机械手的PLC控制.docx

PLC课程设计题目：机械手的PLC控制专业：应用电子专业班级：学号：姓名：指导老师：引言在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题随着工 业现代化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、 无人生产流水线等等，已经随处可见同时，现代生产中，存在着各种各样 的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等， 这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理 论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中 的一个重要组成部分工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、 提高产品质量和生产效率的有效手段之一尤其在高温、高压、粉尘、噪声 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，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对 机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制该装置机械部分有滚珠丝杠、 滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成我 们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。

由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的 问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决第一节机械械结构1・1机械手夹持器和机座的结构1 •机械手夹持器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行1-辎承•膛杆•电动机4-减速辭5、6. T因鮭8-基座如图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1.2工艺过程图6.3所示为一简易物料搬运机械手的工艺流程图该机械手是一个水平/ 垂直位移的机械设备，其操作是将工件从左工作台搬运到右工作台，由光耦合器 VLC来检测工作台上有没有工件机械手通常位于原点，它的动作全部由气缸 驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制其中，上升/下降和左移/右移分别由双线 圈二位电磁阀控制，放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制xoO^ Q4.3图6.3搬运机械手工艺流程图工艺过程为：光耦合器VLC检测到左工作台有工件，机械手开始由原点下 降，下降到底时，碰到下限位开关后，停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件为 保证工件可靠夹紧，在该位置等待5 s夹紧后，上升电磁阀通电开始上升，上 升到顶碰到上限位开关，停止上升，改向右移动，碰到右限位开关后，停止右移, 改为下降至碰到下限位开关，下降电磁阀断电，停止下降，同时夹紧电磁阀断电, 机械手将工件松开，放在右工作台上，为确保可靠松开，在该位置停留5 s，然 后上升，碰到上限位开关后改为左移，到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀 断电，停止左移。

至此，机械手搬运一个工件的全过程结束2)控制要求机械手整个搬运过程要求都能自动控制在启动过程中能切换到手动控 制及自动控制或半自动控制(又称单周期控制)，以便对设备进行调整和检修图 6.4是机械手控制系统的逻辑流程图机械手搬运工件的一个周期可分为以下八 个部分系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位、左位1) 机械手下降 当光耦合器VLC检测到工作台A上有工件，机械手开 始下降下降到低位时，碰到下限位开关，机械手停止下降2) 夹紧工件 机械手在最低位开始夹紧工件，延时5 s抓住、抓紧3) 机械手上升机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升4) 机械手右移机械手右移到位时，碰到右限位开关，停止右移5) 机械手下降 当机械手下降到B时，碰到下限位开关，机械手停止 下降6) 放开工件 机械手在最低位开始放松工件，延时5 s7) 机械手上升机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升8) 机械手左移 机械手在高位开始左移，碰到左限位开关，停止左移 机械手工作的一个周期完成，等待工件在工作台A上出现再转到第一步，开始下 一个工作循环图6.4机械手控制的流程图1.3可编程序控制器选型1)硬件配置从控制流程中可以看出，在控制方式选择上需要3个启动按钮，分别完成 自动方式、单动方式和手动方式的启动，还需要1个停止按钮用来处理在任何情 况下的停止运行。

机械手运动的限位开关有4个：高位限位开关、低位限位开关 、左位限位开关和右位限位开关手动输入信号共由5个按钮组成：下降按钮、 上升按钮、夹紧按钮、左移按钮和右移按钮工作台A上有工件检测光耦合器 VLC的输入信号，共有14个数字量输入信号输出信号有机械手下降驱动信号 、上升驱动信号、右移驱动信号、左移驱动信号和机械手夹紧驱动信号，共有5 个数字量输出信号系统需要数字量输入14点，数字量输出5点，不需模拟量模块选择S7-300 系列的CPU313，加上数字量输入模块SM321及输出模块SM322就可以满足要 求，而且还有一定的裕量2) I/O地址分配将14个输入信号、5个输出信号按各自的功能类型分好，并与PLC的I/O 端——对应，编排好地址列出外部I/O信号与PLC I/O端地址编号对照表，如 表6.1所示第二节可编程控制PLC2・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2・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：中 央 处 理 单 元(CPU)系统程序存储区用户程序存储区图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。