【电气工程及其自动化】基于plc的五自由度机械手控制系统设计

本科生毕业论文（设计）基于PLC的五自由度机械手控制系统设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2014年5月24日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论211课题研究背景及意义212研究现状及发展趋势2121机械手的研究现状及发展趋势2122机械手控制系统的研究现状及发展趋势3123组态软件413课题主要研究内容52系统整体设计方案521整体设计522功能作用623各模块功能的简单介绍63系统硬件介绍731机械手机械结构及电气元件介绍732控制器介绍933电气接线原理图934人机界面介绍104系统软件设计1141整体设计11411总流程设计11412手动功能设计12413单步功能设计13414循环功能设计1442功能代码编写155人机界面设计196调试2261GXSMULETOR程序模拟调试2262联合调试237结论与展望28参考文献30附录程序指令表31致谢37基于PLC的五自由度机械手控制系统设计摘要本文设计的五自由度机械手控制系统以PLC为核心，以组态软件组态王构建监控，用步进电机做各关节驱动，控制机械手实现输入坐标的定位，手动，单步，循环运行等功能。关键字五自由度机械手；PLC；组态王；坐标FIVEDOFMANIPULATORCONTROLSYSTEMDESIGNBASEDONPLCABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESDESIGNOFCONTROLSYSTEMBASEDONFIVEDOFMANIPULATOR,WITHPLCASCONTROLUNITKINGVIEWCONFIGURATIONSOFTWAREISUSEDFORSTATUSMONITORINGANDSTEPPINGMOTORISUSEDFORFULFILLINGTHEJOINTDRIVING,WITHCONTROLLINGTHEMANIPULATORTOACHIEVETHEFUNCTIONINCLUDINGINPUTCOORDINATESPOSITIONING,OPERATIONOFMANUAL,SINGLESTEPANDCIRCULATING,ETCKEYWORDFIVEDOFMANIPULATORPLCKINGVIEWCOORDINATE1绪论11课题研究背景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。PLC作为新型的工业控制装置，在工业控制领域正飞速发展。作为工业生产自动控制系统的三大支柱之一的PLC的主要优点包括可靠性高、编程简单、通用性好、并且易于安装维护。它的几种常见的控制应用类型为逻辑控制、生产监控、模拟量控制、闭环调节控制，组成大型控制网络。正是由于它的这些强大的控制功能，使其被广泛应用于冶金、化工、机械、印刷、电子、电力、建筑建材、交通等几乎所有的工业控制领域。1随着现代工业生产的迅速发展，机械手在世界范围内得以广泛应用。因而对机械手的控制要求也越来越高，若用传统的继电器控制方案进行控制，势必造成系统元件多，接线繁杂、稳定性差、故障率高，给工业生产带来很多不便。而基于PLC的机械手控制系统具有高性能的可靠性，抗干扰能力，能根据实际应用场所而更改用户程序实现不同用途。通用性强，改造方便，改造成本低。12研究现状及发展趋势121机械手的研究现状及发展趋势机器人（ROBOT）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感器技术、人工智能、仿生学等多种学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。而且机器人应用情况是反映一个国家工业自动化水平的重要标志。2目前，工业机器人技术在制造业的应用范围越来越广泛，已经从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑、农业、灾难救援等各种非制造行业。但汽车工业认识工业机器人的主要应用领域。据了解，美国60的工业机器人用于汽车生产；全世界用于汽车工业的工业机器人已经达到总用量的37，用于汽车零部件的工业机器人约占24。