机械手PLC自动控制系统的设计.doc

浙江工业职业技术学院 毕业论文（2009届）机械手PLC自动控制系统的设计学生姓名 学 号 分 院 电气工程分院 专 业 电气自动化技术 指导教师 完成日期 2009年05月18日 机械手PLC自动控制系统的设计摘 要 随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。它集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。本设计就PLC在机械手控制上的应用作了详细阐述。关键词 可编程控制器 机械手 自动控制目 录引 言1第一章 机械手硬件系统21.1机械手介绍21.2 机械手原理31.3 机械手控制要求31.4 机械手系统过程示意图4第二章 PLC硬件系统62.1 PLC的定义和特点62.1.1 PLC的定义62.1.2 PLC的特点62.2 PLC结构和工作原理82.2.1 PLC结构82.2.2 PLC的工作原理92.3 PLC机型的选择102.4 I/O分配112.5 PLC外部接线图12第三章 系统程序设计133.1程序简介133.2 梯形图程序设计143.3机械手指令语句21结 论22致 谢23参考文献24引 言工业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。它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。机械手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。随着工业自动化的发展, 出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序, 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低; 后者因设计复杂, 需较多继电器,接线繁杂, 易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力, 保证了系统运行的可靠性,降低了维修率, 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。可编程控制器（PLC）是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发出来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。如今，PLC在我国各个工业控制领域中的应用越来越广泛。第一章 机械手硬件系统1.1机械手介绍 机械手 mechanical hand。 能模仿人的手和臂某些动作功能，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。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，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。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（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23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；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。机械手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。1.2 机械手原理 机械手的动作流程如图1-1所示：图1-1机械手动作示意图机械手的操作面板如图1-2所示:图1-2机械手操作面板示意图1.3 机械手控制要求工件台A、B上工件的传送不用PLC控制;机械手要求按一定的顺序动作,启动时,机械手从原点开始按顺序动作.停止时,机械手停止在现行工步上,重新起动时,机械手按停止前的动作继续进行。为满足生产要求，机械手设置手动工作方式和自动工作方式两种，而自动工作方式又分为单步、单周和连续工作方式。1.手动工作方式利用按钮对机械手的每一步动作单独进行控制，例如按“上升”按钮，机械手上升；按“下降”按钮，机械手下降。此种工作方式可使机械手置原位。2.单步工作方式从原点开始,按自动工作循环的工序,每按一下起动按钮,机械手完成一步的动作后自动停止。3.单周期工方式按下起动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作后，停在原位。4.连续工作方式机构在原位时，按下起动按钮，机构自动连续的执行周期动作。当按下停止按钮时，机械手保持当前状态。重新恢复后机械手按停止前的动作继续进行工作。1.4 机械手系统过程示意图 机械手系统的运作过程就如图1-3所示：开始机械手右移机械手初始状态手动单步单周期循环机械手下降机械手夹紧机械手上升机械手下降机械手放松机械手上升机械手左移循环是否结束程序图1-3机械手系统过程示意图第二章 PLC硬件系统2.1 PLC的定义和特点2.1.1 PLC的定义PLC自问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会（IEC）先后颁布了PLC标准的草案第一稿、第二稿和第三稿，并在1987年作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部程序存储、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台专为工业环境应用而设计的计算机，它是将传统的继电器技术、计算机技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置。