毕业论文(设计)——基于PLC的柔性制造系统的搬运机构的控制系统设计.doc

三 江 学 院 本科生毕业设计（论文） 题 目 基于 plc 的柔性制造系统的搬运机构 的 控制系统设计 高 职 院 （系） 机械设计制造及其自动化 专 业 摘 要 在基于 plc 的柔性制造系统为核心的基础上，重点进行了搬运机构的控制 设计，详细叙述了该搬运单元由步进电机进行综合控制的软、硬件的实现方法。 该设计利用步进电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拆线运动，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，通过脉冲得到目的点的 位置，手动点击按钮，实现机械手从参考点运动到目的点。 关键词:柔性制造系统；plc；机械手 abstract in the basis of plc as the core, with the focus on the control of the fms handling unit design, this paper describes the handling unit consists of stepping motor comprehensive control the hardware and the software realization method. this design using the stepping motor unit pulse with the characteristics of step distance unchanged, the position control by the open loop. so the entire movement as take out stitches movement, every movement can be regarded as exercise program is same, characteristic parameters of the relative motion dealership network. his with starting point as a reference point, through the pulse count is purpose o clock position, manual click button, realize manipulator to destination reference point movement from the point. so as to realize the “fang hang“ technical fms movements. key words：flexible manufacturing system;programmable controller;manipulator 目 录 第一章 绪论1 1.1 基于 plc 的柔性制造系统搬运机构的概述 1 1.2 机械手控制系统的背景和意义 2 1.2.1 可编程序控制器背景.2 1.2.2 可编程序控制器的应用意义.2 1.2.3 可编程序控制器的特点.3 1.3 本课题研究的内容 3 第二章 硬件设计5 2.1 机械手的机械结构设计 5 2.2 传动系统的设计 7 2.3 其他辅助系统的设计 .10 第三章 软件设计12 3.1 总体流程图的设计 .12 3.2 三菱 plc 的选择 .12 3.2.1 三菱 plc 控制系统设计的基本原则12 3.2.2 三菱 plc 控制系统设计步骤12 3.2.3 三菱 plc 品牌选择13 3.2.4 三菱 plc 系列选择14 3.2.5 三菱输出方式选择16 3.3 三菱 plc 的 i/o 口分配 .17 3.3.1i/o 点数.17 3.3.2i/o 口分配原则.17 3.3.3i/o 口分配论证.18 3.4 三菱 plc 程序的设计 .19 结束语.31 致 谢.32 参考文献.33 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 基于 plc 的柔性制造系统搬运机构的概述 plc 柔性制造系统是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机 信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。柔性制造系统由加工、 物流、信息流三个子系统组成。 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。在柔性制造系 统中起到了物流的作用，是其中一个重要的环节。 机械手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。其作业的准确性和 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 23 个自由度。 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工 业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办 法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生 产自动化的重要办法。 但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一 步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75是小批量生 产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时 间仅占零件生产时间的 5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切 性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放 物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛 应用于柔性自动线。 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： 1.可以提高生产过程的自动化程度，应用机械手，有利于提高材料的传送、 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，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 2.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、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 2 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 地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的 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。 3.可以减少人力，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生产线上，目前几乎 都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生 产。 