基于PLC的机械手设计与仿真课程设计报告

电子课程设计报告

题目：基于PLC的机械手设计与仿真

学生姓名：程磊

学生学号：1214050202

年级：12级

专业：电气工程及其自动化

班级： 2

指导教师：缪玉桂

机械与电气工程学院制

2015年3月

目录

1、引言 (1)

2、机械手的概述 (1)

3、机械手的结构 (2)

3.1传动机构 (2)

3.1.1.螺旋机构 (2)

3.1.2.滑动螺旋机构 (2)

3.1.3．滚动螺旋机构 (3)

3.2机械手夹持器和机座的结构 (4)

3.2.1夹持器 (4)

3.2.2机座结构 (4)

4、PLC及其应用 (5)

4.1PLC的定义 (5)

4.2PLC的工作原理和特点 (5)

4.2.1 PLC的特点 (5)

4.2.2 PLC工作原理 (6)

5、设计方案 (9)

5.1PLC的I/O口分布 (9)

5.2PLC程序的调试 (10)

5.3PLC的安装与接线 (10)

5.4机械手控制系统的外围接线图以及梯形图 (11)

5.5机械手实现过程 (11)

6、参考文献 (13)

附录.............................................................................................. 错误！未定义书签。

PLC控制机械手

学生：程磊

指导老师：缪玉桂

机械与电气工程学院电气工程及其自动化专业

1、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工业企业中的重要支柱,例如无人车间、无人生产流水线等等生产源，已经遍及很多地方。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操作。除了这些，还有大量的装卸、搬运、装配等作业。所以一种新的技术也就随之而然诞生了，那就是工业机械手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，并取得一定的成果，受到国家工业部门的重视

2、机械手的概述

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。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。

控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

机械手通常是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。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。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。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

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和柔性制造单元FMC中重要一环

3、机械手的结构

3.1传动机构

3.1.1.螺旋机构

螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，其主要功能是将转动变换为直线运动，并同时传递运动和动力，按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构可以分为滑动螺旋机构和滚动螺旋机构两种类型。按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。螺旋机构具有结构简单，制造方便，传动平稳，无噪声易于自锁等优点。

3.1.2.滑动螺旋机构

螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构，称为滑动螺旋机构。滑动螺旋机构所用的螺纹为传动性能好，效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。

滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成。根据机构的组成及运动方式，滑动螺旋机构又分为以下两种。

（1）．由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构，螺母与机架固联，螺杆转动并移动（如图2所示），这种螺旋机构以传递动力为主，故又称传力螺旋机构。一般要求用较小的转矩产生较大的轴向力，多用在工作时间短，速度较低的场合。

（2）由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构（如图1所示），螺杆转动，螺母移动，这种螺旋机构以传递运动为主，故又称为传导螺旋机构。

本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。这种传动形式结构紧凑，刚度较大，传动效率高，精度高。

图 1 螺杆转动，螺母移动图 2 螺母固定，螺杆转动并移动

3.1.3．滚动螺旋机构

螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构，称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。其机构特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道，并在其间放如刚球，当螺杆转动时，刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。按循环方式的不同，分为外循环和内循环两种形式。

滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环叫外循环（如图3所示）。

图 3 滚珠丝杠

3.2 机械手夹持器和机座的结构

3.2.1夹持器

机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为外夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。

回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移。对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置。但其机械机构繁杂，体积大，制造精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候，在满足工件的定位精度要求的条件下，尽可能的采用结构比较简单回转型夹持器。

3.2.2机座结构

机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时的稳定行。

1-轴承 2-丝杆 3-电动机 4-减速器 5、6、7-齿轮 8-基座

图 3 机械手结构图

如图4所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。这种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。图中电动机3经减速器4、主动小齿轮5、中间齿轮6、大齿轮7驱动丝杆2旋转，从而驱动升降台上下运动，整个机座安装在基座8上。

4、PLC及其应用

4.1 PLC的定义

可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC 容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践[1]。

4.2 PLC的工作原理和特点

4.2.1 PLC的特点

（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5~10万小时以上。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、适应性强

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、直观

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。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。

4.2.2 PLC工作原理

PLC其硬件结构和微机是基本一致的，如图5所示，PLC硬件的基本结构图：

图 4 PLC硬件的结构基本图

（1）中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。

（2）存储器

与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的PLC。PLC的软件分为两部分: 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型，PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。

（3）PLC电源

PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的PLC，还是中、大型的PLC，其电源的性能都是一样的，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负10%（15%）之间，因此可以直接将PLC接入到交流电网上去。

PLC工作原理

可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。

在可编程控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。

外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断

开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。

可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。

在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。梯形图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。

若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为OFF。扫描周期可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次图（6）所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1~100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。如图6所示。

