基于PLC 的机械手混合驱动控制毕业设计.docx
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基于PLC的机械手混合驱动控制毕业设计
毕业设计（论文）任务书
课题名称基于PLC的机械手混合驱动控制
姓名***
专业机械工程及其自动化
班号***********
基于PLC的机械手混合驱动控制
摘 要：
自控机械手是自动化工厂的重要组成部分。
目前工厂中使用的工业机械手的控制系统主要是由继电器构成，存在着连线多复杂、体积大、可靠性和可维护性差等缺点。
本论文采用PLC（ProgrammableLogicController）对工业机械手部分进行进一步的改进和研究。
通过对物料搬运机械手装置结构与功能的介绍，提出了一种步进电机和电液伺服相结合的混合驱动机械手结构，重点分析了基于PLC的机械手控制系统组成，并详细论述了以PLC为核心对步进电机和伺服液缸进行综合控制的软、硬件实现方法。
关键词：
PLC；机械手；步进电机；电液伺服系统。
TheControloftheMix-drivedMechanicalManipulatorBasedonPLC
LIQiang
DepartmentofMechanicalEngineering，TheFisrtAeronauticEngineeringInstitute，XinYang，HeNan464000，China
ABSTRACT：
Theautomaticmechanicalmanipulatorisofgreatimportanceinautomaticfactory.Currentlytheusageofthecontrolsystemoftheindustrialmechanicalmanipulatorinthefactoryismainlyconstitutedoftheelectromagneticrelywhichiscomplicatedinwire-link，biginphysicalvolume，weakindependabilityandmaintenability.InthisthesisweadoptedPLC（theProgrammableLogicController）toimprovetheapplicationofmechanicalmanipulatorinfactories.
Bystudyingthestructureandthefunctionofthemanipulatorwhichiswidelyusedatmaterialhandlinginautomaticfactory，weputforwardakindofcombinedmashinestructuredrivedbystepmotorandelectrohyraulicservosystem，andemphasizedonthecomposistofthecontrolsystemofthemanipulatorwhichisbasedonProgramablelogiccontroller.WealsohavedwelledonthefufilmentmetholdofthehardandsoftwareandthecomprehensivecontrolcoredwiththePLC.
KEYWORDS：
PLC；Manipulator；Steppingmotor；ElectrohyraulicServoSystem.
目 录
引言
目前液压传动技术是实现工业自动化的重要手段，在工业控制中用的越来越普遍，极大地提高了制造业的生产效率和产品质量。
近年来在工业生产和其它领域内，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，甚至于危及生命。
自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。
机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。
与其它类型的机械手相比，液动机械手具有结构简单，造价较低，易于控制，维护方便的特点。
随着计算机控制技术在机械手应用中的不断深入，具有独立控制器、程序可变、动作灵活、定位精度高、适用于可变换品种的中小批量自动化生产的通用机械手得到迅速发展。
采用电液混合驱动技术的机械手（既有电机伺服控制，又有液动伺服控制，还有简单直线液压缸控制）因具备可充分利用现有资源、便于采用模块化拼装结构、系统综合能力强、可扩充性好等优点，在工业自动线上越来越受到重视，有着极其广泛的应用前景。
机械手是工业生产中常用的进行水平/垂直位移的机械设备，它的动作由液压缸驱动，液压缸又由相应的电磁阀控制。
控制系统如采用传统的继电接触控制，机械触点多，接线复杂，因而控制装置体积很大，并且故障率高，可靠性差，动作精确度低。
