机械手PLC控制系统设计
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毕业设计题目：机械手PLC控制系统设计
精选
摘要
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，甚至于危及生命。自从机械手问
世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，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。PLC机械手设计主要是依靠限位开关和电磁阀的控制及推动来实现的。机械手的所有动作均采用电控制、气压驱动。它的上升/下降、左移/右移和左
旋转/右旋转均采用双线圈双位电磁阀推动气压缸完成。机械手的动作转换依靠限位开关来控制并且按照一定的顺序动作。在机械手运动的过程中会安装检测
灯来检测其运动的启停。本设计所用机械部件有模拟机械手爪，电气方面有可
编程控制器（PLC）、开关电源、电磁阀、等部件。按钮发出两路脉冲到机械
手驱动，控制它的前后移动由气动阀Y4控制，左右移动由气动阀Y5控制，左右旋转由气动阀Y6控制，夹紧和放松由气动阀Y7控制，另外还有启动和停止两个按钮。机械手自动完成全部动作。
【关键词】: 电磁阀
限位开关
继电器
机械手
Abstract
in the industrial production and other fields, because the job needs,people are often under the threat of high temperature, corrosive and toxic gases and other factors, the increase in labor intensity, and even life-threatening.Since the advent of mechanical hand, be smoothly done or easily solved the corresponding problems. In space manipulator can be caught, put and carry
objects, flexible, applicable to small batch production, production varieties can be switched, widely used in flexible automatic line. PLC design manipulator mainly rely on the limit switch and the solenoid valve control and promote them. The robot moves are all used electrical control, pneumatic drive. It's up / down, left / right shift and rotate left / right rotation using a double double coil solenoid valveto promote the completion of the cylinder pressure. The mechanical hand movements depend on the conversion limit switches to control the order and in accordance with a certain action. In the robot's movement in the process ofdetection lights will be installed to detect movement of its start and stop. The design of the mechanical components are used in simulation of mechanical hand, there are electric programmable logic controller (PLC), switching power supply, electromagnetic valve, etc.. A two button drive impulse to the robot, its control before and after moving from Y4 pneumatic valve control, move aroundby the Y5 pneumatic valve control, left and right rotation by the Y6 pneumatic valve control, clamping and relax by the Y7 pneumatic valve control, in addition to start and stop the two button. Automatic completion of all the action of manipulator.
[keyword]: solenoid valve, limit switch relay manipulator
第1章绪论
1.1 PLC的发展及其应用
PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它
采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数核和算术运算等操作的指令，并能通过数字或模拟式的输入和输出，
控制各种类型的机械生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业
控制形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
相对一般意义上的计算机，可编程控制器并不仅仅具有计算机的内核，它
还配置了许多使其适用于工业控制的器件。它实质上是经过一次开发的工业控
制用计算机。它在很大程度上使得工业自动化设计从专业设计院走进了工厂和
矿山，变成了普通工程技术人员力所能及的工作。再加上它体积小、可靠性高、抗干扰能力强等优点，PLC已在工业控制中获得了广泛的应用。
比较以前的继电接触器或普通计算机，PLC具有它的很多优点，如：可靠
性高，抗干扰能力强，体积小，重量轻，能耗低，功能完善，易学易用，系统
设计、施工、调试周期短等。目前PLC已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
PLC诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，如日本、德国、法国
等国家相继研制成各自的PLC。PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅
速发展，由最初的1位机迅速发展为8位机。随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。现在的PLC产品已使用了
16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术PLC的应用得到进一步发展。
权威人士预计，21世纪，可编程控制器会有更大的发展，从技术上来看，
计算机技术的新成果会更多的应用于可编程控制器的设计及制造上，会有运算
速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现。从产品规模上看，会进一步
向超小型及超大型方向发展。从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规
格更齐备。完美的人机界面、完备通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的
需求。从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而
