毕业论文(机械设计与制造)

南阳工学院

毕 业 设 计 论 文

机械手PLC控制系统设计

宋建伟

专 业 名 称 班 级 学 号 ：[1**********]

2011年12月10号

【摘要】: 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。PLC机械手设计主要是依靠限位开关和电磁阀的控制及推动来实现的。机械手的所有动作均采用电控制、气压驱动。它的上升/下降、左移/右移和左旋转/右旋转均采用双线圈双位电磁阀推动气压缸完成。机械手的动作转换依靠限位开关来控制并且按照一定的顺序动作。在机械手运动的过程中会安装检测灯来检测其运动的启停。本设计所用机械部件有模拟机械手爪，电气方面有可编程控制器（PLC）、开关电源、电磁阀、等部件。按钮发出两路脉冲到机械手驱动，控制它的前后移动由气动阀Y4控制，左右移动由气动阀Y5控制，左右旋转由气动阀Y6控制，夹紧和放松由气动阀Y7控制，另外还有启动和停止两个按钮。机械手自动完成全部动作。

【关键词】: 电磁阀 限位开关 继电器 机械手

第一章 PLC的介绍 毕业设计论文

目 录

绪 论

随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，但传统的继电器控制的半自动化装置因设计复杂、接线繁杂、易受干扰，从而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题，为解决以上问题，可以采用可编程序控制器械手控制系统机械手在专用及自动生产线上应用的十分广泛，主要用于搬动或卸零件的重复动作，以实现生产自动化.电磁阀控制气动阀的开关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。

本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由气压驱动，并由电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则。该机械手的动作过程如下：当按下启动按钮时，机械手从原点开始前进，前进到底时，碰到前限位开关，前进停止。同时接通定时器，机械手开始上升工件，定时结束，上升完成。机械手左旋，左旋到顶时，碰到左限位开关，左旋停止。机械手夹紧，夹紧碰到夹紧限位开关时，夹紧停止。机械手下降，下降到底，碰到下限位开关时，下降停止。同时接通定时器，机械手放松工件，定时结束，工件已松开。机械手后退，后退到顶碰到后退限位开关时，后退停止。于是机械手动作的一个周期结束。

第一章 PLC的介绍

1.1 PLC概述

1.1.1 可编程控制器的产生和发展

传统的继电器--接触器控制系统，由继电器、接触器和各种开关按一定的逻辑关系用线连接而成。要改变控制逻辑，需要重新布线、连接，甚至要增减元器件，由于接线多，非常费时费力。因此只适用于工作模式固定、控制逻辑简单、大批量生产的制造设备和一些自动化程度较低的制造设备。20世纪30年代出现了电子管顺序逻辑控制器，解决了因继电器等开关触点通断延时太长而引起的不稳定问题；20世纪50年代半导体二极管、三极管逻辑控制电路取代了电子管控制器，解决了电子管热丝大功率耗能问题；20世纪60年代中小规模集成电路的出现大大减少了逻辑控制器连接点数量，降低了故障率。20世纪60年代末，随着大规模集成电路技术、计算机技术、自动控制理论的发展，以及汽车制造业日益激烈的竞争对生产线具有柔性的要求，美国通用汽车公司首先提出了将继电器—接触器控制的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点，与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电器—接触器控制的硬件连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述设想，研制开发出世界上第一台可编程逻辑控制器。20世纪80年代超大规模集成电路的出现，产生了CPU、单板计算机、单片计算机，可编程逻辑控制器具有了通用性、易用性和易学性，PLC得到进一步发展，不仅具有继电器的逻辑控制特性，也具有了连续控制的特性，PLC也因此更名为可编程控制器。1985年1月国际电工委员会（IEC）对可编程控制器定义如下：“可编程控制器是一种数字运算电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充的原则设计。”

1.2 PLC的主要功能

1.2.1 PLC基本组成

现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择

开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。

1) 输入接口

输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。

2) 输出接口

输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)、指示灯、数字显示装置和报警装置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。

3) 其它接口

若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元(不带CPU)相接进行扩充。PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。

