工业机械手模型基于PLC的控制系统软硬件设计-毕业论文

工业机械手模型基于PLC的控制系统软硬件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 -毕业论文 本科毕业设计(论文) 工业机械手模型 基于PLC的控制系统软硬件设计 学生姓名: 学生学号: 院 (系): 机电工程学院 年级专业: 机械设计制造及其自动化 指导教师: 助理指导教师: 更多论文 摘 要 在工业生产和其他领域内，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，甚至于危及生命。工业机械手就这样诞生了,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。电气方面有电机、开关电源、电磁阀、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由PLC输出四路来分别驱动横轴、竖轴、底盘转动、手转动电机，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机;电机拖动手爪和底盘旋转;电磁阀控制气阀的开关来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 拟开发的工业机械手模型可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。 关键字:可编程控制器PLC,机械手,电机,任意位置 I I ABSTRACT In industrial production and other domains, because works need, the people frequently receive factor the and so on high temperature,corrosion and virulent gas harm, increased worker's labor intensity,even endangers life. The industry manipulator like this was born, the manipulator is in theindustry robot assembly system the traditional duty implementingagency, is one of robot key components. The electrical aspect has theelectrical machinery, the switching power supply, the solenoid valve,and so on the electronic device composition. This equipment has covered the programmable control technology, theposition control technology, the air operated technology and so on, isthe integration of machinery model represents one of instruments. Thisarticle introduced the manipulator is outputs four groups by PLCseparately to actuate the abscissa axis, the z-axis, the chassisrotation, hand turns an electric motor, controls the manipulatorabscissa axis and the z-axis pintpointing, the microswitch bequeathsthe position signal the PLC main engine; The electrical machinerydrives the hand fingernail and the chassis revolves; The solenoidvalve controls the air valve the switch to control the manipulatorhand fingernail to gather, thus realizes the manipulator proper motionfunction. This topic plans the industry manipulator model which develops to bepossible in the space to grasp puts the object nimbly, the movement isdiverse, may replace artificially carries on the work in hightemperature and the dangerous operation area, and may changes therelated parameter as necessary according to the work piece change and the movement flow request. Key words: Programmable controller PLC, manipulator,electrical machinery, freeposition. ? II 目录 摘 要 ......................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................. II 1绪论 .......................................................................................................................................... 1 1.1 课题背景 ........................................................................................................................... 1 1.1.1设计的目的和意义..................................................................................................... 2 1.2设计要求 ............................................................................................................................ 3 1.2.1控制要求 .................................................................................................................... 3 1.3 PLC的发展概况 ............................................................................................................... 4 1.3.1可编程控制器的产生................................................................................................. 4 1.3.2 PLC的定义 ................................................................................................................ 4 1.3.3 PLC的特点 ................................................................................................................ 5 2 机械手概述 ........................................................................................................................... 6 2.1 机械手的定义与分类 ....................................................................................................... 6 2.2 机械手发展情况 ............................................................................................................... 7 2.3机械手的发展趋势 ............................................................................................................ 8 3 控制系统硬件设计 ............................................................................................................. 9 3.1 PLC的选型 ....................................................................................................................... 9 3.1.1 常用PLC介绍 .......................................................................................................... 