打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言。这是有利于可编程技术的发展及可编程产品普及的。
1.2 机械手的发展史
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机
械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。
1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再
现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标
通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立
万能自动公司,专门生产工业机械手。
1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手
的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两
种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主
要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。
联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。
前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。
目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的
方向主要是降低成本和提高精度。
第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、
触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，
是机械手具有感觉机能。
第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。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制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的
重要一环。
1.3 机械手前景展望
机械手目前多数应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按事先制订的程序完成操作，但普通不具备传感反馈能力，不能应付
外界的变化。如发生某些偏离时，将引起零件甚至机械手本身的损坏。
为此，机械手发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，设它拥有一定
的传感能力，能反馈外界条件的变化作相应的变更，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，将机械手和柔性制造系统和柔性
制造单元相结合，从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态。
1.4 机械手的分类及组成
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。
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组成。
<1>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。
<2>驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。
<3>控制系统：有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给
与机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其
控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当
动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
<4>位置检测装置：控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构
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，从而使执行机构以一定的进度达到设定位置。
1.5 课题的选题背景和意义
伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越
重要，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。因此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。其中的
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极
作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进
行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实
现工业生产机械化和自动化的步伐。当今社会，科学技术飞速发展，人类活
动给世界带来了巨大的改变。在科技进步的同时，以各种控制器控制的不同类
型的机械手以其突出的性能越来越多的被人们所应用。机械手在不同的作业场合，尤其是在特殊的环境背景下，为人类活动的顺利快速进行带来了极大的方
便和益处，尤为明显的是在工业及军事领域内。工业中大量的生产活动，存在
着很多不便于人类操纵的环节，特别是在工作环境较危险的情况下，如果使用
具有远程控制功能的机械手，则可以增加系统的安全性，大大的节约损耗，提
高效率。可见，在自动化、工业化进程中，在特殊背景环境中使用机械手已成
为一种必然的趋势。
现代工业控制中采用PLC控制生产线后，控制系统有以下突出特点，抗干扰
性能大为提高，控制精度准确，提高了产品质量；根据工艺要求灵活改变生产
流程，扩充系统方便；用一套系统可实现多种控制操作，电路接线简单，调试
方便。因此，是产品质量大为提高；减少了残次品，提高了生产效率；节省原
材料；降低了工人的劳动强度；维护设备简单，方便了生产，提高了效率。
第2章机械手PLC控制系统设计
2.1工艺流程分析
如图1所示是一台工件传送的机械手的工作示意图，其作用是将工件从Ａ
点传递到Ｂ点。如图2所示，是一台工件传送的机械手运动示意图，其作用是：机械手的升降和左右移行作分别由两个具有双线圈的两位电磁阀驱动液压缸来
完成，其中上升与下降对应电磁阀的线圈分别为YV3与YV1，左行、右行对应电磁阀的线圈分别为YV5与YV4。一旦电磁阀线圈通电，就一直保持现有的动作，直到相对的另一线圈通电为止。机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线
圈的两位电磁阀驱动的液压缸完成，线圈(YV2)通电夹住工件，线圈(YV2)断电，松开工件。机械手的工作臂都设有下、上限位和右、左限位的位置开关SQ1、SQ2和SQ3、SQ4，夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其夹
持动作的完成。机械手在最上面、最左边的状态为机械手的原位。
图 1 简易机械手工作示意图
图 2 机械手运动示意图
2.2 控制流程图：如图3所示
图 3 机械手控制流程图
第3章机械手的硬件设计
3.1 PLC的选择
3.1.1 PLC机型选择
(一) 机型的选择
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
(二)输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑
信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性
