图书分类号：密 级：毕业设计(论文)基于三菱PLC的机械手控制系统设计DESIGN OF MANIPULATOR CONTROL SYSTEM BASED ON MITSUBISHI PLC 学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要在机械加工行业，机械手使用的已经很多了，是自动化生产中最为重要的元素，现在车间工人的劳动环境改善了很多，劳动生产率也是提高了很多。本文设计的是基于三菱PLC的机械手控制系统设计，该机械手主要由L1-25型单向节流阀和24D2H-15-S1型二位五通电磁阀组成的气压回路驱动，由气动机械手实现物件的抓取，利用气缸实现物件的移动，采用行程开关来实现物料的摆放，运用欧光PSD-1010（2D-PSD）光电位敏传感器来检测工件的位置，最后使用三菱FX2N-48MR来控制电磁阀，从而实现机械手臂的旋转-下降-伸出-夹紧-收回-上升-旋转-下降-松开-上升的控制功能。关键词 机械手；PLC；气压驱动；电气元件AbstractIn the machining industry, the robot has been used a lot, is the automated production of the most important elements of plant workers are now a lot of work to improve the environment, labor productivity is also improved a lot.This design is based on the Mitsubishi PLC robot control system design, the robot consists of L1-25 type way throttle and 24D2H-15-S1 type two five-way solenoid valve pneumatic circuit is driven by a pneumatic manipulator to achieve the object crawl, mobile air cylinder to achieve the object, using the limit switch to achieve the display of materials, the use of European light PSD-1010 (2D-PSD) position sensitive photoelectric sensor to detect the position of the workpiece, last used to control the Mitsubishi FX2N-48MR solenoid valve, in order to achieve the rotating mechanical arm - the drop - projecting - clamping - recover - rising - rotation - fall - Release - increased control functions.Keywords Manipulator; PLC;Pneumatic drive；Electrical components目 录 TOC \o "1-3" \z \u HYPERLINK \l _Toc2058 摘要 2058 I HYPERLINK \l _Toc25984 Abstract 25984 II HYPERLINK \l _Toc26665 目 录 26665 III HYPERLINK \l _Toc12095 1 绪论 12095 1 HYPERLINK \l _Toc19513 1.1 机械手的概述 19513 1 HYPERLINK \l _Toc16453 1.1.1 机械手的设计背景 16453 1 HYPERLINK \l _Toc24100 1.1.2 机械手的组成 24100 2 HYPERLINK \l _Toc17841 1.1.3 机械手的分类及应用组合 17841 2 HYPERLINK \l _Toc32254 1.2 机械手的发展及现状 32254 3 HYPERLINK \l _Toc12527 1.2.1机械手的发展 12527 3 HYPERLINK \l _Toc19074 1.2.2 PLC控制系统的引用 19074 4 HYPERLINK \l _Toc21703 1.3 本课题研究的主要内容及技术路线 21703 5 HYPERLINK \l _Toc9835 1.3.1 本课题研究的主要内容 9835 5 HYPERLINK \l _Toc16338 1.3.2 