机械手毕业设计论文

1、钢板锻压机械手控制系统设计钢板锻压机械手控制系统设计 系 （部）： 专 业： 学 号： 学 生 姓名： 指 导 教师： （副）教授 2012 年 3 月 摘摘 要要 机械手从 1958 年出现到现在，发展迅速并广泛应用与各个行业中，已经成 为许多行业生产中不可或缺的设备。本文设计的机械手应用于钢铁制造业，对 钢板夹送运动进行自动控制。选用三菱 plc 作为控制系统核心，运动系统使用 液压系统和电机系统结合模式。 关键词关键词：机械手，液压，plc，设计 abstract mechanical hand appeared in 1958 to now, rapids development an

2、d widely used in various industries, it has become indispensable equipment in the production. the mechanical hand, in this paper, designs for steel manufacturing. we choose the plc of mitsubishi as the control system core, sports systems use hydraulic system and motor system combined with pattern. k

3、eyword: mechanical hand, hydraulic system, plc, design 目 录 摘 要.ii abstract.iii 第一章绪论.1 1.1 机械手简介 .1 1.2 机械手分类 .2 第二章 设计方案介绍.4 2.1 设计要求： .4 2.2 系统方案介绍 .4 第三章 液压系统设计.5 3.1 液压系统 .5 3.1.1 液压系统简介.5 2.1.2 液压系统主要器件介绍.7 2.2 液压系统原理图 .12 第四章 控制系统硬件设计.14 3.1 电气系统主要元件介绍 .14 3.1.1 plc 简介及选型 .14 3.1.2 变频器简介.19 3.

4、1.3 人机界面.20 3.1.4 低压断路器.22 3.2 电气原理图 .23 第五章 控制系统软件设计.25 4.1 plc 程序设计.25 4.1.1 手动功能.25 4.1.2 自动抓取功能：.27 4.1.3 自动卸载功能：.29 4.1.4 其他功能：.30 4.2 人机界面程序设计 .31 参考文献（references）.33 致谢.34 第一章第一章 绪论绪论 1.1 机械手简介 机械手（mechanical hand）也被称为自动手（auto hand） ，能模仿人手或 手臂的某些动作功能，用来按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作 装置。机械手是最早出现的工业机器人

5、，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。 图 1-1 机械手实物图 它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于 20 世纪 中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是 1946 年第一台数字电子计算机 问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。 同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠 定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物 质。在这一需求背景下，美国于 1947

6、年开发了遥控机械手，1948 年又开发了 机械式的主从机械手。 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

7、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。 机械手的构成：机械手的构成： 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。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

8、 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。控制系统是通过对机械手每个自 由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定 的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或 dsp 等微控制芯片构成，通过 对其编程实现所要功能。 1.2 机械手分类 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。 多关节机械手多关节机械手 多关节机械手的优点是:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机 座的

9、工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要， 对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节 手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形 也不局限于象人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能 是单关节机械手所不能比拟的。 硬臂式助力机械手硬臂式助力机械手 硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程 “漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式 助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。比如在工件重心远离臂悬挂点， 或是工件需要翻转或倾斜情况下，必须选用硬臂式助力机械手

10、，还有在厂房高 度有限情况下，可以选用硬臂式助力机械手。 硬臂式助力机械手可以实现提升最大 500kg 的工件，半径最大可以达到 3000mm，提升高度最大 2500mm。根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工件 重量的最小型号的机器，如果我们用最大负载 200kg 的机械手来搬运 30kg 的工 件，那么操作性能肯定不好，感觉很笨重。配有储气罐，可在断气情况下继续 使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁 功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在 安全表面时，操作者不能释放工件。上海永乾制造的助力机械手（含硬臂式、 软索式）还可以在用户

11、现场气压不足的情况下，增加增压泵，可以使设备运行 更加平稳。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工 件。安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。 软索式机械手软索式机械手 软索式机械手的功能与气动平衡吊类似，具有全行程的“漂浮”功能，但 是提升位移比气动平衡吊要小，最大只有 3000mm，而且最大负载只有 450kg。 配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者。 配合各种非标夹具，软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形 式可以固定地面或悬挂固定使用，不能使用导轨式。 t t 型助力机械手型助力机械手 区别于硬臂式助力机械手的是 t