3机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，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。机器手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动化控制技术、传感技术和计算机技术的科学领域，是一门跨学科综合性技术。目前国内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。在国内主要是逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业。国外发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。122机械手控制系统的研究现状及发展趋势自从美国DEC公司1968年研制成世界上第一台可编程控制器到现在，PLC技术得到了飞速的发展，在美国、日本、德国、法国等工业发达国家已发展成为重要的产业，PLC产品已成为工业领域中占主导地位的基础自动化设备，在国际市场上成为倍受欢迎的畅销产品，用PLC设计自动控制系统已成为一种世界潮流。从我国国内市场使用情况来看，进口大、中型PLC以美国和欧洲产品为主，小型PLC以日本产品为主。前者数量较少，后者数量较多。目前，PLC的产品多达数百种，厂家遍布世界各地，不同领域、不同厂家的产品在使用上相差甚远，甚至同一厂家不同系列的产品在编程语言和编程方法上也有较大差异。PLC技术的发展动向主要表现有以下（1）规模上向大小两头发展。（2）编程语言向标准化靠拢。（3）输入输出模块智能化和专用化。（4）网络通信功能标准化。（5）控制与管理功能一体化。4123组态软件组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文SCADA,即SUPERVISORYCONTROLANDDATAACQUISITION（数据采集与监视控制）。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统RTUSYSTEM,REMOTETERMINALUNIT。国内外各公司开发的组态软件很多，目前在国内外市场占有率较高的组态软件分别是GEFANUC的IFIX、WONDERWARE的INTOUCH、西门子WINCC、CITECH等。中国大陆厂商以力控、亚控等为主，除此外尚有510个厂商从事监控组态软件业务。在国内市场上，高端市场仍被国外产品垄断。国内产品已经开始抢占一些高端市场，并且所占比例在逐渐增长。国外主要品牌包括INTOUCH、IFIX、CITECH、WINCC、ASPENTECH、MOVICON、GENESIS64等国内主要品牌包括紫金桥REALINFO、HMIBUILDER、世纪星、三维力控、组态王KINGVIEW、MCGS、态神、USCADA、CONTROX、EFORM、ICENTROVIEW、QTOUCH、易控等监控组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业IT技术的不断发展而诞生、发展起来的。在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。监控组态软件给工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的，它带动着整个社会生产、生活方式的变化，这种变化仍在继续发展。因此组态软件作为新生事物尚处于高速发展时期，目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总结和探讨，更没有形成独立、专门的理论研究机构。近5年来，一些与监控组态软件密切相关的技术如OPC、OPCXML、现场总线等技术也取得了飞速的发展，是监控组态软件发展的有力支撑。13课题主要研究内容本课题主要研究的是基于PLC的五自由度机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。重点是通过模拟仿真设计编制PLC程序实现机械手模型控制系统的自动控制。利用组态王软件设计出人机界面，进行设备和数据对象的连接，实现机械手的监控。通过组态王将机械手的动作过程的参数实时显示，使机械手的动作形象化。提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，为维修和故障诊断提供多方面的可能性，提高系统的工作效率。