毕业设计（论文）PLC控制机械手

1、毕业设计毕业设计( (论文论文) )说明书说明书 题 目： plc 控制机械手 系 别： 电气工程系 学生姓名： 学 号： 指导教师： 毕业设计（论文）摘要 机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机 械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频 器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测 技术等。本文介绍的机械手是由 plc 输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控 制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给 plc 主机；位置信号由接 近开关反馈给 plc 主机，通过交流电机的正反转来控制

2、机械手手爪的张合，从而实现 机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵 活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流 程的要求随时更改相关参数。 关键词：机械手 plc 变频器 交流电机 毕业设计（论文）外文摘要 abstractabstract： industrial robot manipulator is the task of traditional system, is one of the key components of robot. mechanical structure of the manipulator u

3、sing ball screw, slider, machinery parts, electrical motor, ac inverter, is composed of electronic devices, such as the sensor. this device covers a programmable control technology, the position control technology and testing technology, etc, and is the typical electromechanical equipment. the paper

4、 introduced by plc output manipulator is 3 pulse, respectively, the vertical axis inverter driving distrbution, control and vertical axis of the robot distrbution precise positioning, micro switch will position signal to plc host, location signal by proximity switch feedback to plc host, through the

5、 ac motor is fanzhuanlai control of the robot hand, so as to realize the manipulator zhang precise movement function. this subject to the material handling in space manipulator can be caught, flexible put objects, can replace artificial in high temperature and dangerous section for homework, and acc

6、ording to the motion process workpiece and requirements of related parameters change at any time. keywordskeywords ：manipulator plc inverter ac motor 目目 录录 摘摘 要要.ii abstract.iii 目目 录录.iv 引引 言言.1 第一章第一章 三相异步电动机和电气传动三相异步电动机和电气传动.2 11 传动机构传动机构.2 12 三相异步电动机的三相异步电动机的结构结构.3 13 三相电动机的转动原理三相电动机的转动原理.6 第二章变频

7、器第二章变频器.8 2.1 变频器的构成变频器的构成.8 2.2 变频器的分类变频器的分类.9 2.3 fr-a540 变频器变频器 .10 第三章可编程控制器第三章可编程控制器 plc.13 31 plc 简介简介.13 3.2 plc 的工作原理的工作原理.14 第四章机械手第四章机械手 plc 控制系控制系统设计统设计.17 41 机械手的工艺过程机械手的工艺过程.17 42 plc 控制系统控制系统.18 谢谢 辞辞.24 参考文献参考文献.25 引引 言言 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。随着工业 现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车

8、间、无人 生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产 环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣 的生产环境不利于人工进行操作。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论 与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一 个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产 品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有 放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展， 并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。 本课题拟开发物料搬

9、运机械手，采用日本三菱公司的 fx2n 系列 plc，对机 械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、 机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可 编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。 由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问 题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。 第一章 三相异步电动机和电气传动 1 11 1 传动机构传动机构 1螺旋机构 螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，其主要功能是将转动变换为直线运动， 并同时传递运动和动力，按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构可以分为滑动螺旋 机构和滚

10、动螺旋机构两种类型。按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺 旋三种类型。螺旋机构具有结构简单，制造方便，传动平稳，无噪声易于自锁 等优点。 2. 滑动螺旋机构 螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构，称为滑动螺旋机构。滑动螺旋机构所 用的螺纹为传动性能好，效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。滑动螺旋机构由 螺母和螺杆组成。根据机构的组成及运动方式，滑动螺旋机构又分为以下两种。 （1） 由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构，螺母与机架固联，螺杆转动并 移（如图 1-1b 所示） ，这种螺旋机构以传递动力为主，故又称传力螺旋机构。 一般要求用较小的转矩产生较大的轴向力，多用在工作时间短，速度较低的场 合。 （2）

11、 由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构，如图 1-1a 所示，螺杆转 动，螺母移动，这种螺旋机构以传递运动为主，故又称为传导螺旋机构。 本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。这种传动形式结构紧 凑，刚度较大，传动效率高，精度高。 （a）螺杆转动，螺母移动 (b) 螺母固定，螺杆转动并移 动 图 1-1 3滚动螺旋机构 螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构，称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。其机构 特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道，并在其间放如刚球，当螺杆转动 时，刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。按循环方式的不同，分为外 循环和内循环两种形式。 滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接 触的

