第一章 PLC控制机械手的发展历程
1.1 气动机械手简介
近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电-气比例伺服技术的发展；现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。PLC控制能更灵活地模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手为了抓取空间中任意位置和方位的物体，所需有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。
1.2 气动技术的发展
气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到50年，却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广，发展最快，也最易被接受及重视的技术之一。气动技术有几个主要的历史发展阶段。至50年代初.大多数组件从液压组件改造或演变过来，体积很大。60年代，开始构成工业控制系统，自成体系，不与风动技术相提并论。在70年代，由于与电子技术的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。80年代则是集成化、微型化的时代。 90年代末，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展。气动方式作为一种新的自动化方式，与这几种传统的传动与控制方式相比， 具有如下的优点：
1.气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低，故使用安全.
2.工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。
3.输出力及工作速度的调节非常容易。气缸动作速度一般为(( 50500) mm/s,比液压和电
气方式的动作速度快。
4.可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为数百万次，而SMC的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过一亿次。
5.利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气。可短时间释放能量， 以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。
6.全气动具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。
7.由于空气流动损失小，压缩空气可以集中供应，远距离输送。
为了适应自动化的发展形势，90年代国际气动行业，在不断提高气动元器件性能和降低生产成本的同时，致力于开发各类新型元器件。气动领域发展的趋势表现在两个方面:即气动技术与机械技术的结合以及气动技术与电子技术的结合。这些新型气动技术的出现，在很大程度上促进了气动技术在自动化领域的广泛应用。
1)气动技术与机械技术的结合
气动、机械一体化的特点是将传统系统的多种单立组件和机构经过优化和专门化设计有机地集成为一体，成为系列的规范产品。与此同时，采用模块化设计原理，使产品的尺寸规格覆盖面更为广阔，为用户带来更多的方便和经济效益。
2)气动技术与电子技术的结合
近10年来电子技术的突飞猛进是最令人注目的，这为气动技术的进一步发展提供了必要的条件。气电一体化的发展趋势和现实意义已为实践所证明.近10年来在气电一体化方面最为成功的产品可以说是以下三类：
a)阀 岛
b)伺服定位系统
c)比例控制组件
正是气动技术的飞速发展，推动了气动自动化控制技术的广泛应用。气动自动化控制技术是利用压缩空气作为传递动力或信号的工作介质，配合气动控制系统的主要气动组件，与机械、液压、电气、电子(包含PLC控制器)相结合。
1.3 PLC的发展概况和发展
可编程控制器（PLC）的应用使电气控制技术发生了根本的变化。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，半导体技术，自动控制技术，数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。PLC以其可靠性高，灵活性强，使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。从运动控制到过程。从单机自动化到生产线自动化，从工业机器人。数控设备到柔性制造系统（FMS），从集中控制系统到大型集散控制系统，PLC均充当着重要角色，并展现出了强劲的态势。PLC作为先进的，应用势头最强的工业控制器风靡全球。PLC技术，CAD/CAM技术和工业机器人成为现代工业控制的三大支柱。
经过30多年的发展，PLC已形成了完整的工业控制器产品系列，其功能从初期的主要用
于替代继电——接触器控制的简单功能，发展到目前的具有接近计算机的强有力的软硬件功能。PLC用于包括逻辑运算，数值运算，数据传送，过程控制，位置控制，高速计数，中断控制，人机对话，网络通信等功能的控制领域。PLC源于替代继电——接触器控制，它与传统的电器控制技术有着密不可分的联系。
（一） 第一阶段
从1969年第一台PLC问世到1972年，是PLC的初创阶段。
（二） 第二阶段
从1973年到1978年，是PLC的成熟阶段。
（三） 第三阶段
从1978年到1984年，是PLC的大发展阶段。
（四） 第四阶段
从1984年至今，是PLC的继续发展阶段。
虽然PLC只有30年的历史，但其发展势头迅猛，目前PLC的年生产增长率仍保持在30%到40%的水平。成为当今增长速度最快的工业控制器，而且还将要继续发展下去。PLC将向两个方向发展：一方面向着大型化的方向发展，另一方面向着小型化方向发展，以适应不同场合和不同要求的控制需要。运用PLC控制的机械手具有操作简单，安全，与通用计算机可直或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并购成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，是机械化向自动化系统发展的需要。
