三菱plc控制机械手设计系统.docx
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三菱plc控制机械手设计系统
摘要
可编程序控制器（PLC）是近年来发展极为迅速，应用面极广，以微处理器为核心，集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。
PLC的广泛应用，已经给生产带来许多的好处，它具有功能齐全、使用方便、维护容易、通用性强、可靠性好、性能价格比高等特点，已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用，成为实现工业自动化的一种强有力工具。
比如plc控制的机械手在搬运工件方面的应用，以前一直采用人工搬运物料，不仅工人的劳动强度大，安全性差，而且效率低。
本文分析了机械手和PLC之后，我们采用PLC控制的机械手进行物件的搬运来代替人力。
本文基于三菱公司的PLC，提出了PLC控制工件传送机械手PLC控制系统的设计方法。
重点研究了实验开发系统的工作原理、硬件部分的主要构成，以及硬件部分的设计、安装调试和实验应用开发。
讨论了三菱PLC指令系统、编程语言和程序设计方法，分析了三菱PLC专用编程软件在本系统中具体应用，
关键词：
机械手，PLC，
（PLC是什么？
PLC控制什么？
如何达到任务要求的？
达到什么样的控制要求？
）
绪论
工件传送机械手PLC控制系统总体方案设计
一、控制系统要求
机械手的工作过程如下：
第一章概述
1.1PLC产生、定义及发展趋势
1.1.1PLC（可编程逻辑控制器）的产生
PLC（可编程逻辑控制器）是20世纪60年代末期逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
近几年来，PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到极其广泛的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术。
在PLC出现以前，继电器控制曾得到广泛应用，在机电设备和工业过程控制领域中占有主导地位。
但是继电器控制系统有明显的缺点；体积大，可靠性低，故障查找困难，特别是因为它是由硬接线逻辑构成的系统，造成了接线复杂，容易出故障，对生产工艺变化的适应性较差。
20世纪60年代未，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断更新的需要，试图寻找一种新的生产线控制方法，使之尽可能地减少重新设计继电器控制系统的工作量以及尽量地减少控制系统硬连接线的数量，以降低生产成本，缩短制造周期，减少生产线的故障率，从而有效地提高生产效率。
当时，电子计算机的硬件己经基本完备，其主要功能是通过软件来实现的，因此具有灵活性、通用性等优点，但价格相对来说比较昂贵，于是他们想到了把继电器控制系统简单易懂、操作方便、价格便宜的长处与计算机灵活、通用的优点结合起来，用来制造一种新型的工业控制装置，并进而采用招标的方式，首先是美国数字设备公司（DEC）研制出符合上述想法的工业控制装置，命名为可编程逻辑控制器，即PLC（ProgrammableLogicController）。
1969年，第一台PLC在GM公司汽车生产线上首次运行，成功地取代了沿用多年的继电器控制系统，尽管当时的PLC功能仅具有逻辑控制、定时、计数等功能，但却标志着一种新型装置问世。
随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，20世纪70年代中期又出现了微处理器和微型计算机，这些新技术很快也被用到PLC之中，使得PLC不仅其有逻辑控制功能，而且还增加了运算、数据处理和传送等功能，从而成为具有计算机功能的新型工业控制装置。
1980年美国电器制造商协会（NEMA）正式将其命名为可编程控制器（ProgrammableController）简称PC.
1.1.2PLC（可编程逻辑控制器）的定义
国际电商委员会（IEC）于1982年11月和1985年1月颁布了可编程控制器的第一稿和第二稿，对可编程控制器作了如下的定义:
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它可采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。
之所以把可编程控制器简称为PC,因为它已经不再是仅具有逻辑控制功能的装置了口只是由于20世纪80年代崛起的个人计算机（PersonalComputer）也简称为PC。
为了加以区别，人们又把可编程控制器简称为PLC。
本文均称其为PLC.