综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。 1.2 机械手控制系统的背景和意义 机械手按驱动控制方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按 运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。其中以可编程序 控制器控制的电动式点位控制机械手应用最为广泛。 1.2.1 可编程序控制器背景 可编程序控制器（programmable controller） ，现在一般简称为 plc（programmable logic controller） ，它是以微处理器为基础，综合了计算机技 术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种 通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域 获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。 在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。 传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中 应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是 由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有 的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。 1.2.2 可编程序控制器的应用意义 plc 的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的 plc 几乎可以说凡是 需要控制系统存在的地方就需要 plc，尤其近几年来 plc 的性价比不断提高已 被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。 按 plc 的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面： 1.用于逻辑控制。这是 plc 最基本，也是最广泛的应用方面。用 plc 取代继 电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电 梯控制等。 2.用于模拟量控制。plc 通过模拟量 i/o 模块，可实现模拟量和数字量之间转 换，并对模拟量控制。 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 3 3.用于机械加工中的数字控制 。现代 plc 具有很强的数据处理功能，它可以 与机械加工中的数字控制（nc）及计算机控制（cnc）紧密结合，实现数字控 制。 4.用于工业机器人控制。 5.用于多层分布式控制系统高功能的 plc 具有较强的通信联通能力，可实现 plc 与 plc 之间、plc 与远程 i/o 之间、plc 与上位机之间的通信。从而形成 多层分布式控制系统或工厂自动化网络。 1.2.3 可编程序控制器的特点 1.可靠性高、抗干扰能力强 plc 能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等 中可靠地工作，plc 的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的 f1 系列 plc 平均无故障时间间隔长达 30 万 h，这是一般微机所不能比拟的。 2.控制系统构成简单、通用性强 由于 plc 是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求 改变需改变控制系统的功能时，不必改变 plc 的硬件设备，只需相应改变软件 程序。 3.编程简单、使用、维护方便 4.组合方便、功能强、应用范围广 plc 既可用于开关量的控制又可用于模拟量 的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统， 又可控制复杂系统。因此，plc 应用范围很广。 5.体积小、重量轻、功耗低 plc 采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低， 空载功耗约 1.2kw。 1.3 本课题研究的内容 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。 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。 2.硬件选择 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。 传动机构机械手臂采用滚珠丝杠螺母传动。 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进信号，烧毁步进电机或其驱动设备。结构中在极限位 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 4 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。 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。 3.控制要求 定位精确性步进电机和步进电机驱动器作为动力启动设备，采用开环 点位控制，满足点位要求。 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。 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。 5.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、发射、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。 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 5 第二章 硬件设计 2.1 机械手的机械结构设计 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、灵敏性、准确性和可靠性。 设计过程中应根据需要对机械手的运动速度、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.手爪结构图 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： 图 2.1 机械手手爪示意图 1.手爪 2.转轴 3.压缩弹簧 4.电磁铁芯 5.电磁线圈 6.螺母 7.机械手手爪壳体 8.点位销 9.限位螺钉 10.橡胶防滑垫 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 6 工作原理：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，手臂处产 生电磁力矩，当电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；若线圈失点，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 矩下，保持夹紧状态，实现自锁功能，避免因偶尔断电导致被抓物掉落。 