PLC以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点。
使用PLC的自动控制系统体积小，可靠性大大提高，故障率大大降低，动作精度高。
液动机械手是集机械、电气、液动和控制于一体的典型机电一体化产品。
与电动和液压驱动的机械手相比，显示出独特的优越性，得到了越来越广泛的应用。
本文介绍的一种四自由度（不包括夹取自由度）液动机械手，广泛应用于各种搬运及检测场合，该机械手主传动部分采用有杆液压缸，由位置传感器进行限位定位，定位精度高；其PLC控制系统既可保证液动机械手单独自动工作，也可由使用人员手动操作，且为网络操作预留了接口，可以实现远程控制。
第1章工作原理
1.1机械手控制系统概述
由于取工件和堆放工件都有定位精度要求，所以在机械手控制中，除了要对动作大臂上的两个液压缸进行控制外，还要涉及到对机械手腰部回转的伺服控制以及对动作手的抓放控制。
其中，动作大臂液压缸的伺服控制采用液动比例伺服控制系统；腰部回转伺服控制则采用步进电机伺服控制系统。
考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，对这种混合驱动机械手采用以PLC作为核心控制器，上述各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作（如图1-1所示）。
1.2机械手的工作原理
1工作原理
系统的控制功能由松下位置控制器控制有杆液压缸的定位来实现，定位位移是由PLC的输出端子控制位置控制器输入端子的状态来决定，实现多点连续的定位，定位精度较高。
其它的控制功能也都由FP1系列的PLC实现。
在该控制系统中，有4个行程开关信号，6个按钮开关信号共11个输入点和控制阀岛中2个换向阀的5个输出点。
PLC输入口直接接收由按钮开关及定位传感器传来的动作结束信号，而4个行程开关信号也通过数据传输电缆及I/O接线端子分别经内有正负极接线的电缆与阀岛的5个插头相连。
具体的原理电路如图1-1。
图1-1液动机械手的PLC控制原理图
2液动原理
因为气体具有很大的可压缩性，要做到气动机械手精确定位难度很大，而液体具有不可压缩性，能够使我们方便的对液动机械手进行精确定位，尤其是气动机械手难以实现的任意位置的多点定位。
传统液动系统大多只能靠机械定位装置的调定位置而实现可靠定位，并且其运动速度只能靠单向节流阀单一调定，经常无法满足许多设备的自动控制要求，这在很大程度上限制了液动机械手的使用范围。
随着工业自动化技术的发展，电液比例伺服控制系统，特别是伺服定位系统得到了广泛的应用。
应用电液伺服定位系统可以非常方便地实现多点无级定位（柔性定位）和无级调速，而且可以方便地实现液压缸运动速度的连续可调，从而达到最佳的速度和缓冲效果，大幅度降低液压缸的动作时间和冲击。
与电机驱动的伺服定位系统相比，液动伺服定位系统具有价格低廉、结构简单、抗环境污染及抗干扰性强等优点。
本液动机械手的主传动部分控制采用液动伺服定位系统，其原理如图1-2所示。
图1-2液动伺服定位系统简图
液动伺服定位系统由液动伺服阀、位移传感器（数字量输出）、驱动装置及位置控制器等4部分组成，可实现任意点的柔性定位和无级调速，定位精度较高。
位置控制器可实现反馈控制参数的计算和优化。
只需输入最基本的单元尺寸和运行数据（液压缸行程、缸径、负载重量和液压源的压力等），即可完成定位系统的调试。
机械手各主传动中设置位移传感器，如图1-2所示。
液压缸的位置信号传递给位移控制器，由位移控制器控制液动伺服阀从而实现机械手控制液压缸的定位及对步进电机的控制。
机械手总体液动系统原理图如图1-3所示。
图1-3机械手液动原理图
液源经分流器分流后，通过相应的电磁换向阀进入各个液动执行元件。
此系统中，选用了集装式电磁换向阀，所有电磁换向阀由汇流板集装在一起，以减少占用空间。
1.3机械手的控制要求
机械手的工作是由液压缸驱动的，液压缸由对应的电磁阀控制。
其中，上升/下降和左转/右转分别由双线圈两位置电磁阀控制。
例如，当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。
只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。
同样，左转/右转分别由左转电磁阀和右转电磁阀控制。
机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。
当该线圈通电时，机械手夹紧；当该线圈断电时，机械手放松。
当机械手右转到工作位置并准备下降去抓取工件时，为了确保安全，必须在右工作台无工件时才允许机械手下降。
也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降，所以要用光电开关进行无工件检测。
1.4机械手的动作过程
图1-4机械手动作过程图
