气动机械手的设计及其PLC控制.doc

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1、1 绪 论11机械手概述工业机器人由操作机 (机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，

2、既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、

3、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。图1-1 机械手的组成方框图 (一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，

4、有的还增设行走机构。1、手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指 (或手爪) 和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力

5、来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。 对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如

6、浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式.2、手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 (如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源 (如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动

7、、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。 导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。4、立柱立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械丰的立往通常为固定不动的，但机械手的立柱是支承手臂的部件，因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和

8、驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置。通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。 控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调

9、整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 1、专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独

10、立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 (二)按驱动方式分 1、液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 2、气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，

11、成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线

12、电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分 1、点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 国内外发展状况 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: (1)工业机器人性能不断提高(高速度、

13、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。 (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器

14、人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科

15、技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不

16、稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在 “863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点

17、地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1课题的提出 随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。 现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点: (1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，

18、可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。 (2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。 (3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。 (4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。 鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点: (1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器；介质清洁，管道不易堵塞不存在介质变质及补充的问题。（2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般仅为油路的千分之一)，

19、空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。 (3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。 (4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。 (5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。 (6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。 传统观点认为:由于气体具有可压缩性，

20、因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难 (尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下:(1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面必须更广。(2)选取机械手的座标型式和自由度。(3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了

21、使通用性更强，手部设计成可更换结构，既可以用夹持式手指来抓取棒料工件，又可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。(4)气压传动系统的设计 本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。(5)对气压传动系统原理图的参数化绘制进行研究，提高绘图效率，改善绘图质量。(6)机械手的控制系统的设计 本机械手拟采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。2 机械手的设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的

22、工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。 机械手的座标型式与自由度 按机械

23、手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。 图2-1 机械手的运动示意图2.2 机械手的手部结构方案设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2.3 机械手的手腕结构方案设计 考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放

24、置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.4 机械手的手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。2.5 机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。2.6 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变

25、时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。1、主参数 机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。在本设计中该机械手主参数定为5公斤，高速动作时抓重为2公斤。使用吸盘式手部时可吸附2公斤的重物。 2、基本参数 运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。 该机械手最大移动速度设计为12cm/s，最大回转速度设计为50/s。平均移动速度为l0cm/s，平均回转速度为40/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为

26、全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为250mm,手臂安装前后可调50mm，由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为400mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0. 5 1mm。旋转角度为180。28 机械手装配281 手部结构设计设计针对的是工件是棒料时

27、，使用夹持式手部。夹持式手部结构由手指 (或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，本设计选择齿轮齿条式。设计时考虑的几个问题：(一)具有足够的握力 (即夹紧力) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确

28、的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如图所示。本课题气动机械手的手部结构如图2-2所示，其工件平均重量G=2公斤，V形手指的

29、角度2=120，b=50mm， R=10mm,摩擦系数为f=0. 10。*10*tg(5) 0.5*20*tg60=17.3N夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为P = N = 173 N。图2-2 齿轮齿条式手部282 手部结构设计手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求。 目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360，并且要求严格的密封。手腕的回转、上下和

30、左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克此处删减NNNNNNNNNNNNNNNN字 需要整套设计请联系q：99872184。载性质有关。4）电源 PLC的电源一般为单相交流电源，电源电压必须与额定电压相符(通常为110V或220V)，也有用直流24V供电的。PLC对电源的稳定性要求不高，一般允许电源电压额定值在15%的范围内波动。PLC都包括一个稳压电源，用于对CPU和I/O单元供电。有些PLC的电源与CPU合为一体。有的PLC特别是大中型PLC备有专用电源模块。有些PLC电源部分还提供有DC24V稳压输出，用于对外部传感器供电。5）编程器 编程器是PLC很重要的附件，它主要由键盘

31、、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成。编程器分简易型和智能型两类。小型PLC常用简易编程器，大中型PLC多用智能CRT编程器。编程器的作用是编制用户程序，将程序送入存储器。利用编程器检查修改用户程序和在线监视PLC的工作状况。除上述简易型和智能型这两种编程器之外，还可采用通用计算机作为编程器。现在有些公司在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可使这些微机作为编程器用。用微机作为编程器， 可以直接编制梯形图，监视功能也比较强，并且对于己经拥有微机的用户，可省去一台编程器，节省开支。编程器的功能随着PLC功能的不断增强也在不断强化，它已不是一个单一的程序输入装置，而兼有许多功

