1、PLC机械手臂设计 电气控制技术课程设计说明书 机械手臂搬运加工流程控制 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 指导教师 职称 完成时间： 湖南工学院电气控制技术课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化 指导教师学生姓名易俊课题名称机械手臂搬运加工流程控制内容及任务一、目标： 设计一个基于PLC的机械手臂搬运控制系统。二、任务：根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行机械手臂搬运加工流程运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。主要
2、内容包括：1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；2. 系统有启动、停止功能；3. 运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；4. 程序结构与控制功能自行创新设计；5. 进行系统调试，实现机械手臂搬运加工流程的控制要求。三、要求：1如图所示，有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台1的位置进行第一步骤加工。当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码管显示加工完成的数量。2假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到
3、下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等待机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。3当第二加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完成的数次。主要参考资料1 可编程控制器教程M.王兆义机,械工业出版社.2 电气控制与可编程控制器技术M.史国生.化学工业出版社.3 可编程控制器原理与应用M.赵燕,，周新建.北京大学出版
4、社.4 GT培训教程M.XX文库. 5 PLC编程及应用M. 廖常初.北京：机械工业出版社,2005年.6 可编程控制器应用技术M.胡学林.北京：高等教育出版社,2001年.7 模拟电子技术基础M. 沈任元.北京：机械工业出版,2000.6.8 三菱FX系列可编程序控制器编程手册M.三菱公司编,2001年.9 三菱可编程序控制器应用101例M.三菱公司编, 1994年.10 三菱可编程序控制器使用手册M. 三菱公司编,1999年.教研室意见 教研室主任：（签字）年 月 日摘 要PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序
5、运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。PLC可以灵活而方便地应用于生产实践，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。机械手臂也被称为自动手，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。所以对机械手臂搬运加工流程控制，能有效的帮助人做各种工作，极大地加快了人类的工作效率。文章设计的机械手臂搬运加工流程控制系统是基于日本三菱可编程控制器FX2N-32MR型号PLC，主要使用步进指令设
6、计软件系统，最后经过仿真，仿真的结果是能够完成设计要求，满足设计的参数要求。关键词：机械手臂；机械手臂搬运加工流程控制；PLC 1 绪论1.1 课题设计的背景与意义 课程设计背景：随着工业自动化的发展，在工业生产中，越来越多的自动化设备已经完全取代了传统的人工参与工作的工业生产流程。传统的人工参与工作，不仅危险性高，而且生产效率低，人为因素的影响可能会使整个生产流程崩溃，因此，传统的工业生产应该被先进的自动化生产所取代。如今，越来越多的自动化生产设备的应用，使得工业生产中的各种难题都迎刃而解。例如，机械手臂的应用，解决了人工不能在高温、高腐蚀、高辐射的环境中工作的问题，而且机械手臂的应用，提高
7、了生产工件的精度和寿命等。因此，如何设计机械手臂的加工工作流程，成为我们今天主要讨论的问题。 课程设计的深远意义在于有助于加深我们对这门课程的理解，我们在课堂上学的都是基础理论知识，对于如何用程序语言来描述所学知识还是有一定难度。通过课程设计，我们可以真正理解其内涵。有利于我们逻辑思维的锻炼，程序设计能直接有效地训练学生的创新思维、培养分析问题、解决问题能力。此次，课程设计为机械手臂搬运加工流程控制工艺流程。本文将介绍基于PLC的机械手臂搬运加工的控制设计，该系统具有循环工作、紧急停止、正常停止等工作模式，具有自动上升、下降、夹紧、松开、加工、计数等功能，可以自动的完成对工件的加工流程，以及记
8、录显示加工完成的数目。1.2 机械手臂搬运加工流程控制发展现状专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化
9、发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方