2系统整体设计方案21整体设计本控制系统以三菱FX2NPLC为核心，与上位机，外部按钮与传感器，驱动电路，动力执行元件共同组成。设计框架如图1所示。图1控制系统设计框架图22功能作用本控制系统中，上位机用于实时显示运行时的各参数，如实时坐标，期望坐标，循环次数等。同时上位机也用于用户功能参数的设定，如期望坐标设定，手动、自动设定，自动运行又包括单步运行、循环运行等。上位机还用于手动控制各个关节动作等。外部传感器用于原点检测与运行安全保护。外接1个急停按钮用于紧急情况停机。上位机和按钮的输入到PLC经程序运算与控制输出，使各电机相互配合动作，实现机械手在用户设定的坐标点之间往返运作。23各模块功能的简单介绍1上位机模块显示PLC实时运行状态，用户功能参数设定2按钮及传感器模块硬件监视PLC运行安全，手动与紧急控制3PLC模块进行运算和对执行元件的控制功能4驱动电路模块将PLC输出信号转换成功率而控制执行元件5执行元件模块执行动作实现机械手的各种动作功能3系统硬件介绍31机械手机械结构及电气元件介绍机器手的机械系统的组成主要是由执行机构和驱动传动系统共同构成的。执行机构是机器人非常关键的部分，是其赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节等组成，并且由驱动传动系统来提供动力，按控制要求完成工作。驱动传动系统为机器人的动力，主要包括传动系统和驱动机构，其中传动系统将驱动力转换为机器人各关节运动所需要的力矩或驱动力。而驱动机构则直接提供了机器人各关节所需要的动力。本课题机械手三视图见图2图4，底盘可提供360度旋转；展臂可沿立臂上下移动，同时可沿展臂方向前后移动；小臂与展臂关节处可旋转，角度为竖直向方向的6060度；小臂还能沿小臂方向做小距离伸缩移动。末端夹具则用于把物体夹稳移动。图2侧视图图3俯视图图4正视图机械手的驱动方式分类，包括液压传动、气动传动、机械传动、电力传动。其中电力传动是使用直流电机、步进电机、伺服电机等直接驱动执行机构，不需要中间转换的机构，因而简化了机械机构，运行速度和反应速度快。步进电机驱动可以轻易的做到保持固定力矩输出，在实际工作中很好的避免意外情况发生对机械手造成损坏。步进电机驱动的特点步进电机的位置控制由指令脉冲的总数而定，控制脉冲的频率PPS可以达到调速的目的。因此一般情况下不需要反馈电路，直接开环控制。本机械手有底盘旋转、竖臂上下、展臂伸缩、小臂转动、小臂伸缩等五个自由度，则需要五个动作机构，由步进电机驱动。本次设计选择步进电机型号为5BYJ212，额定电压DC24V，内阻50，力矩147MNM。由参数看知，用晶体管PLC输出触点可直接驱动该步进电机。另外，因为步进电机的单双八拍运行方式可以保持较高转动力矩又可以提高控制精度，所以运行方式用八拍。直线移动关节用丝杠配合使转动变换为直线传动，转动关节也应用减速装置进行减速转动，以达到精确定位与增大负载能力的效果。另外在机械手中手部的夹具，一般为了保证稳定的抓取物品，特别是物品比较脆弱的情况下采用气动的方式驱动较多。有的使用直流电机控制夹具抓取，但难以判断手部是否已经准确的抓取到物品。末端夹具需要加紧货物并要防止夹取货物时力矩太大而夹坏货物，选择气动驱动。气动系统由电磁阀的通断进行控制动作，所选气动电磁阀为4V21008直通式电磁阀，工作压力1770KGF/CM，工作温度550度，最大耐压力105KGF/CM，工作电压AC24V、DC24V，耗电量AC6VA、DC4W，电压范围1525，励磁时间005S，正常使用寿命约1000万次。因为是步进电机开环传动，没有精确的反馈信号，为可靠性与安全性考虑，在每个关节上安装相应的原点限位开关与距离限位开关。型号选择为TZME8122限位开关。为操作安全与迅速考虑，设计了一个外接急停按钮与一个外接报警器，所选型号分别为Y09011BN绿色点动按钮，AD1622SMDC24V声光报警器。Y09011BN按钮参数额定绝缘电压AC600V，额定电压24V，承受直流8A。AD1622SM声光报警器参数功能闪光蜂鸣器，报警器，带声音信号灯；电压DC24V；安装孔径22MM内置螺丝式接线）；声音大小80分贝；发生形式闪光，断续声。32控制器介绍FX2N是三菱公司推出的高性能小型可编程控制器,FX系列PLC中应用最广泛的产品。FX系列PLC输出方式有继电器输出、可控硅输出、晶体管输出。