毕业设计基于PLC的机械手自动化控制系统实现方法研究.doc

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：基于plc的机械手自动化控制系统实现方法研究 -工作台上工件搬移机械手学 院：机械工程学院专 业：机械设计制造及其自动化摘 要随着可编程控制器应用技术的不断发展，plc的应用范围日益扩大，使得当今工程技术人员在设计电气控制系统时，考虑选用plc控制取代接触器控制。本文重点分析了基于plc的机械手控制系统的组成，并详细叙述了在以plc为核心的基础上，对步进电动机进行综合控制的软、硬件的实现方法。该系统利用步进电动机单位脉冲所具有的步进距离不变的特点，对其采用开环点位控制。因此可将整个运动视为折线运动，每一个动作可视为运动程序相同、特征参数各异的点位相对运动。其以起点作为参考点，通过脉冲计数得到目的点的位置，手动操作机械手从参考点运动到目的点后，保存目的点位的特征参数，并统一进行列表管理。从而实现手动模式下运用关键点位输入及自动模式查表方式的“仿形”动作。关键字：可编程控制器，机械手，定位控制abstractwith the programmable logic controller the continuous development of applied technology, plc on the application of growing, making todays engineering and technical personnel in the design of electrical control system, consider replacing optional plc control access control. the paper analyzed the plc-based control system manipulator the composition, and described in detail in the plc as the core on the basis of the stepping motor control of the integrated software and hardware of the method. the system used by the stepping motor unit pulse of step with the characteristics of the same distance from their point of using open-loop control. so the whole movement could be seen as broken line movement, every action can be considered the same as sports, characteristics of different parameters of the point of relative movement. to its starting point as a reference point, through the pulse by counting purposes at the location, manually operated mechanical hand movement from the point of reference points to the purpose, the purpose of preserving points of the parameters, and a unified list management. to achieve manual mode use of the key points of import and automatic mode look-up table means copying moves.keyword: programmable logic controller, manipulator, positioning control目 录第1章前 