工业机械手毕业论文

工业机械手1.绪论1.1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。工业机械手的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。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。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力大的特点，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。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。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。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，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，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讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。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；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。1.2研究机械手的意义一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.3机械手的应用现状现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：1.热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。2.冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。3.拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。1.4机械手的发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。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，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。2.机械手机械结构2.1传动机构1螺旋机构螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，其主要功能是将转动变换为直线运动，并同时传递运动和动力，按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构可以分为滑动螺旋机构和滚动螺旋机构两种类型。按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。螺旋机构具有结构简单，制造方便，传动平稳，无噪声易于自锁等优点。2. 滑动螺旋机构 螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构，称为滑动螺旋机构。滑动螺旋机构所用的螺纹为传动性能好，效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成。根据机构的组成及运动方式，滑动螺旋机构又分为以下两种。（1）由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构，螺母与机架固联，螺杆转动并移动（如图1-1b所示），这种螺旋机构以传递动力为主，故又称传力螺旋机构。一般要求用较小的转矩产生较大的轴向力，多用在工作时间短，速度较低的场合。（2）由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构，如图1-1a所示，螺杆转动，螺母移动，这种螺旋机构以传递运动为主，故又称为传导螺旋机构。本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。这种传动形式结构紧凑，刚度较大，传动效率高，精度高。 图1-1（a）螺杆转动，螺母移动(b)螺母固定，螺杆转动并移动3滚动螺旋机构 螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构，称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。其机构特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道，并在其间放如钢球，当螺杆转动时，刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。按循环方式的不同，分为外循环和内循环两种形式。滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环叫外循环（如图1-2所示）。外循环螺母只需设置一个反向器，当滚珠进入反向器时，就被阻止而转弯，从返回通道回到滚道的另一端，形成一个循环回路。机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动。滚动螺旋机构摩擦阻力小，动作灵敏度高，传动效率高，可达90%以上。用调整的方法可消除间 隙，传动精度高。 图1-22.2机械手夹持器和机座的结构机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为外夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移。对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置。但其机械机构繁杂，体积大，制造精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候，在满足工件的定位精度要求的条件下，尽可能的采用结构比较简单回转型夹持器。 本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回转型夹持器。如右图所示，装在杆上端的滚子3和楔块之间为滚动接触。当电机带动连杆前进时，通过楔块4的斜面和杠杆1，使两个手抓产生加紧动作和加紧力。当楔块后移时，靠弹簧的拉力使手指松开。这种末端执行器由于楔块和滚子之间为滚动接触，摩擦力小，活动灵活，且机构简单。2机座机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时的稳定运行。如图1-3所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。这种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。图中电动机3经减速器4、主动小齿轮5、中间齿轮6、大齿轮7驱动丝杆2旋转，从而驱动升降台上下运动。整个机座安装在基座8上。3.可编程控制PLC3.1 PLC简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。 通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器3.2 PLC内部原理PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一的。