输入输出触点计算本机械手采用了五个四相五线制步进电机做关节驱动，所用输出触点20个；末端夹具用气动驱动，用一个电磁阀控制，所用触点1个；一个报警灯，用触点1个。输出触点共22个。机械手每个关节都配1个原点限位开关，共5个；每个关节配1个安全距离限位开关，共5个；急停按钮1个。输入触点一共11个。PLC选型时应考虑20左右的预留触点，另外，本设计需要驱动多个步进电机，输出频率较高，故采用晶体管型输出，按钮用点动触点数字输入。故综合比较，本设计选用FX2N64MT型号的PLC。33电气接线原理图电气原理图见图5。24V0COM135COM6Y2470ENDEND气动电磁阀声光报警器LNRS8X120V上位机FNTRS485原点限位距离限位急停图5电气原理图IO分配表见表1。表1IO分配表输入触点名称输出触点名称X0底盘原点限位Y01电机A相X1展臂原点限位Y11电机B相X2竖臂原点限位Y21电机C相X3小臂角原点限位Y31电机D相X4小臂长原点限位Y42电机A相X5底盘距离限位Y52电机B相X6展臂距离限位Y62电机C相X7竖臂距离限位Y72电机D相X10小臂角距离限位Y103电机A相X11小臂长距离限位Y113电机B相X12外接急停按钮Y123电机C相Y133电机D相Y144电机A相Y154电机B相Y164电机C相Y174电机D相Y205电机A相Y215电机B相Y225电机C相Y235电机D相Y24气动系统电磁阀Y25外接报警器34人机界面介绍本课题采用PC和组态王软件组构HMI。组态王KINGVIEW由北京亚控科技发展有限公司开发，该公司成立于1997年。1991年开始创业，1995年推出组态王10版本，在市场上广泛推广KINGVIEW653、KINGVIEW655版本，每年销量在10,000套以上，在国产软件市场中市场占有率第一。组态王提供了类C语言的脚本编程，丰富的画图功能及简便的控件等，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。4系统软件设计41整体设计软件系统主要分为三部分基础梯形图块、子程序梯形图块、主程序SFC块。基础梯形图块担当基础运行作用，比如初始化设置，产生驱动时钟脉冲，急停保护等；子程序梯形图块主要作用是辅助控制程序的流向，比如坐标的比较定位与记录，程序执行的状态，步进电机的正反转；主程序SFC块则负责让各各子程序形成相互配合，根据输入的控制参数，按一定顺序调用相应的子程序，实现循环、单步、手动等运行功能。程序模块结构图见图6基础梯形图块主程序SFC块子程序梯形图块记录坐标设置状态位初始化参数工作脉冲控制参数初始化参数工作脉冲功能调用上位机图6程序结构图411总流程设计程序启动之后，首先是根据各关节的限位开关状态检测机械手是否在原点位置，如果不在原点，则需要手动复位至原点。若已在原点，则进入准备就绪状态，可以启动工作。此时，要根据操作选择是手动功能、单步功能或循环功能运行。每当一个运行方式结束，应让机械手回到原点位置，然后再次选择运行方式。总流程图见图7。开始是否在原点准备就绪是开始结束否手动单步循环否结束CASE1CASE2CASE3手动复位是图7总流程图412手动功能设计手动功能不用设定各种运行参数，运行时将根据操作员的输入而控制不同的电机动作，实现不同关节的依次控制，同时会记录和显现机械手的实时坐标，以便于操作员参考与控制。手动功能流程图见图8。开始手动准备就绪结束底盘旋转立臂动作展臂动作否返回主菜单CASE1CASE2CASE3是小臂角度CASE4小臂动作CASE5夹具动作图8手动功能流程图413单步功能设计循环功能需先设定目标坐标1、目标坐标2，以及在目标坐标上的夹具动作等参数。每次按下启动，则从原点出发，移动到目标坐标1做相应动作，再移动到目标坐标2做相应动作，回到原点等待下一步指令。单步功能流程图见图9。CASE6开始单步准备就绪结束否返回主菜单是运行到坐标1是夹具动作启动夹具动作运行到坐标2返回原点图9单步功能流程图414循环功能设计循环功能需先设定目标坐标1、目标坐标2，以及在目标坐标上的夹具动作，还需要设定循环次数。工作时，参数设定后，启动，则机械手先从原点移动到目标坐标1，做相应动作，再移动到目标坐标2，做相应动作，计数加一，如果计数未达到设定值，则返回坐标1，循环。当计数达到设定值时，机械手返回原点，停机等待下一步命令。循环功能流程图见图10。