某某制造厂生产流水线产品输送机械手自动转运自动控制.docx

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某某制造厂生产流水线产品输送机械手自动转运自动控制

设计题目

 某某制造厂生产流水线产品输送、机械手自动运转自动控制。

设计要求

 根据该生产线的实际工艺要求制订设备自动控制方案，设计出和自动控制方案配套的电控柜，绘制点控柜和仪表柜面板布置图、柜内元器件布置图、电气控制一次、二次原理图、自动控制图、电气安装图、现场布置图并写出设计说明书。

设计依据

 1）流水线设备示意图。

 2）工艺要求说明。

设计任务

 要求在规定的时间内独立完成下列工作量：

（一） 设计说明书需包括：

 ①目录

 ②前言及确定了赋值参数的设计任务书。

 ③根据对工艺要求的理解而设计的自动控制系统的基本思路和原理。

 ④在自动控制系统基本思路和原理基础上的具体控制方案。

 ⑤电气设备的选型。

 ⑥现场安装方案。

 ⑦试车和调试方案。

 ⑧附录及参考文献。

 ⑨收获和体会。

（二）设计图样

 ①主要设备及材料表。

 ②控柜和仪表柜面板布置图、柜内元器件布置图。

 ③电气控制一次、二次原理图。

 ④自动控制原理图。

 ⑤电气安装图、现场布置图。

设计时间

目录

 一摘要-----------------------------------------------------------------------------------------------------4

 二概述------------------------------------------------------------------------------------------------------7

 三PLC的编程语言------------------------------------------------------------------------------------14 

1梯形图编程语言---------------------------------------------------------------------------------14

2助记符编程语言----------------------------------------------------------------------------------15

四机械手PLC控制系统的基本组成----------------------------------------------------------------17

1机械手及料架的组成-----------------------------------------------------------------------------17

2PLC控制系统的组成--------------------------------------------------------------------------17

五机械手的动作过程及其控制要求-----------------------------------------------------------------17

1机械手的动作过程-------------------------------------------------------------------------------17

2机械手各个动作与相对应电磁阀的状态----------------------------------------------------17

3机械手控制要求-----------------------------------------------------------------------------------18

六PLC控制系统所需I/O点数的确定和存储器容量的估算------------------------------------19

1I/O点数的确定------------------------------------------------------------------------------------19

2存储器容量的估算-------------------------------------------------------------------------------19

七PLC控制系统所需机型的选择--------------------------------------------------------------------19

八PLC控制系统中I/O端子接线图及I/O地址分配表-------------------------------------------19

1I/O端子接线图-------------------------------------------------------------------------------------19

2I/O地址分配表-------------------------------------------------------------------------------------21

3PLC内部元件分配表---------------------------------------------------------------------------23

九主回路及扩展电路-------------------------------------------------------------------------------------23十PLC控制系统的设计思想--------------------------------------------------------------------------24

十一功能图和梯形图------------------------------------------------------------------------------------24

1整体梯形图的考虑--------------------------------------------------------------------------------24

2自动循环操作程序--------------------------------------------------------------------------------24

3单独动作操作程序--------------------------------------------------------------------------------30

十二总结与体会--------------------------------------------------------------------------------------------31

十三参考文献-----------------------------------------------------------------------------------------------31

摘  要             机器人技术是近30年来迅速发展起来的一门新兴技术，它代表了机电一体化的最高成就。

本文结合当今工业机器人的研究现状和发展方向，具体阐述了一种五自由度关节式机器人的控制系统的设计与开发过程。

分析了机械手的总体结构参数，系统地对本机械手的运动学进行分析，包括运动学的正分析和逆分析。

用齐次坐标变换的方法对机械手的运动学正解进行了分析和研究，给出结论表达式。

对机械手的运动学逆解进行了分析和研究，并用代数法求出结论表达式。

上位个人计算机利用C#.NET制作控制系统的界面，通过编程完成机械手控制界面和运行程序的设计，包括机械手初始参数设置，正逆运动学控制，复位等功能。

利用MSComm控件进行串口通讯，传输给下位机控制各个关节的运动，并接收下位机反馈值。

 关键词:

机械手；运动学；上位机控制；MSComm控件 ABSTRACTTechnologyofRobotisanewtechnologywhichhasdevelopedrapidlyforabout30years.Itdelegatesthetiptopachievementofthesystemofmechanicsandelectronics.Thispaperstudiesonthecontrolsystemofarobotoffive-degreefreedomkinematicsanalysisisdoneinthispaper.Theanalysisincludespositiveandathwartkinematics.PChascompletedthedesignofrobotcontrolinterfaceandoperationprogramwithC#.NET,includingmanipulatorbeginparametersetting,positiveandathwartkinematicscontrol,digitandsoon.UsingMSCommwidget,PCtransmitstheprogramtonextpositionmachine（SingleChipMicrocomputer）tocontrolthesportofeveryjoint,andtakeoverThefeedbacknumericalvaluefromSingleChipMicrocomputer.

 Keywords:

manipulator;inematics;control;MSCommwidget

 一、PLC的概述

1 PLC的基本结构

1.1可编程控制器的基本结构

 世界各国生产的可编程控制器外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构大体相同，主要由中央处理器、存储器、I／O接口、电源及编程设备几大部分构成。

PLC的硬件结构框图2-1所示

图2--1

1.中央处理器（CPU）

中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成

逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作任务。

可编程控制器中采用的CPU一般有三大类，一类为通用微处理器，如80286、80386等；一类为单片机芯片，如8031、8096等；另外还有为处理器，如AMD2900、AMD2903等。

一般来说，可编程控制器的档次越高，CPU的位数也越多，运算速度也越快，指令功能也越强。

现在常见的可编程机型一般多为8位或16位机。

为了提高PLC的性能，也有一台PLC采用多个CPU的。

2.存储器

    存储器是可编程控制器的存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。

和一般计算机一样，可编程控制器的存储器有只读存储器（ROM）和随机读/写存储器（RAM）两大类。

只读存储器是用来保存那些需永久保存的程序的存储器，即使机器掉电后其保存的数据也不会丢失，一般为掩膜只读存储器和可编程电擦写只读存储器。

只读存储器用来存放系统程序。

随机读/写存储器的特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储的数据就会丢失，一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。

为了能使用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外界电源后也能保持，再哦实际使用中都为一些重要的随机读/写存储器配备了电池或电容等掉电保护装置。

3.输入/输出接口

    输入/输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。

输入口是用来接受生产过程的各种参数。

输出口是用来送出可编程控制器运算后得出的控制信号，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。

由于可编程控制器在工业生产现场工作，对输入/输出接口有两个主要的要求，一是接口有良好的抗干扰能力，二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求，因而可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元。

主要有以下几中：

 ⑴开关量输入接口。

它的作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。

开关量输入接口按可接纳的外信号电源的类型不同分为直流输入单元和交流输入单元，如图2-2、图2-3、图2-4所示。

图2-2

图2-3

图2-4

 从图中可以看出，输入接口中都有滤波电路及耦合隔离电路。

滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。

图中输入口的电源部分都画在了输入口外（框外），这是分体式输入口的画法，在一般单元式可编程控制器中输入口都使用可编程本机的直流电源供电，不在需要外接电源。

（2）开关量输出接口。

它的作用是把可编程控制器内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。

开关量输出口按可编程控制器内使用的器件，可分为继电器型、晶体管型及可控硅型。

内部参考电路图如2-5所示。

图2-5

   从图2-5中可以看出，各类输出接口中也都具有隔离耦合电路。

这里特别要指出的是，输出接口本身都不带电源，而且在考虑外驱动电源时，还需考虑输出器件的类型，继电器式的输出接口可用于交流及直流两种电源，但接通/断开的频率低；晶体管式的输出接口有交高的接通/断开频率，但只有用于直流驱动的场合；可控硅型的输出接口仅使用于交流驱动场合。

  （3）模拟量输入接口。

它的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程序控制器内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。

模拟量输入接口接受标准模拟信号，无论是电压信号还是电流信号均可。

这里标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压、电流信号，如4～20mA的直流电流信号，1～10V的直流电压信号等。

工业现场中模拟量信号的变化范围一般不标准的，在送入模拟量接口时一般都需经变送处理才能使用。

图2-6所示为模拟量输入接口的内部电路框图。

图2-6

   模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光电耦后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。

