可编程控制器的机械手设计.docx
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可编程控制器的机械手设计
基于可编程控制器的机械手设计
自动化专业学生刘玉建
指导教师李坤
摘要：
机械手是在自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，广泛应用于工业生产和其他领域。
可编程控制器（PLC）已在工业生产过程中得到广泛的应用。
组态软件的应用，极大地辅助了PLC的应用范围的推广。
应用可编程控制器控制机械手能实现各种规定的工序动作，对生产过程有着十分重要的意义。
论文以施耐德TWDLCAADRF40型PLC为基础，介绍PLC在机械手搬运控制中的应用，设计了一套可行的机械手控制系统，并给出了详细的PLC程序、组态王组态设计过程。
设计完成的机械手可以在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样。
关键词：
可编程控制器；机械手；控制；组态王
ManipulatorSystemDesignBasedOnPLC
StudentmajoringinAutomationLiuYujian
TutorLiKun
Abstract:
Themanipulatorisanewdevicedevelopedintheautomaticproductionprocess.Itiswidelyusedinindustrialproducingandotherfields.ProgrammableLogicController（PLC）,hasbeenwidelyusedinindustrialproducingaswell.WiththeapplicationofConfigurationSoftware,itsapplicationrangeisgreatlyenlarged.ManipulatorwithPLCcontrolcancompletevariousspecifiedproceduralactions,whichhasveryvitalsignificancetotheproductionprocess.BasedonthePLCofSchneiderTWDLCAADRF40type,thispaperintroducesPLCapplicationinmanipulatortransportationcontrolsystem,anddesignaavailablemanipulatorcontrolsystem,withprovideingPLCprogrammingprocessandconfigurationprocessindetail.Themanipulatordesignedbythispaper,cangrap,putandcarryobject,etc.inthespace.
Keywords:
PLC;Manipulator;Control;KingView
1引言
1.1课题提出与研究意义
随着工业生产自动化规模的扩大，生产过程日趋复杂。
生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。
在自动化生产领域中，工业机械手是近几十年发展起来的。
工业机械手的是从工业机器人中分支出来的。
其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。
机械手作业具有准确性和各种环境中完成作业的能力。
借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。
基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。
同时，借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。
1.2工业机械手发展现状
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
机械手由执行机构、驱动-传动机构、控制系统、智能系统、远程诊断监控系统五部分组成。
驱动-传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分：
机械式、电气式、液压式和复合式，其中液压操作力最大。
简易机械手在各类全自动化和半自动化生产线上应用的十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，代替人工作业，实现生产自动化。
本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，各动作由PLC控制相关电机和启动执行元件完成。
能十分方便的嵌入到各类生产工业生产线中。
日益复杂的工业过程促进了机械手在工业生产中的应用。
对相应的控制精度、控制稳定性也提出了更高的要求。
其现状是在性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修）的同时，单机价格不断下降。
机械结构向模块化、可重构化发展。
器件集成度、系统的可靠性、易操作性和可维护性提高。
伴随科学技术的不断进步，机器人与工业自动化技术的迅猛发展,尤其是移动机械手（MobileManipulator）系统的不断进步，为危险品的安全处理提供了新的思路。
1.3本设计的主要工作
针对工业现场的控制要求，本文将详细介绍以可编程控制器为处理单元的机械手过程控制系统设计与实现。
首先，在本文的第二部分阐述可编程控制器的概况，施耐德PLC及其编程环境-TwidoSoft，PC与PLC的通信。
其次，在本文的第三部分阐述机械手系统的基本组成与控制原理。
包括PLC输入输出点的分配，机械手步进电机的驱动，以及相关的位置检测电路，以及确立系统的软件的整体框架，进行相关的软件设计。
最后对系统设计进行总结。