如图1-4所示。
从原点开始，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手下降。
下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧抓取工件。
抓取工件后，上升电磁阀通电，机械手上升。
上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右转。
右转到目标工作位置时，碰到右限位开关，右转电磁阀断电，右转停止。
若此时工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。
下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。
放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。
上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左转电磁阀，机械手左转。
左转到原点时，碰到左限位开关，左转电磁阀断电，左转停止。
至此，机械手经过八步动作连续有序的完成了一个周期的动作。
该系统具有单操作（手动）和步进、单周期、连续操作（后三种属自动操作）四种工作方式，各种工作方式可随意切换，操作方便。
在该机械手的操作过程中采用了手动操作方式和自动操作方式以实现在工作过程中实现单步手控进行试验检测或无人连续的自动生产。
自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式三中运行模式。
以下分别介绍：
手动操作：
就是用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制。
例如：
当选择上/下运动时，同时按下启动按钮，机械手进行相应的上什/下降动作；按下停止按钮，机械手停止动作。
当选择左转/右转运动时，同时按下启动按钮，机械手进行相应的左转/右转；按下停止按钮，机械手停止动作。
当选择夹紧/放松运动时，同时按下启动按钮，机械手进行放松/夹紧动作；按下停止按钮，机械手停止动作。
用手动操作可以使机械手置于原位，还便于维修时机械手的故障排除和按需调整。
步进操作（单步工作方式）：
从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作然后自动停止。
单周期操作：
械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作然后停止。
连续操作：
械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手将自动地、连续不断地周期性循环。
在工作中当按一下停止按钮，那么机械手将继续完成一个周期的动作，而后回到原点自动停止。
根据以上要求，操作台面板布局示意图如图1-5所示。
图1-5操作台面板布置示意图
第2章机械手机构设计
2.1机械手总体结构及运动情况
液动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分组成。
本机械手用PLC控制，机械部分主要由机械手、支撑架、执行器、位置传感器、液压缸等部分组成。
采集来的感知信号及控制信号均由位置控制器来处理，液动伺服定位系统代替了伺服电机或机械系统；液压缸、液压马达完成原来由电机或机械机构所作的执行动作；主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得液动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。
人们根据实际应用及工作情况的要求设定相应的参数并选择相应的功能和模块，便可象积木一样随意组合，拼装后的机械手如图2-1。
图2-1机械手机械结构示意图
当外侧液压缸伸张并达到最大位置时，而内侧液压缸收缩并达到最小位置时，动作手位于最小（底）位置，动作手位于原点工作位置并对工件进行抓取动作。
机械手抓住工件后，外侧液压缸收缩而内侧液压缸伸张使动作手抬起，此时转台在步进电机的驱动下进行回转，达到目标工作位置后停止，随后外侧液压缸伸张而内侧液压缸收缩使动作手达到目标工作位置并放下工件，而后外侧液压缸再收缩而内侧液压缸再伸张以离开目标工作位置，然后转台再回转回到原点工作位置，如此反复完成一个工作周期。
这就是该机械手各部分结构的运动情况。
机械手装配图如图2-2所示
图2-2机械手装配图
机械手的动作过程演示动画、装配图及各零件的零件图、工程图文件请参看附件。
2.2机械手过程控制部分
根据机械手的工作过程要求，确定各动作的先后顺序和相互关系，得出机械手控制流程图如图2-3所示。
PLC控制程序主要由手动操作和自动操作两部分组成，自动操作程序包括步进操作，单周期操作和连续循环程序。
