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基于 PLC 的柔性制造系统的搬运机构的控制系统设计

摘要

在基于 PLC 的柔性制造系统为核心的基础上，重点进行了搬运机构的控制设

计，详细叙述了该搬运单元由步进电机进行综合控制的软、硬件的实现方法。该

设计利用步进电机单位脉冲所具有的步进距离不变的特点，对其采用开环点位控

制。因此可将整个运动视为拆线运动，每一个动作可视为运动程序相同、特征参

数各异的点位相对运动。其以起点作为参考点，通过脉冲得到目的点的位置，手

动点击按钮，实现机械手从参考点运动到目的点。

关键词:柔性制造系统；PLC；机械手

第一章绪论 ............................................. 1

1.1 基于 PLC 的柔性制造系统搬运机构的概述 ..........................1

1.2 机械手控制系统的背景和意义 ....................................2

1.2.1 可编程序控制器背景.........................................2

1.2.2 可编程序控制器的应用意义...................................2

1.2.3 可编程序控制器的特点.......................................3

1.3 本课题研究的内容 ..............................................3

第二章硬件设计 ......................................... 5

2.1 机械手的机械结构设计 ..........................................5

2.2 传动系统的设计 ................................................7

2.3 其他辅助系统的设计 ...........................................10

第三章软件设计 ......................................... 12

3.1 总体流程图的设计 .............................................12

3.2 三菱 PLC 的选择 ...............................................12

3.2.1 三菱 PLC 控制系统设计的基本原则............................12

3.2.2 三菱 PLC 控制系统设计步骤..................................12

3.2.3 三菱 PLC 品牌选择..........................................13

3.2.4 三菱 PLC 系列选择..........................................14

3.2.5 三菱输出方式选择..........................................16

3.3 三菱 PLC 的 I/O 口分配 .........................................17

3.3.1I/O 点数...................................................17

3.3.2I/O 口分配原则.............................................17

3.3.3I/O 口分配论证.............................................18

3.4 三菱 PLC 程序的设计 ...........................................19

结束语 .................................................. 31

致谢 .................................................. 32

参考文献 ................................................ 33

第一章绪论

1.1 基于 PLC 的柔性制造系统搬运机构的概述

PLC 柔性制造系统是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机

信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。柔性制造系统由加工、

物流、信息流三个子系统组成。

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。在柔性制造系统

中起到了物流的作用，是其中一个重要的环节。

机械手的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼

有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。其作业的准确性和各种

环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

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 2～3 个自由度。

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。

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。

1.2 机械手控制系统的背景和意义

机械手按驱动控制方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；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。其中以可编程序控制

器控制的电动式点位控制机械手应用最为广泛。

1.2.1 可编程序控制器背景

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。

1.2.2 可编程序控制器的应用意义

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。

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