如图2.1所示， PLC硬件的基本结构图所示：编程器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储区用户程序存储区电源图2-1 PLC硬件的基本结构图（1）中央处理单元（CPU）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，并能检查用户程序的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受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等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象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，如此循环运行，直到停止运行为止。（2）存储器与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的PLC。PLC的软件分为两部分: 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，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：系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。A. 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。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项功能。B. 系统RAM存储区系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备（例如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。（A）I/O映象区由于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，它需要有一定数量的存储单元（RAM）以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit）, 一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit)。因此，整个I/O映象区可看作由开关量的I/O映象区和模拟量的I/O映象区两部分组成。（B）系统软设备存储区除了I/O映象区以外，系统 RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、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无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电子供电。使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当PLC停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部置“零”。C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PLC其存储容量各不相同，一般来说，随着PLC机型增大其存储容量也相应增大。不过对于新型的PLC，其存储容量可根据用户的需要而改变。D常用的I/O分类常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。（3）PLC电源PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的PLC，还是中、大型的PLC，其电源的性能都是一样的，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负10%（15%）之间，因此可以直接将PLC接入到交流电网上去。可编程序控制器一般使用220V交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源。驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。3.3 PLC的工作原理可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机 或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段。可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 在通信服务阶段，可编程序控制器与别的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。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作。在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。体型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为OFF。扫描周期可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次图2.5.1a所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。如图2.1c所示。第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第N个扫描周期输入采样输出刷新用户程序执行图2.1c PLC的扫描运行方式（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O映象区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC的CPU总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。（3）输出刷新阶段在输出刷新阶段，CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是PLC真正的输出。(4)输入/输出滞后时间输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。输入模块的CPU滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为1ms。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。3.4 PLC机型的选择方法1PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。2输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。3.电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。4.存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。5.冗余功能的选择a控制单元的冗余（1）重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。（2）在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。b I/O接口单元的冗余（1）控制回路的多点I/O卡应冗余配置。（2）重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。6.经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，估因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。3.5 机械手PLC选型及参数1.控制系统如图图7 机械手控制系统图2.输入/输出分析分析系统信号输入/输出要求，系统I/O信号全部为开关量，其中：（1）输入信号为十八个开关量信号，它们分别为：启动、停止、紧急停车、手动/单步/单周期/连续、上限、下限、左限、右限、工作检测、上升、下降、左移、右移、夹紧和放松。（2）输出信号为七个开关量控制信号，它们分别为：上升、下降、左移、右移、夹紧和原点指示。