10、面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。1.3 设计的主要内容 根据控制要求，明确设计内容，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行机械手臂搬运加工流程运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。主要内容包括： （1）设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等； （2）系统有启动、停止功能； （3）运用功能指令进
11、行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序； （4）程序结构与控制功能自行创新设计； （5）进行系统调试，实现机械手臂搬运加工流程的控制要求。2 PLC控制系统硬件设计2.1 机械手臂搬运加工流程控制的要求机械手臂搬运加工流程控制系统由机械手臂、加工台、电磁阀、传送带、行程开关等组成。控制要求如下：（1）如图1所示，有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台1的位置进行第一步骤加工。当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码管显示加工完成的
12、数量。（2）假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等待机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。（3) 当第二加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完成的数次。图1 机械手臂搬运加工流程控制过程示意图2.2 系统输入输出点分析及PLC选型 系统的输入包括系统的启动按钮SB1
13、、停止按钮SB2、机械手运动下限行程开关SQ1、上限行程开关SQ2、左限行程开关SQ3、右限行程开关SQ4、工作台1的极限行程开关SQ5、工作台2的极限行程开关SQ6。系统输出包括控制七段数码管各段二极管的状态、机械手上下左右运动的四个电磁阀以及控制机械手夹紧放松的一个电磁阀。根据系统输入输出点的分析可知，系统有8个输入点，13个输出点，所以选用FX2N-32MR型号的PLC。2.3 I/O点分配与PLC外接线图系统变量定义及I/O地址分配如表1所示表1 系统变量定义及I/O地址分配表输入编址输出编址X0启动按钮SB1Y0数码管a段X1停止按钮SB2Y1数码管b段X2下限行程开关SQ1Y2数码
14、管c段X3上限行程开关SQ2Y3数码管d段X4左限行程开关SQ3Y4数码管e段X5右限行程开关SQ4Y5数码管f段X6工作台1极限行程开关SQ5Y6数码管g段X7工作台2极限行程开关SQ6Y10下降电磁阀YV1Y11上升电磁阀TV2Y12左移电磁阀TV3Y13右移电磁阀YV4Y14夹紧电磁阀YV5系统硬件接线图如图2所示图2 系统硬件接线图3 PLC控制系统软件设计3.1 常用的编程方法介绍常用的PLC编程方法有经验法、解析法、图解法。1、经验法即是运用自己的或别人的经验进行设计，设计前选择与设计要求相类似的成功的例子，并进行修改，增删部分功能或运用其中部分程序，直至适合自己的情况。在工作过程
15、中，可收集与积累这样成功的例子，从而可不断丰富自己的经验。2、解析法可利用组合逻辑或时序逻辑的理论，并运用相应的解析方法，对其进行逻辑关系的求解，然后再根据求解的结果，画成梯形图或直接写出程序。3、图解法图解法是靠画图进行设计。常用的方法有梯形图法、波形图法及流程法。梯形图法是基本方法，无论是经验法还是解析法，若将PLC程序转化成梯形图后，就要用到梯形图法。3.2 控制程序流程图设计 控制程序流程图如图3所示图3 控制程序流程图3.3 PLC控制程序设计 设计机械手臂搬运加工流程控制可以用基本指令编程，也可以用步进指令编程，但是相比基本指令，步进指令更加思路清晰，程序简单易懂，所以我选用的是步
16、进指令编程。源程序梯形图解释如下所示：图4 初始指令PLC上电后，系统初始化，步进到S0状态，同时将0送至D0，系统只要通电就会将D0译码输出驱动7位数码管。该部分功能梯形图如图5所示。图5 驱动数码管 当启动按钮按X000下时，步进到S20状态，机械手下移，当到达下限开关X002时，机械手用一秒夹紧物件，然后上移，上移到上限开关X003时，机械手右移。该部分功能梯形图如图6所示。图6 动作指令图7 动作指令 机械手右移到工作台1极限开关X006后，往下移动，到达下限行程开关X002后，机械手用1S松开物件，等待物件加工120s，同时机械手向上移动，停止在上限，当物件加工完后，机械手在往下移动
17、，到达下限开关X002后，用1S夹紧物件，然后上移，上移到上线开关X003后，机械手往右移动。此部分功能梯形图如图7所示。图8 动作指令 图9 动作指令机械手右移到工作台2极限开关X006后，往下移动，到达下限行程开关X002后，机械手用1S松开物件，等待物件加工120s，同时机械手向上移动，停止在上限，当物件加工完后，机械手在往下移动，到达下限开关X002后，用1S夹紧物件，然后上移，上移到上线开关X003后，机械手往右移动。此部分功能梯形图如图8，图9所示。图10 动作指令图11 动作指令 机械手右移到右限开关X005后，往下移动，到达下限行程开关X002后，机械手用1S松开物件，将物件放
