多关节工业机械手PLC控制系统设计.doc

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1、长 春 工 业 大 学 毕业设计、毕业论文毕业设计、毕业论文 题 目 基于 PLC 的多关节机械手 电控系统设计 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） I 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注 和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过 的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中 作了明确的说明并表示了谢意。

2、 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） II 摘摘 要要 随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化， 从手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，

3、人类也逐渐无法 完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具机械手。 与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高危险的， 对人体伤害较大，有些领域不适宜人类工作，机械手则正好适应这类工作。 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生 产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业 所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家 工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等 重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 机械手是模仿着人手部的部

4、分动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓 取、搬运或操作的自动机械装置。本文对多关节工业液压机械手的结构进行了详 细研究。 关键词关键词：三自由度 机械手 PLC 系统 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） III Abstract As society and the development of science and technology，Industrial production operation mode has also undergone a revolutionary change, from manual mill of labor, gradually evolve

5、d into automatic and intelligent mode of production and human also gradually unable to complete some production process, so in order to adapt to the needs of the production of the appeared special production tools - manipulator. Meanwhile also appeared a few new production activities in these produc

6、tion activities, some are belong to high risk, to human body harm is larger, some areas not suitable for human work is just, manipulator to meet this kind of work. In todays large-scale manufacturers, enterprises to improve production efficiency and ensure product quality, universal attention produc

7、tion process automation degree, industrial robots as an important member of automatic production line, gradually the enterprise recognizes and adopted. Industrial robot technology level and USES degree in a certain extent reflect a nation industrial automation level, at present, the industrial robot

8、 main bearing welding, spraying, handling and stacking repeatability and the intensity of labor etc greatly, work normally take the reappearance of the demonstration teaching way. Manipulator is imitating the people hand movement, according to a given part of the program, track and requests to reali

9、ze the acquirement, handling and operation of automatic mechanical device. In this paper, three doff industrial hydraulic structure of the 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） IV manipulator are studied. Keywords:Keywords: three doff manipulator PLC system 目目 录录 第第 1 1 章章 PLCPLC 概述概述 1 1.1 PLC 的定义 .1 1.2 PLC 的由来及发展

10、 2 1.3 PLC 的特点及用途 3 1.3.1 PLC 具有以下几个主要特点.3 1.3.2 可编程控制器的应用领域 4 1.4 PLC 的主要技术指标.4 第第 2 2 章章 机机械手简介械手简介6 2.1 控制系统的功能要求 6 2.1.1 机械手结构 6 第第 3 3 章章 硬件系统设计硬件系统设计 .9 3.1 PLC 的选型 .10 3.2 PLC 的 I/O 资源配置 .11 3.3 其他资源设置14 第第 4 4 章章 软件系统设计软件系统设计 16 4.1 各个模块梯形图设计 16 总总 结结.31 致致 谢谢.33 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） V 参考文献参

11、考文献.34 附录附录 1 1：基于：基于 PLCPLC 的多关节机械手控制系统原理图的多关节机械手控制系统原理图 .35 附录附录 2 2；基于；基于 PLCPLC 的多关节机械手控制系统程序清单的多关节机械手控制系统程序清单 .36 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 1 第第 1 1 章章 PLCPLC 概述概述 1.11.1 PLCPLC 的定义的定义 可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称 PLC，它具备了模拟 量控制、过程控制以及远程通信等强大功能，所以美国电气制造商协会将其正式 命名为可编程控制器（Programmable Contr

12、oller）,简称 PC。但是个人计算机 （Personal Computer）也简称 PC，为了避免混淆，将用于逻辑控制的可编程控 制叫做 PLC（Programmable Logic Controller）. 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 其实就是一台计算机，它采用可以编制程序的存储器，在其内部执行逻辑运算、 顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，它以接入式 CPU 为核心，通过 数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关 的外围设备，都是很容易与工业控制系统形成一个整体，容易扩展其功能的。 可编程控制器是一种

