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PLC机械手操作控制系统
PLC机械手操作控制系统（总32页）
摘要
在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
随着工业现代化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等。
已经随处可见。
同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这写恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物。
并以为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和身效益的有效手段之一。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。
在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
机械手是在自动化生产过程中发展起来的一种新装置。
广泛应用于工业生产和其他领域。
PLC已在工业生产过程中得到广泛应用，应用PLC控制机械手能实现各种规定工序动作，对生产过程有着十分重要的意义。
论文以介绍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。
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。
整个搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。
关键词：
可编程控制器,PLC,机械手操作控制系统.
第一章概述
PLC控制系统
可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而展起来的一种新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。
可编程控制器（简称PLC）是在继电器控制和计算机技术的基础上开发了出来，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。
可编程控制器以其可靠性高，组合灵活，编程简单，维护方便等独特优势被日趋广泛应用于国民经济的各个控制领域，它的应用深度和广度已成为一个国家工业先进水平的重要标志。
由于早期的可编程控制器只是用来取代继电器控制执行逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能，因此人们称之为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。
PLC的产生
PLC是在激烈的市场竞争中产生的，20世纪60年代么末，美国汽车制造业竞争激烈。
为适应生产工艺不断更新的需要，美国通用汽车公司（GM）对控制系统提出要求为：
（1）能替代由各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统，由传统的继电——
接触器控制，它简单易懂，价格低廉，能够满足生产工艺改动频繁的需要；
（2）编程简单；（3）模块式结构；（4）输入、输出电压为交流115V（美国标准），输出能直接驱动继电器和电磁阀；（5）抗电磁干扰强；（6）具有数据通信功能。
就是把继电——接触器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电——接触器控制的硬接线逻辑不易修改。
美国数字设备公司（DEC）在1969年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车装配现上应用成功，实现了生产装配线的自动控制。
PLC的特点及应用
PLC能适应工业现场的恶劣环境，可靠性高（平均无故障工作时间可达数万小时，甚至十几万小时）。
在工业生产中一般要求控制设备具有很强的抗干扰能力（例如:
抗振频率《=16HZ,振幅为3mm；工作温度为10~55摄氏度；湿度为35%~90%RH,无凝结）。
而PLC在这方面由独到之处：
硬件上采用光电隔离装置以防止输出对输入的反馈干扰；采用屏蔽措施防止空间电磁干扰（对高频干扰信号起到良好的抑制作用，抗干扰强度为：
峰值《=1000V，脉宽为10us的矩形波》；设置滤波环节，以消除外部干扰和各模块之间的影响；采用连锁及互锁控制、自诊断电路和模块式结构等措施，以提高硬件的可性及模块的互换性；在软件上采用了故障自检测、自诊断等措施。
