基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計論文

文華學(xué)院

畢業(yè)設(shè)計(論文)

基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計

目 錄

摘 要 .......................................................... 3

關(guān)鍵詞3

Abstract4

1. 可編程控制器PLC6

1.1 PLC簡介6

1.2 PLC部結(jié)構(gòu)6

1.2.1 中央處理器CPU7

1.2.2 存儲器7

1.2.3 輸入輸出單元7

1.2.4 電源部分9

1.3 PLC的選型9

2. 機(jī)械手概況11

2.1 機(jī)械手的起源與發(fā)展11

2.2 機(jī)械手的工作原理11

3. 機(jī)械手控制系統(tǒng)12

3.1 基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究意義12

3.2 基于PLC機(jī)械手設(shè)計的優(yōu)點12

3.3 機(jī)械手實現(xiàn)的功能 ....................................... 13

4. 基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 ............................... 14

4.1 IO點分配14

4.1.1 電器元件的選擇14

1 / 29

4.1.2 IO分配14

4．2 .硬件接線圖 ........................................... 15

4.2.1 電氣主接線15

4.2.2 PLC輸入接線16

4.2.3 PLC輸出接線17

4．3 控制流程圖18

4．4 程序梯形圖18

4．5 人機(jī)界面設(shè)計23

26 結(jié)束語

27 參考文獻(xiàn)

27 致

2 / 29

基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要

隨著社會的進(jìn)步，工業(yè)自動化發(fā)展尤為矚目，各種機(jī)械自動化設(shè)備的產(chǎn)生，逐步取

代了傳統(tǒng)手工制作。自動化流水線的產(chǎn)生，不僅大大提高了工作效率，也讓許多人工操

作存在安全隱患的流程被機(jī)械設(shè)備替代，讓現(xiàn)代工業(yè)變得更具人性化。

機(jī)械手在當(dāng)代自動化流行中起著重要的作用，一方面其能夠在高溫、腐蝕性、有毒

等惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，另一方面其在完成抓取、轉(zhuǎn)移、旋轉(zhuǎn)、釋放等動作時候精確度

也較高。機(jī)械手的動作是由精確的控制系統(tǒng)來控制完成的，從早期的繼電器控制系統(tǒng)發(fā)

展到如今的PLC控制系統(tǒng)，機(jī)械手技術(shù)的更新就是控制系統(tǒng)的發(fā)展和完善。

本次課題是選用三菱公司的FX系列PLC，完成對電動工具電機(jī)的抓取轉(zhuǎn)移以與零件

的壓裝動作。電氣設(shè)備有PLC、觸摸屏、傳感器、直流電源等。通過可編程控制器的程

序設(shè)計，完成相應(yīng)的動作，實現(xiàn)控制功能。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；控制；設(shè)計

The design of control system of manipulator bad on

PLC

Abstract

Along with social progress, industrial automation development

is particularly attention, produce a variety of machinery automation

equipment, and gradually replaced the traditional hand-made.

Automated asmbly line production, not only greatly improve the work

efficiency, but also to many unsafe manual process are replaced

by machinery and equipment, so that modern industry to become more

humane.

Robotic automation plays in contemporary popular an important

role, on the one hand it can continue to operate at high temperatures,

corrosive, toxic and other harsh environments, on the other hand its

complete capture, transfer, rotation, and other movements relea

time accuracy also higher. A robot is controlled by a preci system

control is completed, from the early development of the relay control

system to today's PLC control system, the development of robot

technology update is the control system and perfect.

The issue is the choice of Mitsubishi FX ries PLC, the

completion of the press-fit electric power tools and part of the

transfer operation crawl. Electrical equipment PLC, touch screen,

nsors, DC power supplies. By PLC programming, complete the

4 / 29

appropriate actions to achieve the control function.

Key Words：manipulator;PLC;control;design

5 / 29

1 可編程控制器PLC

1.1 PLC簡介

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）由上世紀(jì)60年代提

出，首先是為了取代繼電器控制裝置。經(jīng)過了半個世紀(jì)的發(fā)展，PLC的應(yīng)用圍也變得更

加的廣泛。隨著數(shù)字時代的到來，信息技術(shù)的飛速發(fā)展從而帶動了各個行業(yè)的自動化進(jìn)

程。PLC其強(qiáng)大的開關(guān)量控制以與邏輯控制，使得自身在現(xiàn)代化行業(yè)中的作用變得尤為

突出。

PLC是汽車行業(yè)發(fā)展所催生出來的。早期的汽車行業(yè)自動化進(jìn)程中，控制主要來自

繼電器控制。繼電器控制一方面控制電路復(fù)雜，一旦產(chǎn)生故障，檢修十分困難；另一方

面繼電器控制效率較為低下，汽車行業(yè)作為自動化應(yīng)用最為突出的表行業(yè)，繼電器控制

系統(tǒng)逐漸滿足不了更為復(fù)雜的邏輯控制要求。順應(yīng)了社會的發(fā)展，PLC的出現(xiàn)逐步迎來

了一個蓬勃的發(fā)展時期。

PLC擁有著強(qiáng)大的邏輯運算、定時、計數(shù)和計算等功能，其輸入和輸出都是采用數(shù)