32、能。编程器通常有两种编程方式： a 在线(联机)编程方式 编程器与PLC上的专用插座直接相连，程序可直接写入到PLC的用户程序存储器中去，也可先将程序存放在编程器内，然后再转入PLC 的存储器中。这种编程方式不但调试程序方便，而且还能监视PLC内部工作状态。 b 离线(脱机)编程方式 编程器与PLC脱开，待程序写完后才与PLC相连。离线编程方式不影响PLC的现行工作6。4PLC程序的表达方式 与计算机的工作原理一样，PLC 的操作是按其程序要求进行的，而程序是用程序语言表达的。表达方式有多种多样，不同的PLC生产厂家，不同的机种，采用的表达方式也不相同。但基本上可归纳为字符表达方式(即用文字符

33、号表达程序，如语句表程序表达方式)和图形符号表达方式(即用图形符号表达程序，如梯形图程序表达方式)这两大类。也有将这两种方式结合起来表示PLC程序。1）梯形图 PLC的梯形图编程语言与传统的“继电、接触”控制原理图十分相似，它形象、直观、实用，为广大电气技术人员所熟知。这种编程语言继承了传统的继电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读。当今世界上各国的PLC制造厂家所生产的PLC大都采用梯形图语言编程。 2）语句表 用语句表所描述的编程方式是一种与计算机汇编语言类似的助记符编程方式。由于不同型号的PLC的标识符和参数表示方法不一，所以无千篇一律的格式。 3）逻

34、辑符号图 采用逻辑符号图表示控制逻辑时，首先定义某些逻辑符号的功能和变量函数，它类似于“与”、“或”、“非”逻辑电路结构的编程方式。一般说来，用这三种逻辑能够表达所有的控制逻辑。这是国际电工委员会(IEC)颁布的PLC编程语言之一。 4）高级编程语言 随着软件技术的发展，近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，已开始用高级语言进行编程。许多PLC采用类似PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言编程的自动编译程序。采用高级语言编程后，用户可以像使用普通微形计算机一样操作PLC。除了完成逻辑控制功能外，还可以进行PID 调节、数据采集和处理以及计算机通信等。 上述几种编程语言(方式)，最

35、常用的是梯形图和语句表，其次是逻辑符号图，近几年来也使用高级语言6。4PLC的工作方式 1）PLC中等效元件的功用及其编号 PLC中的等效输入继电器X和等效输出继电器Y。计时器T、计数器C、辅助继电器M 等均可理解为一个线圈和多个动合(常开)、动断(常闭)触点，并都可以在PLC内部控制电路中使用，且均具有各自的相应编号，下面分别简介其功用与编号。a 输入继电器（X） PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC 内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入），线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。内部有常开/常闭两种触点供编

36、程时随时使用，且使用次数不限。输入电路的时间常数一般小于10ms。各基本单元都是八进制输入的地址，输入为X000 X007，X010 X017， 。它们一般位于机器的上端。b 输出继电器（Y） PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使用。输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。输出电路的时间常数是固定的 。各基本单元都是八进制输出，输出为Y000 Y007，Y010Y017，。它们一般位于机器的下端。c 辅助继电器（M） PLC内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电

37、器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。如下图中的M300，它只起到一个自锁的功能。在FX2N中普遍途采用M0M499，共500点辅助继电器，其地址号按十进制编号。辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。d 定时器（T） 在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器

38、内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。 定时器通道范围如下： 100 ms定时器T0T199， 共200点，设定值：0.1 3276.7秒； 10 ms定时器T200TT245，共46点，设定值：0.01327.67秒； 1 ms积算定时器 T245T249，共4点，设定值：0.00132.767秒； 100 ms积算定时器T250T255，共6点，设定值：0.13276.7秒； 当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时，T200的当前值计数器对10

39、 ms的时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值K123相等时，定时器的输出接点动作，即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒（10 * 123ms = 1.23s）时才动作，当T200触点吸合后，Y000就有输出。当驱动输入X000断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。 每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动复位，不保存中间数值。定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值。 定时器线圈T250的驱动输入X001接通时，T250的当前值计数器对100 ms的时钟脉冲进行累积计数，当该值与设定值K345相等

40、时，定时器的输出触点动作。在计数过程中，即使输入X001在接通或复电时，计数继续进行，其累积时间为34.5s（100 ms*345=34.5s）时触点动作。当复位输入X002接通 ，定时器就复位，输出触点也复位。e 计数器（C） FX2N中的16位增计数器，是16位二进制加法计数器，它是在计数信号的上升沿进行计数，它有两个输入，一个用于复位，一个用于计数。每一个计数脉冲上升沿使原来的数值减1，当现时值减到零时停止计数，同时触点闭合。直到复位控制信号的上升沿输入时，触点才断开，设定值又写入，再又进入计数状态。 其设定值在K1K32767范围内有效。设定值K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输

