机械手的PLC控制及组态仿真
引言 2
【引言】
在如今这个飞速发展的社会，科技已经成为了代替人类劳动力的主要工作方式。减轻了人们的压力。在现代化的生产中，特别是在高温、放射性、有毒和有害气体的场合，严重污染的生产环境，不利于各种操作。
工业机器人是提高生产过程自动化、改善工作条件、以及提高生产效率、质量的有效手段。利用工业机械手来替代人们在恶劣的生产环境下操作，可以有效地解决上述问题，降低不良的工作环境对人们的危害。
本课题拟设计的机械手，采用了日本三菱的FX2N系列的PLC，通过PLC的各种程序指令对机械手的上下运动、左右运动和抓取运动进行有效的控制。主要介绍了PLC、机械手的特点、PLC的编程、控制原理、硬件设计等。 一、机械手的概述
机械手是一种能够通过编程来进行各种操作的多功能机器，在构造方面结合了人类以及机械的优点，灵活地搬运各种物体并且能够适应多种工作环境。近年来随着电子技术尤其是电子计算机的广泛应用，机器人的研究和生产已经成为了高技术的领域内快速发展起来的一种新兴的技术，它极大地促进了机械的发展。
机械手的快速发展是由于它作业的准确性和适应环境的能力越来越被人们所肯定。机械手虽然不如人手灵活自由，但是它可以重复工作、适应性强和比人手力量大等特点。
（一） 机械手的结构组成
机械手一般主要由执行机构、传动系统、控制系统这三个部分组成。
1.执行机构
手部、手臂、躯干这三个部分为机械手的执行机构。手部用来夹紧和松开工件，模拟人手，完成人手类似的动作。机械手手臂的作用和人的手臂是一样的，引导手部准确把握工件，并转移到所需的位置。机械手的躯干是用来安装固定手臂和其他执行部分的支架。
2.传动机构
机械手主要有液压、气压、电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
气和机械驱动4种驱动方式。其中以液压和气压驱动最为广泛应用，如图1-1所示。
图1-1 气动机械手
3.控制系统
工作顺序、动作时间、到达位置、运动速度等是机械手控制的重要因素。本设计中的气动机械手如图1-2所示
图1-2 本设计中的气动机械手
(二)机械手的发展
机械手的研究设计大约于20世纪40年代末期开始。在1946年电子计算机被问世以来，计算机技术取得了很大的进步。与此同时，迫切的生产需要进一步推动了自动化生产技术的进展。同时在另一个方面，研究核能技术的要求某些操作由机械处理来替代人类处理这种放射性的物质。
在这些迫切的需求背景下，美国于20世纪50年代研发了可遥控的机械手，机械手逐渐推广到了工业生产。机械式的机械手在50年代被研究出来。它被应用在高温、严重污染的地方。其控制系统是示教形的。计算机技术和自动控制技术的发展极大地促进了机械手的发展。
如今机械手正朝着精确化、模块化、无给油、机电一体化方向发展。
（三）机械手的应用
1.工业制造领域：
机械手应用在各种制造业以及许多家电产品的制造等。化工行业生产线中的自动点焊、物流系统的搬运、包装等工作。生产线的自动装配、图像系统检查、原料的供给等方面
2.娱乐领域：
机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足球比赛、机器人宠物，舞蹈机器人。
3.医疗领域：
机器人一般帮助医生日常的工作。比如，帮助医生运送用药品等等。还有医疗性的机器人如智能轮椅、外科手术机器人等方面。
二、PLC的概述
（一）PLC的发展
可编程控制器简称PLC，1969年第一台 PLC出生，代替继电器控制，随后在世界各地得到了广泛应用。
在20世纪70年代左右，日本、德国、中国先后研制出PLC。PLC进入多样化的发展中。在这一时期，出现了微处理器，极大地促进了PLC的发展，PLC增加了运算能力。
在20世纪80年代左右，世界上生产PLC的国家日益增多，产量飞速上升。标志着可编程控制器的发展和使用已经很广泛，促进了生产的发展。
在20世纪80年代至90年代中期这段时间，是可编程控制器发展的黄金时期，市场上踊跃着各式各样的PLC。同时PLC的处理能力得到了大幅度的提高。