字量的方式，從而控制電氣設(shè)備進(jìn)行動作。人們首先將邏輯控制程序?qū)懭氲?/span>PLC中，PLC

以連續(xù)掃描的方式，給相應(yīng)的輸出端一定的電信號，電信號控制了外部電路的通斷，從

而逐步完成所預(yù)想的動作指令。PLC在逐步掃描的過程中，計數(shù)器會記錄相應(yīng)的步數(shù)，

PLC完成一次掃描動作所需要的時間就是其掃描周期。

世界首臺PLC于1969年產(chǎn)生于美國，現(xiàn)在美國和歐盟以生產(chǎn)大型PLC為主，日本、

德國等生產(chǎn)中小型PLC為主，我國在經(jīng)歷了漫長的摸索，也有一些自己的品牌出現(xiàn)，但

是其核心技術(shù)仍以掌握在PLC生產(chǎn)大國手中，我國的PLC自主之路仍充滿著挑戰(zhàn)。

隨著工業(yè)自動化，PLC控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于各行各業(yè)，其運算速度快、體積小等特

點愈發(fā)起到了不可替代的作用。在早期PLC功能的基礎(chǔ)上，一些新的功能如網(wǎng)絡(luò)通訊功

能得以添加，使PLC的功能更加完善。我國工業(yè)化相較于西方國家起步較晚，但是自改

革開放以來，工業(yè)化進(jìn)程步伐十分迅速，工業(yè)自動化發(fā)展在短短幾十年走完其他國家百

年走過的路程，基于PLC的控制系統(tǒng)成為了自動化領(lǐng)域的主流。

PLC可靠性高，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，同時在半世紀(jì)的發(fā)展和總結(jié)中，已經(jīng)形成了完善的

功能，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。PLC的編程語言相較于其他編程語言更加簡單，從而使得系

統(tǒng)設(shè)計周期較短，維護(hù)也更加方便。PLC眾多的功能模塊，極大的豐富了PLC的控制領(lǐng)

域，能夠滿足在不同情況下的控制要求。

1.2 PLC部結(jié)構(gòu)

PLC的的部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，組要由CPU、存儲器、輸入輸出接口、電源等組成。

6 / 29

圖1-1 PLC部結(jié)構(gòu)

1.2.1 中央處理器CPU

中央處理器是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的最重要部件，其作用就相當(dāng)于人體的大腦，在PLC系統(tǒng)

中處于中樞地位。

[1]

CPU能夠接收輸入單元的信號，并對信號進(jìn)行識別和處理，同時通過給輸出單元施

加電信號，從而實現(xiàn)輸入輸出的協(xié)調(diào)配合。CPU能夠?qū)ψ陨硇畔⑦M(jìn)行檢測，識別錯誤信

息并警告提醒，黨PLC在運行的時候，能夠控制系統(tǒng)進(jìn)行掃描，完成相應(yīng)的計算和邏輯

運算，以循環(huán)掃描的方式控制輸出。

CPU是逐步讀取編寫的程序，每一步都進(jìn)行掃描，當(dāng)前一步執(zhí)行完成，則通過存儲

區(qū)的相應(yīng)信息，控制輸出端信號的產(chǎn)生。在每一個固定的掃毛周期，CPU都重復(fù)進(jìn)行著

一樣的動作。

1.2.2存儲器

PLC的存儲器和電腦的存儲器功能一樣，都是用來存放相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。PLC存儲器中存

儲程序、邏輯變量等。

PLC存儲器分為系統(tǒng)程序存儲區(qū)、系統(tǒng)RAM存儲區(qū)和用戶程序存儲區(qū)。系統(tǒng)程序和用

戶程序在在存儲器中有獨立的位置劃分。

1.2.3 輸入輸出單元

輸入和輸出單元是連接外部短路的直接位置，其通過接收信號和發(fā)出信號從而控制外部

電路。與三極管的導(dǎo)通方式類似，PLC的輸入輸出有源形和漏形之分。

[2]

輸入單元是PLC接收外部信號的通道，不同的PLC有不同的輸入方式，源形和漏形

輸入如圖2-2所示。

7 / 29

圖2-2 PLC漏形輸入和源形輸入接線

漏形輸入時，PLC公共端接24V，電流由外部流入輸入端子；源形輸入時，PLC公共

端接0V，電流由端子流出。

輸出單元是給外部電路信號的端口，通常有繼電器輸出和晶體管輸出輸出方式，晶

閘管輸出方式一般不是很常用。繼電器輸出相較于晶體管輸出，其輸出端的承受電流更

大，但是其開關(guān)量的開關(guān)頻率沒有晶體管輸出方式的高，因此在一些開關(guān)頻率較高、控

制流程較快的場合，晶體管輸出方式更加實用。但一般的情況下，繼電器輸出由于負(fù)載

能力更強(qiáng)，所以實用的圍更廣。

輸出單元也有源形輸出和漏形輸出的區(qū)別，圖2-3就是兩種不同的輸出方式。

8 / 29

圖2-3 PLC漏形輸出和源形輸出接線

漏形輸出時候，電流由外部流入端子，公共端接24V;源形輸出時候，電流流出端子，

公共端接0V。但是當(dāng)輸出為晶閘管輸出時候，交流電源的正負(fù)對于輸出端沒有什么影響，

則可以自由選擇。

1.2.4電源部分

PLC運行需要給其供電，其開關(guān)量的閉合、斷開控制是由直流電源的高低電平來實

現(xiàn)的，所以PLC運行時候需要給其供應(yīng)直流穩(wěn)壓電源。

PLC有直流供電和交流供電的，但是最終都是將其轉(zhuǎn)化為直流的方式。PLC有自己

的部電源，其穩(wěn)定性很好但是輸出功率較小，直流電源一般采用直流24V電壓，保證PLC

的正常運行。

1.3 PLC的選型

PLC型號眾多，在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計和應(yīng)用的時候，如何準(zhǔn)確的選擇尤為重要。在PLC