12、循环叫内循环。滚珠在返回时与螺杆脱离 接触的循环叫外循环（如图 1-2 所示） 。外循环 螺母只需设置一个反向器，当滚珠进入反向器 时，就被阻止而转弯，从返回通道回到滚道的 另一端，形成一个循环回路。 机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传 动。滚动螺旋机构摩擦阻力小，动作灵敏度高， 传动效率高，可达 90%以上。用调整的方法可 消除间隙，传动精度高。 图 1-2 1 12 2 三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构 三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的， 它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。 此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其

13、他附件，如图 1-3 所示。 1轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心； 7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；12风扇 图 1-3 封闭式三相笼型异步电动机结构图 1定子部分 定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、 定子绕组等部分组成。 （1）外壳 三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。 机座：铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。 中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子，它是三相电动机机械结 构的重要组成部分。通常，机座的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热 片。 端盖：用铸铁或铸钢浇

14、铸成型，它的作用是把转子固定在定子内腔中心，使转 子能够在定子中均匀地旋转。 轴承盖：也是铸铁或铸钢浇铸成型的，它的作用是固定转子，使转子不能轴向 移动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。 接线盒：一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引出线端子。 吊环：一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬三相电动机。 （2）定子铁心 异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由 0.35mm0.5mm 厚表面 涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，如图 1-4 所示。由于硅钢片较薄而且片与片 之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内 圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。

15、 （a）定子铁心 （b）定子冲片 图 1-4 定子铁心及冲片示意图 （3）定子绕组 定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对 称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个 绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差 120 电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆 漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线 绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至 接线盒上，首端分别标为 u1, v1, w1 ，末端分别标为 u2, v2, w2 。这六个出线

16、端在接线盒里的排列如图 1-5 所示，可以接成星形或三角形。 （a）星形连接 （b）三角形连接 图 1-5 定子绕组的联结 2转子部分 （1）转子铁心 是用 0.5mm 厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定 子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。 （2）转子绕组 异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种，由此分为 绕线转子异步电动机与笼形异步电动机。 绕线形绕组 与定子绕组一样也是一个三相绕组，一般接成星形，三 相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电 路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的性能，见 图 1-6。

17、 1集电环；2电刷；3变阻器 图 1-6 绕线形转子与外加变阻器的连接 1 13 3 三相电动机的转动原理三相电动机的转动原理 图 1-7 为三相异步电动机转动原理示意图。 三相交流电通入定子绕组后， 便形成了一个旋转磁场，其转速 。旋转磁场的磁力线被转子导体 切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则 转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极 n 下为南极 s，如图 1-8 所示。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电 流方向由里向外，用表示；在下半部则由外向里，用表示。 图 1-7 图 1-8 三相电动机的转动原理 原理：定子旋转磁场

18、以速度 n0 切割转子导体感生电动势（发电机右手定则） ，在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转 p f n 60 1 n s n0 n 异步电动机模型 笼型转子 速 n 顺 n0 方向旋转（电动机左手定则） ，并从轴上输出一定大小的机械功率。 (n 不能等于 n0)特点：电动机内必须有一个以 n0 旋转的磁场。实现能量转 换的前提；电动运行时 n 恒不等于 n0（异步）必要条件 nn0； 建立转矩的 电流由感应产生。流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力作用，力f的方 向可用左手定则确定，如图 1-10 所示。电磁力作用于转子导体上，对转轴形成 电磁转矩，使转子按

19、照旋转磁场的方向旋转起来，转速为n。三相电动机的转 子转速n始终不会加速到旋转磁场的转速n1。因为只有这样，转绕组与旋转磁 场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组导体中才能产生感应电动势和 电流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向继续旋转。由此可见 n1n. 第二章第二章 变频器变频器 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20 世纪 60 年代以后， 电力电子器件经历了 scr(晶闸管)、gto(门极可关断晶闸管)、bjt(双极型功 率晶体管)、mosfet(金属氧化物场效应管)、sit(静电感应晶体管)、sith(静 电感应晶闸管)、mgt(mos 控制晶体管)、mct(

