工业机械手毕业设计.doc

前 言机械手：mechanical hand，也被称为自动手，auto hand。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和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。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23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。液压式与气动式、电动式、机械式相比有以下主要优点： 1）在同等功率情况下，液压执行元件体积小、重量轻、结构紧凑；2）液压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活地来布置；3）液压装置工作比较平稳，由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向； 4）操纵控制方便，可实现大范围的无级调速(调速范围达2000：1)，它还可以在运行的过程中进行调速； 5）一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长； (6) 容易实现直线运动；7）既易实现机器的自动化，又易于实现过载保护，当采用电液联合控制甚至计算机控制后，可实现大负载、高精度、远程自动控制； 8) 液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。因为液压传动具有以上优点，足以满足本次设计的要求，所以一本设计采用液压驱动。摘 要随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退的运动运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关(SQ1-SQ9)产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。关键词：搬运机械手； 可编程控制器（PLC）； 液压； 电磁阀AbstractWith the popularity of industrial automation and development, the demand for year-on-year increase of controller, handling the application of robot gradually popularity, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, we can be more good to save energy and improve the transport efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation and inadequate to meet the requirements of modern economic development.The manipulator mechanical structure includes two solenoid valves controlled by hydraulic manipulator steel to achieve the increased decline in sports and workpiece clamping action, the two different motor speed through the two motor coils positive control in order to achieve car of the fast-forward, slow forward, fast rewind, slow movement back movement;Operating various operation requirements the methods include: back in situ, manual, single cycle, single step, continuous; to meet the needs of production.Key words: Manipulator; Programmable Logic controller (PLC); Hydraulic; Electromagnetic valve.目 录1 机械手概述11.1 工业机械手的组成11.2 搬运机械手的应用简况21.3 机械手的应用意义31.4 机械手的发展概况31.5 机械手的发展趋势41.6 PLC概况及在机械手中的应用52 搬运机械手总体设计方案72.1 搬运机械手总体结构设计72.2 搬运机械手结构及其动作的设计72.3 机械手的控制过程的设计82.4 机械手的控制要求的设计83 搬运机械手硬件系统设计93.1 电机的选择93.2 液压缸的选择103.3 电磁阀的选择113.4 PLC的选型124 搬运机械手的软件系统设计164.1 梯形图的总体设计164.2 各部分梯形图的设计175 系统调试与监控255.1 易控软件介绍255.2 监控程序的编写255.3 系统仿真机调试32结 论34谢 辞35参考文献36附录1 源程序37附录2 电气总结线图421 机械手概述1.1 工业机械手的组成工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹、和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。在 工业生产中应用的工业机械手简称为“机械手”。 工件机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成，各部分之间的相互关系如1-1所示。控制系统驱动系统执行机构 位置检测装置图11 机构相互关系图1、执行机构执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1）手部（或称抓取机构）是与物体接触的部件，主要是抓取和放置物件的作用。2）手腕 是连接手部和手臂的部件，可以调整和改变工件方位。3）手臂 是支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。4）立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分。手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。 5）机座 是机械手的基础部分。执行机构的各个部件和驱动系统均安装于机座上，起支承和连接的作用。有时为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。 