特点：最大夹持半径可调，设定夹持点半径，可减少夹持力对夹持物表面 的破坏。由于夹紧的为刚性工件，为了提高安全性能，防止破坏工件，我们可 以在夹持部分加上一层橡胶，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。 本设计使用的是电磁式控制吸合的机械手，适用于磁性材料，有沟槽或穿 孔的工件吸住；单位面积有较大的吸力；可以快速吸附和松放工件，从而快速 实现工件在两工作台之间的搬运控制；此外，结构简单，使用寿命较长。 3.机械手躯体的组成 机械手躯干包括立柱、机座、手臂和手腕四部分。 立柱是支撑手臂带动它升降、摆动和移动的机构，立柱和机座相联可固定 在地面上、机床设备上、或者横挂在梁上，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。 4.躯干传动定位机构 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和齿轮传动机构。现就两者作以下分析： 丝杠螺母机构：位置较准确、降速比大、运动平稳、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。滚珠丝杠效率高，但成本高。 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，成本相对比较低。 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 7 可直接采用齿轮减速以实现回转。 齿轮减速：工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；减速效率高；结 构紧凑；功率和速度适用范围很广等。 图 2.2 机械手机构图 1.机座 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 2.2 传动系统的设计 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.步进电机及其驱动器 步进电机(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“布距角”)，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 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 8 以作为一种控制用的特种电机，利用其没有累积误差（精度为 100%）的特点， 广泛的用于各种开环控制。 步进电机分为机电式及磁电式两种基本类型。 机电式步进电机由铁芯、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产 生磁力，推动其铁芯芯子运动，通过齿轮机构是输出轴转动角度，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， 这是，转子就转动一个角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转 子转动方向。永磁式步进电动机消耗功率小，步距角较大。缺点是启动频率和 运行频率较低。 反应式步进电动机在定、转子铁芯的内外表面上设有按一定规律分析的相 近齿槽，利用这两种齿槽的相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。这种 步进电动机步距角可做到 115，甚至更小，精度容易保证，起动和运动 频率较高，但消耗较大，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。一般的说最大静力矩大的电 max mj 机，负载力矩大。 选择步进电动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，一是可以改变丝杠 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性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： 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 9 （1）计算电机的步距角比，根据所要求脉冲当量，步距角 计算如下： 8 . 1 5 1025 . 0 360 s i360 式中：s-丝杠螺距(mm) -(mm/脉冲) i-减速比 （2）计算电机负载转矩 m nm f m002. 0 1114 . 3 2 10025. 0500 i2 10 33 式中：f-启动单元负载(n) -传动系统总效率(此处先以 1 带入) 根据以上数据，可以选择 17hs001 电机。17hs001 电机的具体参数如表 2.1 所示。 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 17hs0012 1.8 1.7 a dc24 v 0.45 nm 3.3 3.7 mh 0.35 kg st-2h b02x 与该步进电机相匹配的驱动器为 st-2hb02x 驱动器。st-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，喷绘机，疲劳测试机等用户希望成本低，低振动，高精度，高速度 的场合。 技术参数： 型号 st-2hb02x 相 数：二相 工作电压：dc(10-40)v 驱动电流：dc(0.1-2.0)a 驱动方式：全桥双极恒相流驱动 电流设置：0.1a 分度 细分功能：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 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 10 尺寸/重量：1307333mm/280g 2.3 其他辅助系统的设计 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命令，停止远动。同时 锁定继续前进行动，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.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、方便工作人员直接 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 2.9 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 体有原点、路径关键点、报警指示、工作状态指示等功能。下面操作面板说明 如下： 设备原点：机械手的设备原点。任何停止状态，旋转旋钮到原点，启动回 原点按钮，机械手回到了原点。 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目的记录保存工作。 单步：旋钮旋转单周期工作，按动一次启动按钮，进行一个工步。 单周期：旋钮旋转单周期工作，按动一次启动按钮，进行一个周期。 连续工作(自动状态)：在用户原点，旋钮旋转自动，按动启动按钮连续反 复进行，途中按动停止按钮，运行到原定后停止。 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。 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 11 图 2.9 操作面板示意图 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 12 第三章 软件设计 3.1 总体流程图的设计 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，通过脉冲计数，得到目的 点位置。