毕业设计(论文)基于三菱PLC的工业机械手设计.doc
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1、摘 要伴随着机电一体化在各个领域的应用,机械设备的自动控制成分显得越来越重要,由于工作的需要,人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害,增加了工人的劳动强度,甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构,是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识:它能部分地代替人工操作;能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件,显著地提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本设计采用三菱Q
2、系列PLC作为控制机对工业机械手进行控制及监控。关键词:可编程控制器PLC; 机械手; 伺服马达ABSTRACTFollows the integration of machinery in each domain application, the mechanical device automatic control ingredient is appearing more and more importantly, industry manipulator is a new technology which in the modern automatic control domain ap
3、pears, its development is because its positive role was knowing day by day for the people: It can the partial zones for the manual control; Can defer to the production craft the request, follows the certain procedure, the time and the position completes the work piece the transmission and loading an
4、d unloading; Can manufacture the essential machines and tools to carry on the welding and the assembly thus greatly improves workers work condition, remarkably enhances the labor productivity, speeds up realizes the industrial production mechanization and the auto mated step. This design uses grinds
5、 the overseas Chinese laborer industry control computer to take on the position machine, Q PLC carries on the monitoring and the performance data as the lower position machine to freedom industries manipulator files away.Keywords:Programmable controller PLC; Machine hand; MOTOR目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论1
6、1.1 研究意义现状分析及其意义11.2 机械手的发展趋势及其优点21.3 基于PLC控制机械手设计要求22 PLC的结构、工作原理及系统设计42.1 PLC的结构42.2 PLC的主要组成部分52.3 PLC的工作原理62.4循环扫描技术62.5 PLC的编程工具72.6 PLC控制系统的构成、设计原则及步骤82.7 PLC控制系统发展趋势93 机械手的结构及工作原理113.1 机械手的发展趋势及其特点113.2 ROBOT的组成123.3 ROBOT的基本操作133.3.1 ROBOT基本操作133.3.2 程式教导143.3.3 程式的编辑153.3.4 ROBOT基本操作补充184 硬
7、件电路设计194.1 主要硬件194.1.1 ROBOT194.1.2 PLC194.2 辅助硬件264.2.1 滤波器264.2.2 保险丝274.3 电路设计275 程序设计295.1 PLC程序设计295.2 ROBOT程序346 结论37致谢38参考文献401绪 论可编程序控制器(PLC)已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛的应用。它是以微处理器为核心,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置,它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点;气动技术也是实现工业自动化的重要手段,并且已广泛地应用于各工业部门,在机械产品自动化
8、、工业自动化及企业技术改造方面占有重要的地位。气压传动的介质来自于空气,环境污染小,工程容易实现。机械手在工业自动化生产中得到了很好的利用,它可减少人的重复操作,并且它还可以完成人无法完成的操作,从而大大地提高工业生产效率。人们一般的理解来看,机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置,或者叫自动化装置,它仍然是个机器,它有三个特点,一个是有类人的功能,比如说作业功能,感知功能,行走功能,还能完成各种动作,它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作,这里一个显著的特点,就是它可以编程,改变它的工作、动作、工作的对象,和工作的一些要求,它是人造的机器或机械电子装置。到目前为止,工业机器人是最成熟,
9、应用最广泛的一类机器人,世界总量目前已经销售110万台,这是1999年的统计,但这110万台在已经进行装备使用的是75万台,这个量也是不小的。总体情况看,日本在工业机器人这一块,是首位的,成为机器人的王国,美国发展也很迅速,目前在新安装的台数方面,已经超过了日本,中国刚开始进入产业化的阶段,已经研制出多种工业机器人样机,而有小批量在生产中使用,这也是整个在日本、美国以及我们国家在工业机器人情况的一些比较。1.1 研究意义现状分析及其意义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。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。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
10、技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。我国现有机器人研究开发和应用工程单位200多家 ,其中从事工业机器人研究和应用的有75家 ,共开发生产各类工业机器人约800台 ,90%以上用于生产中 ,引进工业机器人做应用工程的约500台。计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术发展的基础上产生的。在经济全球化的浪潮中,降低人力成本,提高生产率,缩短订单处理时间等已成为生产企业的不断追求。为了达到这一目标,它们越来越依赖于新一代的硬件和软件系统。近年来,由于个人计算机(简称PC)的高速率和对硬件与软件的几乎无限制的开放,使得PC的应用迅猛增长。将PC机CPU的高速处理性能和良好的开放性引入
11、到计算机控制领域,形成了基于PC的控制系统。随着计算机控制技术在机械手应用中的不断深入,具有独立控制器、程序可变、动作灵活、定位精度高、适用于可变换品种中小批量自动化生产的通用机械手得到迅速发展。各国大企业工业机械化生产过程不同程度实现了工业机械手的计算机控制。1.2 机械手的发展趋势及其优点工业机械手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。它能部分地代替人工操作;能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件,显著地提高劳动生产率,加快实现工