（二）PLC的基本结构
PLC的主要有CPU,电源，存储器和输入/输出接口等元件。
1.中央处理器
CPU是PLC中最为重要的，相当于人的大脑。它指挥协调系统内部的工作，可以不间断地采集输入信号，刷新系统输出和执行用户程序。
2.储存器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器。存放PLC系统程序的存储器为系统存储器，存放PLC用户程序的存储器为用户存储器。
3.输入输出接口单元
输入输出接口是PLC与被控设备相连接的接口电路，输入接口将一些开关以及一些传感器的开关和模拟量转换为CPU可以接收和处理的信号。输出接口是将PLC处理好的输出信号转换成用户使用设备所需的信号
4.扩展接口和通信接口
扩展接口是将PLC的扩展单元和功能模块与基本单元相连。一般有通讯模块，数字量输入输出模块，模拟量输入 输出模块，温度模块，还有一些特定功能的模块
(三)PLC的特点
1.使用方便，编程简单
2.功能强，性能价格比高
3.具有抗干扰能力和可靠性强
4.系统的安装设计简单，调试工作量较少。
（四）PLC的工作原理
PLC运行方式为循环扫描。一般是大致分为三个阶段，输入采样、用户程序执行和输出刷新这三个阶段。三个阶段为一个扫描周期。
（五）PLC的选择
如何选择PLC，选择什么样的PLC。输入的点数、输出的点数，扫描的速度，内存容量，指令条数，功能模块等都是我们要考虑的因素。同时也要考虑其经济实用性和工作环境的影响.我选择的是日本三菱FX2N-48MR型PLC，如图2-1所示。
FX2N-48MR是日本三菱公司的可编程控制器,它的继电器输入为24点,输出24点.FX2N内置用户内存8K步，可扩展至16K步，最大能扩展到256个输入输出点点，有许多特殊功能模块扩展、功能强大的数学指令集。
图2-1 FX2N-48MR PLC
其特点为，系统配置即固定又灵活；编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。
【引言】
在如今这个飞速发展的社会，科技已经成为了代替人类劳动力的主要工作方式。减轻了人们的压力。在现代化的生产中，特别是在高温、放射性、有毒和有害气体的场合，严重污染的生产环境，不利于各种操作。
工业机器人是提高生产过程自动化、改善工作条件、以及提高生产效率、质量的有效手段。利用工业机械手来替代人们在恶劣的生产环境下操作，可以有效地解决上述问题，降低不良的工作环境对人们的危害。
本课题拟设计的机械手，采用了日本三菱的FX2N系列的PLC，通过PLC的各种程序指令对机械手的上下运动、左右运动和抓取运动进行有效的控制。主要介绍了PLC、机械手的特点、PLC的编程、控制原理、硬件设计等。 一、机械手的概述
机械手是一种能够通过编程来进行各种操作的多功能机器，在构造方面结合了人类以及机械的优点，灵活地搬运各种物体并且能够适应多种工作环境。近年来随着电子技术尤其是电子计算机的广泛应用，机器人的研究和生产已经成为了高技术的领域内快速发展起来的一种新兴的技术，它极大地促进了机械的发展。
机械手的快速发展是由于它作业的准确性和适应环境的能力越来越被人们所肯定。机械手虽然不如人手灵活自由，但是它可以重复工作、适应性强和比人手力量大等特点。
（一） 机械手的结构组成
机械手一般主要由执行机构、传动系统、控制系统这三个部分组成。
1.执行机构
手部、手臂、躯干这三个部分为机械手的执行机构。手部用来夹紧和松开工件，模拟人手，完成人手类似的动作。机械手手臂的作用和人的手臂是一样的，引导手部准确把握工件，并转移到所需的位置。机械手的躯干是用来安装固定手臂和其他执行部分的支架。
2.传动机构
机械手主要有液压、气压、电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
气和机械驱动4种驱动方式。其中以液压和气压驱动最为广泛应用，如图1-1所示。
图1-1 气动机械手
3.控制系统
工作顺序、动作时间、到达位置、运动速度等是机械手控制的重要因素。本设计中的气动机械手如图1-2所示
