机械手操作的PLC控制系统课程设计.docx
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机械手操作的PLC控制系统课程设计
目录
0前言2
1简介2
1.1可编程逻辑控制器PLC简介2
1.1.1PLC的基本概念2
1.1.2PLC的基本结构3
1.2机械手简介3
1.2.1定义4
1.2.2机械手的组成4
1.2.3机械手的分类4
1.2.4机械手发展现状5
2.原理6
2.1PLC的工作原理6
2.2机械手的工作原理7
3.机械手操作的PLC控制系统的流程分析8
4.接线和接口的定义9
4.1确定输入/输出点数并选择PLC型号9
4.2输入/输出口的定义9
4.3分配PLC的输入/输出端子10
5.PLC控制系统程序设计10
5.1根据控制要求设计系统状态转移图10
5.1.1回原点操作的状态转移图10
5.1.2自动操作的状态转移图11
5.1.3手动操作的状态转移图11
5.2设计PLC控制程序（梯形图）11
5.2.1操作系统程序11
5.2.2初始化电路程序11
5.2.3回原点程序11
5.2.4手动操作程序12
5.2.5自动操作程序12
5.3机械手PLC控制程序指令表12
6．工作过程分析12
7．结束语13
8．参考文献14
0前言
PLC是一种以微处理器为核心的新型工业自动控制系统。
它的最大特点就是体积小，功能强，响应速度快，可靠性高。
控制过程通过以梯形图的方式编程，随时可依生产工艺的不同要求而随机修改，还具有可扩展性强等特点。
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。
工作方式的选择可以很方便地在操作面板上实现，当旋钮指向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命；当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作；当旋钮打向手动时，每一步均可在按下该工步按钮时动作。
1简介
1.1可编程逻辑控制器PLC简介
1.1.1PLC的基本概念
可编程控制器（ProgrammableController）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称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器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。
作为离散控制的首选产品，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。
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
近10年来，随着PLC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进行控制，PLC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在我国仍将保持高速增长势头。
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。
1.1.2PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
a.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
b、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
c、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的电源的设计一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
1.2机械手简介
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。
工业机械手的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。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它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的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
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。
1.2.1定义
机械手也被称为自动手，autohand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
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、轻工和原子能等部门。
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。
工作方式的选择可以很方便地在操作面板上实现，当旋钮指向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命；当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作；当旋钮打向手动时，每一步均可在按下该工步按钮时动作。
1.2.2机械手的组成
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
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。
1.2.3机械手的分类
机械手总体一般分为三类：
第一类是不需要人工操作的通用机械手。
它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。
它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工才做的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。
工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
按不同的分类方式分类如下
a）按用途分类：
专用机械手;通用机械手。
b）按驱动方式分类：
液压传动型；气压传动型；电力传动型；机械传动型。
c）按控制方式分类：
点位控制；连续轨迹控制。
d）按种类分类：
串联机械手;并联机械手。
1.2.4机械手发展现状
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。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。
目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。
在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。
既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。
同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。
目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。
此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。
使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。
如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。
目前已经取得一定成绩。
视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。
工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。
触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。
工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。
手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。
总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。
更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。
在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。
其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。
在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：
一、以提高生产过程中的自动化程度
应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
二、以改善劳动条件，避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产
应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。
2.原理
2.1PLC的工作原理
可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，一次循环可分为5个阶段。
可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。
在内部处理联合阶段。
可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。
在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。
可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作。
在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。
可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。
在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。
外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。
外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。
在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。
可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。
在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。
在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。
图1.1扫描周期
在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。
体型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。
信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。
若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。
某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为OFF。
扫描周期可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次图1.1所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1~100ms。
指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。
当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。
不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。
如图1.2所示。
图1.2PLC的扫描运行方式
2.2机械手的工作原理
机械手的任务是将一工件从A位置搬运到B位置,机械手的动作由电磁液压缸完成。
该电磁液压缸的特点是当某个线圈一旦通电，就发生相对应的动作，直到线圈断电时，动作结束。
机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。
电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。
压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。
手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。
手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。
这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。
机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路组成。
这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。
3.机械手操作的PLC控制系统的流程分析
机械手的系统图（图3.1所示）、传送示意图（图3.2所示）及控制面板（图3.3所示）.
