搬运机械手控制系统设计.docx

目录前 言 1第一章 绪 论 21.1 课题背景与现实意义 21.2 可编程控制器的产生特点及发展趋势 21.3 本文主要工作 7第二章 方案论证和选择 82.1 题目与要求 82.2 方案选择与论证 92.2.1 利用单片机实现对机械手的控制 92.2.2 利用传统继电器实现对机械手的控制 92.2.3 实现对机械手的控制 92.3 系统流程图 10第三章 系统的硬件设计 113.1 功能按钮概述 113.2 机械手传送系统输入和输出点分配表 113.3 输入和输出点分配表 113.4 输入和输出点原理接线图 12第四章 系统的软件 134.1 机械手操作系统程序图及原理 134.1.1 操作程序图 134.1.2 操作系统原理 134.2 原位程序 144.3 动单步操作程序 154.4 自动操作程序 154.4.1 程序原理 154.4.2操作状态转移图 154.5 机械手传送系统梯形图 164.6 系统调试 18第五章 总结与展望 205.1 系统总结 205.2 展望 20参 考 文 献 21-XX. -JL-前言工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工 业机械手的是工业机器人的一个重要分支机械手技术涉及到力学、机 械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学 领域，是一门跨学科综合技术它的特点是可通过编程来完成各种预期 的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人 的智能和适应性机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力， 在国民经济各领域有着广阔的发展前景用机械手可以代替人从事单调 、重复或繁重的体力劳动，实现生產的机械化和自动化，代替人在有 害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全20世纪40年代 后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在 安全室操纵机械手进行各种操作和实验50年代以后，机械手逐步推广 到工业生產部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料 ，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用 ，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作机械 手主要由手部机构和运动机构组成手部机构随使用场合和操作对象而 不同，常见的有夹持、托持和吸附等类型运动机构一般由液压、气动 、电气装置驱动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保护人身安全，因而广泛应用机械制造、冶金、 电子、轻工和原子能等部门第一章 绪 论1.1课题背景与现实意义可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一 员，是为工业控制应用而设计制造的早期的可编程控制器称作可编程 逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称 PLC,它主要用 来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展，这种装置的功能已经大 大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简 称PC但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆， 所以将可编程控制器简称 PLC所谓搬运机械手，就是将机械手安装在移动平台之上这种结构使 机械手拥有几乎很大的操作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动 和操作功能，这使它优于传统的机械手，因此在危险作业、制造业、服 务业等行业具有广阔的应用前景但由于结构复杂、强耦合、非线性、 非完整性等问题的存在，都使得对搬运机械手的研究具有相当的挑战 性近年来，对搬运机械手的控制策略、运动规划等方面的研究已越来 越受到国内外的重视，并已经取得了一些很有价值的研究成果。

我国在 这方面起步较晚，研究多集中在理论方面因此，设计制造一个实际的 搬运机械手平台，无论在理论上还是实践上都是非常有意义的1.2 可编程控制器的产生特点及发展趋势可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应 用而设计的它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行 逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通 过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程可编程控 制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于 扩充其功能的原则设计 1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出 第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功这种新 型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可*性高，通用灵活，体 积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用 到 1971 年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业这一 新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视 1971 日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台 PLC 1973年， 西欧国家也研制出它们的第一台PLC我国从1974年开始研制。

于1977 年开始工业应用 PLC 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速为了使 其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA(Na ti onal Elec trical ManufactoryAssociation)经过四年的调查工作，于1984年首先将其 正式命名为PC (Programmable Controller)，并给PC作了如下定义：“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令 用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类 似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序一部数字电子计算 机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC,但不包括鼓式或类似的机 械式顺序控制器以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了 PLC标准 的草案第一稿，第二稿,并在 1987 年 2 月通过了对它的定义：“可编程 控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计 的它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算, 顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模 拟式输入/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 关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能 的原则设计。

总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境 应用而设计制造的计算机它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较 强的驱动能力但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实 际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要 求进行设计编制PLC 的主要特点：1、高可靠性（1）所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路 与 PLC 内部电路之间电气上隔离2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰4） 采用性能优良的开关电源5） 对采用的器件进行严格的筛选 6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU 立即采用有效措施，以防止故障扩大7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成 表决系统,使可靠性更进一步提高2、丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流 或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接 近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接3、 采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小 型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括 CPU,电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来， 系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合4、 编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯 形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易 被一般工程技术人员所理解和掌握5、 安装简单，维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业 环境下直接运行使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相 连接，即可投入运行各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户 了解运行情况和查找故障由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生 故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行PLC的发展阶段：虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出 现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断 进步， PLC 也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：1、早期的PLC（60年代末一70年代中期）早期的PLC 一般称为可 编程逻辑控制器这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义， 其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等它在硬件 上以准计算机的形式出现，在 I/O 接口电路上作了改进以适应工业控制 现场的要求。

装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存 储器采用磁芯存储器另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力 在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的 方式一梯形图因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优 点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使 用等其中PLC特有的编程语言一梯形图一直沿用至今2、中期的PLC（70年代中期一80年代中，后期）在70年代，微处 理器的出现使PLC发生了巨大的变化美国，日本，德国等一些厂家先 后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）这样，使PLC得 功能大大增强在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数 等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功 能在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模 块、远程I/O模块、各种特殊功能模块并扩大了存储器的容量，使各 种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应 用范围得以扩大3、近期的PLC （80年代中、后期至今）进入80年代 中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价 格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。

而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了 专用逻辑处理芯片这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化1.3 本文主要工作本文主要工作是应用plc (可编程控制器)实际设计一个工业机械手，能实现工业机械手的基本功能工作内容:(1)阐述机械手在工业应用中的作用和意义( 2)设计机械手的方案选择与实现(3) 机械手的硬件设计原理，包括可编程控制器型号的选定，PLC 的电气连线图,1/0地址分配表等(4) 机械手的软件设计原理，包括流程图，程序清单5) 最后是系统调试和参考文献的列举第二章 方案论证和选择2.1 题目与要求采用电气控制的搬运机械手，其任务是把左工位的工件搬运到右工 位，机械手的工作方式分为手动和连续两种工作方式如下：机械手在原位压左限位开关和上限位开关，按启动按钮机械手开始 下降，下降到左工位压动下限位开关后自停；接着机械手夹紧工件后开 始上升，上升到原位压动上限位开关后自停；接着机械手开始右行直到 压动右限位开关后自停；接着机械手开始下降，下降到右工位压动下限 位开关（两个工位用一个下限位开关）后自停；接着机械手放松工件后 开始上升直到压动上限位开关后自停（两个工位用一个下限位开关）； 接着机。