2、驱动系统机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的动力装置，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。3、控制系统控制系统是机械手动作的指挥系统，用来控制动作的顺序（程序）、位置和时间、速度和加速度等。4、位置检测装置位置检测装置控制执行机构的运动位置，可随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.2 搬运机械手的应用简况在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：1、热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。2、冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。3、拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。1.3 机械手的应用意义在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：1、可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2、可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3、可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.4 机械手的发展概况专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。5060年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特机械手即属于这种类型。6070年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前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(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。1.5 机械手的发展趋势目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.6 PLC概况及在机械手中的应用1、可编程序控制器的应用和发展概况可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC（programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通 信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。2、PLC的应用概况PLC的应用|领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。1）用于逻辑控制这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。2）用于模拟量控制PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。3）用于机械加工中的数字控制现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。4）用于工业机器人控制5）用于多层分布式控制系统高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。3.、PLC的特点1）可靠性高、抗干扰能力强PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h，这是一般微机所不能比拟的。2）控制系统构成简单、通用性强由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。3）编程简单、使用、维护方便4）组合方便、功能强、应用范围广PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此，PLC应用范围很广。5）体积小、重量轻、功耗低PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。4、PLC的类型由于三菱FXPLC系列具有小型集成型、更高的性价比高速化、高精度的控制（基本指令0.08s/步）、高性能的内置功能（高速计数器、高速输入/输出等）、扩大控制点数，最大支持256点I/O特殊单元的高性能化和高互换性扩展通信端口, 轻松地使用模拟量功能扩充存储器容量标准机种适合国际规格，所以本设计选择三菱FX系列。5、PLC在机械手中的应用机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强;编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围广; 体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动。2 搬运机械手总体设计方案2.1 搬运机械手总体结构设计1）该机械手具有两个自由度，即手臂的伸长、缩短。2）采用液压驱动，其具有体积小、质量轻、结构紧凑、传动平稳、操作简单、安全、经济、易于实现过载保护且液压元件能够自行润滑等一系列优点。3）在控制方式选择上，由于其功能只是在两个工作台之间搬移工件，运动简单，控制要求不高，因此，采用点位控制方式。4）此搬运机械手是在两个工作台之间搬运工件，其动作比较简单，故选用限位开关进行定位。5）此机械手应用于自动生产线上，因此，它应该能够按照控制程序自动运行,即具有自动运行模式。6）该搬运机械手也具有手动运行模式，通过手动操作，可以按照要求更改各限位开关的位置 ，从而改变搬运工作的起始位置和终止位置，使其具有一定的灵活性。2.2 搬运机械手结构及其动作的设计设计其结构如图32所示图21 机械手的结构示意图图中设置9个行程开关SQ1SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施控制。其中SQ1为工件是否到位的检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3、SQ4分别为机械手下限位、上限位行程开关；SQ5、SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关；SQ7、SQ8分别为小车速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关。