PLC软件简单易学。
它用梯形图编程语言编程，类似于继电器控制线路图。
1.PLC使用方便。
PLC品种繁多，系统扩展灵活。
它采用积木式结构，具有各种I/O模块和A/D、D/A模块等，便于根据需要配置成各种不同规模上的分布式或集中式的控制系统。
PLC的端子上接相应的输入、输出信号线即可，使用非常方便。
当控制要求改变时，要变更控制系统的功能，可用编程器修改程序。
同一PLC装置还可用于不同的受控对象，只是输入、输出组件和应用的软件不同而已。
PLC的输入、输出可直接与电压为交流220V或直流24V的强电相连，并有较强的带负载能力（如继电器输出电流为2A）。
2.PLC体积小，重量轻，便于安装。
它还配有自检和监控功能，能检测出自身的故障，并随时显示给操作人员：
能动态地监视控制程序的执行情况，为现场的调试和维护提供了方便，此外由于接线少，维修时之需更换插入式模块，维护方便。
3.PLC的应用范围广阔，目前已经应用于汽车装配、数控机床、机械制造、电力石化、冶金钢铁、交通运输、轻工纺织等各行业。
归纳起来，主要应用有5个方面：
（1）开关量逻辑控制:
即代替继电——接触器控制系统，如冶金行业中的高炉上料系统，轧钢机、连铸机、飞剪等的控制系统；机械工业中各种自动生产线、自动加工机床、机械手、龙门羡铣床等的控制；轻工业中的注塑机、包装机、食品机械的控制以及日常生活中的电梯控制等；化工行业重的各种泵、电磁阀的控制等。
（2）模拟量过程控制：
各种生产规程的自动控制中对温度、压力、流量等连续变化的模拟量进行的监测、调节控制。
；（3）机械件位置控制：
主要是指PLC使用专用的位置控制模块来控制逼近电动机或伺服电动机，从而实现对各种机械构建的运动控制，如控制构件的速度、位移、运动方向等。
PLC的位置控制典型应用有：
及其人的运动控制、机械手的位置控制、电梯运动控制等；PLC还可与计算机数控装置组成数控机床，以数字控制方式控制零件的加工、金属的切削等，实现了告警度的加工。
（4）现场数据采集处理：
：
数据处理通常用于诸如柔性制造系统、机器人和机械手的控制系统等大、中型控制系统中；（5）通信联网、多级控制：
PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间通信，要采用其专用通信模块，并利用RS——232C或RS——422A接口，用双绞线或同轴电缆或光缆将他们练成网络。
由一台计算机与多台PLC组成的分布式控制系统进行“集中管理、分散控制”，建立工厂的自动化网络。
PLC还可以连接CRT显示器或打印机，实现显示和打印。
选题背景
机械手简介
随着工业生产自动化程度的不断提高，制造系统的飞跃发展，自80年代柔性制造系统进入实用阶段以来，使机械加工的面貌发生了质的变化，随着柔性制造技术、计算机辅助技术和信息技术的发展，当今机械加工业已进入全盘自动化的时代，然而，装配技术远落于加工技术，两者已形成了明显的反差，装配工艺已称为现代化生产的薄弱环节，现代制造技术的发展已使传统的手工装配工艺面临严峻的挑战，因此，发展机械手进行装配势在必行并日趋柔性化发展，工业机械手被越来越多的应用在涂漆、包装、焊接、装配等生产环节来代替人工完成恶劣环境下的劳动。
图1机械手搬运机构
机械手就是能模仿任何手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具自动操作装置。
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、轻工和源自能等部门。
机械手主要有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机械转动（摆动）或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。
运动机构的升降和伸缩、旋转和独立等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，需要六个自由度。
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来直接操作，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也称为机械手。
机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产的中、小批量自动化生产。
