PLC工业机械手步进控制.docx
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PLC工业机械手步进控制
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
学号200925030230
中州大学
毕业设计（论文）
题目工业机械手步进控制
学院工程技术学院
专业09级电气普招二班
学生姓名苑永波
指导教师甄敬然职称教师
时间2012年4月18日星期三
中州大学工程技术学院毕业设计（论文）任务书
专业2009级电气普招二班______指导老师甄敬然
学号__200925030230________学生__苑永波___________
毕业设计（论文）题目
工业机械手步进控制
毕业设计（论文）工作内容与基本要求（目标、任务、途径、方法、成果形式，应掌握的原始资料（数据）、参考资料（文献）以及设计技术要求、注意事项等）（纸张不够可加页）
控制要求:
机械手的任务是将输送带A上的物品搬至输送带B，其中的上升、下降、左移、右移、抓、放动作用PLC来完成。
1..按下起动按钮，手臂上升。
2.上升到位后，手臂左旋。
3.左旋到位后，手臂下降。
4.下降到位后，传送带A起动。
5.有物体检测信号后，手臂抓物体。
6.抓紧后，手臂上升。
7.上升到位后，手臂右旋。
8.右旋到位后，手臂下降。
9.下降到位后，手臂释放物体。
10.完成一个循环，以此重复工作。
12.各种动作均可手动。
13.机械手既能连续控制又能单步控制（即按一下单步控制，机械手完成一步操作后暂停，再按一下单步按钮，机械手又完成一步操作）。
设计要求：
采用PLC作为控制器；采用梯形图语言编程。
1.设计制作PLC控制程序。
2.完成系统组态或硬件配置；
3.正确合理的进行编程元件的通道分配；
4.画出输入/输出接线图及相关的图纸；
5.编制系统的操作说明；
6.编制系统的调试说明及注意事项；
注意：
梯形图和程序的可读性应较好。
本设计题目在掌握PLC基础上完成，设计所需资料可参考厂商说明，通过查阅国内外资料及相关论文、著作最终完成课题。
指导老师：
日期：
2011年11月
专业（教研室）审批意见：
审批人签名：
日期：
年月
目录
中文摘要1
Abstract2
1引言2
2企业文化的内涵3
2.1文化和企业的定义3
2.1.1企业组织的法律形态3
2.1.2企业组织的管理形态4
2.2企业文化4
2.3认识企业文化5
2.4企业文化的功能6
3企业文化对组织创新的影响7
3.1组织创新的内容7
3.2企业文化对组织创新的影响7
3.2.1影响组织结构创新7
3.2.2影响组织流程创新8
3.2.3组织制度创新8
4结语9
参考文献9
致谢10
摘要
机械手臂也称为工业机器人，优点有：
不知疲倦、力量大、不怕危险、动作精确等。
随着科学技术的的发展机械臂功能越来越强大、智能越来越高。
广泛应用于汽车生产流水线、电路贴片线。
所以，工业技术的发展程度，在一方面，是靠机械手臂先进程度体现的。
最近也大显身手，如：
2011年日本核电站爆炸就是派的机器人去到高辐射中心工作;美国航天飞机依靠机械臂在指定轨道放置卫星；美国的火星探测器也相继发射升空。
机械臂涉及到动力学、控制学、传感器技术等，是一门跨学科实用性强的技术。
控制器件有：
plc、51单片机、arm单片机，还有最新发展流行的fpga/cpld等。
机械手臂可以大致分为三种。
第一种，无自主智能靠人手控制，如海洋打捞、金字塔探索：
第二种为工业机器人，如汽车生产流水线机器人。
第三种有很高的自主智能，依靠先进的算法（遗传算法）或者先进控制结构（如神经网络），向高级生物智能逼近，如美国的火星探测器，日本的asimo仿人机器人。
纵览全球的技术发展，我国距世界的的先进水平有很大的距离，也要求我国对现今的教育科技要有很大的改革，同时历史赋予我们这一代的历史重任更加的艰巨。
本设计属于第二类及工业用机器人（机械臂）。
使用最基本的plc作为控制模块，其中还使用了传感器、电机等电气设备。
关键词：
PLC；机械手；自动化；控制
Abstract
Mechanicalarmisalsoknownasindustrialrobots,advantagesare:
tireless,powerful,andnotafraidofdanger,preciseaction.Scienceandtechnologyinthedevelopmentofroboticarmmorepowerful,intelligent.Widelyusedinautomotiveproductionlines,thecircuitchipline.Therefore,thedegreeofdevelopmentofindustrialtechnology,ontheonehand,relyontheadvancedmechanicalarmembodied.Recentlytoshowtheirtalents,suchas:
the2011nuclearpowerplantexplosioninJapanistosendarobottogotothecenterofthehighradiation;U.S.spaceshuttlereliesontherobotarmplacedinthespecifiedorbitsatellite;theU.S.Marsprobelaunchedinsuccession.Manipulatorrelatedtothedynamics,control,sensortechnology,isaninterdisciplinarypracticaltechnology.Controldevices:
plc,51microcontrollerarmmicrocontroller,thereisthelatestdevelopmentofthepopularfpga/cpldtoandsoon.Themechanicalarmcanbebroadlydividedintothreetypes.Firstautonomousintelligencerelyonmanualcontrol,suchasmarinesalvage,pyramidstoexplore:
thesecondindustrialrobots,suchasautomotiveproductionlinerobots.Thirdhavehighself-intelligence,relyonadvancedalgorithms（geneticalgorithm）oradvancedcontrolstructures（suchasneuralnetworks）,theapproximationtothehigh-levelbiologicalintelligence,suchastheU.S.Marsprobe,Japan'sasimoimitationrobot.Overviewofglobaltechnologydevelopment,ourcountryagreatdistanceawayfromtheworld'sadvancedlevel,alsocalledChina'smoderneducation,scienceandtechnologyhavealotofreform,whilehistoryhasgiventhehistorictaskofourgenerationismorearduous.Thisdesignbelongstothesecondclassandindustrialrobots（roboticarm）.Usethemostbasicofplccontrolmodule,whichalsousesthesensors,motorsandotherelectricalequipment.