13、工业现场用计算机。它是为工业环境下应用而设计的， 工业环境一般办公环境有较大的区别。由于 PLC 的特殊构造，使它能在高粉尘、 高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。为了能控制机械或生产 过程，它要能很容易的与工业控制系统形成一个整体，这些都是个人计算机无法 比拟的。 可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。它能控制各种类型的工业设备 及生产过程。它的功能能够很容易地扩展，它的程序是可以根据控制对象的不同， 让使用者来编制的。也就是说，可编程控制器较其以前的工业控制计算机，如单 片机工业控制系统，具有更大的灵活性，它可以方便地应用在各种场合。 通过以上定义还可以了解到，相对一般意义

14、上的计算机，可编程控制器不仅 具有计算机的内核，它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。它实质上是经 过一次开发的工业控制计算机。从另一个方面来说，它是一种通用机，经过二次 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 2 开发，它可以在任何具体的工业设备上使用。它在很大程度上使的工业自动化设 计从专业设计院走进工厂和矿山，变成了普通工程技术人员甚至普通电气工人力 所能及的工作。再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善， 适应性强，安装接线简单等众多优点，可编程控制器在短短的 30 年中获得了突飞 猛进的发展，在工业控制领域获得了非常广泛的应用。 1.21.2 PLCPLC 的由来及

15、发展的由来及发展 1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台可编程序控制器 （Programmable Logic Controller，简称 PLC） ，在美国通用汽车公司的自动装 配线上使用，取得了巨大的成功。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快 将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正 具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术 人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言， 并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。因而人们称可编程控制 器为微机技术和继电器常规控制概念

16、相结合的产物。20 世纪 70 年代中末期，可 编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使 其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、 模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。例如，在世界第 一台可编程控制器的诞生地美国，1982 年的统计数字显示，大量应用可编程控制 器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的 82%，可编程控制器的应用数量已 位于众多的工业自控设备之首。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高 速度、高性能、产品系列化

17、。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这个阶段 的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。许多 可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。 从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞 生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 3 场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可 编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、 石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等

18、领域的应用都的到了长足的发展。 1.31.3 PLCPLC 的特点及用途的特点及用途 1.3.11.3.1 PLCPLC 具有以下几个主要特点具有以下几个主要特点 1. 可靠性高、抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备非常关键的性能。PLC 由于采用大规模集成电路技 术、严格的生产工艺，内部电路采取了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源的 屏蔽、稳压和保护、故障诊断等先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，它能在 高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温暖变化剧烈的环境下正常工作。PLC 的平均无 故障时间可高达 510 万小时以上。从 PLC 的机外电路来说，PLC 构成控制系统， 和同等规模的继电接触器系统

19、相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千 分之一，故障率也就大大降低。 2.功能完善、应用领域广 到现在为止 PLC 已经形成各种规模、系列化的产品。可以用于各种规模的工 业控制场合，并能完成决大多数的工业控制任务。PLC 所具有的完善的数据运算 能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，PLC 通讯能 力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变的非常容易。 3.编程简单，易学易用 PLC 采用和继电器电路图接近的梯形图语言，只用少量的开关量逻辑控制指 令就可以方便地实现继电器电路的功能。在工业现场，可以使用手持编程器或笔 记本对 PLC 进行编

20、程。当 PLC 联网后，可以在网络的任一位置对 PLC 编程。为不 熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制提供了 方便。 4.系统安装简单、体积小、价格低 PLC 在存储逻辑代替接线逻辑、采用模块化的结构，大大地减少了控制设备 外部的接线，使控制系统设计及建设的周期大大缩短了。现代集成电路技术 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 4 的广泛应用，功耗仅数瓦。由于 PLC 体积小很容易装入机械内部，是实现机电一 体化的理想控制设备。使得 PLC 的重量越来越轻、功耗也越来越少。在集成电路 技术和生产厂家越来越多的情况下，PLC 的价格也越来越低。 1.3.21.3

21、.2 可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域 PLC 在钢铁、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的应用也越来越广泛，主要可以归纳为以下几类： 1.开关量的逻辑控制 可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备的控制，又可 用于多机群控制及自动化流水线。 2.模拟量控制 在工业生产过程中，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。 3.运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制

