基于PLC的四自由度机械手控制系统设计.doc

摘　　要本文通过研制基于PLC控制的四自由度气动光盘搬运机械手，设计相关的气动回路与PLC控制系统，分析了机械手中PLC控制系统的特点PLC控制系统由于其简单易于实现，可靠性好，是代替继电器控制系统有效的方法通过对PLC程序设计的研究，采用顺序功能图设计方法是实现气动机械手动作路线及其他复杂顺序动作系统的有效方法本文设计了一种基于PLC控制的四自由度的气动机械手，用于抓取与搬运光盘，该机械手结构与控制原理具有通用性与代表性为便于教学，该气动机械手还具有一定的开放性气动机械手采用PLC控制电路及气压回路驱动气缸实现要求的运动轨迹，在结构上，与其他类型的机械手相比，气动机械手具有结构简单，控制容易实现，其气动部件已系列化和组立化，便于设计与实现，且维护方便由于气动机械手这些特点，气动机械手在生产过程自动化中的应用已日益广泛关键词：机械手；气动系统；PLC；顺序功能图目 录第1章 基于PLC的四自由度机械手控制系统设计 1.1 基于PLC的四自由度机械手控制系统设计分析 ……………………..(1) 1.2 机械手基本结构与控制任务…………………………………………….(1) 1.3 机械手气动系统设计…………………………………………………….(2)第2章 基于PLC的四自由度机械手控制系统硬件设计 2.1.0 FX-2N系统可编程控制器简介……………………………………….(3) 2.1.1可编程控制器可编程控制器的产生………………………………….(3) 2.1.2可编程控制器的定义………………………………………………….(3) 2.1.3可编程控制器的发展趋势…………………………………………….(5) 2.1.4可编程控制器的特点………………………………………………….(6) 2.1.5可编程控制器的主要功能…………………………………………….(7) 2.1.6 PLC的基本结构……………………………………………………….（8) 2.1.7 PLC各部分的作用……………………………………………………..(9) 2.1.8气动技术介绍…………………………………………………………..(11) 2.1.9压缩空气的特性………………………………………………………..(11) 2.2.0简单的气动系统………………………………………………………..(11) 2.2.1气动元件………………………………………………………………..(12)第3章 基于PLC的四自由度机械手控制系统软件设计 3.1输入/ 输出分配表……………………………………………………….(13) 3.2 PLC外部接线图………………………………………………………….(14) 3.3机械手PLC程序设计…………………………………………………….(15) 3.4 PLC程序设计……………………………………………………………..(17)致谢参考文献 第1章 基于PLC的四自由度机械手控制系统设计1.1基于PLC的四自由度机械手控制系统设计分析机械手是一种模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓(吸)取、搬运工件或工具进行操作的自动化装置。

气动机械手采用PLC控制电路及气压回路驱动气缸实现要求的运动轨迹，在结构上，与其他类型的机械手相比，气动机械手具有结构简单，控制容易实现，其气动部件已系列化和组立化，便于设计与实现，且维护方便由于气动机械手这些特点，气动机械手在生产过程自动化中的应用已日益广泛本文设计了一种基于PLC控制的四自由度的气动机械手，用于抓取与搬运光盘，该机械手结构与控制原理具有通用性与代表性为便于教学，该气动机械手还具有一定的开放性1.2 机械手基本结构与控制任务如(图l)所示，光盘放置于位置l，气动机械手的初始位置处于位置9，要实现将光盘根据要求从位置l搬运至位置2、3、7、8时，对机械手的自由度提出一定的要求根据任务要求，机械手要实现X方向与Y方向的运动、绕z方向的旋转，同时在抓取过程中要实现手臂的升降(Z)和吸放光盘的过程，该机械手具有四个自由度机械手硬件如(图2)所示图1 气动机械手任务图图2 机械手硬件结构图1.3 机械手气动系统设计 气动机械手硬件系统由四个气缸、三个真空吸盘、限位磁性接近开关、5个两位五通电磁气阀和1个两位两通电磁气阀组成的阀岛、控制面板、接线端子、PLC、按钮开关及指示灯等相关电气元件组成。

