工件传送机机械手的PLC控制系统的设计.docx
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工件传送机机械手的PLC控制系统的设计
工件传送机械手的PLC控制系统的设计
摘要：
在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。
机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。
机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。
物料工件传送机械手，采用PLC控制，是一种按预先设定的程序进行工件工件传送加工的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并可根据工件的变化随时更改相关控制参数。
工件传送机械手为三自由度气压式圆柱坐标型机械手，主要由机座、腰部、水平手臂、垂直手臂、气爪等部分组成。
其中，腰部采用步进电机驱动旋转，手臂及气爪采用气缸等气动元件。
关键词：
PLC机械手
第一章序言
可编程控制器，简称PLC，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于及工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
在PLC问世之前，工业控制中的顺序控制多采用由机器或控制器件作为控制元件的硬件布线逻辑控制系统，尤其是由电磁继电器构成的继电器控制系统。
这种控制系统是根据特定的控制任务进行设计的，若控制任务有所改变就必须相应的改变硬件结构。
另外机械电器式器件本身也有许多不足之处，必会影响控制系统的各种性能。
1．1机器类控制系统的弊端
这种控制系统越来越不能适应现代工业发展的要求，主要原因：
（1）设计制造周期长，维修和改变逻辑控制困难；
（2）不能完成复杂的控制逻辑，没有运算、处理、通信等功能；
（3）可靠性差，寿命短，运行速度慢，体积大，耗电多。
1．2PLC的特点
PLC之所以能迅速发展除了它顺应自动化的客观要求之外，也具有许多适合工业控制的优点，能交好地解决工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
它具有以下几个显著特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号及表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
1．3PLC的国内外状况
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC只可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个阶段的一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
工件传送机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。
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。
机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。
采用PLC控制，是一种按预先设定的程序进行工件分拣、工件传送和淬火加工的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并可根据工件的变化要求随时更改相关控制参数。
第二章工件传送机械手的系统控制
一台工件传送机械手的的作用是将传送带B上的物品等搬至A，其示意图如下：
2．1控制系统设计的分析
0-初始状态：
机械手处于原位状态，即右限SQ5，下限SQ3受压。
1-按下启动按钮，传送带A开始运行，同时机械手从右下限开始上升。
2-机械手上升至上限位，SQ1动作，上升动作结束，同时机械手开始左旋动作。
3-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。
4-机械手下降至下限位，SQ3动作，下降动作结束，同时传送带B开始起动。
5-传送带B将工件送入光电开关检测区，SQ6动作，传送带B停止运行，同时机械手开始抓物动作。
6-机械手抓住工件，SQ4动作，抓物动作完成，同时机械手再次上升。
7-机械手上升至上限位开关SQ1动作，上升动作停止，同时机械手开始右旋动作。
8-机械手右旋至右限位，SQ5动作右旋动作停止，同时机械手开始下降动作。
9-机械手下降至下限位，SQ3动作，下降动作结束，同时机械手开始放物动作，延时T秒后，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，系统中传送带A随机械手的运行状态而工作，即按下启动按钮就开始运行，按下停止按钮结束动作。
机械手运行期间，若按下停止按钮，系统需等整个循环结束进入下一次循环才停止。
2．2工件传送机械手的设计分析
（1）根据控制系统要求的分析，先画出顺序图。
（2）系统中会多次用到同一个限位开关产生不同的动作，所以我们要运用辅助继电器。
例如第一次撞到SQ1时机械手停止上升左旋，第二次撞到SQ1时机械手停止上升右旋，此时我们就要加用辅助继电器使两次隔开。
（3）我们要考虑到不同的按钮按控制同一个输出时梯行图上只能有一个输出点。
（4）按照以上思路我们就能设计出整个机械手系统。
如果通过通过基本逻辑指令编写梯形图比较复杂,我们可以通过先画出它的流程图,搞清基本的流程,然后再划梯形图就简单多了.本题的关键点是机械手上升同样是撞SQ1但一个是左旋一个右旋，我们可以通过辅助继电器来解决。
第三章工件传送机械手的硬件设计
3．1I/O端口分配表
元件
输入
作用
元件
输出
作用
SB1
X0
启动
KA1
Y1
上升
SQ1
X1
上限位
KA3
Y3
下降
SQ2
X2
左限位
KA2
Y2
左旋
SQ3
X3
下限位
KA6
Y6
右旋
SQ4
X4
抓紧
KA5
Y5
抓紧
SQ5
X5
右限位
KA7
Y7
放松
SQ6
X6
零件检测
KA4
Y0
传送带A
SB2
X7
停止
KA0
Y4
传送带B
3．2外部接线图
根据控制要求，工件传送机械手的外部接线图如图3．1所示。
3．1机械手控制系统外部接线图
第四章工件传送机械手的软件设计
4．1流程图
SQ1
SQ2
SQ3
SQ6
SQ4
SQ1
SQ5
SQ3
4．2机械手梯形图
工件传送机械手的梯形图续图
4．3指令表
0LDX000
1ORM0
2ANIX007
3OUTM0
4LDX000
5ORY000
6LDIT0
7ORM0
8ANB
9OUTY000
10LDT0
11ANDM0
12ORX000
13ORY001
14ORX004
15ANIX001
16OUTY001
17LDX001
18ORY002
19ANIX002
2OANIM1
21OUTY002
22LDX002
23ORY003
24ORX005
25ANIX003
26OUTY003
27LDX003
28ORY004
29ANIX006
30ANIM2
31OUTY004
32LDX006
33ORY005
34ANIX004
35OUTY005
36LDY005
37ORM1
38ANIY007
39OUTM1
40LDY005
41ORM2
42ANITO
43OUTM2
44LDX001
45ANDM2
46ORY006
47ANIX005
48OUTY006
49LDX003
50ANDM2
51ORY007
52ANIT0
53OUTY007
54OUTT0K50
55END
第五章系统的调试分析
5．1PLC常用语言设计简介
梯形图编程中，用到以下四个基本概念：
1．软继电器
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器及PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。
该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”
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