20、mos 控制晶闸管)、igbt(绝缘栅 双极型晶体管)、hvigbt(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更 新促进了电力电子变换技术的不断发展。20 世纪 70 年代开始，脉宽调制变压 变频(pwmvvvf)调速研究引起了人们的高度重视。20 世纪 80 年代，作为变 频技术核心的 pwm 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式， 其中以鞍形波 pwm 模式效果最佳。20 世纪 80 年代后半期开始，美、日、德、 英等发达国家的 vvvf 变频器已投入市场并获得了广泛应用。 2.12.1 变频器的构成变频器的构成 异步电动机用变频器调速运转时的结构图如图 2-1 所示。

21、通常由变频器主 电路（igbt、bjt、或 gto 做逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。此电 源输出的电压或电源及频率，由控制回路指令进行控制。而控制指令则根据外 部的运转指令进行运算获得。对于需要精密速度或快速响应的场合，运算还应 包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变 频器主电路的过电压，过电流引起的损坏外就，还应保护异步电动机及传动系 统等。 图 2-1 变频器的构成 给异步电动机提供调速调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。图 2- 2 示出了典型的电压逆变器的例子，其住电路由三部分构成，将工频电源变换 为直流功率的“整流器” ，吸收在整流和逆变时

22、产生的电压脉动的“平波回路” ， 以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器” 。另外，异步电动机需要制动时， 有时需附加“制动回路” 。 2.22.2 变频器的分类变频器的分类 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变 频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为 pam 控制变频器、pwm 控 制变频器和高载频 pwm 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为 v/f 控制变 频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通 用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 2.32.3 fr-a540fr-a540 变频器变频器

23、变频器的接线 变频器的各回路接线端子如图 2-2 所示，其中表示主回路接线端子， 表示 控制回路输入接线端子，表示控制输出接线端子。 主回路接线及注意事项主回路接线及注意事项 图 2-2 端子接线图 1 主回路接线 主回路电源和电动机的连接如图 2-3 所示。电源必须接 r、s、t，绝对不 能接 u、v、w，否则会损坏变频器。在接线时不必考虑电源相序。使用单相电 源时必须接 r、s 端。电机接到 u、v、w 端子上。当加入正转开关（信号）时， 电动机旋转方向从轴向看时为逆时针方向。 图 2-3 电源和电机的连接 2 主电路接线端子介绍及注意事项 （1）主回路接线端子简介 1）交流电源输入端子

24、r、s、t：连接工频电源，当使用高功率因数转换器件， 确保这些端子不连接（fr-hc） 。 2）变频器输出端子 u、v、w：接三相笼型异步电动机。 3）控制回路电源输入端子 r1、s1：与交流电源端子 r、s 连接。在保持异常显 示和异常输出时或当使用高功率因数转换器（fr-hc）时，必须拆下端子 r-r1 和 s-s1 之间的短路片，并提供外部电源到此端子。 4）连接制动电阻器端子 p/+、pr：拆开端子 pr-px 之间的短路片，在 p/+、pr 之间连接选件制动电阻器（fr-abr） 。 5）连接制动单元端子 p/+、n/-：连接选件 pr-bu 型制动单元或电源再生单元 （fr-rc）

25、或高功率因数转换器（fr-hc） 。 6）连接改善功率因数 dc 电抗端子 p/+、p1：拆开端子 p/+与 p1 间的短路片， 连接选件改善功率因数用电抗器（fr-bel） 。 7）连接内部制动回路端子 pr、px：用短路片将 pr-px 短路时（出厂时设定） 内部制动贿赂变生效。 8）接地端子变频器外壳接地用，必须接大地。 （2）接线注意事项 1）电源一定不能接到变频器输出端上（u、v、w） ，否则将会损坏变频器。接线 后，零碎线头必须清除干净，零碎线头可能造成设备运行时异常、失灵和故障， 必须始终保持变频器清洁。在控制台上打孔时，请注意不要使碎片 2）粉末等进入变频器中。 3）为使电压下

