天津轻工职业技术学院电子信息与自动化系毕业论文毕业 论文课题 ：PLC在工业机械手中的应用 专 业 机电一体化 班级 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 成绩 答辩日期 答辩成绩 答辩教师 总评成绩 28内容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近年来，德国西门子公司的S7系列PLC在我国已经广泛使用，并在各行各业的生产过程的自动控制担任着重要角色本课题以S7-200系列的CPU22X为例，讲述了小型可编程控制器的的构成、原理、指令系统、应用以及系统的设置、调试方法关键字：PLC 机械手 指令系统目 录引言………………………………………………………………………………………第一章 可编程控制器的简介……………………………………………………………1.1可编程控制器的产生…………………………………………………………………1.2 可编程控制器的定义与特点………………………………………………………1.3 可编程控制器的主要性能指标……………………………………………………1.4 可编程控制器的分类………………………………………………………………1.5 可编程控制器的发展趋势…………………………………………………………第二章 可编程控制器的结构和工作原理………………………………………………2.1 可编程控制器的组成与基本结构…………………………………………………2.2 可编程控制器的工作原理…………………………………………………………2.3 可编程控制器的编程语言…………………………………………………………2.4 可编程控制器的应用领域…………………………………………………………第三章 机械手的简介……………………………………………………………………3.1 概述…………………………………………………………………………………3.2 机械手的组成………………………………………………………………………3.3 机械手的分类………………………………………………………………………3.4 机械手的应用………………………………………………………………………第四章 机械手的控制方案与选择………………………………………………………4.1 控制要求……………………………………………………………………………4.2 机械手的控制系统设计方案的比较………………………………………………第五章 可编程控制器对机械手的控制…………………………………………………5.1可编程控制器的选型…………………………………………………………………5.2 可编程控制器的梯形图……………………………………………………………5.3 指令程序……………………………………………………………………………5.4 I/O 接线图……………………………………………………………………………5.5 相关电气设备选择和校验…………………………………………………………5.6 材料清单……………………………………………………………………………设计总结…………………………………………………………………………………参考文献…………………………………………………………………………………致谢………………………………………………………………………………………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 可编程控制器的简介1.1可编程控制器的产生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 1.2 可编程控制器的定义与特点一、可编程控制器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，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二、可编程控制器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) 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1.3 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1.4 可编程控制器的分类目前PLC的种类非常多，型号和规格也不统一，了解PLC的分类有助于PLC的选型和应用一、 按控制规模分类 为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程序控制器能够处理的输入/输出信号数是不一样的一般将一路信号叫做一个点，将输入点数和输出点数的总和称为机器的点数，简称I/O点数一般讲，点数多的PLC，功能也越强按控制规模的大小，可将PLC分为超小(微)、小、中、大四种类型 （1）超小型机 ：I/O点数为64点以内，内存容量为256～1000字节；（2）小型机：I/O点数为64～256，内存容量为1～3.6K字节；小型及超小型PLC主要用于小型设备的开关量控制，具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、通信等功能3）中型机：中型PLC的开关量I/O点数通常在256~2048点之间，用户程序存储器的容量为2~8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节，如比例、积分、微分（PID）调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。
