刘宁 PLC控制机械手设计1

开封大学毕业论文 论文题目:PLC控制机械手设计 院 系:机械与汽车工程学院 专 业:机械制造与自动化 学生姓名： 刘宁 学号：2010062087 指导老师：杨 志 帮 职称：讲师 2012 年12月 摘 要 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，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发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能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大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5）宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。关键词：机械手 ; PLC ; 变频器 前 言大学三年的专业知识学习生涯即将结束，毕业设计是其中最后一个环节，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。随着我国经济的迅速发展，采用PLC的工作原理来控制材料搬运装置的技术基本已经成熟，其中得到愈来愈广泛的就是采用PLC控制搬运机械手来实现搬运材料的装置。在完成大学三年的课程学习和课程、生产实习，我熟练地掌握了机械制图、机械设计、机械原理等专业基础课和专业课方面的知识，对机械制造、加工的工艺有了一个系统、全面的理解，达到了学习的目的。对于PLC对机械手搬运材料的控制设计这个实践性非常强的设计课题，我进行了大量的实习。经过在几家单位的生产实习，我对于PLC对搬运机械手的控制设计有了一个全新的认识，丰富了许多PLC方面的知识，而对于PLC方面的制造工艺更是实现了零的突破。在指导老师的协助下，同时在现场查阅了很多相关资料，明确了PLC的一般工作原理、制造、工艺过程。并在图书馆借阅了许多相关手册和书籍，设计中，将充分利用和查阅各种资料，并与同学进行充分讨论，尽最大努力搞好本次毕业设计。在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中不妥之处在所难免，肯请各位老师指正。目 录第一章 PLC简介11.1 PLC发展历史11.2 基本结构PLC11.2.1中央处理单元(CPU) 21.2.4 输出接口电路41.2.5电源51.3 PLC的工作原理61.3.1输入刷新阶段61.3.2程序执行阶段61.3.3 输出刷新阶段6第二章 机械臂的PLC控制82.1 控制特点82.2 系统控制示意图8第三章 气压传动系统工作原理图9第四章 操作系统及软件设计114.1输入和输出点分配表及原理接线图114.2操作系统124.3 回原位程序134.4手动单步操作程序144.5自动操作程序154.6机械臂传送系统梯形图16设 计 小 结18参考文献：20附 录21第一章 PLC简介 可编程控制器（简称PLC）：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。1.1 PLC发展历史20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：a。 它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单成本低。b。它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。但编程要比计算机简单易学、操作方便。c。系统通用性强。1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台PLC，并在GM公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC。其定义：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统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。1.2 基本结构PLC可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如下图所示：2 图1-1 PLC的基本结构 1.2.1中央处理单元(CPU) 中央处理单元（CPU）是PLC的控制核心，它按照PLC系统程序赋予的的功能：a.接受并存储从用户程序和数据；b.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PLC投入运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和和数据，并分别存入I/O映象寄存区，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数运算并将结果送入I/O映象寄存区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行之后，最后将I/O 映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 1.2.2存储器 可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。 2PLC常用的存储器类型 ：（1）RAM （Random Assess 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。（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，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)。（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电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的内容进行修改。 PLC存储空间的分配 ：虽然各种 PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域： （1）系统程序存储区（2）系统RAM存储区（包括I/O映象寄存区和系统软设备等）。（3）用户程序存储区 系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在 EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。 系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象寄存区以及各类软元件，如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。 （1）I/O映象寄存区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象寄存区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字。因此整个I/O映象寄存区可看作两个部分组成：开关量I/O映象寄存区；模拟量I/O映象寄存区。 （2）系统软元件存储区 ：除了I/O映象寄存区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软元件（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和失电不保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者当PLC断电时，数据被清零。 （3）用户程序存储区 ： 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的 2PLC，其存储容量各不相同。1.2.3 输入接口电路 输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电路。可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。这也是其I/O设计的优点之处，经过了电气隔离后，信号才送入CPU执行的,防止现场的强电干扰进入。如图1-2就是采用光电耦合器(一般采用反光二极管和光电三极管组成)的开关量输入接口电路： 图1-2 光电藕合器的开关量输入接口电路1.2.4 输出接口电路可编程序控制器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)三种输出形式。(1) 输出接口电路的隔离方式 图1-3 输出接口电路的隔离方式(2) 输出接口电路的主要技术参数a.响应时间 响应时间是指PLC从ON状态转变成OFF状态或从OFF状态转变成ON2状态所需要的时间。