根据流程图画出机械手PLC梯形图程序，再编写程序。
机械手控制流程图如图2-3所示。
机械手PLC梯形图程序将在第四章中进行说明。
图2-3机械手控制流程图
第3章PLC的说明
3.1PLC简介
可编程控制器（PLC－ProgrammableLogicController）是计算机技术与继电器逻辑控制概念相结合的一种新型控制器。
一、PLC的基本结构
PLC的型号、规格繁多，如图3-1显示了PLC的基本结构框架图。
图中各个部分之间均采用总线连接方式。
它主要由以下几部分组成。
图3-1PLC的基本结构框架图
（1）中央处理单元CPU
（2）存储器
（3）输入/输出接口（简称I/O设备）
（4）编程器
二、PLC的基本工作原理
PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。
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扫描方式，有键按下或I/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。
PLC则采用循环扫描的工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后再返回第一条指令。
如此周而复始不断循环。
这种工作方式是在系统指令控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序功能进行运算处理，然后顺次向输出点发出相应的控制信号。
整个工作过程可分为：
自诊断、与编程器等的通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新等五个阶段。
其工作过程如下图3-2所示。
图3-2PLC工作流程图
三、PLC的主要特点
（1）应用灵活、扩展性好
（2）操作方便
（3）标准化的硬件和软件设计、通用性强
（4）完善的监视和诊断功能
（5）控制功能强
（6）适应恶劣的工作环境
（7）体积小、重量轻、性价比高、省电
综上所述，正是因为PLC具有以上特点，所以，它的应用几乎覆盖了所有工业企业，既能改造传统机械产品使其成为新一代的机电一体化产品，又能将其用于生产过程的控制，实现工业生产的优质、高产、节能及低成本。
3.2PLC系统的开发流程和选择方法
一、PLC控制系统的开发流程
用PLC完成对生产过程的自动控制，可以采用下图所示的设计步骤进行。
从下图2-6可以看出，以PLC为核心进行总体设计可分为硬件和软件设计两部份。
图3-3PLC控制系统开发流程
本系统输入信号由各种开关、按钮、同步信号等数字量信号组成，实时反映机械手的当前工作状态，输出信号主要是各种电磁阀、电磁液压阀、交流接触器、直流接触器以及各种状态指示灯等组成。
二、PLC的选择方法
PLC是整个系统的核心部件，它的性能直接影响控制系统的可操作性和稳定性，所以在设计系统时应根据系统需要合理地选择PLC。
1.PLC规模的估算
（1）输入、输出点的估算
（2）存储容量的估算
2.选择PLC
（1）PLC的功能
（2）输入接口模块
（3）输出接口模块
综合以上条件，经比较决定采用松下电工生产的FP1系列PLC，该型机性价比高，硬件配备较齐全。
除主机外还可增加I/O扩展模块、A/D、D/A模块；可以输出频率可调的脉冲信号；配有RS232C接口，可与其它外设进行通信。
指令功能强大，除一般PLC中常用的指令外还有中断和子程序调用、高速计数、步进等190多条指令，给编程带来很大的方便。
3.3具体设计过程
根据以上PLC的选择方法，我们选定的PLC为松下FP1-C40－AFP12117B型PLC（以下简称C40），如图2-7。
与其同系列PLC规格列表如下3-1。
表3-1PLC规格列表
系列
说明
内藏式存储器
I/O
点数
工作电压
COM极性
类型
型号
C40
标
准
型
EEPROM
40
输入：
24
X0～X23
输出：
16
Y0～Y15
24V
DC
+
-
继电器
晶体管（NPN）
晶体管（PNP）
AFP12113B
AFP12143B
AFP12153B
+
继电器
晶体管（NPN）
AFP12112B
AFP12142B
100～240V
AC
+
-
继电器
晶体管（NPN）
晶体管（PNP）
AFP12117B
AFP12147B
AFP12157B
+
继电器
晶体管（NPN）
AFP12116B
AFP12146B
1.交流或直流电源输入端子2.工作方式选择开关3.输出接线端子4.I/O扩展接口插槽5.输入输出状态指示灯6.标签7.输入接线端子8.直流电源接线端子9.编程器接口插槽10.可调输入端子11.PLC工作状态指示灯
图3-4FP1-C40型PLC实物面板图
FP1控制单元的各输出端子的“COM”端均为独立的，可使用不同的电压。