图3.1系统图
图3.2传送示意图图3.3控制面板
分析工艺过程：
机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将：
向右——向下——抓紧——向上——向左——向下——放松——向上八个动作，完成一个工作周期返回原点。
机械手的下降、上升、右移、左移、抓紧、放松等动作转换，是由相应的6个行程开关来控制的。
为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。
为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号
为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单周期和连续工作方式。
1）手动工作方式：
利用按钮对机械手每一步动作进行控制。
例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。
设置了6个手工操作按钮，允许手工操作机械手的各种动作，而且行程开关可以在手工操作到位时停止机械手的动作。
2）单周期工作方式：
按下启动按钮，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。
3）连续工作方式：
按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，否则运行一个周期就停止。
4）停止：
按下停止按钮，机械手可以在任何一个步时停止步的执行，返回到第0步。
4.接线和接口的定义
4.1确定输入/输出点数并选择PLC型号
1）输入信号
位置检测信号：
下限、上限、右限、左限、抓紧和放松共6个行程开关，需要6个输入端子。
“无工件检测”信号：
用光电开关作检测元件，需要1个端子。
“工作方式”选择开关：
有手动、单周期和连续3种工作方式，需要3个输入端子。
手动操作：
需要有下降、上升、右移、左移、抓紧和放松6个按钮，也需要6个输入端子。
自动工作：
尚需启动、停止2个按钮，需要2个输入端子。
以上共需要18个输入信号。
2）输出信号
PLC的输出用于控制机械手的下降、上升、右移、左移、抓紧和放松等，共需要5个输出点。
机械手从原点开始工作，需要一个原点指示灯，也需要1个输出点。
所以，至少需要6个输出点。
由于机械手的控制属于开关量控制，在功能上未提出特殊要求。
因此任何型号的小型PLC均可满足要求。
综合上面分析，在I/O口方面，需18个输入点；6个输出点，可选用FX2N-32MR型的PLC，这种PLC有16个输入点，16个输出点，可满足本例控制要求，不足之处是输入点没有裕量。
考虑工艺流程及控制要求变动对输入点的需要，同时考虑15%的余量，可选FX2N-48MR型PLC，但设备成本大大增加。
4.2输入/输出口的定义
表4-1为输入和输出口的定义表：
输入X
输出Y
接线
定义
接线
定义
X0
SB1启动
Y0
KM1电磁阀右行
X1
SQ1右限行程
Y1
KM2电磁阀下降
X2
SQ2下限行程
Y2
KM3电磁阀抓紧
X3
SQ3抓紧行程
Y3
KM4电磁阀上升
X4
SQ4上限行程
Y4
KM5电磁阀左行
X5
SQ5左限行程
Y5
HL原点指示
X6
SQ6放松行程
X7
SB2停止
X8
SB3手动操作
X9
SB4单周期操作
X10
SB5连续操作
X11
SB6单步右移
X12
SB7单步下降
X13
SB8单步抓紧
X14
SB9单步上升
X15
SB10单步左移
X16
SB11单步放松
X17
SQ7工件检测
表1机械手传送系统输入和输出口定义表
4.3分配PLC的输入/输出端子
PLC的输入输出端子分配接线图，如图4-1所示。
图自己画
图4-1输入/输出分配接线图
5.PLC控制系统程序设计
5.1根据控制要求设计系统状态转移图
5.1.1回原点操作的状态转移图
回原点操作的状态转移图如图5-1所示。
按下停止按钮SB2，通过状态器S10~S12作机械手的回零操作，在最后状态中在自我复位前将特殊辅助继电器M8043置1，表示机械手返回原点。
（图5-1）图自己画
5.1.2自动操作的状态转移图
自动运行的状态转移图如图5-2所示。
由于功能指令性FNC60（IST）的支持，当工作方式选择开关SA2扳到“单周期”、“连续”方式时，该程序能使机械手实现所需的工作运行。
（图5-2）图自己画
5.1.3手动操作的状态转移图
（图5-3）图自己画
5.2设计PLC控制程序（梯形图）
5.2.1操作系统程序
操作系统程序包括回原点操作，手动单步操作和自动连续操作程序。
梯形图如图5-4所示。
工作原理：
按下停止按钮，X7接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。
把旋钮置于手动，则X8接通，执行手动程序。
如果旋钮置于单周期或连续位置，则执行自动程序。
（图5-4）图自己画
5.2.2初始化电路程序
初始化程序如图5-5所示。
由特殊辅助继电器M8044检测机械手是否在原点，M8044由原点的各传感器驱动，它的ON状态作为自动方式时允许状态转移的条件；另由特殊辅助继电器M8000驱动指令FNC60（IST），设定初始状态。
（图5-5）图自己画
5.2.3回原点程序
根据图5-1所示的回原点操作的状态转移图，可绘出如图5-6所示的步进梯形图。
（图5-6）图自己画
5.2.4手动操作程序
手动操作程序如图5-7所示。
当工作方式选择开关扳到“手动”位，运动选择按钮所需运动方式被按下，如按下单步右移按钮SB
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