  （4）模拟量输出接口。

它的作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。

模拟量输出接口一般由光电隔离、D/A转换和信号驱动等环节组成。

起原理框图如图2-7所示。

图2-7

 模拟量输入/输出接口一般安装在专门的模拟量工作单元上。

  （5）智能输入/输出接口。

为了适应较复杂的控制工作的需要，可编程控制器还有一些智能控制单元，如PID工作单元、高速计数器工作单元、温度控制单元等。

这类单元大多是独立的各种单元，他们和普通输入/输出接口的区别在于一般带有单独的CPU，有专门的处理能力。

在具体的各种中，每个扫描周期智能单元和主机的CPU交换一次信息，共同完成控制任务。

从近几年的发展来看，不少新型的可编程控制器本身也带有PID功能及高速计数器接口，但它们的功能一般比专用单元的功能弱。

 4．电源

 可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元供电的开关电源及为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池。

 5.外部设备

（1）编程器。

可编程控制器的特点是它的程序是可变更的，能方便的加载程序，也可方便地修改程序，因此编程设备就成了可编程控制器工作中不可缺少的部分。

可编程控制器的编程设备一般有两类，一类专用编程器，有手持的，也有台式的，还有的可编程控制器机身上自带编程器，其中手持式的编程器携带方便适合工业控制现场应用；另一类是个人计算机，在个人计算机上运行可编程控制器相关的编程软件即可完成编程任务，借助软件编程比较容易，一般是编好了以后再下载到可编程控制器中去。

 编程器除编程以外，一般还具有一定的调试及监视功能，可以通过键盘调取及显示PLC的状态、内部器件及系统参数，它经过接口（也属于输出/输入口的一种）与处理器联系，完成人机对话操作。

 按照功能的强弱，手持式编程器又可分为简易型和智能型两类。

前者只能联机编程，后者即可联机编程又可脱机编程。

所谓的脱机编程，是指在编程时把程序存储在编程器本身存储器中的一种编程方式，它的优点是在编程及修改程序时，可以不影响PLC机内原有的程序的执行；也可以在远离主机的异地编程后再到主机所在地下载程序。

（2）其他外部设备。

PLC还可能配设其他一些外部设备。

 ① 盒式磁带机，用以记录程序或信息。

打印机，用以打印程序或制表。

EPROM写入机，用以将程序写入用户EPROM中。

高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态。

三 PLC的编程语言

 PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、流程图语言、布儿代数语言等。

其中前两种语言用得较多，流程图语言也在许多场所被采用。

本章仅介绍梯形图语言和助记符语言的编程及特点。

3.1 梯形图编程语言

 1.梯形图与继电控制的区别

   梯形图结构沿用继电控制原理图的形式，采用了常开触点、常闭触点、线圈和功能块等结构的图形语言。

对于同一控制电路，继电控制原理图和梯形图的输入/输出信号基本相同，控制过程等效。

二者的区别在于继电控制原理图使用的是硬件继电器和定时器，靠硬件连接组成控制线路，而PLC梯形图使用的是内部继电器、定时器和计数器，靠软件实现控制。

因此，PLC的使用具有很高的灵活性，程序修改过程非常方便。

图3-1所示是一个继电器线路图和与其等效的PLC梯形图。

 图3-1（a）中S0为常开按钮，S1为常闭按钮，K0为继电器线圈。

按下启动按钮S0,继电器K0的线圈通电，其常开触点K0闭合，由于常开触点K0与启动按钮S0并联，因此即使松开启动按钮S0，已经闭合常开触点K0仍然能使继电器K0的线圈通电，这个常开触点称作“自锁”触点。

停止时，按下停止按钮S1,继电器K0的线圈失电。

图3-1（b）中X0为常开输入触点，X1为常闭输入触点，Y0表示输出，其工作状态受X0、X1信号控制，逻辑上与图3-1（a）相同，但是S0、S1均为物理实体，而X0、X1等表示的可能是外部开关，也可能是内部软件或触点。