4）大型机：大型PLC也称为高档PLC，I/O点数在2048点以上，用户程序存储容量在8K以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能二、按结构形式分类 通常从PLC硬件结构形式上分整体式结构和模块式结构1) 整体式结构一般的小型及超小型PLC多为整体式结构，这种可编程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置它的优点是结构紧凑，体积小，成本低，安装方便，缺点是主机的I/O点数固定，使用不灵活西门子公司的S7-200系列PLC为整体式结构2) 模块式结构机器上有一块带有插槽的母板，实质上就是计算机总线把这些模块按控制系统需要选取后，都插到母板上，就构成了一个完整的PLC这种结构的PLC的特点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便，缺点是体积比较大常见产品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西门子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。
三、按生产厂家分类PLC的生产产家很多，国内国外都有，其点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，比较有影响的厂家有： 日本立石（OMRON）公司的C系列可编程序控制器；日本三菱（MITSUBISHI）公司的F、F1、F2、FX2系列可编程序控制器；日本松下（PANASONIC）电工公司的FP1系列可编程序控制器；美国通用电气（GE）公司的GE系列可编程序控制器；德国西门子（SIEMENS）公司的S5、S7系列可编程序控制器1.5 可编程序控制器的发展趋势 随着PLC技术的推广、应用，PLC将向两个方面发展：一方面向着大型化的方向发展，另一方面则向着小型化的方向发展PLC向大型化方向发展，主要表现在大中型PLC高功能、大容量、智能化、网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合的自动控制PLC向小型化方向发展，主要表现在下列几个方面：为了减小体积、降低成本，向高性能的整体型发展；在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强；应用的专业性，使得控制质量大大提高另外，PLC在软件方面也将有较大的发展系统的开放使第三方的软件能方便地在符合开放系统标准的PLC上得到移植。
除了采用标准化的硬件外，采用标准化的软件也能大大缩短系统开发周期；同时，标准化的软件由于经受了实际应用的考验，它的可靠性也明显提高总之，PLC总的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、容量大、体积小、成本低、通信联网功能强第二章 可编程控制器的结构和工作原理2.1 可编程控制器的组成与基本结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成 一、可编程序控制器的硬件系统PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成 1. 主机系统 图2.1 PLC结构示意图(1) 微处理器单元(Central Processing Unit，CPU)CPU是PLC的核心部分，起神经中枢的作用，它包括微处理器和控制接口电路微处理器是PLC的运算控制中心，PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元 CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令但工作节奏由震荡信号控制 CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作 CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作2) 存储器存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元它包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)只读存储器(ROM)在使用过程中只能取出不能存储，而随机存取存储器(RAM)在使用过程中能随时取出和存储3) 输入/输出模块单元PLC的对外功能主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备和生产过程的检测与控制通过各种输入/输出接口模块，PLC既可检测到所需的过程信息，又可将处理结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。
通过输入模块单元，PLC能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，PLC能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制为适应工业过程现场对不同输入/输出信号的匹配要求，PLC配置了各种类型的输入/输出模块单元4) I/O扩展接口I/O扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件，输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都通过它与主机相连I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式5) 外设I/O接口外设I/O接口是PLC主机实现人机对话、机机对话的通道通过它，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以与其他PLC或上位计算机连接外设I/O接口一般是RS232C或RS422A串行通信接口，该接口的功能是进行串行/并行数据的转换，通信格式的识别，数据传输的出错检验，信号电平的转换等对于一些小型PLC，外设I/O接口中还有与专用编程器连接的并行数据接口6) 电源有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源，有的电源单元还向外提供直流电源，给与开关量输入单元连接的现场电源开关使用。
