毕业设计 ( 论文 )

题目：数控机床自动装卸工件机械手设计 ――PLC控制系统

数控机床自动装卸工件机械手设计――PLC控制系统

毕业设计（论文）诚信声明书

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数控机床自动装卸工件机械手设计――PLC控制系统

郑州旅游职业学院

毕业论文（设计）任务书

毕业设计题目：数控机床自动装卸工件机械手设计――PLC控制系统

学生姓名：陈阳 专业班级： 08C2 学号：

主要任务：

• 1、通过PLC编程控制使机械手能够模仿人手臂的某些动作和功能，用于抓取，搬运或 操作工具等

• 2、按照指定命令系统自动完成各步骤工作，并能循环指令动作

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开题报告

毕业论文

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数控机床自动装卸工件机械手设计――PLC控制系统

发出任务书日期：

完成期限：

指导教师： 李广 系部主任：

摘 要

当面临人工无法实现的工作时，机械手成为了替代人工的替代品。在工业生产和其 他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增 加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。机械手就在这样诞生了,机械手是工业机 器 人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的使用能够显著的 提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。机械手可以完成很多工作，它在自动 化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。它的特点是通过编程来完成各种预期的 作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器 人的精确到位。

随着科学技术的发展，人们对机械手的安全性，可靠性，准确性有了充分的认识， 同时对其要求也越来越高。可编程控制器凭其稳定性，简单性，强大性成为了目前应 用最广的工业自动化支柱之一。

关键词： 数控；自动装卸；机械手；PLC

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数控机床自动装卸工件机械手设计――PLC控制系统

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数控机床自动装卸工件机械手设计――PLC控制系统

目 录
摘 要·························································································································································I
Abstract（英文摘要）······························································································································II
第1章绪论·················································································································································1
1.1课题背景········································································································································1
1.2机械手的发展································································································································1
1.3 PLC的发展概况···························································································································2
1.4 可编程控制器的产生··················································································································2
1.5 PLC的定义···································································································································2
1.6 PLC的特点···································································································································3
1.7课题设计的目的和意义················································································································4
第2章系统控制结构的确定·····················································································································5
2.1机械手的概述································································································································5
2.1.1机械手的组成·····························································································································5
2.1.2机械手的主要参数·····················································································································6
2.1.3应用机械手的意义·····················································································································6
2.2机械手采用PLC控制的优点········································································································7
第3章控制系统·········································································································································8
3.1系统设计的基本步骤····················································································································8
3.2 控制系统的要求··························································································································8
3.3 系统及原理································································································································10
3.4 PLC的概述·································································································································10
3.5 PLC的选择·································································································································11
3.6 I/O接线图···································································································································11
3.7 PLC梯形图·································································································································12
3.8 PLC控制程序·····························································································································13
3.9 系统工作过程····························································································································14
参考文献···················································································································································17
致 谢···················································································································································18
致 谢···················································································································································18

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第1章绪论

1.1课题背景

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装 置，它是在机械化、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。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作， 减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行 业中它可用于零部件组装 ，加工工件 的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、 组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS 和柔性制造单 元FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔 性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧 凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断 更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的 工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化 水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、 技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

1.2机械手的发展

机械手一般为三类：一是不需要人工控制的通用型机械手。它是不属于其他主 机的独立装置。可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。它的特点是具 备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。二是需要人工操 作的，起源于原子，军事工业。先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线 遥控操作。第三类是专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上下料和

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装卸工件。这种机械手国外叫做“Mechanical Hand”。它由主机驱动来服务，工作程 序固定，一半是专用的。

机械手首先是在美国开始研制。第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研 究制作出来的。结构是：主机安装一个回转长臂，长臂顶端有电磁抓放机构。

日本在工业上应用机械手最多，发展最快的国家，自1969年从美国引进两种机 械手后开始大力研发机械手。

前苏联自六十年代开始发展和应用，自1977年，前苏联使用的机械手一半来自 国产一半来自进口。

现代工业中，自动化在生产过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实 现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。随着工业自动化的发展，机械手的 出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。采用机械手已为目前研究的热重 点。

目前机械手在工业上主要用于机床加工、铸造，热处理等方面，但是还不能够 满足现代工业发展的需求。

1.3 PLC的发展概况

可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发 起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程 序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来 控制机械设备或生产过程。

1.4 可编程控制器的产生

PLC 是在激烈的市场竞争中产生的，20 世纪60 年代末，美国汽车制造业竞争 激烈。为适应生产工艺不断更新的需要，美国通用汽车公司（GM）对控制系统提出 要 求为：（1）能替代各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑 关系用导线连接起来的控制系统，既传统的继电－接触器控制，它简单易懂，价格

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低廉，能够满足生产工艺改动频繁的需要；（2）编程简单；（3）模块式结构；输 入、输出 电压是交流115V（美国标准），输出能直接驱动继电器和电磁阀；（4） 抗电磁干扰强；（5）具有数据通信功能。就是把继电器控制的优点与计算机的功能 齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修改来代 替继电－ 接触器控制的硬接线逻辑不易修改。美国数字设备公司（DEC）在 1969 年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车 装配线上应用成功，实现装配线的自动控制。

1.5 PLC的定义

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（National Electrical Manufactory Association）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 5 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，

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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。

• 1.6 PLC的特点

  • 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10～20ms。

  • 3）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

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