当按钮开关或磁性接近开关发出信号传递到PLC输入端子，经过PLC程序处理，PLC发出动作控制信号驱动相应主控阀电磁线圈的通断，控制压缩空气的运动方向，使气缸产生对应的动作 要实现前述控制任务要求，其控制部分包括气动回路与PLC控制部分气动机械手的气压控制回路如图3所示气源产生压缩空气，经三联件处理后，经两位五通阀和单向节流阀分别进入滑台气缸、回转气缸、悬臂气缸、升降气缸两位五通阀电磁线圈的通断决定了气缸的动作，比如控制滑台气缸的二位五通阀通电时，滑台气缸本体(缸体)左移；断电时滑台气缸本体(缸体)右移本机械手选择两位阀，而没有选择具有中位机能的三位阀，主要是为了减少控制信号，减少PLC的输出点数单向节流阀的作用是调节气缸的运动速度，产生一定的背压缓冲对真空吸盘吸光盘的过程，当真空发生器通过高压气体时，产生一定的真空度，实现吸光盘，此时，两位五通阀处于通电状态，两位两通阀处于断电状态对放光盘的过程，要求高压气体先经两位两通阀，通过真空吸盘将吸附的光盘吹落，延迟一段时间后断开真空吸盘的气路，以节约用气量，故要求在两位五通阀通电、两位两通阀断电状态下，两位两通阀先通电，延迟一段时间后，两位五通阀再断电，然后两位两通阀再断电。

图3 机械手气动回路原理图第2章 基于PLC的四自由度机械手控制系统硬件设计2.1 FX-2N系列可编程控制器简介2.1.1可编程控制器的产生 20世纪20年代起，人们把各种继电器接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统.由于它结构简单容易掌握价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位.但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差.20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置.为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：(1)编程方便，可现场修改程序(2)维修方便，采用插件式结构(3)可靠性高于继电器控制装置(4)体积小于继电器控制盘（5）数据可直接送入管理计算机（6）成本可与继电器控制盘竞争（7）输入可以是交流150V以上（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等(9) 扩展时原系统改变最小(10)用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装配过程的需要） 十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。

2.1.2可编程控制器的定义 美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程可编程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计定义强调了PLC应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”2.1.3 可编程控制器的发展趋势PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。

具体表现在以下几个方面1）向小型化、专用化、低成本方向发展随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使PLC结构更为紧凑，相当于一本精装本书的大小，操作使用十分方便PLC的功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上2）向大容量、高速度方向发展 大型PLC采用多微处理器系统，有的采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能另外，存储容量大大增加3）智能型I/O模块的发展 智能型I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度4）基于PC的编程软件取代编程器 随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机上的编程软件编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通行接口的参数等5）PLC编程语言的标准化 与个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用。

PLC的编程语言和指令系统的功能和表达式也不一致，因此各厂家的可编程序控制器互不兼容为了解决这一问题，IEC制定了可编程序控制器标准标准中共有5种编程语言，允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程能够选择不同的语言来适应特殊的工作6）PLC通信的易用化PLC的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中控制7）组态软件与PLC的软件化 个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能8）PLC与现场总线相结合 现场总线I/O与PLC可以组成功能强大的、廉价的DCS系统9）开发新型特殊功能模块 I/O组件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大处理能力10) CPU的处理速度进一步加快目前，PLC的处理速度与计算机相比还比较慢，其高的CPU也不过80486，将来会全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU进行处理、分时处理或分任务处理方式，将各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使PLC的处理速度达到纳秒级 2.1.4可编程控制器的特点1、抗干扰能力强，可靠性好PLC在电子线路、机械结构以及软件结构。