基于PLC和组态王的气动机械手监控毕业论文

本科生毕业设计 毕业设计题目基于FX2N及组态王的气动机械手监控 学生姓名 所在学院*学院 专 业 及 班 级测控技术与仪器 指导教师* 完成日期年月日 摘要 在工业生产等相关领域内，会有一些高温、腐蚀及有毒气体出现在工作环境 中，危害了操作人员的健康，增加了工人的劳动强度。而机械手可以解决这些问 题。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，从而替代人工操作，适 用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产。 本毕业设计任务主要通过PLC 完成对一个 5 自由度的机械手模型控制，使其 完成一系列的生产动作过程，并使用组态王软件对机械手进行监控，将机械手的 动 作 过 程 进 行 了 动 画 显 示 。 设 计 所 使用 的 机 械 手 系 统 (TVT-99D) 是 由 三 菱 FX2N-48MT PLC 主机、机械手 (滚珠丝杆、滑轨 )、Syntron 42BYG250C 步进电机及 其驱动器、传感器、光电编码器、气动元件等组成，可实现机械手的上下移动、 左右移动、底盘旋转及手爪旋转、抓放等动作。主要采用了步进顺序控制及步进 控制技术。涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化 的典型代表。 设计报告首先介绍了机械手控制方式的选择和所选择方式的简介；其次介绍 了应用 PLC 设计机械手的步骤；还介绍了PLC 机械手的程序调试；最后介绍了应 用组态王对机械手监控的过程，包括画面绘制、数据变量的设置等。 【关键词】: :机械手 PLC滚珠丝杠步进控制 I AbstractAbstract In industrial production and other domains, something like high temperature, corrosion and poisonous gas appear at workplace, which would increased workers labor intensity and even endangers their health. With manipulator used, those difficult problemscan be easily solved.Hand operationcan be replacedby manipulator operation, because it can grab, put, move objects flexibly and changefully. So it canbe applied to transform the production of variety of medium and small-volume automated production. The task of the graduation design is to control a mechanical hand model with 5 degrees of freedom by PLC, and use it to complete a series of actions.The KINGVING is used to monitor the mechanical hand, and change its movement into animations. The system(model:TVT-99D) I used is composed by MITSUBISHISFX2N-MT PLC, mechanical hand(ball screw, slide rail), Syntron 42BYG250C step motor and its driver module, sensor, photoelectricencoder ,pneumatic component and so on. It controls manipulatormove vertically or horizontally,chassis or paw rotate, pack-and-place. The design mainly uses stepping sequence control and stepping control technology. The process covers programmablecontrol technology,position control technology, detection technology, which is a typical representative of mechatronics. The design report firstly describes how to choose the way to control the mechanical hand and introductions of the ways. Then introduces the design steps. It also introduces program test of the manipulator.At last, the paper introduces the steps of processing and monitoring manipulator by KingView. 【Key words 】:mechanical handPLCball screwstep control II 目录 一、一、 绪论绪论 . 1 . 1 （一）（一） 课题研究目的及意义课题研究目的及意义 . 1 . 1 （二）（二） 国内外机械手研究概况国内外机械手研究概况 . . 1. 1 1.国内方面 . 1 2.国外方面 . 2 二、二、 机械手控制方式选择机械手控制方式选择 . 3 . 3 （一）机械手常用控制方法（一）机械手常用控制方法 . 3 . 3 1控制方式的分类 . 3 2.机械手控制方式的选定 . 4 （二）（二） PLCPLC 简介简介 . 5 . 5 1.PLC 组成 . 5 2.PLC 的特点 . 6 3. PLC 的主要功能 . 6 4. PLC 的经济性分析 . 7 5.PLC 的应用领域及发展状况 . 7 （三）组态王简介（三）组态王简介 . 8 . 8 1.仿真的基本方法 . 8 2.组态王软件特点 . 8 （四）机械手系统介绍（四）机械手系统介绍. .1 10 0 1.机械手本体 .11 2.步进电机及其驱动器 .12 3.直流电机驱动器单元 .17 4接近开关和限位开关 .18 5.旋转码盘 .19 三、三、 应用应用 PLCPLC 设计机械手的步骤设计机械手的步骤 . 20 . 20 （一）（一） 工艺控制和设计要求工艺控制和设计要求 . .2 20 0 1.具体流程及步骤 .20 2.设计要求 .21 （二）（二） PLCPLC 程序设计程序设计 . .2 22 2 1. I/O 点数的确定及 PLC 类型的选择 .22 2. PLC 的 I/O 分配 .22 3.