12、 型助力机械手没有双关节机械臂，它的前 后左右位移靠导轨来实现。由于 t 型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式 显得小巧，更适合于操作空间狭小的场合。t 型助力机械手的最大负载要比硬 臂式小，只有 200kg，但提升高度可以根据客户要求设计，而且搬运范围要比 硬臂式大的多。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警， 提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有 安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放 工件。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。 安装形式为导轨移动。 第二章第二章 设计方案介绍设计方案

13、介绍 2.1 设计要求： 本设计主要应用于制造业钢板产品进行锻压的夹送过程，实现对钢板夹送 运动进行自动控制，将目标为 50kg 的钢板搬运至锻压机工作台上。 2.2 系统方案介绍 本机械手系统选用 4 个自由度，如下图所示。由于负载为 50kg 的钢板，所 以选用适合大负载的液压系统。主轴旋转和部件旋转采用电机控制系统，完成 动作要求。 图 2-1 系统工作简图 系统控制方案见图如下，主要包含:液压系统设计、电气硬件部分设计 和软件部分设计。 图 2-1 系统控制方案简图 第三章第三章 液压系统设计液压系统设计 3.1 液压系统 3.1.1 液压系统简介 液压系统（hydraulic sys

14、tem）是以油液作为工作介质，利用油液的压力 能并通过控制阀门等附件操纵液压执行机构工作的整套装置。 图 3-1 典型液压系统 液压系统机构液压系统机构 液压系统主要由：动力元件（油泵） 、执行元件（油缸或液压马达） 、控制 元件（各种阀） 、辅助元件和工作介质等五部分组成。 1、动力元件（油泵）它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力 能；是液压传动中的动力部分。 2、执行元件（油缸、液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。其中， 油缸做直线运动，马达做旋转运动。 3、控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。它们的作用是根据需要无级 调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量

15、和流向进行调节控 制。 4、辅助元件除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装 置、冷却器、管件主要包括:各种管接头(扩口式、焊接式、卡套式,sae 法兰） 、 高压球阀、快换接头、软管总成、测压接头、管夹等及油箱等，它们同样十分 重要。 5、工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机 实现能量转换。 图 3-2 国产液压系统 液压系统的历史液压系统的历史 液压传动和气压传动称为流体传动，是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压 力传动原理而发展起来的一门新兴技术，1795 年英国约瑟夫 o 布拉曼（joseph braman,1749-1814） ，在伦敦用水作

16、为工作介质，以水压机的形式将其应用于工 业上，诞生了世界上第一台水压机。1905 年将工作介质水改为油，又进一步得 到改善。 第一次世界大战(1914-1918）后液压传动广泛应用，特别是 1920 年以后， 发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的 20 年间，才开始进入 正规的工业生产阶段。1925 年维克斯发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元 件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁 o 尼斯克对能量 波动传递所进行的理论及实际研究；1910 年对液力传动（液力联轴节、液力变 矩器等）方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。 第二次世界大战(1941-1

17、945）期间,在美国机床中有 30%应用了液压传动。 应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前 后，日本迅速发展液压传动，1956 年成立了“液压工业会” 。近 2030 年间， 日本液压传动发展之快，居世界领先地位。 液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑 料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机 械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利 工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮 机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车） 、船头门、

18、舱壁阀、 船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等； 军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放 装置和方向舵控制装置等。 液压的优点液压的优点 与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点： 1、液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。 2、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。 3、操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达 2000：1） 。 4、可自动实现过载保护。 5、一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。 6、很容易实现直线运动。 7、很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不

19、仅可实现更高程 度的自动控制过程，而且可以实现遥控。 液压的缺点液压的缺点 1、由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低。如果处理不当，泄露 不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。 2、由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条 件下工作。 3、液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。 4、由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比。 5、液压传动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技术水平。 3.1.2 液压系统主要器件介绍 液压泵液压泵 液压泵是为液压传动提供加压液体的一种液压元件，是泵的一种。它的功 能是把动力机(如电动机和内燃机等)的机