26、降在 2%以内，请用适当型号的电线接线。 4）布线距离最长为 500m。尤其长距离布线，由于布线寄生电容所产生的冲击 电流，可能引起过电流保护误动作，输出侧连接的设备可能运行异常或发生故 障。 5）在 p/+和 pr 端子之间建议制动电阻选件，端子间原来的短路片必须拆下。 6）电磁波干扰，变频器输入/输出包含有谐波成分，可能干扰变频器附近的通 讯设备。因此，安装选件无线电噪声滤波器或线路噪声滤波器，使干扰降至最 小。 7）不要安装电力电容器，浪涌抑制器和无线电噪声滤波器在变频器输出侧。这 将导致变频器故障或电容和浪涌抑制器的损坏。如上述任何一种设备已安装， 请立即拆掉。 8）运行后，改变接线的

27、操作，必须在电源切断 10min 以上，用万用表检查电压 后进行。断电一段时间内，电容上仍然有危险的高电压。 第三章 可编程控制器 plc 3 31 1 plcplc 简介简介 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（programmable logic controller，plc）取代传统继电器控制装置以来，plc 得到了快速发展，在世 界各地得到了广泛应用。同时，plc 的功能也不断完善。随着计算机技术、信 号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，plc 在开 关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 plc 不再局限 于逻辑控制，在运动控制、过程

28、控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品，plc 在二十世纪八十年代至九十年代得到了 迅速发展，世界范围内的 plc 年增长率保持为 20%30%。随着工厂自动化程度 的不断提高和 plc 市场容量基数的不断扩大，近年来 plc 在工业发达国家的增 长速度放缓。但是，在中国等发展中国家 plc 的增长十分迅速。综合相关资料， 2004 年全球 plc 的销售收入为 100 亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要 的位置。 plc 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 plc 只 有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺 序控制、

29、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控 制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并 事先存入 plc 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完 成工艺流程要求的操作。 plc 的 cpu 内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中， 每执行一步该计数器自动加 1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最 终步（通常为 end 指令） ，然后再返回起始步循环运算。plc 每完成一次循环操 作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 plc，循环扫描周期在 1 微秒到 几十微秒之间。plc 用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出

30、快速的优点，在 微秒量级，解算 1k 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理， 16 位（也有 32 位的）为一个模拟量。大型 plc 使用另外一个 cpu 来完成模拟 量的运算。把计算结果送给 plc 的控制器。 相同 i/o 点数的系统，用 plc 比用 dcs，其成本要低一些（大约能省 40%左 右） 。plc 没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比 dcs 要低很多。一个 plc 的控制器，可以接收几千个 i/o 点（最多可达 8000 多 个 i/o） 。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用 plc 较为合适。plc 由于采用通用监控软件，

31、在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 3.23.2 plcplc 的工作原理的工作原理 可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（run）状态与停止 （stop）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序 来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输 入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序 控制器停机 或切换到 stop 工作状态。 除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要 完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段。可编程序控制 器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方

32、式。由于计算机执行指令的 速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。 在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查 cpu 模块内部的硬件是否正常， 将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响 应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止 （stop）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（run）状态时，还 要完成另外 3 个阶段的操作。 在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出 信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制 器梯形图中

33、别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。 在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（on/off） 状态读入输入寄存器。 外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图 中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断 开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触 点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变 化，输入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下 一个扫描周期的输入处理阶段被读入。 可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存

34、储器中按步序号 顺序排列。在没有跳转指令时，cpu 从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户 程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件 映像寄存器中将有关编程元件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应 的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的 映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。 在输出处理阶段，cpu 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。 体型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。 信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的 线圈通电，

35、其常开触点闭合，使外部负载通电工作。 若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输 出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触 点断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状 态时，称该编程元件为 on，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为 off。 扫描周期可编程序控制器在 run 工作状态时，指令执行所需的时间与用户 程序的长短、指令的种类和 cpu 执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较 长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫描周期 还包括自诊断、通信等。如图 3.1 所示。 第(n-1

36、)个扫 描周期 输出刷新 第(n+1)个扫 描周期 输入采样 第 n 个扫描周期 输入采样输出刷新用户程序执行 图 3.1 plc 的扫描运行方式 （1）输入采样阶段 在输入采样阶段，plc 以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入 i/o 映象区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。在 这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化 i/o 映象区的相应单元的数据和 状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期， 才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，plc 的 cpu 总是由上而下，从左到右的顺序依次