的選型時候，可從以下幾個方面進(jìn)行。

第一，確定輸入輸出點的個數(shù)。以三菱FX系列PLC為例，輸入輸出點有10點、14

點、20點、30點、32點、64點等等，在進(jìn)行PLC選型時候，首先就是要確定控制系統(tǒng)

中輸入點和輸出點的個數(shù)，然后來以確定基本的選型方向。同時在選擇的同時，應(yīng)注意

輸入輸出都要預(yù)留總數(shù)10%左右數(shù)量的觸點作為預(yù)備點。

第二，選取合適的電源類型。PLC有AC和DC兩種型號。DC電源一般為24V，AC有

100-230V。在進(jìn)行PLC選型時候，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的電源實際情況，選取合適的電源類型

的PLC，使其適合設(shè)計的要求。

第三，明白輸出信號類型。PLC的輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出。

繼電器輸出的方式其輸出頻率較大，在實際的應(yīng)用中很常見，一般的常見系統(tǒng)中，這種

說出方式能夠適應(yīng)輸出信號的給定；晶閘管輸出的方式相較與繼電器輸出，其使用于要

求信號變化頻率很快的信號輸出，但是其輸出功率較小，承載電流較小。

[3]

9 / 29

總之，PLC的選型應(yīng)該根據(jù)實際的情況，綜合分析比對，選擇最合適的PLC型號，

這樣才能在控制系統(tǒng)的設(shè)計中少不必要的麻煩。

2 機(jī)械手概況

2.1 機(jī)械手的起源與發(fā)展

機(jī)械手顧名思義就是使機(jī)械設(shè)備擁有手一樣的作用，靈活的完成各項動作，對不同

位置、不同環(huán)境下的物體有目的的進(jìn)行操作。

機(jī)械手是工業(yè)中最早出現(xiàn)的自動化設(shè)備之一，因為在復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境中，人工操作

已經(jīng)無法直接進(jìn)行，最早的機(jī)械手設(shè)備可追溯到上世紀(jì)四十年代，在工業(yè)革命過程中，

已經(jīng)有模仿手關(guān)節(jié)動作的機(jī)械產(chǎn)生，但是早期的機(jī)械手自動化程度很低，部分動作需要

靠人力來完成。隨著工業(yè)發(fā)展，機(jī)械手的形態(tài)和功能也發(fā)生了巨大的變化，特別是上世

紀(jì)八九十年代，機(jī)械手迎來了一個蓬勃發(fā)展時期。

早期的機(jī)械手主要完成抓取，移動等動作，但是由于工業(yè)過程變得更加復(fù)雜，所以

這些基本的動作已經(jīng)無法滿足人們的需求，于是機(jī)械手的功能得到了很大的擴(kuò)展，如打

磨機(jī)械手、切割機(jī)械手、繞線機(jī)械手等特殊功能的機(jī)械手逐漸產(chǎn)生。

[4]

21世紀(jì)是信息化世紀(jì)，自動化成為了工業(yè)的主流，信息技術(shù)的發(fā)展使得機(jī)械手的工

作容變得更加復(fù)雜。如精密機(jī)械加工的過程中，機(jī)械手由早期扮演的“搬運者”角色，

逐步變?yōu)椤凹庸ふ摺苯巧捎谛畔鬏敻泳_，機(jī)械手完成的加工動作也變得更加

精準(zhǔn)。

近年來，新興的機(jī)器視覺技術(shù)又讓自動化領(lǐng)域迎來了一個新的發(fā)展變更，由傳統(tǒng)的

傳感器識別到如今的機(jī)器視覺識別，賦予了機(jī)械手更大的操作識別空間，以ABB公司生

產(chǎn)的機(jī)械手作為代表，世界圍的機(jī)械手行業(yè)競爭也演變?yōu)閿?shù)字控制行業(yè)的競爭。

2.2機(jī)械手的工作原理

機(jī)械手的工作其實就使機(jī)械按照人們預(yù)設(shè)的步驟進(jìn)行運動，一般的機(jī)械手以氣缸動

作作為機(jī)械手各步動作的基礎(chǔ)，特殊功能的機(jī)械手也有用電缸、油缸、電機(jī)、伺服作為

其動作的動力。無論機(jī)械手動作的動力來自于哪一種，其都是通過外部設(shè)備力量的施加，

推動機(jī)械部分定向的移動，從而完成基本動作。

當(dāng)然機(jī)械手擁有動力只能使其運動，要使得有規(guī)律的動作就需要傳感設(shè)備對動作和

位置進(jìn)行識別。如機(jī)械手完成下降動作時候，其下降的推進(jìn)氣缸只能給機(jī)械手向下的推

力，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的位置時候，氣缸的電磁傳感器就會得到信號，傳感器的電信號會輸入

到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過識別、傳導(dǎo)、變換，就會輸出一個電信號給氣缸電磁閥，電

磁閥得到電信號就會關(guān)斷氣流，氣缸得不到氣流就會停止動作，于是機(jī)械手的下降動作

就完成了。

[5]

3機(jī)械手控制系統(tǒng)