20、械能转换成液体的压力能。图中为单 柱塞泵的工作原理。凸轮由电动机带动旋转。当凸轮推动柱塞向上运动时，柱 塞和缸体形成的密封体积减小，油液从密封体积中挤出，经单向阀排到需要的 地方去。当凸轮旋转至曲线的下降部位时，弹簧迫使柱塞向下，形成一定真空 度，油箱中的油液在大气压力的作用下进入密封容积。凸轮使柱塞不断地升降， 密封容积周期性地减小和增大，泵就不断吸油和排油。 图 3-3 液压泵 液压泵的工作原理是运动带来泵腔容积的变化，从而压缩流体使流体具有 压力能。必须具备的条件就是泵腔有密封容积变化。 常用液压泵的种类： 1、按流量是否可调节可分为：变量泵和定量泵。 2、输出流量可以根据需要来调节的称

21、为变量泵，流量不能调节的称为定量 泵。 3、按液压系统中常用的泵结构分为：齿轮泵、叶片泵和柱塞泵 3 种。 齿轮泵：体积较小，结构较简单，对油的清洁度要求不严，价格较便宜； 但泵轴受不平衡力，磨损严重，泄漏较大。 叶片泵：分为双作用叶片泵和单作用叶片泵。这种泵流量均匀、运转平稳、 噪音小、作压力和容积效率比齿轮泵高、结构比齿轮泵复杂。 柱塞泵：容积效率高、泄漏小、可在高压下工作、大多用於大功率液压系 统；但结构复杂，材料和加工精度要求高、价格贵、对油的清洁度要求高。 一般在齿轮泵和叶片泵不能满足要求时才用柱塞泵。还有一些其他形式的 液压泵，如螺杆泵等，但应用不如上述 3 种普遍。 液压缸液压缸

22、 液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液 压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装 置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应 用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸 筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与 排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。 图 3-4 液压缸 1.活塞式 单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。如图所示是一种单活塞液压缸。其两 端进出口油口 a 和 b 都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。 2.柱塞式 （1） 柱塞

23、式液压缸是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向 的运动，柱 塞回程要靠其它外力或柱塞的自重； （2）柱塞只靠缸套支承而不与缸套 接触，这样缸套极易加工，故适于做 长行程液压缸； （3）工作时柱塞总受压，因而它必须 有足够的刚度； （4）柱塞重量往往较大，水平放置时 容易因自重而下垂，造成密封件和 导向 单边磨损，故其垂直使用更有利。 3.伸缩式 伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从 大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而 缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。 4.摆动式 摆动式液压缸是输出扭矩并实

24、现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马 达。有单叶片和双叶片两种形式。定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在 一起。根据进油方向， 叶片将带动转子作往复摆动。 液压阀液压阀 液压阀是一种用压力油操作的自动化元件，它受配压阀压力油的控制，通 常与电磁配压阀组合使用，可用于远距离控制水电站油、气、水管路系统的通 断。常用于夹紧、控制、润滑等油路。有直动型与先导型之分，多用先导型。 图 3-5 液压阀 液压传动中用来控制液体压力流量和方向的元件。其中控制压力的称为 压力控制阀，控制流量的称为流量控制阀，控制通断和流向的称为方向控制 阀。 按用途分为溢流阀减压阀和顺序阀。(1)溢流阀：能控制液压系统在

25、达到 调定压力时保持恒定状态。用于过载保护的溢流阀称为安全阀。当系统发生故 障，压力升高到可能造成破坏的限定值时，阀口会打开而溢流，以保证系统的 安全。(2)减压阀：能控制分支回路得到比主回路油压低的稳定压力。减压阀按 它所控制的压力功能不同，又可分为定值减压阀(输出压力为恒定值)定差减 压阀(输入与输出压力差为定值)和定比减压阀(输入与输出压力间保持一定的比 例)。(3)顺序阀：能使一个执行元件(如液压缸液压马达等)动作以后，再按 顺序使其他执行元件动作。油泵产生的压力先推动液压缸 1 运动，同时通过顺 序阀的进油口作用在面积 a 上，当液压缸 1 运动完全成后，压力升高，作用在 面积 a

