机械手的PLC控制偏硬.docx

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机械手的PLC控制偏硬

扬州市职业大学

毕业设计（论文）

设计题目：

机械手的PLC控制（偏硬）

系别：

汽车和电气工程系

专业：

机电一体化

班级：

06机电（3）班

姓名：

张贝

学号：

0601020345

指导教师：

王蕊

完成时间：

09年5月

摘要……………………………………………………………………………（4）

关键词…………………………………………………………………………（5）

目录……………………………………………………………………………

（2）

课题说明………………………………………………………………………（6）

第一章传感器机械手几种控制系统设计方案比较……………………（7）

1.1单片机的使用特点………………………………………………………（7）

1.2可编程序控制器系统的特点……………………………………………（7）

1.3单片机和PLC的比较……………………………………………………（8）

1.4比较结论…………………………………………………………………（8）

第二章机械手PLC控制系统的设计方案…………………………………（9）

2.1机械手外型示意图……………………………………………………（9）

2.2机械手主要技术性能……………………………………………………（9）

2.3机械手动作分析………………………………………………………（10）

2.3.1机械手动作示意图………………………………………………（10）

2.3.2PLC控制的机械手动作过程……………………………………（10）

第三章机械手PLC控制系统的硬件设计…………………………………（12）

3.1传感器机械手PLC控制系统的电气设计……………………………（12）

3.1.1PLC的I/O口信号及点数分析………………………………………（12）

3.1.1.1输入控制信号分析…………………………………………（12）

3.1.1.2输出控制信号分析…………………………………………（12）

3.1.1.3I/O分配表……………………………………………………（12）

3.1.2PLC选型……………………………………………………………（13）

3.1.2.1I/O总点数的确定……………………………………………（13）

3.1.2.2I/O点信号性质分析…………………………………………（13）

3.1.2.3用户存储器容量的估算……………………………………（13）

3.1.3面板设计…………………………………………………………（14）

3.2外部电路设计………………………………………………………（15）

3.2.1电源…………………………………………………………………（15）

3.2.2外部位置传感器……………………………………………………（15）

3.2.3气动电磁阀…………………………………………………………（15）

第四章：

机械手PLC控制系统的软件设计……………………………………（16）

4.1PLC几种程序设计语言概述…………………………………………（16）

4.1.2传感器机械手PLC控制系统的程序设计方案……………………（16）

4.2.2操作类型……………………………………………………………（17）

4.3.2.1程序总框图…………………………………………………（17）

4.3.2.2程序设计说明………………………………………………（18）

4.4程序总梯形图…………………………………………………………（20）

4.5传感器机械手PLC控制系统程序清单…………………………………（22）

第五章传感器机械手PLC控制系统的调试和运行…………………………（24）

设计小结及体会………………………………………………………………（26）

致谢…………………………………………………………………………（28）

参考文献………………………………………………………………………（29）

摘要

可编程控制器（PLC）是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术为一体的新型工业自动控制装置。

是近十几年来发展起来的一种新型工业控制器，由于它把计算机的编程灵活、使用方便、抗干扰能力强、价格低廉等优点结合起来，其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，在工业生产过程中使用于越来越广泛。

尤其是在机械手中的使用大大提高了工业发展和产品的更新换代。

推动整个人类社会向前发展。

在机械手控制方面，在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器占主导地位。

但继电器控制领域有着十分明显的缺点：

体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。

为了改变这一现状，PLC控制系统产生了。

继1969年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期，从此，plc这一新的控制技术迅速发展起来了。

在许多领域都有广泛的使用。

PLC的优点是：

可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等，为了进一步提高机械手的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出了机械手的PLC控制（偏硬）这个课题。

关键词

可编程控制器机械手接触器电磁离合器

课题说明

在机械手控制方面，在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器占主导地位。

但继电器控制领域有着十分明显的缺点：

体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。

为了改变这一现状，PLC控制系统产生了。

继1969年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期，从此，PLC这一新的控制技术迅速发展起来了。

据有关资料报道，机械手控制系统有多种类型。

例如：

电控、PLC可编程控制器系统等。

由于本机械手是用于自动生产线中工件传输的，主要动作是上升、下降、左移、右移、夹紧、放松和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主。