1.1.3可编程逻辑控制器（PLC）的特点
1）可靠性高
由于制造PLC时在硬件和软件两个方面采用了一系列抗干扰措施，如屏蔽、滤波、隔离、故障诊断等，使PLC具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间可达到5万到10万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。
2）编程简单
PLC是面向工控现场设计的，他经常采用的是一种面向控制过程的梯形图语言，梯形图语言与继电器原理图相类似，具有形象直观、易学易懂的优点，便于电气工程技术人员掌握。
3）使用方便
使用PLC时只需进行和输入、输出接口相关的少量电气接线，当控制要求发生改变时，梯形图程序修改非常容易。
PLC的功能强大，主要有逻辑控制、定时控制、技术控制、步进控制、数据处理等基本功能，有的PLC还有A/D、D/A转换及通信联网的功能。
由于可编程控制器产品已系列化、标准化、模块化，因此能灵活方便地进行系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统。
单片机不能适应太复杂的工作环境，抗干扰性能没有PLC强，编程复杂，不易掌握，单片机的开发是需要大量的技术人员的共同努力才能够实现的，其接线复杂，因此在工业控制时，人们会选择简单易学易于控制的PLC作为工控机。
PLC的主要应用领域包括：
专用机床，纺织机械、包装机械、通用机械工程应用、控制系统、机床、电器制造工业及相关产业等等。
1.1.4PLC（可编程逻辑控制器）发展趋势
一、向高速度、大存储量方向发展
为提高处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前大中型PLC.的速度可达0.2ms/k步左右。
各大公司都把PLC的扫描速度作为一个很重要的竞争指标。
二、向多品种方向发展
目前中小型PLC比较普遍。
为适应市场的多种需要，今后PLC发展要向多品种方向，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
目前开关量输入输出点数达到8192点的大型PLC己比较多。
为适应大规模控制系统的需要，输入输出点数还在增加。
例如Modicon公司的984-780、984—785的最大开关量输入输出点数为16384,西门子公司的S5-55U为10K点，RelianceElectric公司的DCS-5000为12K点。
三、编程语言多样化
PLC系统结构不断发展的同时，编程软件也在不断发展。
编程语言朝着多种编程语的方向发展。
尽管大多数PLC采用继电器梯形图语言（RLL），但是新的编程语言还是不断出现，现在有部分PLC已采用高级语言（如BASIC语言等），例如Teletrol系统公司的286集成系统就是用C语言，使个人计算机技术得以溶入PLC之中。
四、发展智能模块
智能模块是以微处理器为基础的功能部件。
它可以与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。
发展智能模块可进一步提高PLC处理信息的能力和控制功能。
1.2机械手的介绍
1.2.1工业机械手的概述
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。
1.2.2机械手的组成
机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。
1.执行机构
机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。
手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。
手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。
简单的机械手可以没有手腕。
支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。
2．传动系统
执行机构的动作要由传动系统来实现。
常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。
3.控制系统
机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。
4．辅助装置
辅助装置是机械手各部的连接装置，如，油箱、管道、仪表、基座等。
机械手按使用用途分：
专用机械手、通用机械手。
传动方式分：
机械式机械手、液压式机械手、气压式机械手、电动机械手。
1.2.2机械手应用好处
进入信息时代，科学技术高速发展的今天，传统的机械手面临着一场严峻的挑战，它要生存要发展就必须要进行一场深刻的变革，自动化技术就越来越受到各方面的关注，在机械手上提高自动化程度几乎成了有识之士的共识。
近几年来，自动化机械手的应用出现了日新月异的可喜局面，它将对提高产品质量、提高工作效率、节约能源、降低生产成本、减少消耗、增加企业的竞争力，缩小同发达国家的差距等都将起到重要的作用。
生产自动化的实质就是利用机械装置来代替人，来完成人的工作（劳动）。
把人从繁重、单调、恶劣的环境中解放出来。
它能长时间、不知疲倦地按人们的意愿工作。
物料分拣自动化的重要环节一一机械手己被人们研究了几十年，也应用了几十年，并得到了飞速的发展，它己经被应用到人类生活的各个方面，它已经成了人类的好朋友，伴随它的发展，它将对人类的生产、生活做出更大的贡献。
第二章机械手控制系统硬件设计
2.1PLC控制系统硬件设计原则
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