第二章 总体方案设计
2.1 方案的提出
该机械手可用于自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，本设计主要是热处理淬火加工的物料搬运机械手，有自动和手动操作两种模式。自动模式下，PLC控制机械手上的各汽缸按程序预定的轨迹运动；手动模式下，由操作员在操作面板上采用按钮对系统进行控制，按钮控制各汽缸的启停动作及相关行程阀的方向切换。其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中的，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小。同时还具有操作方便，工作可靠，安全，维护简单，节省成本，提高劳动生产率等特性。
2.2 系统总体设计
将工件由A处传送到B处，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动汽缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。线圈，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动汽缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执
行放松动作。设备装有上、下限和左、右限位开关，线圈的通断由PLC来控制。（机械手的动作过程图如下图）
降
（动作过程图）
第三章 PLC控制机械手系统设计（硬件）
3.1 机械手传递动作流程分析
下图是气动机械手动作示意图，其功能是将工件从A处移送到B处。气动机械手的升降和左右移行分别使用双线圈的电磁阀，在某方向的驱动线圈失电时能保持在原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。上升、下降对应的电磁阀线圈分别是YV3、YV1，右行、左行对应的电磁阀线圈分别是YV4、YV5，机械手的夹钳使用单线圈电磁阀YV2，线圈通电时夹紧工件，断电时松开工件。通过设置限位开关，分别对机械手的下降、上升、右行、左行进行限位，而夹钳不带限位开关，它是通过延时1S来表示夹紧、松开动作的完成。
3.2 各电气设备的控制方式及控制要求
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有手动控制、回原位和自动控制等工作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来（操作面板如下图）。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现；当旋钮打向“回原位”时，系统会自动地回到左上角位置待命。自动工作方式时，机械手在原位，只要按下启动按钮，机械手就会连续循环动作，直到按下停止按钮，机械手才会最后运行到原位并停止；而在传送工件的过程中，机械手必须升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其它工件。
图1 机械手传送示意及操作面板图
3.3 电器元件、硬件的选择
机械手的硬件结构
通常机械手的结构由以下几部分组成:
( 1) 执行机构。执行机构是由杆件与关节组成, 从功能上可分为手部、腕部、臂部、腰部与基座。
( 2) 驱动—传动装置。驱动—传动装置包括驱动器和传动机构两部份, 它们通常与执行机构连成一体。驱动装置通常采用的是电动机、液压作为驱动元件; 传动机构采用的是同步带轮传动, 而PLC控制的气动机械手主要采用汽缸作为传动机构，它是由PLC控制的电磁阀控制汽缸的伸缩动作，从而实现夹紧，上升，下降，放松等相应动作。
( 3) 控制系统。在本次设计中采用FX2N-48MR型PLC进行控制, 并在PLC 上连接位置控制模块, 通过位置控制模块对汽缸动作进行控制。
(4)PLC的硬件组成
PLC主要由电源、中央处理器、存储器、输入\输出接口及外围设备接口等组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入\输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位机算计等外设连接。
3.4 PLC所需各类继电器与元件的I\O点数表
3.5. PLC 型号的选择
此次研究的机械手驱动装置为汽缸, 汽缸主要由PLC 与位置控制（行程开关）模块来控制, 机械手的运动是由3个汽缸协调运作而完成的, PLC 控制3个汽缸的运动, 位置控制模拟汽缸动作行程，是保护装置。因此在选用PLC 的型号时，就应在满足机械手的硬件要求下选择。在本次设计中选用PLC，通过采用RS- 232 通信端口使用串行通信传输数据来控制汽缸的动作。设计选择PLC 型号为三菱公司的FX2N-48MR型。FX2N-48MR型PLC 输入/ 输出点数为 24点, 体积小, 容量大, 基本性能好，CPU处理速度达到了0.065us/基本指令内置了高达64K步的大容量RAM存储器。大幅增加了内部软元件的数量强化了指令的功能，提供了多达209条应用指令，包括像与三菱变频器通讯的指令，CRC计算指令，产生随机数指令等等， 并且具有中型PLC 所具备的所有功能。可实现全方位通信功能, 使用工具口( RS232C) 通过它主机能够与触摸屏或电脑实现通信。
3.6 PLC所需各类继电器与元件的分配表（I／O)
及原理接线图
表1 机械手传送系统输入和输出(I／O)点分配表
表二 PLC的外部输入、输出原理接线图
第四章 PLC控制机械手系统设计（软件）
4.1 PLC软件的组成