图1-2 本设计中的气动机械手
(二)机械手的发展
机械手的研究设计大约于20世纪40年代末期开始。在1946年电子计算机被问世以来，计算机技术取得了很大的进步。与此同时，迫切的生产需要进一步推动了自动化生产技术的进展。同时在另一个方面，研究核能技术的要求某些操作由机械处理来替代人类处理这种放射性的物质。
在这些迫切的需求背景下，美国于20世纪50年代研发了可遥控的机械手，机械手逐渐推广到了工业生产。机械式的机械手在50年代被研究出来。它被应用在高温、严重污染的地方。其控制系统是示教形的。计算机技术和自动控制技术的发展极大地促进了机械手的发展。
如今机械手正朝着精确化、模块化、无给油、机电一体化方向发展。
（三）机械手的应用
1.工业制造领域：
机械手应用在各种制造业以及许多家电产品的制造等。化工行业生产线中的自动点焊、物流系统的搬运、包装等工作。生产线的自动装配、图像系统检查、原料的供给等方面
2.娱乐领域：
机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足球比赛、机器人宠物，舞蹈机器人。
3.医疗领域：
机器人一般帮助医生日常的工作。比如，帮助医生运送用药品等等。还有医疗性的机器人如智能轮椅、外科手术机器人等方面。
二、PLC的概述
（一）PLC的发展
可编程控制器简称PLC，1969年第一台 PLC出生，代替继电器控制，随后在世界各地得到了广泛应用。
在20世纪70年代左右，日本、德国、中国先后研制出PLC。PLC进入多样化的发展中。在这一时期，出现了微处理器，极大地促进了PLC的发展，PLC增加了运算能力。
在20世纪80年代左右，世界上生产PLC的国家日益增多，产量飞速上升。标志着可编程控制器的发展和使用已经很广泛，促进了生产的发展。
在20世纪80年代至90年代中期这段时间，是可编程控制器发展的黄金时期，市场上踊跃着各式各样的PLC。同时PLC的处理能力得到了大幅度的提高。
（二）PLC的基本结构
PLC的主要有CPU,电源，存储器和输入/输出接口等元件。
1.中央处理器
CPU是PLC中最为重要的，相当于人的大脑。它指挥协调系统内部的工作，可以不间断地采集输入信号，刷新系统输出和执行用户程序。
2.储存器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器。存放PLC系统程序的存储器为系统存储器，存放PLC用户程序的存储器为用户存储器。
3.输入输出接口单元
输入输出接口是PLC与被控设备相连接的接口电路，输入接口将一些开关以及一些传感器的开关和模拟量转换为CPU可以接收和处理的信号。输出接口是将PLC处理好的输出信号转换成用户使用设备所需的信号
4.扩展接口和通信接口
扩展接口是将PLC的扩展单元和功能模块与基本单元相连。一般有通讯模块，数字量
(三)PLC的特点
1.使用方便，编程简单
2.功能强，性能价格比高
3.具有抗干扰能力和可靠性强
4.系统的安装设计简单，调试工作量较少。
（四）PLC的工作原理
PLC运行方式为循环扫描。一般是大致分为三个阶段，输入采样、用户程序执行和输出刷新这三个阶段。三个阶段为一个扫描周期。
（五）PLC的选择
如何选择PLC，选择什么样的PLC。输入的点数、输出的点数，扫描的速度，内存容量，指令条数，功能模块等都是我们要考虑的因素。同时也要考虑其经济实用性和工作环境的影响.我选择的是日本三菱FX2N-48MR型PLC，如图2-1所示。
FX2N-48MR是日本三菱公司的可编程控制器,它的继电器输入为24点,输出24点.FX2N内置用户内存8K步，可扩展至16K步，最大能扩展到256个输入输出点点，有许多特殊功能模块扩展、功能强大的数学指令集。
图2-1 FX2N-48MR PLC
其特点为，系统配置即固定又灵活；编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。
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