本课题研究的技术路线 16338 5 HYPERLINK \l _Toc27027 1.4 控制要求及机械手参数 27027 6 HYPERLINK \l _Toc26529 1.4.1 控制要求 26529 6 HYPERLINK \l _Toc9209 1.4.2 机械手的相关参数 9209 6 HYPERLINK \l _Toc4635 2 机械手的机械设计 4635 7 HYPERLINK \l _Toc18981 2.1 执行机构的设计 18981 7 HYPERLINK \l _Toc5859 2.1.1 工作原理及组成 5859 7 HYPERLINK \l _Toc7556 2.1.2 基本形式的选择 7556 7 HYPERLINK \l _Toc8383 2.1.3 机械手的结构设计 8383 8 HYPERLINK \l _Toc30888 2.1.4机械手外观简图 30888 9 HYPERLINK \l _Toc9879 2.2 驱动机构的设计 9879 9 HYPERLINK \l _Toc23473 2.2.1 工作原理的确定 23473 10 HYPERLINK \l _Toc26000 2.2.2 气动元件的选择 26000 10 HYPERLINK \l _Toc5789 3 机械手的硬件设计 5789 14 HYPERLINK \l _Toc30954 3.1 PLC的介绍 30954 14 HYPERLINK \l _Toc3416 3.2 电气元件的选型 3416 16 HYPERLINK \l _Toc2811 3.2.1 限位开关的选择 2811 16 HYPERLINK \l _Toc23164 3.2.2 传感器的选择 23164 17 HYPERLINK \l _Toc26409 3.2.3 接触器的选择 26409 17 HYPERLINK \l _Toc4672 3.3 PLC选型 4672 18 HYPERLINK \l _Toc5524 3.4 I/O设计 5524 18 HYPERLINK \l _Toc22015 3.5 PLC接口分布图 22015 19 HYPERLINK \l _Toc27895 4 机械手的软件设计 27895 20 HYPERLINK \l _Toc14608 4.1 流程图 14608 20 HYPERLINK \l _Toc5303 4.2 梯形图 5303 21 HYPERLINK \l _Toc10529 4.3 调试 10529 25 HYPERLINK \l _Toc51 结论 51 26 HYPERLINK \l _Toc24252 致谢 24252 27 HYPERLINK \l _Toc30166 参考文献 30166 28 HYPERLINK \l _Toc16029 附录 16029 29 HYPERLINK \l _Toc1914 附录1 气压控制原理图 1914 30 HYPERLINK \l _Toc6907 附录2 输入输出分配表 6907 30 HYPERLINK \l _Toc20251 附录3 外部接线图 20251 31 HYPERLINK \l _Toc31746 附录4 状态控制图 31746 31 HYPERLINK \l _Toc6637 附录5 梯形图 6637 321 绪论机械手诞生在上世纪六十年代，到现在也发展了四十多年了，现在机械手是工业化制造里面一个自动化的关键装置。现在，机械手的发展很快，有了仿照忍受的机械手，微型的机械手还有操作机械手的微操作系统，机械手化及其，只能机械手等等。机械手使用的范围已经从原来的工业行业到现在的服务业方向发展，而且发展的很快，在军事上面使用的也是很多的。国外方面：这些年国外机械手的发展主要体现在以下几个方面：机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统现在跟PLC结合在一起，开放式的控制；传感器在机械手上面使用的越来越多，在虚拟的世界里面，机械手制造是仿照人手进行的，预演还有在过程里面进行控制。国内方面：目前存在一些机种方面，假如喷涂机械手，在对机械手进行设计还有操作的时候就相对熟悉了，将机械手控制系统进行了设计还有配置，对软件业进行了设计还有编程，这样自动化的一些列的过程就有了；在基础的元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了一些突破。单从技术这个层面来说，国家目前已经可以自主进行机械手的研究了。1.1 机械手的概述1.1.1 机械手的设计背景机械手的技术目前已经联系到了力学，机械，电气，液压，计算机，传感器等等，所以说机械手是一个综合学科产生的技术。最近这些年以来，因为计算机还有电子，传感器的技术使用的是越来越多，所以现在机械手已经是提高劳动生产率的关键。