9 3.1.2 确定型号FX1N,60MR ........................................................................................ 13 3.1.3 FX1N所具有优越性能............................................................................................ 13 3.1.4 FX系列PLC型号的说明 ....................................................................................... 16 3.2 三菱FX系列的结构功能 .............................................................................................. 16 3.2.1 PLC内部功能 .......................................................................................................... 17 3.2.2 PLC输入输出接口的安全保护 .............................................................................. 18 3.3 手持编程器FX,20P,E的使用 ................................................................................. 18 3.3.1 HPP的组成与操作面板 .......................................................................................... 19 3.3.2 HPP的操作过程 ...................................................................................................... 21 1 4各功能实现形式与控制方式 .......................................................................................... 25 本机械手模型的机能和特性 ......................................................................................... 25 4.1 4.2 夹紧机构 ......................................................................................................................... 25 4.3躯干 .................................................................................................................................. 25 4.4旋转编码盘 ...................................................................................................................... 26 5软件设计 ............................................................................................................................... 27 5.1 编程软件的使用 ............................................................................................................. 27 5.2 FX1N PLC梯形图中的编程元件 .................................................................................. 28 5.3 程序的总体结构 ............................................................................................................. 29 5.3.1 各部分程序如下 ..................................................................................................... 30 5.4 PLC程序的上载和下载 ................................................................................................. 40 5.4.1 PLC程序的上载 ...................................................................................................... 40 5.4.2 PLC程序的下载 ...................................................................................................... 40 设计小结 .................................................................................................................................. 41 参 考 文 献 ........................................................................................................................... 42 附录 ........................................................................................................................................... 43 附录A:PLC接线图 .............................................................................................................. 43 附录B:指令表 ....................................................................................................................... 44 致 谢 ......................................................................................................................................... 46 2 1绪论 1.1 课题背景 随着我国社会经济的迅猛发展，人民物质文化生活水平日益提高，随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大。为了改变落后的生产状态,缓解日趋紧张的供求关系,我们研究就得开发多工步搬运机械手。 新中国成立特别是改革开放以来，我国社会主义现代化建设取得了举世瞩目的伟大成就。同时，必须清醒地看到，我国正处于并将长期处于社会主义初级阶段。全面建设小康社会，既面临难得的历史机遇，又面临一系列严峻的挑战。经济增长过度依赖能源资源消耗，环境污染严重;经济结构不合理，农业基础薄弱，高技术产业和现代服务业发展滞后;自主创新能力较弱，企业核心竞争力不强，经济效益有待提高。在扩大劳动就业、理顺分配关系、提供健康保障和确保国家安全等方面，有诸多困难和问题亟待解决。从国际上看，我国也将长期面临发达国家在经济、科技等方面占有优势的巨大压力。为了抓住机遇、迎接挑战，我们需要进行多方面的努力，包括统筹全局发展，深化体制改革，健全民主法制，加强社会管理等。与此同时，我们比以往任何时候都更加需要紧紧依靠科技进步和创新，带动生产力质的飞跃，推动经济社会的全面、协调、可持续发展。 进入21世纪，我国作为一个发展中大国，加快科学技术发展、缩小与发达国家的差距，还需要较长时期的艰苦努力，同时也有着诸多有利条件。中华民族拥有5000年的文明史，中华文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成独特的创新文化。只要我们增强民族自信心，贯彻落实科学发展观，深入实施科教兴国战略和人才强国战略，奋起直追、迎头赶上，经过15年乃至更长时间坚韧不拔的艰苦奋斗，就一定能够创造出无愧于时代的辉煌科技成就。 科技工作的指导方针是:自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展，就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。 要把提高自主创新能力摆在全部科技工作的突出位置。在对外开放条件下推进 1 社会主义现代化建设，必须认真学习和充分借鉴人类一切优秀文明成果。改革开放20多年来，我国引进了大量技术和装备，对提高产业技术水平、促进经济发展起到了重要作用。但是，必须清醒地看到，只引进而不注重技术的消化吸收和再创新，势必削弱自主研究开发的能力，拉大与世界先进水平的差距。总之，必须把提高自主创新能力作为国家战略，贯彻到现代化建设的各个方面，贯彻到各个产业、行业和地区，大幅度提高国家竞争力。 