基于PLC的机械手控制系统的设计.doc

摘 要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。机械手的是机器人的一个重要分支。它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。机械手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。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。可编程控制器即PLC是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发出来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量是输入/输出来控制设备或生产过程。机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。本设计就PLC在机械手控制上的应用作了详细阐述.关键词：PLC/机械手/电机/传感器/汽缸/电磁阀目 录引言51.绪论51.1本课题设计的背景61.2 本课题设计的内容41.3本课题设计的目的和意义52.系统控制方案的确定52.1机械手的概述52.2 采用PLC控制机械手的优点72.3 系统设计的基本步骤82.4 系统控制方案82.5 机械手控制系统的原理图83.系统硬件设计103.1可编程控制器(PLC)的选型103.1.1 PLC概述103.1.2 PLC的选型113.2 传感器的选型133.3 电机的选型133.4 液压缸的选型133.5 I/O接线示意图144系统软件设计154.1 PLC梯形图概述154.2 控制系统程序设计164.3 SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的操作方法.184.4 系统工作过程分析195.结论19致谢20参考文献21引言可编程控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多地采用PLC控制系统取代传统的继电-接触器控制系统。与继电接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电接触器控制系统小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。本课题在对一种执行机构由电动机和液压缸组成的工业机械手的结构进行分析的基础上，将PLC应用于其控制系统，完成了系统的硬件设计和软件设计。根据该机械手的工作特点，采用步进顺序控制方式，使程序简化，便于调试。将PC与PLC组成分布式控制系统，进行联网通信，工作人员可在上位机上编程、监刚设备运行情况，实时地对现场参数进行修改、调整，使系统工作于最佳状态。1.绪论1.1本课题设计的背景随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。1969年美国数字设备公司（DEC）研制书世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，简称PLC（programmable logic controller）。70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmable controller）.但由于PC容易与个人计算机（programmable computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。可编程控制器，简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的的一中新型工业控制设备。 具有1.可靠性高、抗干扰能力强 2.设计、安装容易，维护工作量少 4.功能强、通用性好 5.开发周期短，成功率高 6.体积小，重量轻、功耗底等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电接触器控制系统小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。因此，进行机械手的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。1.2 本课题设计的内容本设计将在以下几个方面对机械手的控制系统进行研究和论证。1机械手类型的选择。综合电梯的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究机械手的上升下降控制，左旋右旋控制、夹紧放松控制。2机械手硬件系统的设计。本课题设计的机械手要求运行准确度高，在机械手的检测系统中选用用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的光电传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现PLC对机械手的控制。由于本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑了机械手的经济实用、稳定的需要。3.机械手控制系统软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计出机械手控制的要求，梯形图的编写运用SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，此软件支持全部的三菱FX系列的PLC，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了维修时间。1.3本课题设计的目的和意义 随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展。机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS )和计算机集成制造系统(CIMS )，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。 继电器组成的控制系统是最早的一种实现机械手控制的方法。但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对机械手的安全性、可靠性、准确性的要求越来越高，继电器弱点就越来越明显。可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。机械手控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过PLC对程序设计，提高了机械手的控制水平，并改善了机械手运行的灵活性。因此PLC在机械手控制系统中的应用非常广泛，非常有实际价值。2.系统控制方案的确定2.1机械手的概述我国国家标准(GB/T 12643-90)对机械手的定义:“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。” 机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。 专用机械手:它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定(有时可调)程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。 通用机械手:它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。2.2 采用PLC控制机械手的优点1、控制方式上看：电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而plc软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。2、工作方式上看：电器控制并行工作，而plc串行工作，不受制约。3、控制速度上看：电器控制速度慢，触点易抖动；而plc通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。4、可靠、维护看：电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；plc无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。