 2.梯形图的格式

（1）梯形图按行从上至下、每行从左至右的顺序编写。

PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。

（2）图左、右两边的垂直线分别称为起始母线和终止母线。

每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止母线结束。

 （3）梯形图中的触点有两种。

即常开触点和常闭触点。

这些触点可以是PLC的输入触点或内部继电器的触点，也可以是内部继电器、定时器/计数器的状态。

与传统的继电器控制图一样，每一触点都有自己的特殊标记，以示区别。

同一标记的触点可以反复使用，次数不限。

这是因为每一触点的状态存入PLC内的存储单元中，可以反复读/写。

传统继电器控制中的每个开关均对应一个物理实体，故使用次数有限。

这是PLC优于传统控制的优点之一。

 （4）梯形图的最右端必须连接输出元素。

PLC的输出元素用圆圈表示。

机型不同，输出元素表示有些区别。

同一输出变量只能使用一次。

 （5）梯形图的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。

 （6）程序结束是有结束符，一般用“END”表示。

 利用计算机编程时，只要按梯形图的编写顺序把逻辑行输入计算机，再下传给PLC即可。

也可以将梯形图转换成助记符语言，经编程器逐句输入PLC。

3.2 助记符语言

 助记符语言是PLC的命令语句表达式。

用梯形图编程虽然直观、简便，但要求PLC配置较大的显示器方可输入图形符号，这在有些小型机上常难以满足，故需借助助记符语言。

应该指出的是，不同型号的PLC其助记符语言也不相同，但其基本原理相近的。

编程时，一般先根据要求编制梯形图，然后再根据梯形图转换成助记符语言。

 PLC中最基本的运算是逻辑运算，最常用的指令是逻辑运算指令，如与、或、非等。

这些指令再加上“输入”、“输出”、“结束”等指令，就构成了PLC的基本指令。

各型号PLC的指令符号不尽相同，常见的表示方法如下：

 LD——表示输入一个逻辑变量，每一逻辑行起始处必须使用这一指令；

 AND——逻辑“与”，表示输入变量串联；

 OR——逻辑“或”，表示是如变量并联；

 ANI——逻辑“与非”；LDI——逻辑“非”，表示求反；

 OUT——表示输出一个变量；END——表示程序结束。

 在使用这些逻辑指令时，需注意以下两点：

（1）梯形图中的各触点，各对应的是PLC中的一个存储单元，而不是简单对应触点本身的物理实体。

所以，使用者不要把梯形图中的触点符号和实际的触点开关等同起来。

在梯形图中，这些符号知识一个逻辑变量，常开触点断开时为逻辑“0”，接通时为逻辑“1”。

（2）作为输入端子分别接到三个外部触点开关上，这些触点开关本身是常开触点。

在梯形图中如果要求这些触点作为常闭开关使用时，则须将输入状态求反后存入PLC中，即在变量输入指令使用LDI或ANI。

四.机械手PLC控制系统设计

 机械手在专用及自动生产线上应用的十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。

本设计中的机械手采用关节式结构。

各动作由液压驱动，并由电磁阀控制。

动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则。

1.机械手PLC控制系统的基本组成

（1）.机械手及料架的组成

 机械手的结构主要由手指，手腕，小臂和大臂等几部分组成。

料架为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。

每次转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件对准机械手。

（2）.PLC控制系统的组成

 PLC控制系统采用三菱F1系列超小型PLC对机械手进行动作控制。

各动作由油泵电机（采用Y100L2-4.3KM）液压驱动，并由电磁阀控制。

其中油泵电机及各电磁阀运行状态均有指示灯显示。

五.机械手的动作过程及其控制要求

1.机械手的动作过程

 以镗孔专用机床加工零件的上料，下料为例，机械手的工作顺序是：

由原始位置将已加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角度后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。

 具体动作顺序是：

原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕横移向右，手指松开）→手指夹紧（抓住卡盘上的工件）→松卡盘→手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）→小手臂上摆→大手臂下摆→手指松开（工件放回料架）→小手臂收缩→料架转位→小手臂伸出→手指夹紧（抓住未加工零件）→大手臂上摆（取送零件）→小手臂下摆→手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）→卡盘收紧→手指松开，等待加工。

2.机械手各个动作与相对应电磁阀的状态

 机械手各动作与相应电磁阀动作关系如表1所示。

根据表及各动作中机械的状态，便可自行列出各动作中对YV1-YV13线圈的通电要求。

  YV1 YV2 YV3 YV4&n

bsp;YV5 YV6 YV7 YV8 YV9 YV10 YV11 YV12 YV13 

手指的加紧与放松 加紧 +      放松  +    手腕横向移动（左右移动） 移   +    右移    +  小伸缩 出     +  缩回      +小臂的上下摆动 上摆       + 下摆        大臂的上下摆动