4) 编程器

编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。

5) 电源

PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。

1.2.2 PLC的特点

1) 可靠性高,抗干扰能力强

由PLC的定义可知道，它是专门为工业环境下应用而设计的，因此在设计OLC时从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。

①硬件措施：屏蔽、滤波、隔离、采用模块式结构

②软件措施：故障检测、信息保护和恢复、设置了警戒时钟WDT、对程序进行检查和检验

2) 通用性强，使用方便

用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需根据控制要求进行模块的配置。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能。

3) 采用模块化结构，使系统组合灵活方便

PLC的各个部件，均采用模块化设计，各模块之间可由机架和电缆连接。系统的功能和模块可根据用户的实际需求自行组合，使系统的性能价格更容易趋于合理。

4) 编程语言简单，易学，便于掌握

PLC的主要使用对象是广大的电气技术人员，所以为了便于工程技术人员方便学习和掌握PLC的编程，采用了与继电器接触器控制原理相似的梯形图语言，易学易懂。

5) 系统设计周期短

由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配制适当的模块，而不要去设计具体的接口电路，这样大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程的进度。

6) 安装简单,调试方便,维护工作量小

PLC控制系统的安装接线比继电器接触器控制系统少的多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连。PLC软件设计和调试可在实验室进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上的发光二极管，也可以另接输出实验板。模拟调试好后，再将PLC控制系统安装到现场，进行连机调试，这样既省时间又很方便。由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力，一旦发生故障，可以根据报警信息，迅速查明原因。如果是PLC本身，则可用更换模块的方法排除鼓掌。这样提高了维护的工作效率，保证了生产的正常进行。

第二章 PLC机械手的介绍

2.1 PLC机械手的原理

2.1.1 PLC机械手的原理及流程图

1．机械手在原始位置时（右旋到位）动作，按下启动按钮，机械手臂开始上升，机械手放松，机械手开始前进。

2．机械手上升到上限位置，状态开关动作，上升动作结束，机械手开始左旋。 3．机械手左旋到左限位置，状态开关动作，左旋动作结束，机械手开始抓紧。 4．机械手抓紧到抓紧位置，状态开关动作，抓紧动作结束，机械手开始右旋。 5．机械手开始右旋，状态开关动作，抓紧动作结束，机械手开始下降。 6．机械手下升到下降位置，状态开关动作，下降动作结束，机械手开始后退。 7．机械手右旋到右限位置，状态开关动作，右旋动作结束，机械手开始下降。 8．机械手后退到后退位置，机械手开始放松，一个工作循环过程完毕。 9．机械手的工作方式为：单步。

机械手的动作顺序如下：机械手初始位置是后退、下降、逆时针旋转均到底部，机械手成放松状态。当按下启动按钮后，机械手开始前进，前进到底碰到限位开关，前进动作停止，机械手开始上升，上升到顶端，碰到限位开关，上升动作停止，机械手开始执行顺时针旋转动作，顺时针旋转到底，碰到限位开关，旋转动作停止，机械手开始执行夹紧动作，碰到限位开关，夹紧动作停止，机械手开始执行逆时针旋转，逆时针旋转到底，碰到限位开关，逆时针旋转动作停止，机械手开始下降，下降到底部时，碰到限位开关，下降动作停止，机械手执行后退动作，碰到限位开关，后退停止，机械手放松，此时回到初始位置， 一个周期动作完成。根据机械手的动作顺序，可以画出如图2.1所示的流程图：

2.2 电路中主要元器件的介绍 2.2.1 电磁继电器的原理及应用

继电器的工作原理和特性：继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器的工作原理和特性：电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

2.2.2 电磁阀的工作原理及应用

电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。 电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。

电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、

速度和其他的参数。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。所谓气动系统，就是以气体为介质的控制系统。气动系统中，这种能源的介质通常就是空气。在真正使用的时候，通常把大气中的空气的体积加以压缩，从而提高它的压力。压缩空气主要通过作用于活塞或叶片来作功。

气动系统中，电磁阀的作用就是在控制系统中按照控制的要求来调整压缩空气的各种状态，气动系统还需要其他元件的配合，其中包括动力元件、执行元件、开关、显示设备及其它辅助设备。动力元件包括各种压缩机，执行元件包括各种气缸。这些都是气动系统中不可缺少的部分。而阀体是控制算法得以实现的重要设备。 2.2.3 接近开关工作原理及应用