众所周知，PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，特别是替代继电控制系统，这更是它的优势。

因此，本课题论述了为什么选择了PLC作为机械手控制系统的核心控制器，并简述了其工作过程和其相关软硬件相关的设计。

第一章机械手几种控制系统设计方案比较

1.1单片机的使用特点

1.低功耗、宽电压工作范围，内部看门狗。

2.高速指令系统，单字节指令，精简指令集易学易用。

3.内部ROM结构，且具有廉价OTP（一次性写入程式）ROM，以便小批量生产，减少MASK风险。

4.程序保密功能，防止拷贝，保护成果。

5.方便的开发工具（仿真器和烧入器）

1.2可编程序控制器系统的特点

可编程控制器简称PLC（programmablelogiccontroller），它是将继电器逻辑控制技术和计算机技术相结合而发展起来的一种新型工业控制计算机系统。

它的低端为继电器逻辑的代用品，而其高端产品实际上是一种高性能的计算机实时控制系统。

它以顺序控制为主，能完成各种逻辑运算、定时、记数、记忆和算术运算等功能，既能控制开关量，又能控制模拟量。

PLC的最大特点是采用了存储器技术，将控制过程用简单的“用户编程语言”编成程序，并存入存储器中。

运行时，PLC从存储器中一条一条地取出程序指令，依次控制各输入输出点。

PLC把计算机的功能完善、通用、灵活、智能等特点和继电器控制的简单、直观、价格便宜等优点结合起来，可以取代传统的继电器、接触器顺序控制，而且具备继电器、接触器控制系统所不具备的优点。

其主要特点如下：

（1）控制程序可变，具有很好的柔性

在生产工艺流程改变或被控设备更新的情况下，不必改变PLC的硬件，只需改变程序就可以满足要求。

这就为实现机械手动作的多样化奠定了基础，从而使机械手更能适应现代化生产要求。

（2）可靠性强，特别适合用于工业环境

PLC是专门为工业环境使用而设计的计算机控制系统，在硬件和软件上采取了一系列有效措施，以提高系统的可靠性和抗干扰能力，并还有较完善的自诊断和自保护能力，能够适应恶劣的工业环境。

PLC的平均无故障工作时间可达数万小时，这是其他计算机系统无法比拟的。

结合传感器机械手工作的实际环境,机械手接近热源并受到注塑机工作的冲击振动，可抗1kv,1us的脉冲干扰因此选择PLC更适宜.

（3）编程简单，使用方便

作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，他提供多种面向用户的语言，如常用的梯行图，指令语句表和控制系统流程图等，而多数PLC采用“梯形图”的编程方式。

梯形图类似于继电器接触控制的电气原理图，使用者不需具备很深的计算机编程知识，只需将梯形图转换成逻辑表达式，将其输入PLC即可使用。

这对这对于生产企业今后维护检修、工艺更新带来极大方便。

（4）功能完善

PLC具备输入输出，逻辑运算、算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通讯、人机对话、自检、记录和显示等功能，使系统的使用范围大大提高。

