毕业设计机械手PLC控制系统设计.doc
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1、机械手PLC控制系统设计摘 要随着微处理器、计算机对数字通信技术的飞速发展,计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一要求,生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器正是顺应这一要求出现的,它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。本文介绍了FX2n系列可编程控制器对机械手的控制,包括PLC和I/0的分配图和接线图,运用限位开关与PLC程序配合,以驱动机械手按其工艺流程完成工作。由于PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展、及其可靠性等特点,可以根据现场要求,实
2、现机械手的不同工作要求。关键词:PLC ,限位开关,可靠性,自动化Manipulator PLC control system designABSTRACTAs a microprocessor, a computer to the rapid development of digital communication technology, the computer control system has been extended to almost all of the industrial field. Modern society demands of market demand man
3、ufacturing respond immediately to produce small batch, many varieties and specifications, low cost and high quality products. In order to meet these requirements, the production equipment and automatic production line of control system must have high reliability and flexibility. Programmable control
4、ler is catering to this request, it appears on the microprocessor-based general industrial control device. This paper introduces fx2n series programmable controller for the control of the manipulator, including PLC and I/O assignment graph and the wiring diagram, using limit switches and PLC program
5、, in cooperation according to its process flow driven manipulators finish work. Because with the flexibility, PLC modularization and easy to expand, and its reliability etc, to according to the requirements of the manipulator, achieve different work requirements. KEY WORDS: PLC,limit switches,reliab
6、ility,automation目录前言1第1章 课题设计内容21.1机械手系统21.2 工艺过程3第2章 控制方案的选择42.1 机械手的控制方式42.2 单片机与PLC以及继电器等控制的区别42.3 PLC控制系统的特点52.4 确定控制方案6第3章 PLC型号的选择73.1 PLC机械手系统控制要求73.2 PLC型号选择原则83.2.1 合理的机构形式83.2.2 安装方式的选择83.2.3 相应的功能要求83.2.4 响应速度要求93.2.5 系统可靠性的要求93.2.6 机型尽量统一93.3 PLC型号的确定93.4 分配I/O接口103.5 外部接线图103.6 控制系统所需设备
7、11第4章 PLC程序设计124.1 总体按程序124.1.1 公用程序134.1.2 手动程序144.1.3 回原位程序154.1.4 自动程序164.2 梯形图所对应语句表19第5章 PLC程序调试仿真235.1 GX软件调试程序23结论26谢 辞27参考文献28前言机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作,可以简化控制线路,节省成本,提高劳动生产率。在市场经济的刺激下,许多商家为了取得更大的利益,不断要求要提高生产效率,所以需要把PLC机械手设计得更加完善、更加有效率、
8、更加安全和耐用。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。本文中采用了以工业顺序控制过程中广泛使用的可编程控制器(PLC)对机械
9、手进行控制。通过对机械手的工作原理的分析,提出总体设想,初步设计了电气传动部分的设计方案和PLC控制的程序流程图。根据生产要求,选用三菱公司的FX-2N系列的PLC,实现了机械手的手动工作方式和自动工作方式,而自动工作方式又分为单步、单周期、连续等工作方式。本文共分为四章,第一章主要介绍课题设计要求,第二章主要介绍设计方案的的选定,而第三章是运用所学知识,采用PLC基本指令编辑机械手程序,运用限位开关与PLC程序的配合实现控制要求,以满足生产要求,最后一章则是对PLC控制程序的调试过程。PLC的应用领域是宽阔的,还有许多领域急待开拓,如用于海关过境车辆认证(深圳盐田)、自动售药(若干中药店)在
10、我国已有实例。另外,在离散事件系统中,如公路网交通流(车辆计数、乘客计数及停留时间计量)、物流系统、柔行制造系统(敏捷制造系统)及一切非标准随服务系统中,均可以采用PLC,进而建模和采取对策并优化。 第1章 课题设计内容1.1 机械手系统图 1-1 机械手动作示意图如图1-1所示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了双线圈的电磁阀,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YV2、YV1,右行、左行对应的电磁阀线圈分别是YV3、YV4。机械手的夹钳使用单线圈电磁阀YV5,线圈通电
