毕业设计（论文）-基于组态平台的机械手控制与设计.doc

基于组态平台的机械手控制与设计摘 要随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本文分析搬运机械手控制系统的要求；设计了控制流程及原理；进行了可编程控制器IO点的分配；编写了PLC控制程序；绘制了原理图；实现了PLC与上位计算机组态王软件的通讯、设备的连接与配置、数据库的构造、图形界面的设计和动画连接的建立等。本设计利用工控组态软件实现对搬运机械手的运行过程进行监控和管理，体现了自动控制原理的实践意义。关键词：PLC；搬运机械手；控制系统；组态王Platform based on configuration control and design of the manipulatorAbstractWith the popularity of industrial automation and development, the demand for year-on-year increase of controller, handling the application of robot gradually popularity, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, we can be more good to save energy and improve the transport efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation and inadequate to meet the requirements of modern economic development.Firstly，the transportable manipulator control system is integrally analyzed，the distribution of the programmable controller I0 points were accomplished，control procedure of the transportable manipulator control system were compiled，the schematic diagrams were drawAnd the communication between PLC and configuration software on computer，the attachment and deployment of devices，the composition of database，the design of figure interface，the establishment of connection of the animation as well as its running script were studied and set up in this thesisFinally，run and the debugging is successfu1In this design，King view software and PLC hardware were integrated to achieve the goals of designing a control system of the manipulator model，which is quite important to average up the automation controlling of the course of productionKey words ：PLC；transportable manipulator；control system ；Kingview irrigatio目录摘要1Abstract2第1章 绪论51.1机械手的发展状况51.2机械手的发展趋势61.3机械手的概念71.4 机械手的分类81.5机械手的应用意义及应用简况71.51机械手的应用意义91.5.2机械手的应用简况91.6机械手控制的相关问题11第2章 机械手的设计方案122.1 搬运机械手结构及其动作122.1.1 机械手结构示意图122.1.2 机械手的动作122.2 机械手的控制过程132.3 机械手的控制要求13第3章 PLC的概述163.1 PLC的介绍143.1.1 PLC介绍143.1.2 可编程序控制器的应用特点143.1.3 高速度、高I/O容量、功能强大143.1.4 PLC 网络服务143.1.5 可编程控制器网络通讯153.1.6 PLC外围设备163.1.7 PLC的工作原理163.2. PLC的选型16 3.2.1 常用PLC介绍17 3.2.2 确定型号FX1N60MR17 3.2.3 FX1N所具有优越性能183.3 三菱FX系列的结构功能183.4 PLC输入输出接口的安全保护19第4章 搬运机械手硬件系统设计204.1机械手的结构204.2电气控制的设计204.3操作面板及动作说明214.4 I/O分配21第5章 搬运机械手的软件系统设计235.1梯形图的总体设计235.2 各部分梯形图的设计235.2.1 通用部分梯形图设计235.2.2 外部接线图255.2.3 返回原位梯形图265.2.4 “自动”状态梯形图27第6章 组态监控系统的设计306.1组态软件的结构划分306.2其中必备的典型组件306.3组态王软件的特点316.4监控系统的设计326.4.1 主监控界面326.4.2 物体垂直移动变量设置336.4.3 构造数据库346.4.4 建立动画连接35第七章 结束语37参考文献38谢词39第1章 绪论1.1 机械手的发展状况专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。5060年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。6070年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。1.2 机械手的发展趋势目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，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、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。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）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及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。