最后，针对本设计，完成相关的组态工作，直观的显示系统的动态运动过程，所用平台为亚控公司的组态王6.5.1版。
本文对设计的每一部分都给出了较详细的的设计步骤，并对系统搭建的结果进行了实物验证，取得了很好的效果。
2可编程控制器概述
2.1PLC的应用与发展
可编程控制器（ProgrammableLogicController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，称可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，不仅具有逻辑控制功能，而且还能实现数据运算、数据传输和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设备，因此，今天这种装置称作可编程序控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称PC混淆，所以仍将可编程序控制器简称PLC。
1987年，国际电工委员会（IEC）颁布了新的PLC标准及其标准定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字模式或模拟模式的输入、输出，控制各种类型的机械或生产过程。
而有关外围设备，都应按照易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。
PLC就是使用一系列指令构成的程序来操作、控制相关工业控制机械，使其形成一个完整的工业控制系统，以完成各种各样的控制功能。
[1]
2.1.1PLC的工作原理和应用领域
随着微电子技术、计算机技术和数字通信技术的高速发展，PLC产品高度融合了计算机产业最先进的技术与工业自动控制的经典理论，在其功能及性能指标上得以丰富和完善，从而突破了传统PLC的概念，在中、小型控制领域内极大地扩展了其应用范围。
在特定的范围内，高性能价格比已成为新型PLC的最突出的特点。
PLC以其高可靠性、适应性强和使用方便等突出特点在自动化控制领域应用广泛。
另外PLC的制造成本不断降低，而其功能却不断增强。
目前在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业，诸如钢铁、冶金、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保、交通、建筑等各行各业。
特别是在轻工业行业中，生产门类多、加工方式多变、产品更新换代快，PLC广泛应用在组合机床自动化生产线、专用机床、塑料机械、包装机械、电梯等电气设备中。
PLC已跃居现代工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的主导地位。
PLC广泛的应用在以下领域
1）逻辑控制领域
2）运动控制领域
3）过程控制领域
4）数据处理领域
5）多级控制领域
2.1.2PLC的的发展趋势
目前，PLC技术发展的总体趋势是系列化、通用化和高性能化，主要表现在以下方面：
1）在系统构成规模上向大小两个方向发展
发展小型（超小型）化、专业化、模块化、低成本、高性能PLC，以真正代替最小的继电器控制系统；发展大容量、高速度（超高速）、多功能、高性价比的PLC，已满足现代企业中那些大规模、复杂系统自动化的需要。
2）功能不断增强，各种应用模块不断推出
大力加强过程控制和数据处理功能，提高组网和通信能力，开发多种高性能模块，以使各种模块的自动控制系统更加强大、更加可靠、组成和维护更加灵活方便，使PLC的应用更加广泛。
3）产品更加规范化、标准化
PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP（制造自动化协议）靠拢，并使PLC基本部件，如输入输出模块、联网通信模块、接线端子、通信协议、编程语言和工具方面的技术规格规范化、标准化，使不同的产品间能够相互的兼容、易于组网，以方便用户，扩大产品的应用领域。
2.2PLC的工作原理及功能特点
为了介绍PLC的工作原理我们首先在本节介绍PLC的基本结构，然后介绍PLC的工作原理，最后简单介绍一下PLC的主要功能和特点。
2.2.1PLC的基本结构
可编程控制器的基本结构框图如图2.1示。
可编程序控制器主要有CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置和电源组成。
图2.1PLC的基本结构
2.2.2PLC工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分成三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图2.2所示。
图2.2PLC的扫描周期
1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按照先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经过输出电路驱动相应的外设。
这时才是PLC的真正输出。
为了提高工作的可靠性，及时接受外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成通讯处理要求。
每次扫描开始，先执行依次自诊断程序，对各输入输出点，存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分是否工作正常，若不一致则认为有故障。
此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态并关断所有输出点，然后停机。
诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。
如果没有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据，出错信息送给编程器显示等。