KeyWords:
PLC;manipulator;automation;control
引言
机械手臂所用到的控制器件可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。
是在继电器顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。
主要的生产厂家有：
欧姆龙、西门子等。
随着电子技术的发展，PLC的储存空间越来越大、功能越来越强，管脚也越来越多。
更多的具有了计算机的功能，所以又简称为PC。
现在PLC被广泛用工业生产控制中，为社会的进步与发展做出了主要的贡献。
本设计通过机械臂的制作与具体应用，让我能更好的熟悉PLC，为今后的工作学习打下良好基础。
能够更容易的融入到工作当中。
一PLC介绍
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的储存器，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。
1.1PLC发展历史
20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：
a。
它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单成本低。
b。
它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。
但编程要比计算机简单易学、操作方便。
c。
系统通用性强。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台PLC，并在GM公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。
其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC。
其定义：
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。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
1.2基本结构PLC
可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。
输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。
PLC的基本结构如下图所示：
1.2.1中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制核心。
它按照PLC系统程序赋予的功能：
a.接收并存储从用户程序和数据；b.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。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象寄存区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算并将结果送入I/O映象寄存区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
1.2.2存储器
可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。
PLC常用的存储器类型：
（1）RAM（RandomAssessMemory）这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。
（2）EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种可擦除的只读存储器。
在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。
（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。
（3）EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种电可擦除的只读存储器。
使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
PLC存储空间的分配：
虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
（1）系统程序存储区
（2）系统RAM存储区（包括I/O映象寄存区和系统软设备等）。
（3）用户程序存储区
系统程序存储区：
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。
包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。
由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC的性能。
系统RAM存储区：
系统RAM存储区包括I/O映象寄存区以及各类软元件，如：
逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。
（1）I/O映象寄存区：
由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。
因此，它需要一定数量的存储单元（RAM）以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象寄存区。
一个开关量I/O占用存储单元中的一个位，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字。
因此整个I/O映象寄存区可看作两个部分组成：
开关量I/O映象寄存区；模拟量I/O映象寄存区。
（2）系统软元件存储区：
除了I/O映象寄存区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软元件（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。
该存储区又分为具有失电保持的存储区域和失电不保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者当PLC断电时，数据被清零。
（3）用户程序存储区：
用户程序存储区存放用户编制的用户程序。
不同类型的PLC，其存储容量各不相同。
1.2.3输入接口电路
输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电路。
可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。
这也是其I/O设计的优点之处，经过了电气隔离后，信号才送入CPU执行的,防止现场的强电干扰进入。
如下图就是采用光电耦合器（一般采用反光二极管和光电三极管组成）的开关量输入接口电路：