我国科学技术发展的总体目标是:自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强，为全面建设小康社会提供强有力的支撑;基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础，形成比较完善的中国特色国家创新体系。 1.1.1设计的目的和意义 科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的设计手段，则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的 发展趋势。 自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展，就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。 科技人才是提高自主创新能力的关键所在。要把创造良好环境和条件，培养和凝聚各类科技人才特别是优秀拔尖人才，充分调动广大科技人员的积极性和创造性，作为科技工作的首要任务，努力开创人才辈出、人尽其才、才尽其用的良好局面，努力建设一支与经济社会发展和国防建设相适应的规模宏大、结构合理的高素质科技人才队伍，为我国科学技术发展提供充分的人才支撑和智力保证。 2 1.2设计要求 采用PLC构成机械手的自动控制系统，可通过修改PLC控制程序，改变对机械 手模型的控制要求。机械手横轴水平面内作前后方向运动，竖轴能在垂直面内作上 下两方向运动，底座能作正反两方向旋转，手能正反两方向旋转，并且底座能在任 意位置停止的功能。机械手抓取:最多1.5kg的重物;机械手前后最大行程500mm; 上下最大行程800mm。模型如图1.1; 图1.1 模型图 1.2.1控制要求 1、接通电源后，机械机构自动复位; 2、横轴前伸; 3、机械手旋转到位; 4、电磁阀动作，机械手张开; 5、竖轴下降; 6、电磁阀复位，机械手夹紧重物; 7、竖轴上升; 8、横轴缩回; 9、底盘旋转到位; 10、横轴前伸; 11、机械手旋转; 12、竖轴下降; 13、电磁阀动作，机械手张开，放下货物; 14、竖轴上升复位。 3 1.3 PLC的发展概况 可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，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、计数和算术运算等，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。 1.3.1可编程控制器的产生 PLC是在激烈的市场竞争中产生的，20世纪60年代末，美国汽车制造业竞争激烈。为适应生产 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 不断更新的需要，美国通用汽车公司(GM)对控制系统提出要求为:(1)能替代各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统，既传统的继电,接触器控制，它简单易懂，价格低廉，能够满足生产工艺改动频繁的需要;(2)编程简单;(3)模块式结构;输入、输出电压是交流115V(美国 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 )，输出能直接驱动继电器和电磁阀;(5)抗电磁干扰强;(6)具有数据通信功能。就是把继电,接触器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电,接触器控制的硬接线逻辑不易修改。美国数字设备公司(DEC)在1969年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车装配线上应用成功，实现装配线的自动控制。 1.3.2 PLC的定义 PLC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，美国电气制造商协会NEMA(National Electrical Manufactory Association)经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC(Programmable Controller)，并给PC作了如下定义: “PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。” 以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义: “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，用于其内部存储程序，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，都按易于与工业控制系 4 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计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置， 其软件需根据控制要求进行设计编制。 1.3.3 PLC的特点 【】4? 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10,20ms。 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。 【】4? 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;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。 ? 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。 ? 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。 ? 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。 5 2 机械手概述 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。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。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。 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。 2.1 机械手的定义与分类 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分代替人工操作;其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地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。因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。在现代生产企业 6 中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。 2.2 机械手发展情况 目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。 在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于 不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。 在机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。 执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。本设计采用二指的构造。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之，机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。 驱动机构主要有四种:液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以电气、气动用得最多，占90,以上，液压、机械驱动用得较少。 液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。它利用液压缸、液压马达加齿轮、齿条实现直线运动;利用摆动液压马达、液压缸与齿条、齿轮与链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无 7 级变速，自锁方便，并能在中间位置。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。一般采用4,6个大气压，个别达到8,10个大气压。它的优点是气源方便，维护方便，成本低。缺点是出力小，体积大，由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。本设计的手爪部分采用气压驱动。 电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护、使用方便。驱动机构和控制系统可以采用同一形式的动力，出力比较大。本设计采用步进电动机驱动手臂运动，直流电动机驱动手爪和机械手的底盘旋转运动。 机械驱动只适用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本低;缺点是不易调整。 机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90,以上。 控制系统可以根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以储存，然后再根据规定的程序，控制机械手工作。对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。 本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单、修改容易、可靠性高等。 2.3机械手的发展趋势 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。