编程方式及指令的选择 .23 4.PLC 程序的设计 .25 四、四、PLCPLC 机械手的程序调试机械手的程序调试 . 31. 31 （一）（一） PLCPLC 控制的安装与布线控制的安装与布线 .3 31 1 1.输入接线 .31 2.电源接线 .31 3.接地 .32 （二）机械手控制系统的外部接线图（二）机械手控制系统的外部接线图.3 33 3 五、应用组态王对机械手监控过程五、应用组态王对机械手监控过程 . 34 . 34 （一）画面绘制（一）画面绘制 . .3 34 4 （二）数据变量的设置（二）数据变量的设置. .3 35 5 （三）组态王与（三）组态王与 PLCPLC 的通讯设置的通讯设置 . .3 35 5 （四）实际监控（四）实际监控 . .3 36 6 六、小结六、小结 . 37. 37 （一）设计和调试过程遇到的问题及解决方法（一）设计和调试过程遇到的问题及解决方法. .3 37 7 1.外部接线问题 .37 2.PLC 选型的问题 .37 3.接近开关使用 .37 4.合并程序 .38 5.特殊辅助继电器 M8029 的使用 .38 6.步进电机控制问题 .38 （二）心得体会（二）心得体会 . .3 39 9 七、致谢七、致谢 . 40. 40 参考文献参考文献 . 41. 41 一、 绪论 （一） 课题研究目的及意义 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动 化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应 用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是 在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于 其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件， 减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它 的应用和发展。 对于机械手的了解和控制，能加深对所学知识的理解和巩固，提高动手能力 和解决实际问题的能力。接触与生产相关的东西，了解与实际工作有关的知识， 对于之后的学习和工作都能有很多益处。 （二） 国内外机械手研究概况 1.国内方面 目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械 手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了 机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计 和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全 套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、 焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展 中国机械手技术的基础。 1 2.国外方面 机械手首先是从美国开始研制的。1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人 的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用 人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示 教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958 年美国联合控制 公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再 现）是 1962 年美国 AMF 公司推出的“VERSTRAN” 和 UNIMATION公司推出的 “UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成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。 近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而 单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC 机的 开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用 已从仿真、预演发展到用于过程控制。 2 二、 机械手控制方式选择 （一）机械手常用控制方法 1控制方式的分类 1)单片机 单片机具有较高的集成度，特别是当前比较流行的增强型单片机，一块芯片 上集成了 CPU、RAM、 ROM(EEPROM 或 EPROM)、时钟，定时器。外部中断、模数转 换、数模转换、 SPI、PWM、PCA、ISP、IAP 等诸多功能，价格从几元到几十元不等， 但总体来说比较便宜。 其缺点是处理速度相对较慢，当要处理的数据量特别是浮点运算工作量比较 大、实时性和精度要求比较高时运用单片机开发控制系统就比较困难了。 2)ARM ARM 核处理器，是具有高性能、廉价、低功耗的租 SC 处理器，同时，ARM 处 理器可以支持 8 位、16 位、32 位数据类型，采用流水线来增加处理器指令流的速 度，锁相环技术进一步提高指令运行速度。可以嵌入操作系统，运用于更加复杂 的操作对象。 其缺点是开发周期长，多用于嵌入式运用。 3)DSP DSP 器件具有很高的集成度，运行速度更快，多级流水线和内置的高速硬件乘 法器，并且提供了高度专业化的指令集，这些都提高了 FFT 快速傅里叶变换和滤 波器的运算速度，所以 DSP 器件多用于以算法为主的嵌入式系统。 其缺点是开发难度相对比较大，而且 DSP 器件的价格也不便宜。 4）LabView(虚拟仪器) 虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集与控制、数据处理与分析及数据的显 示这 3 部分的物理功能，将计算机资源与仪器硬件、 DSP 技术相结合，在系统内共 享软硬件资源。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形 环境，采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立图形化的软面 板来替代常规的传统仪器面板。 3 缺点有操作内存很难，设计过于程式化且对于硬件的依赖型很强。 5）PLC(可编程控制器) 详见下一节 2.机械手控制方式的选定 PLC 实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件 是利用 PLC 厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。 