电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽，体积小，质量轻，效率高，抗干扰性能好 2. 输入/输出扩展环节 输入/输出扩展环节是PLC输入输出单元的扩展部件，当用户所需的输入/输出点数或类型超出主机的输入/输出单元所允许的点数或类型时，可以通过加接输入/输出扩展环节来解决输入/输出扩展环节与主机的输入/输出扩展接口相连，有两种类型：简单型和智能型简单型的输入/输出扩展环节本身不带中央处理单元，对外部现场信号的输入/输出处理过程完全由主机的中央处理单元管理，依赖于主机的程序扫描过程通常，它通过并行接口与主机通信，并安装在主机旁边，在小型PLC的输入/输出扩展时常被采用智能型的输入/输出扩展环节本身带有中央处理单元，它对生产过程现场信号的输入/输出处理由本身所带的中央处理单元管理，而不依赖于主机的程序扫描过程通常，它采用串行通信接口与主机通信，可以远离主机安装，多用于大中型PLC的输入/输出扩展3. 外部设备外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类(1) 编程设备：它是编制、调试PLC用户程序的外部设备，是人机交互的窗口。
通过编程器可以把新的用户程序输入到PLC的RAM中，或者对RAM中已有程序进行编辑通过编程器还可以对PLC的工作状态进行监视和跟踪，这对调试和试运行用户程序是非常有用的除了上述专用的编程器外，还可以利用微机(如IBM-PC)，配上PLC生产厂家提供的相应的软件包来作为编程器，这种编程方式已成为PLC发展的趋势现在，有些PLC不再提供编程器，而只提供微机编程软件，并且配有相应的通信连接电缆2) 监控设备：有数据监视器和图形监视器直接监视数据或通过画面监视数据3) 存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等4)输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等二、可编程序控制器的软件系统PLC除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，缺一不可，共同构成PLCPLC的软件系统由系统程序(又称系统软件)和用户程序(又称应用软件)两大部分组成1. 系统程序 系统程序由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。
2. 用户程序 用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等2.2 可编程控制器的工作原理可编程控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的循序逐条执行程序，即按循序逐条执行程序直到程序结束然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第N个扫描周期输入采样输出刷新用户程序执行可编程控制器工作的扫描过程包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理PLC完成一次扫描过程所需的时间成为扫描周期扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关2.3 可编程控制器的编程语言PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等其中前两种语言用的较多，流程图语言也在许多场合被采用一、梯形图语言1．梯形图从上至下编写，每一行从左至右顺序编写PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致2．图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止母线可以省略。
3．梯形图中的触点有两种，即动合触点和动断触点4．梯形图的最右端必须连接输出元素5．梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联二、助记符语言助记符语言是PLC命令的语言表达式用梯形图编程虽然直观、简便，但要求PLC配置较大的显示器放可输入图形符号，这在有些小型机上常难以满足，所以助记符语言也是一种较常用的一种编程方式不同型号的PLC，其助记符语言也不同，但其基本原理是相近的编程时，一般先跟据要求编制梯形图语言，然后再根据梯形图转换成助记符语言三、 顺序功能图语言顺序功能图SFC是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，主要由“步”、“转移”及“有限线段”等元素组成，它将一个完整的控制工程分为若干个阶段(状态)，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，条件满足就实现状态转移，上一状态动作结束，下一动作开始2.4 可编程控制器的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类 一、开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等 二、模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制 三、运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合 四、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块PID处理一般是运行专用的PID子程序过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用 