PLC控制机械手设计1要点.docx
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PLC控制机械手设计1要点
《机械手设计》
课程设计报告
目录
前言……………………………………………………1
1、PLC简介…………………………………………2
1.1PLC发展………………………………………3
1.2PLC基本结构………………………………………5
1.3PLC工作原理……………………………………6
2、气动机械臂的PLC控制…………………………6
2.1控制特点…………………………………………7
2.2系统控制示意图…………………………………7
2.3输入和输出点分配表及原理接线图……………8
2.4操作系统…………………………………………8
2.5回原位程序………………………………………9
2.6手动单步操作程序………………………………10
2.7自动操作程序……………………………………11
2.8机械臂传送系统梯形图…………………………12
2.9指令语句表………………………………………13
3、设计小结………………………………………14
前言
可编程序控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。
随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC（PROGRAMMABLECONTROLLER），但是为了不和PERSONALCOMPUTER混淆，仍习惯称为PLC。
目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现SOFTPLC，更是PLC领域无限的发展前景。
本文主要通过气动机械臂的PLC控制来介绍PLC的具体应用，让我们更熟悉PLC，为今后学习打下基础。
关键字：
PLC机械手控制
1PLC简介
可编程控制器（简称PLC）：
是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
1.1基本结构PLC
可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。
输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。
PLC的基本结构如下图所示：
1.2中央处理单元（CPU
中央处理单元（CPU是PLC的控制核心。
它按照PLC系统程序赋予的功能：
a.接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象寄存区，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数运算并将结果送入I/O映象寄存区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象寄存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，如此循环直到停止运行。
1.2.2存储器
可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。
1.2.3输入接口电路
输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电路。
1.2.4输出接口电路
可编程序控制器的输出有：
继电器输出（M、晶体管输出（T、晶闸管输出（SSR三种输出形
1.2.5电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
如FX1S额定电压AC100V—240V，而电压允许范围在AC85V—264V之间。
允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。
1.3PLC的工作原理
由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。
PLC则是采用循环扫描的工作方式。
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。
扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：
一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。
一个扫描周期主要可分为3个阶段。
1.3.1输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。
在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。
1.3.2程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。
1.3.3输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。
由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。
实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一
显总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意。
2机械臂的PLC控制
2.1控制特点
机械臂电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。
工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。
当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。
当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。
当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。
2.2系统控制示意图
机械臂传送工件系统示意图，如图1所示。
图1机械臂传送示意及操作面板图
2.3输入和输出点分配表
表1机械臂传送系统输入和输出点分配表
名称
代号
输入
名称
代号
输入
名称
代号
输出
启动
SB1
X0
夹紧
SB5
X10
电磁阀下降
YV1
Y0
下限行程
SQ1
X1
放松
SB6
X11
电磁阀夹紧
YV2
Y1
上限行程
SQ2
X2
单步上升
SB7
X12
电磁阀上升
YV3
Y2
右限行程
SQ3
X3
单步下降
SB8
X13
电磁阀右行
YV4
Y3
左限行程
SQ4
X4
单步左移
SB9
X14
电磁阀左行
YV5
Y4
停止
SB2
X5
单步右移
SB10
X15
原点指示
EL
Y5
手动操作
SB3
X6
回原点
SB11
X16
连续操作
SB4
X7
工件检测
SQ5
X17
2.4操作系统
操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图3所示。
其原理是：
把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。
再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。
之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。
如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。
2.5回原位程序
回原位程序如图4所示。
用S10~S12作回零操作元件。
应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。
2.6手动单步操作程序
如图5所示。
图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。
2.7自动操作程序
自动操作状态转移见图6所示。
当机械臂处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。
S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。
当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。
S23驱动Y3右移。
移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。
下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。
为了使电磁力完全失掉，延时1秒。
延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。
上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。
左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。
在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。
因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。
2.8机械臂传送系统梯形图
如图7所示。
图中从第0行到第27行为回原位状态程序。
从第28行到第66行，为手动单步操作程序。
从第67行到第129行为自动操作程序。
这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。
回原位程序和自动操作程序。
是用步进顺控方式编程。
在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。
但两者又有不同。
回原位程序不能自动返回初始态S1。
而自动操作程序能自动返回初态S2。
2.9指令语句表
总结
机械臂的PLC控制课程设计是机电课程当中一个重要环节通过了3周的课程设计使我对机械设计过程有进一步了解，对机电产品的有关的控制知识有了深刻的认识。
因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，如：
遗忘以前学过的专业基础知识。
通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。
运用学习成果，把理论运用于实际，使理论得以提升，形成创新思想。
通过此次设计过程，巩固了专业基础知识，培养了我综合应用机械设计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力，在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，为今后的学习和工作过程打下基础。
参考文献：
【1】郁汉琪、郭建主编.可变程序控制器原理及应用.北京：
中国电力出版社，2005
【2】王炳实主编.单片机技术.第3版.北京：
机械工业出版社，2004
【3】易泓可主编.基于数字PID设计.北京：
机械工业出版社，2004
【4】邓星钟主编.机电传动控制。
武汉：
华中科技大学出版社，2001
【5】濮良贵，纪名刚.《机械设计》8版.高等教育出版社.2006
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