3.1 基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究意義

機(jī)械設(shè)備自動化過程都是由機(jī)械部分和控制部分共同構(gòu)成的，而本次的課題是基于

PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)，就是通過PLC程序的控制，來實現(xiàn)機(jī)械手預(yù)期希望達(dá)到的效果

[6]

。

PLC作為當(dāng)今自動化領(lǐng)域的寵兒，其價格較低，功能強(qiáng)大，眾多的模塊能夠滿足不

同情況下的控制要求。而基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究，首先能夠加強(qiáng)機(jī)械自動化

的意識。作為信息時代，工業(yè)高度自動化必將成為社會發(fā)展的趨勢，而機(jī)械手作為自動

化設(shè)備的代表，加強(qiáng)其研究，能夠極大的豐富對行業(yè)的認(rèn)知，設(shè)計和賦予機(jī)械手新的強(qiáng)

大功能，極大的降低人們的勞動量，不僅能夠增加效率，同時也能對勞動者有較大的保

護(hù)。

其次，基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究，能夠?qū)?/span>PLC這主流的控制系統(tǒng)有更加深

刻的認(rèn)知。PLC控制系統(tǒng)較傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大，成本也更加低廉，同

時實現(xiàn)的功能也更加復(fù)雜。進(jìn)行機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究，能夠在接受他人設(shè)計思想的同

時，舉一反三的應(yīng)用，使設(shè)計的容更加豐富。

自動化就就是機(jī)械和控制系統(tǒng)的有效配合，而控制系統(tǒng)就是整個系統(tǒng)的指揮者。在

進(jìn)行控制系統(tǒng)研究的過程中，能夠在試驗中總結(jié)經(jīng)驗，使系統(tǒng)得到進(jìn)一步完善。

3.2 基于PLC機(jī)械手設(shè)計的優(yōu)點

機(jī)械手出現(xiàn)較早，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，隨著信息技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，PLC成為

了當(dāng)代自動控制系統(tǒng)的主流。基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計，有許多自身具備的有點。

1、成本更低

PLC是高度集成的控制器。一般的應(yīng)用較多的中小型PLC，IO口一般在20-512

點之間，眾多的接觸觸電能夠?qū)崿F(xiàn)輸入信號的接收和輸出信號的給定，傳統(tǒng)的信號反饋

通過開關(guān)控制，不僅系統(tǒng)復(fù)雜，而且電器元件眾多，所占空間很大，系統(tǒng)成本很高。

基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)，能夠通過PLC進(jìn)行開關(guān)量的控制，與傳統(tǒng)的開關(guān)控制

相比，不需要實際的開關(guān)器件作為載體，但能夠?qū)崿F(xiàn)一樣甚至更將強(qiáng)大的功能，極大的

節(jié)約了控制系統(tǒng)的投入。

[7]

2、操作性較強(qiáng)

基于PLC的控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)一樣的控制動作的過程中，從硬件的選擇和軟件程序

的編寫，都有很強(qiáng)的變化因素。PLC編程語言較為簡單，學(xué)習(xí)容易，系統(tǒng)設(shè)計周期也相

應(yīng)的變短。

機(jī)械手作為機(jī)械設(shè)備，如果希望其擁有人一樣的動作，就需要設(shè)計者在其執(zhí)行動作

之前，大腦中已經(jīng)有一個完整的動作流程。機(jī)械手如何正確的完成動作，需要方方面的

考慮，從基本的電氣元件選擇，到電氣元件的安裝位置，再到最終的設(shè)備調(diào)試，都需要

實際的進(jìn)行。基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計，能夠多角度的進(jìn)行控制系統(tǒng)的研究，有

12 / 29

極強(qiáng)的操作性。

3、順應(yīng)社會的需求

工業(yè)的發(fā)展,通訊技術(shù)的進(jìn)步，使得自動控制系統(tǒng)的變化更加明顯。PLC是信息技術(shù)

與控制技術(shù)的結(jié)合，通過編程軟件進(jìn)行編程，實現(xiàn)對電路的控制，從而將信號給到制定

的機(jī)械系統(tǒng)，從而使機(jī)械設(shè)備自主的完成相應(yīng)的動作。

信息技術(shù)的發(fā)展需要控制系統(tǒng)更加智能化，而基于PLC的控制系統(tǒng)，就能夠滿足智

能化的特點。系統(tǒng)設(shè)計后進(jìn)行調(diào)試，不再僅僅只是硬件設(shè)施的調(diào)試，軟件控制程序成為

了重點，通過數(shù)據(jù)通訊，可以實現(xiàn)原有的控制要求，這是信息化時代的必然趨勢，也是

順應(yīng)了社會對于數(shù)字化通訊的要求。

[8]