当多个负载连到同一电源时，应使用短路片将它们的“COM”端短接起来。
在选择PLC的型号时，输入点和输出点的多少应考虑工艺过程和控制要求变动产生的对输入点的需要，应考虑有15%的余量，该机械手的控制为纯开关控制，且所需的I/O点数不多，因此本系统选用了性价比较高且应用十分广泛的FP1-C40小型PLC。
该机的基本单元是一个有40个I/O点的独立的主机工作系统，包括24个输入点，16个输出点。
在主控单元内含有高速计数器，可输入的脉冲频率高达5KH并能同时输入两路脉冲，晶体管输出型PLC可输出频率可调的脉冲信号。
主控单元还具有8个中断源的中断优先权管理等功能。
该机可靠性高，可用梯形图、语句表和功能模块图3种语言来编程。
它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。
内置计时器、高速计数器、高速输出、PID控制器、PPI通信协议、RS-485通信P编程接口、MPI通信协议和自由方式通信功能，I/O端子排可以很容易地拆卸。
最大可扩展到152点数字量I/O或35路模拟I/O。
除主控单元和扩展单元外，还有A/D、D/A单元和C-NET连接单元等高级模块，可进行模拟量的处理，以及对步进电机控制模块进行数字量控制。
由于它有极强的通信功能可通过PC对PLC进行状态监测及实时控制，在大型网络、工业现场等控制系统中也可充分发挥其作用。
另外，FP1-C40还有功能完备的编程工具，利用这些工具，用户可以方便的进行编程和实时监控。
即便是使用手持编程器，也可以实现多种监控功能。
3.4PLC系统的安装及配线
图3-5PLC控制系统硬件原理图
步进电机控制：
机械手旋转角度的控制精度要求不高，但转速要求低，转动应平稳。
从技术经济的角度，综合目前常用的三大电伺服系统，我们选择三相混合式步进电机与其配套的驱动器作为机械手旋转角度定位装置，定位精度较高。
同时，选择与FP1系列PLC配套的脉冲发生单元作为步进电机驱动器的控制单元。
PLC通过扩展电缆、控制信号以及步进功能指令对驱动器进行控制，先向驱动器发出定位命令，然后通过驱动器向步进电机驱动器输出指定数量的脉冲来具体执行这个定位命令，从而最终实现PLC对步进电机的伺服定位控制。
3.5PC与PLC之间的通信
PLC用于控制方面既方便又可靠，而PC机在图形显示，数据处理以及中文显示等方面有很强的功能可使二者互补功能上的不足。
FP1系列PLC借助通讯适配器C-NET适配器和通讯电缆与PC的RS232端口相连接以实现通讯。
在微机上离线编程，完成程序在线传送。
这样可以在微机上监控PLC程序的执行过程，并可实现实时控制。
PLC与计算机之间的通信一般是通过计算机的串口实现的。
目前的工控中常用的串行通信方式主要有三种：
RS232、RS422、RS485。
他们的传输速度和传输距离各不相同，适用于不同场合。
FP1与PC机通信常见的由1:
1的通信方式（如图3-6）和1：
N的通信方式（如图3-7）。
图3-61:
1的通信方式硬件连接图
第一幅图是直接通过RS232口无需适配器的通信方式，这只适用于具有两个串口的FP1机型上，其除了具有一个RS422口用于编程外，还带有一个RS232口。
第二幅图是通过RS422口和适配器与PC机通信的连接图。
这种连接方式使用于各种机型，但其缺点是必须配备一个RS422/RS232转换器，而且RS422口与适配器之间的连接电缆必须用其专用电缆。
图3-71:
N的通信方式硬件连接图
用图3-7这种方式一台PC机最多可连接32台FP1，可构成现场控制网络。
这种通信方式要求配用专用的通信模块C-NET适配器。
与PC机相连的C-NET模块使用RS232电缆与PC的串口相连，与FP1相连的C-NET模块一般使用RS422电缆与PLC相连，而各个C-NET之间常采用RS485方式，只需要一根双绞线连接即可。
最远传输距离可达1KM，传输数率可达500kbps。
每一个C-NET模块上有一个终端切换开关，应正确放置其位置。
当C-NET处在通信链路的两端时，开关应放在“on”处，除此之外均放在“off”处。
3.6通信的设置
FP1采用专用通信协议，即‘MEWTOCOL-COM’标准协议。
为了实现通信，除了配备上述的各种硬件设施外，还必须进行通信的设定。
编程工具软件设定的操作方法如下：
在‘选项’菜单中通过选择‘通信设置’，使其弹出系统寄存器设置窗口如图3-8，并进行相同的设置。
图3-8通信设置
3.7PLC与调制解调器的通信
PLC与调制解调器通信时所用MODEM最好是而选用对AT命令集支持较好的产品。
MODEM
（1）与PC机连接所用电缆是MODEM自带RS232电缆，一般有三个插头，根据所用设备选用。
一头插入PC机的串口，另一头插入MODEM的串口即可。
MODEM
（2）与PLC连接所用电缆一般是根据RS232协议自制的，根据所选PLC的不同略有所不同。
两
升级会员 