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机械手设计方案
摘要
本文介绍如何采用可编程控制器（简称PLC）控制机械手的自动控制系统。
要求机械手能够区分三种货物，并将其放到指定的箱内。
设计从三个方面着手，即PLC硬件、软件、实时监控系统。
本文第一部分根据机械手六个动作的控制需要，介绍了PLC的有关内容，对PLC控制系统的硬件组成，系统硬件选型作了描述。
第二部分针对机械手能够区分三种不同大小的货物，并能将其放到相应的箱内的要求，完成软件的设计及编程调试，并对机械手的区分抓取、搬运、区分存放三个过程作了分析。
第三部分主要是实时监控系统设计，完成了上位机与PLC的连接以及世纪星主画面的制作。
本文设计的机械手控制系统利用PLC应用软件实现自动控制和世纪星仿真组态监控软件构成可视画面。
机械手在对三种货物进行区分的同时还能够对其进行相应的存放，并且运动灵活。
通过软硬件的配合与调试，成功的实现了利用PLC对机械手的控制，达到工业设计的要求实现工业设计的自动化。
关键词：
可编程控制器；世纪星组态软件；机械手；自动控制
Abstract
Thispaperdescribeshowtouseprogrammablelogiccontroller（PLC）controlmanipulatorautomaticcontrolsystem.Askedmanipulatorcandistinguishthreetypesofgoods,andintothedesignatedbox.Designproceedfromthreeaspects,namelyPLChardware,software,real-timemonitoringsystem.
AccordingtothefirstpartofthismechanicalhandcontrolofsixoftheneedforactiononthecontentsofthePLC,thePLCcontrolsystemhardware,systemhardwareSelectiondescribed.Thesecondpartagainstmanipulatorcandistinguishthreedifferentsizesofcargoandcanputituponthecorrespondingboxontherequest,tocompletethedesignandprogrammingsoftwaredebuggingandmanipulatorofthedistinctionbetweencrawl,handling,storagedistinctionbetweenthethreeAnanalysisoftheprocess.Thethirdpartisreal-timemonitoringsystemdesign,completedthePCandPLCconnectivityandtheXingzhuscreenproduction.
Inthispaper,thedesignoftherobotcontrolsystemsoftwareapplicationsusingPLCautomaticcontrolandthesimulation-monitoringsoftwareconfigurationavisualscreen.Manipulatorinthethreegoods,whilealsoabletodistinguishbetweentheircorrespondingstorage,movementandflexibility.Throughtheco-ordinationanddebuggingofhardwareandsoftware,thesuccessfulrealizationoftheuseofthePLCmanipulatorcontrol,industrialdesigntothedemandsofindustrialdesignautomation.
Keywords:
ProgrammableController;Century-configurationsoftware;robot;Automatic
Control
目录
1引言1
1.1PLC的应用背景2
1.2设计目的2
1.3设计思路2
2机械手控制系统的设计方案和资源配置3
2.1机械手动控制系统的设计要求3
2.1.1分拣货物过程3
2.2机械手控制系统的资源配置6
2.2.1器件选用6
2.2.2PLC控制系统的组成7
2.2.3PLC硬件系统配置8