言11.1研究的目的和意义11.1.1传统机械手11.1.2现代机械手11.2研究的国内外现状和发展趋势：21.2.1国内外现状21.2.2发展趋势31.3主要研究内容，需要解决的关键问题和思路31.3.1概要31.3.2硬件选择31.3.3控制要求41.3.4输入/输出设备41.3.5plc选择41.3.6i/o点数分配41.3.7plc程序设计41.3.8研究对象特点4第2章硬件设计52.1机械手夹持结构52.1.1夹紧机构手爪52.1.2结构52.2机械手躯干62.2.1组成62.2.2传动定位机构62.3传动系统82.3.1传动方式82.3.2步进电机及其驱动器82.4辅助系统162.4.1原点定位及超程保护162.4.2操作台16第3章软件设计183.1工作流程图183.2plc选择及i/o口分配183.2.1plc控制系统设计的基本原则183.2.2plc控制系统设计步骤193.2.3cpu的速度193.2.4plc模块的选择203.2.5plc品牌选择203.2.6plc系列选择213.2.7输出方式233.2.8i/o点数243.2.9i/o口分配原则243.2.10i/o口分配论证253.3程序设计303.3.1存储区域分配303.3.2程序指令323.3.3初始化及报警程序413.3.4回原点程序433.3.5手动程序453.3.6自动程序49第4章后 记534.1研究价值534.2特色534.3续改进方向53参考文献54致 谢55附 录56文献综述57 第 60 页第1章 前 言1.1 研究的目的和意义1.1.1 传统机械手伴随着工业自动化发展的脚步，机械手凭借其定位精度高、工作性能稳定、结构灵活多样、可精确复现等特点，被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域。它的运用标志着制造业向自动化、无人化、节拍化、智能化的迈进。就传统继电控制的机械手而言，因其控制装置落后、接线复杂、易受干扰、可靠性差、维修困难等劣势，逐步退出了历史舞台。1.1.2 现代机械手可编程控制器因其诸多特点被广泛应用于现代机械手控制系统中。可编程控制器简称plc（programmable logic controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，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和生产过程。其特点特点如下：1） 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc由于采用现代大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的f系列plc平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余cpu的plc的平均无故障工作时间则更长。就plc的机外电路来说，使用plc构成控制系统和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，plc带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除plc以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。 2） 配套齐全，功能完善，适用性强plc发展至今，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代plc大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来plc的功能单元大量涌现，使plc渗透到了位置控制、温度控制、cnc等各种工业控制中。加之plc通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用plc组成各种控制系统变得非常容易。 3） 易学易用，深受工程技术人员欢迎 plc作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用plc的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4） 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5） 体积小，重量轻，能耗低 以超小型plc为例，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。配套齐全，功能完善，适用性强。1.2 研究的国内外现状和发展趋势1.2.1 国内外现状1） 应用广泛性。机械手作为一种按人类意识进行简单替代人手操作的工具，被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域，从事目标搬移（如：搬移机械手、选择夹持机械手、运输机械手、挖掘机等）、精确定位（医疗机械手辅助手术、电子元器件机插设备、打印设备、数控加工中心等）、模拟（残疾人假肢）等工作。