机械手PLC自动控制系统的设计文档格式.docx
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充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
本设计就PLC在机械手控制上的应用作了详细阐述。
关键词可编程控制器机械手自动控制
引言
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
随着工业自动化的发展,
出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时,
大大提高了劳动生产率。
但数控加工中常见的上下料工序,
通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。
前者费时费工、效率低;
后者因设计复杂,
需较多继电器,接线繁杂,
易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。
可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力,
保证了系统运行的可靠性,降低了维修率,
提高了工作效率。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
可编程控制器（PLC）是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发出来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。
它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。
如今，PLC在我国各个工业控制领域中的应用越来越广泛。
第一章机械手硬件系统
1.1机械手介绍
机械手mechanicalhand。
能模仿人的手和臂某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部和运动机构组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；
按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；
按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
1.2机械手原理
机械手的动作流程如图1-1所示：
图1-1机械手动作示意图
机械手的操作面板如图1-2所示:
图1-2机械手操作面板示意图
1.3机械手控制要求
工件台A、B上工件的传送不用PLC控制;
机械手要求按一定的顺序动作,启动时,机械手从原点开始按顺序动作.停止时,机械手停止在现行工步上,重新起动时,机械手按停止前的动作继续进行。
为满足生产要求，机械手设置手动工作方式和自动工作方式两种，而自动工作方式又分为单步、单周和连续工作方式。
1.手动工作方式
利用按钮对机械手的每一步动作单独进行控制，例如按“上升”按钮，机械手上升；
按“下降”按钮，机械手下降。
此种工作方式可使机械手置原位。
2.单步工作方式
从原点开始,按自动工作循环的工序,每按一下起动按钮,机械手完成一步的动作后自动停止。
3.单周期工方式
按下起动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作后，停在原位。
4.连续工作方式
机构在原位时，按下起动按钮，机构自动连续的执行周期动作。
当按下停止按钮时，机械手保持当前状态。
重新恢复后机械手按停止前的动作继续进行工作。
1.4机械手系统过程示意图
机械手系统的运作过程就如图1-3所示：
图1-3机械手系统过程示意图
第二章PLC硬件系统
2.1PLC的定义和特点
2.1.1PLC的定义
PLC自问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。
为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会（IEC）先后颁布了PLC标准的草案第一稿、第二稿和第三稿，并在1987年作了如下的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部程序存储、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。
可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”总之，可编程控制器是一台专为工业环境应用而设计的计算机，它是将传统的继电器技术、计算机技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置。
在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体工业应用，因此他的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。
2.1.2PLC的特点
PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以在工业控制方面，有着继电器控制或通用计算机所无法比拟的特点。
1.可靠性高
PLC的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面：
在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对采用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强的抗振动冲击性能；
无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器控制系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；
PLC模块式的结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量缩短系统的维修时间。
在软件方面，PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；
当CPU、电池I/O口、通信等出现异常时，PLC的自诊功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；
停电时，后备电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失。
由于采取了以上的有效措施，保证了PLC的高靠性，从而使PLC的平均无故障时间高达几十万小时。
2.面向控制过程的编写语言，容易掌握
PLC的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。
虽然PLC是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户具有很强的程序设计能力，只要用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。
3.易于安装、调试、维修
在安装时，由于PLC的输入/输出接口已经做好，因此可以直接和外部设备相连，而不再需要专用的接口电路。
而且PLC的软件功能取代了原来的继电器控制中的中间继电器、计时器、计数器等一些器件，所以硬件安装上的工作量相应减少。
PLC的调试可先在实验室模拟完成，模拟调试完成后再现场安装、调试。
这样就可以避免可能在现场会出现的一些问题，从而缩短调试周期。
在维修方面，PLC完善的诊断和显示功能，可以通过模块上的显示或编程器等很容易地找出故障的模块，而且由于模块化设计，因此只需对出错的模块进行更换即可。
4.网络功能强大
PLC不仅能做到远程控制、进行PLC内部通信与上位机进行通信，还具备专线上网、无线上网等功能。
5.体积小、重量轻
由于PLC内部电路主要采用微电子技术设计，因此它具有体积小、重量轻等特点。
2.2PLC结构和工作原理
2.2.1PLC结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型机相同。
根据结构形式不同，PLC的基本结构可分为整体式和模块式。
1.整体式结构
整体式（又称箱体式）结构的PLC由CPU、存储器、I/O单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。
这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。
2.模块式结构
模块式（又称组合式）结构的PLC是将CPU、存储器、I/O单元、电源电路和通信端口等分别作成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。
其中PLC的CPU和存储器设计在一个模块上，有时把电源也放在这一模块上，该模块在总线上的安装位置一般是固定的。
模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，该结构的特点是系统构成的灵活性较高，可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也较高。
2.2.2PLC的工作原理
PLC的工作过程是周期循环扫描的工作过程。
用户程序通过编程器或其他输入设备输入存放在PLC的用户存储器中。
当PLC开始工作时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成个输入点的状态采集或数据采集、用户程序的执行、各输出点状态的更新、编程器键入响应和显示更新、及CPU自检等功能。
PLC扫描可按固定顺序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行，这不仅仅因为有的程序不需要每扫描一次，执行一次，也因为在一个大控制系统中，需要处理的I/O点数较多。
通过不同的组织模块的安排，采用分时分批扫描执行的方法，可缩断扫描周期和提高控制的实时相应性。
PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少外界干扰的影响。
PLC的工作过程分三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。
如图所示：
图2-1PLC扫描工作过程图
2.3PLC机型的选择
如何在实际应用时选择合适的PLC设备,也是很关键的问题。
首先是选用合适厂家的产品。
目前市场上的PLC产品很多。
最具代表性的有日本立石公司欧姆龙-OMRON、德国西门子公司以及日本三菱公司的可编程控制器（PLC）系列产品。
其中OMRON的PLC,以小型产品最受欢迎。
一方面是由于其价位较低,性能价格比较高;
另一方面是由于它配有较强的指令系统。
我国普遍使用的小型（PLC产品是OMRON产品。
立石公司欧姆龙-）OMRON首推C系列PLC。
西门子PLC产品品质精良但价格昂贵。
三菱公司则推出整体式PLC。
当PLC厂家确定后,便可根据PLC的技术指标来选择合适的PLC设备。
例如:
输入/输出点数（PLC外部输入、输出端子总数,这是PLC最重要）的一项指标、扫描速度、指令条数、内存容量等。
通过对我设计的机械手系统分析，使用了18个输入点,出于要预留20%的空点,故决定选择三菱FX2N-48
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