代表当今最先进的技术在日本，他的自动化，人性化令人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合各种尖端技术的现代机器。我国也陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化水平有待提高。随着工业现代化的发展，机械手技术也随之提高，发展的趋势是工作强度高，灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能，使人只作平时的简单的维护，这也是现代工厂的发展趋势。 此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 8 3 控制系统硬件设计 对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、PLC控制等。但由于此明确指定采用PLC可编程控制器控制实现，所以，不用我们去考虑控制硬件方案，只是要对PLC进行比较选择。 3.1 PLC的选型 对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数;扫描速度;内存容量;指令条数;功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。 3.1.1 常用PLC介绍 PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。 ? 西门子S7-200系列可编程控制器介绍: SIMATIC S7-200系列PLC是德国西门子(Siemens)公司生产的具有很高性能价格比的微型可编程控制器。西门子是世界上最大的电气和电子公司之一。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。 S7-200作为西门子SIMATIC PLC家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，多年来一直广泛服务于国内的各行各业。由于它具有结构小巧，运行速度快，价格低廉及多功能多用途等特点，因此在工业企业中得到了广泛的应用。 它适用于各行各业，各种场合的检测、监测及控制的自动化。强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。在以下几方面均有出色的表现:极高的可靠性;极丰富的指令集;易于掌握;便捷的操作;丰富的内置集成功能;实时特性;强劲的通讯能力;丰富的扩展模块。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等 S7-200系列PLC在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。S7-200产品凭借其先进性、成熟性和广泛的适用性在自动化产品中受到广泛的重视，相信此次发布的新产品一定能够满足部分用户的需求，同时在自动化领域中获得更广泛的应用。 9 突出的特点: ?可靠性高、操作简便; ?丰富的内置集成功能; ?强劲通讯能力; ?丰富的扩展模块; ?简单、易用的Micro/WIN编程软件。 【】4 S7-200丰富的种类: ?CPU221:内置10个数字量I/O点，不可扩充; ?CPU222:内置14个数字量I/O点，可扩充到78路数字量I/O或10路模拟量I/O; ?CPU224:内置24个数字量I/O点，可扩充到168路数字量I/O或35路模拟量I/O; ?CPU226:内置40个数字量I/O点，可扩充到248路数字量I/O或35路模拟量I/O; ?16种扩展模块:数字量扩展模块，模拟量扩展模块、PROFIBUS-DP扩展模块、AS-I接口模块。 强大的通讯能力: ?点到点通讯方式(PPI); ?多点接口通讯方式(MPI); ?自由通讯口方式(Freeport); ?PROFIBUS-DP网络通讯方式。 ? OMRON C200H 可编程控制器介绍: 图3.1 欧姆龙PLC 欧姆龙株式会社是全球知名的自动化控制及电子设备制造厂商，掌握着世界领先的传感与控制核心技术。自1933年创业至今的七十余年中，通过不断创造新的社会需求，公司全球业务遍及35个国家和地区，拥有超过27，000名员工;产品品种达几十万种，涉及工业自动化控制系统、电子元器件、社会公共系统以及健康医疗 10 设备等广泛领域，在业内建立了响亮的品牌，占据着不可替代的地位。 欧姆龙与中国的渊源可以追溯到30年前。公司创始人立石一真先生曾担任国贸促京都总局副会长，七十年代初作为经济界代表开始了与中国各界的交流与合作。公司从1980年继电器的委托加工贸易开始不断发展，1991年在大连设立了第一家生产健康医疗设备的工厂——欧姆龙(大连)有限公司;1994年，作为第一家日本电子制造企业，被国家有关部门批准成立投资性公司——欧姆龙(中国)有限公司; 经过30年的不懈努力，欧姆龙以高质量的产品和优质的服务，赢得了中国用户的信赖与好评。 先进的、小型化的可编程序控制器.OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小仅相当于一个PC卡(对于10点的机型来说)，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。 可连接可编程终端，选用通讯适配器以相应的上位Link或高速NT Link与PT之间进行高速通讯。 有10点至40点多种CPU单元。CPU单元与扩展I/O并用，可完成10点到100点的输入输出要求。并有AC和DC两种电源型号可选择。 汇集了各种先进的功能，如高速响应功能、高速计数功能、中断功能，还备有2个模拟量设定。 充足的程序容量，具有2048字的用户程序存储器和1024字的数据存储器。 编程环境与CQM1及SYSMAC A等机种相同。由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。 【】9 ? 松下可编程控制器介绍: 包括FPO，FP1，FP2，FP3，FPe，FP-X等系列 图3.2 松下PLC FP-X特点:超高速处理，浮点数PID运算只有32µs，基本指令只需0.32µs，可 11 快速扫描充裕的程序容量达到32K步，注释区域也可以保证;I/O最多300点;通过8位密码和禁止上传功能，有效保护程序:配备USB端口，可与计算机实现简单连接。 FPe(晶体管输出，继电器输出)特点:面板式安装型控制器，电源电压24VDC， 程序容量2.7K步，运算速度0.9μs。 FP2、FP3、FP10sh系列(输出类型同上):最多可控制2048点(使用远程I/O)，程序容量大16K，30K步，可扩展到120K步，CUP运行世界最快(1ms/20步，快速起运0.1ms以下)。 FPO系列(输出同上):世界产品体积最小，扫描周期1ms，选择点从10到128点。 【】10? 三菱FX系列可编程控制器介绍: FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。日本三菱电机公司研发的。在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。其FX2N PLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。 图FX2N PLC3.3 PLC图三菱 FX系列 FX系列PLC基于“基本功能、高速处理、便于使用”的研发理念，使其具有数据传送与比较，四则运算与逻辑运算、数据循环与移动等应用指令系统。除此之外，还具有输入输出刷新、中断、高速计数器比较指令、高速脉冲输出等告诉处理指令，以及在SFS控制方面，将机械控制的标准动作封装化的状态初始化指令等，使功能大大增加。 FX系列PLC在特殊控制方面不但具备模拟量输入输出控制，而且具有定位控制几PID系统控制。在通信方面，能够方便地与PC计算机链接实现数据交换与管理。 12 3.1.2 确定型号FX1N,60MR 综上，对于被控对象，采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较，力求具有较好的性价比，使用和维修方便;选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求;选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型，一般最好不要选用旧机型(若采用三菱公司的PLC，则选FX系列，不选F1系列)。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量;确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。在此，我选用三菱FX来做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司1N 近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是近年推出的产品，FX0 是在FX2之后推出的超小型PLC，近几 年来又连续推出了将众多功能凝集在超 小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、 FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具 有较高的性能价格比，应用广泛。它们 采用整体式和模块式相结合的叠装式结 图3.4 PLC三菱FX1N构，如图3.4。 3.1.3 FX1N所具有优越性能 【】3【基本性能】 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。 【】3 【集成业界领先的功能】 晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令:带DOG搜索的原点回归(DSZR)，中断单速定位(DVIT)和表格设定定位(TBL)，从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。内置6点同时100kHz的高速计数功能，双相计数时可以进行4倍频计数。 【】3【强大的扩展性】 增强了通信的功能，其内置的编程口可以达到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同时使用3个通信口(包括编程口在内)。新增了高速输入输出适配器，模拟量输入输出适配器和温度输入适配器，这些适配器不占用系统点数，使用方便，在FX3U的左侧最多可以连接10台特殊适配器其中通过使用高速输入适配器可以实现最多8路、最高200kHz的高速计数。