在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体工业应用，因此他的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。2.1.2 PLC的特点 PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以在工业控制方面，有着继电器控制或通用计算机所无法比拟的特点。1.可靠性高 PLC的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面：在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对采用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强的抗振动冲击性能；无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器控制系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；PLC模块式的结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量缩短系统的维修时间。 在软件方面，PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池I/O口、通信等出现异常时，PLC的自诊功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；停电时，后备电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失。 由于采取了以上的有效措施，保证了PLC的高靠性，从而使PLC的平均无故障时间高达几十万小时。2.面向控制过程的编写语言，容易掌握 PLC的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。虽然PLC是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户具有很强的程序设计能力，只要用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。3.易于安装、调试、维修在安装时，由于PLC 的输入/输出接口已经做好，因此可以直接和外部设备相连，而不再需要专用的接口电路。而且PLC的软件功能取代了原来的继电器控制中的中间继电器、计时器、计数器等一些器件，所以硬件安装上的工作量相应减少。 PLC的调试可先在实验室模拟完成，模拟调试完成后再现场安装、调试。这样就可以避免可能在现场会出现的一些问题，从而缩短调试周期。 在维修方面，PLC完善的诊断和显示功能，可以通过模块上的显示或编程器等很容易地找出故障的模块，而且由于模块化设计，因此只需对出错的模块进行更换即可。4.网络功能强大 PLC不仅能做到远程控制、进行PLC内部通信与上位机进行通信，还具备专线上网、无线上网等功能。5.体积小、重量轻 由于PLC内部电路主要采用微电子技术设计，因此它具有体积小、重量轻等特点。2.2 PLC结构和工作原理2.2.1 PLC结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型机相同。根据结构形式不同，PLC的基本结构可分为整体式和模块式。1.整体式结构 整体式（又称箱体式）结构的PLC由CPU、存储器、I/O单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。2.模块式结构 模块式（又称组合式）结构的PLC是将CPU、存储器、I/O单元、电源电路和通信端口等分别作成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。其中PLC的CPU和存储器设计在一个模块上，有时把电源也放在这一模块上，该模块在总线上的安装位置一般是固定的。模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，该结构的特点是系统构成的灵活性较高，可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也较高。2.2.2 PLC的工作原理PLC的工作过程是周期循环扫描的工作过程。用户程序通过编程器或其他输入设备输入存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始工作时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成个输入点的状态采集或数据采集、用户程序的执行、各输出点状态的更新、编程器键入响应和显示更新、及CPU自检等功能。PLC扫描可按固定顺序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行，这不仅仅因为有的程序不需要每扫描一次，执行一次，也因为在一个大控制系统中，需要处理的I/O点数较多。通过不同的组织模块的安排，采用分时分批扫描执行的方法，可缩断扫描周期和提高控制的实时相应性。PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少外界干扰的影响。PLC的工作过程分三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。如图所示：图2-1 PLC扫描工作过程图2.3 PLC机型的选择如何在实际应用时选择合适的 PLC设备 ,也是很关键的问题。首先是选用合适厂家的产品。目前市场上的 PLC 产品很多。最具代表性的有日本立石公司 欧姆龙 - OMRON 、德国西门子公司以及日本三菱公司的可编程控制器（PLC）系列产品。其中 OMRON 的 PLC,以小型产品最受欢迎。一方面是由于其价位较低,性能价格比较高;另一方面是由于它配有较强的指令系统。我国普遍使用的小型(PLC 产品是 OMRON 产品。立石公司 欧姆龙 -)OMRON 首推 C系列 PLC。西门子 PLC产品品质精良但价格昂贵。三菱公司则推出整体式 PLC。当 PLC厂家确定后 ,便可根据 PLC 的技术指标来选择合适的 PLC 设备。例如:输入/输出点数(PLC外部输入、输出端子总数 ,这是 PLC 最重要)的一项指标 、扫描速度、指令条数、内存容量等。通过对我设计的机械手系统分析，使用了18个输入点,出于要预留20%的空点,故决定选择三菱FX2N-48MR的PLC。2.4 I/O分配 I/O分配表如表2-1所示。 表2-1 I/O分配表输入信号输出信号名称代码输入点编号名称代码输入点编号手动挡SAX0松开按钮SB8X15回原位挡SAX1下限位开关SQ1X16单步挡SAX2上限位开关SQ2X17单周期挡SAX3右限位开关SQ3X20连续挡SAX4左限位开关SQ4X21回原位按钮SB9X5启动按钮SB1X6输出信号停止按钮SB2X7名称代码输出点编号下降按钮SB3X10下降电磁阀线圈YV1Y0上升按钮SB4X11上升电磁阀线圈YV2Y1右行按钮SB5X12右行电磁阀线圈YV3Y2左行按钮SB6X13左行电磁阀线圈YV4Y3夹紧按钮SB7X14松紧电磁阀线圈YV5Y42.5 PLC外部接线图本次设计的机械手的PLC控制外部接线图如图2-2所示:图2-2 PLC外部接线图第三章 系统程序设计3.1程序简介PLC基本设计一般包括总体设计、硬件设计软件设计和系统调试四项内容。程序设计属于软件设计 ,但与硬件设计相关 ,通常采用继电器系统设计方法中的逐渐探索法 ,以“步”为核心 ,一步一步设计下去、一步一步修改调试 ,直至完成整个程序的设计。由于 PLC内部继电器数量大 ,其接点在内存允许的情况下可重复使用 ,具有存储数量大、执行速度快等特点 ,故采用此法可缩短设计周期。PLC 程序设计可按照以下六个步骤进行:1.确定被控系统必需完成的动作及完成这些动作的顺序。2.分配输入、输出设备。即确定哪些外围设备是送信号到 PLC,哪些外围设备是接收来自 PLC信号的。3.设计 PLC程序并画出梯形图。梯形图体现了按照正确顺序所要求的全部功能及其相互关系。4.实现用计算机对 PLC的梯形图直接编程。5.对程序进行调试 （模拟和现场调试） 。6.保存已完成的程序。显然 ,在建立一个 PLC 控制系统时 ,必须首先把系统需要的输入、输出数量确定下来 ,然后按需要确定各控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的关系。确定控制上的相互关系之后 ,就可以进行编程的第二步 - - 分配输入、输出设备。在分配了PLC的输入输出点、内部辅助继电器、定时器、计数器之后,就可以设计 PLC程序并画出梯形图。梯形图从左母线开始的逻辑行,必须终止于一个继电器线圈或定时器、计数器 ,它与实际的电路图不同。画好梯形图后 ,使用编程软件直接把梯形图输入计算机并下装到 PLC 进行模拟调试 ,反复修改下装 ,直至符合控制要求。3.2 梯形图程序设计1.程序总体结构 机械手系统的程序总体结构分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序四部分。其中自动程序包括单步、单周期和连续运行的程序，因它们的工作顺序相同，所以可将它们合编在一起。CJ（FNC00）是条件跳转应用指令，如果选择“手动”工作方式，即X0为ON，X1为OFF，则PLC执行完公用程序后，将跳过自动程序到P0处，由于X0动断触点断开，所以执行“手动程序”。由于P1处的X1的动断触点闭合，所以又跳过回原位程序到P2处。如果选择“回原位”工作方式，同样只执行公用程序和回原位程序。如果选择“单步”或“连续”方式，则只执行公用程序和自动程序。图3-1 总体结构2公用程序 公用程序如图3-2所示，左限位开关X21、上限位开关X17的常开触点和表示机械手松开的Y4的常开触点的串联电路接通时，辅助继电器M0变为ON，表示机械手在原位。公用程序用于自动程序和手动程序相互切换的处理，当系统处于受动工作方式时，必须将除初始步以外的各步对应的辅助继电器（M11-M18）复位，同时将表示连续工作状态的M1复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动步的异常情况，引起错误的动作。当机械手处于原点状态（M0为ON）时，在开始执行用户程序（M8002为ON）、系统处于手动状态或回原点状态（X0或X1为ON）时，初始步对应的M10将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式作好准备。如果此时M0为OFF状态，M10将被复位，初始步为不活动步，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。图3-2 公用程序3.