低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、
交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智
能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机
架或远程I/O机架等。
(三)电源的选择
PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设
计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压
一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入
和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。(四)存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应
用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K
存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。（五）冗余功能的选择
1．控制单元的冗余
(1)重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。
(2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、二重化
或三重化冗余容错系统等。
2.I/O接口单元的冗余
(1)控制回路的多点I/O卡应冗余配置。
(2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。
(3)根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。
(六)经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
3.1.2 PLC容量的选择
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
3.2 输入输出点分配表及原理接线图
PLC 的输入输出控制接线的设计师整个设计中重要环节之一，它和梯形图的设计密切相关，如果忽略，将可能造成使用大量不必要的输入输出数。
(1) I/O分配。将18个输入信号、5个输出信号按各自的功能类型分好，并与PLC的I/O端一一对应，编排好地址。列出外部I/O信号与PLC的I/O端地址编号对照表，如表1所示。
表 1 机械手控制系统输入和输出点分配表
（
I）SQ3X003右限行程（I）SB15X011单步右移SQ4X004左限行程SB8X007放松
SB2X027停止SB9X012夹紧
SB3X020手动操作
输出
（O）YV1Y000电池阀下降
SB4X021回原点YV2Y002电池阀上升
SB5X022单步运行YV3Y003电池阀右移
SB6X023单周期YV4Y004电池阀左行
SB7X024自动YV5Y001电池阀夹紧
SB8X025原点
（2）I/O接线图与电气图。电源进线和控制变压器接线图如图4所示。
图 4 电源进线、控制变压器接线图
（3）机械手控制的I/O的接线图如图5所示。
图 5 机械手控制I/O接线图
3.3 操作面板的设计
根据控制要求，其工作方式共有五种，由于五种方式不是同时运行，为了操作明确，要设置切换装置。从人和设备的安全角度上考虑，设备发生紧急异常状态。启动和急停按钮与PLC运行程序无关。这两个按钮用来接通和断开PLC外部负载的电源。根据控制要求和安全需要，设计控制面板。机械手的操作面板如图6所示，选择开关分五档与五种方式对应，上升、下降、左移、放松、夹紧几个步序一目了然。机械手具有手动、自动和回原位五种工作方式，用开关SA进行选择。手动工作方式时，用各操作按钮（SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB11）来点动执行相应的各动作；自动工作方式
时，动作将自动执行；返回原位工作方式时，按下“回原位”按钮SB11，机械手自动回到原位状态。
图 6 机械手的操作面板图
第4章机械手的软件设计
4.1 软件的组成及作用
PLC的软件由系统程序和用户程序组成。
系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。
PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算
机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。
PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳两种类型：一是采用字符
表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式编程语言，如
梯形图等。以下简要介绍几种常见的PLC编程语言。
1.梯形图语言
梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符
号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似，继承了传统电器控制逻辑
中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的
特点。因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC
的编程语言，是PLC的第一编程语言。
如图7所示是传统的电器控制线路图和PLC
梯行图
a) PLC梯形图
b) 电器控制线路图
(a) (b)
图7 电器控制线路图与梯形图
从图中可看出，两种图基本表示思想是一致的，具体表达方式有一定区别。PLC的梯形图使用的是内部继电器，定时／计数器等，都是由软件来实现的，使用方便，修改灵活，是原电器控制线路硬接线无法比拟的
2.语句表语言
这种编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编程表达方式。在PLC应用中，经常采用简易编程器，而这种编程器中没有CRT屏幕显示，或没有较大的液晶屏幕显示。因此，就用一系列PLC操作命令组成的语句表将梯形图描述出
来，再通过简易编程器输入到PLC中。虽然各个PLC生产厂家的语句表形式不尽相同，但基本功能相差无几。以下是与图5中梯形图对应的（FX系列PLC）语句表程序。
步序号指令数据
0 LD X1
1 OR Y0
2 ANI X2
3 OUT Y0
4 LD X3
5 OUT Y1
可以看出，语句是语句表程序的基本单元，每个语句和微机一样也由地址（步序号）、操作码（指令）和操作数（数据）三部分组成。
3.逻辑图语言
逻辑图是一种类似于数字逻辑电路结构的编程语言，由与门、或门、非门、定时器、计数器、触发器等逻辑符号组成。
4.功能表图语言
功能表图语言（SFC语言）是一种较新的编程方法，又称状态转移图语言。它将一个完整的控制过程分为若干阶段，各阶段具有不同的动作，阶段间有一
定的转换条件，转换条件满足就实现阶段转移，上一阶段动作结束，下一阶段
动作开始。是用功能表图的方式来表达一个控制过程，对于顺序控制系统特别
适用。5.高级语言
随着PLC技术的发展，为了增强PLC的运算、数据处理及通信等功能，以上编程语言无法很好地满足要求。近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，都可
用高级语言，如BASIC语言、C语言、PASCAL语言等进行编程。采用高级语
言后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作PLC，使PLC的各种功能得到更好的发挥。
4.2 系统初始化
初始化对于每一套程序都是必须有的，每一次PLC上电或对PLC强制复位都要初始化，主要是在程序中使用到的PLC各种计数器、定时器、寄存器等进行