2.3 系统设计的基本步骤机械手系统设计与调试的主要步骤，如下图21所示：在机械手控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：1.深入了解和分析机械手的工艺条件和控制要求。2.确定I/O设备。根据机械手控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。5.设计机械手系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个机械手系统设计的核心工作。6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。7.机械手整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试种发现的问题要逐一排除，直至调试成功。图1.系统设计的步骤图2.4 系统控制方案本机械手用于生产线上工件的自动搬运，其结构如图2所示。由A,B两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作。A缸通过一个单控两位四通电磁换向阀控制工件的夹紧、放松，B缸通过一个双控两位四通电磁换向阀控制机械手的升降;由小车实现机械手的移动。该小车用两台电动机驱动，一台是高速，一台是慢速。当小车前进时以慢快慢的形式行进，返回时以慢快慢的形式后退。当工件从输送带输送到机械手的下方时，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, 与机械手夹钳相联的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;当工件提升至最高位置时碰压行程开关SQ4，启动小车向右慢速行走;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;行至右边终点碰压强 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，小车以慢快慢的运动形式沿原路返回，恢复到图中所示的原点位置。图2.机械手的结构示意图2.5 机械手控制系统的原理图机械手控制系统的原理图如图3所示图3.机械手控制系统原理图3.系统硬件设计3.1可编程控制器(PLC)的选型3.1.1 PLC概述可编程控制器，英文称Programmable Controller，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：逻辑处理功能；数据运算功能；准确定时功能；高速计数功能；中断处理（可以实现各种内外中断）功能；程序与数据存储功能；联网通信功能；自检测、自诊断功能。可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。像PLC这样。集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。3.1.2 PLC的选型在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。1输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入31点，输出33点。2存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。3控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。根据本课题所设计的机械手控制系统的需要，主要介绍以下几种功能的选择。（1）控制功能PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。（2）编程功能离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。（3）诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。4机型的选择目前，国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从。通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分许。我决定使用三菱公司生产的FX2N系列的FX2N-48MR型号的可编程控制作为机械手的控制器。3.2 传感器的选型选择上海普邦传感器有限公司生产的型号为EDAB-2DP的光电传感器，如图4。检出方式为透过型，检测距离为5m，检出物体不透明物体幅16mm以上，指向角3-20，应答时间7ms以下输出电流200mA以下。图4.EDAB-2DP光电传感器实物图3.3 电机的选型这里的电机是用于驱动小车。可选择嘉兴市嘉年华电机有限公司生产的YD系列变极多速电动机，如图5。具有效率高、噪声低、振动小、堵转转矩高，运行可靠等特点，功率等级和安装尺寸符合IEC和DIN标准，适用于驱动无特殊性能要求的各种机械。而定电压380V（可制成220V，400V，415V，440V和660V等），频率50Hz（或60Hz），绝缘等级为B级（可选F、H级），防护等级IP44（可选IP54，IP55，IP56）。YD系列电机具有可随负载性质的要求而分级地变速转速，从而达到功率的合理匹配和简化变速系统的特点。图5.YD系列变极多速电动机实物图3.4 液压缸的选型选择上海永久电机设备有限公司的RD-系列精密生产用液压缸，如图6.其特点有：1、 设计成经久耐用型，生产应用的最佳选择2、 独特的安装结构简化固定过程3、 烤漆表面提高抗腐蚀能力 4、双作用操作在两个方向产生力，提供各种多样性能5、 防尘环减少污染，延长液压缸使用寿命图6.RD系列液压缸实物图3.5 PLC I/O接线示意图控制电路设计主要是PLC输人、输出接线图的设计，按照机械手控制和工艺流程的要求，科学地选择控制方案，确定PLC型号和传感器，合理地分配输人、输出点，得到图7所示的PLC输人、输出接线图。图7. PLC I/O接线示意图4系统软件设计4.1 PLC梯形图概述梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)，。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。4.2控制系统程序设计本设计有“自动/手动”二种工作方式，其控制程序可分为自动控制程序和手动控制程序二个模块。各模块程序分开编写，结构清晰，便于调试和修改。分析可知，在“自动”工作方式下，本机械手的运动是以开关量作为转移信号，按所设计的工艺流程一步一步地进行工作，其控制过程为顺序循环控制，可选择STL步进顺序控制方式 ，即采用步进顺控指令对其编程，可使程序简化，提高编程效率，为程序的调试、试运行带来许多方便。当机械手完成一个工件的搬移、小车返回原位，夹钳处于放松状态时，就为下一个工件的搬移作好了准备。当通过输送带输送来的工件到位时，SQ1动作，发出启动指令，进人新一轮循环。YA1是单电两位四通电磁阀的电磁线圈，为了安全，设计要求它在失电时机械手仍处于夹紧状态，得电才张开机械手。所以，开机时用SET指令，将Y004置1,YA1便带电，机械手是张开的。系统的自动控制状态转移图如图8所示。图8.自动控制状态转移图手动控制程序用于实现机械手升降、夹钳放松、小车进退和运动快慢的点动控制和状态指示。当机械手工作中途停电或系统发生故障时，可使机械手手动复位，其梯形图程序如图9所示。图9.手动控制程序4.3 SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的操作方法及调试本课题采用的编程软件为SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，具体的操作方法如下：1打开SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，之后点击，在下拉菜单栏里点击“新文件(N)”，再选择FXON开后就可以绘制梯形图编本课题的程序。2在打开文件之后就可以绘制梯形图，根据所编的程序的，在页面右面的功能图，如4-2所示：图4-2 SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的功能图在绘制梯形图中选择需要的