2） 结构多样性。机械手因其模拟人类手部的工作模式而命名，并非其形状像手。在应用的各领域、各工作层面中，机械手的形状各异，不受到任何标准形状的制约，实用、抽象的结构体，发挥着其独有的高效作用。3） 智能性。借助传感器反馈系统，将机械手工作时的动态信息，及时的反馈回中央处理单元，进行动作的实时控制。即使被操作目标的表面形状和位置存在差异，机械手都能借助检测反馈信息，自动的判断夹持位置（定位位置），智能的把目标送入下一工作环节。生产车间中，运用该机械手，可实现无人化生产，构建无人车间。1.2.2 发展趋势1） 各种多用途机械手。适用于抓取各种物件，适合于各种不同用途，具有各种新功能。如汽车工业中的上下料、装配、喷涂以及各种功能的实现。2） 具有熟练技术工人的机能。如开发双臂多关节机械手，像熟练技术工人那样进行各种装配、检修、焊接、喷涂等工作，能搬运液晶玻璃、半导体器件，并能和计算机连接，通过仿真软件进行各种熟练技术工人的工作。完美的人机界面，完备的通信功能更好适应各种工业的控制场合。3） 实现智能化，能进行多品种少数量的柔性生产，组成各种形式的制造系统。开发各种带视觉、听觉、触觉的新型传感器，能够分析、判断、遥控的智能化机器手，为未来低成本、高精度、高效率、高自动化的制造系统做准备。4） 提高机器手工作定位精度。通过安装视觉传感器，实时控制系统等措施，使机械手运动环节能实现实时位置反馈，提高机械手工作定位精度。1.3 主要研究内容，需要解决的关键问题和思路1.3.1 概要任务：实现机械手在两个工作台间代替工人进行单调持久地搬移工作。环境：高温和危险的作业区，可变换生产品种的中、小批量柔性自动化生产线。要求：plc控制，预置工作程序，动作灵活，可根据工件的变化随时更改相关控制参数。1.3.2 硬件选择1） 动力源步进电机及其相应驱动设备。机械手夹持部位采用电磁控制。各元件应结合现场工作环境进行校核设计，本文中所选设备仅作示范性选择，未进行校核，不适用于具体设备制造，不代表最终机械手硬件。2） 传动机构机械手臂采用滚珠丝杠螺母传动。3） 减速机构本文不设计减速机构，在实际生产中若动力不足，可另行增加。同时为保证机械手的有足够的定位精度，应保证减速器具有满足使用要求的传动精度。4） 超程保护设备运行过程中未能豁免发生控制程序或电路故障，造成在极限位置仍继续发出前行信号，烧毁步进电机或其驱动设备。结构中在极限位置采用行程开关进行超程保护，各极限位置保留了一定工作区域，不作为工作行程。5） 操作台布置尽力人性化处理，显示实时工作状态及故障报警。1.3.3 控制要求1） 定位精确性步进电机和步进电机驱动器作为动力驱动设备，采用开环点位控制，满足定位要求。2） 路径无干扰性无干涉，无安全隐患。可以设定中间点位避让绕行。3） 故障报警系统具有故障位指示功能。1.3.4 输入/输出设备输入：指令按钮、旋钮、急停按钮、报警及指示装置。输出：指示灯、二极管、步进电机及其驱动设备、电磁机械手。1.3.5 plc选择保证设计所需的指令、i/o点数、电压及输出方式的要求，选择质优、价廉、广泛应用的产品以降低总设计成本。1.3.6 i/o点数分配合理选用满足设备要求点数的plc，减少不必要的浪费。优先分配特殊i/o点，注意相关指定输入输出端，归类分布。1.3.7 plc程序设计1） 移植性制定参数存储区域，存储点位控制机械手的关键点位置，仅一次手动操作，即能完成自动程序的点位编程，降低对操作者的专业要求，实现远程、高柔性工件搬移。2） 继承性精炼的程序段，注明详细程序说明，对后期的维护和二次开发提供基础。1.3.8 研究对象特点本设计的应用研究，贴近企业生产，具有很强的可行性、实用性和经济性。该设备可以应用于中、小批量生产柔性制造自动化生产线，实现工件在两工作台间的搬移，大大的减轻工人的劳动强度、减少人力资源的浪费，节省生产成本，提高生产效率，减少因为人工疏忽造成的安全事故。远程控制，对于恒温环境、不适合人直接接触工作的危险环境（如：高温、放射、剧毒、无氧、高空等恶劣环境）下较普通机械手（如：行程开关定位顺序控制）有明显的优势。第2章 硬件设计2.1 机械手夹持结构2.1.1 夹紧机构手爪机械手手爪是用来抓取工件的部件。其构造模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得较多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作。手爪抓取工件时应具有迅速性、灵活性、准确性和可靠性。设计过程中应根据需要对机械手的运行速度、加速度、夹持物体重量、惯性和冲击力、开口尺寸进行校核，且能够自锁，防止断电或设备故障造成被抓物掉落。