基于plc的机械手控制系统设计word文档良心出品文档格式.docx

1、该系统利用西门子PLC，在步进电机驱动下，完成对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对非正常情况实行自动报警和自动保护，实现企业的机电一体化，提高企业的生产效率。1机械手概述1.1机械手简介机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。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。机械手是工厂企业高度自动化的标志，它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动，尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不适宜人工工作的环境

2、中，机械手起到了不可取代的作用。1.2机械手组成机械手主要由手部、驱动系统、控制系统组成。结构如图1-1所示：图1-1机械手结构图Fig. 1-1 Manipulator structure（1）手部即与物件接触的部件。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。（2）驱动系统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

3、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23个自由度。1.3机械手的应用随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。在机械工业中，铸、锻、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例。其它部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。机械工业中，应用机械手的主要目的是： 一、可以提高生产过程的自动化程度 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程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 二、可以改善劳动条件、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

4、有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作时有危险或根本不可能。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，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 三、可以减少人力，并便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，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地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏进行生产。 由此可见，有效地应用机械手，是发展工业的必然趋势。2 PLC的简介2.1

5、 PLC的产生1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时，原系统变更要少;用户程序存储容量可扩展到4K 。核心思想：用程序代替硬接线，输入/输出电平可与外部装置直接相联，结构易于扩展 ，这是PLC的雏形。1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功 。2.2 PLC的定义和特点2.2.1 PLC的定义美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义：可编程控制

6、器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器，主要用于开关量逻辑控制，所以称为可编程逻辑控制器，简称PLC，后来随着计算机技术不断发展，其功能已不仅限于开关逻辑控制，所以被称之为可编程控制器PC，但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此，一般把PLC作为可编程控制器的简称。2.2.2 PLC的特点可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点：（1）可靠性高，

7、抗干扰能力强 用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工作环境，远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。（2）编程简单，易于掌握 PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。（3）功能完善，灵活方便 随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。既可以单机使用、也可联网运行，既可集中控制、也可分布控制或

8、者集散控制。而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。（4）体积小、质量轻、功耗低 由于采用了单片机等集成芯片，体积小、质量轻、机构紧凑、功耗低。2.3可编程控制器的主要性能指标 可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项指标。（1）输入/输出点数（I/O） I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。（2）存储容量 存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储容量。（3）扫描速度 一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms/千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us/步。（4）功能扩展能力 可编程控制

9、器除了主模板块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。（5）指令系统 指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。2.4可编程控制器的分类通常PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。（1）按结构形式分类 按结构形式不同，可分为整体式和模块式两类。整体式的PLC是将电源、CPU、存储器、输入/输出单元等各个功能部件集成在一个机壳内，从而具有结构经凑、体积小、价格低等优点，许多小型PLC多采用这种机构。模块式的PLC将各个功能部件做成独立模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块等，然后进行组合

10、。（2）按控制规模分类 按控制规模大小，可分为小型、中型和大型PLC三种类型。1）小型PLC。 小型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量在2KB以内，其中输入输出点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。2）中型PLC。 中型PLC的开关量I/O点数通常在256-2048点之间，用户程序存储器的容量为2-8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节，如比例、积分、微分（PID）调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。3）大型PLC。 大型PLC也称为高档PLC，I/

11、O点数在2048点以上，用户程序存储容量在8KB以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。2.5 PLC系统的组成PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其结构与微型计算机控制系统相似，也是有硬件系统和软件系统两大部分组成。2.5.1 PLC的硬件结构一套PLC系统在硬件上由以下几部分组成：（1）中央处理器（CPU） 与计算机一样，是PLC的核心部件。（2）存储器 PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。（3）输

12、入/输出（I/O）接口电路。（4）电源。（5）扩展单元。（6）外部设备。其中，各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。其结构简图如下：图2-1 PLC硬件结构图Fig. 2-1 PLC hardware structure2.5.2 PLC的软件PLC的软件是指PLC所使用的各种程序的集合。它由系统程序（系统软件）和用户程序（用户软件）组成。（1）系统程序 系统程序包括监控程序，输入译码程序及诊断程序等。（2）用户程序 用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。2.6可编程控制器的工作方式可编程控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方

13、式工作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的循序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。图2-2 PLC工作方式图Fig. 2-2 PLC work way figure可编程控制器工作的扫描过程包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间成为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。2.7 PLC的编程语言PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言用的较多，流程图语言也在许多场合被采用。1.梯形图语言（1）梯形图从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。（2）图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止母线可以省略。（3）梯形图中的触点有两种，即动合触点和动断触点。（4）梯形图的最右端必须连接输出元素。（5）梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。2.助记符语言助记符语言是PLC命令的语言表达式。用梯形图编程虽然直观、简便，但要求PLC配置较大的显示器时可输入图形符号，这在有些小型机上常难以满