37、的 扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈 在系统 ram 存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特 殊功能指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。 （3）输出刷新阶段 在输出刷新阶段，cpu 按照 i/o 映象区内对应的数据和状态刷新所有的数 据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是 plc 真正的输出。 （4）输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信 号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间 隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的

38、滞 后时间三部分组成。 输入模块的 cpu 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接 输入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入 滤波时间的长短，其典型值为 10ms 左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有 关，继电器型输出电路的滞后时间一般在 10ms 左右；双向可空硅型输出电路在 负载接通时的滞后时间约为 1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为 10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为 1ms。由扫描工作方式引起的滞后时 间最长可达到两个多扫描周期。可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几 十 ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的

39、滞后时间尽 量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。 第四章第四章 机械手机械手 plcplc 控制系统设计控制系统设计 4 41 1 机械手的工艺过程机械手的工艺过程 机械手的结构和各部分动作示意图，如图下图所示。机械手的工作均由电 机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。 分析工艺过程 机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降加紧 工件上升右移再下降放松工件在上升左移八个动作， 完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应 的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。 为了确保安全，

40、机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降， 若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置 了一个光电开关，以检测“无工件”信号。 图 4-1 整体设计图 为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动 工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。 1） 手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下 降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调 整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。 2） 单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按 钮，机械手完成一步动作后自动停止。 3） 单周期

41、工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的 动作，返回原点后停止。 4） 连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在 连续工作方式下设置两种停车状态： 正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成最后一个 周期的工作后，返回原点自动停机。 紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止 在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。 4 42 2 plcplc 控制系统控制系统 1确定输入/输出点数并选择 plc 型号 1）输入信号 位置检测信号：下限、上限、右限、左限共 4 个行程开关，需要 4 个输入端 子。 “无工件检测

42、”信号：用光电开关作检测元件，需要 1 个端子。 “工作方式”选择开关：有手动、单步、单周期和连续 4 种工作方式，需要 4 个输如端子。 手动操作：需要有下降、上升、右移、左移、加紧、放松 6 个按钮，也需要 6 个输入端子。 自动工作：尚需启动、正常停车、紧急停车 3 个按钮，也需要 3 个输入端子。 以上共需要 18 个输入信号。 2）输出信号 plc 的输出用于控制机械手的下降、上升、右移、左移、加紧、放松以三个 电动机转速的控制等，共需要 11 个输出点。机械手从原点开始工作，需要一个 原点指示灯，也需要 1 个输出点。所以，至少需要 6 个输出点。 由于机械手的控制属于开关量控制，

43、在功能上未提出特殊要求。因此任何型 号的小型 plc 均可满足要求。根据所需的 i/o 总点数并留有一定的备用量，可 选用 fx2n-48rm，其输入和输出各 24 点，继电器输出型。fx2n-48rm 的各项工 作参数已在第二章介绍，在此不在做介绍。 2分配 plc 的输入/输出端子 plc 的输入输出端子分配接线图，如图 4-2 所示。 3plc 控制系统程序设计 为了方便编程，可将手动和自动程序分别编出相对独立的程序段，用跳转指 令进行选择，控制系统程序结构框图，如图 4-3 所示。选择手动方式时，x3 接 同，跳过自动程序，执行手动程序；选择自动工作方式时，x3 断开，执行自动 程序。 图 4-2 输入/输出分配接线图 图 4-3 总程序结构框图 图 4-4 手动程序 （1）手动程序 手动操作不需要按工序顺序进行动作，所以可按普通继电器程 序来设计。手动操作的梯形图，如图 4-4 所示，手动按钮 x20-x25 分别控制下 降、上升、右移、左移、加紧和放松各个动作。为了保证系统的的安全与进行， 设置了一些必要的连锁。其中在左、右移动的电路中加入 x11 作上限连锁，这 是因为机械手只有处于上限位置时，才允许左、右移动。 （1）自动程序 自动程序如图 4-5 所示。 1）连续及