2.1.2 结构假定被夹持工件为有凹槽回转体，且自重不超过机械手允许安全负载，作以下结构设计此方案未进行具体参数校核，结构仅适用于部分工作环境。图2.1 机械手手爪示意图1.手爪 2.转轴 3.压缩弹簧 4.电磁铁心5.电磁线圈 6.螺母 7.机械手手爪壳体 8.定位销 9.限位螺钉 10.橡胶防滑垫工作理论：杠杆原理、胡克定律及安培定律。工作方式：机械手的夹紧与放松由电磁线圈控制。若线圈得电，手臂端产生磁力矩，当磁力矩大于弹簧被压缩所产生的力矩时，手臂吸合，手爪张开；若线圈失电，手臂端无磁力矩，机械手手爪将在弹簧预压缩力所产生的力矩作用下，保持夹紧状态，实现自锁功能，避免因偶然断电导致被抓物掉落。特点：最小夹持半径可调，设定夹持点半径，可减小夹紧力对夹持物表面的破坏。由于夹紧的为钢性工件，为了提高安全性能，防止损坏工件，我们可以在夹紧部分加上一层橡胶，这样可以通过增大工件和手指之间的摩擦系数来增加安全性通过橡胶的弹性变形来缓冲对工件的冲击，可以减轻乃至消除对工件的损坏。2.2 机械手躯干2.2.1 组成机械手躯干包括立柱、机座、手臂及手腕四部分。立柱是支撑手臂带动它升降、摆动和移动的机构，立柱与机座相联可固定在地面上、机床设备上、或者悬挂在横梁上，可固定在行走机座上。本设计中机座为落地固定式机座。机座是支撑机械手全部重量的构建，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作方便和造型美观。手臂是机械手的主要部分，它支持手腕、手指和工件使他们运动的机构。手臂应承载能力大、刚性好、自重轻、灵活、位置精度高、通用性强等特点。主要结构有伸缩式和关节式，本文优选伸缩式。2.2.2 传动定位机构1） 手臂直线运动的结构手臂直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置组成。文中选用步进电机作为动力，故选用丝杠螺母机构或齿轮齿条机构。现就两者作以下分析：l 丝杠螺母机构：位移较准确、降速比大，运平稳、无噪音、易自锁，但高精度的丝杠制造比较困难，传动效率低。矩形、梯形螺纹结构，因传动力大，应用广泛。滚珠丝杆效率高，但成本高。l 齿轮齿条机构：传动效率高，速度快、无自锁。一般用于机械手的传动机构，不作为定位机构。为满足自锁要求，优先选用丝杠螺母机构。2） 手臂回转机构由于采用步进电机作为驱动元件，回转机构相对简单，成本相对较低。可直接采用齿轮减速以实现回转。图2.2 机械手机构图1.基座 2.卡环 3.轴承 4.步进电机 5.圆柱主动齿轮 6.圆柱从动齿轮 7.摇臂 8.联轴器 9.螺母 10.导向轴 11.丝杠滑块 12.丝杠轴 13.轴承 14.机械手2.3 传动系统2.3.1 传动方式电气传动使利用电动机直接驱动执行机构，以获得机械手的各种运动。采用步进电机驱动，机械手的位移和运动速度，可由电控系统发出脉冲信号数量及脉冲信号频率来控制。步进电机能够达到比较高的重复定位精度。2.3.2 步进电机及其驱动器步进电动机(stepping motor)是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机 ，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。步进电动机分为机电式及磁电式两种基本类型。机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产生磁力，推动其铁心心子运动，通过齿轮机构使输出轴转动一角度，通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置；线圈再通电，转轴又转动一角度，依次进行步进运动。磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。永磁式步进电动机由四相绕组组成。a相绕组通电时，转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向;a相断电、b相绕组通电时，就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大。缺点是起动频率和运行频率较低。反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。这种步进电动机步矩角可做到115，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低。永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合，并兼有两者的优点。