26、的向上推力大于弹簧的调定值后，阀芯上升使进油口与出油口相通，使 液压缸 2 运动。 利用调节阀芯和阀体间的节流口面积和它所产生的局部阻力对流量进行调 节，从而控制执行元件的运动速度。流量控制阀按用途分为 5 种。(1)节流阀： 在调定节流口面积后，能使载荷压力变化不大和运动均匀性要求不高的执行元 件的运动速度基本上保持稳定。(2)调速阀：在载荷压力变化时能保持节流阀的 进出口压差为定值。这样，在节流口面积调定以后，不论载荷压力如何变化， 调速阀都能保持通过节流阀的流量不变，从而使执行元件的运动速度稳定。(3) 分流阀：不论载荷大小，能使同一油源的两个执行元件得到相等流量的为等量 分流阀或同步阀

27、；得到按比例分配流量的为比例分流阀。(4)集流阀：作用与分 流阀相反，使流入集流阀的流量按比例分配。(5)分流集流阀：兼具分流阀和集 流阀两种功能。 按用途分为单向阀和换向阀。单向阀：只允许流体在管道中单向接通，反 向即切断。换向阀：改变不同管路间的通断关系根据阀芯在阀体中的工作 位置数分两位三位等；根据所控制的通道数分两通三通四通五通等； 根据阀芯驱动方式分手动机动电动液动等。图 2 为三位四通换向阀的工 作原理。p 为供油口，o 为回油口，a b 是通向执行元件的输出口。当阀芯 处于中位时，全部油口切断，执行元件不动；当阀芯移到右位时，p 与 a 通， b 与 o 通；当阀芯移到左位时，p

28、 与 b 通，a 与 o 通。这样，执行元件就能 作正反向运动。 其他辅助元件其他辅助元件 滤油器：液压油中往往含有颗粒状杂质，会造成液压元件相对运动表面的 磨损、滑阀卡滞、节流孔口堵塞，使系统工作可靠性大为降低。在系统中安装 一定精度的滤油器，是保证液压系统正常工作的必要手段。滤油器的过滤精度 是指滤芯能够滤除的最小杂质颗粒的大小，以直径 d 作为公称尺寸表示，按精 度可分为粗滤油器（d100 )普通滤油器(d10 )，精滤油器（d5 )，特精 滤油器（d1 )。 图 3-6 滤油器 吸油滤油器一般安装在油泵的吸油口处，用以保护油泵和其他液压元件， 以避免吸入污染杂质，可以有效的控制液压系统

29、的清洁度。 回油滤油器用于液压系统回油过滤，过滤液压系统中由于元件磨损产生的 金属颗粒，心脏密封件产生的污染物，使流回油箱的油液保持清洁。 安全阀：是根据压力系统的工作压力自动启闭，一般安装于封闭系统的设 备或管路上保护系统安全。当设备或管道内压力超过安全阀设定压力时，自动 开启泄压，保证设备和管道内介质压力在设定压力之下，保护设备和管道正常 工作，防止发生意外，减少损失。 图 3-7 安全阀 压力表：机械压力表中的弹性敏感元件随着压力的变化而产生弹性变形。 机械压力表采用弹簧管（波登管） ，膜片，膜盒及波纹管等敏感元件并按此分类。 所测量的压力一般视为相对压力。一般相对点选为大气压力。弹性元

30、件在介质 压力作用下产生的弹性变形，通过压力表的齿轮传动机构放大，压力表就会显 示出相对于大气压的相对值(或高或低)。 图 3-8 压力表 3.2 液压系统原理图 根据系统要求进行液压系统设计：升降功能选用单向液压缸和两个双向阀 实现，上升选用油压实现，下降功能靠自身重力完成；平移和夹紧功能选用双 向液压缸和四通阀实现。具体原理图如下图（详细图纸见附件）： 图 3-9 液压系统原理图 第四章第四章 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 4.1 电气系统主要元件介绍 4.1.1 plc 简介及选型 plc（programmable logic controller，可编程逻辑控制器） ，它采用一类

31、可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计 数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型 的机械或生产过程。 plcplc 历史历史 20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 plc 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业 控制装置。此时的 plc 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人 计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制 器定名为 programmable logic controller（plc） 。 20 世纪 70 年代中末期，可编程

