基于PLC的机械手控制系统设计.docx

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基于PLC的机械手控制系统设计

摘要…………………………………………………………………………………………Ⅰ

ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2研究目的及意义2

1.3国内外研究现状2

第2章方案设计4

2.2PLC的结构及基本配置7

2.3PLC的选择8

2.4机械手的分类和选择9

第3章硬件设计10

3.1PLC控制机械手设计步骤10

3.3确定输入输出11

3.4输入和输出点分配表11

3.5PLC控制机械手接线图12

第4章软件设计13

4.1PLC概述13

4.2软件系统13

4.4欧姆龙CX-Programmer编程软件14

4.5PLC控制机械手的流程图15

结论16

致谢17

参考文献18

附录

第1章绪论

随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。

由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化地结合。

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。

机械手的广泛使用，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

1.1课题背景

可编程控制器（简称PLC）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，用于其内部存储程序，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。

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。

实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

可以预料：

在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。

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。

工业机械手是工业机器人的一个重要分支。

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。

PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC控制器年增长率保持为20%～30%。

随着工厂自动化程度的不断提高和PLC控制器市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。

但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。

综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。

近10年来，随着PLC控制器价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC控制器进行控制，PLC控制器在我国的应用增长十分迅速。

随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC控制器在我国仍将保持高速增长势头。

1.2研究目的及意义

二十一世纪，PLC控制器会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求.PLC控制器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控制器已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。

随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。

它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。

适应工业需要，本课题试图开发PLC对物料分拣机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，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，广泛应用于柔性生产线。

采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，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，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。

1.3国内外研究现状

目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。

如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。

现在，世界上有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。

其中，美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，着名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。

欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司。

日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（SAMSUNG）、LG等，这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额。

经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主。

国内公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势，如：

需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势。

二十世纪四十年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。

50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。

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。

第2章方案设计

对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、PLC控制等。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

可以预料：

在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。

由于此明确指定采用PLC可编程控制器控制实现，所以，不用我们去考虑控制硬件方案，只是要对PLC进行比较选择。

2.1PLC的分类

1、按控制规模分

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控制规模主要指控制开关量的入、出点数及控制模拟量的模入、模出，或两者兼而有之（闭路系统）的路数。

但主要以开关量计。

模拟量的路数可折算成开关量的点，大致一路相当于8～16点。

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依这个点数，PLC大致可分为微型机、小型机、中型机及大型机、超大型机。

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微型机控制点仅几十点，如德维森公司的V80系列PLC本体从16点到40点，OMRON公司的CPM1A系列PLC，西门子的Logo仅10点。

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小型机控制点可达100多点。

如如德维森公司的V80系列PLC可扩展到256点，OMRON公司的C60P可达148点，CQM1达256点。

德国西门子公司的S7-200机可达64点。

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中型机控制点数可达近500点，以至于千点。

如德维森公司的PPC11系列可扩展到1024点，OMRON公司C200H机普通配置最多可达700多点，C200Ha机则可达1000多点。

德国西门子公司的S7300机最多可达512点。

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大型机：

控制点数一般在1000点以上。

如如德维森公司的PPC22系列可扩展到2048点，OMRON公司的C1000H、CV1000，当地配置可达1024点。

C2000H、CV2000当地配置可达2048点。

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超大型机：

控制点数可达万点，以至于几万点。

如美国GE公司的90－70机，其点数可达24000点，另外还可有8000路的模拟量。

再如美国莫迪康公司的PC－E984--785机，其开关量具总数为32k（32768），模拟量有2048路。

西门子的SS－115U－CPU945，其开关量总点数可达8k，另外还可有512路模拟量。

等等。

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以上这种划分是不严格的，只是大致的，目的是便于系统的配置及使用。

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一般讲，根据实际的I/O点数，凡落在上述不同范围者，选用相应的机型，性能价格比必然要高；相反，肯定要差些。

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自然，也有特殊情况。

如控制点数不是非常之多，不是非用大型机不可，但因大型机的特殊控制单元多，可进行热备配置，因而采用了大型机。

2、按结构划分

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PLC可分为箱体式及模块式两大类。

微型机、小型机多为箱体式的，但从发展趋势看，小型机也逐渐发展成模块式的了。

如OMRON公司，原来小型机都是箱体式，现在的CQM1则为模块式的。

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箱体的PLC把电源、CPU、内存、I/O系统都集成在一个小箱体内。

一个主机箱体就是一台完整的PLC，就可用以实现控制。

控制点数不符需要，可再接扩展箱体，由主箱体及若干扩展箱体组成较大的系统，以实现对较多点数的控制。

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模块式的PLC是按功能分成若干模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。

大型机的模块功能更单一一些，因而模块的种类也相对多些。

这也可说是趋势。

目前一些中型机，其模块的功能也趋于单一，种类也在增乡。

如同样O