22、。从控制机构配置来说，早期直接 用开关量 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。 4.过程控制 过程控制是指对连续变化的量进行控制。如对温度、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。目前已广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。 1.41.4 PLCPLC 的主要技术指标的主要技术指标 PLC 的性能指标较多，主要介绍与组成 PLC 控制系统关系较直接的几个。 1.编程语言及指令功能 用户的 PLC 程序可以用梯形图语言、指令标语言、功能

23、块图编写，梯形图语 言在 PLC 中较为常见，梯形图语言一般在计算机屏幕上编辑，使用起来简单方便。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 5 现在功能图语言的使用有上升趋势。编程语言中还有一个内容是指令功能。 衡量指令功能强弱可看两个方面：一是指令条数多少；二是指令中有多少综合性 指令。一条综合性指令一般就能完成一项专门操作。用户编制的程序完成的控制 任务，取决于 PLC 指令的多少，指令功能越多，编程越简单和方便，完成一定的 控制任务越容易。 2.输入输出点数 输入输出点数是 PLC 可以接受的输入开关信号和输出开关信号的最大数量， 值得注意的是输入点数往往的大于输出点数的，且二者不能相

24、互替代。 3.扫描速度数 扫描速度数是指 PLC 扫描 1k（1k=1024）字用户程序所需的时间，通常以 ms/k 字为单位，扫描速度越快越好。 4.存储容量 存储容量是存放用户程序的存储器的容量。通常用 k 来表示。也有的 PLC 直 接用所能存放的程序量表示。在编制 PLC 程序时，需要用到大量的寄存器来存放 变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些寄 存器的多少，直接关系到程序的编制，该存储器的容量越大，就可以编制出更复 杂的程序。 5.可扩展性 在现代工业生产中 PLC 的可扩展性也显的非常重要。主要包括： （1）输入输出点数的扩展； （2）存储容量的扩展

25、； （3）联网功能的扩展； （4）可扩展的模块数； 另外，可编程序控制器的可靠性、易操作性及经济性等功能指示也受用户的 关注。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 6 第第 2 2 章章 机械手机械手简介简介 多关节机械手指的是利用关节连接两个相邻的刚体，即连杆，关节提供连杆 之间的相对运动，在这个机构中，关节多是以其中一个特点，正是由于关节多， 所以它的抓握功能远远强于传统的夹钳式等机械手。它可以完成对不同形状、不 规则工件的抓握。多关节机械手有多种结构，其中最理想的也是应用最多的就是 类似于人手的结构，这样的结构能模拟人手抓物体时的情况。与传统的机械手相 比，多关节机械手具有动作灵活

26、，运动惯性小、通用性强、能抓取靠近基座的工 件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作等优点。 2.1 控制系统的功能要求 传统的机械手采用继电气控制，由于其线路复杂、维护困难、可靠性差等缺 点，无法满足机械手控制的需求。可编程控制器（PLC）的出现使得这类问题得到 解决，PLC 控制，具有结构简单、控制方便、可靠性高、编程简单、功耗低和改 造方便的特点，能够完成动作要求精度高的工作。 2.1.12.1.1 机械手结构机械手结构 以轴承装配为例：轴承装配是轴承生产过程中的最后且极为重要的环节，而 轴承压盖机则是装配先上较为复杂的部分。本节讲述的是利用机械手在轴承装配 线上，通过 PLC 控

27、制机械手的动作，完成取轴承、加盖及转移工件，最后控制压 盖机完成压盖的整个过程。图 2-1 是某以生产线上机械手的工作示意图。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 7 图 2-1 机械手的工作示意图 该机械手在生产线上的主要任务是，将轴承从传送带 1 转移至传送带 2 上， 然后将盖放置于轴承之上，最后经压盖机加工，完成轴承装配的一部分加工。整 个工作过程机械手包括以下动作： 手臂上升手臂下降手爪抓紧手爪放松手臂左旋手臂右旋 多关节机械手完成以上动作主要是通过机械控制来实现的，即利用 PLC 控制 电动机的转动和电磁阀的通断，电动机的转动来驱动机械手臂的左右旋转，电磁 阀驱动气缸的升降控