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，并存入PLC的系统存储器中，其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、监控程序等组成。
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。其软件主要有以下几个逻辑部件：
a继电器逻辑
它包括输入继电器(X)、输出继电器（Y）、内部继电器（M）
b定时器逻辑
C计数器逻辑
4.2控制程序及梯形图设计
1、操作系统
操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图3所示。
其原理是：
把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，
则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。
2、回原位程序
回原位程序如图4所示。用S10~S12作回零操作元件。应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。
3、手动单步操作程序
如图5所示为手动单步操作程序，机械手的夹紧、放松及上、下、左、右移动都由相应的按钮完成，并却图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。一旦下降或（上升）的电磁阀线圈通电，机械手下降或（上升），即使线圈再断电，仍保持现有的下降或（上升）动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。
4、自动操作程序
自动操作状态转移见图6所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。
移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。
在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。
5、机械手传送系统动作流程图、时序图及梯形图
①流程图：
降到位
升到位
移到位
降到位
升到位
移到位
动作流程图
②时序图：
启动停止操作区
下降
下降限位开关
夹紧上升
上升限位开关
右移
右限位开关
下降
下限位开关
放松上升
上升限位开关
左移
左
移限位开关
机械手时序
图
③梯形图：
如下图所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。
回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。
6指令表，（如图所示）如后附1
第五章 调试并模拟机械手的动作过程作出分析
5.1 PLC程序的调试
PLC程序的调试可分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来找接线故障。不过，为了安全考验，最好将主电路断开。当确认接线无误后再接通主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整个的控制功能为止。 ⑴ 程序的模拟调试
将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户的程序一般先在试验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来代替模拟，各输出量的通、断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载。可以根据功能图表，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能图表的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。 在调试的时候应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。
如果程序中莫些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入他们的实际设定值。
在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其它硬件的安装、接线工作也可以同时进行。 ⑵ 程序的现场调试
完成上述的工作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时解决。如果调试达不到指示要求，则对相应硬件和软件部分做适当调整，通常只需要修改程序就可以达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。 ⑶ 基本操作方法
①将梯形图程序输入到计算机中。
②对程序进行调试运行。
a将转换开关旋至“手动”挡，按下相应的动作按钮，观察机械手的动作情况。 b将转换开关旋至“回原位”挡，按下回原位按钮，观察机械手是否回原点。 c将转换开关旋至“自动”挡，按下启动按钮，观察机械手是否能连续自动运行。
5.2 模拟机械手的动作过程作出分析
限位条件满按下起动按钮SB1，输入点0000为ON,则作为互锁条件的辅助继电器1000为ON，互锁指令IL接通，IL与ILC之间的线圈正常工作，“全部输出禁止”解除。若(抓图1)常闭触点都为ON，保持继电器HR000接通，输出点0503使上升电磁阀得电，手臂上升。当手臂上升到位时，上升限位开关使输入点0005闭合，保持继电器HR001 接通，HR000复位，输出点0501使左转电磁阀得电，手臂左转。......以后每当一步动作到位，足时，状态转移，进行下一工步动作。当状态转移到HR008为ON时，输出点0506使放松电磁阀得电，机械手放松，同时定时器TIM00计时。当计时2秒到，状态又转移到HR000，程序又重新从第一工步开始循环。