继电器输出型响应时间平均约为10ms；晶闸管输出型响应时间为1ms以下；晶体管输出型在0.2ms以下为最快。b.输出电流 继电器输出型具有较大的输出电流，AC250V以下的电路电压可驱动纯电阻负载2A/1点、感性负载80VA以下（AC100V或AC200V）及灯负载100W以下（AC100V 或200V）的负载；Y0、Y1以外每输出1点的输出电流是0.5A，但是由于温度上升的原因，每输出4合计为0.8A的电流，输出晶体管的ON电压约为1.5V，因此驱动半导体元件时，请注意元件的输入电压特性。Y0、Y1每输出1点的输出电流是0.3A，但是对Y0、Y1使用定位指令时需要高速响应，因此使用10100mA的输出电流；晶闸管输出电流也比较小，FX1S无晶闸管输出型。c.开路漏电流 开路漏电流是指输出处于OFF状态时，输出回路中的电流。继电器输出型输出接点OFF是无漏电流；晶体管输出型漏电流在0.1mA以下；晶闸管较大漏电流，主要由内部RC电路引起，需在设计系统时注意。 输出公共端（COM） 公共端与输出各组之间形成回路，从而驱动负载。FX1S有1点或4点一个公共端输出型，因此各公共端单元可以驱动不同电源电压系统的负载。1.2.5电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。如FX1S额定电压AC100V240V，而电压允许范围在AC85V264V之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。一般小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。因此PLC对电源的基本要求：能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰；电源发生故障不会导致其它部分产生故障；允许较宽的电压范围；电源本身的功耗低，发热量小；内部电源与外部电源完全隔离；有较强的自保护功能。21.3 PLC的工作原理由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为3个阶段。1.3.1输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。1.3.2程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。1.3.3 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。2由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。综上述，PLC的扫描工作过程如图14所示。 图1-4 PLC的扫描工作工程显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意。0第二章 机械臂的PLC控制2.1 控制特点机械臂电气控制系统，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。以下是设计该机械臂控制程序的步骤和方法。2.2 系统控制示意图机械臂传送工件系统示意图，如图2-1所示。 图2-1 机械臂传送示意及操作面板图0第三章 气压传动系统工作原理图图3-1为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机（排气压力大于0.4-0.6MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。 图3-1 机械手气压传动原理图序号型号规格名 称数量1QF-44手动截止阀12储气缸23QSL-26-分水滤气器14QTY-20-减压阀15QIU-20-油雾器16YJ-1压力继电器17Q24DH-10-二位五通电磁滑阀18Q24H-10-二位五通电磁滑阀39单项节流阀210LI-25单项节流阀211快速排气阀212气液转换器1 表3-2 气路元件表 各执行机构调速。凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回0转液压缓冲器的背压大小。为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器。这样可以省去电磁阀和切换调节阀或行程节流阀的气路阻尼元件。0第四章 操作系统及软件设计4.1输入和输出点分配表及原理接线图名 称代号输入名 称代号输入名 称代号输出启动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表4-1 机械臂传送系统输入和输出点分配表0 图4-2 PLC接线图4.2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4-3所示。0 图4-3 系统操作程序其原理是：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，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针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常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。4.3 回原位程序回原位程序如图4-4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。0 图4-4 回原位状态转移图4.4手动单步操作程序如图4-5所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。图4-5 手动单步操作程序04.5自动操作程序自动操作状态转移见图4-6所示。当机械臂处于原位时，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，以使电磁力达到最大夹紧力。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。在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。图4-6 自动操作状态转移图04.6机械臂传送系统梯形图如图4-7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。这三部分程序（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。0 4-7 机械手传递系统梯形图设 计 小 结机械臂的PLC控制课程设计是机电课程当中一个重要环节通过了3周的课程设计使我对机械设计过程有进一步了解，对机电产品的有关的控制知识有了深刻的认识。因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，如：遗忘以前学过的专业基础知识。通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。运用学习成果，把理论运用于实际，使理论得以提升，形成创新思想。通过此次设计过程，巩固了专业基础知识，培养了我综合应用机械设计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力，在设计的过程中还培养出了我们的团精神，为今后的学习和工作过程打下基础。12致谢： 三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。三年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！ 同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。1参考文献：【1】郁汉琪、郭建主编.可变程序控制器原理及应用.北京：中国电力出版社，2005【2】王炳实主编.单片机技术.第3版.北京：机械工业出版社，2004【3】易泓可主编.基于数字PID设计.北京：机械工业出版社，2004【4】邓星钟主编.机电传动控制。武汉：华中科技大学出版社，2001【5】濮良贵 ，纪名刚.机械设计8版.高等教育出版社. 2006【6】岳庆来主编 变频器、可编程序控制器及触摸屏综合运用技术 机械工业出版社 2006【7】胡晓明主编 电气控制及PLC 机械工业出版社 2006【8】程周主编 PLC技术与应用 福建科学技术出版社 2004【9】李中年主编 控制电气及应用 清华大学出版社 2006【10】刘美俊编著 通用变频器应用技术 福建科学技术出版社 2004【11】冯辛安主编 机械制造装备设计 机械工业出版社 2005【12】廖常初主编 可编程序控制器应用技术 重庆大学出版社 2002【13】张继和 张润敏 梁海峰主编 电机控制与供电基础 西南交通大学出版社 2000【14】邱士安主编 机电一体化技术 西安电子科技大学出版社 2005【15】田鸣主编 机械技术基础 机械工业出版社 20051附 录附录1 梯形图1附录2 气压控制原理图1