28、制机械手臂的上升和下降。多关节机械手的工作过程如图 2- 2 所示： 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 8 图 2-2 多关节机械手简单工作过程示意图 1.手臂上升：使机械手相对于工作台向上移动，提高它的高度，以满足抓取 工件的高度要求。 2.手臂下降：使机械手相对于工作台向下移动，降低它的高度，以满足放置 工件的高度要求。 3.手爪抓紧：使机械手抓紧工件，以便完成工件抓起的要求。 4.手爪放松：使机械手放松工件，以便完成工件放松的要求。 5.手臂左旋：使机械手在不改变高度的情况下，相对于工作台向左旋转，以 便完成工件移动的要求。 6.手臂右旋：使机械手在不改变高度的情况下，相对于工作

29、台向右旋转，以 便完成再次抓取工件的要求。 由于 PLC 的抗干扰能力强，所以能在恶劣的工作环境中，可靠地完成控制任 务，为了使设备便于安装、调试，以及从经济角度考虑，设计出如图 2-3 所示的 机械手控制系统的功能框图。 图 2-3 多关节工业机械手控制系统的功能框图 手爪放松传送带 2手臂下降 启动手臂上升手臂抓紧手臂下降传送带 1手爪抓紧 手臂右旋手臂上升 电气控制柜 多关节工业机械 手 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 9 第第 3 3 章章 硬件系统设计硬件系统设计 前面介绍了机械手的机械结构，本节主要根据上节所述的功能要求配置需要 的控制系统的硬件系统，按照控制系统的控制要

30、求，设计出如图 3-1 所示的控制 系统的硬件框图。在此系统中仅靠 PLC 主机是无法完成控制要求的，因此扩展了 一个 I/O 和两个模拟量输入/输出模块，以及两个光电开关和一个可控电动机，阀 是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀，是最简单的单向型方向 阀。 在气动系统中，单向阀除单独使用之外，经常与流量阀、换向阀和压力阀组 合成只能单向控制的阀。单向调速阀就是单向阀与节流阀并联而成。单向调速阀 是把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。当流体正向流动时，其节流过程与 调速阀是一样的，节流缝隙的大小可通过手柄进行调节；当流体反向流动时，靠 流体的压力把阀芯压下，下阀芯起单向阀作用，单

31、向阀打开，可实现流体反向自 由流动。当正向流动时，经过节流阀节流。当反向流动时，单向阀打开，不节流。 以下是控制系统的硬件框图 3-1。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 10 控制按钮 传感器 传送带 B 电磁阀 右旋限位开关 左旋限位开关 下降限位开关 右旋限位开关 光电开关 抓紧电磁阀 上升电磁阀 下降电磁阀 左旋限位开关 松开电磁阀 上升限位开关 PLC 图 3-1 控制系统的硬件框图 3.13.1 PLCPLC 的选型的选型 根据系统控制要求并从经济性和可靠性等方面考虑，选择西门子 S7-200 系列 PLC 作为此机械手控制系统的控制主机。在西门子 S7-200 系列 PL

32、C 中又有 CPU221、CPU222、CPU224、 CPU226 等之分。三自由度工业机械手 PLC 控制系统 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 11 总共有 15 个数字量输入，8 个数字量输出，供需 23 点 I/O 口，根据 I/O 点数，选用了 CPU224 作为主机。 同时扩展一个 I/O 模块，选用 EM223 输入/输出混合扩展模块。EM223 共 6 种模块，根据系统的控制要求和资源需求，采用 EM223 模块中的 4 点输入/4 出输 出模块。 由于需要测量每个手指的压力值，需要将传感器的值输入到 PLC 中进行判断， 所以扩展两个模拟量模块，全部选用 EM235

33、 模块。模拟量输入/输出扩展模块 EM235 具有 4 路模拟量输入/1 路模拟量输出。 EM223 和 EM235 与 PLC 的连接不需要其他设置，只需要将排线插到主机及扩 展模块的插槽上。 3.23.2 PLCPLC 的的 I/OI/O 资源配置资源配置 根据控制系统的功能要求，对 PLC 进行 I/O 及其他资源的分配，具体分配如 下。 表表 3-13-1 数字量输入地址分配数字量输入地址分配 输入地址输入设备输入地址输入设备 I0.0高速脉冲输入I1.1自动启动 I0.1急停按钮I1.2上升限位开关 I0.2手动/自动I1.3下降限位开关 I0.3手臂上升I1.4左旋限位开关 I0.