机械手势工业控制领域中经常用到的一种控制对象，应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化生产线路，节省成本，提高生产效率。
在自动装配生产线上，机械手往往势必不可少的设备。
它模拟人和手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹和要求，实现抓取、搬运和装配。
在减轻人的劳动强度，提高装配质量和装配效率方面的效果是显而易见的。
第二章PLC控制系统设计
总体设计
制定控制方案
（1）为机械手控制系统制定如下控制方案：
（2）用初始状态设定来决定控制系统的自动运行和手动运行方式；
（3）在初始状态设定后，系统自动进入所设置的运行方式。
（4）系统在非自动运行方式允许分别设置。
（5）系统在任何时刻都可以通过按下急停开关来是系统停车。
系统配置
机械手自动操作系统为单机控制系统。
PLC的输入点，有上限位开关、下限位开关、左…等，包括启动、停止按钮，一共17点；输出点5点。
1.搬运机构
手爪提升气缸：
提升气缸采用双向电控气阀控制，气缸伸出或缩回可任意定位。
磁性传感器：
检测手爪提升气缸处于伸出或缩回位置。
（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”）
手爪:
抓取物料由单向电控气阀控制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，单向电控气阀断电，手爪松开。
旋转气缸：
机械手臂的正反转，由双向电控气阀控制。
接近传感器：
机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。
（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接输出）
双杆气缸：
机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。
气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。
（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”）
缓冲器：
旋转气缸高速正转和反转到位时，起缓冲减速作用。
2.气动原理
本装置气动主要分为两部分：
一、气动执行元件部分有单出杆气缸、单出双杆气缸、旋转气缸。
二、气动控制元件部分有单控电磁换向阀、双控电磁换向阀、磁性限位传感器。
图2气路原理图
1）气缸电控阀使用
图3气缸示意图
注：
气缸的正确运动使物料分到相应的位置，只要交换进出气的方向就能改变气缸的伸出（缩回）运动，气缸两侧的磁性开关可以识别气缸是否已经运动到位。
双图4双向电磁阀示意图
注：
双向电控阀用来控制气缸进气和出气，从而实现气缸的伸出、缩回运动。
电控阀内装的红色指示灯有正负极性，如果极性接反了也能正常工作，但指示灯不会亮。
单图5单相电磁阀示意图
注：
单向电控阀用来控制气缸单个方向运动，实现气缸的伸出、缩回运动。
与双向电控阀区别在双向电控阀初始位置是任意的可以随意控制两个位置，而单控阀初始位置是固定的只能控制一个方向。
2）气动手爪控制图：
图中手爪夹紧由单向电控气阀控制，当电控气阀得电，手爪夹紧。
当电控气阀断电后手爪张开。
图6手爪控制示意图
控制要求
（1）机械手的上升和下降，左移和右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置完成，每个线圈完成一个动作。
（2）抓紧和放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作，线圈断电时执行放松动作。
（3）机械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制
（4）抓紧动作由压力继电器控制。
当抓紧时，压力继电器动合触点闭合，放松动作由定时器控制。
搬运机械手控制系统示意图如下所示：
图7机械手控制系统示意图
机械手每个工作臂上都有上、下限位和左、右限位开关，而其夹持装置不带限位开关。
一旦夹持开始，定时器便会启动，定时器结束，夹持动作随即完成，机械手到达B点后，将工件松开的时间也是由定时器控制的，定时器结束时，表示被抓工件已松开。
其示意图如下所示：
图8机械手控制系统示意图
机械手一个周期内的工作过程如下所示：
第一步：
按下启动按钮，机械手开始从原点下降，碰到下限位开关X1接通，下降停止，第一步工作完成。
第二步：
定时器接通开始工作，机械手开始夹紧工件，定时1s结束，夹紧完成，第二步工作完成。
第三步：