1、最大限度地满足被控对象的控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。
这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。
同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
2、保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。
这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。
例如：
应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
3、力求简单、经济、使用及维修方便
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。
因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
4、适应发展的需要
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
2.2PLC选型
一、控制要求分析及I/O点统计
系统运行前，机械手处于原位状态，即右限SQ3、下限SQ5受压。
按下起动按钮，输送带B开始运行，同时机械手从右下限开始上升。
机械手上升至上限位，SQ4动作，上升动作结束，同时机械手开始左旋动作。
机械手旋转至左限位，SQ2动作，左旋动作结束，同时机械手开始下降动作。
机械手下降至下限位，SQ5动作，下降动作结束，同时输送带A开始起动。
输送带A将工件传送进入光电开关检测区，SQ6动作，输送带A停止运行，同时机械手开始抓物动作。
机械手抓住工件，SQl动作，抓物动作完成，同时机械手再次开始上升。
机械手上升至上限位，SQ4动作，上升动作结束，同时机械手开始右旋动作。
机械手旋转至右限位，SQ3动作，右旋动作结束，同时机械手开始下降动作。
机械手下降至下限位，SQ5动作，下降动作结束，同时机械手开始放物动作，经延时后，放物动作完成。
以上是机械手传送工件的一次完整的工作流程，系统中输送带B随机械手的运行状态而工作，即按下起动按钮开始运转，按下停止按钮结束运转。
PLC的输入端有单周期运行启动按钮，循环启动启动、停止按钮，机械手夹紧SQ1，左限位SQ2,右限位SQ3,上升限位SQ4,下降限位SQ5,光电开关SQ6.等9个输入端。
输送带A、B运转，手臂上升、下降、左摆、右摆、手抓抓工件等7个PLC输出端。
根据设计要求：
物料分拣PLC系统需要输入点9个，输出点7个，其I/O接口共16个，为保证20%的余量，其I/O应不小于32个;根据其控制要求及I/O点，对此系统进行进行分析，我们将选用FX2N型的PLC控制本系统。
图3-1FX2N-32M可编程控制器
输入输出32点
内置RAM存储器（8000步）。
电池后备。
使用选件盒时最大可达16000步。
实时时钟：
内置于基本单元中（可与公历4位对应，有闰年调整功能）
基本指令：
27种
步进梯形图指令：
2种（可表示SFC）
应用指令：
28种
内置运行/停止开关（也具有外部运行/停止功能）
可在程序中写入程序。
二、三菱PLC的介绍
三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品。
其小型机F1/F2系列是F系列的升级产品，早期在我国的销量也不小。
F1/F2系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比F系列有了更强的控制能力。
继F1/F2系列之后，20世纪80年代末三菱公司又推出FX系列，在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有了全面的加强。
FX2系列是在90年代开发的整体式高功能小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。
FX2N几年推出的高功能整体式小型机，它是FX2的换代产品，各种功能都有了全面的提升。
近年来还不断推出满足不同要求的微型PLC，如FXOS、FX1S、FX0N、FX1N及α系列等产品。
三菱公司的大中型机有A系列、QnA系列、Q系列，具有丰富的网络功能，I/O点数可达8192点。
其中Q系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双CPU协同处理、多存储器、远程口令等特点，是三菱公司现有PLC中最高性能的PLC。
三菱PLC中的FX2N：
是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
特点：
--系统配置即固定又灵活；--编程简单；--备有可自由选择，丰富的品种；--令人放心的高性能；--高速运算；--使用于多种特殊用途；--外部机器通讯简单化；--共同的外部设备。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。
可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。
可根据电源及输出形式，自由选择。
程序容量：
内置8000步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。
丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。
便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。