开始循环初始化（坐标、计数参数设定）计数满否返回主菜单是运行到坐标1是夹具动作计数加1启动夹具动作运行到坐标2返回原点图10循环功能流程图42功能代码编写步进电机转动控制子程序1，见图11。图111步进电机坐标定位控制梯形图图11中，T201为震荡电路的输出脉冲。D200为运行的目标坐标，当写入了用户设定的坐标值时，用以控制电机运行到适当的位置。D205为电机运行的现坐标，用来记录电机的运行坐标。目标坐标和现坐标都只允许为0999的整数值。步进电机的转动方向控制是用移位指令RORP和ROLP实现正反转，而每次移位前，先要用CMPP指令进行坐标比较，设置标志位。当现值大于目标值时M201为1，电机反转，每移位一次，现坐标减1；当现值等于目标值时M202、M203为0，电机停止转动，输出坐标到位标志位M2021；当现值小于目标值时M203为1，电机正转，每移位一次，现坐标加1。X000和X005分别是1电机的原点限位开关和安全限度限位开关，当坐标在原点时，X000将反转指令回路切断，电机只允许正转（坐标不允许为负值）；当坐标为最大值时，行程达到最远，X005将反转指令回路切断，电机只允许反转（控制行程不超出安全距离）。M108为手动状态标志位，当电机运行于手动状态时，M108为通电状态，电机正反转将不再由现坐标和目标坐标的比较结果控制。步进电机转动控制子程序2，如下图12。图121步进电机输出梯形图如图12所示，步进电机的工作方式是单双八拍，线圈与PLC的输出端口Y0Y3对应，电机的八种运行状态与M0M7对应，用MOV指令控制Y端口的输出，M0M1M2M7顺序导通时，电机正转；M7M6M5M0顺序导通时，电机反转。M07由子程序P0控制。用户设定的坐标值写入PLC运行目标坐标值子程序1，如图13。图1304电机坐标1写入梯形图图13中D210D213分别是14电机的用户设定坐标1值的装载数据寄存器。D200D203分别是14电机的运行目标坐标值的装载数据寄存器。当调用此P5程序时，便将用户设定的坐标1的值写入到运行的目标值中，控制，电机运行到用户坐标1。14电机的标志位设定子程序，如图14。图1404标志位设定梯形图由图14可知，当调用P7时，通过CMP指令，便可比较现坐标D205与目标坐标D200的大小，设定电机的运行状态标志位。因为小臂的伸缩运行与其他四关节的运行要分开，小臂先升高，其他关节再运动，这样才能更有效避免运行时损坏货物。故，另外编写小臂的坐标写入子程序，见图15。图15小臂坐标装载梯形图计数及循环次数控制程序见下图16。图16循环计数控制梯形图D220装载由上位机输入的目标循环次数，当运行到此步时，计数器将加1,如果计数未满，将跳转至循环模式的第一步S20，继续循环；如果计数已满，将触发S32，将控制机械手回原点，停止工作。图16中，M107是单步运行模式标志位，当单步运行时，M107将切断跳回S20的回路，而M106是循环模式，和M107互斥，故此时M106的常闭触点即等价于M107常开触点，机械手将回原点，停止工作。另外，本步中用了M106常闭触点而不用M107常开触点还是因为这样便可以在循环运行时按下“停止”按钮（不是“急停”），能让机械手循环完该次循环后便停止工作。手动控制程序见下图17。图172电机手动梯形图图17中，子程序P12是控制2步进电机的子程序，具体代码参考图11和12。当操作员按下上位机上手动面板如图19上的“展臂伸”点动按钮，M112线圈将被接通，方向标志位M206也被导通，调用P12，控制机械手正方向运行由于程序过于庞大，其他代码不再一一解释。5人机界面设计人机界面设计为主界面、手动界面、参数设定界面。主界面的现坐标用于操作员实时观察机械手的运行坐标和夹具动作情况。目标坐标1、目标坐标2用于显示用户设定的目标坐标。坐标上的方向、臂长、高度、小臂角、夹放，分别对应1电机、2电机、3电机、4电机、5电机、气动系统电磁阀。“循环”、“单步”、“手动”按钮用于运行模式选择，每选择一种运行模式，该按钮周围的绿色指示灯将点亮，此时其他模式的按钮将不能再直接选择。当选择了循环模式时，按下“启动”按钮，机械手将按照用户设定的目标坐标和目标次数进行循环工作。至“现次数”等于“目标次数”时，将停止工作。单步模式时，按下“启动”，机械手将按照用户设定的目标坐标进行单次工作，每次运行末都将返回到原点坐标。按下“手动”按钮，将进入手动模式，自动打开“手动面板”，见下图19。面板上的“不在原点报警”在正常运行时是隐藏的，当电机停止时，如果不在原点，原点传感器将输出信号发出不在原点报警。