PLC 自问世以来，经过 20 多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成 为重要产业，当前， PLC 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用 PLC 设 计自动控制系统已成为世界潮流。 PLC 之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、 强抗各 种干扰的能力。编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更 接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和 成本。PLC 的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面 向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能 对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。 PLC 具有很多的优点。机械手控制系统若采用PLC 控制，体积小、重量轻、控制方 式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。由于 PLC 所具有的灵活性、模块化、易于 扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。机械手采用 PLC 控制技 术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬 件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，用 PLC 控制系统可方便地更改生产流程， 增强控制功能。 上述的选择方案各有优缺点，这次对于控制系统的设计不需要选择速度最快的硬 件器件，也不需要可视化的图形编程语言和平台，而是在达到设计要求的前提下，尽 量降低系统的运行速度和开发成本，提高了系统运行的稳定性。且要求能方便地更改 工作流程，完成复杂的运动控制。 综上所述，机械手的控制方式选择 PLC 控制。 4 （二）PLC 简介 PLC 和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 PLC 的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电 源部件、编程器、I/O 扩展单元和其他外围设备组成。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 1 PLC 硬件系统组成 PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户 程序两大部分。系统程序是每一个PLC 成品必须包括的部分，由PLC 厂家提供，用于 控制 PLC 本身的运行，系统程序固化在 EPROM 中。用户程序是由用户根据控制需要 而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，他们是相辅相成， 缺一不可的。 1.PLC 组成 中央处理单元（ CPU） 、存储器、 I/O 单元、电源部分、扩展接口、通信接口 5 2.PLC 的特点 可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是 一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用 可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中 应用更为普遍。其主要原因是因为 PLC 具有以下优点： 灵活、通用 可靠性高、抗干扰能力强 操作方便、维修容易 功能强 体积小、重量轻和易于实现机电一体化 同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和 单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制 器以及其附属单元都是固定专用等等。 3. PLC 的主要功能 PLC 是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计 算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。 PLC 系统主要有以下功能： 多种控制功能； 数据采集、存储与处理功能； 通信联网功能； 输入、输出接口调理功能； 人机界面功能； 编程、调试功能。 PLC 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增 加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用 PLC 还可以大大缩短设计、 编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC 产品面临现场总线的发展，将再次革新， 满足工业与民用控制的更高需求。 6 4. PLC 的经济性分析 综上所述，在各种环境中，使用 PLC 控制机构设备，生产流水线和生产过程的自 动化控制将越来越广泛。 对 PLC 的经济分析，应从以下两个方面考虑： （1）从影响成本的各个因素综合考虑 对目前生产设备控制装置来说，有继电器控制、半导体器件控制以及 PLC 控制三 种类型。价格仅是选择 PLC 品牌的一个因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的 又一个重要因素。 （2）从设计、生产周期长短考虑 5.PLC 的应用领域及发展状况 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑， 大大减少了控制设备外部的界限， 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。使用情况主要分为如下几类： 开关量逻辑控制 工业过程控制 运动控制 数据处理 通信及联网 现代 PLC 的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格 更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发 展。 7 （三）组态王简介 组态王是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它具有适应 性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通过对现场数据的采集 处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决 实际工程问题的方案，在自动化领域中有着广泛的应用。