处理完通信后，PLC继续扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。
然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。
PLC就是这样不停反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到用户停机命令，或因停电、出现故障等原因才停止工作。
3）PLC的主要功能和特点
PLC的主要功能有：
逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、PID控制、数据控制（PLC具有数据处理能力）、远程I/O功能、通信和联网；另外，有些PLC还有很多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，诸如定位控制模块，CRT模块等。
可编程控制器（PLC）的主要特点如下：
1）高可靠性
2）丰富的I/O接口模块
3）采用模块化结构
4）编程简单易学
5）安装简单，维修方便
2.3施耐德Twido系列PLC介绍
本设计中使用的可编程序控制器为施耐德公司的TWDLCAADRF40型PLC，隶属于Twido系列。
TwidoPLC是紧凑型可编程序控制器，可应用于各种设备的自动化控制系统中。
Twido系列小型PLC具有灵活的配置、紧凑的结构、强大的功能、丰富的通信方式、完善的编程软件、CPU的FIRMWARE可不断升级等特点，因此性价比较高。
2.3.1TwidoPLC的功能概述
Twido是小型PLC，由本体和扩展模块组成，能够满足各种设备的自动化控制需要。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制相关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备、汽车、机器人等等。
如冲压机床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动系统等等。
TwidoPLC除了具有PLC的基本控制功能以外，还有以下特点：
1）灵活的配置
多种CPU模块、数字量、模拟量扩展模块、通信模块以及多种可选件，使得控制系统的硬件架构更适合用户的应用要求。
2）紧凑的结构
体积小巧，多种接线方式，易于安装。
如附带40点I/O的CPU模块的正面面积只有名片大小。
3）强大的功能
除具有PLC基本的控制和运算功能之外，还有双字、浮点数、三角函数、PID等的运算指令。
单机的控制点数高达264点，用户程序容量达64KB。
4）丰富的通讯方式
TwidoPLC支持多种通讯方式，如TwidoPLC之间的RemoteI/O和对等PLC的通信方式、与其他智能设备的自由ASCII通信方式、Modbus的主站和从站通信方式、通过以太网的通信方式，甚至有一些PLC已内置以太网接口。
众多的通信功能使TwidoPLC与其他电气设备的配合更加完美。
5）完善的编程软件
全中文的Windows编程界面和在线帮助文档使用户编程更加方便、更高效、支持多种编程接口，如串口、USB口、以太网口，甚至是远程有线、无线接口方式。
6）CPU的FIRMWARE可不断升级
在不改变任何硬件的情况下，只需要更新CPU的FIRMWARE，就能使CPU的功能不断地升级，满足用户新的需求。
（就像升级计算机的BIOS一样）[2]
2.3.2TwidoPLC的工作模式
TwidoPLC具有两种工作模式，分别是：
运行（RUN）模式和停止（STOP）模式。
在运行模式下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；在停止模式下，TwidoPLC不执行用户程序，此时可设置CPU的硬件功能，并将用户程序、数据以及硬件设置信息下载到PLC的CPU中。
可以通过TwidoSoft编程软件控制TwidoPLC的运行与停止。
PLC前面板的LED显示当前的工作模式。
TwidoPLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。
初始化后，TwidoPLC按照循环扫描的方式，完成包括执行用户程序在内的各项不同的任务，周而复始地分阶段执行一系列任务。
任务执行一次成为一个扫描周期，在一个扫描周期内，CPU工作流程如图2.3。
1）读输入
2）执行用户程序
3）处理通讯任务
4）执行自诊断
5）写输出
6）中断程序的处理
图2.3TwidoPLC的扫描过程示意图
2.4TwidoSoft编程环境
2.4.1安装TwidoSoft软件
本文中所有的内容是基于TwidoSoft3.5版本。
安装界面如图2.4。
图2.4程序安装
TwidoSoft是一个用于Twido可编程控制器的配置、编写和维护应用程序的图形化开发环境。
TwidoSoft是一款32位的基于Windows的程序，是标准的Windows界面，有应用程序浏览器和多窗口浏览。
支持编程、调试和配置，可与控制器进行多种方式的通信，如串行口、USB、以太网、MODEM拨号等。
2.4.2编程界面和硬件配置
TwidoSoft运行，新建立程序后，用户需要根据自己的需要进行CPU型号的更改，操作方式为：
右键单击原来的CPU，选中“更改控制器类型”，选择所需的CPU类型，点击“更改”，完成相关操作，本文所用CPU为TWDLCAA40DRF，如图2.5。
图2.5控制器类型
2.4.3PLC与PC的通信
TwidoSoft软件与TwidoPLC连接时可采用多种通讯方式，如串行口、USB、以太网、MODEM+电话线，因此在TwidoSoft与TwidoPLC连接前，用户需根据实际使用的硬件连接方式，在TwidoSoft的连接管理菜单中做相应的设定。
在“文件”菜单中，点击“首选项”，显示“首选设置”，可对通讯方式做相关设定，本文采用USB方式，如图2.6。
图2.6通讯方式设定
3机械手实物模型设计