本机械手用于生产线上较大型工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机机械手的动作过程如图21所示图21机械手的动作周期2.3 机械手的控制过程的设计如图21所示由A、B两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作，A缸通过一个电磁换向阀控制工件的夹紧、放松，B缸通过一个电磁阀控制机械手的升降；由小车实现机械手的移动。该小车由两台电动机驱动，一台是高速，一台是慢速。当小车前进时以慢快慢的形式进行，返回时按慢快慢的形式后退。当工件从传送带传输到机械手下方时，工件碰压行程开关SQ1，B缸活塞杆伸出，带动机械手下降，下降至终点碰压行程开关SQ3与机械手夹钳相连的A缸活塞杆收进，机械手将工件夹紧；当工件夹紧到位时，行程开关SQ5动作，B缸的活塞杆收进，把工件提升；当工件提升到最高位置时碰压行程开关SQ4，启动小车慢速右行；当小车碰压行程开关SQ7时转为快速行走；接近终点时小车碰压行程开关SQ8，转为慢速行走；行至右端行程开关SQ9，小车停止前进；停留5秒后，B缸活塞杆再次外伸，机械手下降至终点，A缸活塞杆外伸带动夹钳松开，将工件放下；然后机械手上升，小车以慢快慢的形式沿原路返回，恢复到图示所示的原点位置。2.4 机械手的控制要求的设计为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：单步、单周期、连续；手动操作包括手动和回原位的操作。手动操作：供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。例如，当选择手动操作时，按下上升/下降按钮，机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以此类推。回原位：当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次通电将操作方式选择置于回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原则返回到原点位置。单步运行：供试用，即每按一次启动按钮机械手向前执行一个动作后停止。单周期运行：供首次检验用，当机械手在原点时按下启动按钮，机械手自动执行一个周期后停止在原点位置连续运行：正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始的执行各工步动作。该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放置自动工作方式下。若自动工作状态解除，则硬件工作方式选择开关放置于“手从操作”位置。3 搬运机械手硬件系统设计本设计主电路由两台电动机，即慢速电机和快速电机，分别拖动小车慢行和快行，其控制如下：慢速电动机M1由接触器KM1、KM2分别控制其正传和反转；快速电动机M2由接触器KM3和KM4分别控制其正传和反转。机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械手松开，得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情况发生。所以硬件的设计主要包括电机的选型、液压缸的选择、电磁阀的选择以及PLC的选型。3.1 电机的选择本设计电机选用Y系列三相异步电动机。Y系列三相异步电动机是按JB/T10391标准制造的，具有高效率 、低噪声、振动小、堵转转矩高、运行可靠等优点，适用于驱动无特殊性能要求的各种机械。慢速电机的型号为Y160M2-8，快速电机的型号为Y132S-4。实物图见图31。 图31 电机实物图3.2 液压缸的选择1、A缸的选择A缸选用YJ01系列拉杆液压缸，实物图见图32。YJ01系列拉杆液压缸的详细信息类型：拉杆液压缸· 安装形式：前法兰式· 压力范围：0-21（MPa）· 适用范围：通用· 产品别名：拉杆油缸· 速度范围：0-2.5（m/s）· 最大冲程：4000（mm）· 缸径：32-250（mm）· 杆径：16-180（mm）· 速比：1：1.46图32 YJ01系列拉杆液压缸实物图2、B缸的选择B缸选用HSG工程液压缸系列，实物图见图33，结构图见图34。图33 HSGL01-250/dE液压缸实物图1耳环 2螺母 3防尘圈 4.17弹簧挡圈 5套 6.15卡键7.14O形密封圈 8.12Y形密封圈 9缸盖兼导向套 10缸筒11活塞 13耐磨环 16卡键帽 18活塞杆 19衬套 20缸底图34 HSGL01-250/d结构图3.3 电磁阀的选择有前面可知，A缸控制工件的夹紧、放松，所以需要一个单电两位四通电磁换向阀即可，B缸控制的是机械手的升降，需要一个双电两位四通电磁阀。二位四通电磁阀是零启动直动式电磁滑阀。在工作系统中，电磁铁接受电信号，使推动阀芯换向，改变介质流通方向，电信号消失后，阀芯靠弹簧自动复位，达到自动控制的目的，并带有手动装置。它结构简单、动作可靠、维修方便、密封性能好、耐污、耐振、寿命长等优点。本设计选用YC24D-15型二位四通电磁阀，实物图见图35，结构图见图36。图36 YC24D-15型二位四通电磁阀实物图图35 YC24D-15型二位四通电磁阀结构图3.4 PLC的选型由于三菱FXPLC系列具有小型集成型、更高的性价比高速化、高精度的控制（基本指令0.08s/步）、高性能的内置功能（高速计数器、高速输入/输出等）、扩大控制点数，最大支持256点I/O特殊单元的高性能化和高互换性扩展通信端口, 轻松地使用模拟量功能扩充存储器容量标准机种适合国际规格，所以本设计选择三菱FX系列。本设计输入操作方式选择旋钮开关5个，手动时运动选择按钮8个，启动停止按钮2个行程开关9个，输出交流接触器控制线圈4个，电磁阀3个，动作指示8个，原点指示1个。输入输出端子分配见表31。表 31 输入/输出端子分配元件输入设备输入点元件输出设备输出点SB1启动控制X400KM1慢电机（正转）Y430SB2停止控制X401KM2慢电机（反转）Y431SQ1工件到位检测开关X402KM3快电机（正转）Y432SQ2小车原位检测开关X403KM4快电机（反转）Y433SQ3下限位行程开关X404AY1加紧放松电磁阀控制线圈Y434SQ4上限位行程开关X405AY2上升电磁阀控制线圈Y435SQ5加紧检测开关X406AY3下降电磁阀控制线圈Y436SQ6放松检测开关X407HL1下降指示灯Y530SQ7小车速度转换开关X410HL2上升指示灯Y531SQ8小车速度转换开关X411HL3加紧指示灯Y532SQ9小车停止开关X412HL4放松指示灯Y533SA手动操作开关X510HL5慢进指示灯Y534SA1单步操作开关X511HL6慢退指示灯Y535SA2单周期操作开关X512HL7快进指示灯Y536SA3连续操作开关X513HL8快退指示灯Y537SA4回原位开关X514HL0原点指示灯Y540SB3上升控制X500SB4下降控制X501SB5放松控制X502SB6快进控制X503SB7慢进控制X504SB8快退控制X505SB9慢退控制X506SB10复位控制X507根据I/O点的分配要求及考虑10%到15%的I/O裕量，本设计PLC采用F160MR 36/24型，样图见图3-6所示：图36 F1-60MR 36/24样图控制电路设计主要是PLC输入、输出接线的设计，其I/O分配如图37所示。 