步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、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，相应地发展通用机械手，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式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，1.3 机械手的概念机械手：mechanical hand，也被称为自动手，auto hand。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。机械手主要由手部和运动机构组成。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23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；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。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。1.4 机械手的分类机械手一般分为三类。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，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，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信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。1.5 机械手的应用意义及应用简况1.5.1 机械手的应用意义在机械工业中，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。1.3.3机械手的发展概况与发展趋势。1.5.2 机械手的应用简况 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。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：1.热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。2.冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要手段。3.拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。1.6机械手控制的相关问题1） 解决机械手机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济、具有一定的代表性。2） 执行部件的运动精度的问题。3） 机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制系统的协调问题。4）元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。5）传感器的类型选择。第2章 机械手的设计方案2.1搬运机械手结构及其动作2.1.1 机械手结构示意图1、手爪张开闭合 2、手腕旋转 3 、水平移动 4、升降 5 、立柱旋转 6、手爪 7 、手腕电动机 8、横轴 9、 竖轴 10、竖轴电动机 11、横轴电动机 12、底盘 13、底盘电动机图2-1机械手示意图2.1.2机械手的动作本机械手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图31所示： 图22机械手的动作周期2.2机械手的控制过程如图32所示由A、B两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作，A缸通过一个单电两位四通电磁换向阀控制工件的夹紧、放松，B缸通过一双电两位四通电磁阀控制机械手的升降；由小车实现机械手的移动。该小车由两台电动机驱动，一台是高速，一台是慢速。当小车前进时以慢快慢的形式进行，返回时按慢快慢的形式后退。当工件从传送带传输到机械手下方时，工件碰压行程开关SQ1，B缸活塞杆伸出，带动机械手下降，下降至终点碰压行程开关SQ3与机械手夹钳相连的A缸活塞杆收进，机械手将工件夹紧；当工件夹紧到位时，行程开关SQ5动作，B缸的活塞杆收进，把工件提升；当工件提升到最高位置时碰压行程开关SQ4，启动小车慢速右行；当小车碰压行程开关SQ7时转为快速行走；接近终点时小车碰压行程开关SQ8，转为慢速行走；行至右端行程开关SQ9，小车停止前进；停留5秒后，B缸活塞杆再次外伸，机械手下降至终点，A缸活塞杆外伸带动夹钳松开，将工件放下；然后机械手上升，小车以慢快慢的形式沿原路返回，恢复到图示所示的原点位置。2.3机械手的控制要求为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：单步、单周期、连续；手动操作包括手动和回原位的操作。手动操作：供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。例如，当选择手动操作时，按下上升/下降按钮，机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以此类推。回原位：当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次通电将操作方式选择置于回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原则返回到原点位置。单步运行：供试用，即没按一次启动按钮机械手向前执行一个动作后停止。单周期运行：供首次检验用，当机械手在原点时按下启动按钮，机械手自动执行一个周期后停止在原点位置连续运行：正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始的执行各工步动作第3章 PLC的概述3.1 PLC的介绍3.1.1 PLC介绍 PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是在顺序控制器、一位微处理机和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心的特殊计算机。它最初是为了取代继电器控制，而由美国数字设备公司（DEC）研制的。当时，人们把它称为可编程逻辑控制器。随着微电子技术和计算机技术的发展，使得 PLC不仅具有逻辑控制的功能，而且还增加了运算、数据传送和处理等功能，成为具有计算机功能的工业控制装置。1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为可编程序控制器，并习惯地将其称为PLC。PLC自1969年问世以来，其发展经历了三个阶段:第一阶段（70年代中期）为实用化阶段，主要是作为继电器控制系统的替代品，解决生产自动化的问题:第二阶段（70年代末）为成熟阶段，随着微电子技术和控制技术的发展，由“PLC” 发展到 “PC”，注重软件和网络通讯技术，能够满足柔性制造系统（FMS）的要求;第三阶段（90年代）为加速发展阶段，随着网络通讯能力的提高，针对特殊控制要求的智能模块的广泛应用，其应用领域扩大到计算机集成制造系统（CIMS）、智能制造系统（WS），具有高速、功能强和良好的开放性等特征。