五、数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统 六、通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便第三章 机械手的简介3.1 概述机械手首先是由美国开始研制的1958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3.2 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3.3 机械手的分类一、按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；二、按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；三、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3.4 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、累等劳动条件第四章 机械手的控制方案与选择4.1 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，断电时机械手放松图4.1 机械手的动作示意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4.2 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，这更是它的优势第五章 可编程控制器对机械手的控制5.1可编程控制器的选型一、I/O总点数的确定由I/O分配表知，输入共18个点,输出共6个点,I/O实际需24点。
为留有今后工艺改进与功能扩充余地，在实际统计I/O点数基础上，一般加10-20％余量，再考虑PLC产品本身规格，可取PLC的I/O总点数为48点二、I/O点信号性质分析从机械手控制信号分析可知,机械手输入是位置开关信号,上/下限位开关、左/右限位开关等它们都是开关量,而输出主要是5个电磁阀线圈,以控制机械手的左移、右移、上移、下移、夹紧、放松的气路的通断三、用户存储器容量的估算(1) I/O口总点数为48点且均为开关量，以每个I/O点需1O个字节估算则所需存储器字节数为：48*10=480B(2) 定时器有两个:一个夹紧延时、一个放松延时，以每个定时器需2个字节估算则所需存储器字节数为：定时器/计数器数量*2=2*2=4B共需存储器字节数为：480+4=484B经技术与经济成本方面因素综合考虑，本设计选取日本三菱公司FX2N-48MR型PLC产品FX2N-48MR型产品主要技术指标如下：表5.1 FX2N-48MR型产品主要技术指标表最大I/O 48点定时/计数器 256个基本功能指令22条, 步进指令2条继电器输出最大负载 80VA/24V执行速度（us/步） 0.8us输入输出响应时间 10ms程序容量（步） 2KB输入光电隔离数据寄存器 通用： 200点 锁存用： 7800点 输出继电器接点隔离由上表可见，FX2N-48MR型PLC产品能满足设计要求。
5.2 可编程控制器的梯形图一、程序的总体结构设计本机械手系统的程序是采用基本指令、初始状态指令和步进指令相配合的方法进行编写的程序可分四大块，分别是初始化程序、手动程序、回原位程序和自动程序二、初始化程序如图5.2.2所示，为初始化程序他保证了机械手必须在原位才能进入自动工作方式图5.2.2 初始化程序三、手动程序手动程序如图5.2.3所示X10~X15对应机械手的上下左右移动和夹紧的的按钮按下不同的按钮，机械手执行相应的动作在左、右移动的程序中串联上限位置开关的动合触点是为了避免机械手在较低位置移动时碰撞到其他工件为保证系统安全运行，程序之间还进行了必要的连锁图5.2.3 手动程序四、回原位程序如图5.2.4所示为回原位程序，在系统处于回原位工作状态时，只需按下回原位按钮机械手即可自动回到原位图中除初始状态继电器外，其他状态继电器应使用回零状态继电器S10~S19 图5.2.4 回原位程序五．自动程序自动程序如图5.2.5所示，其中M8041和M8044都是在初始化程序中设定的，在程序运行中不再更改图5.2.55.3 指令程序0 LD X2127 AND X1753 STL S1283 LD X181 ANI X1728 ANI X2154 SET M804384 SET S242 ANI Y429 ANI Y256 RST S1286 STL S243 OUT M804430 OUT Y358 STL S287 OUT Y05 LD M800031 LD X1259 LD M804188 LD X216 FNC 6032 AND X1760 AND M804489 SET S25 X033 ANI X2061 SET S2091 STL S25 S2034 ANI Y363 STL S2092 RST Y4S2735 OUT Y264 OUT Y093 OUT T113 STL S036 STL S165 LD X16 K1714 LD X1537 LD X566 SET S2196 LD T115 RST Y438 SET S1068 STL S2197 SET S2616 LD X1440 STL S1069 SET Y499 STL S2617 SET Y441 RST Y470 OUT T0100 OUT Y118 LD X1142 RST Y0 K17101 LD X1719 ANI X1743 OUT Y173 LD T0102 SET S2720 ANI Y044 LD X1774 SET S22104 STL S2721 OUT Y145 SET S1176 STL S22105 OUT Y322 LD X1047 STL S1177 OUT Y1106 LD X2123 ANI X1648 RST Y178 LD X1107 OUT S224 ANI Y149 OUT Y379 SET S23109 RET25 OUT Y050 LD X2181 STL S23110 END26 LD X1351 SET S1282 OUT Y25.4 I/O 接线图机械手控制系统采用的PLC型号或规格是FX2N-48MR，表4-4是输入点及输出点的分配表。