步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩大的电机，负载力矩大。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到设备所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和设备要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足快速移动的需要。选择步进电机需要进行以下计算：1） 计算齿轮的减速比，根据所要求脉冲当量，齿轮减速比计算如下： （式2.1）式中: -步进电机的步距角（o/脉冲） s-丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲）2） 计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量。 （式2.2）式中： -折算至电机轴上的惯量()、-齿轮惯量()-丝杆惯量()w-工作台重量（n）s-丝杆螺距（cm）3） 计算电机输出的总力矩m （式2.3） （式2.4） 式中： -电机启动加速力矩（)、-电机自身惯量与负载惯量()n-电机所需达到的转速（r/min）t-电机升速时间（s） （式2.5）式中： -导轨摩擦折算至电机的转矩（)u-摩擦系数-传递效率 （式2.6）式中： -切削力折算至电机力矩（)-最大切削力（n）4） 负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为： （式2.7）式中： -带载起动频率（hz）-空载起动频率（hz）-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（)5） 若负载参数无法精确确定，则可按进行估算。运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。6） 负载力矩和最大静力矩。负载力矩可按（式2.5）和（式2.6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于与之和，并留有余量。一般来说，与之和应小于（0.20.4) .步进电机和交流伺服电机是运动控制系统中最常用的两种执行电动机。在电机选型过程中，必须首先计算出负载通过机械传动系统对电机轴的折算扭矩，下面就几中常见的机械传动方式介绍折算扭矩的计算过程。丝杠螺母传动： （） （式2.8） （n） （式2.9）l 42hs003两相混合式步进电机数据来源于北京张前苏电子科技有限公司地址：北京市海淀区清河永泰园13 楼309网站:/ 电话术指标：工作环境：-10c - +55c（温度） 绝缘电阻：500v dc 100mw min轴向间隙：0.1 - 0.3mm径向跳动：0.02mm max温升：75c max绝缘强度：b 图2.3 机械手步进电动机表2.1 42hs003步进电机电气技术数据电机型号相数步距角相电流驱动电压最大静转矩相电阻相电感重量配套驱动器17hs00121.81.7adc24v0.45nm3.33.7mh0.35kgst-2hb02x图2.4 步进电机安装尺寸（毫米）图2.5 步进电机接线图表2.2 步进电动机力矩测试力矩测试数据配套驱动器st-2hb02x 电流1.7a 电压 dc 28v 4细分转速(r/min)50100150250350450600转矩（nm）0.35l st-2hb02x驱动器数据来源于北京张前苏电子科技有限公司地址：北京市海淀区清河永泰园13 楼309网站:/ 电话t-2hb02x驱动器采用microschip芯片，采用新型的双极性恒相流驱动技术，实现最大64细分高性能驱动，适合驱动2a以下42系列，57系列两相混合式步进电机。广泛应用于各种数控机床，纺织机械，绕线机，喷绘机，疲劳试验机等用户希望低成本，低振动，高精度，高速度的场合。产品特点: 工作电压范围宽10v40v直流供电 h桥双极恒相流驱动 最大2a的八种输出电流可选 最大128细分的七种细分模式可选 输入信号光电隔离 提供节能的自动半电流锁定功能 无需控制器自检功能技术参数：型号 st-2hb02x相 数：二相工作电压：dc（10-40）v驱动电流：（0.1a-2.0a）dc 驱动方式：全桥双极性恒相流驱动 电流设置： 0.1a分度 图2.6 步进电机驱动器细分功能：（1. 2 . 4. 8. 16. 32. 