在PLC的帮助下，因为PLC进行工业处理的能力很强大，所以结合了PLC以后，工业自动化就可以实现了。在这个设计方案上面对机械手进行设计，要能够实现加工的产品的要求，这样加工出来的产品的质量就提高了很多，使用了机械手以后，劳动力就解放了很多，工人的工作环境就改变了很多，劳动强度也在一定程度上降低了，成本也减少了很多，工作效率提高了，所以机械手的诞生意义很重大。在同一时间，在组态软件的帮助下，系统的工作效率相对提高了很多。所以，在自动化的生产线上还有综合加工的生产线上面，现在基本上都还是人工，为了能够减少劳动力还要将生产的节拍控制好，这样进行生产的时候就非常有节奏了。工业上使用的机械手在最近这些年发展的很迅速，它是一种拥有高科技，自动化的机器。机械手其实是机器人的一种，机械手最大的特点就是可以实现进行程序的编制，然后按照这个程序来进行工作，机械手的结构还有性能上面，具有了人的优点也具有了机器的优点，这样机械手的智能化就更高了，而且适应性也高了很多。机械手在进行工作的时候准确性更高，而且不管什么样的环境都可以进行工作，所以机械手的市场前景分厂看好。结合上面的描述，对机械手进行利用是将来工业上面发展的方向。1.1.2 机械手的组成机械手的组成部分由执行装置，驱动装置还有控制系统。执行装置的组成由手部，手臂还有躯干。将手装在手臂的前面，这样手可以旋转起来，将手指打开或关闭。机械手的手指的结构是仿照人的手指来制造的，它的关节有无关节，固定关节和自由关节。机械手的手指部分可以分成两指，三指，四指等等，在这个里面两指用的是很多的。可以按照实际抓取的对象的形状还有大小来装形状不一样，尺寸不一样的夹头，这样操作起来就很方便。本次设计里面使用的是两个指头的结构。手臂是用来指挥手指抓取物料，然后将这个物料送到需要的地点上面。为了确定机械手工作的准确性，对于手臂自由度要进行准确定位。也就是，机械手在进行运动的时候就是两种，一种是直线运动，一种是转动，所以机械手使用的执行装置是直线液压缸等。机械手的躯干用来装手臂，动力源还有别的执行装置的。机械手的驱动装置如下： EMBED Equation.DSMT4 。这个里面使用最多的驱动是电气驱动还有气动驱动，九成以上的机械手都是采用这两种动力，液压驱动还有机械驱动使用的相对比较少。液压驱动的是液压缸，液压阀，还有油箱来实现传动的。气压驱动的工作原理就是使用的零部件是气压缸，气马达还有气阀等等。通常使用的气阀有4到6个，有的一些要到了8-10个大气压。本次论文里面所设计机械手的动力是气压驱动。在进行驱动的时候，直线运动时就是电动机将丝杠，螺母装置带动起来。通用型的机械手使用的电动机是步进电动机还有直流或者是交流伺服电动机，还有变速箱等等。本次论文里面使用的是步进电动机，直流电动机驱动手指还有机械手的底盘进行旋转运动。机械驱动只适用于固定动作的场合。对机械手进行控制的重点有工作的先后顺序，到达的地点还有工作的时间，运动的速度还有加速度、减速度等等。对机械手进行控制时有点位控制还有连续轨迹控制，现在使用最多的是点位控制。在对系统进行控制的时候可以按照动作的需要，在进行设计的时候使用的是数字顺序，先要进行编制程序，然后将这个程序储存起来，之后再按照之前设定好的程序，控制机械手进行工作。如果机械手的动作很复杂，那么进行控制的时候使用的是数字控制，小型的计算机或者是微处理器。设计的这个控制的系统可以进行编程，编程不复杂，而且工作的时候可靠性很高等等。1.1.3 机械手的分类及应用组合机械手分为三大类。一种是不需要人进行操作的机械手，但是这种机械手是独立的，不需要靠在任何一个主机上。这个机械手可以按照事先设定好的程序进行工作。这个机械手的特点是不仅具有机械的特性，还有机械，记忆，的功能。还有一种是需要有人来进行操作的，一般把这种机器叫做操作机。这个机械手一般用在原子，军事工业，在进行使用的时候是先用操作机将规定好的程序完成，然后发展到用无线电来控制机械手，来进行月球，火星的探测。第三种是专门的机械手，这种机械手都是装在自动机床还有自动生产线上面的，主要是用来进行机床上的上料还有下料，还要对工件进行传输。这种机械手主要是给主机来进行服务的，它的驱动是主机，除了一些少的机械手以外，这种程序通常是固定的，所以它就是专用的。现在工业的发展很快，在工业上的自动化程度也高了很多，而且工作的环境也比原来差了很多，所以工人的操作技术水平要比原来高很多，在这样恶劣的环境下进行工作，工人的人身安全也有危险。对于操作人员工作的环境还有内容要求的比较简单，所以有一些重复的工作通过机械手来完成就显得简单很多了，这样，进行工作的时候不需要操作人员亲身去跟需要加工的物件进行接触，防止出现伤害，比方说冶金行业，化工行业，医疗行业，航空航天等等。进行机械加工的时候，使用机械手的频率很高，所以现在机械手发展的是很快的。