3机械手控制系统的软件设计和调试9
3.1编程软件9
3.1.1编程软件介绍9
3.1.2程序的下载、安装和调试9
3.2I/O地址分配10
3.2.1输入部分10
3.2.2输出部分10
3.3系统程序的具体分析11
3.3.1机械手控制过程中的指令介绍11
3.3.2源程序分析12
4实时监控系统的设计与调试15
4.1实时监控系统软件的概述及选择15
4.2画面的设计15
4.2.1世纪星与PLC的连接15
4.2.2串行通信协议16
4.2.3变量的定义17
4.2.4应用程序命令语言18
4.2.5可视画面19
结论22
参考文献23
致谢24
附录25
1引言
在全面现代化的今天，机械手的应用越来越多。
它可以代替人力劳动，并能够大大的提高效率，所以机械手出现在各个领域。
以往设计的机械手的种类很多，最简单的例如塔吊。
稍微复杂点的有能取代人工在各个冲压工位上进行物料冲压、搬运、上下料等任务的机械手；能够代替人工喷漆机械手；有搬运货物，装卸集装箱的机械手；还有相对体形较小巧用于小物件简单加工的机械手等等。
这些机械手都具有运动灵活，能够对物体进行搬运或者对物体进行简单重复的加工。
在这当中有很多机械手是由传统继电器控制的，这样的机械手接线复杂，维修量大，费工费时。
并且用继电器控制的系统可靠性差，灵活度底，抗干扰能力差。
PLC是综合了继电器和接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使得PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点：
可靠性高，抗干扰能力强；通用性强，使用方便；采用模块化结构，使系统组合灵活方便；编程语言简单、易学，便于掌握；系统设计周期短；对生产工艺改变适应性强；安装简单，调试方便、维护工作量小。
本文设计的机械手吸取以往经验,除了有以往机械手运动灵活，能够搬运货物等的功能外，还能够对货物的的大小进行区分，并能够放到相应的箱内。
这个似乎令机械手具有了思想，能充分的体现自动控制，响应时代的发展。
PLC控制，可以在0—60度的温度范围，90%以下的相对湿度下工作，可以在电网电压波动、频率变化、机械振动和冲击、电磁干扰等恶劣复杂的工业环境下正常工作。
并且免配线更解决了继电器控制所出现的问题。
设计从硬件、软件、实时监控系统三个方面着手，根据设计的要求,对硬件进行相应的选型,利用软件编写控制程序,实时监控构成可视画面。
通过软硬件之间的配合与调试，从而达到工业设计的要求，实现工业设计的自动化。
1.1PLC的应用背景
随着科学技术的发展，PLC广泛应用在机械制造、化工、冶金、交通、电子、电力、纺织、印刷、建筑、轻工机械、包装机械等众多的工业领域中。
它适应高新技术的潮流，并与计算机辅助设计与加工、机器人一起被称为当代工业自动化的三大支柱。
与其它编程器和传统的继电器相比较，它可以使接线大为简化，不但安装十分方便，而且保证了可靠性，减少了维修量，提高了工效。
它的高可靠性、高抗干扰性、高灵活性适应了现代社会的发展，在一些复杂的工艺中PLC更加的重要。
在机械手的控制中它的应用更为广泛[1]。
1.2设计目的
在经济高速发展的今天，机械手的应用越来越广泛，为了以科技代替劳动力，提高生产效率，各种各样的机械手出现在各个生产领域。
本文通过用PLC编程控制和组态软件的可视化，实现机械手自动化的同时为机械手注入思想，使它有一定的分辨能力。
在简化接线，保证可靠性的前提下提高工作效率，扩展应用领域。
1.3设计思路
本文利用PLC控制的机械手，是根据当今技术的发展以及自动控制在工业中的广泛应用，特别是机械手动作的灵活性和它所从事工作的复杂程度而设计的。
设计中机械手主要任务可分两部分。
第一部分是区分货物。
当启动按钮接通后，机械手臂能够向下运行，在下行过程中有三个位置开关，根据下行的深度也就是货物高度的不同，压合开关的个数也不同，从而根据压合开关的情况可区分出大小不同的货物。
第二部分是存放货物，区分出货物后进行向右移动，移动过程中仍有三个位置开关，根据货物的类型压合相应的开关后则下行存放到相应的箱子内。
系统的控制要从PLC硬件、软件、和实时监控系统三方面进行设计。
根据机械手的具体动作和特点，对PLC硬件进行选型并利用相应的软件进行程序设计同时利用组态软件使画面可视，从而最大限度地满足被控制对象和用户的控制要求，在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单，保证控制系统安全可靠，灵活适用。
2机械手控制系统的设计方案和资源配置