34、4手臂下降I1.5右旋限位开关 I0.5手臂左旋I2.0传送带 1 光开关 I0.6手臂右旋I2.1传送带 2 光开关 I0.7手爪抓紧I2.2传送带 2 启动 I1.0手爪放松I2.3压盖机启动 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 12 表表 3-23-2 模拟量输入地址分配模拟量输入地址分配 输入地址输入设备输入地址输入设备 ATW0传感器 1ATW0传感器 4 ATW0传感器 2ATW0传感器 5 ATW0传感器 3 表表 3-33-3 数字量输出地址分配数字量输出地址分配 输出地址输出设备输出地址输出设备 Q0.0高速脉冲输出Q0.5抓紧电磁阀 Q0.1上升电磁阀Q0.6松开电磁

35、阀 Q0.2下降电磁阀Q0.7传送带 2 继电器 Q0.3左旋电磁阀Q1.0压盖机继电器 Q0.4右旋电磁阀 根据系统的控制要求，硬件框图及 I/O 分配情况，三自由度工业机械手控制 系统 PLC 控制部分的硬件接线如图 3-2 所示。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 13 传感器 2 高速脉冲输出 上升电磁阀 下降电磁阀 左旋电磁阀 右旋电磁阀 抓紧电磁阀 松开电磁阀 传送带 2 继电器 压盖机电磁阀 I0.0 I0.1 Q0.0 Q0.1 I0.2 I0.3 Q0.2 I0.4 I0.5 Q0.3 S7-200 I0.6 CPU224 Q0.4 I0.7 + EM223 Q0.5

36、 I1.0 I1.1 Q0.6 I1.2 Q0.7 I1.3 I1.4 Q1.0 I1.5 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 AIW0 AIW2 AIW4 EM235 AIW6 AIW8 高速脉冲输入 急停按钮 手动/自动 手臂上升 手臂下降 手臂右旋 手臂左旋 手爪抓紧 手爪松开 自动启动 上升限位开关 下降限位开关 左旋限位开关 右旋限位开关 传送带1 光电开关 传送带2 启动 压盖机启动 传感器 1 传感器 2 传感器 3 传感器 4 传感器 5 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 14 传感器 3 图 3-2 多关节机械手控制系统 PLC 控制部分硬件连接图 3.33.3

37、其他资源设置其他资源设置 要完成系统的功能除了 PLC 及其扩展模块之外，还需要各种限位开关、光电 开关、传感器及编码盘等仪器设备。 1.各种限位开关 在此系统中，共用了 4 个限位开关：上升限位开关、下降限位开关、左旋限 位开关和右旋限位开关。限位开关主要是来控制机械手在运动过程中的停止时刻 和位置。 2.光电开关 在传送带 1 和传送带 2 上各有一个光电开关，此开关的作用主要是指示工件 是否到位。传送带 1 上的光电开关用于检测工件是否已到机械手可操作的工位， 若到位则传送带 1 停止，等待工件被取走；传送带 2 上的光电开关则置于压盖机 处，当工件到达压盖机时，传送带 2 停止，对工件

38、进行压盖操作，操作结束后等 待下一个工作。 3.传感器 在此系统采用的是多关节机械手，由于要适应各种形状的工件，所以要在手 指受力的部分安装压力传感器，将压力值转换为电压值传入 PLC，然后进行判断， 防止抓紧时压力过大对工件造成损坏。 4.各种电磁阀 此系统中机械手手臂的上升和下降是用气缸来实现的，使用一个气缸、一个 电磁阀就能实现手臂的上升和下降，相对于利用电机的正反转来实现升降，气缸 控制简单方便。多关节机械手手爪的抓紧和松开共用了 4 个电磁阀。 5.各种继电器 此系统中，传送带 2 并不需要时刻连续地运转传送，并且也不可能一直连续 地传送物品，而是根据机械手的当前工作情况有控制机械手