（5）体积小、重量轻，易于装入机器内部，从而给机电一体化产品的优化设计，带来很大方便。

1.3单片机和PLC的比较

PLC是一种可编程的控制器，相当于一种控制设备，主要用于工业自动化等领域，大都采用梯形图编程，也可以用组态软件。

其特点是非常可靠。

应该说这两者有很大的区别，由于目前它们的使用需求都不少，前景都是不错的。

不过单片机的使用偏于研发，PLC的使用偏于使用。

1.4比较结论

综上所述，对传感器机械手这个控制对象来说，它是以继电逻辑动作为主的控制系统，选择PLC作为核心控制器，辅以外部电气控制电路，是较好的选择。

第二章机械手PLC控制系统设计方案

2.1传感器机械手外形示意图

图2.1传感器机械手外形示意图

2.2机械手主要技术性能

（1）机械手完成的任务

按制造工艺要求，需完成上升，下降，左移，右移，夹紧，放松等动作，夹紧和放松有1-2秒的延时。

（2）控制系统输入输出要求

控制器由限位开关经光电隔离输入，输出能驱动气动电磁阀，控制以上六个工序动作。

（3）控制方式

回原点、手动、自动。

而自动又分为单步、单周期、连续工作方式。

手动时，每个动作均可手动按钮操作。

（4）完成一次周期动作的时间：

20-25秒。

（5）对机械手可靠性要求：

能夹取小于1.5Kg的产品。

（6）生产量：

60只/小时。

2.3机械手动作分析

2.3.1机械手动作示意图

机械手动作示意图如下图：

图2.1.1机械手动作示意图

2.3.2PLC控制的机械手动作过程

PLC控制的机械手在原点位置时，左限位开关X404、上限位开关X402处闭合状态。

当按下启动按钮X506，气动电磁阀Y430通电，驱动机械手从原点开始下降。

当机械手下降碰到下限位开关X401时则停止下降，夹紧气动电磁阀Y431通电,驱动机械手夹紧工件，延时1秒后上升气动电磁阀Y432通电驱动机械手上升。

当机械手上升碰到上限位开关X402后，机械手停止上升。

然后右移气动电磁阀Y433通电，驱动机械手右移，当机械手碰到右限位开关X403时停止右移。

然后下降气动电磁阀Y430通电，驱动机械手再次下降，当碰到下限位开关X401后停止下降，夹紧气动电磁阀Y431失电，驱动机械手松开放下工件并延时1秒。

然后上升气动电磁阀Y432再次通电，驱动机械手再次上升，当碰到上限位开关X402后停止上升，左移气动电磁阀Y434通电，驱动机械手左移，当左移碰到左限位开关X404时机械手停止，…这样周而复始循环运动。

当按下停止按钮时，则运动到初始原点位置时停机。

在机械手抓取工件后下降放到指定位置的操作时，下降前由光电探测器开关X408，先进行检测上一个工件有无取走，如工件尚未取走则机械手暂停下降。

第三章机械手PLC控制系统的硬件设计

3.1机械手PLC控制系统的电气设计

3.1.1PLC的I/O口信号及点数分析

3.1.1.1输入控制信号分析

（1）位置检测信号：

下限，上限，右限，左限共4个行程开关需4个输入端子。

（2）工件检测信号：

用光电探测器作检测元件,需1个输入端子。

（3）工作方式选择信号：

有一个拨动开关，有手动，单步，单周期，连续4个位置可供选择，需4个输入端子。

（4）手动操作信号：

有下降、上升、右移、左移、夹紧和放松等6个操作按钮开关输入信号。

（5）自动工作信号：

有启动按钮，停止按钮和复位按钮等3个信号，占3个输入端子。

以上共需18个输入信号点。

3.1.1.2输出控制信号分析

（1）控制机械手上升、下降、右移、左移、夹紧这5个电磁阀线圈，需5个输入端子。

（2）机械手从原点开始工作，需一个原点位置指示灯，占1个输入端子。

（3）夹紧工件、松开工件均需要延时，需用PLC内部2个定时器T450、T451，它们均定时1秒钟。

3.1.1.3I/O分配表

由上述I/0口信号分析，得I/O信号分配表如下：

输入

输出

下限位开关X401

下降电磁阀Y430

上限位开关X402

夹紧电磁阀Y431

右限位开关X403

上升电磁阀Y432

左限位开关X404

右移电磁阀Y433

上升按钮X405

左移电磁阀Y434

下降按钮X410

原点指示Y435

左移按钮X406

其它

右移按钮X411

夹紧定时器T450

松开按钮X407

松开定时器T451

夹紧按钮X412

光电检测开关X408

启动按钮X506

停止按钮X507

复位按钮X501

手动工作开关X500

单步工作开关X502

单周期工作开关X503

连续工作开关X504

表3.1I/O信号分配表

3.1.2PLC选型

3.1.2.1I/O总点数的确定

由I/O分配表知，输入共18个点,输出共6个点,I/O实际需24点。

为留有今后工艺改进和功能扩充余地，在实际统计I/O点数基础上，一般加10-20％余量，再考虑PLC产品本身规格，可取PLC的I/O总点数为48点。

3.1.2.2I/O点信号性质分析

从机械手控制信号分析可知,机械手输入是位置开关信号,上下限位开关、左右限位开关、判断工件有无的光电探侧开关等它们都是开关量,而输出主要是5个电磁阀线圈,以控制机械手的左移、右移、上移、下移、夹紧、放松的气路的通断。

3.1.2.3用户存储器容量的估算

（1）I/O口总点数为36点且均为开关量，以每个I/O点需1O个字节估算则所需存储器字节数为：

48*10=480B

（2）定时器有两个:

一个夹紧延时、一个放松延时，以每个定时器需2个字节估算则所需存储器字节数为：

定时器/计数器数量*2=2*2=4B

共需存储器字节数为：

480+4=484B

经技术和经济成本方面因素综合考虑，本设计选取日本三菱公司FX2-48MR型PLC产品。

FX2-48MR型产品主要技术指标如下：

最大I/O48点

定时/计数器256个

基本功能指令22,步进指令2条

继电器输出最大负载80VA/24V

执行速度（us/步）0.8us

输入输出响应时间10ms

程序容量（步）2KB

输入光电隔离

数据寄存器通用：

200点，锁存用：

7800点

输出继电器接点隔离

表3.2FX2-48MR型产品主要技术指标表

由上表可见，FX2-48MR型PLC产品能满足设计要求。

3.1.3面板设计

根据本机械手手动、单周期、连续运转自动操作的需要，操作面板设计如下。

其中手动要满足机械手启动、停止、回原点、左移、右移、上升、下降、夹紧、放松等每一步的手动操作。

图3.1传感器机械手操作面扳

3.2外部电路设计

从传感器机械手控制电路分析可知,机械手输入是位置开关信号,上下限位开关、左右限位开关、判断工件有无的光电探侧开关等它们都是开关量,而输出主要是5个电磁阀线圈,以控制机械手的左移、右移、上移、下移、夹紧、放松的气路的通断。

因此外电路设计主要包括以下三个部份：

3.2.1电源

PLC需AC220V，50HZ，约100W。

外部限位开关共5个，可由PLC专供外部传感器直流电源直接供给，该电源为DC24V，0.1A，可满足限位开关使用，而且和PLC连接方便。

对于气动电磁阀，按每个电磁阀DC24V，100W同时动作系数为2计算，最大需DC24V200W，同时为留有余量按DC24V，10A考虑。

3.2.2外部位置传感器

外部位置传感器有4个接近式限位开关：

上、下限位开关、左、右限位开关，1个检测工件有无的光电开关这些开关由PLC直接供电，可以直接接入PLC输入模块，因输入模块本身已有光电隔离所以不需另设隔离电路。

为防止长线干扰，需在线输入端接200Ω电阻及对地接0.1uF电容。

3.2.3气动电磁阀

本机械手共有五个气动电磁伐，其中左移、右移、上移、下移气动电磁阀是双通的，而夹紧、放松是单通的。

每个电磁阀线圈需供电DC24V100W，所以PLC输出模块上的继电器接点容量不够，必须用中间继电器进行接点转换，中间继电器选用线圈电压为DC24V，接点容量为2A，额定电压为DC100V。

第四章机械手PLC控制系统的软件设计

4.1.1PLC几种程序设计语言概述

PLC常用的编程语言有顺序功能图编程语言，梯形图编程语言，功能块图编程语言，指令语句表编程语言，结构文本编程语言等。

其中前两种语言用得较多，流程图语言也在许多场合被采用。

梯形图语言沿用继电器控制原理的形式，采用了常开触点、常闭触点、线圈和功能块等结构的图形语言，直观、简便、电器人员易于被掌握，但要求配置较大的显示器，这在小型PLC机上很难被满足。

故需借助于助记符语言。

助记符语言是PLC的命令语言表达式，其语句是指令功能的英语缩写形式。

例如：

三菱公司的Fx2n型PLC可编程器基本逻辑指令“和”、“或”、“和非”、“输入”、“输出”、“结束”等指令就可用相应的“AND”、“0R”、“AN1”、“LD”、“OUT”、“END”表示。

显然指令语句表语言作为梯形图派生语言，既保持了梯形图简单、直观、易懂的特点，又能采用便携式编程器编制用户程序。

此外如经调试符合要求后，还可方便的写入PLC中，今后修改也很方便，因而为一般用户所广泛采用。

但是在以顺序动作机械控制中，若采用梯形图方法编制程序，则既复杂又难懂又费时，限制了它的使用。

此时采用顺序功能图表示，用步进顺控指令编程会很方便、直观。

顺序功能图语言是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，主要由“步”、“转移”、及“有向线段”组成。

如果适当运用组成元素和转移触发条件，可模拟出控制系统的静态和动态运行图，从中很容易发现潜在故障。

流程图编程常使用步进顺控指令，如用“LD、AND、ANI”等指令表示状态转移条件，用“SET”指令指向下一转移状态，“STL”指令则用于激活某一状态，是和主母线联接的接点，因而其后可以输出信号，“RET”则是返回指令。

