLC 机型选择 .13第 4 章 机械手控制系统的软件程序设计154.1 GX-Developer 软件的介绍 .154.2 软件程序流程图 164.3 I/O 地址分配表.174.4 程序状态图 .18第 5 章
7、 机械手控制系统的调试 .20第 6 章 总结 21附录 23参考文献 25致谢 26本次设计的主要内容本次设计的主要内容 本课题是基于 PLC 机械手自动控制工件传送设计，因此本毕业设计的主要 设计内容是机械手的控制部分：如系统的硬件电路部分，包括各种电路图的设 计，PLC 机型的选择，输入/输出的分配等；软件部分主要包括对软件的设计， 仿真，调试等。硬件硬件本设计所用机械部件有滚珠丝杠、滑轨、气控机械抓手等。电气方面有可 编程控制器（PLC） 、编程器、步进电机、步进电机驱动器、直流电机、光电传 感器、开关电源、电磁阀、旋转码盘、操作台等部件。可编程控制器发出两路 脉冲到步进电机驱动器，分
8、别驱动横轴、竖轴的步进电机运转；直流电机拖动 底座和手爪的旋转；接近开关、微动开关、旋转码盘将位置信号反馈给主机， 由主机发出指令来实现对手臂的伸缩、上下、转动位置的控制；主机发信号到 气动电磁阀，以控制手爪的张合来抓放物体。本设计可根据工件的变化及运动 流程的要求随时更改相关参数，具有很大的灵活性和可操作性。软件软件GX Developer 三菱全系列 PLC 程序设计软件，支持梯形图、指令表、 SFC、ST 及 FB、Label 语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、 监控及调试，结构化程序的编写(分部程序设计)，可制作成标准化程序， 在其 它同类系统中使用。 硬件设备的选择硬
9、件设备的选择 1. 步进电机的原理与选择步进电机的原理与选择 (1) 步进电机的工作原理 步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到 步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转 子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控 制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进 电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到 步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变 电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广 范围内速度的无级平滑控制
10、。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法 替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数 可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提 高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加， 应按需要合理选用。 (2) 步进电动机的特点 步进电动机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度(称 为“步距角”)一步一步运行的，其特点是没有积累误差(精度为 100)，所以广 泛应用于各种开环控制。 步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比 步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制 (或半闭环控制)就能进行良好的定
11、位控制。 起制动、正反转、变速等控制方便。 价格便宜，可靠性高。步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适当的驱动电源。 步进电动机带负载惯性的能力不强，在使用时既要注意负载转矩的大小, 又要注意负载转动惯量的大小,只有当两者选取在合适的范围时,电机才能获的满 意的运行性能。 由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不 同而复杂多变。 (3) 步进电动机的选择计算 在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体 的品种选择，在机械手控制系统中要求步进电动机电压低、电流小、有定位转 矩和使用螺栓机构的定位装置，确定步进电动机采用 2 相 8 拍混合式步进
12、电机； 在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比 i、轴向力 F、负载转矩 、 额定转矩 和运行频率 ，以确定步进电机的具体规格和控制装置。 由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为： 移动部分总重 M=25kg 外力 Fa=4kg cm 磨擦系数 =0.04 螺栓机构的效率 =0. 9 螺栓轴径 =1.2cmBD 螺栓长 =42cmBL 螺距 P=3mm 分辨率 L=0.01mm 移动距离 =0.0075mm/步 速度 V=2mmin 计算： 设拟选用 2 相、1.8步距角的 HB 型电动机 速比(设使用直接驱动方式) i=m/(360L)=21.8(3600.01)=1b
13、轴向力 F=Fa+M=4+0.0425=5kg. cm 负载转矩=FP/(2 )+()/2lT00FP=50.3/(2 3.140.9)+ (0.31.67 0.3)/(2 3.14) =0.289kg. cm螺栓的惯量=（）/32BJBL4 BD =（3.147.942）/32310-41.2 =0.0675kg. 2cm 移动体的惯量 =MtJ2(/2 )P =252(0.3/6.28)=0.0571 kg. 2cm负载惯量为 =+LJBJtJ =0.0675+0.00571 =0.1246kg.2cm 根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为=0.03 kg.，空载MJ2cm 起动频率=3000H。sf 由要求的速度可求出运行的频率： f=V/L=2000/(600.01)=3333HZ 可知需要加减速的驱动方式。 齿轮比：G=360/L=0.0075 360/ (1.80.01)=150b 换算到电机轴的负载转矩为 T=GL(+F)/ 2 lT=1500.01(0.289+5)/(6.280.9)=1.40 kg. cm 对首次设计的装置来讲