64 ）细分适用电机：相电流不高于2a/相的两相，四相混合式步进电机冷却方式：散热器(安装在通风良好的场合)环境温度：050尺寸/重量：1307333mm/280g表2.3 步进电机驱动器接线端说明输入信号公共端cp+dir+ena+它是输入信号的公共端，接外部系统的vcc，如果外部系统的vcc是+5v则可直接连接，若不是，则应保证给内部光耦提供10-20ma的驱动电流。脉 冲cp-脉冲信号的输入端，工作时下降沿有效。共阳极时脉冲低电平的持续时间不应少于10s。本驱动器的信号响应频率为70khz，过高的输入频率将可能得不到正确响应。方 向dir-它是方向电平信号的输入端，控制电机的正/反转。共阳极时该端悬空被等效认为输入高电平。控制电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号至少10s建立,可避免驱动器对脉冲的错误响应。脱机使能ena-释放信号（低电平有效），当输入为低电平时，电机的激励电流被关断电机处于脱机自由状态,共阳极时高电平或悬空时，转子处于锁定状态。表2.4 步进电机功能设定功 能 设 定细分设置（开关位置8，9，10） 电流设置（开关位置1,2,3）注：开关拨位on=0 off=1细分设定相电流设定拨动开关8 9 10细分拨动开关1 2 3st-2hb02x0 0 0整步0 0 00.3a0 0 1半步0 0 10.6a0 1 040 1 00.9a0 1 180 1 11.2a1 0 0161 0 01.5a1 0 1321 0 11.8a1 1 0641 1 02.1a1 1 11 1 12.4a(禁止使用) 图2.6 步进驱动器安装尺寸2.4 辅助系统2.4.1 原点定位及超程保护为保证机械手重复定位精度，对机械手每工作循环提出返回原点校零位要求。在初始位置添置限位开关，当触及时发出已达原点指令，停止运动。同时锁定继续前行运动，能且只能反向运动，以实现因故障或暴力操作造成的超程保护功能。非原点端只作超程保护不作为定位。图2.8 传动丝杠示意图2.4.2 操作台操作面板以贴近人们日常工作习惯、符合人体工程学、方便工作人员直观操作、反应自动工作状态为原则，与后文i/o采用方案相匹配，进行设计，如图所示。该机械手工作方式有手动、单步、单周期、连续工作（自动）四种形式。具有原点、路径关键点，报警指示、工作状态指示等功能。下面就操作面板说明如下：设备原点：机械手的机械设备原点。任何停止状态，旋转选择旋钮到原点，启动回原点按钮，机械手回到原点。手动方式：各自的按钮使各个负载单独接通或断开。实现实时按操作者的指令进行动作。同时也负责起自动工作方式中每一工步的目的点的记录保存工作。单步：旋钮选择单步工作，按动一次启动按钮，前进一个工步。单周期：旋钮选择单周期工作，按动一次启动按钮，运行一个周期。连续工作（自动状态）：在用户原点，旋钮选择自动，按动启动按钮连续反复运行，途中按动停止按钮，运行到原点后停止。led指示灯：状态实时显示。电源和急停按钮与plc工作无关。该按钮使用来接通或断开plc外部负载的电源。 图2.9 操作面板示意图第3章 软件设计3.1 工作流程图图3.1 工作流程图本机械手采用点位控制，我们可将整个运动看作折线运动，每一步动作归纳为参数不同的点位之间动作。以起点作为参考点，通过脉动计数，得到目的点的位置。手动操作机械手从参考的到达目的点后，保存目的点的相对特征参数，并对每一步保存的参数进行列表管理。实现手动模式下关键点位输入，自动模式查表“仿形”运动。手动设置好以后就可以按预先设置自动运行。核心思想：记录关键点，构造工作路径和状态。现就四工位作以下说明。用户在手动原点状态下，控制机械手至a点位（到a点的路径可制定中间点实现绕行），按下保存，记录该点重要参数。之后控制机械手到b点位夹取工件，同时记录机械手张开位置及夹紧位置，为简化过程，可在a点设置机械手张开，b点设置夹紧。控制机械手移动，同前所述记录关键点位，到d点放下工件。再用同样的方法到下一工位进行操作。3.2 plc选择及i/o口分配3.2.1 plc控制系统设计的基本原则1） 满足被控对象的控制要求考虑将来发展的需要， plc选用功能较强的新产品，并留有适当的余量。2） 系统安全、可靠。3） 尽可能简单、经济、使用与维修方便。4） 具有高的性能价格比。3.2.2 plc控制系统设计步骤1） 分析被控对象，提出控制要求。2） 确定输入、输出设备。3） 确定plc的i/o点数，选择plc机型。4） 分配i/o点数，绘制plc控制系统输入、输出端子接线图。 5） 程序设计，绘制工作循环图或状态转移图。6） 程序调试。先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。7） 调试过程结束，整理技术资料，投入使用。图3. 