32、控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已 全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体 积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、pid 功能及极高的性价比奠定了 它在现代工业中的地位。 20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界 上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器 已步入成熟阶段。 20 世纪 80 年代至 90 年代中期，是 plc 发展最快的时期，年增长率一直保 持为 3040%。在这时期，plc 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能 力和网络能力得到大幅度提高，plc 逐渐进入过程控制领域，在某

33、些应用上取 代了在过程控制领域处于统治地位的 dcs 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这 个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各 种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加 容易。 plcplc 工作阶段工作阶段 当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段， 即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作 一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的 cpu 以一定的扫描速度 重复执行上述三个阶段。 1、输入采样阶段 在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依

34、次地读入所有输入状态 和数据，并将它们存入 i/o 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入 用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变 化，i/o 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉 冲信号，则该脉冲信号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，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫 描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由 各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制 线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的

35、结果，刷新该逻辑线圈在系统 ram 存 储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 i/o 映象区中对应位的状态；或 者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程 中，只有输入点在 i/o 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和 软设备在 i/o 映象区或系统 ram 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而 且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数 据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或 数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 3、输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进

36、入输出刷新阶段。在此期 间，cpu 按照 i/o 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经 输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。 三菱三菱 plcplc fx1s 系列: 三菱 plc 是一种集成型小型单元式 plc。且具有完整的性能和 通讯功能等扩展性。如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择。 fx1n 系列: 是三菱电机推出的功能强大的普及型 plc。具有扩展输入输出， 模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三 菱 plc。 fx2n 系列: 是三菱 plc 是 fx 家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展 大量满足单个需

37、要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活 性和控制能力。 fx3u: 是三菱电机公司新近推出的新型第三代三菱 plc,可能称得上是小型 至尊产品。基本性能大幅提升，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，从而使得定位控制功能更加强 大，使用更为方便。 fx1nc/fx2nc/fx3uc 三菱 plc: 在保持了原有强大功能的基础上实现了极为 可观的规模缩小 i/o 型接线接口降低了接线成本，并大大节省了时间。 q 系列三菱 plc: 三菱机公司推出的大型 plc,cpu 类型有基本型 cpu，高性 能型 cpu，过程控制 c

38、pu,运动控制 cpu,冗余 cpu 等。可以满足各种复杂的控制 需求。三菱电机中国事业的快速发展，为了更好地满足国内用户对三菱 plc，q 系列产品高性能、低成本的要求，三菱电机自动化特推出经济型 quteset 型三 菱 plc，即一款以自带 64 点高密度混合单元的 5 槽 q00jcouset；另一款自带 2 块 16 点开关量输入及 2 块 16 点开关量输出的 8 槽 q00jcpu-s8set，其性能指 标与 q00j 完全兼容，也完全支持 gx-developer 等软件，故具有极佳的性价比。 a 系列三菱 plc: 使用三菱专用顺控芯片（msp） ，速度/指令可媲美大型三 菱

39、 plc;a2ascpu 支持 32 个 pid 回路。而 qnascpu 的回路数目无限制，可随内存 容量的大小而改变；程序容量由 8k 步至 124k 步，如使用存储器卡，qnascpu 则内存量可扩充到 2m 字节；有多种特殊模块可选择，包括网络，定位控制，高 速计数，温度控制等模块。 三菱 fxplc 是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当 fx 系列中最高 档次的超小程序装置，除输入出 1625 点的独立用途外，还可以适用于多个基 本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广 泛需要的 plc。 特点:系统配置即固定又灵活;编程简单;备有可自由选择，丰富的

40、品种；令 人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共 同的外部设备。 三菱三菱 plcplc 的选型方法的选型方法 因每种品牌配置不一样，所以它的选型方式也有所差异，下面着重介绍大 家常用的大众品牌三菱 plc 的选型方法，大家可以做一个参考来选择使用三菱 plc。 1、分析被控对象并提出控制要求 详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间 的配合，提出被控对象对三菱 plc 控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定 设计任务书。 2、如何确定三菱 plc 的输入/输出设备 根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备(如：按纽、位置开关、 转换