3.3機(jī)械手實現(xiàn)的功能

機(jī)械手控制系統(tǒng)研究和設(shè)計早已經(jīng)十分成熟，在不同的行業(yè)，機(jī)械手扮演的角色也各部

一樣。搬運、打磨、焊接、剖光等功能性機(jī)械手較為常見。本課題是選用對電動器具生

產(chǎn)流水線中機(jī)械手的設(shè)計。

電動器具流水線中，自動化程度較高，設(shè)備實現(xiàn)的功能也較為復(fù)雜。電動器具在生

產(chǎn)的過程中，電動馬達(dá)在繞線的過程中，有高溫環(huán)境和油漬環(huán)境等，人工操作危險較高

并且效率較低。電動馬達(dá)繞線后在其轉(zhuǎn)軸兩端需要壓上質(zhì)地較硬的紡脫落夾片，在流水

線中，一般繞線后馬達(dá)的轉(zhuǎn)移和沖壓夾片是在兩個工位上完成的，其不僅操作過程復(fù)雜、

效率低下，而且在有限的工廠環(huán)境下所占空間大，這是一種極大的浪費。

本次課題的設(shè)計，就是將電動器具生產(chǎn)線上馬達(dá)的轉(zhuǎn)移和沖壓夾片在一個動作流程

中完成。高溫和充滿油污的馬達(dá)轉(zhuǎn)子在左傳動裝置上，當(dāng)其運動到指定的位置，處于原

位的機(jī)械手得到信號，這時候水平位置氣缸運動，推動機(jī)械手水精確的水平移動到左工

位產(chǎn)品的上方，通過上下伸縮氣缸和夾緊氣缸的動作，將產(chǎn)品夾起來，之后水平位置氣

缸反向動作至初始位置。當(dāng)放下的時候，夾緊氣缸保持夾緊動作，處于馬達(dá)轉(zhuǎn)子上方的

氣缸動作，推動沖壓器件，將套在產(chǎn)品一端的夾片壓緊，機(jī)械手就完成了本次動作，系

統(tǒng)回到原來的位置，重復(fù)進(jìn)行下一次操作。

[9]

本次課題就是以自動化生產(chǎn)線設(shè)備為載體，具體的實施設(shè)備功能的整合，使多重動

作在一臺設(shè)備中實現(xiàn)。轉(zhuǎn)移動作和夾片沖在一個自動化過程中完成，能夠節(jié)省勞動力，

4基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 IO點分配

4.1.1 電器元件的選擇

本課題在設(shè)計的過程中，如果要實現(xiàn)機(jī)械手的正確動作，需要選擇適當(dāng)?shù)碾姎庠?/span>

在正確的電氣元件相互配合下，完成系統(tǒng)動作。

機(jī)械手的動力系統(tǒng)主要是氣缸，氣缸在伸縮過程中，用傳感器進(jìn)行識別是否到達(dá)指

定的位置。氣缸的活塞端有磁環(huán)，所以氣缸上的傳感器選用磁性開關(guān)傳感器。傳感器固

定在氣缸外端，當(dāng)氣缸動作時候，活塞到達(dá)傳感器固定的位置，磁環(huán)就會使得傳感器得

到信號。本課題有四個氣缸動作，每個氣缸裝有始端和終端兩個磁性開光傳感器，工選

用八個此傳感器。

當(dāng)在檢測左工位有無產(chǎn)品時候，選用光電傳感器。光電傳感器有發(fā)射端和接收端，

在沒有檢測到產(chǎn)品時候，接收端一直能夠接收到發(fā)射端的信號，當(dāng)有產(chǎn)品時，信號中斷，

從而給PLC一個脈沖。通俗來講，光電傳感器就是一個外部的常閉出點。

在沖壓夾片時候，需要用接近傳感器檢測夾片的有無。接近傳感器在產(chǎn)品接觸到觸

頭一定距離時候能感受到信號，其相當(dāng)一個常開觸點。接近開關(guān)也有不同的感應(yīng)距離，

接近傳感器的不同軸徑對應(yīng)不同的感應(yīng)距離，一般軸徑8mm的接近開關(guān)，感應(yīng)距離在

0.15-1.5mm，12mm的感應(yīng)距離在0.3-3mm，18mm的感應(yīng)距離在0.6-6mm，30mm的感應(yīng)距

離在1-10mm。

由于機(jī)械手動作中有沖壓過程，為了防止人員操作的過程中，手沒有離開沖壓臺的

安全距離而使操作人員被壓傷，所以增加了一個安全光幕。安全光幕也是光電傳感器的

一種，一端發(fā)射信號，一端接收，其能夠呈幕布狀擋在沖壓臺前面。如果有外物在沖壓

過程中進(jìn)入光幕后的區(qū)域，就會產(chǎn)生一個脈沖信號，PLC就能識別。本次傳感器選用NPN

型。

PLC選用三菱FX1S-30MR-OO1型。PLC選用主要是由輸入輸出點的數(shù)量來確定的。

由于本課題共有14個輸入點和4個輸出點，所以選用輸入有16點，輸出有14點的三

菱FX1S-30MR-OO1型PLC。其為R型（繼電器）輸出，電源為001型（AC電源）。

[10]

除了PLC和傳感器，本課題還需要一個啟動按鈕，一個復(fù)位按鈕，一個急停按鈕和

一個白色的電源信號燈。

4.1.2 IO分配

確定了課題電氣元器件的選擇，合理的IO分配能夠在編程的時候更具有條理性，

表4-1為PLC的IO分配表。

14 / 29

FX1S-30MR-001

input 名稱 備注 output 名稱 備注

x0 啟動按鈕 y0 水平氣缸電磁閥

x1 復(fù)位按鈕 y1 伸縮氣缸電磁閥

x2 急停按鈕 接NC y2 夾取氣缸電磁閥

x3 y3 壓制氣缸電磁閥 左工位產(chǎn)品有無檢測傳感器 光電傳感器

x4 水平位置氣缸始端傳感器 磁性開關(guān)

x5 水平位置終端傳感器 磁性開關(guān)

x6 伸縮氣缸上傳感器 磁性開關(guān)