机械手开始上升，上升到顶部时，碰到上限位开关X2接通，上升停止，第三步工作完成。
第四步：
机械手右移，至碰到右限位开关X3接通，右移停止。
第四步工作完成。
第五步：
机械手开始下降，下降到底时，碰到下限位开关X1接通，下降停止。
第五步工作完成。
第六步：
定时器接通开始工作，机械手开始放松工件，定时1s结束，放松工件，工作完成。
第六步工作完成。
第七步：
机械手开始上升，上升到顶部，碰到上限位开关X2，上升停止。
第七步工作完成。
第八步：
机械手开始左移，直到左移到原点碰到左限位开关X4接通，左移停止。
第八步工作完成。
于是机械手动作的一个周期结束。
机械手控制系统工作流程图如下所示：
图1——3
控制面板
图9控制面板
由图10操作面板图可见，此机械手可分为三种控制方式：
手动控制方式、自动控制方式、半自动（单周期）运行方式。
手动控制方式：
用各自的按钮使各个负载单独接通或断开的方式，使按动回原点按钮时，被控制的机械自动向原点回归。
自动运行方式：
连续运行，只要在原点位置按启动按钮，设备就连续循环运行，若中途按停止按钮，动作将继续到原点为止。
半自动运行方式：
在原点位置按启动按钮后，设备就自动运行一个循环，并在原点停止;若在中途按动停止按钮设备就中断运行，再按动启动按钮，则将从断点处继续运行，回到原点自动停止。
表1输入输出表
名称
符号
输入点
名称
符号
输出点
下限位
S14
X1
下降电磁阀
KM1
Y0
上限位
S15
X2
夹紧电磁阀
KM2
Y1
右移限位
S16
X3
上升电磁阀
KM3
Y2
左移限位
S17
X4
右移电磁阀
KM4
Y3
上升
S3
X5
左移电磁阀
KM5
Y4
下降
S4
X10
右移
S5
X6
左移
S6
X11
夹紧
S1
X12
放松
S2
X7
手动
S12
X20
单步运行
S9
X27
单周期
S11
X23
自动
S13
X24
原点
S7
X25
启动
S8
X26
停止
S9
X27
外部接线图
图10PLC控制接线图
程序设计
初始状态设定
表2具有连续编号的输入点
输入
功能
输入
功能
Ｘ２０
手动
Ｘ２４
全自动
Ｘ２１
回原点
Ｘ２５
回原点启动
Ｘ２２
单步运行
Ｘ２６
自动开始
Ｘ２３
半自动运行
Ｘ２７
停止
Ｓ０：
手动操作初始状态
Ｓ１：
回原点初始状态
Ｓ２：
自动操作初始状态
此指令的结果直接影响了M8040、M8041、M8042、M8047的状态，这条指令等效于图12所示电路。
M8042为输入启动时的起始脉冲.
M8040为禁止转移辅助继电器,此辅助继电器接通后就禁止所有状态转移,所以它ON状态总是出现在手动状态中.
M8047为ON状态元件监控有效标志辅助继电器,当它为ON状态时,状态S0~S899中正在动作的状态号从最低号开始顺序存入特殊数据寄存器D8040~D8047,最多可存8个状态号
图11初始化状态
根据操作面板所设，可将状态转移图分成四块：
即自动方式状态、手动方式状态、回原点初始状态、初始化状态。
如图12所示
对状态转移图中几处特殊辅助继电器即特殊功能说明如下：
1.M8044（原点位置条件）：
此元件在检测到原点时动作，它由原点的个传感器驱动，ON状态作为自动方式时的允许状态转移的条件。
（状态转移开始）它是一个状态转移标志元件。
当它为ON状态时，表示自动方式时从初始状态开始转移。
（回原点完成）它是一个标志元件。
当它为ON时，表示原点状态结束，会员店初始状态的状态元件S10~S19都将回零操作。
（RUN）监控。
只要RUN按钮动作，他就一直ON，用此信号来监控PLC的动作。
由初始状态设定可知该初始化电路状态为：
图12初始化电路
MANUALOPERATION
0LDX4
1ANDX2
2ANIY1
3OUTM8044
5LDM8000
6FNC60
X20
S20
S27
手动方式状态
图13手动方式状态
ZERORETURN
13STLS0
14LDX12
15SETY1
16LDX7
17RSTY1
18LDX5
19ANIY0
20OUTY2
21LDX10
22ANIY2
23OUTY0
24LDX6
25ANDX2
26ANIY3
27OUTY4
28LDX11
29ANDX2
30ANIY4
31OUTY3
（RET）
32STLS1
33LDX25
34SETS10
36STLS10
37RSTY1
38RSTY0
39OUTY2
40LDX2
41SETS11
43STLS11
44RSTY3
45OUTY4
46LDX4
47SETS12
49STLS12
50SETM8043
52RSTS12
（RET）
54STLS2
55LDM8041
56ANDM8044
57SETS20