接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无无触点开关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。

接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近开关具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。因此到目前为止，接近开关的应用范围日益广泛，其自身的发展和创新的速度也是极其迅速。 接近开关的主要作用是检测距离：检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车辆的位置，防止两物体相撞检测；检测工作机械的设定位置，移动机器或部件的极限位置；检测回转体的停止位置，阀门的开或关位置；检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。

第三章 应用PLC设计机械手的步骤

3.1 输入输出点分配表

为了将机械手的控制关系用PLC控制器实现，PLC需要10个输入点（启动按钮、停止按钮和八个控制开关），4个输出点。为了使用方便，所以选择了FX2N-64MT型的PLC。

表3.1 输入输出点分配表

3.2 机械手的接线图

根据PLC机械手的输入输出点分配表，画出如图3.1所示的PLC控制系统I/O接线图。

前进 后退 上升 下降 左旋 右旋 加紧 放松

启动 停止

图3.1 PLC控制系统I/O接线图

根据PLC机械手的实际连线，画出如图3.2所示的PLC机械手的接线图。

图3.2 十字路口交通灯的接线图

3.3PLC机械手的程序设计 3.3.1 PLC机械手的梯形图语言

根据PLC机械手的控制关系画出如图3.3所示的PLC机械手的梯形图。

图3.3 PLC机械手的梯形图

3.3.2 PLC机械手指令表语言 0 1 2 LD X001 ；后退限位 X003 ；下限位 X006 ；逆时针旋转限位 AND AND 3 AND 4 OUT 5 LDI

6 ANI 7 ANI 8 ANI 9 ANI 10 ANI 11 ANI 12 ANI 13 OUT 14 LD 15 AND

16 OR 17 OUT 18 LD 19 AND 20 LD 21 AND 22 ORB 23 LD 24 AND 25 AND

26 ORB 27 LD 28 AND 29 AND 30

ORB

X007 M10 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M11 M11 M10

M8

M0 M0 X000 M1

T0 M2 X002 T1 M3

X004

T2 ；放松状态 ；初始化 ；启动 ；前进限位行程开关 ；上限位行程开关

31 32 33 34 35 36 LD AND AND ORB LD

M4 X005 ；顺时针旋转行程开关 T3 M5

X010 ；夹紧行程开关 AND

37 AND 38 ORB 39 LD 40 AND 41 AND 42 ORB 43 LD 44 AND 45 AND 46 ORB 47 LD 48 AND 49 AND 50 ORB 51

OR

52 SFTL 61 LD 62 SET 63 OUT 66 LD 67 SET 68 OUT 71 LD 72 SET 73 OUT 76 LD

77

SET T4 M6 X006 T5

M7 X003 T6

M8 X007 T7

T7 M0 M1 K8 K1 M1

Y004 ；前进 T0 K50 ；计时5秒

M2

Y005 ；上升

T1 K50 M3

Y006 T2 K50 M4

Y007 ；逆时针旋转行程开关

；下限位行程开关 ；放松行程开关 ；循环

；移位 K8指定bit元件长指定移位bit数

；计时5秒 ；顺时针旋转 ；计时5秒

；夹紧

78 81 82 83 86 87 OUT LD

RST OUT LD T3 K50 ；计时5秒 M5

Y006 ；逆时针旋转 T4 K50 ；计时5秒 M6

RST Y005 ；下降

88 OUT 91 LD

92 RST 93

OUT

96 LD 97 RST 98 OUT 101 LD 102 ZRST 107 ZRST 112 END

T5 K50 M7

Y004 T3 K50 M8

Y007 T4 K50 X011 M0 M8 Y004 Y007 ；计时5秒 ；后退 ；计时5秒

；放松 ；计时5秒

第四章 PLC机械手的程序调试

4.1 控制系统的程序调试步骤

1） 对于比较复杂的控制系统，需要绘制系统流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。

2） 设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。

3） 将程序输入到PLC的用户存储器，并查找程序是否正确。 4） 对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。 4.2 调试过程中要注意的事项