第三代PLC属于现代PLC范畴，能够集中反映当今电气控制世界先进水平，与数控技术、工业机器人技术构成机械工业自动化和（CIMS）的三大支柱和重要组成部分，对实现车间及工厂生产综合自动化起着非常重要的作用6。3.1.2 可编程序控制器的应用特点 可靠性高，抗干扰能力强，配套齐全，功能完善，适用性强，易学易用，深受工程技术人员欢迎。系统的设计，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，同时日常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而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。3.1.3 高速度、高I/O容量、功能强大随着CPU处理速度的提高，PLC程序执行的速度也越来越快；大规模和超大规模集成电路的发展，相应地使I/O的容量也得到增加；智能模块的增加，使PLC能够实现的功能越来越多7-8。3.1.4 PLC 网络服务对于高档次的机械控制系统，设备制造商必须为用户提供快速、高效的售 后服务。随着网络技术和PC 控制技术的发展为机械设备的售后服务提供了更为 有效的解决方案。因为基于 PC 控制技术的开放性特点，PC 控制的控制程序通过Windows 远程连接技术可以和设备制造商服务中心进行远程监控。使得设备 制造商通过网络技术就可以解决用户的所有软件问题，这不仅能提高售后服务，还能大大节约售后服务成本8。3.1.5 可编程控制器网络通讯 随着PLC的应用领域从单机自动化、生产线自动化扩展到FA，CIMS，加强PLC的联网与通信的能力，已成为PLC技术进步的主要潮流。各大PLC厂商，如日本的三菱、欧姆龙，德国的西门子，美国的AB等，都拥有自己比较完善的PLC网络通讯能力。既有低速的点一点通信，也有高速的总线通讯。PLC的联网与通讯可分为三类：第一类是PLC之间的网络通信，各PLC制造厂都有自己的专有联网手段；第二类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有通信模块用于与计算机通信；第三类是PLC与计算机之间的混合通信，现在一般都做成总线形的。为了适应现场控制向高速、实时性发展的要求，各PLC制造商纷纷将PLC应用到现场总线中去，使PLC直接与现场设备连接起来，如西门子PROFIBUS-DP和欧姆龙的的ComposBus/D。在网络中要有通用的通信标准，否则在一个网络中不能连接许多家厂商的产品。美国通用汽车公司在 1983年提出的MAP（ManufacturingAutomationProtocol）是众多通信标准中发展最快的一个。MAP的主要特点是提供以开放性为基础的局部网络（LAN），使来自许多厂商的设备可以通过相同的通信协议而相互连接。由于MAP的出现，推动了通信标准化工作的进程。当前一些PLC制造厂家己采取措施使其产品与MAP兼容。现在不同厂商之间PLC已经实现了相互通信，如奥地利B&R的PCC（可编程计算机控制器）就可以与西门子、AB、欧姆龙等公司的PLC实现相互通信。事实上通信标准网络如 （MAP）也存在一些问题，它涉及面广、开发费用高，一时很难完善。此外标准网络响应速度慢，很难满足实时控制的要求。除了标准网络外，许多PLC制造商都有专用网络。专用网络使用方便，但通用性差。标准网络和专用网络将在一段较长的时间内并存，过渡时期的办法是采取兼容措施。PLC的联网与通信是许多PLC制造商十分关注的问题，有许多问题尚待开发9。3.1.6 PLC外围设备PLC的外围设备很多，但基本功能不外乎是对信息和数据的处理。常用的有编程器、可编程终端、打印机、条码读入机等等。编程器是PLC的重要外围设备之一，它可以将用户编写的程序送到PLC的用户程序存储器。因此，它的主要任务是输入程序、调试程序和监控程序的执行过程。本程序就采用组态软件来设计一个实时监控系统来监控程序的执行10。3.1.7 PLC的工作原理 PLC内部有许多具有不同功能的器件，实际上这些器件是由电子电路和存储器组成的。例如，输入继电器X由输入电路和映像输入触点的存储器组成；输出继电器Y由输出电路和映像输出点的存储器组成；定时器T、计数器C、辅助继电器M、状态器S、数据寄存器D、变址积存器V/Z等都有存储器组成。为了把它们与普通的硬件区分开，通常把上面的器件成为软器件。从工作过程看，只注重器件的功能和器件的名称。如，输入继电器X、输出继电器Y等，而且每个器件都有确定的地址编号，这对编程十分重要。 PLC的工作原理可概括为；在系统管理程监控下，对I/O集中采样、顺序执行用户程序并将运算结果集中输出的工作过程，与计算机不同的是，计算机一般采用查询等待命令的工序的执行并转到相应子程序。因此，当控制软件发生故障时，会一直等待键盘或I/O命令，可能发生死机现象。而PLC作为专用工业控制机，一般采用扫描用户程序工作方式，系统管理及应用程序的执行全部是以循环扫描方式完成。当软件发生故障时，可以定时执行下一轮扫描，避免了死机现象，因此可靠性更高。3.2 PLC的选型对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数，扫描速度，内存容量，指令条数，功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。3.2.1 常用PLC介绍PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。欧姆龙S7-200系列PLC 突出的特点：可靠性高、操作简便；丰富的内置集成功能；强劲通讯能力；丰富的扩展模块；简单、易用的Micro/WIN编程软件。OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小仅相当于一个PC卡(对于10点的机型来说)，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。编程环境与CQM1及SYSMAC A等机种相同。由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。三菱FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。其FX2N PLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。3.2.2 确定型号FX1N60MR综上，对于被控对象，采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较，力求具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求；选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型，一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的PLC，则选FX系列，不选F1系列）。