2.1机械手动控制系统的设计要求
根据机械手控制系统的工艺要求，工作特点，机械手在下降过程中根据压合下行位置开关SQ1、SQ2、SQ3情况的不同对三种不同大小的货物进行分捡，分捡后压合下限开关SQ4则机械手上行有，遇到上限开关SQ5后右移进行对货物的存放。
根据下行过程中压合开关情况的不同相应的接通SQ6（小货开关）、SQ7（中货开关）、SQ8（大货开关）三个右行位置开关中的一个，将货物存放到相应的货物箱内。
机械手示意图如图2.1所示。
图2.1机械手示意图
2.1.1机械手工作过程
1、机械手的启动
当机械手处于起始位置（即SQ5压合），按下启动按钮，则机械手下行。
2、区分货物
下行过程中有SQ1、SQ2、SQ3三个下行位置开关，如果下行过程中手臂压合三个开关，则遇到的是最小货物，如果只压合SQ1、SQ2则遇到的是中等货物，如果只压合SQ1则证明遇到的是最大的货物。
下行程序如图2.2所示。
3、抓取并运输
当遇到货物时会压合手臂上的下限开关，此时电磁铁线圈得电，机械手抓紧；1秒后，机械手上行；压合上限开关SQ5时机械手右行。
如果是最小货物则压合SQ6，如果是中等货物则压合SQ7，如果是最大货物则压合SQ8。
这两个过程功能控制图如图2.3所示。
当压合SQ6、SQ7、SQ8三个开关中的一个后机械手下行，然后电磁铁线圈失电，机械手放松，货物落入小货箱内；1秒后，机械手上行、左行返回原位。
这个过程功能图如图2.4所示。
输送机由电动机M拖动，电动机M正转机械手右行，电动机M反转，机械手向左运行。
机械手的上行和下行由双线圈两位电磁阀驱动汽缸实现，放松/抓紧操作是由1个单线圈两位电磁阀驱动汽缸来实现的。
图2.2机械手下行
图2.3抓取存放图
图2.4存放并返回
2.2机械手控制系统的资源配置
2.2.1器件选用
1、上位机
由于机械手控制系统对工控机的运行速度、灵敏度、稳定性以及世纪星组态软件等方面的要求，故上位机选用以计算机作为上位机，用于完成状态显示、向PLC发送分类控制信号等功能，从而实现对控制系统的实时监控。
同时，计算机还是图象处理的核心。
MicrosoftWindows2000中文平台作为其操作系统台式计算机，这样可以利用Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点来辅助机械手控制系统的设计。
它比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，并且可以利用计算机丰富的软件资源进行二次开发。
这样能直观的监控现场，在此计算机上可完成组态软件的设计和开发、PLC程序的设计和开发、并且还可以通过计算机串口来完成上位机与PLC的CPU单元之间的通信任务[2]。
由于监控系统中《世纪星组态软件7.12》是一个32位Windows应用软件，基于组态软件考虑，上位机采用安装Windows2000操作系统的普通计算机，并配以COM接口用做与下位机通信使用。
将《世纪星组态软件7.12》和CX-Programmer编程软件安装于电脑上，为以后组态画面的界面设计和PLC控制部分的编程操作时使用。
2、下位机
本设计的控制系统中机械手上下运行是由电磁阀控制，左右运行是由接触器控制，抓紧放松动作则是电磁铁线圈控制。
设计用PLC作为下位机来完成对几个限位开关所输入状态的判别和输出控制等工作。
本系统采用价格适中、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器欧姆龙CPM2A型PLC来实现机械手控制系统要求的。
机械手工作过程中需要进行重复而不同的上下左右运动及对货物的抓放，有一定的数据容量和程序存储容量，因此PLC选用日本欧姆龙公司C系列的小型机CPM2A型PLC30点输入/输出，配有CX-Programmer软件用于控制部分编程时使用。
3、通信方式
PLC组网后形成的控制系统可以节约配线、方便安装、提高可靠性和简化系统维护，PLC与计算机连网可以构成集中管理，分散控制的分布式控制系统，能够满足工厂自动化系统发展需求。
而本设计的机械手控制系统正是需要有这样的特点。
CPM2ACPU支持多样的通信协议：
点到点（Point-to-Point）接口（PPI）、多点接口（Multi-Point）（MPI）。
这些都基于系统内通信结构模型，都是异步、基于字符的协议。
其中PPI方式是非常简单方便的通信协议，只需要一根RS-232C线进行数据信号的传递，不需要额外再配置模块或软件。
因此，本系统选择PPI方式，简单且能满足通信要求。