通过使用高速输出适配器可以实现最多4轴、最高 13 200kHz的定位控制，继电器输出型的基本单元上也可以通过连接该适配器进行定位控制。通过CC-Link网络的扩展可以实现最多达384点(包括远程I/O在内)的控制。可以选装高性能的显示模块(FX3U-7DM)可以显示用户自定义的英文、数字和日文汉字信息，最多能够显示:半角16个字符(全角8个字符)× 4行。在该模块上可以进行软元件的监控、测试，时钟的设定，存储器卡盒与内置RAM间程序的传送、比较等操作。另外，还可以将该显示模块安装在控制柜的面板上。 【】 3表3.1 FX1n性能规格 FX1n性能规格 项目 规格 备注 运转控制方法 通过储存的程序周期运转 批次处理方法(当执行END指I/O控制方法 I/O指令可以刷新 令时) 基本指令:0.55至0.7μs 运转处理时间 应用指令:3.7至几百μs 使用步进梯形图能生成SFC类型程编程语言 逻辑梯形图和指令清单 序 程式容量 内置8K步EEPROM 存储盒(FX1n,EEPROM,8L)可选 基本顺序指令:27 最大可用177条应用指令，包括所指令数目 步进梯形指令:2 有的变化 应用指令:85 最大硬体I/O配置128，依赖于用户的选择(最大软件可设定地址I/O配置 输入128、输出128) 一般 384点 M0到M383 辅助继电器锁定 1152点(子系统) M384至M1535 (M线圈) 特殊 256点 M8000至8255 一般 1000点 S0至S999 状态继电器 (S线圈) 初始 10点(子系统) S0至S9 100毫秒 范围:0至3276.7秒200 T0至T199 10毫秒 范围:0至3276.7秒46点 T200至T245 范围:0.001至32.767秒4定时器(T) 1毫秒 T246至T249 点 100毫秒积范围:0至3276.7秒6点 T250至T255 算 计)C0至C15 C数一般 范围:0至32767数16点 ) 类型:16位上计数器 器 14 C16至C199 锁定 184点(子系统) 类型:16位上计数器 C200至C219 一般 范围:1至32767数20点 类型:32位双向计数器 C220至C234 锁定 15点(子系统) 类型:32位双向计数器 范围:单相 C235至C238 4点 -2147483648+2147483648数;高单相c/w起选择多达4个单相计数器，组速始，停止输C241、C242和C244 3点 计合计数频率不;大于5KHz.或数入 器选择一个比相或A/B相计数)C双相 C246、C247和C249 3点 器,组合;计数频率不大于) 2KHz.注意所有的计数器都锁A/B相 C251、C252和C254 3点 定。 D0至D127 一般 128点 类型:32位元件的16位数据存储 寄存器 D128至D7999 锁定 7872点 类型:32位元件的16位数据存储数寄存器 据D100至D7999通过3块500程式步寄 存文件 7000点 的参数设置 器类型:16位数据寄存器 )D ) 数据从外部设置电位器移到寄存外部调节 范围:0至255 2点 器;D8030和D8031 256点(包含D8013、D8030T从D8000至D8255 特殊 和D8031) 类型:16位数据存储寄存器 V和Z 变址 16点 类型:16位数据寄存器 用于CALL 128点 N0至P127 指标(P) 100*至130* 用于中断 6点 (上升触发*,1，下降触发*,0) 嵌套层次 用于MC和MRC时8点 N0至N7 16位:-32768至32768 十进位K 32位:-2147483648至+2147483647 常数 16位:0000至FFFF 十六进位H 32位:00000000至FFFFFFFF 15 3.1.4 FX系列PLC型号的说明 【】4 FX系列PLC型号的含义如下: 其中系列名称:如0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC等 单元类型:M??基本单元 E??输入输出混合扩展单元 Ex??扩展输入模块 EY??扩展输出模块 输出方式:R??继电器输出 S??晶闸管输出 T??晶体管输出 特殊品种:D??DC电源，DC输出 A1??AC电源，AC(AC100~120V)输入或AC输出模块 H??大电流输出扩展模块 V??立式端子排的扩展模块 C??接插口输入输出方式 F??输入滤波时间常数为1ms的扩展模块 如果特殊品种一项无符号，为AC电源、DC输入、横式端子排、标准输出。 例如FX2N,32MT,D表示FX2N系列，32个I/O点基本单位，晶体管输出，使用直流电源，24V直流输出型。 3.2 三菱FX系列的结构功能 可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的的结构原理与微型计算机相似。硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。系统程序和接口器件又与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、D/A模拟转换器件的组合体的功能，采用软件编程进行它们之间的联系。 本设计采用FX系列PLC作为控制核心，所以现在就以它来讲述PLC的应用知 16 识、操作技能。FX系列PLC硬件组成与其它类型PLC基本相同，主体由三部分组成，其PLC的基本结构如图3.5系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。 图3.5 PLC 的组成框图 外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信号和数据;经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果;输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各个部分协调一致地实现对现场设备的控制。 3.2.1 PLC内部功能 中央处理器CPU CPU的主要作用是解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其它功能，控制整个系统协调一致工作。常用的CPU主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。 存储器模块 随机存储器RAM用于存储PLC内部的输入、输出信息，并存储内部继电器(软继电器)、移位寄存器、数据寄存器、定时器/计数器以及累加器等的工作状态，还可以存储用户正在调试和修改的程序以及各种暂存的数据、中间变量等。 只读存储器ROM用于存储系统程序。可紫外线擦除电编程的只读存储EPROM，它主要用来存放PLC的操作系统和监控程序，如果用户程序已完全调试好，也可将程序固化在EPROM中。可电擦除可电改写的只读存储EEPROM，它主要用来存放用户程序。 输入输出模块 17 N可编程控制器是一种工业控制计算机系统，它的控制对象是工业生产过程，与DCS相似，它与工业生产过程的联系也是通过输入输出接口模块(I/O)实现的。I/O模块是可编程序与生产过程相联系的桥梁。 PLC连接的过程变量按信号类型划分可分为开关量(即数字量)、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、脉冲量输出模块等。 编程器 编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行 人机对话的界面。随着PLC的功能不断增强，编程语言多样化，编程已经可以在计算机上完成。 3.2.2 PLC输入输出接口的安全保护 当输出口连接电感类设备时，为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输出口造成破坏，应在感性元件两端加保护元件。对于直流电源，应并接续流二极管，对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可取51,120Ω，电容取0.1,0.47μF，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。续流二极管可选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍。图3.6为输入输出口的保护环节示意图。 图3.6 输入输出口的保护 3.3 手持编程器FX,20P,E的使用 FX-20P-E简易编程器(Handy Programming Panel，简称HPP)适用于FX系列 【】17PLC，也可以通过转换器FX-20P-E-FKIT用于F系列PLC。 FX-20P-E编程器有联机(Online)和脱机(Offline)两种操作方式: (1)联机方式 编程器对PLC的用户程序存储器进行直接操作、存取的方法。在写入程序时，若PLC内未装EEPROM存储器，程序写入PLC内部RAM，若PLC内装有EEPROM存储器，程序写入该存储器。 18 (2)脱机方式 脱机方式是对HPP内部存储器的存取方式。编制的程序先写入HPP内部的RAM，再成批地传送到PLC的存储器中，也可以在HPP和ROM写入器之间进行程序传送。 3.3.1 HPP的组成与操作面板 HPP的组成 HPP由液晶显示屏(16字符?4行，带后照明)、ROM写入器等模块接口、安装存储器卡盒的接口，以及专用的键盘(功能键、指令键、软元件符号键、数字键)。 HPP配有FX-20P-CAB电缆(适用于FX2系列PLC)或FX-20P-CABO电缆(适用于FX0系列PLC)，用来与PLC连接;还有系统的存储卡，用来存放系统软件(在系统软件修改版本时更换);其它如ROM写入器模块、PLC存储器卡盒等均为选用件。 HPP的操作面板 HPP的操作面板如图3.8所示，键盘上各键的作用如下: 19 图3.8 HPP操作面板 (1)功能键 功能键有三个:[RD/WR](读出/写入)、[INS/DEL](插入/删除)、[MNT/TEST](监视/测试)。每个功能键均有两个功能并交替起作用:按一次时选择第1功能;再按一次，则选择第2功能。 (2)其它键 其它键[OTHER]，在任何状态下按该键，将显示方式项目单(菜单)选择画面。安装ROM写入器模块时，在脱机方式项目单上进行项目选择。 (3)清除键[CLEAR] 如果在按[GO]键以前(确认前)按此键，则清除键入的数据。此键也可以用于清除错误信息，恢复原来的画面。 (4)帮助键[HELP] 显示功能指令一览表;在监视时，进行十进制数和十六进制数的转换，起到键输入时的辅助功能。 (5)空格键[SP] 在输入时，用该键指定软元件的编号和常数。 (6)步序键[STEP] 设定步序号时。 (7)光标键[?]、[?] 用此键来移动光标和提示符，指定当前元件的前一个或后一个地址号元件，作行滚动。 (8)执行键[GO] 此键用于指令的确认、执行，显示后面的画面(滚动)以及再检索。 (9)指令、元件符号及数字键 共24个，都是双功能(指令/元件符号及数字) 20 复用键，用于程序的输入、读出或监视。两种功能是根据当前所执行的操作自动进行切换，其中元件符号Z/V、K/H、P/I交替起作用(反复按键时互相交替切换)。 3.3.2 HPP的操作过程 HPP的操作过程主要包括:操作准备、方式选择、编程、监视与测试等。 1(操作准备 打开PLC上部的插座盖板，将HPP所带的FX-20P-CAB型电缆(对FX2系列PLC)接到PLC的连接HPP专用插座上，并将左右两边的螺钉拧紧，然后接通PLC电源。HPP本身不带电源，只能通过电缆由PLC供电。 2(方式选择 在方式选择时，用HPP的键操作进行联机/脱机方式的选择及功能选择。接通PLC电源后，HPP显示屏上将显示如图3.9上部所示的画面，2秒钟后将自动转入下一个画面。画面初始状态时，光标显示联机方式，按[GO]键，则确认为联机方式。如选择脱机方式，将光标移到[OFF LINE]位置，再按[GO]键。方式选择完后，再进行功能选择。 21 图3.9 方式选择 3(编程 操作前，首先确认PLC的[RUN/STOP]开关为“STOP”位置，然后在指定的范围内成批写入NOP指令，将PLC内部用户存储器的程序全部清除，再用编程器的编辑功能进行编程。 4(监视 监视功能是通过HPP的显示屏监测和确认联机方式下PLC的动作和控制状态。如指定元件的ON/OFF状态，T、C、D及文件寄存器的设定值和当前值。 5(测试 测试功能是由HPP对指定元件的触点和线圈进行强制ON/OFF，以及进行 常数变更。 编程操作: 22 以下分别说明在联机方式下，程序读出、写入、插入、删除等操作方法。在联机方式下，是直接对PLC内部的用户程序存储器进行操作，所以编程结束后，不必再向PLC传送。按功能键或[OTHER]键，可切换到其他功能或项目单。 编程时按指令清单进行。基本逻辑指令和步进指令在HPP上有对应的指令键，但没有逐一对应的功能指令键，需通过[FNC]和数字、字母键键入。 1、读出指令 在联机方式下，当PLC处于RUN状态时，只能根据步序号读出指令;PLC处于STOP状态时，还可根据指令、元件以及指针读出指令。在脱机方式下，不管PLC处于“RUN”状态还是“STOP”状态，所有读出方式有效。 (1)根据步序号读出 指定步序号，从用户程序存储器中读出并显示程序，其基本操作如图3.10所示。 图3.10 根据步序号读出程序的基本操作 例如:读出第55步的程序指令，其操作步骤如下:RD功能下?STEP?5?5?GO。 HPP以指定的步序号指令为第1行，读出并显示4行程序。若反复按[GO]键，则显示指令的第5行以后的画面并滚动进行。 (2)根据指令读出 PLC处于STOP状态时，指定指令，从用户程序存储器读出并显示程序，其基本操作如图3.11所示。 图3.11 根据指令读出的基本操作 例如:读出指令PLS M104，操作如下:RD功能下?PLS?M?1?0?4?GO。 HPP从0步依次搜索所指定的指令，并显示以最先搜索到的指令为首行的4行程序;反复按[GO]键，从所搜索出的下一步开始，搜索同样指令，若没有发现指定的指令，则显示“NOT FOUND”信息。 (3)根据指针读出 当PLC处于STOP状态时，指定指针，从用户程序存储器中读出并显示程序，其基本操作如图3.12所示: 23 图3.12 根据指针读出的基本操作 例如:读出指针编号为3的标号，其操作步骤如下:RD功能下?P?3?GO。 2(写入指令 写入操作有基本指令、功能指令、元件、指针标号等的输入。 (1)基本指令的写入 基本指令(含步进指令)的写入的基本操作如图3.13所示。 图3.13 基本指令的写入操作 在指令输入过程中，如需要修改，可按图3.14所示的操作进行。 图3.14 修改的基本操作 例如，输入指令OUT T0 K10，按[GO]键前(确认前)，欲将K10改为D9，其操作为:WR功能下?OUT?T?1?0?SP?K?1?0?CLEAR?D?9?GO。 如在确认后(按[GO]键后)修改上例，其操作为:WR功能下?OUT?T?1?0?SP?K?1?0?GO???D?9?GO。 3、程序的修改 在指定的步序上修改指令。例如在第100步上写入指令OUT T50 K30，其操作为:RD功能下?STEP?1?0?0?GO?WR功能下?OUT?T?5?0?SP?K?3?0?GO。 如果要修改功能指令中的操作数，读出该操作数后，将光标移到欲修改的操作数所在的行，然后修改该行的参数。 24 4各功能实现形式与控制方式 4.1 本机械手模型的机能和特性 物体在三维空间内的禁止位置是由三个坐标和围绕三轴旋转的角度来决定的，因此，抓握物体的位置和方向能从理论 上求得。根据资料的介绍，如果采用机械手，其机能要接近于人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”来控制。我们不要那么多自由度，因为根据实际情况而言，控制的自由度越多，其各个部分也就越复杂，相应的制造成本也就增加。 本设计的机械手，它共有自由度5个。即:手臂前后伸缩、手臂上下伸缩、手臂左右旋转、手腕回转、手指的抓握，其自动功能流程图如图4.2。 4.2 夹紧机构 机械手手爪是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确可靠的要求。设计制造夹紧机构——机械手，首先要从机械手的坐标形式，运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力来计算。则同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力要限制在一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然断电造成被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则结构简单、体积小、重量轻、动作灵活、和工作可靠。 夹紧结构形式多样、有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还 带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式夹紧装置。 机械式夹紧是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型;按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式;按手指数目可分为二指式、三指式、四指式;按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的开闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位开关完成回转角度的限位，一般可设置在180度。 4.3躯干 躯干有底盘和手臂两部分组成。 底盘是支撑机械手的全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电 25 动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转编码盘旋转，机械手每旋转三度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位开关，最大旋转角度可达180度。 手臂使机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件使 它们运动的机构。本设计手臂由横轴和竖轴组成、可完 初始回原点成伸缩、升降的运动。手臂采用电动机带动丝杠、螺母 来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出信号控制 步进电机运转，同时在两轴的两端分别加限位开关限前伸 /位。采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁、位置手顺转精度较高，传动效率较高。 下降4.4旋转编码盘 夹紧 上升机械手底盘和躯干每旋转3度发出一个脉冲，并把 后退信号送回可编程控制器来得到转过的准确的角度。编码 底逆转盘的机构如图: 前伸/ 下降 松开 上升 手逆转 后退 图4.1 旋转编码盘 底顺转 可以通过改变程序中计数器C0的初值来确定所要 转过的角度，这里可以通过用手持编程器读出指令表，图4.2 自动的功能流程图 然后修改得到不同的控制角度。 【】 12表4.1所选器材列表 名称 型号或规格 数量 名称 型号或规格 数量 PLC FX1N-60MR 1 限位开关 LX19-111 8 电磁阀 VF3130 1 转换开关 LW6-5 1 按钮 LA10-1H 13 熔断器 RC1A-30/15 2 手持编程器 FX-20P-E 1 连接导线 若干 26 5软件设计 5.1 编程软件的使用 SWOPC-FXGP/WINC为一个可以用于FX系列可编程控制器的编程软件，可在DOS/Windows下运行。 在SWOPC-FXGP/WINC中，可通过线路符号、列表语言及SFC符号来创建指令程序，建立注释数据及设置寄存器数据。也可以创建顺控程序以及将其存储为文件，用打印机印出来。 该程序在串行系统中可以与可编程控制器进行通信、文件传输、操作监控以及各种测试功能。 系统的启动与推出 安装好软件后，在桌面上自动生成FXGP/WINC图标，用鼠标双击图标即可打开该软件。在执行菜单命令【文件】下【退出】可退出编程软件。 文件管理 创建新文件，选择【文件】下【新文件】菜单项，或者按【Ctrl+N】键，在PLC类型设置对话框中选择PLC类型，按确定即可，其操作界面如下图5.1。 图5.1 编程软件界面 27 5.2 FX1N PLC梯形图中的编程元件 设计选用FX1N,60MR，其输入继电器(X)36点，输出继电器(Y)24点，辅助继电器(M)384点，状态继电器(S)1000点，定时器(T)256点，计数器(C)，数据寄存器(D)等。 【】4特殊辅助继电器 M8000——运行监控(PLC运行时自动接通，停止时断开); M8002——初始脉冲(仅在PLC运行开始时接通一个扫描周期); M8005——PLC后备锂电池电压过低时接通; M8011——10ms时钟脉冲; M8013——100ms时钟脉冲; M8012——1s时钟脉冲; M8014——1min时钟脉冲。 