表5-4 PLC输入点及输出点的分配表输 入 信 号名 称代 号输入点编号手动挡SAX0回原位档SAX1单步档SAX2单周期档SAX3连续档SAX4回原位按钮SB9X5启动按钮SB1X6停止按钮SB2X7下降按钮SB3X10上升按钮SB4X11右行按钮SB5X12左行按钮SB6X13夹紧按钮SB7X14松开按钮SB8X15下限位开关SQ1X16上限位开关SQ2X17右限位开关SQ3X20左限位开关SQ4X21输 出 信 号名 称代 号输入点编号下降电磁阀线圈YV1Y0上升电磁阀线圈YV2Y1右行电磁阀线圈YV3Y2左行电磁阀线圈YV4Y3松紧电磁阀线圈YV5Y4图5.4 机械手控制系统PLC的I/O接线图5.5 相关电气设备选择和校验一、系统调试系统调试分模拟调试和联机调试硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下，主要试一试手动控制部分的可靠性软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和PLC输出端的指示灯进行需要模拟量信号I/O时，可用电位器和万用表进行调试时，可利用上述外部设备模拟各种现场开关和传感器的状态，然后观察PLC的输出逻辑是否正确如果有错误则修改程序后反复调试。
现在PLC的主流产品都可在PC上编程，并可在PC上进行模拟调试连机调试时，可把编制好的程序下载到现场的PLC中有时PLC也许只有一台，这时就要把PLC安装到控制柜相应的位置上调试时一定要先将主电路断开，只对控制电路进行连机调试通过现场连机调试信号的接入常常会发现软硬件中的问题，有时厂家对某些控制功能进行改造，反复调试后，控制系统才能交付使用二、程序的运行与调试1．将梯形图程序输入计算机2．对程序进行试运行1）将转换开关SA旋至“手动”档，按相应的动作按钮，观察机械手动作情况2）将转换开关SA旋至“回原位”档，按回原位按钮，观察机械手是否回原位3）将转换开关SA旋至“单步”档，每按一次启动按钮，观察机械手是否向前执行下一个动作4）将转换开关SA旋至“单周期”档，每按一次启动按钮，观察机械手是否运行一个周期就停下来5）将转换开关SA旋至“连续”档，按下启动按钮，观察机械手是否连续运行C．记录调试程序结果并对不足之处进行修改d．最后再进行考机运行，一般连续运行72小时以上，以考核电气及机械运行是否稳定可靠5.6 材料清单表5.6 系统所需设备、工具、材料明细表名 称型 号 或 规 格数 量可编程控制器FX2N-48MR1台双线圈电磁阀VF32302只单线圈电磁阀VF31301只按钮LA10H-1H9个限位开关LX19-1114个转换开关LW6-51个熔断器RC1A-30/151只连接导线若干设计总结经过两个多月的设计，机械手PLC控制系统的程序，已成功地通过了模拟手动、单步、单周期、连续等运行的调试，证明本设计的硬件、软件部分基本都能达到预期要求，能可靠地控制机械手动作，达到机械手所要求的技术性能。
系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程在这过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和体会，并在学习和实践过程中增长了知识，丰富了经验控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决同时，在本次设计中，也深刻体会到理论和实践相集合的重要性虽然之前收集了大量的资料但在实际应用中却有很大差异，出现了许多意想不到的问题但经过长时间的摸索最终还是设计出达到要求的系统由于时间紧迫，有些设计工作还有待完善，在以后的工作中我会继续努力,不断提高自己的技术水平，以适应未来的激烈竞争形势参考文献1． 乔世民主编 机械制造基础 高等教育出版社 20032． 胡晓明主编 电气控制及PLC 机械工业出版社 20063． 程周主编 PLC技术与应用 福建科学技术出版社 20044． 李中年主编 控制电气及应用 清华大学出版社 20065． 韩志国主编 PLC应用技术 国防工业出版社 20046． 冯辛安主编 机械制造装备设计 机械工业出版社 20057． 廖常初主编 可编程序控制器应用技术 重庆大学出版社 20028． 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 20009． 邱士安主编 机电一体化技术 西安电子科技大学出版社 200510. 田鸣主编 机械技术基础 机械工业出版社 2005致谢本论文是在指导老师张益老师热情关怀和悉心指导下完成的。
他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和鼓励着我从论文题的开题到最终完成，张老师始终给予我细心的指导和不懈的支持，不仅使我的知识面拓宽，概念理解更为深入透彻，而且还学到了许多做人的道理从选题以来，导师的为人师表、渊博的知识、宽广的胸怀让终生受益；在此，谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！感谢天津轻工职业技术学院给予我三年的教育和培养，感谢全体老师在三年里给予的关爱和帮助还要感谢陪伴我一起愉快度过大学生活的各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个又一个的困难，直至本次论文的顺利完成在论文撰写即将完成之际，我的心情很感激，从开始选课题到任务的如期完成，期间还有许多可敬的老师、友善的同学、热心的校友，给予我莫大的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后感谢各位评委和答辩老师在百忙之中抽出时间来亲自检阅我的毕业设计。
