PLC控制机械手设计 .doc

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1、紫琅职业技术学院毕业设计论文题 目：基于PLC应用系统及硬件设计副 标 题：学 生 姓 名：左成龙所在系、专业：机电工程系、机电一体化技术班 级：机电3081指 导 教 师：林盛昌日 期：2021/4/14摘 要 编程控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置,它的功能性强,可靠性高,编程简单,使用方便,在现在自动控制领域应用极其广泛。现在的在机械手运用广泛。因此，完全可以用可编程序控制器智能化控制。机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作

2、业，机械手虽然目前还不如然手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此获得日益广泛的应用。机械手是在机械化，自动化生产过程中开展起来的一种新型装置。随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速开展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的开展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，它更加促进了机械手的开展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。关键词：机械手；PLC；操作系统目 录摘 要I目 录I1、可编程序控制器的概述11.1 PL

3、C的由来11.2 PLC的定义11.3 PLC的根本结构11.4 PLC的主要功能21.5 PLC的特点21.6 PLC的开展趋势42、PLC的应用领域52.1 开关量的逻辑控制52.2模拟量控制52.3运动控制52.4过程控制52.5数据处理52.6通信及联网63、PLC控制机械手设计63.1 控制机械手简介63.2机械手传送工件系统示意图63.3 PLC的选型73.4操作系统83.5回原位程序93.6手动单步和自动操作程序10手动单步操作程序10自动操作程序103.7机械手传送系统梯形图和指令语句表11机械手传送系统梯形图11指令语句表12致 谢13参考文献14附 录15 1、可编程序控制

4、器的概述1.1 PLC的由来在PLC问世前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系统有着十清楚显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发成变化时，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：编程方便，现场可修改程序：维修方便，采用模块化结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置；数据可直接送入管理计算机；本钱可与继电器控制装置竞争；输入可以是交流信号隔离变送器115V

5、；输出为交流信号隔离变送器115V,2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；在扩展时，原系统只要很小变更：用户程序储存器容量至少扩展到4K。根据上述要求，1969年，美国数字设备公司DEC研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。到1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。1.2 PLC的定义PLC问世以来，尽管时间不

6、长，但开展迅速。为了使其生产和开展标准化，美国电气制造商协会NEMANational Electrical Manufactory Assonciation经过四年的调查工作，于1984年首先将其命名为PC(Programmable Controller),并给PC做了如下定义： “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，计数于演算的功能，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假设是从事执行PC之功能者，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又先后公布了PLC标准

7、草案的第一稿，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，用于其内部储存程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作的面向用户的指令，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统联成一个整体，易于扩充其功能原那么设计。1.3 PLC的根本结构1中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接受并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源，存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当

8、PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区 ，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算的结果送入I/O映象区或数据存放器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出存放器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成 余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍然正常运行。2存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。3PLC常

9、用的存储器类型：(1)RAM (Random Assenss Memory)这是一种读/写存储器随机存储器，其存取速度最快，由锂电池支持。2EPROM Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种可擦除的只读存储器。在断电的情况下，存储器内的所有内容保持不变。在紫外线连续照射下可擦除存储器内容。3EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储内容进行修改。1-3 PLC根本结构图1.4 PLC的主要功能PLC在不断地开展，其性

10、能不断地完善、功能在不断地增强。其主要功能有：开关量逻辑控制；闭环过程控制；定时控制；计数控制；顺序步进控制；数据处理；通信和联网。1.5 PLC的特点 1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间那么更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有

11、硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2) 范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。虽然无线网络可以做到不破墙，但对于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能避面信号盲区的存在。而电力线是最根底的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比较的。由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入效劳渗透到每一处有电力线的地方。这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的开展空间。终端用户只需要插上电力猫，

12、就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打 或者是可视 。 3)配套齐全，功能完善，适用性强PLC开展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的开展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也

13、变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5)体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 6) 丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号，如：交流信号隔离变送器或；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，有相关的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；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

14、部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。7) 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。8) 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。各种模块化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。9)适用

15、面广PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最后一公里的解决方案，广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。它是利用电力线作为通信载体，使得PLC具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受4.545Mbps的高速网络接入，来浏览网页、拨打 ，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的“四网合一。10)传输质量高、速度快、带宽稳定可以很平顺的在线欣赏DVD影片，它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。最新的电力线标准HomePlug AV传输速度已经到达了200Mbps；为了确保QoS，HomePlug AV采用

16、了时分多路访问TDMA与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问CSMA协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。1.6 PLC的开展趋势1向高速度、大存储容量方向开展CPU处理速度nS级；内存2M字节 2向多品种方向开展和提高可靠性超大型和超小型。3产品更加标准化、标准化硬件、软件兼容的PLC。4分散型、智能型、与现场总线兼容的I0 。 5加强联网和通信的能力。6控制的开放和模块化的体系结构OMACopen Modular Architecture for Control。就全世界自动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言，PLC仍然处于一种核心地位。在最近出现在美国、欧洲和国内有关探讨PLC开展的论