由上述机械手动作过程的分析知，本机械手控制主要是工件传输的顺序控制，显然采用顺序功能图法用步进顺控指令编程是最佳选择。

4.3.2.1输入和输出单元的分配

图4.1.1表示了安装在机械手上的负载和传感器，在PLC输入输出端分配的编号。

上升、下降、右移、左移采用双通电磁阀。

一旦下降（或右移）输出接通，即使再断开，它也能始终保持现行位置。

上升（或左移）和此相同。

夹持松开装置，则使用单通电磁阀。

当夹持输出时，处于夹持状态,夹持输出中断时，处于松开状态。

每个工作臂都有上、下限位开关和左、右限位开关。

其夹持装置不带限位开关，一旦夹持电磁阀导通，就同时驱动PLC内的定时器，设定的时间一到，夹持动作也就完成。

4.3.2.2操作类型

（1）手动操作

单一操作：

用各按钮开关接通或断开各负载

（2）返回原位

按下返回原位按钮时，机器自动返回到它的原位

（3）自动操作

①步进操作：

每动按一次启动按钮，向前执行一步动作的工作方式

②单周期操作：

机器在原位时，按下启动按钮，自动地执行一个操作周期的操作，操作完成后机器停在原位上。

如果在操作过程中，按下停止按钮，则机器停留在该程序上。

如果再按下启动按钮，则又从该工序继续工作，最后停留在原位上。

③连续操作：

机器处在原位时，按下启动按钮，机器就连续重复的工作。

如果按下停止按钮，机器运行到原位，然后停机。

4.3.2.3程序总框图

图4.2是实现初始化、手动操作、回原点和自动操作等程序的总框图：

图4.2程序的总框图：

在选择操作方式时，常闭接点X500断开，执行单一操作程序，在选择其它方式时，常闭接点X500闭合，从而使程序转移。

如果选择返回原位方式，常闭接点X501断开，执行返回原位程序。

在执行其它方式的情况下，则常闭接点X501闭合，程序转移不执行返回原位操作。

自动程序要在启动按钮X506按下时才执行。

在供电恢复以后，机器由原位重新启动时不需要执行该程序。

4.3.2.4程序设计说明

（1）负载驱动图

图4.3是负载驱动图。

图4.3负载驱动图

如果用转移指令在脉冲输出执行期间，对脉冲指令作转移处理，则保持产生脉冲输出。

具有相同转移目标各个转移指令，可以用相同的编号编程。

在第一次下降工序中，下降电磁阀Y430接通。

在夹持工序中，夹持电磁阀Y431位置，同时驱动定时器T450。

此后执行类似的操作，完成由初始条件到下一个初始条件的一系列操作。

在夹持输出Y431置位后，保持夹持，直到夹持输出复位才松开。

另一方面，只在每一工序上驱动定时器和其它输出。

如上所述的控制，即一步一步按顺序驱动后各负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。

这种控制过程，用继电器符号程序很难实现该程序设计。

（2）转换条件图

下图表示了机械手过程转换的条件

图4.4状态条件转換图

在初始条件下，按下启动按钮，机械手过程转换为第一次下降过程。

随着下降电磁阀的工作，机械手下降，在到达下限位置时，下限位开关X401接通，工艺转为夹持过程，因为定时器T450和夹持输出同时工作，所以在定时器接点接通以后，工艺转为第一次上升过程。

此后，用类似的方法完成机械手一系列工艺过程的转换。

（3）状态转换图

状态转换图，它由负载驱动图和转换条件图组合而成。

图中每个工艺过程，都标有状态编号。

（4）状态的初始化

按下返回原位按钮，则表示机械手初始化条件的机器初始状态S600，在返回原位方式情况下置位，在单一操作方式情况下复位。

按启动按钮时，其工作状态由S600转换为S601，此后按机械手工作的发展，依次进行转换。

当最后工序完成之后，S600再次置位。

在操作期间，即使误按了启动按钮，也不可能作另一次启动，因为此时S600已处于不工作状态。

处于中间工序的状态器要用手动操作复位。

（5）状态转换启动

在自动操作（步进、单周期、连续操作）期间，按下启动按钮，辅助继电器M575工作，尤其在执行自动程序时，其自保持电路工作，辅助继电器M575一直保持工作到停机按钮按下为止。

另一方面，辅助继电器M100工作，用以检查机械手是否处于原位。

当M575和M100都接通时，从初始状态器开始进行转换。

（6）状态转移禁止

当按下启动时，M101产生脉冲输出，使M574断开，在单周期工作期间，按下停止按钮时，M574自保持，操作停止在进行工序。

当按下启动按