本设计通过组态王软件 对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程 更加形象化。能够方便的和PLC 进行连接，故采用组态王作为上位机软件。 1.仿真的基本方法 使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法： (1)图形界面的设计 (2)构造数据库 (3)建立动画连接 (4)运行和调试 2.组态王软件特点 使用组态王软件开发具有以下几个特点: (1)实验全部用软件来实现 ,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课 程的实验 ,从而大大减少购置仪器的经费。 (2)该系统是中文界面 ,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言 , 操作简单易学且编程简单 ,参数输入与修改灵活 ,具有多次或重复仿真运行的控制 能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的 实时趋势曲线 ,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想 的效果。 3.编制过程注意点 在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面: (1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 8 (2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象 的各种属性 ,比如水位、流量等。 (3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操 作者输入控制设备的指令。 图 2 组态王软件操作界面 9 （四）机械手系统介绍 本次毕业设计使用的是 QSPLC-JXS 机械手模型装置。 机械手实物教学模型的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹等机械部件组 成；电气方面有步进电机、直流电机、步进电机驱动器、传感器、开关电源、电磁阀 等电子器件组成。该模型是 PLC 技术、位置控制技术、气动技术有机结合成一体的教 学仪器。 可实现机械手五维控制，完成料块的码放、移动等。 图 3.机械手系统实体图 该系统由机械手本体、 PLC 控制单元、电源单元、接口单元，其部件的实物 结构如下图所示： 10 图 4. 立体机械手结构实物示意图 1.机械手本体 机械手本体按功能分为由二轴平移机构、旋转底盘、旋转手臂机构、气动 夹手、支架、限位开关等部件组成； 按活动关节分为 S 轴、L 轴、U 轴、T 轴、B 轴等机构，其结构示意图如下所示： 11 图 5. 机械手结构示意图 机械手本体的活动范围： （1）底盘的旋转角度：大于270 （2）旋转手臂的范围：大于270 （3）水平移动的范围：小于21cm （4）垂直移动的范围：小于15cm 2.步进电机及其驱动器 （1）步进电机 采用 Syntron 42BYG250C 两相混合式步进电机来控制机械手的动作，相比直流电 机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。主要 特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。本模型中采用串联 型接法，其电气接线图如图 6 所示： A+ (红) A- (蓝) (绿) B+ (黑) B- 图 6. 步进电机电气接线图 12 步进电机的参数如下： 电机固有步距角，它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。 电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9 /1.8 （表 示半步工作时为 0.9 、 整步工作时为 1.8 ） ， 这个步距角可以称之为电机固有步距角， 它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五 相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9 /1.8 、 三相的为 0.75 /1.5 、五相的为 0.36 /0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择 不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得 没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子 的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转 矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而 变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N.m 的步进电机。DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT ORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是 永磁材料，所以它没有 DETENT TORQUE。 图 7. 步进电机 13 （2）步进电机驱动器 实验室里采用 Syntron SH-20403 细分驱动器。步进电机驱动器主要有电源输入部 分、信号输入部分、输出部分等。下图为该细分驱动器示意图及 PLC 与步进电机驱动 器连接图： 图 8.细分驱动器示意图 图 9. PLC 与步进电机驱动器连接图 14 驱动器参数如下表 1、表 2、表 3、表 4、表 5 所示。PLC 控制器与步进电机驱动 器连接及工作原理，如图 9 所示。步进电机驱动器有电源输入部分、信号输入部分、 信号输出部分等，利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速、方向进行控制。驱动 器电源由面板上电源模块提供， 驱动器信号端采用+24V 供电，需加 1.5K 限流电阻（见 图 9 中 1.5K 电阻） 。驱动器输入端为低电平有效。PLC 通过控制其输出点来控制驱动 器光耦的开合，当 PLC 输出线圈得电时，晶体管导通。 相应的触点输出低电平，使驱动器光耦导通，当 PLC 输出线圈失电时，晶体管关 断，使驱动器光耦截止。另外若不采用驱动器，而采用 PLC 输出触点直接驱动步进电 机，会占用很多的输出触点，同时给编程带来不便。 下图为步进电机驱动器实物图： 图 10. 步进