59STLS20
60OUTY0
61LDX1
62SETS21
64STLS21
65SETY1
66OUTT0
K10
69LDT0
70SETS22
72STLS22
73OUTY2
74LDX2
75SETS23
77STLS23
78OUTY3
79LDX3
80SETS24
82STLS24
83OUTY0
84LDX1
85SETS25
87STLS25
89RSTY1
90OUTT1
K10
92LDT1
93SETS26
95STLS26
96OUTY2
97LDX2
98SETS27
100STLS27
101OUTY4
102LDX4
103OUTS2
105RET
106END
回原点状态转移图：
图14回原点状态转移图
自动方式状态
状态号
状态输出/状态功能
状态转移
S2
自动方式初始状态
M8044、M8041：
S2→S20
S20
Y0得电，机械手下降
X1：
S20→S21
S21
Y1置位，机械手夹紧
T0：
S21→S22
S22
Y2得电，机械手上升
X2：
S22→S23
S23
Y3得电，机械手右移
X3：
S23→S24
S24
Y0下降，机械手下降
X1：
S24→S25
S25
Y1复位，机械手放松
T1：
S25→S26
S26
Y2得电，机械手上升
X2：
S26→S27
S27
Y4得电，机械手左移
X4：
S27→S2
图15自动方式状态
第三章控制系统内部软组件
内部软组件的概述
在传统的继电器控制系统和电子逻辑控制系统中，控制任务的完成是通过电器、电子控制线路来实现的。
这些控制线路将继电器、接触器、电子元件等若干分立器件用导线连接在一起，形成满足控制对象动作要求的控制“程序”。
PLC内部控制电路是由编程实现的逻辑电路，用软件编程代替继电器的功能。
对于使用者来说，在编制应用程序时，可以不考虑微处理器和存储器的复杂构成及使用的计算机语言，而把PLC看成是内部由许多“软继电器”组成的控制器，用近似继电器控制线路图的编程和编程语言进行编程。
这样从功能上讲就可以把PLC的控制部分看作是由许多“软继电器”组成的等效电路。
FX2系列PLC中的软组件由输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M、状态组件S、指针P/I、常数K/H、定时器T\计数器C、数据寄存器D、变址寄存器V/Z。
本控制系统用到的软组件有：
输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器和状态组件。
输入继电器
符号：
输入继电器与PLC的输入端相连，它的代表符号是“X”.
功能：
输入继电器的外部物理特性就相当于一个开关量的输入点，称为输入接点。
外部开关的两个接线点中，一个接到输入接点上，另一个接在输入端的公共接点COM上。
从内部操作的角度看，一个输入继电器就是一个一位的只读存储单元，可以无限此读取，其量值只能有两种状态：
当外界的开关闭合是就是ON状态；当开关断开时就是OFF状态。
但在使用中，既可以用输入继电器的常开接点，也可以用输入几点其的常闭接点。
在ON状态下，其常开接点闭合，常闭接点断开；在OFF状态，则反之。
本系统用的时FX2——48M型号的输入继电器，其输入接点是24个。
输出继电器
符号：
输出继电器的外部输出接点连接到PLC的输出端子上，它的代表符号是“Y”。
功能：
输出继电器的外部物理特性就相当于一个接触器的触点，称为输出接点。
从使用的角度来看，可以将一个输出继电器当作一个受控的开关，其断开或闭合受到程序的控制。
PLC的输出继电器是无源的，因此需要外接电源。
从内部操作的角度来看，一个输出继电器就是一个一位的可读、写的存储器单元，可以无限次读取和写入。
在读取时既可以用输出继电器的常开触点，也可以用输出继电器的常闭触点，使用次数不限。
本系统用的是FX2——16M型号的输出继电器，其输出接点是8个。
辅助继电器
符号：
PLC内部由许多辅助继电器，它的代表符号是“M”。
功能：
辅助继电器的功能相当于各种中间继电器，可以由其他各种软组件驱动，也可以驱动其他软组件。
辅助继电器有常开和常闭两种接点，其状态是一位的，只有ON和OFF两种状态。
辅助继电器没有输出接点，也就是说不能驱动外部负载。
外部负载只能由输出继电器驱动。
辅助继电器的接点使用和输入继电器类似，在ON状态下，其常开接点闭合，常闭接点断开；在OFF状态下，常开接点断开，常闭接点闭合。
FX2系列PLC由三种不同特性的辅助继电器，分别是通用
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