手动程序 手动程序如图3-3所示，手动工作时用X10X15对应的6个按钮控制机械手的上升、下降、左行、右行、松开和夹紧。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的联锁，例如上升与下降之间的互锁；上升、下降、左行、右行的限位；上限位开关X17的常开触点与控制左、右行的Y3和Y2 的线圈串联，使得机械手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与别的物体碰撞。图3-3 手动程序4.自动程序 自动程序如图3-4所示，系统工作为单步方式时X2为ON，其动断触点断开，辅助继电器一般情况下M2为OFF。X3,X4都为OFF，“单周期”和“连续”工作方式被禁止。假设系统处于初始状态，M10为ON，当按下启动按钮X6时，M2变为ON，使M11为ON，Y0线圈得电，机械手下降。放开启动按钮后，M2立即变为OFF。当机械手下降到下限位时，于Y0线圈串联的X16动断触点断开，Y0线圈失电，机械手停止下降。此时，M11,X16均为ON，其动合触点接通，再按下启动按钮X6时，M2又变为ON，M12得电并自保持，机械手进入夹紧状态，同时M11也变为OFF。在完成某一步的动作后，必须按一次启动按钮，系统才能进入下一步。如果选择单周期工作方式，此时X3为ON，X2的动断触点接通，M2变为ON，允许转换。在初始步按下启动按钮X6，在M11电路中，因M10,X6,M2的动合触点和M12的动断触点都接通，所以M11变为ON，Y0也变为ON，机械手下降。当机械手碰到下限位开关X16时停止下降，M12变为ON，Y4也变为ON，机械手进入夹紧状态，经过1.7S后，机械手夹紧工件开始上升。这样，系统就会按工序一步一步向前运行。打那个机械手在M18步返回原位时，X4为OFF，其动合触点断开，此时不是连续工作方式，因此机械手不会连续运行。系统处于连续方式时，X4为ON，它的动合触点闭合，在初始步按下启动按钮X6,M1得电自保持，选择连续工作方式，其他工作过程与单周期方式相同。按下停止按钮X7后,M1变为OFF，但系统不会立即停止，在完成当前的工作周期后，机械手最终停止在原位。图3-4自动程序5.回原位程序 如图3-5所示为机械手自动回原点程序，在回原点工作方式（X1为ON），按下回原点起动按钮X5，M3变为ON，机械手松开和上升，升到上限位开关时X17为ON，机械手左行，到左限位时，X21变为ON左行停止并将M3复位。这时原点条件满足，M0为ON，在公用程序中，初始步M0被置位，为进入单周期、连续和单步工作方式作好准备。图3-5 回原位程序3.3机械手指令语句机械手的指令语句表如图3-6所示图3-6 机械手指令语句结 论(1)前两年半的时间都在学习工业自动化的理论基础知识，并未真正地去应用和实践，大三上半年的实训课，使我的动手能力有所提高。经过通过这次毕业设计，让我学到了不少东西，感触也满深的，总的说来这次毕业设计，我接触到了平时没有接触的元器件及仪器设备，尝试了全新的知识和制作。从中发现了自己的很多不足。我体会到学习理论知识、培养自学能力、训练思维方法和创新思维方法的重要性；知识掌握得越多，设计就会更全面、顺利、完整。(2） 设计是理论与实践相结合，巩固基础知识与培养创新思维相结合，个人作用与集体协作相结合的一门大型实践课，它培养我们学生的全面素质。我经过这次系统性的毕业设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计、实验的详细过程，这些在我们将来的学习和工作有很大的帮助。（3） 毕业设计对以前学过的理论知识起到了回顾作用，并对其加以了进一步的巩固。（4） 毕业设计培养了我严肃认真和实是求事科学态度，而且培养了我耐心、仔细的工作作风，同时也增强了学生之间、学生与老师之间的友情。致 谢本论文是在陈怀忠老师的悉心教诲指导下完成的，在整个毕业设计期间，得到了导师的认真指导和帮助，导师的严谨学风和渊博学识使本人受益匪浅，在此表示诚挚的敬意和由衷的感谢。同时要感谢电气工程分院领导和老师给我们提供了良好的环境和热心指导。在整个设计过程中，我不但巩固了已经所学的许多基础知识和专业知识，而且在查阅大量课外书籍的同时，开阔了视野，增长了见识，并学到了许多有用的东西，对整个设计有了明确的认识。在软件编程中，还得到张麟裕等同学的积极帮助，在此一并表示感谢。 感谢在百忙中评阅论文和参加答辩的各位领导和老师，由于首次做机械手PLC自动控制系统的设计，错误、漏洞一定不少，望各位老师不吝赐教。 参考文献1张进秋,等.可编程控制器原理及应用实例M.北京:机械工业出版社,20042王淑英,等.电气控制与PLC的应用M.北京:机械工业出版社，20073吴丽,等.电气控制与PLC应用技术M.北京:机械工业出版社,2008.4汤以范.电气与可编程控制技术M.北京:机械工业出版社,20045 王兆义.可编程控制器教程M.北京:机械工业出版社,2003.6高钦和.PLC用用开发案例精选（第2版）M.北京:人民邮电出版社,2008.7高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例.M.北京：人民邮电出版社，2004.8廖常初.PLC编程及应用，2002.9周继功.PLC在机械手中应用研究，河北北方学院学报，2005.8.10杨存智.PLC在自动化生产机械手中的应用，机床电器，2006.1.11王丽伟等.机械手的PLC控制，机床电器，2006.3.12张群生.机械手的PLC控制系统，装备制造技术，2007.5.13熊幸明.一种工业机械手的PLC控制，微计算机信息，2006.7.14孙兵.基于PLC的机械手混合驱动控制，液压与气压，2005.3.