2 plc控制系统设计步骤流程图3.2.3 cpu的速度 cpu的运行速度是指执行每一步用户程序的时间。对于以开关量为主的控制系统，不用考虑扫描速度，一般的plc机型都可使用。对于以模拟量为主的控制系统，则需考虑扫描速度，必须选择合适cpu种类的plc机型。3.2.4 plc模块的选择远程i/o模块：输入、输出装置比较分散，工作现场远离控制站。高速计数器模块：当plc内部的高速计数器的最高计数频率不能满足要求时，可选择使用。定位模块：在机械设备中，保证加工精度进行定位。通信联网模块：plc与plc之间，或plc与计算机之间的通信与联网。模拟输入模块、输出模块：把流量、速度、压力、风力、张力等变换成数字量，及把数字量变换成模拟量，进行输入、输出。3.2.5 plc品牌选择世界上生产plc的厂商有数百家，构成美国、欧洲和日本三大技术阵营，其代表机型有美国罗克韦尔（rockwell）自动化公司所属的a-b(allen-bradley)公司生产的plc-5系列plc、ge-fanuc公司生产的90tm-30系列和90tm-70系列的plc，德国西门子（siemens）公司生产的s5系列plc和s7系列plc，日本三菱公司生产的fx系列、a系列、q系列plc、欧姆龙公司生产的cs系列、c200系列、cpm系列plc。三大技术阵营的 plc在程序表达形式、功能及用法上有很大的差异。熟悉西门子s5系列plc的人都知道，他是采用结构化编程的方法，尽管他也设有梯形图、逻辑图等多种其他编程语言，单少许复杂一点的问题就必须采用语句表，通过step5语言，调用各种功能来实现。然而美国a-b公司的plc-5系列可编程控制器则与西门子s5系列plc相去甚远，a-b的plc-5根本就没有语句表，他所有的程序都要依靠梯形图编制，因而a-b的梯形图与西门子的梯形图在形式、功能及用法上相差很大。日本的微型小型plc产品是非常有特色的，他对梯形图、语句表并重，而且配置了包括功能指令在内的功能很强的指令系统。用户常常会发现，同一个应用问题，选用日本的小型plc产品就能解决，而用欧美产品常要选用中型乃至大型plc才行。这主要是欧美小型plc产品指令系统太弱所制。日本的plc技术是由美国引进的，因此日本的产品对美国的产品有一定的继承性。单日本把自己主推产品定位在小型plc上，因面临的主要市场在亚洲，因此他对美国的plc技术既有继承，更多的是发展。在小型plc方面，他已是青出于蓝而胜于蓝，日本产品在世界小型plc市场上占70%的份额。据不完全统计，我国每年引进的plc产品价值，其中美国产品约占36.3%，欧洲产品约占45.5%，日本产品约占18.2%。欧美产品以大中型plc为主基本上是德国西门子公司与美国a-b公司平分秋色。小型plc主要是日本产品。在国内，日本三菱公司生产的fx系列小型plc以其良好的性能得到了广泛的应用，同时各大高校、职业技术学校，也为其提供了专业技术人才的支持。简单机械手运动小型plc足以满足需求，选用日本三菱公司fx系列作为本文中搬移机械手的核心控制系统，可以减少企业对操作人员培训，降低使用成本，减少消费者对产品使用的顾虑。3.2.6 plc系列选择plc机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。三菱fx系列plc包括fx1s、fx1n、fx2n、fx2nc。各型号的 plc在性能上都有所区别。1） fx1s系列plc将优良的特点融合进一个很小的控制器中。fx1s适用于最小的封装，它是希望低成本的用户在有限的i/0范围内寻求功能强大的控制的首选目标。fx1s提供多达30个i/o，并且能通过串行通信传输数据，所以它能用在常用的紧凑型plc不能应用的地方。fx1s体积虽小，但功能强大：l 主机点数10/14/20/30，分为晶体管输出/继电器输出，交流电源/直流电源。l 结构紧凑、性价比高。显示模块和扩展板使系统升级变得容易。l 高速运算。基本指令是0.55s/指令0.7s/指令；应用指令是3.7s/指令至几百s/指令。l 2000步存储容量，是以前的fx0s的2.5倍。l 丰富的器件资源。辅助继电器512点、定时继电器64点、计数器32点、数据寄存器256点。l 具有实时时钟功能。使用标准型号的 实时时钟满足对时间的应用要求。l 联网能力。串行扩展板通过rs-232、rs-422使联网更容易。l 电源适用范围很宽。世界任何地方的标准电压都适合，也可以使用直流电源。l 基于windows软件。l 模拟电位器。l 密码保护。l 远程维护。l 脉冲输出和定位功能。一个plc单元中每相能同时输出2点100khz脉冲，plc配备7条特殊定位指令，包括零返回、绝对位置读出、绝对或相对地址表达方式以及特殊脉冲输出控制。