图1
1.2.4输出接口电路
可编程序控制器的输出有：
继电器输出（M）、晶体管输出（T）、晶闸管输出（SSR）三种输出形式。
（1）输出接口电路的隔离方式
图2
（2）输出接口电路的主要技术参数
a.响应时间响应时间是指PLC从ON状态转变成OFF状态或从OFF状态转变成ON状态所需要的时间。
继电器输出型响应时间平均约为10ms；晶闸管输出型响应时间为1ms以下；晶体管输出型在0.2ms以下为最快。
b.输出电流继电器输出型具有较大的输出电流，AC250V以下的电路电压可驱动纯电阻负载2A/1点、感性负载80VA以下（AC100V或AC200V）及灯负载100W以下（AC100V或200V）的负载；Y0、Y1以外每输出1点的输出电流是0.5A，但是由于温度上升的原因，每输出4合计为0.8A的电流，输出晶体管的ON电压约为1.5V，因此驱动半导体元件时，请注意元件的输入电压特性。
Y0、Y1每输出1点的输出电流是0.3A，但是对Y0、Y1使用定位指令时需要高速响应，因此使用10—100mA的输出电流；晶闸管输出电流也比较小，FX1S无晶闸管输出型。
c.开路漏电流开路漏电流是指输出处于OFF状态时，输出回路中的电流。
继电器输出型输出接点OFF是无漏电流；晶体管输出型漏电流在0.1mA以下；晶闸管较大漏电流，主要由内部RC电路引起，需在设计系统时注意。
输出公共端（COM）公共端与输出各组之间形成回路，从而驱动负载。
FX1S有1点或4点一个公共端输出型，因此各公共端单元可以驱动不同电源电压系统的负载。
1.2.5电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
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。
如FX1S额定电压AC100V—240V，而电压允许范围在AC85V—264V之间。
允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。
一般小型PLC的电源输出分为两部分：
一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。
因此PLC对电源的基本要求：
①能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰；
②电源发生故障不会导致其它部分产生故障；
③允许较宽的电压范围；
④电源本身的功耗低，发热量小；
⑤内部电源与外部电源完全隔离；
⑥有较强的自保护功能。
1.3PLC的工作原理
由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。
PLC则是采用循环扫描的工作方式。
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。
扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：
一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。
一个扫描周期主要可分为3个阶段。
1.3.1输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。
在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。
1.3.2程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。
1.3.3输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。
由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。
实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。
综上述，PLC的扫描工作过程如图1—4所示。
图3
显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。
扫描周期越长，响应速度越慢。
由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。
但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。
这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。
但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。
总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意
二设计的目的及主要内容
1.1设计的目的
1、培养plc设计能力及动手能力。
2、拓展知识结构、学以致用。
3、提高综合技能培养综合素质。
4、通过本次设计进一步加强对plc的认识和运用。
1.2主要内容
1、理解机械臂的控制过程及功能。
2、选择合理的PLC型号。
3、分配I/O端子。
4、设计梯形图。
5、写出指令程序。
三机械臂的控制过程及要求
机械手的任务是将输送带A上的物品搬至输送带B，其中的上升、下降、左移、右移、抓、放动作用PLC来完成。
1..按下起动按钮，手臂上升。
2.上升到位后，手臂左旋。
3.左旋到位后，手臂下降。
4.下降到位后，传送带A起动。
5.有物体检测信号后，手臂抓物体。
6.抓紧后，手臂上升。
7.上升到位后，手臂右旋。
8.右旋到位后，手臂下降。
9.下降到位后，手臂释放物体。
10.完成一个循环，以此重复工作。
11.按下停车按钮，停在初始状态。
12.遇有紧急情况，可紧急停车。
13.各种动作均可手动。
14.机械手既能连续控制又能单步控制（即按一下单步控制，机械手完成一步操作后暂停，再按一下单步按钮，机械手又完成一步操作）。
三PLC及机械手的选择和论证
3.1PLC的选型
由于此设计的输入输出端口较少综合考虑，使用欧姆龙的CPM1A型号PLC,此型号介绍如下：
图4-编程器与PLC连接
3.1.1、CPM1A的继电器区及数据区由以下几部分组成：
内部继电器区IR
特殊辅助继电器区SR
暂存继电器区TR
保持继电器区HR
辅助记忆继电器区AR
链接继电器区LR
定时器/计数器区TIM/CNT
数据存储区DM
3.1.2、CPM1A的通道
CPM1A的通道用3位数字表示，称为通道号。
一个通道内有16位（字）。
在指明一个位时用5位数字，称为继电器号
前3位数字为该位所在通道的通道号，后2位数字为该位在通道中的序号。
一个通道中16个位的序号为0～15，因此位号中的后2位数字为00～15
如：
20004为200通道中的04位。
3.1.3、内部继电器区（IR）
IR区分为两部分：
一部分供输入/输出点用，称为输入输出继电器区；
另一部分供PLC内部程序使用，称为内部辅助继电器区。
输入继电器区有10个通道000～009：
000、001通道用于CPU单元输入通道
002～009通道用于扩展IO单元的输入通道
输出继电器区有10个通道010～019：
010、011通道用于CPU单元输出通道
012
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