表5.1 PLC输入/输出分配表 输入信号 输入信号 手动 SA X0 底盘逆限位 SQ6 X23 回原位 SA X1 手顺限位 SQ7 X24 连续 SA X2 手逆限位 SQ8 X25 回原位 SB1 X3 底旋转脉冲 X26 启动 SB2 X4 前行 SB12 X30 停止 SB3 X5 后退 SB13 X31 下降 SB4 X6 输出信号 上升 SB5 X7 YA0 Y0 上升/下降步 夹紧 SB6 X10 YA1 Y1 进电机 松开 SB7 X11 YA2 Y2 手顺转 SB8 X12 YA3 Y3 前进/后退步 手逆转 SB9 X13 YA4 Y4 进电机 底盘顺转 SB10 X14 YA5 Y5 底盘逆转 SB11 X15 夹紧 YA6 Y6 下限位 SQ1 X16 手顺转 YA 7 Y7 上限位 SQ2 X17 手逆转 YA 8 Y10 前限位 SQ3 X20 底顺转 YA 9 Y11 后限位 SQ4 X21 底逆转 YA10 Y12 底盘顺限位 SQ5 X22 28 在手动方式时可以通过手动按钮来实现，其控制面板如下图5.2 图5.2 控制面板示意图 5.3 程序的总体结构 机械手系统的程序总体结构如图5.3，分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、连续运动程序，因它们的工作顺序相同所以可将它们和编在一起。CJ(FNC00)是条件跳转应用指令，指针标号PX是其操作数。该指令由于某种条件下跳过CJ指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以减少程序执行时间。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动断触点断开所以直接执行“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“连续”方式，则只执行公用程序和自动程序。 图5.3 程序总的结构图 29 5.3.1 各部分程序如下 公用程序说明，当Y6复位(电磁阀松开)、后限位X21和上限位X17接通时，辅助继电器M0变为ON，表示机械手在原位。如果开始执行用户程序(M8002为ON)、系统处于手动或回原位状态(X0或X1为ON)，那么初始步对应的M10被置位，连续工作方式做好准备。如果M0为OFF，M10被复位，系统不能进入连续工作方式。指令ZRST是成批复位应用指令，以防止系统从自动方式转换手动方式，再返回自动方式时出现两种不同的活动步。 30 31 32 33 自动连续程序说明:当系统处于自动连续方式时，X2为ON，它的动合触点闭合，在初始步时按下启动按钮X4，M1得电并保持，就按照图4.2自动功能图进行工作。按下停止按钮X7后，M1变为OFF，系统不会立即停止，而是完成当前的工作周期后，机械手最终停止在原位。 34 35 36 手动程序说明:用对应机械手的上下前后移动和夹紧松开按钮。按下不同的按钮，机械手执行相应的动作。在前后移动的程序中串联上线位置开关的动合触点是为了避免机械手在较低位置移动时碰撞其他工件。为保证系统安全运行，程序之间还进行必要的连锁。 回原位程序;在系统处于回原位工作状态时，按下回原位按钮(X3)，M3变为ON，机械手松开和上升，当升到上限位(X17变为ON)，机械手后退，直到后限位(X21为ON)才停止，并且M3复位。 37 38 梯形图程序经过检验语法错误以及逻辑上的可靠性后,编译成指令表，以便后传入PLC中。并可以运用软件在线监测PLC的运行情况，同时可以用手持编程器根据现场要求修改程序中的各参数，达到任意位置停止的目的。 39 5.4 PLC程序的上载和下载 5.4.1 PLC程序的上载 所谓PLC程序的上载,就是把PLC中的程序读入到计算机中,其操作步骤如下: 1、通信电缆的连接。应使用编程转换接口电缆SC,09连接好计算机的RS,232C接口和PLC的RS,422编程器接口。 2、端口设置。选择“PLC”菜单下的“端口设置”菜单命令，可选择计算机与PLC通信的RS,232C串行口(COM1~COM4)和“传送速率”(9600或19200bit/s)。 3、程序上载。选择“PLC”菜单下的“传送”子菜单中的“读入”，就会弹出如图5.4所示的“PLC类型选择对话框“，选择实际型号的PLC类型后，点“确定“按 读入到计算机中。 钮后，将PLC中的程序 图5.4 程序读入PLC类型选择对话框 5.4.2 PLC程序的下载 所谓PLC程序的下载，就是把计算机中的程序写入到PLC中，其操作步骤是“通信电缆的连接”和“端口设置”，同“PLC的程序的上载”中的步骤1和2。而PLC程序的下载的操作步骤是: 在执行下载功能时，首先应将PLC上的主机开关拨在“STOP”位置，如果使用了RAM或EEPROM存储器卡，其写保护在处于关断状态。选择“PLC”菜单下“传送”子菜单中“写出”，将计算机中的程序发送到PLC中，在弹出的窗口中选择“范围设置”，如图5.5所示，可减少写入所需的时间。 图5.5 程序写出对话框 另外，执行菜单命令“PLC——传送——校验”是用来比较计算机和PLC中的顺序程序是否相同。如果二者不符合，将显示与PLC不相符的指令的步序号。选中某一步序号，可显示计算机和PLC中该步序号的指令。 40 设计小结 通过本设计可以让大家清楚的了解三菱公司FX系列PLC的特点,工业机械手模型控制系统利用了三菱FX系列PLC的特点,对按钮、电磁阀、编码盘以及其他一些输入/输出点进行控制，实现了工业机械手模型的手动和自动控制。 采用PLC进行工业机械手模型运行控制，控制系统的硬件结构大为简化，同时由于采用的是“软接线”方法的程序控制，系统的可靠性和灵活性都大大提高。当然，工业机械手模型系统的信号输入点数较多，工作方式多样，所以程序较复杂。 通过本次设计对所涉及的知识有了更透彻的掌握，对实用化的技术理论有更清析了解。知道设计的方法，如何去查阅资料，怎样去解决问题，为以后做设计铺平道路。 设计实物图例如下: 图 模型图 41 参 考 文 献 [1] 吴明亮，蔡夕忠.可编程控制实训教材[M].北京:化学工业出版社，2005.8 [2] 张桂香.机电类专业毕业设计指南[J].北京:机械工业出版社，2005.1 [3] 瞿大中. 可编程控制与实验[P].华中科技大学出版社,2002.12. 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Control engineering,1995 [16] 机械产品方案的现代设计方法及发 展趋势 [17] 手持编程器的使用说明书. 42 附录 附录A:PLC接线图 43 附录B:指令表 0 LD X020 62 LD M13 120 ANI M22 184 ANI M13 246 OR M66 2 AND Y006 63 AND X016 121 ANI C3 185 ANI M19 247 OUT M69 3 OUT M0 64 OR C3 122 OUT M21 186 LD M40 248 LD M67 4 LD M802 65 OR M14 123 LD M21 187 AND M13 249 ANI M11 5 OR X000 66 ANI M15 124 AND X017 188 AND M19 250 ANI M18 6 OR X001 67 OUT M14 125 OR M22 189 ORB 251 LD M68 7 MPS 68 RST C3 126 OR M22 190 OUT Y000 252 AND M11 8 AND M0 70 LD M14 127 ANI M23 191 LD M41 253 AND M18 9 SET M10 71 AND T0 128 OUT M22 192 ANI M13 254 ORB 10 MPP 72 OR M15 129 RST C3 193 ANI M19 255 OUT Y003 11 ANI M0 73 ANI M16 131 LD M22 194 LD M40 256 LD M68 12 RST M11 74 ANI C3 132 AND X025 195 AND M13 257 ANI M11 13 LD X000 75 OUT M15 133 OR M23 196 AND M19 258 ANI M18 14 ZRST M11 76 LD M15 134 ANI M24 197 ORB 259 LD M67 19 RST M1 77 AND X017 135 ANI C4 198 OUT Y001 260 AND M11 20 LD X000 78 OR C3 136 OUT M23 199 LD M42 261 AND M18 21 OR X001 79 OR M16 137 LD M23 200 OUT Y002 262 ORB 22 CJ P0 80 ANI M17 138 AND X021 201 LD M12 263 OUT Y004 25 LD X002 81 ANI C4 139 OR C4 202 OR M15 264 LD M69 26 AND X004 82 OUT M16 140 OR M24 203 OR M13 265 OUT Y005 27 ANI X005 83 LD M16 141 ANI C0 204 OR M19 266 LD M11 28 OUT M1 84 AND X021 142 ANI M11 205 AND M8012 267 OR M18 29 LD X022 85 OR C4 143 OUT M24 206 ANI X007 268 OR M16 30 AND M24 86 OR C4 144 RST C4 207 ANI X017 269 OR M23 31 OR C0 87 ANI M18 146 LD X026 208 ANI X016 270 AND M8012 32 ANI M1 88 OUT M17 147 OUT C0 K60 209 ANI C3 271 ANI X007 33 OR M10 89 RST C4 150 LD X004 210 OUT M45 272 ANI X021 34 ANI M11 91 LD X023 151 ANI M31 211 LD M45 273 ANI X020 35 OUT M10 92 AND M17 152 ANI M32 212 OUT C3 K100 274 ANI C4 36 LD X022 93 OR C0 153 ANI M33 215 LD X004 275 OUT M47 37 AND M24 94 