停止时，按下停止按钮SB2，0001断开，辅助继电器1000为OFF，互锁指令断开，全部输出被禁止，但各保持继电器的状态是断电保护的，机械手停在现行的工步上。当重新按起动按钮时，互锁指令接通，停止前的输出被恢复，机械手继续在停止前某保持继电器为ON的工步动作。
第六章PLC运行的故障诊断
PLC有很强的自动诊断能力，当PLC自身故障或外围设备故障，都可用PLC上具有的诊断指示功能的发光二极管的亮灭来诊断。
PLC故障查找流程图 ⑴ 总体检查
根据总体检查流程图找出故障点的大方向，逐渐细化，以找出具体故障，如下图所示
⑵ 电源故障检查
电源灯不亮需对供电系统进行检查，检查流程图如下图所示
⑶ 输入输出故障检查
输入输出是PLC与外部设备进行信息交流的通道，其是否正常工作，除了和输入输出单元有关外，还与连接配线、接线端子、保险管等元件状态有关。检查流程图如下图所示
⑷ 运行故障检查
电源正常，运行指示灯不亮，说明系统已经因某种异常而终止了正常运行，检查流程图如下
（5）外部环境的检查
影响PLC工作的环境因素主要有温度、湿度、嘈音与粉尘、以及腐蚀性酸碱等。在机
械手控制方面要注意PLC的防震。
第七章 设计小结
时间稍纵即逝，眨眼间三年的光阴已流去。对三年成果的检验---毕业设计也临近尾声，在我看来此次的设计也相当于一次实习，它是对我三年来学习成果的大检阅。在此次设计过程中使我懂得了作为一个设计人员应具备的勤奋、务实、向上、协作的精神和作风。此次实践也使我掌握了较强的分析问题和解决问题的能力，同时增强了我的高组织和团队协作能力，为以后能从事设计事业打好了坚实基础。从设计中我明白了，现代社会，机遇与挑战并存；懂得了：只有坚持不懈的努力才会有好的收获。有了这种信念，我将以乐观向上的进取精神，勤奋刻苦的学习态度，踏实肯干的工作作风，团队合作的处世原则，开拓进取，迎难而上，超越自我。由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，特别是编程方面还需要进一步的提高。但是我相信我现在已经具有了这种设计思维与设计理念的能力，在以后的学习和工作中不断吸取，不断总结，相信我将克服缺点，为社会创造出更好的成绩。
此次设计中，我想感谢老师的指导，以及一起工作的同学，因为大家使我明白了许多道理，并较顺利的完成了毕业设计。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。在未来的日子里，我将会更加努力的去学习，去钻研；努力工作，以回报父母、报答曾经关心过我的领导、老师和朋友！最后衷心的说声“谢谢”。
（参考资料〕
(1) 可编程序控制器原理与应用 西安电子科技大学出版社 主编 汪志锋 (2) PLC应用开发技术与工程实践 人民邮电出版社 编著 廖常初 (3) 可编程控制器技术及应用 北京理工大学出版社 编著 夏辛明 (4) 可编程控制器应用技术 机械工业出版社 主编 王也仿 (5) 可编程控制器原理与应用 中国电力出版社 主编 郁汉琪 (6) 可编程序控制器（PLC）应用技术 山东科学技术出版社 (7) PLC机电控制系统应用设计技术 电子工业出版社
编著 徐德 主编 鲁远东
第一章 PLC控制机械手的发展历程
1.1 气动机械手简介
近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电-气比例伺服技术的发展；现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。PLC控制能更灵活地模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手为了抓取空间中任意位置和方位的物体，所需有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。
1.2 气动技术的发展
气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到50年，却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广，发展最快，也最易被接受及重视的技术之一。气动技术有几个主要的历史发展阶段。至50年代初.大多数组件从液压组件改造或演变过来，体积很大。60年代，开始构成工业控制系统，自成体系，不与风动技术相提并论。在70年代，由于与电子技术的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。80年代则是集成化、微型化的时代。 90年代末，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展。气动方式作为一种新的自动化方式，与这几种传统的传动与控制方式相比， 具有如下的优点：
1.气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低，故使用安全.
2.工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。
3.输出力及工作速度的调节非常容易。气缸动作速度一般为(( 50500) mm/s,比液压和电
气方式的动作速度快。
4.可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为数百万次，而SMC的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过一亿次。
5.利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气。可短时间释放能量， 以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。
6.全气动具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。
7.由于空气流动损失小，压缩空气可以集中供应，远距离输送。
为了适应自动化的发展形势，90年代国际气动行业，在不断提高气动元器件性能和降低生产成本的同时，致力于开发各类新型元器件。气动领域发展的趋势表现在两个方面:即气动技术与机械技术的结合以及气动技术与电子技术的结合。这些新型气动技术的出现，在很大程度上促进了气动技术在自动化领域的广泛应用。