3.用户程序容量估计分析系统控制要求，一个工作循环分成10个工步，每一工步完成一些简单的工作。因此，控制用的程序估计较短，约在两百步之内。综合分析要求，考虑系统的经济性和技术指标，选三菱公司微型PC，机型FX-48MR。（1）.主要技术数据如下：工作电源：24VDC输入点数：24输出点数：24输入信号类型：直流或开关量输入电流：24VDC 5mA模拟输入：-10V10V（-20mA+20mA）输出晶体管允许电流0.3A/点（1.2A/COM）输出电压规格：30VDC最大负载：9W输出反应时间：OffOn 20s OnOff 30s基本指令执行时间：数个s程序语言：指令+梯形图+SFC程序容量：3792STEPS基本顺序指令：32个（含步进梯形指令）应用指令：100种初始步进点：S0S9一般步进点：118点，S10S127辅助继电器：一般用512+232点（M000M511+M768M999）停电保持用256点（M512M767）特殊用280点（M1000M1279）定时器：100ms时基64点（T0T63）10ms时基63点（T64T126，M1028为ON时）1ms时基1点（T127）计数器：一般用112点（C000C111，16位计数器）停电保持用16点（C112C127，16位计数器）高速用13点1相5kHz，2相2kHz（C235C254，全部为停电保持32位计数器）数据寄存器：一般用408点（D000D407）停电保持用192点（D408D599）特殊用144点（D1000D1143）指针/中断：P64点；I4点（P0P63/I001、I101、I201、I301）串联通信口：程序写入/读出通讯口：RS232 一般功能通讯口：RS485主机电源220V AC（2）.PLC主机的组成1、输入单元输入单元由8个按扭、8个开关和16个接插件组成，它们分别与PLC的16个输入点相接。改变这些开关或按扭的通断状态，即可对主机输入所需要的开关量。16个接插件可外接其它直流或开关量输入信号。2、输出单元输出单元由24个二极管和24个接插件组成，它们分别与PLC的24个输出点相连。发光二极管是否发光，即可表示输出点的状态，使用者可得到主机的输出信息。24个输出接插件可外接其它需要控制的设备。输出单元的4个地端，分别引出到面板，其中只有C4与3V电源共地。3、电源单元PLC主机左边有外接220V/AV的电源插座，作为PLC的工作电源。内装变压器，输出3V电源，供二极管使用。另外PLC的24VDC和24GND已引出到面板，供外接输入器件（如传感器）的工作电源用4.控制系统程序设计和调试4.1 可编程序控制器的控制设计方法1 梯形图的编程规则是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常不采用微机的程序语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会1994年5月公布的（可编程序控制器语言标准）详细的说明了在、句法、语义和下述5种编程语言：功能表图、梯形图、功能块图、指令表、结构文本。梯形图和功能图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。1.梯形图概述梯形图是使用最多的图形编程语言，被称为1的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图编程中，用到以下四个基本概念：（1）软继电器1梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与1 存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。（2）能流如图10所示触点1、2接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流”（）从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向右流动。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。图10.1a中可能有两个方向的能流流过触点5（经过触点1、5、4或经过触点3、5、2），这不符合能流只能从左到右流动的原则，因此应改为如图10.1b所示的梯形图。图10 梯形图（3）母线梯形图两侧的垂直公共线称为母线（），在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左到右流动。右母线可以不画出。（4）梯形图的逻辑解算根据梯形图中个触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左到右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以得后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态进行的。2. 梯形图的编程规则尽管梯形图与继电器电路图在结构形式、元件符号及逻辑控制功能等方面相类似，但它们又有许多不同之处，梯形图具有自己的编程规则。（1）每一逻辑行总是起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于线圈或右母线之间（右母线可以不画出）。注意：左母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与右母线之间则不能有任何触点。（2）梯形图中的触点可以任意串联或并联，但继电器线圈只能并联而不能串联。（3）触电的使用次数不受限制。（4）一般情况下，在梯形图中同一线圈只能出现一次。如果在程序中，同一线圈使用了两次或多次，称为“双线圈输出”。对于“双线圈输出”，有些1 将其视为语法错误，绝对不允许；有些1 则将前面的输出视为无效，只有最后一次输出有效；而有些1 ，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线圈输出。（5）对于不可编程梯形图必须难过等效变换，变成可编程梯形图，例如图10所示。（6）有几个串联电路相并联时，应将串联触点多的回路放在上方。在有几个并联电路相串联时，应将并联触点多的回路放在左方。这样所编制的程序 简洁明了，语句较少。另外在设计梯形图时输入继电器的触点状态最好按输入设备全部为常开进行设计更为合适，不易出错。建议用户尽可能用输入设备的常开触点与1 输入端连接，如果某些信号只能用常闭输入，可先按输入设备常开来设计，然后将梯形图中对应的输入继电器触点取反（常开改为常闭、常闭改为常开）。2 程序的顺序控制设计法如果一个控制系统可以分解成几个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行，这样的控制系统称为顺序控制系统，也称为步进控制系统。其控制总是一步一步按顺序进行。在工业控制领域中，顺序控制系统的应用很广，尤其在机械行业，几乎无例外地利用顺序控制来实现加工的自动循环。所谓顺序控制设计法就是针对顺序控制系统的一种专门的设计方法。这种设计方法很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便。1 的设计者们为顺序控制系统的程序编制提供了大量通用和专用的编程软件，开发了专门供编制顺序系统控制用的功能表图，使这种先进的设计方法成为当前1 程序的设计主要方法。3 程序的逻辑设计方法逻辑设计方法是以逻辑组合或逻辑时序的方法和形式来设计1 程序，看分为组合逻辑设计法和时序逻辑设计法两种。这些设计方法既有严密看循的规律性，明确可行的设计步骤，又具有简便直观和十分规范的特点。逻辑函数与梯形图的关系：组合逻辑设计法的理论基础是逻辑代数。我们知道，逻辑代数的三种基本运输“与”、“或”、“非”都有着非常明确的物理意义。逻辑函数表达式的线路结构与1 梯形图相互对应，可以直接转化。4.2 PLC程序及调试说明1.复杂程序的设计方法 实际的1 应用系统往往比较复杂，复杂系统不仅需要的1 输入/输出点数多，为了满足生产的需求，很多工业设备都需要设置多种不同的工作方式，常见的有手动和自动（连续、单周期、单步）等工作方式。在设计这类具有多种工作方式的系统的程序时，经常采用以下的程序设计思路与步骤：1. 确定程序的总体结构将系统的程序按工作方式和功能分成若干部分，如：公共程序、手动程序、自动程序等部分。