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。在此，我选用三菱FX1N来做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是近年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。3.2.3 FX1N所具有优越性能CPU处理速度达到了0.065us/基本指令。内置了高达64K步的大容量RAM存储器。大幅增加了内部软元件的数量。强化了指令的功能，提供了多达209条应用指令，包括像与三菱变频器通讯的指令，CRC计算指令，产生随机数指令等等。晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令：带DOG搜索的原点回归（DSZR），中断单速定位（DVIT）和表格设定定位（TBL），从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。内置6点同时100kHz的高速计数功能，双相计数时可以进行4倍频计数。增强了通信的功能，其内置的编程口可以达到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同时使用3个通信口（包括编程口在内）。新增了高速输入输出适配器，模拟量输入输出适配器和温度输入适配器，这些适配器不占用系统点数，使用方便，在FX3U的左侧最多可以连接10台特殊适配器其中通过使用高速输入适配器可以实现最多8路、最高200kHz的高速计数。通过CC-Link网络的扩展可以实现最多达384点（包括远程I/O在内）的控制。可以选装高性能的显示模块（FX3U-7DM）可以显示用户自定义的英文、数字和日文汉字信息，最多能够显示：半角16个字符(全角8个字符) 4行。在该模块上可以进行软元件的监控、测试，时钟的设定，存储器卡盒与内置RAM间程序的传送、比较等操作。另外，还可以将该显示模块安装在控制柜的面板上。3.3 三菱FX系列的结构功能可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的结构原理与微型计算机相似。硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。系统程序和接口器件又与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、D/A模拟转换器件的组合体的功能，采用软件编程进行它们之间的联系。本设计采用FX系列PLC作为控制核心，所以现在就以它来讲述PLC的应用知识、操作技能。FX系列PLC硬件组成与其它类型PLC基本相同，主体由三部分组成，其PLC的基本结构如图3-1系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。图3-1 PLC的基本结构外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信号和数据；经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各个部分协调一致地实现对现场设备的控制。3.4 PLC输入输出接口的安全保护当输出口连接电感类设备时，为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输出口造成破坏，应在感性元件两端加保护元件。对于直流电源，应并接续流二极管，对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可取51120，电容取0.10.47F，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。续流二极管可选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍。图3-2为输入输出口的保护环节示意图。图3-2 输入输出口的保护第4章 搬运机械手硬件系统设计硬件系统设计包括机械部分和电气控制部分的设计。4.1机械手的结构设计其结构如图41所示图41：机械手的结构示意图图中设置9个行程开关SQ1SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施控制。其中SQ1为工件是否到位的检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3、SQ4分别为机械手下降上升是否到位检测开关；SQ5、SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关；SQ7、SQ8分别为小车速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关。4.2电气控制的设计包括主电路和控制电路的设计。主电路由两台电动机，即慢速电机和快速电机，分别拖动小车慢行和快行，其控制如下：慢速电动机M1由接触器KM1、KM2分别控制其正传和反转；快速电动机M2由接触器KM3和KM4分别控制其正传和反转。机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械手松开，得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情况发生。4.3操作面板及动作说明根据控制和生产工艺的要求，控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步进、回原位操作，自动控制包括单步、单周期、连续的操作。故操作方式选择开关设置有五个档位。手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、快进、慢进、快退、慢退和复位，故设置六个动作看官按钮。各个动作进行的同时均设有动作指示灯。另外设有启动停止按钮。其操作面板如图42所示：图42机械手操作面板示意图4.4 I/O分配I/O设备即所需的I/O点数如下表所示：信号I/O设备I/O点数信号I/O设备I/O点数 输 入操作方式选择旋钮开关手动时运动选择按钮启动停止按钮行程开关5829 输 出交流接触器控制线圈电磁阀动作指示原点指示4381图43 PLC I/O接线控制图第5章 搬运机械手的软件系统设计机械手动控制属顺序控制，故其手动程序采用普通的PLC控制指令控制，自动程序采用步进梯形指令控制5.1梯形图的总体设计按照机械手控制和工艺流程的要求，在选择“手动方式”时应执行手动程序；在选择“回原位”时应执行回原位程序；在选择自动程序时应执行自动程序。其中自动程序要在启动按钮按下时才执行。故梯形图的总体构成如图51所示。图51搬运机械手PLC控制梯形图总体构成5.2各部分梯形图的设计5.2.1 通用部分梯形图设计 通用部分梯形图分为三部分：1）. 状态器的初始化。初始化状态器S600在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关置于“返回原位”（X514接通）时，按下复位按钮（X507）时被置位，在“手动操作”（X510）接通时，S600复位。