1)气动技术与机械技术的结合
气动、机械一体化的特点是将传统系统的多种单立组件和机构经过优化和专门化设计有机地集成为一体，成为系列的规范产品。与此同时，采用模块化设计原理，使产品的尺寸规格覆盖面更为广阔，为用户带来更多的方便和经济效益。
2)气动技术与电子技术的结合
近10年来电子技术的突飞猛进是最令人注目的，这为气动技术的进一步发展提供了必要的条件。气电一体化的发展趋势和现实意义已为实践所证明.近10年来在气电一体化方面最为成功的产品可以说是以下三类：
a)阀 岛
b)伺服定位系统
c)比例控制组件
正是气动技术的飞速发展，推动了气动自动化控制技术的广泛应用。气动自动化控制技术是利用压缩空气作为传递动力或信号的工作介质，配合气动控制系统的主要气动组件，与机械、液压、电气、电子(包含PLC控制器)相结合。
1.3 PLC的发展概况和发展
可编程控制器（PLC）的应用使电气控制技术发生了根本的变化。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，半导体技术，自动控制技术，数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。PLC以其可靠性高，灵活性强，使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。从运动控制到过程。从单机自动化到生产线自动化，从工业机器人。数控设备到柔性制造系统（FMS），从集中控制系统到大型集散控制系统，PLC均充当着重要角色，并展现出了强劲的态势。PLC作为先进的，应用势头最强的工业控制器风靡全球。PLC技术，CAD/CAM技术和工业机器人成为现代工业控制的三大支柱。
经过30多年的发展，PLC已形成了完整的工业控制器产品系列，其功能从初期的主要用
于替代继电——接触器控制的简单功能，发展到目前的具有接近计算机的强有力的软硬件功能。PLC用于包括逻辑运算，数值运算，数据传送，过程控制，位置控制，高速计数，中断控制，人机对话，网络通信等功能的控制领域。PLC源于替代继电——接触器控制，它与传统的电器控制技术有着密不可分的联系。
（一） 第一阶段
从1969年第一台PLC问世到1972年，是PLC的初创阶段。
（二） 第二阶段
从1973年到1978年，是PLC的成熟阶段。
（三） 第三阶段
从1978年到1984年，是PLC的大发展阶段。
（四） 第四阶段
从1984年至今，是PLC的继续发展阶段。
虽然PLC只有30年的历史，但其发展势头迅猛，目前PLC的年生产增长率仍保持在30%到40%的水平。成为当今增长速度最快的工业控制器，而且还将要继续发展下去。PLC将向两个方向发展：一方面向着大型化的方向发展，另一方面向着小型化方向发展，以适应不同场合和不同要求的控制需要。运用PLC控制的机械手具有操作简单，安全，与通用计算机可直或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并购成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，是机械化向自动化系统发展的需要。
第二章 总体方案设计
2.1 方案的提出
该机械手可用于自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，本设计主要是热处理淬火加工的物料搬运机械手，有自动和手动操作两种模式。自动模式下，PLC控制机械手上的各汽缸按程序预定的轨迹运动；手动模式下，由操作员在操作面板上采用按钮对系统进行控制，按钮控制各汽缸的启停动作及相关行程阀的方向切换。其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中的，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小。同时还具有操作方便，工作可靠，安全，维护简单，节省成本，提高劳动生产率等特性。
2.2 系统总体设计
将工件由A处传送到B处，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动汽缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。线圈，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动汽缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执
行放松动作。设备装有上、下限和左、右限位开关，线圈的通断由PLC来控制。（机械手的动作过程图如下图）
降
（动作过程图）
第三章 PLC控制机械手系统设计（硬件）
3.1 机械手传递动作流程分析
下图是气动机械手动作示意图，其功能是将工件从A处移送到B处。气动机械手的升降和左右移行分别使用双线圈的电磁阀，在某方向的驱动线圈失电时能保持在原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。上升、下降对应的电磁阀线圈分别是YV3、YV1，右行、左行对应的电磁阀线圈分别是YV4、YV5，机械手的夹钳使用单线圈电磁阀YV2，线圈通电时夹紧工件，断电时松开工件。通过设置限位开关，分别对机械手的下降、上升、右行、左行进行限位，而夹钳不带限位开关，它是通过延时1S来表示夹紧、松开动作的完成。
3.2 各电气设备的控制方式及控制要求
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有手动控制、回原位和自动控制等工作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来（操作面板如下图）。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现；当旋钮打向“回原位”时，系统会自动地回到左上角位置待命。自动工作方式时，机械手在原位，只要按下启动按钮，机械手就会连续循环动作，直到按下停止按钮，机械手才会最后运行到原位并停止；而在传送工件的过程中，机械手必须升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其它工件。