现在机械手主要是用在机床上，模锻的压力机上面，可以用来进行上料还有下料，也可以进行焊接等等工作，机械手可以按照之前编制好的程序进行工作，有的机械手还有传感反馈的功能，在出现意外情况的时候可以面对。假如说机械手有偏移，那么就非常容易导致零件或者是机械坏，但是一旦机械手的上面有了传感反馈的功能，那么机械手在遇到情况的时候就会进行自我的调整。在实际的生产中的时候，可以将材料进行传动的速度增快，可以对工件进行装卸，也可以将刀具换掉，还有可以对机器进行装配，这些都是自动化高的标志，使用机械手以后，劳动的生产效率提高了很多，生产成本也比原来降低很多，这样工业自动化的进程就加快了。1.2 机械手的发展及现状1.2.1机械手的发展机械手的概念是上世纪六十年代美国人提出来的。但这个概念是由美国George•C•Pevol在1954年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。在这个专利里面描述的机械手，从现在来看，就是说的示教再现机器人。按照这个专利在上世纪六十年代的时候发明出来了数控自动化装置的原始机型。随后，美国专业制造公司在上世纪六十年代的时候加工生产了一号机，这个机器的外形就跟坦克一样，使用的结构式极坐标的，但是另外一种机器人使用的是圆柱坐标的结构。上面说到的两种机器人现在都是主要使用的结构，美国汽车公司在对金属进行冷加工还有热加工的时候，都是使用这种机器进行压，铸还有冲压的加工，对材料进行上料还有下料，效果都是很好的。美国的机器人的发展，大概经过了几个过程：1、1963~1967年对机械手进行实验，然后将机械手进行定型。在这个时期，研发出来的机械手都是给用户来使用看是不是可以的。到1967年的时候，加工出来的机械手大概有一千九百台。2、1968~1970年为实验应用阶段。这一时期，机器人机械手在美国进入应用阶段。比方说美国的汽车公司就购买了六十八台的机械手；到了69年的时候，自己又研究出来了SAM的机械手，而且用21台机械手组成了焊接的生产线，这个生产线是自动化的。3、1970年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。1970~1972年，这段时间是机械手的发展的阶段。到1970年四月份的时候，在美国召开了世界上第一个机械手的会议。据当时统计，美国已采用了大约200台机器人机械手，工作时间共达60万小时以上。在这个时期，还出现了当时说的高级机器人。欧洲地区第一个机械手是1963年瑞典发明出来的。日本早在上世纪六十年代初的时候就开始对固定程序控制的机械手进行研究了，而且当时还从别的国家引进了一些生产过程不一样的机械手，从中获得了很多有价值的技术，很快就研究出来了日本自己生产的机械手，关于机器人的研究水平很快就达到了发达国家的水平，后来还超过了他们，现在关于机器人的技术现在是世界最先进的。国家研究的机器人比日本晚了五年左右，但是因为各种别的原因，机械手的技术发展的很慢。但是现在受到了很大的重视，不仅引进国外的技术，对国外的技术进行消化还有仿制，现在还可以进行自我设计和研发。在上世纪58年的时候，在新疆的一个广交会上，成都研究院研发的机器人会跳舞。上世纪86年的时候，国家生产的机器人可以进行简单的对话。清华大学研发出来的机器人，可以有人的眼睛还有首的功能，现在水平是很高的。现在，机器人的听觉，视觉，还有说话功能等等都取得了很大的进步。近几年来的我国在机械手的成就表明，我国的技术已经向前迈出了成功的一步。相信用不了多久，一定回赶上世界各国前进的步伐。1.2.2 PLC控制系统的引用文献[1]中作者用电动机直接控制机械手，电机的转动速度和机械手的停止位置取决于脉冲，控制方面采用三菱FX2N系列的PLC控制，最终能够实现机械手的上下移动、左右移动、180度回转和抓紧等功能。文献[2]中运用电磁阀来控制伸缩旋转气缸，用限位开关检测伸缩旋转是否到位，用PLC直接控制电磁阀来实现机械手的动作。 文献[3]中首先进行了机械结构的设计，并采用气压驱动机械手，然后用欧姆龙公司的PLC和触摸屏控制电磁阀，实现机械手各动作的控制。最后用编程软件CX-Programnie:r7.0编程来实现机械手180度旋转、伸缩、手腕关节的转动和手爪抓取等动作。文献[7]设计了机械手的机械结构和驱动回路，并采用SolidWorks软件来进行气动机械手的虚拟设计。文献[9]中设计了一个3自由度的气动机械手，并设计了机械手的驱动回路，操作面板触摸屏以及控制系统。文献[10]中首先对机械手进行了结构的介绍，然后决定采用气动技术来驱动机械手，之后对各组件的作用，元器件的选型和PLC硬件设计做了详细的说明，最后进行了PLC梯形图，流程图的设计和PLC指令表的编写,实现了机械手的半自动化和全自动化的控制。课题研究中，主要运用了引用文献法等常用的研究方法。