图37 PLC外围接线图4 搬运机械手的软件系统设计机械手动控制属顺序控制，故其手动程序采用普通的PLC控制指令控制，自动程序采用步进梯形指令控制4.1 梯形图的总体设计按照机械手控制和工艺流程的要求，在选择“手动方式”时应执行手动程序；在选择“回原位”时应执行回原位程序；在选择自动程序时应执行自动程序。其中自动程序要在启动按钮按下时才执行。故系统控制总流程图如图41所示。图41 系统控制总流程图梯形图的总体构成如图42所示：图42 搬运机械手PLC控制梯形图总体构成4.2 各部分梯形图的设计1、通用部分梯形图设计通用部分梯形图分为三部分：1）状态器的初始化。初始化状态器S600在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关置于“返回原位”（X514接通）时，按下复位按钮（X507）时被置位，在“手动操作”（X510）接通时，S600复位。处于中间工步的状态器用手动做复位操作，即在方式选择开关位于“手动操作”或“返回原位”时，中间状态器同步复位。故初始化梯形图如图43所示，（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）。图43 状态器初始化梯形图2）状态器转换启动。若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后按下启动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步一步的向下传递，即可进行转换。在执行“连续程序” 时，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。另一面采用M100检查机器是否处于原位。当M575和M100都接通时，从初始状态器开始进行转换，故其梯形图如图44所示。图44 状态器转换启动梯形图3）状态器转换禁止梯形图。激活特殊辅助继电器M574并用步进梯形指令控制状态器转换时，状态器的转换就被自动禁止。在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并自保持，操作停止在现行工步。当按下停止按钮时，从现行工步重新开始工作，M574应复位，即重新允许新转换。在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。但没按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一次。在“手动”工作方式时禁止进行状态转换。在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位，。PLC在启动时，用初始化脉冲M71和M574自保持，以此禁止状态转换，直到按下启动按钮。故状态器转换禁止梯形图如图45所示。图45 状态器转换禁止梯形图通过对43和44的分析可得出：在执行“手动操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通，（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时没按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的转换可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的转换被禁止，操作停止在现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续程序”时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。2、手动操作梯形图 手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方式来设计梯形图。“手动操作时”按下放松按钮时，机械手卡抓松开，当松开放松按钮时，机械手卡爪在液压缸作用下自动加紧并保持；按下上升按钮，上升输出Y435保持接通；按下下降按钮，Y436保持接通；在上限位按下慢进按钮，慢进输出Y430接通，至行程开关SQ7闭合，小车停止；快进、快退、慢退情况同慢进。手动操作梯形图设置有互锁，只有在小车处于左限位（即X403闭合）或右限位（即X412闭合）时机械手的上升下降动作才能进行，只有当机械手处于下限位（即X404接通）机械手的加紧放松动作才可以手动控制；为了安全，同一个电动机的正反转线圈不能同时接通，设计中设计了自锁开关，防止线圈同时接通造成的短路。故手动操作时梯形图如图46所示。图46 手动操作梯形图3、返回原位梯形图 在“返回原位”状态下，“夹紧”与“下降”动作应被停止，上限位未动作时，应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位置。故返回原位梯形图如图47所示：图47 返回原位梯形图4、“自动”状态梯形图 图48表示了机械手自动工作时执行各工步的情况，表示了各工步的实现和转换的条件。在第一次下降工步中，下降电磁阀Y436接通。自下限位置时，X404接通，转换为“夹持”过程；夹持电磁阀Y434复位，至加紧限位X406接通，转换为上升动作；当上限为开关SQ4闭合，X405接通，小车开始慢进动作。快进、慢进、延时、下降、加紧、上升、慢退、快退、慢退动作依次类推，如上所述一步一步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。图48 搬运机械手自动工作流程图用状态器代替自动工作流程图的各工步，可得到49所示的功能表图：图49 搬运机械手自动工作功能表图根据图49所示的自动工作功能表图，可设计出自动操作时的梯形图如图410所示。图410 搬运机械手自动工作梯形图5、绘制搬运机械手PLC控制梯形图将从初始化开始的一系列梯形图，按照总体结构图（图36）的形式组合在一起，得到机械手PLC控制的梯形图（见附录1），电气总结线图见附录2。5 系统调试与监控5.1 易控软件介绍易控（INSPEC） 是一套通用的监控和数据采集（SCADA）软件，亦称人机界面（HMI/MMI）软件，俗称组态软件。易控以功能强大、性能稳定、图形精美、易学易用、开发高效、扩展容易等优点为自动化系统提供了理想的监控解决方案。1）易学易用 ：只需知道需要监控的工作，无需了解过多的软件和通信背景知识；也无