x7 伸縮氣缸下傳感器 磁性開關(guān)

x10 夾取氣缸始端傳感器 磁性開關(guān)

x11 夾取氣缸終端傳感器 磁性開關(guān)

x12 壓制氣缸始端傳感器 磁性開關(guān)

x13 壓制氣缸終端傳感器 磁性開關(guān)

x14 夾片有無檢測傳感器 接近傳感器

x15 光幕傳感器 光電傳感器

表4-1 PLC輸入輸出分配

一般情況下，輸入端開關(guān)都置于端口的靠前位置，在進(jìn)行輸入和輸出的端口分配時，

一定要有預(yù)留一定數(shù)量的觸點，以便于在某些觸點發(fā)生故障時候備用。在分配觸點時候，

功能一樣的觸點位置盡量在一起，在工程項目中盡量使其更有條理性。

4．2 硬件接線圖

4.2.1電氣主接線

本課題總是控制系統(tǒng)的設(shè)計，對于基于PLC的控制系統(tǒng)來說，電氣主接線是完成控

制的基礎(chǔ)，圖4-1是本課題的電氣主接線圖。

15 / 29

圖4-1 機(jī)械手控制體統(tǒng)主接線圖

主電路圖上，主線上先接一個10A的空氣開關(guān)QF1，保證在電流過大的時候會自動

斷開保護(hù)主電路路。之后接一個急停按鈕，其接常閉觸點，也就是在通常情況下急停按

鈕保持電流通暢，在遇到緊急情況時候按下急停按鈕，常閉觸點斷開導(dǎo)致主回路關(guān)段，

起到手動應(yīng)急關(guān)斷效果。圖最左側(cè)是并在主回路上的插座，保證在進(jìn)行設(shè)備調(diào)試需要用

電時候的便利。插座旁是并在回路上的24V開關(guān)電源，其是為了給PLC、觸摸屏以與傳

感器提供直流電源。因為開關(guān)電源接在主回路上，所以在其L線上加一個6A的空氣開

關(guān)。24V開關(guān)電源的輸出端接一個白色的指示燈，在其有電流時候，直觀的顯示通電狀

態(tài)。24V直流電源旁是觸摸屏，通入24V直流電壓。PLC為交流電源供電，加一個6A的

空氣開關(guān)QF3，通訊線W接通觸摸屏和PLC，實現(xiàn)通訊順暢。

[12]

主電路圖實現(xiàn)電氣元件的基本連接，在設(shè)計的時候，應(yīng)該充分考慮到實用性和安全

性，保證在發(fā)生故障的時候損失最小。

4.2.2 PLC輸入接線

PLC的輸入端是外部給PLC的信號，每一個輸入端回路都是一個獨立的系統(tǒng)，不同

的端口起到不同的效果。圖4-2是PLC輸入接線圖。

16 / 29

圖4-2 機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC輸入端接線圖

圖中，有左邊至右依次為輸入端的3個公共端、輸入X00-X07、輸入X10-X17.三個

公共端接24V，X0O接啟動按鈕SB1，XO1接復(fù)位按鈕，X03接急停按鈕，X04接左側(cè)產(chǎn)

品有無光電傳感器，X04-X13為四個氣缸的傳感器，其公共端接在0V上，X14接夾片有

無檢測傳感器。

4.2.3 PLC輸出接線

PLC的輸出端是在其接收到輸入信號以后，通過程序的控制，給外部信號的端口，

本課題總共有四個電磁閥為輸出端，圖4-3為PLC輸出接線圖。

17 / 29

圖4-3 機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC輸出端接線圖

PLC的輸出公共端接0V,輸出端Y00接水平氣缸電磁閥，Y02接伸縮氣缸電磁閥，Y03

接夾取氣缸電磁閥，以接沖壓氣缸電磁閥。電磁閥公共端接24V電壓。

4．3 控制流程圖

控制流程圖是顯示設(shè)計過程的圖形，圖4-4為本課題的控制流程圖。

水平氣缸推進(jìn)2

水平氣缸復(fù)位6

伸 伸 伸

縮 縮 縮 伸

氣 氣 氣 縮

左工位

右工位（原定）

產(chǎn)品有無1

缸 缸 缸 氣

推 復(fù) 推 缸

進(jìn) 位 進(jìn) 復(fù)