11、时夹紧工件,断电时松开工件。通过设置限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4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1.7s来表示夹紧、松开动作的完成的。为满足任务需要,机械手须具有手动与自动梁总控制方式。1.2 工艺过程机械手的初始位置在如图1-1所示,按下启动按钮,机械手将依次完成如图1-2所示:右行上升夹紧下降左行上升放松下降图 1-2 工艺过程机械手下降、上升、右行、左行的动作靠限位开关来控制,而夹紧放松动作的转换是由时间继电器来控制的。第2章 控制方案的选择2.1 机械手的控制方式机械手:mechanical hand,也被称为自动手,auto h
12、and 能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。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、运动机构和控制系统三大部分组成。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
13、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。能满足机械手生产要求的控制方式主要有单片机、PLC、继电器-接触器控制系统等控制方式。2.2 单片机与PLC以及继电器等控制的区别单片机定义:顾名思义集成在一个芯片内的计算机系统,又叫单片微控制器,英文:mcu,他具有计算机的全部功能。 PLC定义:PLC是英文Programmable Logic Controller的简称,翻译过来就是可编程逻辑控制器,PLC是一种数字运算操作的电子系统,广泛应用于工业控制。它采用可以编制程序的存储器,用来存储执行
14、逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等一系列操作的指令,而且还能以数字或模拟的方式输入和输出,控制各类的机械或生产过程。继电器控制逻辑使用了大量的机械触点,连线较多。触点断开或闭合时会受到电弧的损坏,并有机械磨损、寿命短,因此可靠性和维护性差。继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制,工作频率低,触点的开闭一般在几十毫秒数量级;另处,机械触点还会出现抖动问题。单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点,特别是强大的面向控制的能力,使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了极为广泛的应用。但单片机是直接开发控
15、制系统,对开发者要求相当高,不是一般水平可以胜任的,开发周期长、成本高,对于机械手控制设计,需要做实验,印刷电路板就需要一笔相当的费用,因为工业控制系统对抗干扰的要求非常高,稳定第一而不是性能第一。所以电路板设计必须不断实验、改进。PLC其实就是专为工业现场应用而设计的计算机,采用了典型的计算机结构,主要是由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出单元,电源及编程器几大部分组成。PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成,体积小、寿命长、可靠性高。PLC配有自检和监督功能,能检查出自身的故障并随时显示给操作人员,还能动态地监视控制程序的执行情况,为现场调试和维护提供了方便。
16、2.3 PLC控制系统的特点1. 高可靠性 (1)所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。(2)各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为1020ms。(3)各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。(4)采用性能优良的开关电源。(5)对采用的器件进行严格的筛选。(6)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。(7) 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。 2. 丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号,如:交流或直流;开关量或模拟量
17、;电压或电流;脉冲或电位;强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如:按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能,它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块,等等。3. 采用模块化结构为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU,电源,I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4. 编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需
18、要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5. 安装简单,维修方便 PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。2.4 确定控制方案综上所诉此设计选用PLC控制较为合理、易于实现。第3章 PLC型号的选择3.1 PLC机械手系统控制要求为满足生产要求,机械手设置手动和自动两种工作方式,而自动控制又分为单步、单周期和连续工作方式。图 3-
19、1机械手操作面板图3-1为机械手操作面板,机械手能实现手动、回原位、单步、单周期和连续等五种工作方式。手动工作方式时,用各按钮的点动实现相应的动作;回原位工作方式时,按下“回原位”按钮,则机械手自动返回原位;单步工作方式时,每按一次起动按钮,机械手向前执行一步;选择单周期工作方式时,每按一次起动按钮,机械手只运行一个周期就停下;连续工作方式时,机械手在原位,只要按下起动按钮,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下;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。3.2 PLC型号选择原则PLC的选择主要应从P
20、LC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。3.2.1 合理的机构形式PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中;而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,
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