1）数据线与计算机的接口必须要与软件的端口设置保持匹配，否则运行会产生通信错误的问题。本设计中采用的是COM4端口。

2）连接PLC上的输入输出端口对应的动作必须与程序中的输入输出点的定义保动作持一致，本设计中输入端口X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10分别定义为前进、后退、下移、上移、顺时针旋转、逆时针旋转、放松、夹紧的动作，X0为启动按钮，X11为停止按钮。输出端Y4、Y5、Y6、Y7分别代表机械手左/右移、上/下移、顺时针/逆时针旋转、夹/放物的动作。

3）连接PLC时，要清楚PLC的供电电压是多少伏，如果实际电压小于供电电压则不能运行，PLC上的Power灯就不会亮；如果实际电压大于供电电压，则PLC有可能会被烧坏。

4）端口接线一定要牢固。 5）切记上电时一定要注意安全。

结 论

毕业设计是考验我们大学这几年来的所学，它要求我们将大学这几年来所学到的知识能够融会贯通、熟练应用，并要求我能够理论联系实际，培养我们的综合运用能力以及解决实际问题的能力。刚接到课题的时候，我们是一头雾水，不知道该如何下手。后来通过徐老师的讲解，是我们对这个课题有了一个大体的理解。接下来我们就开始画原理图，原理图画出来、正确之后，我们就开始对硬件进行连接。之后，就开始跑线路，走一遍路线可以帮助我们更好的理解，为下面的软件设计提供铺垫。硬件的设计完成之后，就开始我们的软件设计了，选择PLC的型号，选择输入输出设备等等，其中最主要的还是编程。在PLC型号的选择上，我们选择了三菱公司的FX2N系列的PLC，这一系列的PLC具有很大的优点，它可以通过梯形图、指令表及顺序功能图来编写PLC程序，建立注释数据及设置寄存器数据等。创建的程序可在串行系统中与PLC进行通信、文件传送、操作监控以及完成各种测试功能。也可以将其存储为文件，并用打印机打印输出。基于这些优点，所以我们选用了FX2N系列的PLC。在下面的程序编程中，我们遇到了很大的困难，因为里面涉及到电磁阀的控制，所以对于这一部分的称序搞不懂，后来在老师的帮助下，才知道在这里不需要用程序来控制电磁阀。开始是我们自己编写程序，然后去调试，通过模拟调试发现了很多问题，根本就达不到要求，但是我们没有放弃，之后又经过了很多次的改写、调试，最后在老师的指导下我们的联机调试终于获得了成功。

一个人要不断否定自己，不断战胜自己、不断超越自己、不断完善自己，这样才能不断进步，总之，通过此次毕业设计，我学到了很多东西，意外收获也很大。不仅进一步学习了PLC的一些重要知识，增强了自己动手的能力，而且，还让自己学到了平时所学不到的东西，那就是——只要自己有信心，肯努力就一定能够克服困难，做好任何事情都有可能。这次的PLC设计,加深了我们对PLC软硬件系统的理解与掌握,也使我深深体会到学习PLC的重要性和艰难性.同时还增强了我的动手能力。能把我们所学到的书本知识应用到实践中去,现在看到硬件不再是无头绪了,对看程序也有了了解,同时学习PLC对我真的很有用,现在PLC与我们的生活紧密相关. 不过在经过了前面的一些努力之后，我有信心也有能力去把它完成的更加完美。

致 谢

本次毕业设计是在我们的指导老师------某某老师的亲切关怀和悉心指导下顺利完成的。她耐心的指导和认真的工作态度，是值得我们学习的，从接到毕业设计的课题一直到现在的论文写作，某老师都始终给予我们细心的指导和不懈的支持。几周以来，某老师不仅在学业上给我们精心指导，同时还在思想、生活上给我们关怀，虽然我们和某老师只有几周的相处，但我们都很开心，在此谨向某老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我还要感谢在一起愉快的度过毕业设计的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入设计到论文的顺利完成，有多少可敬的老师、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

最后祝愿每位忙于毕业设计的老师工作顺利，每位同学能够顺利的通过。

参考文献

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