南京工业大学毕业设计(论文)任务书---张杰

毕业设计(论文)任务书

课题名称基于PLC的工业机械手运动控制系统

院（系）

专业机电一体化

姓名张杰

学号6094713170

起讫日期2015年2月20日-2015年6月10日

指导教师纪奎

2015年3月15日

一、毕业设计（论文）的内容和要求

基于PLC的工业机械手运动控制系统

本课题的研究内容

机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。机械手的积极作用正日益为人们所认识，具体表现为：首先，它能部分代替人工操作；其次，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸等任务；再次，随着技术的进步其还能操作特定的机具进行诸如焊接、装配等较复杂的任务。可见，机械手能极大地改善工人的劳动条件、显著地提高劳动生产率，从而实现工业生产机械化、自动化。鉴于此，机械手技术受到各个工业国家的高度重视，并且都投入了大量的人力、物力、财力加以研究与应用。尤其是在高温、高湿、高压、缺氧、无氧、高粉尘、高噪音以及带有放射性污染等人类无法手动操作的场合，应用得更为广泛。近几年，我国的机械手技术也得到了较快发展，并取得了一定的成果，受到各工业部门的重视。在我国，机械手在自动控制、柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化技术还有待提高，其发展趋势是工作强、任务多、高灵活性、高可靠性、可自动检测并下达动作命令、融入先进的人工智能使人只做平时的简单维护，这也是现代工厂的发展趋势。

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。本设计的主要的研究大致内容如下：

本工业机械手运动系统设计方案的提出。分析了设计中所涉及到的三大模块以及各自的功能，据此设计出可行的总体方案。

控制器型号的选定以及硬件结构设计。研究了三菱PLC的功能及其使用方法；硬件结构设计主要分析了相关部件的选型与机械结构。

驱动机构设计。伺服驱动系统研究了伺服电机及伺服信号放大器的功能，用

于控制机械手横轴与纵轴的移动，并分析计算了硬件设备的参数与规格、确定PLC接线方法等。

PLC控制系统的软件设计，。主要包括PLC的型号选取、PLC与驱动器间的连接以及输入输出接口分配、控制流程图及控制程序的设计与调试。

组态软件系统构建。主要研究了上位机组态软件与下位机的通信调试，组态王数据库的建立，变量与现场数据的映射、组态画面的构建、控制按钮的设计、命令语言的编写等。

研究目的

本文研究的工业机械手控制系统，要求在流水线传送带、半成品托盘之间进行动作，用以实现抓取工件在此之间的位置转换，从而实现工件的运送、收取作业。本机械手可以采用手动控制方式和自动控制方式进行，同时，具有在上位机组态界面监控功能，方便工作人员不在流水线也可以实时监测机械手的实际运行状况。

研究思路

本文设计的系统属于机电一体化系统的一种，其结合了伺服电机控制、机械技术、传感器技术、PLC智能控制技术、组态技术等多种技术。依照本系统的控制要求，本设计计划采用以下方式进行：

(1)分析系统的结构和相关的精度要求，确定系统硬件选型与具体参数。如基座高度、导轨长度滚珠类型、伺服驱动器与伺服电机型号规格。

(2)根据系统的控制要求，确定PLC的输入输出口数量，从而确定PLC的型号，再根据控制要求确定系统的控制流程。

（3）结合所需实现的控制流程与相关的硬件结构，编写PLC的控制程序。PLC控制程序是实现系统控制功能的核心，输入量经PLC程序运算处理后，通过输出端口的输出量来控制硬件设备，从而实现控制手部机构与运动机构的运转。

（4）监控显示系统构建。为实现上位机端的实时监控，需要在监控系统中进行数据的构建与实时监控画面的设计，根据PLC的输入量与输出量构建组态软件中的变量，从而顺利实现数据的实时交换。

（5）完成以上环节后还需要进行画面的调试与程序的修改，以达到所期待的效果。

二、毕业设计（论文）图纸内容及张数本设计共有图纸19张表格2张，详情如下：图2-1PLC硬件结构图

图2-2三菱FX2N系列PLC实物图

图3-1系统的组态控制界面

图3-2控制系统输入电路

表：3-1系统输入/输出地址分配

图3-3PLC与外设接线图

图3-4流程图

图3-5工业机械手梯形图（一）

图3-6工业机械手梯形图（二）

图3-7工业机械手梯形图（三）

图3-8语句表

图3-9组态环境与运行环境关系图

图3-10MCGS应用系统结构

表3-2本系统所需要定义的变量

图3-11实时数据库窗口

图3-12实时数据库窗口

图3-13数据对象属性设置窗口

图3-14动画组态属性设置

图3-15动画组态属性设置

图3-16动画组态属性设置

图3-17动画组态属性设置

三、实验内容及要求

本设计的主要的研究大致内容如下：

本工业机械手运动系统设计方案的提出。分析了设计中所涉及到的三大模块以及各自的功能，据此设计出可行的总体方案。

控制器型号的选定以及硬件结构设计。研究了三菱PLC的功能及其使用方法；硬件结构设计主要分析了相关部件的选型与机械结构。

驱动机构设计。伺服驱动系统研究了伺服电机及伺服信号放大器的功能，用于控制机械手横轴与纵轴的移动，并分析计算了硬件设备的参数与规格、确定PLC接线方法等。

PLC控制系统的软件设计，。主要包括PLC的型号选取、PLC与驱动器间的连接以及输入输出接口分配、控制流程图及控制程序的设计与调试。

组态软件系统构建。主要研究了上位机组态软件与下位机的通信调试，组态王数据库的建立，变量与现场数据的映射、组态画面的构建、控制按钮的设计、命令语言的编写等。

四、其他

结论

在本次课题设计中，机械手控制系统采用了PLC控制器作为智能控制器件，大大提高了该系统的自动化程度，大大减少了使用大量中间继电器、时间继电器带了的硬件接线任务多问题，同时也提高了控制系统的可靠性。通过本次设计，可以根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，实现机械手控制系统的不同工作需求，使得机械手控制系统具有了较好的灵活性和可操作性。

利用MCGS组态软件对本工业机械手控制系统进行监控，可以以更少的人员配置来加强对机械手的管理，同时也提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态检测界面，进而为维修和故障诊断提供了方便，充分提高系统的工作效率。MCGS 是一种比较新颖的软件，将MCGS应用于机械手的自动控制对我来说是一次新的体验。

本文中介绍的工业机械手控制系统对于书本知识的深入理解有很好的辅助作用。由于对组态软件MCGS掌握的还不是非常熟练，MCGS组态软件所拥有的一些功能没有能应用到监控系统中。另外，本文中的机械手模型控制系统比较简单，机械手控制技术是一项综合型的技术，机械手控制系统又是一个复杂的系统，本次设计的机械手控制系统与实际工业生产中使用的真正的机械手控制系统之间还有很大的差距，后续会在自己的工作生涯中努力学习，争取早日参透机械手的真谛。