39、的控制系统来控制传 送带 2 的工作与否，该在什么时候启动传送带，该在什么时候停止传送带。因此， 就必须在传送带 2 的电动机部分装一个可以控制电动机运转和停止的继电器，再 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 15 连接到 PLC 以控制接触器，最后达到控制目的。 压盖机同样也不需要时时刻刻工作，因此在压盖机附近放置的光电开关， 可以将工件到位的信号传至 PLC，从而控制传送带 2 的停止，并且控制压盖机在 工件到位的情况下工作。 6.编码器 在此系统中，需要对机械手进行精确定位，所以在手臂左右转动的时候，要 将电动机反馈的信号同 PLC 发出的信号做比较，以检测是否手臂准确到位。 7.

40、各种按钮 急停按钮采用带锁的，常闭触点，按下后旋转复位；手动/自动按钮采用旋 钮，一边常闭，一边常通；其余按钮均采用触点触发方式，按下即接通，松开即 复位。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 16 第第 4 4 章章 软件系统设计软件系统设计 4.14.1 各个模块梯形图设计各个模块梯形图设计 当软件总体流程图设计完成后，就需要对各个控制过程进行分解细化，这样 在程序便携式就会简洁明了，最后联合起来调试也便于发现问题。当控制过程特 别复杂的时候，采用模块化设计，就显得尤为重要。采用模块化的设计，调试时 先调试摸个模块的功能，可以及早发现问题，到最后联调试若出现问题就可以很 快找出原因及

41、时解决。程序中用到的元件及设置如表 4-1 所示。 表表 4-14-1 元件设置元件设置 编号意义内容备注 M0.0 急停标志on 有效 M0.1 手动标志on 有效 M0.2 自动标志on 有效 M1.0 机械手上升标志on 有效 M1.1 手臂左旋标志on 有效 M1.2 机械手下降标志on 有效 M1.3 手爪抓紧工件标志on 有效 M1.4 机械手上升标志on 有效 M1.5 手臂右旋标志on 有效 M1.6 机械手下降标志on 有效 M1.7 手爪松开标志on 有效 M2.0 机械手上升标志on 有效 M2.1 手爪抓紧工件标志on 有效 M2.2 机械手下降标志on 有效 M2.3

42、 手爪松开端盖标志on 有效 M2.4 传送带 2 启动标志on 有效 图 4-1 多关节机械手控制系统流程图 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 17 M2.5 压盖机启动标志on 有效 T37 一个循环结束后等待的时间 101s VW0 1#传感器值存储单元 VW2 2#传感器置存储单元 VW4 3#传感器置存储单元 VW6 4#传感器置存储单元 VW8 5#传感器置存储单元 VW10 抓取工件的标志压力值存储单元 VW20 抓取盖端的标准压力值 由于机械手的控制过程是按顺序执行的，所以在程序编写的时候采用顺序控 制指令。多关节机械手控制系统梯形图如图 4-3 所示。 图 4-1 多

43、关节机械手控制系统流程图 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 18 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 19 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 20 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 21 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 22 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 23 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 24 图 4-3 多关节机械手控制系统梯形图 如图 4-3 所示的是控制系统的主程序，如图 4-3（a）所示中主要是对高速计 数器和高速脉冲输出进行初始化。对于高速计数器，选用高速计数器 HSC0，工作 方式为模式 0，输入口为 I0.0。设置

44、 HSC0 的功能为：复位与启动输入信号都是高 电位有效、4 倍计数频率、计数方向为增计数、预设脉冲为 10000 个、允许更新 双子和执行 HSC 指令。 对于高速脉冲输出控制，设置为脉冲输出方式，输出口为 Q0.0。脉冲的输出 设置为多段管线输出，本例中采用 3 段输出，写控制字到特定存储器中，完成设 置的功能为：时间基准为 s 级、不允许更新周期和脉冲数。由于是多段输出， 所以还需要简历包络表，对 3 段脉冲周期、数量进行设置，多关节机械手控制系 统多段脉冲输出梯形图如图 4-4 所示。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 25 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 26 图