处于中间工步的状态器用手动做复位操作，即在方式选择开关位于“手动操作”或“返回原位”时，中间状态器同步复位。故初始化梯形图如图37所示，（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）。图52 状态器初始化梯形图2）. 状态器转换启动。若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后按下启动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步一步的向下传递，即可进行转换。在执行“连续程序” 时，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。另一面采用M100检查机器是否处于原位。当M575和M100都接通时，从初始状态器开始进行转换，故其梯形图如图38所示。图53状态器转换启动梯形图3）. 状态器转换禁止梯形图。激活特殊辅助继电器M574并用步进梯形指令控制状态器转换时，状态器的转换就被自动禁止。在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并自保持，操作停止在现行工步。当按下停止按钮时，从现行工步重新开始工作，M574应复位，即重新允许新转换。在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。但没按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一次。在“手动”工作方式时禁止进行状态转换。在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位，。PLC在启动时，用初始化脉冲M71和M574自保持，以此禁止状态转换，直到按下启动按钮。故状态器转换禁止梯形图如图54所示。图54 状态器转换禁止梯形图通过对53和54的分析可得出：在执行“手动操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通，（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时没按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的转换可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的转换被禁止，操作停止在现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续程序”时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。5.2.2 手动操作梯形图 手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方式来设计梯形图。“手动操作时”按下放松按钮时，机械手卡抓松开，当松开放松按钮时，机械手卡爪在液压缸作用下自动加紧并保持；按下上升按钮，上升输出Y435保持接通；按下下降按钮，Y436保持接通；在上限位按下慢进按钮，慢进输出Y430接通，至行程开关SQ7闭合，小车停止；快进、快退、慢退情况同慢进。手动操作梯形图设置有互锁，只有在小车处于左限位（即X403闭合）或右限位（即X412闭合）时机械手的上升下降动作才能进行，只有当机械手处于下限位（即X404接通）机械手的加紧放松动作才可以手动控制；为了安全，同一个电动机的正反转线圈不能同时接通，设计中设计了自锁开关，防止线圈同时接通造成的短路。故手动操作时梯形图如图55所示。图55 手动操作梯形图5.2.3 返回原位梯形图 在“返回原位”状态下，“夹紧”与“下降”动作应被停止，上限位未动作时，应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位置。故返回原位梯形图如图56所示：图56 返回原位梯形图5.2.4 “自动”状态梯形图 图57表示了机械手自动工作时执行各工步的情况，表示了各工步的实现和转换的条件。在第一次下降工步中，下降电磁阀Y436接通。自下限位置时，X404接通，转换为“夹持”过程；夹持电磁阀Y434复位，至加紧限位X406接通，转换为上升动作；当上限为开关SQ4闭合，X405接通，小车开始慢进动作。快进、慢进、延时、下降、加紧、上升、慢退、快退、慢退动作依次类推，如上所述一步一步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。图57搬运机械手自动工作流程图用状态器代替自动工作流程图的各工步，可得到58所示的功能表图： 图58搬运机械手自动工作功能表图根据图58所示的自动工作功能表图，可设计出自动操作时的梯形图如图59所示。图59搬运机械手自动工作梯形图第6章 组态监控系统的设计6.1 组态软件的结构划分以使用软件的工作阶段划分，也可以说是按照系统结构划分，从总体上讲，组态软件是由两大部分构成的，系统开发环境：是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统,供系统运行环境运行时使用。系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。系统运行环境：在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运行程序等。 组态软件支持在线组态技术，即在不退出系统运行环境的情况下可以直接进入组态环境并修改组态，使修改后的组态直接生效。自动化工程设计工程师最先接触的一定是系统开发环境，通过一定工作量的系统组态和调试，最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行，完成一个工程项目。(2)按照成员构成划分组态软件因为其功能强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其组成形式是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。6.2 其中必备的典型组件(1)应用程序管理器应用程序管理器是提供应用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用等功能的专用管理工具。在自动化工程设计工程师应用组态软件进行工程设计时，经常会遇到下面一些烦恼：经常要进行组态数据的备份；经常需要引用以往成功应用项目中的部分组态成果（如画面）；经常需要迅速了解计算机中保存了哪些应用项目。虽然这些要求可以用手工方式实现，但效率低下，极易出错。有了应用程序管理器的支持，这些操作将变得非常简单。(2)图形界面开发程序是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在图形编辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统,供图形运行环境运行时使用。 (3)图形界面运行程序在系统运行环