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1、唐山工业职业技术学院毕业设计说明书设计题目PLC三自由度机械手学生姓名：刘向磊 班级09机电11专 业：设计指导教师 设计辅导教师机电一体化技术赵明辉赵明辉_（完成日期）2011年11月25日摘要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。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、变频器、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，分别驱动横轴、竖轴变频器，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
2、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 变频器 交流电机目录引 言第一章 机械手简介 第一节 概述 第二节 机械手的组成 第三节 机械手的分类 第四节 机械手的应用 第二章 机械手的控制方案与选择 第一节 控制要求 第二节 机械手的控制系统设计方案的比较 第三章 PLC 的简介第一节 PLC 的产生第二节 PLC 定义与特点3.2.1 PLC 定义
3、.3.2.2 PLC 特点. 第三节 可编程控制器的主要性能指标. 第四节 可编程控制器的分类. 第五节 PLC 系统的组成.3.5.1 PLC 的硬件结构.3.5.2 PLC 的软件.第六节 可编程控制器的工作方式. 第七节 PLC 的编程语言. 第八节 FX2N系列PLC3.8.1 FX2N 系列 PLC 的内部资源.3.8.2 FX2N系列PLC的基本顺控指令第九节 PLC 的应用领域. 第四章 PLC 对机械手的控制第一节 PLC 的选型.第二节 PLC 的梯形图.第三节 指令程序. 第四节 I/O 接线图. 第五节 相关电气设备选择和校验. 第六节 材料清单. 第七节 不足和改进.
4、第五章 毕业设计总结 第六章 致谢词 参考文献引言在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。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
5、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、变频器、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。第一章 机械手简介第一节概述机械手首先是由美国开始研制的。1
6、958年美国联合控制公司研制出了第一 台机械手。机械手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。第二节 机械手的组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
7、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。第三节 机械手的分类机械手的种类，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。第四节 机械手的应用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
8、危险物品 的主从式操作手也常称为机械手。另外，机械手在锻造工业中的应用不仅 能进一步发展锻造设备的生产能力，而且还能改善热、累等劳动条件。第二章 机械手的控制方案与选择第一节 控制要求如下图所示为某生产车间中自动化搬运机械手，用于将左工作台上的工件搬 运到右工作台上。机械手的全部动作由液压驱动。液压泵由电磁阀控制，其上升 /下降、左移/右移运动由双线圈两位电磁阀控制，即上升电磁阀得电时机械手上 升，下降电磁阀得电时机械手下降。夹紧/放松运动由单线圈两位电磁阀控制， 线圈得电时机械手夹紧，断电时机械手放松。一左移A右移一一工件11111左工作台右工作台夹紧放松-V7 lz图2.1机械手的动作示意
9、图为便于控制系统调试和维护，本控制系统应有手动功能和显示功能。当手动 /自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，就可实现上升、下 降、左移、右移、夹紧、放松的手动控制。当机械手处于原位时，将手动/自动 转换开关置于“自动”位置时，进入自动工作状态，手动按钮无效。第二节 机械手的控制系统设计方案的比较在工业自动化生产中常用的控制系统有：传统的继电器接触器控制系统、 PLC控制系统和微机控制系统这三种。但从使用性、经济性、可靠性出发，本设 计选用了 PLC。因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是 用于各种传感器在复杂的条件下工件的传输，主要动作是上升、下降、左移、右
10、移、夹紧、放松和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为 主。是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC 具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点， 特别是替代继电器控制系统，这更是它的优势。第三章 PLC 的简介第一节 PLC 的产生1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:软连接代替硬接线;维护方便; 可靠性高于继电器控制柜 ;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控制柜;有数 据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时，原系统变更要少;用户程序 存储容量可扩展到 4K 。核心思想：用程序代替硬接线，输入/输出
11、电平可与外 部装置直接相联，结构易于扩展，这是PLC的雏形。1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC （PDP-14），并在GM公 司汽车生产线上应用成功 。第二节 PLC 的定义和特点3.2.1 PLC 的定义美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分 别作了定义：可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主 的自动控制装置。它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的 开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器，主要用于开关量逻辑控制
12、，所以称为可编程逻辑控制 器，简称PLC，后来随着计算机计术不断发展，其功能已不仅限于开关逻辑控制， 所以被称之为可编程控制器PC,但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此， 一般仍把 PLC 作为可编程控制器的简称。3.2.2 PLC 的特点可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下 特点：(1) 可靠性高，抗干扰能力强 用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服 了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全； 面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工 作环境，远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。(2
13、) 编程简单，易于掌握 PLC 采用梯形图方式编写程序，与继电器控 制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。(3) 功能完善，灵活方便 随着 PLC 技术的不断发展，其功能更加完善， 不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度 控制、位置控制、网络通信等功能。既可以单机使用、也可联网运行，既可集中 控制、也可分布控制或者集散控制。而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑， 增减系统的功能。(4) 体积小、质量轻、功耗低 由于采用了单片机等集成芯片，体积小、 质量轻、机构经凑、功耗低。第三节 可编程控制器的主要性能指标可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项
14、指标。(1) 输入/输出点数(I/O) I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端 子数的总和。它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。( 2)存储容量 存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储 容量。( 3)扫描速度 一般以执行 1000 步指令所需的时间来衡量，单位为 ms/ 千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us/步。( 4)功能扩展能力 可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一些 可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。如A/D模块、D/A模块、位置 控制模块等。(5) 指令系统 指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可 编程控制器功能强弱的主要指标。第四节 可编程控制器的分类通常 PLC 产品可按结构形式、控制规模等进行分类。(1) 按结构形式分类 按结构形式不同，可分为整体式和模块式两类