手动操作机械手从参考点到达目的点后，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。实现手动模式下点位输入，自动模式查 表“仿行”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，记录该店重要参数。之后控制机械手到 b 点位夹取工件， 同时记录机械手位置及加紧位置，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 三菱 plc 的选择 3.2.1 三菱 plc 控制系统设计的基本原则 1、满足被控制对象的控制要求考虑将来的发展的需要，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、使用与维护方便。 4、具有较高的性价比。 3.2.2 三菱 plc 控制系统设计步骤 1、分析被控对象，提出控制要求。 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 13 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 三菱 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 90-tm30 系列和 90-ym70 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、从 200 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 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 14 西门子 s5 系列 plc 的人都知道，他是采用机构化编程的方法，尽管他也设有梯 形图、逻辑图等多种其他编程语言，但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。但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，我国引进的 plc 产品价值，其中美国约占 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，基本上德国 西门子公司于美国 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 足以满足要求，选用日本三菱公司 fx 系列作为本 文中搬运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。 3.2.4 三菱 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、 s fx1 、。各型号的 plc 在性能上都有所区别。 n fx1 n fx2 nc fx2 1、系列 plc s fx1 将优良的特点融合进一个很小的控制器中。适用于最小的封装，他是 s fx1 希望低成本的用户在有限的 i/o 范围内寻求功能强大的控制的首选目标。 提供多达 30 个 i/o，并且能通过串行通信传输数据，所以他能用在常用的 s fx1 紧凑型 plc 不能应用的地方。 体积虽小，但功能强大： s fx1 （1）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。 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 15 （2）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。 （3）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。 （4）2000 步存储容量，是以前的 fxos 的 2.5 倍。 （5）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。 （6）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。 （7）联网能力。串行扩展通过 rs-232、rs-422 使联网更容易。 （8）电源使用范围很宽。世界任何地方的标准电压都适用，也可以使用直 流电源。 （9）基于 windows 软件。 （10）模拟点位器。 （11）密码保护。 （12）远程维护。 （13）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 配置 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用 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： （1）跟多的控制点数 14 点128 点。 （2）eeprom 寄存器更大，达 8000 步。 （3）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。 （4）增加过程控制。在系统要求精度控制时使用 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： （1）更多的控制点数。16 点256 点。 （2）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 元中每一个单元可扩充到 256 点的 i/o。 （3）更高速运算。基本指令 0.08s/指令；应用指令是 1.52s/指令至 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 16 几百 s/指令。 （4）寄存器容量扩展。 （5）更有丰富的器件资源。辅助继电器 3072 点、定时器 256 点、计算器 235 点、数据寄存器 8000 点。 （6）特殊功能模块。主单元可配置 8 个特殊功能模块。 （7）数字指令集。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环节，配上伺服放大器驱动发达器，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： （1）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、计算机集成制造系统或工厂自动化系统中大量应用位置 控制。 （2）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。 （3）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。 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启动设备提供 稳定信号，同时模块程序简化了 plc 程序的结构。 3.2.5 三菱输出方式选择 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： （1）负载电压、电流类型不同 负载类型：晶体管只能带直流负载，而继电器带交流、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） 。 （2）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） 。 （3）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。 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 17 （4）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，使外部电流通过 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。 （5）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。 3.3 三菱 plc 的 i/o 口分配 3.3.1i/o 点数 i/o 点数是衡量可编程控制规模大小的依据。 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相应增加 10%-15%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 023 2 脉冲信号源 011 3 行程开关 106 4 指示灯 0111 5 报警嗡鸣器 011 6 按钮 1012 7 5 位按钮 501 输入点数 23 输出点数 19 合计 总点数 43 3.3.2i/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）适当的方法节约 i/o 点数。如编码等。 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 18 3.3.3i/o 口 分配论证 表 3.2 i/o 分配输入端一览表 输入功能（设备）输入功能（设备） x000x014 超程保护（行程开关 ls3） x001 x 方向位移+sb4 x015 旋转原点（行程开关 ls4） x002 x 方向位移-sb5 x016 超程保护（行程开关 ls5） x003 y 方向位移+sb6 x017 位置保存 sb3 x004 y 方向位移-sb7 x020 手动 x005 旋转位移+sb8 x021 回原点 x006 旋转位移-sb9 x022 单步运动 x007 机械手夹紧 sb10 x023 单周期运动 x010 机械手放松 sb11 x024 全自动运动 x011 x 原点（行程开关 ls0） x025 回原点启动 sb0 x012 超程保护（行程开关 ls1） x026 自动启动 sb1 x013 y 原点（行程开关 ls2） x027 停止 sb2 表 3.3 i/o 分配输出端一览表 输出功能（设备）输出功能（设备） y000 步进电机脉冲信号 y014 y 方向位移+指示灯 l4 y001 x 步进电机驱动器 ena y015 y 方向位移-指示灯 l5 y002 x 步进电机转向 y016 旋转位移+指示灯 l6 y003 y 步进电机驱动器 ena y017 旋转位移-指示灯 l7 y004 y 步进电机转向 y020 机械手指示灯 l9 y005 旋转步进电机驱动器 ena y021 故障指示灯 l10 y006 旋转步进电机转向 y022 故障报警翁鸣器 y007 机械手夹紧/放松 l8 y023 y010 回原点指示灯 l0 y024 y011 自动启动指示灯 l1 y025 y012 x 方向位移+指示灯 l2 y026 y013 x 方向位移-指示灯 l3 y027 此方案对超程保护所使用的行程开关合远动方向的指示灯，独立分配 i/o。 优点： （1）独立控制，互不干扰。 （2）程序简单，无需添置编码、解码张芯片及其抗干扰设施。 （3）良好的稳定性。 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 19 （4）预留足够的 i/o 点数，大于 10-20%。方便以后的扩展升级。 缺点：价格略高。 综上所述的优点，选用 fx2n-48mt-d 型 plc。 plc 硬件接线图见图 3.3。 图 3.3 三菱 fx2n-48mt-d 型 plc 接线图 1 三菱 fx2n-48mt-d 型 plc 2.st-2hb02x 型步进电机驱动器 3.42hs003 两相混合式步进电机 3.4 三菱 plc 程序的设计 1.存储区域分配 脉冲计数存储区域分为统计区、暂存区和存储区三个部分。 统计区：对保存数据的组数进行统计，确定有效区域范围，配备 16 位断电 保持数据寄存器 d200 和 d327。 暂存区：临时存储脉冲信息，进行数据的基本处理，执行数据计算功能。 由于脉冲数据较大采用 32 位断电保持数据寄存器 d201-d206。 存储区：又分为脉冲数据存储区和其他存储区。长期存储自动程序数据值。 脉冲数据存储区：存储暂存区处理后的有效脉冲数。采用 32 为断电保持数 据寄存器。初设计 20 组控制点位即 d207-d326。 其他存储区：运动方向存储和机械手手爪状态。采用断电保持辅助继电器 存储位状态。与脉冲数据存取区相匹配 20 组控制点位即 m500-m579。运动方 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 20 向存储分区为 d500-d559，机械手手爪状态存储分区为 d560-d579。 表 3.4 脉冲计数存储区 d201d202d203d204d205d206d200 d327x 方向脉冲信息y 方向脉冲信息旋转脉冲信息 统计区暂存区 d207d208d209d210d211d212 x 方向脉冲信息y 方向脉冲信息旋转脉冲信息1 存储区 d213d214d215d216d217d218 x 方向脉冲信息y 方向脉冲信息旋转脉冲信息2 存储区 d219d220d221d222d223d224 x 方向脉冲信息y 方向脉冲信息旋转脉冲信息3 存储区 d314d315d316d317d318d319 x 方向脉冲信息y 方向脉冲信息旋转脉冲信息 存储区 d320d321d323d324d325d326 x 方向脉冲信息y 方向脉冲信息旋转脉冲信息 存储区 表 3.5 其他存储区 m500m501m502m560 x 运动方向y 运动方向旋转运动方向手爪状态1 其他存储区 m503m504m505m561 x 运动方向y 运动方向旋转运动方向手爪状态2 其他存储区 m506m507m518m562 x 运动方向y 运动方向旋转运动方向手爪状态3 其他存储区 m554m555m556m578 x 运动方向y 运动方向旋转运动方向手爪状态19 其他存储区 m557m558m559m579 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 21 x 运动方向y 运动方向旋转运动方向手爪状态20 其他存储区 2.初始化及报警程序 图 3.4 初始化及报警梯形图 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 22 图 3.4 初始化及报警梯形图（续） 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 23 3.回原点程序 图 3.5 回原点步进梯形图（续） 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 24 图 3.5 回原点步进梯形图（续） 4.手动程序 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 25 图 3.6 手动程序流程图 三江高等职业技术学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 26 图 3.