41、出触点就动作。通用计数器的通道号：C0 C99，共100点。保持用计数器的通道号：C100C199，共100点。通用与掉电保持用的计数器点数分配，可由参数设置而随意更改。 由计数输入X011每次驱动C0线圈时，计数器的当前值加1。当第10次执行线圈指令时，计数器C0的输出触点即动作。之后即使计数器输入X011再动作，计数器的当前值保持不变。l当复位输入X010接通（ON）时，执行RST指令，计数器的当前值为0，输出接点也复位。l应注意的是，计数器C100C199，即使发生停电，当前值与输出触点的动作状态或复位状态也能保持。f 数据寄存器（D） 数据寄存器是计算机必不可少的元件，用于存放各种数据

42、。FX2N中每一个数据寄存器都是16bit（最高位为正、负符号位），也可用两个数据寄存器合并起来存储32bit数据（最高位为正、负符号位）7。 2）PLC的扫描工作方式 这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段，整个过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视计时器， 以及完成其它一些内部处理。在通信处理阶段，PLC与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。在PLC 处于停止运行(STOP)状态时，只完成内部处理和通信服务工作。在PLC处于运行(RUN)状态时，除完成上述操作外，还

43、要完成输入处理、程序执行、输出处理工作。从输入第1步运算第2步运算， ，最后一步运算输出顺序执行4。 3）PLC的工作原理计算机特性PLC按扫描方式或串行方式工作，其实质就是因为PLC是一台微型机，它按照微型计算机的工作方式一条条从内存中读取指令，执行指令只是为了便于工厂中技术人员和工人的使用，才把PLC的程序用梯形图来表示。特别是中、高档PLC的指令集中已出现了类似于微型机的指令，比如从操作方式上讲有数据或数据块在内存数据区内移动指令，有两个数据的加、减、乘、除、开方等运算指令，有中断、比较、移位等指令；从寻址方式上讲有直接寻址、间接寻址和变址寻址等指令。在编写梯形图程序时完全像用汇编语言那

44、样使用它们，对数据进行各种操作，使程序分支，或局部循环，执行子程序或中断服务程序等。在程序连续进行嵌套判别时，因为PLC像微型机一样，只有一个进位位，前边的判别必须用内存中的某个字的某个位，或者说是用PLC的辅助继电器记住其状态，才能进行下面的判别操作，否则会丢失前面判别的结果，使程序运行紊乱。这些状态和工作过程都和微型机的状态和工作过程十分相似3。5机械手移动工件控制系统的PLC选型及系统连接5.1控制系统构成图在本设计中，其控制表盘设计如图5-1所示。图5-1 控制面板设计机械手移动工件控制系统图如图5-2所示。图5-2 机械手移动工件控制系统图PLC模块选型及介绍 由控制要求可知，本控制

45、系统是一个15点输入，9点输出的系统，设计中采用三菱FX2N系列的基本单元模块，采用继电器输出方式，故可选用的模块有：FX2N-32MR-001、FX2N-48MR-001、FX2N-64MR-001、FX2N-80MR-001、FX2N-128MR-001，本设计选用FX2N-48MR-001，其输入点数为24，输出点数为24，都大于控制系统的控制要求点数，所以不需要扩展单元8。 对于所选模块FX2N-48MR-001，其中：FX2N为系列名称，48为I/O点数，M表示模块为基本单元，R表示继电器输出形式（其他输出形式：S为三端双向可控硅开关元件输出，T为晶体管输出），001表示其他区分（电

46、源）9。 FX2N-48MR-001是采用交流220V电源供电，其模块简图如图5-3所示：图5-3 FX2N-48MR-001模块简图I/O地址分配及外部配线 由于CPU模块有24点数字量输入，24点数字量输出，所以不再需要扩展输入/输出模块。I/O分配采用自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是：X000X007、X010X017、X020X027，输出端子对应的输出地址是：Y000Y007、Y010Y017、Y020Y027。其外部配线如图5-4所示：图5-4 外部配线图4安装维护扩展设备组成 在本设计中，控制对象为一单一独立动作的机械手，然而在实际的工况中，除了用PLC控制机械手以

47、外，可能还有其他的辅助控制对象，或者用PLC控制多台不同动作流程的机械手，这时当I/O点数大于CPU模块提供的I/O点数时，则需进行I/O扩展，使实际需要的I/O点数（基本单元扩展单元扩展模块特殊模块）的I/O点数。 其扩展的示意图如图4-1所示。1）FX2N基本单元右侧可以接a组或者b组，接b组时，须一定用FX2N-CNV-IF型转换电缆。但是，一旦和b组连接之后，就不能再接a组的扩展设备了。2）FX2N采用DC24V电源供电的容量计算： 机型：FX2N-16M、FX2N-32M，其电流容量为 250mA； 机型：FX2N-48M、FX2N-64M、FX2N-80M、FX2N-128M，其电流容量为