加緊4

3 5 7 位

10

放松9

沖壓8

圖4-4 機(jī)械手控制動作流程圖

當(dāng)系統(tǒng)啟動時候，首先檢測左側(cè)產(chǎn)品有無；當(dāng)有產(chǎn)品傳送來時候，水平氣缸推動機(jī)械

手向左工位移動；當(dāng)?shù)竭_(dá)左工位上方，伸縮氣缸推動機(jī)械手向下；到達(dá)指定位置，機(jī)械

手夾緊氣缸動作夾住產(chǎn)品；然后伸縮氣缸回到原定位置；水平氣缸向右運動使機(jī)械手回

到原來位置；之后機(jī)械手伸縮氣缸推動機(jī)械手下降到右側(cè)工位；夾緊氣缸保持動作，投

放夾片，當(dāng)接觸傳感器感應(yīng)到夾片時候，沖壓氣缸向下沖壓；當(dāng)沖壓完成時候機(jī)械手放

松；最后伸縮氣缸回到原來位置，一次自動化流程完成，當(dāng)左側(cè)光電傳感器再次檢測到

產(chǎn)品時候，第二次動作再開始進(jìn)行。

[]13

4．4 程序梯形圖

本次設(shè)計，采用三菱PLC專門的編程軟件GX Developer，編程采用步進(jìn)梯形圖的方

式，程序如下。

18 / 29

圖4-5 啟動步進(jìn)程序

當(dāng)程序通電時候M8002給一個脈沖信號，狀態(tài)寄存器S0置位，步進(jìn)初始；急停按

鈕在外電路持續(xù)導(dǎo)通，光幕信號持續(xù)有信號接收，當(dāng)水平氣缸、伸縮氣缸、加緊氣缸、

沖壓氣缸都處于初始位置時候，它們的初始位置傳感器都得到信號的時候，按下啟動按

鈕，在其導(dǎo)通的一瞬間，步進(jìn)進(jìn)入S20狀態(tài)。

圖4-6 水平氣缸動作步進(jìn)程序

急停按鈕和光幕傳感器都保持原狀態(tài)沒有異常時候，伸縮、夾緊、壓制氣缸都處于

原始位置，左產(chǎn)品有無檢測傳感器在檢測到有工件的時候，水平氣缸導(dǎo)通，當(dāng)水平氣缸

推進(jìn)到末端時候，定時2s后進(jìn)入S21狀態(tài)。

[14]

圖4-7 伸縮氣缸動作步進(jìn)程序

急停按鈕和光幕傳感器都無異常時候，水平氣缸定時完成，夾取氣缸和沖壓氣缸還

19 / 29

沒動作時伸縮氣缸輔助繼電器M1得信號，程序進(jìn)入S22狀態(tài)。

圖4-8 加緊氣缸動作步進(jìn)程序

當(dāng)伸縮氣缸到達(dá)底端，下部的的傳感器X007給PLC信號，此時沖壓氣缸還保持原

有狀態(tài)，加緊氣缸輔助繼電器得信號，步進(jìn)進(jìn)入S23狀態(tài)。

圖4-9 伸縮氣缸復(fù)位步進(jìn)程序

夾取氣缸終端傳感器得信號，沖壓氣缸還沒有動作時候，伸縮氣缸復(fù)位，步進(jìn)進(jìn)入

S24狀態(tài)。

圖4-10 水平氣缸復(fù)位步進(jìn)程序

當(dāng)伸縮氣缸回到原來位置時候，原始位置的傳感器X006給PLC信號，水平推進(jìn)氣缸

復(fù)位，步進(jìn)進(jìn)入S25狀態(tài)。

20 / 29

圖4-11 伸縮氣缸動作步進(jìn)程序

水平氣缸回到初始位置的時候，水平氣缸初始位置傳感器X004給PLC信號，伸縮氣缸

動作，步進(jìn)進(jìn)入S26狀態(tài)。

圖4-12 沖壓氣缸動作步進(jìn)程序

機(jī)械手將工件移動至右側(cè)伸縮氣缸伸到位，下方傳感器的信號，手工將夾片放到原

工件上，光幕在人手縮回來時候有信號輸出，夾片被接觸傳感器感受到，這時候沖壓氣

缸動作，當(dāng)沖壓氣缸到位時候定時3s，保證夾片被壓緊。定時時間到，步進(jìn)進(jìn)入S27

狀態(tài)。

圖4-13 沖壓氣缸復(fù)位步進(jìn)程序

當(dāng)沖壓完成，則沖壓氣缸復(fù)位，當(dāng)沖壓氣缸復(fù)位到達(dá)初始位置，初始位置的傳感器

給PLC信號，加緊氣缸復(fù)位，則機(jī)械手吧工件放在右側(cè)的工位上，步進(jìn)進(jìn)入S28狀態(tài)。

[15]

21 / 29

圖4-11 伸縮氣缸復(fù)位步進(jìn)程序

當(dāng)夾緊氣缸復(fù)位到初始位置，初始位置的傳感器X010給PLC信號，則伸縮氣缸復(fù)

位，當(dāng)伸縮氣缸復(fù)位到初始位置的時候，則一次全部的機(jī)械手動作完成，則程序回到初

始S0狀態(tài)，步進(jìn)結(jié)束。

圖4-14 復(fù)位程序

當(dāng)按下復(fù)位按鈕時候，在通電瞬間，狀態(tài)寄存器S20至S28批量復(fù)位，同時伸縮氣

缸和沖壓氣缸直接復(fù)位。在復(fù)位按鈕持續(xù)導(dǎo)通，伸縮氣缸和沖壓氣缸復(fù)位到初始位置時

候，水平氣缸復(fù)位；水平氣缸復(fù)位到初始位置時候，伸縮氣缸動作；當(dāng)伸到最低端時候，

夾緊氣缸開始復(fù)位；當(dāng)夾緊氣缸復(fù)位完成后，伸縮氣缸再復(fù)位。這一些列先后的動作是

由于水品氣缸復(fù)位必須在沖壓氣缸和伸縮氣缸復(fù)位完成后才能進(jìn)行，而夾緊氣缸的復(fù)位

必須將夾住的工件放置于右工位后才能進(jìn)行。

[16]