12、业生产机械化和自动化的步伐。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。广泛采用工业机械手,不仅可以提高产品的质量与产量,而且对保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。1.3基于PLC控制机械手设计要求本设计要求通过PLC与机械手的相互通信,实现PLC对机械手的自动控制,从而使机械手完成自动抓取和放置的过程,同时还能实现在紧急情况和故障的情况下机械手能够自动停止动作。通过PLC中的QD75模块对伺服控制器的控制,从而控制电机使传送带转动。以下是本设计过程中要求机械手实现的动作过程流程图:
13、ROBOT启动工件到位移动至抓取点上方移动至抓取点汽缸动作,抓取工件 汽缸动作结束,抓取到工件汽缸动作,放置工件移动至放置点上方移动至原点移动至放置点汽缸动作结束,放置工件图1-1动作流程图2 PLC的结构、工作原理及系统设计2.1 PLC的结构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计算机相同。根据结构形式的不同,PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。整体式(又称箱体式)结构的PLC由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(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
14、控制规模固定,但灵活性较低。其基本结构框图如图1所示。电源中央处理器(CPU)输入/输出单元存储器系统总线编程器图2-1 整体式结构模块式(又称组合式)结构的PLC是将中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块,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。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,其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。基本结构框图如图2所示,设计采用的是模块式结构。 机 架编程器现场设备其他PLC或上位机电源模
15、块CPU模块通信模块输入模块输出模块特殊功能模块 图2-2 模块式结构2.2 PLC的主要组成部分(1)中央处理器中央处理器(CPU)是PLC的核心部分,它通过系统总线与用户存储器、输入/输出(I/O)、通信端口等单元相连。通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、调用系统程序对用户程序进行编辑或编译并把相应的操作数转存到内存中去、从存储器上读取和执行程序,还可以进行PLC内部故障的诊断等。(2)存储器根据存储器存储内容的不同,我们把存储器分为:系统程序存储器:用来存放系统程序的存储器。系统程序相当于计算机操作系统,主要包括检查程序
16、、编译程序和监控程序,是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的,并固化到ROM里,用户不能修改其内容。用户程序存储器:用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的PLC,其存储容量也不一样。数据存储器:用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。因为运行中数据不断变化,所以这种存储器必须可读写。(3)输入/输出(I/O)单元输入/输出(I/O)单元是PLC与外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设备向PLC提供的开关量信号,经过处理后,变成CPU能够识别的信号。输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备的。(4)电源部分不同型号的PLC有不同的供电方式,所以PLC电源的输入电压既有12V和2
17、4V直流,又有110V和220V交流。PLC内部使用的电源是整体的供给中心,它的优劣直接影响到PLC的功能和可靠性,因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。(5)通信端口PLC的CPU模块上至少有一个通信端口。通过这个通信端口,PLC可以直接和编程器或上位机相连。(6)编程器几乎每个PLC厂家都有自己的编程器。用户通过编程器来编写控制程序,并通过编程器接口将自己的控制程序输入到PLC。它还可以在线检测程序的运行情况。(7)特殊功能单元主要包括模拟量输入/输出单元、远程I/0模块、通信模块、高速计数模块、中断输入模块和PID调解模块等。随着PLC的进一步发展,特殊功能单元的应用也越来越多。2
18、.3 PLC的工作原理PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同,继电器控制是并行运行方式,即如果输出线圈通电或断电,该线圈的触点立即动作,只要形成电流通路,就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同,它采用循环扫描技术,只有该线圈通电或断电,并且必须当程序扫描到该线圈时,该线圈触点才会动作,而且每次它只能执行一条指令,这也就是说PLC以“串行”方式工作的,这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说,继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出,而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。 2.4循环扫描技术PLC
19、采用循环扫描技术可以分为3个阶段:输入阶段(将外部输入信号的状态传送到PLC)、执行程序和输出阶段(将输出信号传送到外部设备)。扫描过程如图3所示。一个扫描周期扫描周期程序执行阶段输出阶段输入阶段程序执行阶段输出阶段输入阶段程序执行阶段图2-3 循环扫描在输入阶段中,PLC先进行自我诊断,然后与编程器或计算机通信,同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据,并把它们存入相应的输入存储单元。在执行阶段中,PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据,然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算,得到运算结果,并将这
20、些结果存入相应的输出存储器单元。在输出阶段中,PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上,并通过输出模块向外部没备传送输出信号,开始控制外部设备。2.5 PLC的编程工具PLC的编程主要是通过编程器或用PLC公司提供的编程软件来完成。每个PLC公司都有自己的编程器,一般它比较小,而且比较轻,适合在现场使用。但是它只能使用助记符语言对PLC进行编程,而且由于屏幕较小,每次只能显示一两行程序,难于对程序从整体上进行分析。PLC公司提供的编程软件则能使用梯形图、助记符或功能块图语言进行编程。通过编程软件,不仅能在一个屏幕上看到十几页,甚至几十页的程序,从宏观上对程序进行编辑和分析,而且它还
21、能对程序的运行情况进行监视。2.6 PLC控制系统的构成、设计原则及步骤PLC控制系统由硬件部分和软件部分组成。对于整个PLC控制系统来说,其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的PLC机型、存储器容量、电源模块、输入/输出模块、通信模块、模拟量输入/输出模块和特殊功能模块等,还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接口,如输入设备(控制按钮、开关、传感器等)、执行装置(接触器、继电器等)和由执行装置控制的现场设备(水泵、鼓风机、阀门等)。软件部分主要包括对PLC进行I/O点地址、内部继电器、定时器、计数器等的分配,PLC控制程序的设计(梯形图、语句表、流程图等),还有一些技术文件等。PL
22、C控制系统是为工艺流程服务的,所以它首先要能很好地实现工艺提出的控制要求。PLC控制系统的设计应遵循以下原则。(1)根据工艺流程进行设计,力求控制系统能最大限度地满足控制要求。(2)在满足控制要求的前提下,尽量减少PLC系统硬件费用。(3)考虑到以后控制要求的变化,所以控制系统设计时应考虑PLC的可扩展性。(4)控制系统使用和维护方便、安全可靠。 一般PLC控制系统的设计步骤如图6所示,具体操作如下:(1)控制要求分析在设计PLC控制系统之前,必须对工艺过程进行细致的分析,详细了解控制对象和控制要求,这样才能真正明白自己所要完成的任务,并更好地完成任务,设计出令人满意的控制系统。(2)确定输入
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