本设计的系统全貌如图3.1。
图3.1系统全貌图
3.1系统概述
机械手实物模型的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹等机械部件组成；电气方面有步进电机、步进电机驱动器、传感器、开关电源、电磁阀等电子器件组成；该模型是涵盖了PLC技术，位置控制技术、气动技术有机结合成一体的控制仪器。
本设计中采用的机械手，可在三维空间内运动。
水平（X）轴、垂直（Y）轴采用步进电机控制，底盘的旋转采用直流电机控制，抓取物体的电磁阀采用气动形式。
步进电机的控制，由对应的步进电机驱动器电路完成。
完成本设计需要的实验设备有：
1）机械手模型
2）计算机
3）导线
4）气泵
5）晶体管输出型可编程控制器（带编程电缆）
机械手的控制面板分以下几个模块
（1）步进电机驱动及步进电机
驱动器电流设定为0.63A，细分设定为8细分。
将24V电源接入驱动器，此时驱动器的电源指示灯应点亮。
将24V与OPTO端（驱动器使能端）连接起来。
PUL端是脉冲输入端。
DIR是方向控制输入端。
（2）直流电机本模型用的气夹电机和底座电机均是24V直流电机，PLC控制两个直流继电器的吸合来控制电机的正转和反转。
（3）旋转编码盘
在本模型底座上有一个旋转编码盘，在底座旋转时，在此产生一个VP-P为24V的方波信号，可以提供给PLC的高速计数器，用于机械手的定位控制。
（4）接近开关
在本模型中底座和气夹的限位通过4个电感式接近开关来完成。
接近开关与触头接近时接近指示灯点亮、输出低电平，否则为高电平。
（5）行程开关
在本模型中两个滚珠丝杆的限位通过4个滚轴式行程开关来完成。
当行程开关压下时，常开触点闭合，给PLC一个控制信号。
（6）电磁阀与平行气夹
本模型使用的电磁阀动作时平行气夹夹紧，动作则张开。
3.1.1技术性能
1）输入电源：
单相三线220V±10%50Hz
2）工作环境：
温度-10℃～+40℃相对湿度＜85%（25℃）海拔＜4000m
3）绝缘电阻：
大于3MΩ
4）外形尺寸：
80×50×120cm3
3.1.2设计原理
1．步进电机
用二相八拍混合式步进电机，主要特点：
体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。
本模型中采用串联型接法，其电气图如图3.2所示：
3.2步进电机电气图
2．步进电机驱动器
步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。
驱动器参数如下
列图表所示：
（1）电气规格
说明
最小值
典型值
最大值
单位
供电电压
18
24
40
V
均值输出电流
0.21
1
1.50
A
逻辑输入电流
6
15
30
mA
步进脉冲响应频率
—
—
100
kHz
脉冲低电平时间
5
—
1
μs
（2）电流设定
电流值
SW1
SW2
SW3
0.21A
OFF
ON
ON
0.42A
ON
OFF
ON
0.63A
OFF
OFF
ON
0.84A
ON
ON
OFF
1.05A
0FF
ON
OFF
1.26A
ON
OFF
OFF
1.50A
OFF
OFF
OFF
（3）细分设定
细分倍数
步数/圈（1.8°整步）
SW4
SW5
SW6
1
200
ON
ON
ON
2
400
OFF
ON
ON
4
800
ON
OFF
ON
8
1600
OFF
OFF
ON
16
3200
ON
ON
OFF
32
6400
OFF
ON
OFF
64
12800
OFF
ON
OFF
由外部确定
动态改细分/禁止工作
OFF
OFF
OFF
（4）接线信号描述
信号
功能
PUL
脉冲信号：
上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步
DIR
方向信号：
用于改变电机转向，TTL平驱动
OPTO
光耦驱动电源
ENA
使能信号：
禁止或允许驱动器工作，低电平禁止
GND
直流电源地
+V
直流电源正极，典型值+24V
A+
电机A相
A-
电机A相
B+
电机B相
B-
电机B相
（5）PLC控制器与步进电机驱动器连接的工作原理如图所示：
驱动器电源由面板上电源模块提供，注意正负极性，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻（见图3.3中1.5K电阻）。
驱动器输入端为低电平有效，在使用不同厂家的PLC产品配套此模型使用时，要选择相应的输出方式，或者加入合适的电平转换板进行电平转换。
图3.3控制驱动电路
3．传感器：
（1）接近开关：
接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。
与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。
PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效。
电气示意图如图3.4。
图3.4传感器电气示意图
（2）行程开关：
当档块碰到开关时，常开点闭合。
4．本装置需采用晶体管输出型可编程控制器，可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进电机运行。
5．旋转码盘：
本装置中机械手每旋转3°编码盘发出一个脉冲。
6．直流电机驱动单元：
本装置中直流电机驱动模块是有两个继电器的吸合与断开来控制电机的转动方向的。
3.2控制要求
本设计中，机械手模型的执行顺序为：
1.开机复位2.横轴前升3.手旋转到位
4.电磁阀动作，手张开5.竖轴下降6.电磁阀动作，手夹紧
7.竖轴上升8.横轴缩回9.底盘旋转到位
10.横轴前伸11.手旋转12.竖轴下降
13.电磁阀动作，手张开14.竖轴上升15.复位
气夹在电磁阀未通电动作
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