18、在传送带B上，然后机械手向上移动，同时D0加1，上移到上线开关X003后，机械手往左移动，回到初始位置，继续搬运物件。此部分功能梯形图如图10，图11所示。完整的梯形图见附录一。4 系统调试及结果分析4.1 系统仿真调试文章设计的控制系统仿真调试是使用GX Developer仿真软件。GX Developer是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。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，具有异地读写PLC程序功能。下面是系统的具体调试结果。图12 初始化指令调试系
19、统上电后，初始化S0，驱动数码管显示0，步进到S0。仿真如图12所示。图13 下移指令调试按下启动按钮X000，Y010得电，机械手下移。仿真如图13所示。图14 夹物指令调试当下移到下限开关X002时，机械手用1S夹紧物件，仿真如图14所示。图15 上移指令调试当计时1S到，Y011得电，机械手上移，仿真如图15所示。图16 右移指令调试机械手上移到上限开关X003时，机械手马上向右移。仿真如图16所示。图17 下移指令调试当机械手到达工作台1极限开关时，机械手下移。仿真如图17所示。图18 放开指令调试当机械手到达下限开关X002时，机械手用1S放松，仿真如图18所示。图19 上移指令调试
20、1S到后，物件加工120S，机械手上移，仿真如图19所示。图20 下移指令调试120S到时，机械手下移，仿真如图20所示。图21 夹物指令调试下移到下限开关，机械手用时1S夹紧，仿真如图21所示。图22 上升指令调试1S到后，机械手上升。仿真如图22所示。从工作台1到工作台2之间的程序功能工序是相同的，所以这里不在介绍。接下来介绍工作台后的工序仿真。图23 手臂放松指令调试Y010得电，机械手下以移，下移到下限开关X002时，用1s放松，仿真如图23所示。图24 上移指令调试松开后，物件右传送带B送走，D0加1，数码管数值加1，同时机械手上移。仿真如图24所示。图25 左移指令调试到上限X00
21、3后机械手左移，仿真如图25所示。图26 返回初始指令调试到达左限开关X004后，回到初始状态S0。仿真如图26所示。4.2 结果分析经过以上仿真可知，系统能正常的运行，机械手能自动上移，下移，左移，右移，夹紧，放松物件，准确的实现设计要求给的任务，所以，此设计是符合设计要求。结束语在这次为期一周的PLC课设中，通过机械手臂搬运加工流程控制设计，我巩固了以前所学的PLC的知识。我将在书本上学到的知识，在这次课设中得到体系化、架构化，对于PLC电气控制理论，有了更加深刻的理解。PLC在自动化领域发挥着十分重要的作用，作为一个电气学院的学生，我们应该熟练掌握PLC，具备利PLC实现各种控制功能、控
22、制工程的能力。这一周的课设中，我们应用PLC软件设计了机械手臂搬运加工流程控制的梯形图程序，大家一起讨论程序实现的方法，巩固了PLC编程语言，开发了我们的创新思维。通过对机械臂加工流程的控制设计，让我进一步认识了工业生产自动化的控制原理，同时也掌握了一些PLC编程技巧。在查询网络大量资料库及图书馆资料后，也坚定了我们只要认真努力，我们也可以设计出最好的控制方案。本设计中还可以为系统增设紧急停止、正常停止、计数复位、系统复位，这样可以让工业控制更具有可控性，也为工业生产排障提供方便，同时也是着眼于工业生产安全而设计的。随着工业自动化的发展，越来越多的自动化生产设备也越来越多，学好PLC必然能够开
23、阔自己的视野，同时适应社会的需要。设计的时候得到老师和同学的热心帮助，再次向他们表示诚挚的感谢！鉴于我们所学知识有限，经验不足，又是初次进行PLC的课程设计，难免存在一些错误和不足之处，恳请各位老师给予诚恳的批平和热心的指正。参考文献1 熊幸明. 电气控制与PLC. 北京：机械工业出版社，2011.2 王本轶. 机床设备控制基础. 北京：机械工业出版社，2005.3 汤以范.电气与可编程控制技术：机械工业出版社；2004.4 廖常初.PLC编程及应用：机械工业出版社；2003.5 熊幸明. 曹才开. 一种工业机械手的PLC控制.微计算机信息，2006.6 孔秀艳. 一种四轴搬运机械手的PLC控
24、制. 大众科技，2008年，第7 期7 刘轩.王丽伟. 机械手的PLC控制. 机床电器. 2006.8 言纪兰.懂峰. 基于PLC控制的搬运机械手的应用. 机械工程与自动化， 2008.9 漆汉宏.PLC电气控制技术 北京：机械工业出版社 2006.1210 詹贵印.周红梅.三自由度液压机械手的PLC控制研究. 装备制造行业 应用 2007.致 谢 通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎么把理论应用与实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎么用理论解决，更多的是接触到了将来踏入社会，接触实际工程所必须的一些东西。通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范，同时，我已经历了对于一个开发工具从完全陌生到初步掌握的过程。在学习的过程中，我了解到了有目的地学习会加促进我们的学习效率。本次的设计是在我的努力下和同学的帮助下完成的。我亲身体验到了要做好一件事情是不容易的。这次的设计也存在许多瑕疵！我将会在以后的学习生活中再接再厉！附 录程序梯形图