图1 机械手传送示意及操作面板图
3.3 电器元件、硬件的选择
机械手的硬件结构
通常机械手的结构由以下几部分组成:
( 1) 执行机构。执行机构是由杆件与关节组成, 从功能上可分为手部、腕部、臂部、腰部与基座。
( 2) 驱动—传动装置。驱动—传动装置包括驱动器和传动机构两部份, 它们通常与执行机构连成一体。驱动装置通常采用的是电动机、液压作为驱动元件; 传动机构采用的是同步带轮传动, 而PLC控制的气动机械手主要采用汽缸作为传动机构，它是由PLC控制的电磁阀控制汽缸的伸缩动作，从而实现夹紧，上升，下降，放松等相应动作。
( 3) 控制系统。在本次设计中采用FX2N-48MR型PLC进行控制, 并在PLC 上连接位置控制模块, 通过位置控制模块对汽缸动作进行控制。
(4)PLC的硬件组成
PLC主要由电源、中央处理器、存储器、输入\输出接口及外围设备接口等组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入\输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位机算计等外设连接。
3.4 PLC所需各类继电器与元件的I\O点数表
3.5. PLC 型号的选择
此次研究的机械手驱动装置为汽缸, 汽缸主要由PLC 与位置控制（行程开关）模块来控制, 机械手的运动是由3个汽缸协调运作而完成的, PLC 控制3个汽缸的运动, 位置控制模拟汽缸动作行程，是保护装置。因此在选用PLC 的型号时，就应在满足机械手的硬件要求下选择。在本次设计中选用PLC，通过采用RS- 232 通信端口使用串行通信传输数据来控制汽缸的动作。设计选择PLC 型号为三菱公司的FX2N-48MR型。FX2N-48MR型PLC 输入/ 输出点数为 24点, 体积小, 容量大, 基本性能好，CPU处理速度达到了0.065us/基本指令内置了高达64K步的大容量RAM存储器。大幅增加了内部软元件的数量强化了指令的功能，提供了多达209条应用指令，包括像与三菱变频器通讯的指令，CRC计算指令，产生随机数指令等等， 并且具有中型PLC 所具备的所有功能。可实现全方位通信功能, 使用工具口( RS232C) 通过它主机能够与触摸屏或电脑实现通信。
3.6 PLC所需各类继电器与元件的分配表（I／O)
及原理接线图
表1 机械手传送系统输入和输出(I／O)点分配表
表二 PLC的外部输入、输出原理接线图
第四章 PLC控制机械手系统设计（软件）
4.1 PLC软件的组成
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，并存入PLC的系统存储器中，其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、监控程序等组成。
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。其软件主要有以下几个逻辑部件：
a继电器逻辑
它包括输入继电器(X)、输出继电器（Y）、内部继电器（M）
b定时器逻辑
C计数器逻辑
4.2控制程序及梯形图设计
1、操作系统
操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图3所示。
其原理是：
把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，
则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。
2、回原位程序
回原位程序如图4所示。用S10~S12作回零操作元件。应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。
3、手动单步操作程序
如图5所示为手动单步操作程序，机械手的夹紧、放松及上、下、左、右移动都由相应的按钮完成，并却图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。一旦下降或（上升）的电磁阀线圈通电，机械手下降或（上升），即使线圈再断电，仍保持现有的下降或（上升）动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。
4、自动操作程序
自动操作状态转移见图6所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。
移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。
在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。
5、机械手传送系统动作流程图、时序图及梯形图
①流程图：
降到位
升到位
移到位
降到位
升到位
移到位
动作流程图
②时序图：
启动停止操作区
下降
下降限位开关
夹紧上升
上升限位开关
右移
右限位开关
下降
下限位开关
放松上升
上升限位开关
左移
左
移限位开关
机械手时序
图
③梯形图：
如下图所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。
回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。
6指令表，（如图所示）如后附1
第五章 调试并模拟机械手的动作过程作出分析
5.1 PLC程序的调试
PLC程序的调试可分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来找接线故障。不过，为了安全考验，最好将主电路断开。当确认接线无误后再接通主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整个的控制功能为止。 ⑴ 程序的模拟调试