文献[17]中首先选用三菱FX2N-48MR型号的PLC，然后加入人机界面，使其与PLC联合控制机械手，并使用SIMATIC WinCC flexible软件对触摸屏进行了设计，最后在人机界面中添加了变量,并将其与控制系统连接，从而运用触摸屏来控制和监测机械手。文献[18]对PLC的具体选型，PLC的硬件软件设计做了详细的说明，还介绍了48MR PLC的通信网络的设计思路和解决的问题。文献[19]中采用PLC同时控制两个气压马达，从而实现机械手的横向纵向的移动，同时还用了人机界面对对机械手进行了状态检测，以确保机械手正常安全运行。1.3 本课题研究的主要内容及技术路线1.3.1 本课题研究的主要内容……………………………..1.3.2 本课题研究的技术路线……………………..1.4 控制要求及机械手参数1.4.1 控制要求2 机械手的机械设计2.1 执行机构的设计2.1.1 工作原理及组成结论我论文中的机械手是3个自由度的机械手，由单向节流阀和二位五通电磁阀组成的气压回路驱动，由气动机械手实现物件的抓取，利用气缸实现物件的移动，采用行程开关来实现物料的摆放，使用三菱FX2N-48MR来控制电磁阀，降低了机械手的控制和复杂程度，在学习上面的知识也不足，还请各位老师指正。在构想的机械手的设计中，我查了好多的相关书籍，图片，资料和网上的相关资料，特别是在资料中看到的其他的总的设计资料中，我所学习的知识的到了更好的提升；在这次的机械手的设计中，让我对机械上面的知识有了更多的了解，因此让我对机械方面有了更高的了解。通过这次的机械手设计业让我的设计能力的到了很大的提高。我希望通过本次毕业设计对自己未来将从事的工作是更高的提升，这样能更好的锻炼自己的能力，为将来的工作能更好的发挥。致谢参考文献[1] 周继功.PLC在机械手中的应用研究[N]，河北北方学院学报，2005.8.[2] 李允文.工业机械手设计[M].机械工业出版社.2011.07[3] 史国生.PLC在机械手步进控制中的应用[J].中国工控信息网.2004.[4] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京航空航天大学出版社.[5] 吕栋腾.基于PLC控制的搬运机械手设计[J].装备制造技术,2014,10.[6] 刘红先.基于PLC控制的气动搬运机械手系统设计[J].机械工程师,2014,09.[7] 胡志刚.基于S7-200 PLC的气动机械手控制系统设计[J]. 机械工程师,2014.03[8] 陈冬梅.基于S7-200PLC的机械手运动控制[J]. 电子技术,2014,05[9] 刘春林,史斐娜. 基于PLC的搬运机械手硬件系统设计[J]. 可编程控制器与工厂自动化,2014,08[10] 孔祥新,沈小引,刘敬科.基于PLC FX2N-48MR的机械手控制系统设计[J]. 电子技术,2013,11[11] 张萍萍.基于PLC的气动机械手控制系统设计[D].电子科技大学,2013.[12] 郭剑晖.机械手PLC控制系统设计[D].南昌大学,2012.[13] 牛瑞利.基于西门子PLC的小型搬运机械手控制系统设计[D].南京理工大学,2013.[14] 徐英.教学型机械手PLC控制系统的设计[D].苏州大学,2010.[15] 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How Hydraulic Motion -control Measures up. Machine Design, April 15, 2006：56-93.附录附录1 气压控制原理图 EMBED AutoCAD.Drawing.16 附录2 输入输出分配表名称代号输入名称代号输入启动SB1X0加紧SB5X12右转限位开关SQ1X1放松SB6X13左转限位开关SQ2X2单步上升SB7X14上限行程开关SQ3X3单步下降SB8X15下限行程开关SQ4X4单步向前SB9X16前限行程开关SQ5X5单步向后SB10X17后限行程开关SQ6X6单步左转SB11X20停止SB2X7单步右转SB12X21手动操作SB3X10回原点SB13X22连续操作SB4X11工件检测SQ5X23名称代号输出名称代号输出接触器右转KM1Y0电磁阀向后YV4Y5接触器左转KMY1电磁阀下降YV5Y6电磁阀放松YV1Y2电磁阀上升YV6Y7电磁阀加紧YV2Y3原点指示ELY10电磁阀向前YV3Y4附录3 外部接线图 EMBED AutoCAD.Drawing.16 附录4 状态控制图 EMBED AutoCAD.Drawing.16 附录5 梯形图 EMBED AutoCAD.Drawing.16 毕业设计(论文) PAGE II毕业设计(论文) PAGE IV PAGE 10
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