图 5 PLC的扫描运行方式

（1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O 映象区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC的CPU总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能，例如：算术运算、数据处理、数据传达等。

（3）输出刷新阶段

在输出刷新阶段，CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是PLC真正的输出。

5、设计方案

5.1 PLC的I/O口分布

根据机械手动作的要求及机械手实物教学实验装置说明指导，输入、输出点分配如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

名称输入名称输出气夹正转限位X0 驱动器一PUL Y0

气夹反转限位X1 驱动器二PUL Y1

基座正转限位X2 驱动器一DIR Y2

基座反转限位X3 驱动器二DIR Y3 旋转脉冲X4 气夹正转ML Y4

X轴前限位X5 气夹反转MR Y5

X轴后限位X6 基座反转MR Y6

Y轴上限位X7 基座正转ML Y7

Y轴下限位X10气夹电磁阀YV+ Y10

启动按钮X11

复位按钮X12

5.2 PLC程序的调试

由于PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都将不能保证PLC正常、安全、可靠的运行。因此，讨论PLC 设计调试就具有十分重要的意义。

5.3 PLC的安装与接线

1、输入接线

（1）输入接线一般不要超过30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。

（2）输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。

（3）利用普通二极管恰当的串接在PLC输入回路中，防止信号干扰，使PLC输入信号大大增强。

2、电源接线

电源是PLC引入干扰的主要途径之一，PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源，这对提高PLC的可靠性有很大帮助。PLC的供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备（如高频炉、弧焊机等）分开。为了提高整个系统的抗干扰能力，可编程序控制器供电回路一般可采用隔离变压器、交流稳压器、晶体管开关电源等。我们正是用了隔离变压器和交流稳压器来抗干扰。隔离变压器是初级和次级之间采用隔离屏蔽层，用漆包线或同等非导磁材料组成，电器回路上不允许短路，两极各引出一个接地抽头。初级与次级之间的静电屏蔽要联结到零点位，接地抽头配电容耦合最后引出到接地点。在选用交流稳压器时，一般可按照实际最大需求容量的130%计算。这样可以保证稳压特性又有助于稳压器工作可靠[16]。

PLC供电电源为50Hz、220V 10%的交流电。由于本设计使用的是FX1N系列可编程控制器，所以有直流24V输出接线端。该接线端可为输入及传感器（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。

3、接地

正确选择接地点，完善接地系统接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。系

统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。良好的接地是保证PLC 可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。所以我们给可编程控制器接上了专用接地线。

5.4 机械手控制系统的外围接线图以及梯形图

见附录1和附录2

5.5 机械手实现过程

机械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。机械手结构示意图如图8所示。步进电机的运动需要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电机走一步；改变电机转向时，需要加方向信号。机械手的上升/下降、前伸/后缩动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。基座正转/反转和气夹正转/反转是通过两个继电器的吸合与断开来控制直流电机的转动方向来实现的。机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手放松；该线圈断电时，机械手夹紧。

打开电源，按下起动按钮时，开机复位。机械手的动作示意图如图7所示机械手若不在原点则PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。当后缩到位时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到底时碰到上限位开关，上升停止，回到原点。主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，气夹电磁阀断电，机械手夹紧。夹紧后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。

图7 机械手的动作示意图

图8 机械手结构示意图

PLC向驱动器一只输入脉冲信号，步进电机一正转，机械手前伸，前伸到位时，碰到前限位开关，前伸停止。主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。机械手后缩，当后缩到底时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。下降到底时碰到下限位开关，下降停止，回到原点。至此，机械手经过八步动作完成一个循环。

6、参考文献

[1]董爱华．可编程序控制器原理及应用[M]．北京：中国电力出版社，2009

[2]王承义．机械手及其应用[M]．北京：机械工业出版社，1981，12-25

[3]廖常初．可编程控制器的编程方法与工业应用[M]．重庆：重庆大学出版社，2001，26-37

[4]郭洪红．工业机器人技术．西安：西安电子科技大学出版社[M]，2006年，20-28

[5]张凤珊．电器控制及可编程序控制器[M]．北京：中国轻工业出版社．1999，62-79

[6]杨长能，张兴毅．可编程序控制器基础及应用[M]．重庆：重庆大学出版社．1992，31-52

[7] 黄伟,胡青龙．机械手PLC控制系统的设计[J]. 机电工程技术 , 2008.

[8] 龙小波. PLC实现对简易机械手的控制设计[J]. 可编程控制器与工厂自动化, 2008

附录

附录一梯形图

指导教师评语

成绩（60%）指导教师签字：

年月日答辩过程及评价

成绩（40%）答辩小组签字：

年月日系综合意见

综合成绩

系主任签字（盖章）：

年月日