CPM2A型PLC上配有RS-232C的通信接口，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和计算机互联[2]。
系统结构如图2.5所示。
图2.5系统结构
2.2.2PLC控制系统的组成
（1）PLC系统
根据结构形式的不同，PLC可分为整体式和模块组合式2类。
整体式比模块式价格实惠,此控制系统采用整体式PLC。
整体式PLC系统由输入单元、电源、CPU、输出单元、外设接口、存储器和扩展端口等组成。
此设计选用的是欧姆龙PLC是由电源、中央处理器和I/O元件组成的严密高速的程序控制器，配有丰富的指令系统，易于用户编程，具有丰富的特殊模块和通信能力，可以满足生产自动化的多级要求。
由于机械控制不断需要更先进的功能和处理速度，本系统采用CPM2A就是这样一种功能完善的紧凑型PLC，大程序容量和存储单位。
另外CPU单元带RS-232C接口，具有PPI、MPI等通信协议可实现程序传送，数据通信等功能。
（2）I/O单元
设计中输入电路就是被控对象进行检测、采集、转换和输入，这里主要用安装在控制台的按钮、限位开关向PLC送控制指令由开关进行输入，所以此部分为开关量输入。
输出电路是电由磁阀、线圈、接触器等构成，主要功能就是接受PLC输出的控制信号，对被控对象执行控制任务。
（3）PLC外围设备
PLC的外围设备很多，但基本功能不外乎是对信息和数据的处理。
这里用组态软件来设计一个实时监控系统。
2.2.3PLC硬件系统配置
机械手控制系统的输入端是各个限位开关SQ0-SQ8。
输出设备有机械手手臂、手掌。
通过几个限位开关的控制，使手臂和手掌能够按要求完成任务。
本系统的设计需要9个输入点和5个输出点，以及内部辅助继电器通道等PLC资源。
并且输出应选用继电器输出，电压应在DC24V、AC220V。
输出点采用分组式接法，每组使用一个电源，不同组使用不同电源，这样方便运行。
选用的价格低廉但具有较高的性能的CPM2A系列PLC，具有同步脉冲控制功能，可方便地调整输入输出的脉冲频率比值。
带9点快速响应或高速中断输入点。
可方便地与OMRON的可编程序终端（PT）相连接，为机器操作提供一个可视化界面。
该公司生产的PLC存储器种类为RAM型，安装的方式有直接插入的集成块、存储器板、IC卡等，这里采用的是集成块安装方式。
它们主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。
欧姆龙CPM2APLC提供的是RS-232通信口，通过COM1和COM2与电脑相连。
并在主控模块中通常配有锂电池，用于在掉电时，保存用户程序和数据。
在CPM2A型号PLC表面安装有LED指示器，用以指示PLC电源（POWER）、运行（RUN）、编程（PROG）、出错（ERROR）、警告（ALARM）、通信（COM）等工作状态[3]。
3机械手控制系统的软件设计和调试
3.1编程软件
CX-Programmer是日本OMRON公司为其生产的PLC而设计的编程支持工具软件。
该软件为用户提供了程序的输入、编辑、检查、调试监控和数据管理手段，不仅适用于梯形图语言，而且也适用于助记符语言。
3.1.1编程软件介绍
应用软件：
PLC控制系统的应用软件是指为完成PLC实际控制任务而编制的各种软件。
随着PLC应用领域范围的不断扩大，应用水平的提高，PLC应用软件也大大丰富起来了。
PLC系统软件与工作过程：
在系统软件的支持下，PLC对用户程序进行逐条解释，并加以执行，直到用户程序结束，然后返回到程序的起始有开始新一轮的扫描。
由于采用的是循环扫描的工作方式，所以只有扫描到“线圈”的触点时，才会动作，没有扫描到时，触点就不会动。
并且PLC扫描一次用户程序的时间即扫描周期与用户程序的长短和扫描速度有关，一般为1ms至几十毫秒[3]。
欧姆龙CPM2A型号PLC采用的是梯形图编程语言，这种语言能很简单、很容易掌握、也很直观的看到程序的执行的结果。
比起C语言和汇编语言等计算机语言，梯形图语言逻辑性更强，它以图形代替一成不变的指令，让人更容易的记住它。
指令也更简单明了化，不用过多的涉及计算机的原理和结构。
所以即使对计算机原理与结构掌握不够好，学习起梯形图语言也不会有太大的障碍。
这点也同时满足了机械手操作方便，应用广泛的特点。
设计中机械手在抓放货物时需要定时，体现它的自动控制性。
梯形图的选择更加合适。
因为梯形图主要是以逻辑的顺序控制来编程的，也就是以内部继电器的接通顺序，以及一些特殊的指令，如时间继电器TIM、记数继电器CNT、保持器KEEP等配合使用，来实现自动控制的目的。
3.1.2程序的下载、安装和调试
将各个输入/输出端子和实际控制系统中的按钮、开关、外部设施正确连接，完成硬件的安装。