17、文中，这个结论是众口一词的，尽管对PLC的未来开展有着许多不同的意见。 近年来PLC的市场销售一直坚挺；PC控制有了引人注目的进展，但毕竟只能对高端的PLC产品形成竞争；小型、超小型PLC的开展势头令人刮目相看；PLC和PC控制在今后可能相互融合。 2、PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。2.1 开关量的逻辑控制这是PLC最根本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机

18、、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.2模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量Analog和数字量Digital之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。2.3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，

19、广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。2.4过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。2.5数据处理现代PLC具有数学运算含矩阵运算、函数运算、逻辑运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作

20、，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。2.6通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的开展，工厂自动化网络开展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3、PLC控制机械手设计 3.1 控制机械手简介机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回

21、原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。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。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。3.2机械手传送工件系统示意图如图1所示 图1 机械手传送示意及操作面板图它是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由左工作台A点搬到右工作台B点。机械手的全部动作由气缸驱动，气缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。其中，上升/下降和/右移分别由双线圈两位电磁阀控制。例如，当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手停止下降。只有当上升电磁阀通电时，机械手上升；当上升电磁阀断电时，机械手停

22、止上升。同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀称为夹紧电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手夹紧；当该线圈断电时，机械手放松。机械手的动作过程如图1所示。从原点开始，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手下降；下降到位时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，停止下降。同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到位时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，停止上升。同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，停止右移。同时下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，停止

23、下降。同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到位时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，停止上升。同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到位时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，停止左移。至此，机械手经过8步完成了一个周期的动作。3.3 PLC的选型 根据系统的设计要求，选用三菱公司生产的FX2N-40MR，它能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。手动操作方式手动操作方式是用按钮实现对机械手的每一步运动单独进

24、行控制。例如，中选择上/下运动时，分别由上升/下降按钮控制。中选择左/右运动时，分别由左移/右移按钮控制。中选择夹紧/放松运动时，分别由夹紧/放松按钮控制。自动操作方式步进操作：每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。单周期操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周期循环，在工作过程中，假设按停止按钮，那么机械手将继续完成此周期的动作，回到原地后自动停止。 输入和输出点分配表及原理接线图表1 机械手传送系统输入和输出点分配表 名 称 代号输入 名 称 代号输入 名 称 代号

25、输出启动SB1X0夹紧SB5X10电磁阀下降YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X11电磁阀夹紧YV2Y1上限行程SQ2X2单步上升SB7X12电磁阀上升YV3Y2右限行程SQ3X3单步下降SB8X13电磁阀右行YV4Y3左限行程SQ4X4单步左移SB9X14电磁阀左行YV5Y4停止SB2X5单步右移SB10X15原点指示ELY5手动操作SB3X6回原点SB11X16连续操作SB4X7工件检测SQ5X17 3.4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，那么X6接

26、通，其常闭触头翻开，程序不跳转CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，那么跳到指针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常闭翻开那么程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。3.5回原位程序回原位程序如图4所示。用S10S12作回零操作元件。应注意，当用S10S19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。3.6手动单步和自动操作程序 3.6.1手动单步操作程序如图5所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。3.6.2自动操作程序 自动操作状态转移见图6所示。当机械手

27、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，以使电磁力到达最大夹紧力。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

28、次，但它驱动的线圈，却可以使用屡次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用根本指令编程较为容易，可读性较强。3.7机械手传送系统梯形图和指令语句表3.7.1机械手传送系统梯形图如图7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。这三局部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。3.7.2指令语句表致 谢此次设计是在林老师的悉

29、心指导下完成的。对在设计过程中其出现的问题不怨烦的给我纠正和提出意见。在此一并致以衷心的感谢！通过此次设计，一方面让我认识到自己的缺乏，发现了学习中的错误之处；另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的根底。再一方面也加强了我和老师的交流，认识到知识的渊博度。限于本人所学知识有限，经验缺乏，又是初次研究这种复杂的设计，在此过程中难免存在一些错误和缺乏之处，恳请各位老师给予批评和指正。参考文献【1】廖常初 PLC编程及应用 北京：机械工业出版社， 2002【2】张万忠 可编程控制器应用技术 北京： 化学工业出版社， 2002【3】尹宏业 PLC可编程控制器教程 北京：航空工业出版社， 1997【4】罗庚合.蔡霞 搬运机械手的PLC控制 西安航空技术高等专科学校，2002【5】言纪兰.懂峰 基于PLC控制的搬运机械手的应用 机械工程与自动化，2021【6】王炳实 机床电气控制 北京：机械工业出版社， 2004 附 录注：请学生在论文书写完成后，将所有论文格式要求删除掉。