OR M18 154 ANI M34 216 ANI M61 276 LD M47 38 OR C0 95 ANI M19 155 ANI M35 217 ANI M62 277 OUT C4 K100 39 LD M10 96 ANI C4 156 OUT M30 218 ANI M63 280 NOP 40 AND X004 97 OUT M18 157 LD M45 219 ANI M64 281 NOP 41 ORB 98 LD M18 158 ANI X005 220 ANI M65 282 NOP 42 OR M11 99 AND X020 159 ANI C3 221 OUT M60 283 NOP 43 ANI M12 100 OR C4 160 ANI X016 222 LD M47 284 LD M14 44 ANI M12 101 OR M19 161 ANI X017 223 ANI X005 285 RST Y006 45 OUT M11 102 ANI M20 162 SFTL M30 224 ANI C4 286 OUT T0 K20 46 LD M11 103 ANI C3 M31 K6 K1 225 ANI X020 289 LD M12 47 AND X020 104 OUT M19 171 LD M31 226 ANI X021 290 ANI X024 48 OR M12 105 RST C0 172 OR M32 227 SFTL M60 M61 291 OUT Y007 49 OR C4 107 RST C4 173 OR M33 K6 K1 292 LD M22 50 ANI M13 109 LD M19 174 OUT M40 236 LD M61 293 ANI X025 51 OUT M12 110 AND X016 175 LD M32 237 OR M62 294 OUT Y010 52 RST C0 111 OR C3 176 OR M33 238 OR M63 295 LD M24 54 RST C4 112 OR M20 177 OR M34 239 OUT M67 296 ANI X022 56 LD M12 113 ANI M21 178 OUT M41 240 LD M62 297 ANI C0 57 AND X024 114 OUT M20 179 LD M34 241 OR M63 298 OUT Y011 58 OR M13 115 RST C3 180 OR M35 242 OR M64 299 LD M17 59 ANI M14 117 LD M20 181 OR M36 243 OUT M68 300 ANI X023 60 ANI C3 118 AND T1 182 OUT M42 244 LD M64 301 ANI C0 61 OUT M13 119 OR M21 183 LD M40 245 OR M65 302 OUT Y012 44 303 LD M20 363 ANI X017 419 LD X010 477 LD M72 533 OR M92 304 SET Y006 364 ANI X016 420 RST Y006 478 OR M73 534 OR M93 305 OUT T1 K20 365 OUT M46 421 LD X012 479 OR M74 535 ANB 308 P0 366 LD X004 422 ANI Y010 480 ANB 536 OUT M97 309 LDI X000 367 ANI M81 423 X024 481 OUT M778 537 MRD 310 CJ P1 368 ANI M82 424 OUT Y007 482 MRD 538 LD M92 313 LD X004 369 ANI M83 425 LD X013 483 LD M74 539 OR M93 314 AND X004 370 ANI M84 426 ANI Y007 484 OR M75 540 OR M94 315 ANI M51 371 ANI M85 427 ANI X025 485 OR M76 541 ANB 316 ANI M52 372 OUT M80 428 OUT Y010 486 ANB 542 OUT M98 317 ANI M33 373 LD M25 429 LD X014 487 OUT M79 543 MRD 318 ANI M54 374 ANI X005 430 ANI Y012 488 MRD 544 LD M94 319 ANI M55 375 ANI X020 431 ANI X020 489 LD M77 545 OR M95 320 OUT M50 376 ANI X021 432 OUT Y011 490 OR M78 546 OR M96 321 LD M46 377 SFTL M80 M81 433 LD X15 491 ANB 547 ANB 322 ANI X016 K6 K1 434 ANI Y011 492 OUT Y000 548 OUT M99 323 ANI X017 386 LD M81 435 ANI X023 493 MRD 549 MRD 324 SFTL M50 M51 387 OR M82 436 OUT Y012 494 LD M78 550 LD M97 K6 K1 388 OR M83 437 LD X011 495 OR M77 551 OR M98 333 LD M51 389 OUT M87 438 SET Y006 496 ANB 552 ANB 334 OR M52 390 LD M82 439 P1 497 OUT Y001 553 OUT Y003 335 OR M53 391 OR M83 440 LDI X001 498 MRD 554 MRD 336 OUT M57 392 OR M84 441 CJ P2 499 AND M79 555 LD M98 337 LD M52 393 OUT M88 444 LD X001 500 OUT Y002 556 OR M97 338 OR M53 394 LD M84 445 OR X003 501 MRD 557 ANB 339 OR M54 395 OR M85 446 SET M3 502 AND M26 558 OUT Y004 340 OUT M58 396 OR M86 447 LD M3 503 AND M8012 559 MRD 341 LD M54 397 OUT M89 448 SET Y006 504 ANI X017 560 AND M99 342 OR M55 398 LD M87 449 SET M20 505 OUT M18 561 OUT Y005 343 OR M56 399 ANI X031 450 MPS 506 MPP 562 MRD 344 OUT M59 400 LD M88 451 AND X004 507 AND X017 563 AND M28 345 LD M57 401 AND X031 452 ANI M71 508 SET M28 564 AND M8012 346 ANI X006 402 ORB 453 ANI M72 509 RST M20 565 ANI X021 347 LD M58 403 OUT Y003 454 ANI M73 510 MPS 566 OUT M27 348 AND X006 404 LD M88 455 ANI M74 511 AND X004 567 MPP 349 ORB 405 ANI X031 456 ANI M75 512 ANI M91 568 AND X021 350 OUT Y000 406 LD M87 457 OUT M70 513 ANI M92 569 SET Y010 351 LD M58 407 AND X031 458 MRD 514 ANI M93 570 RST M28 352 ANI X006 408 ORB 459 AND M48 515 ANI M94 571 RST Y007 353 LD M57 409 OUT Y004 460 ANI X017 516 ANI M95 572 AND X025 354 AND X006 410 LD M89 461 SFTL M70 M71 517 OUT M90 573 SET Y012 355 ORB 411 OUT Y005 K6 K1 518 MRD 574 RST Y010 356 OUT Y001 412 LD X030 470 MRD 519 AND M27 575 RST Y011 357 LD M59 413 OR X031 471 LD M71 520 ANI X005 576 P2 358 OUT Y002 414 AND M8012 472 OR M72 521 ANI X021 577 END 359 LD X007 415 ANI X007 473 OR M73 522 SFTL M90 M91 360 OR X006 416 ANI X021 474 ANB K6 K1 361 AND M8012 417 ANI X020 475 OUT M77 531 MRD 362 ANI X007 418 OUT M25 476 MRD 532 LD M91 45 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 致谢 致 谢 在这四年中我学到了许多专业知识，提高了理论与实践相结合的能力，提高了自学能力，这都得感谢老师的细心教导和培养，在此，我向给予我教育和帮助的老师说声谢谢。在校期间所学到的东西应该对我以后工作和生活有很大帮助。 经过近半年的努力我终于完成了这篇论文，PLC课程是我们的主要课程，自从接触了这门课程我便对她产生了浓厚的兴趣，所以在做毕业设计时我毅然的选择了PLC设计。 回首这几个月来的设计过程，可以说是收获良多，也付出了不少心力。它检验了我对PLC这门课程的掌握程度，通过老师们和同学们的帮助今天我的设计终于做完了。虽然在毕业设计中遇到很多困难，但在做的过程中我真正掌握和领会了各项知识。面对问题仔细揣摩，查阅各方文件资料，也得到老师和同学的帮助。 所以，我特别感谢袁晓东以及其他带毕业设计的老师在本次设计中给予我们帮助和指导～也感谢对本次设计提供帮助的人。 46 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 致谢 47 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 致谢 48