将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户的程序一般先在试验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来代替模拟，各输出量的通、断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载。可以根据功能图表，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能图表的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。 在调试的时候应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。
如果程序中莫些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入他们的实际设定值。
在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其它硬件的安装、接线工作也可以同时进行。 ⑵ 程序的现场调试
完成上述的工作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时解决。如果调试达不到指示要求，则对相应硬件和软件部分做适当调整，通常只需要修改程序就可以达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。 ⑶ 基本操作方法
①将梯形图程序输入到计算机中。
②对程序进行调试运行。
a将转换开关旋至“手动”挡，按下相应的动作按钮，观察机械手的动作情况。 b将转换开关旋至“回原位”挡，按下回原位按钮，观察机械手是否回原点。 c将转换开关旋至“自动”挡，按下启动按钮，观察机械手是否能连续自动运行。
5.2 模拟机械手的动作过程作出分析
限位条件满按下起动按钮SB1，输入点0000为ON,则作为互锁条件的辅助继电器1000为ON，互锁指令IL接通，IL与ILC之间的线圈正常工作，“全部输出禁止”解除。若(抓图1)常闭触点都为ON，保持继电器HR000接通，输出点0503使上升电磁阀得电，手臂上升。当手臂上升到位时，上升限位开关使输入点0005闭合，保持继电器HR001 接通，HR000复位，输出点0501使左转电磁阀得电，手臂左转。......以后每当一步动作到位，足时，状态转移，进行下一工步动作。当状态转移到HR008为ON时，输出点0506使放松电磁阀得电，机械手放松，同时定时器TIM00计时。当计时2秒到，状态又转移到HR000，程序又重新从第一工步开始循环。
停止时，按下停止按钮SB2，0001断开，辅助继电器1000为OFF，互锁指令断开，全部输出被禁止，但各保持继电器的状态是断电保护的，机械手停在现行的工步上。当重新按起动按钮时，互锁指令接通，停止前的输出被恢复，机械手继续在停止前某保持继电器为ON的工步动作。
第六章PLC运行的故障诊断
PLC有很强的自动诊断能力，当PLC自身故障或外围设备故障，都可用PLC上具有的诊断指示功能的发光二极管的亮灭来诊断。
PLC故障查找流程图 ⑴ 总体检查
根据总体检查流程图找出故障点的大方向，逐渐细化，以找出具体故障，如下图所示
⑵ 电源故障检查
电源灯不亮需对供电系统进行检查，检查流程图如下图所示
⑶ 输入输出故障检查
输入输出是PLC与外部设备进行信息交流的通道，其是否正常工作，除了和输入输出单元有关外，还与连接配线、接线端子、保险管等元件状态有关。检查流程图如下图所示
⑷ 运行故障检查
电源正常，运行指示灯不亮，说明系统已经因某种异常而终止了正常运行，检查流程图如下
（5）外部环境的检查
影响PLC工作的环境因素主要有温度、湿度、嘈音与粉尘、以及腐蚀性酸碱等。在机
械手控制方面要注意PLC的防震。
第七章 设计小结
时间稍纵即逝，眨眼间三年的光阴已流去。对三年成果的检验---毕业设计也临近尾声，在我看来此次的设计也相当于一次实习，它是对我三年来学习成果的大检阅。在此次设计过程中使我懂得了作为一个设计人员应具备的勤奋、务实、向上、协作的精神和作风。此次实践也使我掌握了较强的分析问题和解决问题的能力，同时增强了我的高组织和团队协作能力，为以后能从事设计事业打好了坚实基础。从设计中我明白了，现代社会，机遇与挑战并存；懂得了：只有坚持不懈的努力才会有好的收获。有了这种信念，我将以乐观向上的进取精神，勤奋刻苦的学习态度，踏实肯干的工作作风，团队合作的处世原则，开拓进取，迎难而上，超越自我。由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，特别是编程方面还需要进一步的提高。但是我相信我现在已经具有了这种设计思维与设计理念的能力，在以后的学习和工作中不断吸取，不断总结，相信我将克服缺点，为社会创造出更好的成绩。
此次设计中，我想感谢老师的指导，以及一起工作的同学，因为大家使我明白了许多道理，并较顺利的完成了毕业设计。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。在未来的日子里，我将会更加努力的去学习，去钻研；努力工作，以回报父母、报答曾经关心过我的领导、老师和朋友！最后衷心的说声“谢谢”。
（参考资料〕
(1) 可编程序控制器原理与应用 西安电子科技大学出版社 主编 汪志锋 (2) PLC应用开发技术与工程实践 人民邮电出版社 编著 廖常初 (3) 可编程控制器技术及应用 北京理工大学出版社 编著 夏辛明 (4) 可编程控制器应用技术 机械工业出版社 主编 王也仿 (5) 可编程控制器原理与应用 中国电力出版社 主编 郁汉琪 (6) 可编程序控制器（PLC）应用技术 山东科学技术出版社 (7) PLC机电控制系统应用设计技术 电子工业出版社
编著 徐德 主编 鲁远东