2） fx1n系列plc增加了特殊功能模块或扩展板。通信和数据链接功能选项使得fx1n在体积、通信和特殊功能模块和能源控制等重要的应用方面非常完美。是一种普遍选择方案。与fx1s相比较，在以下方面得到了很好的提升：l 更多的控制点数14点128点。l eeprom寄存器更大，达8000步。l 更为丰富的器件资源。辅助继电器1536点、定时器256点、计数器235点、数据寄存器8000点。l 增加过程控制。在系统要求精确控制时适用pid指令。3） fx2n系列plc作为fx系列最高级的模块，他拥有无以匹敌的速度、高级功能、逻辑组件以及定位控制等特点。与前者plc相比较，在以下方面得到了很好的提升：l 更多的控制点数。16点256点。l 灵活的配置。具有满足特殊要求的大量特殊模块，6个基本fx2n单元中的每一个单元可扩充到256点的i/o。l 更高速运算。基本指令0.08s/指令；应用指令是1.52s/指令至几百s/指令。l 寄存器容量扩展。l 更为丰富的器件资源。辅助继电器3072点、定时器256点、计数器235点、数据寄存器8000点。l 特殊功能模块。主单元可配置8个特殊功能模块。l 数学指令集。使用32位处理器、浮点数、方根和三角几何指令满足数学功能。4） 位置控制模块扩展位置控制是对工位的控制，可由位置控制模块实现.plc系统可作为整个位置控制系统中的一个控制环节，配上伺服放大器或驱动放大器，就可以将位置控制功能和逻辑控制、顺序控制等一揽子解决。利用plc模块实现位置控制的优点：l 在实现位置控制的时候，可充分利用plc系统的硬件和软件资源。更便于在柔性制造系统（fms）、计算机集成制造系统（cims）或工厂自动化（fa）系统中大量应用位置控制。l 用户可根据自身要求灵活配置系统，既降低成本，又能因地制宜。l 可靠性高，维护方便。fx-1pg脉冲输出模块是一种根据from/to指令进行与fx2、fx2c系列plc数据交换的特殊功能模块。用一台fx-1pg独立进行一轴定位控制，而一台plc则最多可连8台fx-1pg。5） plc系列选择fx1n系列以其信价比独占鳌头。但程序结构较为复杂。就功能而言，fx2n系列是不错之选，选配3个fx2n-1pg-e脉冲输出模块给步进电机驱动设备提供稳定信号，同时模块程序简化了plc程序的结构。但其制造总价较高，就核心控制系统plc及其模块而言，其成本将是fx1n系列的4倍以上。由于本文中机械手不必联动，分时复用即可，适用范围内不必选用fx2n-1pg-e脉冲输出模块，其功能通过软件实现。3.2.7 输出方式plc包括继电器输出和晶体管输出两种输出方式。其适输出区别如下：2） 负载电压、电流类型不同 负载类型：晶体管只能带直流负载，而继电器带交、直流负载均可。 电流：晶体管电流0.2a-0.3a，继电器2a。 电压：晶体管可接直流24v（继电器可以接直流24v或交流220v）。3） 负载能力不同晶体管带负载的能力小于继电器带负载的能力，用晶体管时，有时候要加其他东西来带动大负载（如继电器，固态继电器等）。4） 晶体管过载能力小于继电器过载的能力一般来说，存在冲击电流较大的情况时，晶体管过载能力较小，需要降额更多。5） 晶体管响应速度快于继电器继电器输出型原理是cpu驱动继电器线圈，令触点吸合，使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢（约10ms），主要控制开关量。晶体管输出型原理是cpu通过光耦合使晶体管通断，以控制外部直流负载，响应时间快（约0.2ms甚至更小）。晶体管输出一般用于高速输出，如伺服步进等，用于动作频率高的输出。6） 额定工作情况下，继电器有动作次数寿命，晶体管只有老化没有使用次数限制。继电器是机械元件所以有动作寿命，晶体管是电子元件，只有老化，没有使用次数限制。继电器的每分钟开关次数也是有限制的，而晶体管则没有。本文中使用步进电机作为动力源，故采用晶体管输出，直流d24v电源。3.2.8 i/o点数i/o点数是衡量可编程控制器规模大小的依据。确定依据：将与plc相连的全部输入、输出器件根据所需的电压、电流的大小和种类分别统计，考虑将来发展的需要再相应增加 1015的余量。如表3.1所示。表3.1 i/o点数估算统计序号电气设备、元件输入点数输出点数使用数量1步进电机驱动器0232脉冲信号源0113行程开关1064指示灯01115报警嗡鸣器0116按钮10127电磁继电器01185位旋钮501合计输入点数22输出点数20总点数443.2.9 i/o口分配原则1） 特殊、特定i/o点优先分配。如高速脉冲输出口y000或y001；方便指令中初始状态指令等。2） 普通无指定i/o点的归类分配。3） 适当的方法节省i/o点数。如编码等。3