数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。
特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，10KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。
外部设备相互通信，串行数据传送，ASCIIcode印刷，HEX<-->ASCII变换，校验码等。
FX2N系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。
所以本系统选用了FX2N系列PLC。
2.3其它外部器件选型
一、光电传感器选型
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。
①检测距离长
如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。
②对检测物体的限制少
由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。
③响应时间短
光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。
④分辨率高
能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。
也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。
⑤可实现非接触的检测
可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。
因此，传感器能长期使用。
⑥可实现颜色判别
通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。
利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。
⑦便于调整
在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。
在此系统中由于对产品的要精确度不高，所以选用KBE22-DS10NA型光电传感器。
2.4三菱PLC的I/O接线图
三菱I/O地址分配及功能说明
序号
PLC
地址
名称及功能说明
序号
PLC
地址
名称及功能说明
1
X000
单周期运行启动按钮SB1
1
Y000
输送带A
2
X001
连续循环运行
启动按钮SB2
2
Y001
输送带B
3
X002
连续循环运行
停止按钮SB3
3
Y002
手臂上升
4
X003
手爪夹紧限位
传感器SQ1
4
Y003
手臂下降
5
X004
手臂旋转左限位传感器SQ2
5
Y004
手臂右摆
6
X005
手臂旋转右限位传感器SQ3
6
Y005
手臂左摆
7
X006
手臂提升限位
传感器SQ4
7
Y006
手抓抓物件
8
X007
手臂下降限位
传感器SQ5
8
Y007
9
X010
光电开关
传感器SQ6
9
Y010
第三章机械手控制系统软件设计
3.1FX系列PLC常见的编程方式
指令表编程：
指令表编程是以“LD”、“LDI”、“AND”、“ANI”、“OUT”等顺控指令输入的方式。
这种方式是编写顺控程序的基本输入形式，但控制内容难于看懂。
例：
步指令软元件号
0LDX000
1ORY005
2ANIX002
3OUTY005
梯形图编程：
梯形图程序是采用顺控信号及软元件号，在图形画面上作出顺控电路图的方法。
这种方法是用触点符号与线圈符号表示顺控回路，因而容易理解程序的内容。
同时还可用回路显示的状态来监控可编程控制器的动作。
例：
SFC编程：
SFC程序是根据机械动作的流程进行顺控设计的输入方法。
在具有个人计算机与A7PHP/HGP等的图形画面的外围设备中，通过制作下图所示的画面可决定顺控的流程。
以上3种方法编制的顺控程序，全部以指令表方式（指令表编程时的内容）存储在可编程控制器的程序内存中。
因此，按照下图所示以各种输入方法编制的程序表示及编辑都可相互变换。
（即使是指令表程序，也可根据SFC转换的规则，通过SFC图对应的软件来表示以指令为基础的程序）。
3.2FX系列可编程控制器的基本指令及应用
FX2N系列可编程控制器共有27条基本逻辑指令，此外还有一百多条功能指令。
对于常见的开关量控制系统，只用基本指令就可以满足用户变成的要求。
符号名称
功 能
电路表示
LD
常开触点
LDI
常闭触点
AND
串联常开触点
ANI
串联常闭触点
OR
并联常开触点
ORI
并联常闭触点
ANB
块串联
ORB
块并联
OUT
线圈驱动指令
SET
保持指令
RST
复位指令
PLS
上升沿检测指令
PLF
下降沿检测指令
PLC常用的编程语言基本指令说明
符号名称
功 能
电路表示
MC
主控开始指令
MCR
主控复位指令
MPS
进栈指令
MRD
读栈指令
MPP
出栈指令
INV
运算结果的反向
NOP
空操作
END
程序结束
3.3FX系列PLC的常见编程方法
常见编程方法有：
“启——保——停”方式编程
置位复位方式编程
步进指令方式编程
本设计以“启——保——停”方式编程，本编程方式是以
的方式为基本单位的编程方法，它适合逻辑关系简单的控制系统，是在实际中较为常用的编程方法。
顺序功能图
4.4梯形图程序
4.5指令表程序
第四章总结
本课题是对物料分拣PLC控制系统应用设计机械手设计应用的一次探索，也是企业逐步走向生产自动化的一次探索。
虽然我的探索和设计可能不够成熟，但对我来说这次探索奠定了我在PLC的设计和应用道路上的基础，为企业生产自动化，为在更多的设备上用更多的PLC作出我应有的贡献，献出我的精力和智慧。
本课题的联想和体会:
一、通过该机械手
升级会员 