手动程序和自动程序是不同时执行的，所以用跳转指令将它们分开，用工作方式的选择信号作为跳转的条件。2. 分别设计局部程序公共程序和手动程序相对较为简单，一般采用经验设计法进行设计;自动程序相对比较复杂，对于顺序控制系统一般采用顺序控制设计法，先画出其自动工作过程的功能表图，再选择某种编程方式来设计梯形图程序。3. 程序的综合与调试进一步理顺各部分程序之间的相互关系，并进行程序的调试。2 PLC程序内容和质量 1. PLC应用程序最大限度地满足被控对象的控制要求，在构思程序主题的框架后，要以它为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序。经过不断地调整和完善。使程序能完成所要求的控制功能。另外，PLC应用程序通常还包括以下几方面的内容：（1）初始化程序在PLC上电后，一般要做一些初始化的操作。其作用是为启动做必要的准备，并避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容为：将某些数据区、计数器进行清零；使某些数据区恢复所需数据；对某些输出量置位或复位；显示某些初始状态等等。（2）检测、故障诊断、才、显示程序应用程序一般都设有检测、故障诊断和显示程序等内容。这些内容可以在程序设计基本完成时再进行添加。它们也可以是相对独立的程序段。（3）保护、连锁程序各种应用程序中，保护和连锁是不可缺少的部分。它可以杜绝由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，保证系统的运行更安全、可靠。因此要认真考虑保护连锁的问题，通常在PLC外部也要设置连锁和保护措施 。2. PLC程序的质量对于同一个控制要求，即使选用同一机型的PLC，用不同设计方法所编写的程序，其结构也可能不同。尽管几种程序都可以实现同一控制功能，但是程序的质量却可能差别很大。3 PLC程序的调试PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体功能为止。1. 程序的模拟调试将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通/断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。可以根据功能图表，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后继步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都逐一检查，不能有漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试的同时，也可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其它硬件的安装、接线工作也可以同时进行。2. 程序的现场调试完成上述的工作后，将PLC安装在现场进行联机总调试，在调试过程中可能将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬件接线等方面的问题，以及PLC的外部接线和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。5.机械手控制系统5.1控制系统设计简介每设计都要分析被控对象并提出控制要求：1.详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。确定输入输出设备2.根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。1.设备的控制要求 设备应具有“正常运转”和“强制停止”。控制系统设有手动、单周期、单步和连续4种工作方式，机械手在最上面和左边且放松时，成为系统处于原点状态或初始状态。机械手自动控制顺序功能图见图1，机械手的运动过程主要有八个动作即为：原点下降夹紧上升右移 左移上升放松下降图1 机械手的自动控制顺序功能 手动操作时由按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制，在单步操作方式下，从初始步开始，按下启动按钮X0后，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并在该步，再按一下启动按钮，又往前走一步。如选择单周期工作方式，按下启动按钮后，从初始步开始，机械手按顺序功能图（见图2）的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。原点下降夹紧上升右移 左移上升放松下降图2 机械手的单周期控制顺序功能选择连续工作方式时，在初始状态按下启动按钮后机械手从初始步开始一个周期一个周期地反复连续工作，按下停止按钮，并不马上停止工作，完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。在选择单周期、连续和单步工作方式之前，系统应处于原点状态。如不满足这一条件，可选择原点工作方式，然后按回原点启动按钮，使系统自动返回原点状态。在连续工作方式下设置两种停车状态：正常停车：在正常工作状态下的停车。按下停车按钮，机械手完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停车。紧急停车：在发生故障或紧急状态时的停车。按下紧急停车按钮，机械手停止在当前执行状态。当故障排除后，需手动回原点。2.装置简介 参照图1机械手结构图，机械手在连续工作方式下，机械手按下述顺序周而复始地搬物：（如图3）1）原位状态下（机械手在左、上限位置），按启动按钮，机械手开始下降。2）下降到下限位行程开关动作，下降结束，机械手开始夹紧。3）机械手夹紧工件，直到计时器计时时间到，上升运动开始。4）上升到上限行程开关受压动作，上升运动结束，机械手开始右移。5）右移到右限行程开关受压动作，右移运动结束，等待工件检测信号。6）待无工件信号到来，机械手开始下降。7）下降到下限行程开关受压动作，下降运动结束，机械手开始放松。8）机械手放松工件，直到计时器计时时间到，上升运动开始。9）上升到上限行程开关受压动作，上升运动结束，机械手开始左移。左移到左限行程开关受压动作，左限运动结束，机械手回到原始状态，一个工作循环完毕。图3 机械手工作循环过程图机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。 5.2机械手PLC系统资源分配PLC输入端口对应外部设备输入地址外部设备输入地址外部设备X0启动按钮SB1X12右限位行程开关SQ3X1停车按钮SB2X13左限位行程开关SQ4X2紧急停车按钮SB3X14工件检测电路X3手动单步单周期连续多位置开关QS1X20手动下降按钮SB4X4X21手动上升按钮SB5X5X22手动右移按钮SB6X6X23手动左移按钮SB7X10下限位行程开关SQ1X24手动夹紧按钮SB8X11上限位行程开关SQ2X25手动放松按钮SB9 PLC输入端口对应外部设备输出地址外部设备功能Y0继电器1线圈KM1下降Y1继电器2线圈KM2上升Y2继电器3线圈KM3右移Y3继电器4线圈KM4左移Y4电磁阀1线圈YV1夹紧Y5电磁阀2线圈YV2放松Y6指示灯HL原点指示5.3 I/O和所用内部单元地址分配 I/O地址分配表：输入功能输入功能输出功能X0启动X12右限Y0下降X1停车X13左限Y1上升X2紧急停车X14工件检测Y2右移X3手动X15下降Y3左移X4单步X21上升Y4夹紧X5单周期X22右移Y5放松X6连续X23左移Y6原点指示X10下限X24夹紧X11上限X25放松 所用内部单元地址分配表:状态功能计时器功能辅助继电器功能S0初始化设置T0夹紧延时M0连续状态S20下降T1放松状态S21夹紧S22上升S23右移S24下降S25放松S26上升S27左移5.4机械手软件系统结构 机械手软件系统结构图 总程序结构框图总程序结构框图机械手自动操作系统流程图机械手自动操作系统流程图5.5源程序机械手手动程序X3P8X20X10Y1Y0X21X11Y0Y1X11X22X12Y3Y2X11X23X13Y2Y3X24Y4Y5Y4X25Y5Y4Y5LDICJLDANIANIOUTLDANIANIOUTLDANDANIANIOU