面板中的红色报警区域将闪烁报警，提醒操作员切换到“手动”模式进行手动回原点，或者点“回原点“按钮让机械手自动回原点。“回原点”按钮只在机械手出现不在原点报警时才有效，且只能在坐标不丢失情况下正确回原点。故，当出现步进电机失步，坐标丢失的情况，只能用手动模式才能正确回原点。每次，当选择了循环过单步模式时，需要先按停止按钮才能选取其他运模式。主界面设计如下图18。图18主面板手动面板设计了机械手的五个自由度以及夹具的分别操作件，各个关节的移动方向件都是点动方式，每个按钮旁的绿色指示灯在按钮没触动时为隐藏状态，在按下该按钮时绿色指示灯才会显示。夹具的动作方式是自保持和互锁的，当按下其中一个按钮时，自动切换到该状态，该状态指示灯亮起。在当步进电机出现失步，程序出现坐标丢失时，操作员手动使机械手回到原点位置，记录坐标可能并不为零，此时按下“失步原点设置”，可以把现坐标清零。当手动操作完成后，应把机械手返回至原点，再按“返回主界面”，将退出手动模式，返回主界面。图19手动面板设置面板1是运行时的各项用户参数设置用的。目标坐标1和目标坐标2，是设定机械手的工作坐标，让机械手定位在该两点上进行工作。坐标的设定包括方向（底盘方向）、臂长、高度（横臂高度）、小臂角（小臂与横臂的夹角）、夹放（夹具在某坐标时的动作）、小臂上坐标、小臂下坐标。目标次数用于设定循环工作次数。现次数用于显示现在已循环次数。当按下“循环次数清零”按钮，现循环次数清零。设置面板设计见下图20。图20设置面板6调试程序调试，是将编制的程序投入实际运行前，用手工或编译程序等方法进行测试，修正语法错误和逻辑错误的过程。61GXSMULETOR程序模拟调试在SFC编程状态下启动GXSIMULATOR，直接以功能顺序块形式进行仿真调试。按下AIT1，进入软元件测试，给程序写入目标坐标值等用户参数，开始循环运行，观察每个步的运行是否按照构想运行。发现多处问题有1当设定了各坐标参数和循环次数后，启动循环运行模式，当循环次数满时，程序继续循环，不能按预想进行停止循环回原点。此时计数程序代码如下图21。图21调试初计数梯形图多次手工排查程序似乎没发现逻辑错误，但总是计数分支工作不正确，重点怀疑是计数器的隐性问题。经查资料发现，C220为32位双向计数器，用法与普通计数器不同，应与M8220相配合运用。故把C220改成C0，梯形图编写如第四章图16，再次调试，程序运行正常。2初次编写时，把电机的启动程序编写成如下图22模式。图22主SFC块小臂动作程序结果发现调用的子程序P15并没有运行。用回溯法查找发现，子程序P15中是靠T201产生的脉冲工作的，调试发现当把T201上升沿触发去除后程序运行正常，估计是程序调用有一定的时差，当调用如P15这类里边也带有T201瞬时触发的子程序时，用T201上升沿进行触发调用很可能会导致子程序内的T201瞬时触发失效。62联合调试于实验室用试验台的PLC与组态王进行连接调试，串口设置如下图23和图24。图23始初设备通讯设置图24COM1串口通讯设置组态软件运行显示如下图25。图25首次组态运行界面组态软件与PLC通讯失败，运行界面错误，经多次调试查找，并与实验室老师讨论后确定为设备通讯设置错误，在实验台PLC与PC应是编程口通讯而不是串口通讯，修改设置见下图26。图26调试后设备通讯设置重新启动通讯成功，组态王运行界面如下图27。图27运行主界面用鼠标按下“设置面板1”可进入设置面板，如下图28。点击各个需要设置的参数，输入用户想得到的参数，如图29，设置完各参数，点击面板的“返回主界面”按钮可返回主界面。图28设置界面（已设置参数）图29设置参数（正在设置）选择循环运行模式运行如下图30。图30循环运行选择单步运行模式运行如下图31。图31单步运行选择手动运行模式运行时将自动打开手动运行面板，如下图32。夹、放按钮为自锁行按钮，且互为互锁关系，按下任何一个都将切换到相应的状态，且实时显示。其他的动作按钮都为点动按钮，如图32按下了底反转按钮。图32手动运行（按下底反转）7结论与展望本次毕业设计通过对机械手的结构、工作原理以及控制系统和驱动的了解，通过查阅相关资料，设计了通过上位机和PLC控制某五自由度机械手的控制系统。设计的控制系统能通过读取上位机上用户输入的坐标，循环次数，运行方式等控制参数，控制机械手的运行。而且能在上位机上显示实时坐标，工作状态，简单的报警信息提示等，较为直观。