22 / 29

圖4-15 輸出端程序

當(dāng)復(fù)位按鈕在斷電的一瞬間，程序回到初始狀態(tài)，輔助繼電器直接控制電磁閥，實

現(xiàn)氣缸動作的控制。

4．5人機(jī)界面設(shè)計

本課題采用信捷觸摸屏，在自動畫面分別顯示四個氣缸的動作，四個指示燈分別連

接對象Y0、Y1、Y2、Y3，選擇取反操作，當(dāng)運行時候，燈為綠色，當(dāng)停止運行時候，燈

為紅色。當(dāng)點進(jìn)行手動的時候，會由部寄存器輔助跳轉(zhuǎn)至下一界面。

圖4-16 觸摸屏自動畫面編程

自動界面離線模擬畫面如下。

23 / 29

圖4-17 觸摸屏自動畫面在線發(fā)模擬

當(dāng)跳轉(zhuǎn)至手動畫面，四個氣缸進(jìn)行分開動作，如點擊“水平氣缸始端”后面面按鈕，

則其對應(yīng)的是PLC寄存器M0，這時候MO強(qiáng)制置位OFF，則水平氣缸動作至始端；一樣

的點擊“水平氣缸終端”后面的按鈕，其對應(yīng)PLC寄存器M0,M0強(qiáng)置位ON，則水平氣缸

動作。當(dāng)點擊進(jìn)行自動按鈕，則畫面返回自動換面。

[17]

圖4-18 觸摸屏手動畫面編程

24 / 29

手動界面離線模擬畫面如下

圖4-19 觸摸屏手動畫面在線模擬

結(jié)束語

本次課題重在設(shè)計，理論的研究不是很多。對于基于PLC的機(jī)械手控制體統(tǒng)設(shè)計，

將理論和實際相結(jié)合，極大的擴(kuò)展了自己的視野。同時，以實習(xí)階段從事的行業(yè)作為背

景，貼近實際項目的研究對象，使得設(shè)計容更加實際。

畢業(yè)設(shè)計是對四年大學(xué)專業(yè)知識的總結(jié)，所以本課題是對自己學(xué)習(xí)生涯的一個最好

的階段性總結(jié)。在設(shè)計期間，無論是資料的收集和整理，還是設(shè)計思路的確立，以與每

一圖形的繪制，都需要自己認(rèn)真思考，獨立完成。其囊括了電路理論、PLC技術(shù)等專業(yè)

課程知識，運用了CAE、GX Developer、Touch Win軟件的應(yīng)用。許多東西都是從無到

有，從不懂到懂，從懂之甚少到融會貫通。

畢業(yè)設(shè)計也是對自身意志的一種鍛煉。在此期間遇到許多的困難，但是每一次逼迫

自己去解決問題的過程，都是一次與自身消極意志搏斗的過程，而經(jīng)過自己的努力找到

解決辦法的時候，勝利的喜悅總能掩蓋所有的困難經(jīng)歷。

我相信，本次課題的完成過程必將成為我一筆最豐碩的收獲，無論是知識上還是精

神上，都將給以我無限的力量。

參考文獻(xiàn)

[1]曼.PLC應(yīng)用技術(shù)[M].：郵電大學(xué) 2010

[2].電氣控制與PLC[M].：西北工業(yè)大學(xué) 2009

[3]高尚軍.PLC自動化控制優(yōu)化探析[A].：通用（）北盛汽車 2013

[4]殷洪義.可編程序控制器選擇與設(shè)計維護(hù)[M].：機(jī)械工業(yè) 2002

[5]馬志溪.電氣工程設(shè)計[M].：機(jī)械工業(yè) 2002

[6] 關(guān)明.周希倫.馬立靜.宋蔚 基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 [J].：中國礦業(yè)大學(xué) 2012

[7]三菱微型可編程控制器手冊[M].MITSUBISHI SOCIO-TECH.2003

[8]道霖．電氣控制與PLC原理與應(yīng)用 [M]．: 電子工業(yè)，2004

[9]王兆義．小型可編程控制器實用技術(shù) [M]．: 機(jī)械工業(yè)，2002

[10]三菱電機(jī). MR-J2S-B伺服驅(qū)動器的技術(shù)資料[M]. : 三菱電機(jī)自動化, 2004

[11]金玲.基于PLC的氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J].：工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2010

[12]波.多更能上下料用機(jī)械手液壓系統(tǒng)[J].液壓與氣動，2002.

[13]允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計[M].機(jī)械工業(yè)，1996.

[14]史國生.PLC在機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用[J].中國工控信息網(wǎng)，2005

[15]王永華主編.現(xiàn)代電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].航空航天大學(xué)，2008.

[16]明河.可編程控制器原理與應(yīng)用[M].：工業(yè)大學(xué)，2010

[17]奇. 可編程序控制器特點和基本原理[J].：科技資訊,2007

致

27 / 29

本次課題從從最初的選題，之后到資料的整理，再到論文的初步定稿，以與每

次的答疑，我都得到了指導(dǎo)老師以與同組進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計同學(xué)的幫助和指導(dǎo)，在此期

間遇到困難在所難免，也正是老師的耐心指導(dǎo)，同學(xué)的相互鼓勵給了我一次次挑戰(zhàn)

自我，戰(zhàn)勝自己的勇氣。對于本次選擇設(shè)計型課題，需要對于知識進(jìn)行綜合性的應(yīng)

用，所以在理論知識的收集時候，需要很多的實際經(jīng)驗才能完成，而老師的經(jīng)驗傳

授也是我完勝本次設(shè)計的重要原因之一。總而言之，沒有老師的精心指導(dǎo)，沒有同

學(xué)的互幫互助，我將面對巨大的困難。四年的大學(xué)生活即將畫上句號，至此，我向