45、4-4 多关节机械手控制系统多段脉冲输出梯形图 手臂的左右旋转采用步进电机进行控制是为了提高定位的精度，所以需要用 到高速计数器和高速脉冲输出，对发出的脉冲数和接收到的脉冲数进行比较，如 果相等，则定位准确，如果两者有偏差，则补发脉冲，最后达到设定的位置上。 如图 4-4 表示的是对步进电机的脉冲输出控制，本例采用 3 段脉冲输出，由 于步进电机本身的特性，启动频率不宜太高，所以在启动阶段输出的脉冲周期为 500ms，且周期逐步减少，缓慢提高其输出脉冲频率；在第二阶段，输出脉冲周期 为 50ms，在这个阶段手臂的移动是最快的，当达到设定位置的时候，同样不可以 长春工业大学人文信息学院毕业设计（

46、论文） 27 突然是频率降低到 0，需要逐渐降低脉冲的频率值，所以第三阶段的脉冲周期为 200ms，电动机逐步减速，达到设定位置后可能可靠停止。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 28 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 29 图 4-5 多关节机械手控制系统传感器值 1 处理子程序梯形图 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 30 图 4-6 多关节机械手控制系统传感器值 2 处理子程序梯形图 如图 4-5 所示多关节机械手控制系统传感器值 1 处理子程序梯形图和 4-6 所 示多关节机械手控制系统传感器值 2 处理子程序梯形图，都是针对传感器采集到 的值传到 PLC 处理

47、的子程序，由于机械手爪在每次加工过程中，都需要移动两个 工件，对于不同的工件，手爪的力度是不同的，为了防止抓紧力过大，对工件造 成损坏，设置两个不同的压力对比值。 在此小节中，完成了 PLC 软件系统的所有设计，程序包括：控制系统的主程 序、对高速脉冲输出和高速计数器进行初始化设置的子程序和处理传感器返回值 的子程序。在主程序中，主要采用了顺序控制指令。在多关节机械手的工作过程 中，机械手爪是严格按照一定的顺序运行的，采用顺序控制指令能够非常方便地 按照工艺的流程进行设计，当下一个动作开始执行时，前一个动作中的所有元件 全部复位到初始状态，减少出现误动作的概率。 长春工业大学人文信息学院毕业设

48、计（论文） 31 总总 结结 机械手的出现延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有 害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动， 提高劳动生产率，保证产品质量。随着科学技术的发展和 PLC 在工业生产过程中 的广泛应用，机械手技术方面的研究不断得到创新，促使成果不断涌现。 本论文的设计主要取得了以下成果： 1.对物料分拣机械手的结构形式、驱动装置、控制系统等各组成部分进行了 较为全面的分析，最后得出其总体设计方案。 2.气动驱动系统是强的非线性系统，其根本原因是空气具有可压缩性，使得 系统中存在流量饱和效应，非线性摩擦力等因素，实现气缸的精度定位非常困难

49、。 因此在其应用中，要对各参数进行调定，以达到比较理想状态。 3.机械手的控制系统采用了技术性、可靠性非常高的 PLC 进行控制。这使得 机械设备更加灵活，动作准确，易于维护，劳动生产率大大得到了提高。各种操 作方式自由切换，满足了各种生产要求。 本课题在完成了机械结构设计的基础上，对物料分拣机械手的驱动系统和控 制系统进行了设计。由于时间的限制以及机械手的结构比较复杂，有些问题需要 进一步的研究： 1.对机械手各部分连接方式的改进。 本机械手结构具有模块式的特点，但由于考虑节约成本等因素，采用标准的 单活塞杆双作用气缸，加导向装置的结构。各部分不能实现任意方式拼装，通过 各种过渡连接件，使各个部分可以自由拼装。 2.气动驱动改进 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 32 在气动驱动系统方面存在一个固有的弱点，仅采用古典的反馈控制很难得到 高精度位置和力等的控制。所以，在