41、开关及各种传感器等)和输出设备(如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其 它执行器等)，从而确定与三菱 plc 有关的输入/输出设备，以确定 plc 的 i/o 点数。 3、如何选择三菱 plc 型号 三菱 plc 选择包括对三菱 plc 的机型、容量、i/o 模块、电源等的选择， 详见本章第二节。 4、三菱 plc 分配 i/o 点并设计三菱 plc 外围硬件线路 分配 i/o 点：画出 plc 的 i/o 点与输入/输出设备的连接图或对应关系表， 该部分也可在第 2 步中进行。 设计 plc 外围硬件线路：画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和 未进入 plc 的控制电路等。由 plc 的

42、i/o 连接图和 plc 外围电气线路图组成系 统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。 系统选用系统选用 plcplc 根据系统要求选择 plc 型号为 fx2n-32mr，如下图所示： 图 4-1 系统选用的 plc fx 系列 plc 拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特 点；fx2n 是从 16 路到 256 路输入/输出的多种应用的选择方案；除输入出 16- 25 点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位 控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的 plc；内置 800 步 ram（可 输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至

43、16k 步。 丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入 过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取， 16 位数据的读取，矩阵输入的读取，7 段显示器输出等。数据处理、数据检索、 数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出 （20khz/dc5v，khz/dc12v-24v） ，脉宽调制，pid 控制指令等。外部设备相互 通信，串行数据传送，ascii code 印刷，hex ascii 变换，校验码等。时计控 制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。 图 4-2 fx2n 输入接线图 图 4-3 fx2n 继电器

44、输出接线图 4.1.2 变频器简介 变频器（variable-frequency drive，vfd）是应用变频技术与微电子技术， 通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主 要由整流（交流变直流） 、滤波、再次整流（直流变交流） 、制动单元、驱动单 元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的 目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速 的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。 随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。 系统选用三菱 fr-d700 系列变频器控制旋转电

45、机，如下图所示： 图 4-4 fr-d700 系列变频器 图 4-5 fr-d700 系列变频器接线图 图 4-6 fr-d700 系列变频器功能图 4.1.3 人机界面 hmi 是 human machine interface 的缩写， “人机接口” ，也叫人机界面。 人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交 换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人 机信息交流的领域都存在着人机界面。 定义定义 连接可编程序控制器（plc） 、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备， 利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数

46、或 输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。 人机界面（人机界面（hmihmi）产品的组成及工作原理）产品的组成及工作原理 人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、 输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定了 hmi 产品的 性能高低，是 hmi 的核心单元。根据 hmi 的产品等级不同，处理器可分别选用 8 位、16 位、32 位的处理器。hmi 软件一般分为两部分，即运行于 hmi 硬件中 的系统软件和运行于 pc 机 windows 操作系统下的画面组态软件（如 jbhmi 画 面组态软件） 。使用者都必须先使用 h

47、mi 的画面组态软件制作“工程文件” ，再 通过 pc 机和 hmi 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到 hmi 的 处理器中运行。 本系统采用台达 dop-a 系列触摸屏,性价比高、功能强大：8 寸 lcd；65536 色 tft；640 x 480 像素；内置 7mb flash rom；支持 usb host，可外接 u 盘、 打印机；usb 1.1 高速下载规划程序；3 组通讯端口；最多支持 16 国语言画面 设计；符合 ip65 & nema4 规格，通过 ce & ul 认证。 图 4-7 台达 dop-a 系列触摸屏 图 4-8 触摸屏与 fx2n 系列 plc 联机

48、线缆 图 4-9 触摸屏安装图及端口 4.1.4 低压断路器 低压断路器又称自动开关，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失 压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步 电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及 欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等 的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，所以获得了广泛的应 用。系统选择施耐德公司的断路器作为电路保护元件。 图 4-10 施耐德断路器实物图 图 4-11 断路器参数表 4.2 电气原理图 对 plc 的 i/o 点进行定义，如下表： 输入输入输出输出 地址定义地址定义 x0主轴正转限位y0预留 x1主轴反转限位y1主轴正转 x2部件正转限位y2主轴反转 x3部件反转限位y3部件正转 x4提升限位y4部件反转 x5下降限位y5预留 x6左移限位y6预留 x7右移限位y7液压油泵电机 x10主轴旋转电机报警y10提升阀 x11部件旋转电机报警y11下降阀 x12液压油泵电机报警y12左移阀 x13急停按钮y13右移阀 x14预留y14夹紧阀 x15预留y15打开阀 x16夹紧检测y16运行指示