机械手控制程序是由CPM2-CPU21-E支持的指令完成的，正常工作时程序存放在存储卡中，若要修改程序，先将PLC设定在STOP状态下，上位机同PLC采用标准的RS-232串口通信，运行CX-Programmer编程软件，打开机械手控制程序，即可在线调试。
也可以用编程器进行调试[3.5]。
3.2I/O地址分配
3.2.1输入部分
本控制系统有九个输入点，启动按钮1个，限位开关有两个,分别为上限开关SQ5和下限开关SQ4。
位置开关有六个，分别为下行位置开关SQ1、SQ2、SQ3及大、中、小货物箱位置开关SQ6、SQ7、SQ8。
其中下行位置开关用于分辨三种货物，货物箱位置开关使机械手找到相应的存放地点。
具体的输入分配如表3.1所示。
表3.1输入地址分配
输入地址
操作功能
0000
启动按钮SQ0
0001
下行位置开关SQ1
0002
下行位置开关SQ2
0003
下行位置开关SQ3
0004
下限开关SQ4
0005
上限开关SQ5
0006
小货物箱位置开关SQ6
0007
中货物箱位置开关SQ7
0008
大货物箱位置开关SQ8
3.2.2输出部分
本控制系统有五个输出点，这五点分别为上下行电磁阀、抓紧/放松电磁线圈、左右接触器。
两个电磁阀负责机械手的上下运动，线圈负责机械手手掌对货物的抓放，电机的正反转分别带动机械手向右向左运动。
具体的输出分配如表3.2所示。
表3.2输出地址分配
输出地址
操作功能
1002
下行电磁阀
1003
抓紧/放松电磁线圈
1004
上行电磁阀
1005
向右（电机正转）接触器
1006
向左（电机反转）接触器
3.3系统程序的具体分析
针对系统的各个部分的功能，编写不同的程序让机械手完成相应的任务。
其中在机械手抓放货物时，为了保证机械手手掌牢固的抓紧货物或彻底的放松货物，需要有一定的延时。
设计用定时指令完成1秒定时，使系统的可靠性更高。
3.3.1机械手控制过程中的指令介绍
（1）定时器指令，如图3.1所示。
格式：
TIM
N
SV
符号：
图3.1定时器
N是定时器的编号，其取值范围：
000
N
255。
SV是定时器设定值，必须是0—9999之间的BCD码（十进制数），其取值区域：
SR、HR、IR、AR、LR、DM。
当采用通道定时，通道内必须是BCD码，否则ER标志位置“1”，程序虽能运行，但定时不准确。
TIM指令的功能是实现导通延时操作。
当定时器的输入条件是OFF或电源断电时、定时器复位、计时当前值PV等于定时器设定值SV；当输入条件变为ON时，定时器开始定时，计时当前值不断减1，当经过设定时间后当前值变为0000，定时器输出为ON[8.9]。
3.3.2源程序分析
根据第二章的顺序功能图编写机械手的控制程序，本程序共分成三个部分。
即启动部分、区分输送部分、存放返回部分。
这三部分程序结合从而控制机械手正确的完成任务。
完整的PLC程序见附录。
下面对部分程序加以分析说明。
（1）启动程序
当输送机处于起始位置，00005触点接通，按下启动按钮SQ0（00000），20001接通，机械手下行。
此过程程序如图3.3所示。
图3.3启动程序
（2）区分输送程序
下行过程通过三个开关的不同压合来区分不同的货物，当0001、0002、0003根据不同的货物型号进行不同的接通，如果三个都接通则为小货物，若0001和0002接通这说明遇到中货物，如果只有0001接通则遇到的是大货物。
当这三个开关根据货物型号进行相应的接通后0004通道接通，则20002接通，对应输出1003，机械手加紧。
然后上行。
过程程序如图3.4所示。
（3）存放返回程序
上行后上限开关0005接通，使20004、20007或20010有一个接通进行右行。
再次根据货物型号压合SQ6、SQ7、SQ8中的一个使20008接通进行下行。
如果是小货物则压合开关SQ6下行存放，如果遇到的是中货物则压合SQ7下行存放，如果是最大的货物则压合SQ8下行存放。
当机械手选好相应的箱后则向下运行，直到压合下限开关SQ4，则20012接通，对应输出1003机械手放松。
将货物放到箱内，延时一秒后上行，当00005接通，则进行左行回到原位，一个周期完成。
这部分程序如图3.5。
图3.4区分并输送程序
图3.5存放并返回
4实时监控系统的设计与调试
4.1组态软件的选择及概述
组态软件的种类有很多例如Intellution公司的iFIX（2.2）、GE公司的Cimplicity（4.01）、Won
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