在编写程序过程中遇到不少问题，通过自己的努力和老师的帮助，能实现原定功能，且学习了更新颖的算法和程序结构，进一步深入了解PLC编程细节。由于个人知识欠缺和时间的限制，上位机中的密码设置还没搞懂，导致本设计的上位机程序编写是没有密码设置保护，这对机械手正常运行时得不到一个比较好的保护；还有就是报警功能比较单一。另外，步进电机采用开环控制，在运行时，步进电机的失步故障不能全面的检测与保护，这也会使机械手在运行时有坐标丢失隐患。此次毕业设计的课题为基于PLC的五自由度机械手，对于一名电气工程专业的学生来说，这次毕业设计的题目还是比较适合我的。此课题可以对我之前所学各门课程的知识进行一个总结，以提高我的综合素质，对于我日后的工作将会有很大的帮助。参考文献1韩晓新，邢绍邦，刘海燕从基础到实践PLC与组态王M机械工业出版社，201112郭洪红工业机器人（第二版）M西安电子科技大学出版社，201123蒋刚，龚迪琛，蔡勇，刘念聪，张静工业机器人M西南交通大学出版社，201124范永胜，王岷电气控制与PLC应用（第二版）M中国电力出版社，20041141185徐新，王莉，许其清，钱厚亮人机界面与网络应用技术M机械工业出版社，2012271526李金泉，杨向东，付铁码垛机器人机械结构与控制系统设计M北京理工大学出版社，2011581037廖晓梅三菱PLC编程技术及工程案例精选M机械工业出版社，20121101638韩建海工业机器人M华中科技大学出版社，200995169附录程序指令表0LDM80021SETS03MOVH101K4M08MOVH101K4M2013MOVH101K4M4018MOVH101K4M6023MOVH101K4M8028MOVK5D033LDIT20134OUTT200D037LDT20038OUTT201D041LDX01242ZRSTS0S5047ZRSTY000Y02452ZRSTM106M10957SETS059STLS060LDX01361LDM10662ORM10763ANB64SETS2066LDM10867SETS1069LDIX00070ORIX00171ORIX00272ORIX00373ORIX00474SETS3676STLS2077CALLP580CALLP783CALLP986LDS2087SETS2189STLS3690OUTY02591LDM10892SETS1194LDM10995SETS3797STLS2198CALLP15101LDM214102SETS22104STLS10105LDS10106SETS41108STLS11109LDS11110SETS41112STLS37113CALLP8116CALLP7119CALLP9122LDS37123SETS38125STLS22126RSTM214127CALLP12130CALLP13133CALLP14136CALLP11139LDM202140ANDM205141ANDM208142ANDM211143SETS23145STLS41146LDM110147ORM111148CALLP11151MPS152ANIM111153OUTM203154MPP155ANIM110156OUTM201157LDM112158ORM113159CALLP12162MPS163ANIM113164OUTM206165MPP166ANIM112167OUTM204168LDM114169ORM115170CALLP13173MPS174ANIM115175OUTM209176MPP177ANIM114178OUTM207179LDM116180ORM117181CALLP14184MPS185ANIM117186OUTM212187MPP188ANIM116189OUTM210190LDM118191ORM119192CALLP15195MPS196ANIM119197OUTM215198MPP199ANIM118200OUTM213201LDIM108202OUTS0204STLS38205CALLP15208LDM214209SETS39211STLS23212ZRSTM201M212217CALLP10220LDS23221SETS24223STLS39224RSTM214225CALLP12228CALLP13231CALLP14234CALLP11237LDM202238ANDM205239ANDM208240ANDM211241SETS40243STLS24244CALLP15247LDM214248SETS25250STLS40251ZRSTM201M212256LDS40257OUTS0259STLS25260RSTM214261OUTT0K30264MPS265ANDM120266SETY024267MRD268ANIM120269RSTY024270MPP271CALLP9274CALLP6277CALLP7280LDT0281SETS26283STLS26284CALLP15287LDM214288SETS27290STLS27291RSTM214292CALLP12295CALLP13298CALLP14301CALLP11304LDM202305ANDM205306ANDM208307ANDM211308SETS28310STLS28311ZRSTM201M212316CALLP10319LDS28320SETS29322STLS29323CALLP15326LDM214327SETS30329STLS30330RSTM214331OUTT0K30334MPS335ANDM121336SETY024337MRD338ANIM121339RSTY024340MPP341INCPD221344LDT0345SETS31347STLS31348OUTC0D220351LDC0352ORIM106353SETS32355LDIC0356ANIM107357OUTS20359STLS32360RSTC0362CALLP8365CALLP7368CALLP9371LDS32372SETS33374STLS33375CALLP15378LDM214379SETS34381STLS34382RSTM214383CALLP12386CALLP13389CALLP14392CALLP11395LDM202396ANDM205397ANDM208398ANDM211399SETS35401STLS35402ZRSTM201M212407LDS35408OUTS0410RET411FEND412P0413LDT201414MPS415ANIM108416CMPPD205D200M201423MRD424ANDM203425ANIX005426RORPK4M0K1431INCPD205434MPP435ANDM201436ANIX000437ROLPK4M0K1442DECPD205445SRET446P1447LDT201448MPS449ANIM108450CMPPD206D201M204457MRD458ANDM206459ANIX006460RORPK4M20K1465INCPD206468MPP469ANDM204470ANIX001471ROLPK4M20K1476DECPD206479SRET480P2481LDT201482MPS483ANIM108484CMPPD207D202M207491MRD492ANDM209493ANIX007494RORPK4M40K1499INCPD207502MPP503ANDM207504ANIX002505ROLPK4M40K1510DECPD207513SRET514P3515LDT201516MPS517ANIM108518CMPPD208D203M210525MRD526ANDM212527ANIX010528RORPK4M60K1533INCPD208536MPP537ANDM210538ANIX003539ROLPK4M60K1544DECPD208547SRET548P4549LDT201550MPS551ANIM108552CMPPD209D204M213559MRD560ANDM215561ANIX011562RORPK4M80K1567INCPD209570MPP571ANDM213572ANIX004573ROLPK4M80K1578DECPD209581SRET582P5583LDM8000584MOVD210D200589MOVD211D201594MOVD212D202599MOVD213D203604SRET605P6606LDM8000607MOVD215D200612MOVD216D201617MOVD217D202622MOVD218D203627SRET628P7629LDM8000630CMPD205D200M201637CMPPD206D201M204644CMPPD207D202M207651CMPPD208D203M2