PLC机械手操作控制新版系统.doc

摘 要在现代工业中,生产过程机械化、自动化已成为突出专题。伴随工业现代化深入发展，自动化已经成为现代企业中关键支柱，无人车间、无人生产流水线等等。已经随地可见。同时，现代生产中，存在着多种多样生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场所和水下作业等，这写恶劣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一项新技术，是现代控制理论和工业生产自动化实践相结合产物。并认为现代机械制造生产系统中一个关键组成部分。工业机械手是提升生产过程自动化、改善劳动条件、提升产品质量和身效益有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声和带有放射性和污染场所，应用得更为广泛。在中国，近几年来也有较快发展，并取得一定效果，受到机械工业和铁路工业部门重视。机械手是在自动化生产过程中发展起来一个新装置。广泛应用于工业生产和其它领域。PLC已在工业生产过程中得到广泛应用，应用PLC控制机械手能实现多种要求工序动作，对生产过程有着十分关键意义。论文以介绍PLC在机械手搬运控制中应用，设计了一套可行机械手控制系统，并给出了具体PLC程序。设计完成机械手能够在空间抓放、搬运物体等，动作灵活多样。 整个搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。关键词：可编程控制器,PLC,机械手操作控制系统.目 录第一章 概 述11.1 PLC控制系统1 1.1.1 PLC产生11.1.2 PLC特点及应用21.2 选题背景31.2.1 机械手介绍3第二章 PLC控制系统设计62.1 总体设计62.1.1 制订控制方案62.1.2 系统配置62.1.3 控制要求92.1.4 控制面板122.1.5外部接线图132.2.2 手动方法状态162.2.3 回原点状态转移图：192.2.4 自动方法状态19第三章 控制系统内部软组件213.1内部软组件概述213.1.1 输入继电器213.1.2 输出继电器213.1.3 辅助继电器223.1.4 状态组件233.1.5 定时器23致 谢24参考文件24第一章 概 述1.1 PLC控制系统可编程控制器是以微处理器为基础，综累计算机技术，自动控制技术和通讯技术而展起来一个新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理二者优点结合起来成为工业自动化领域中最关键，应用最多控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计和制造）首位。可编程控制器（简称PLC）是在继电器控制和计算机技术基础上开发了出来，并逐步发展成以微处理器为关键，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体一个新型工业控制装置。可编程控制器以其可靠性高，组合灵活，编程简单，维护方便等独特优势被日趋广泛应用于国民经济各个控制领域，它应用深度和广度已成为一个国家工业优异水平关键标志。 因为早期可编程控制器只是用来替换继电器控制实施逻辑运算、计时、计数等次序控制功效，所以大家称之为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。1.1.1 PLC产生PLC是在猛烈市场竞争中产生，20世纪60年代么末，美国汽车制造业竞争猛烈。为适应生产工艺不停更新需要，美国通用汽车企业（GM）对控制系统提出要求为：（1）能替换由多种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定逻辑关系用导线连接起来控制系统，由传统继电接触器控制，它简单易懂，价格低廉，能够满足生产工艺改动频繁需要；（2）编程简单；（3）模块式结构；（4）输入、输出电压为交流115V(美国家标准准)，输出能直接驱动继电器和电磁阀；（5）抗电磁干扰强；（6）含有数据通信功效。就是把继电接触器控制优点和计算机功效齐全、灵活性、通用性强特点结合起来，用计算机编程软件逻辑易于修改来替换继电接触器控制硬接线逻辑不易修改。美国数字设备企业（DEC）在1969年依据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车企业汽车装配现上应用成功，实现了生产装配线自动控制。1.1.2 PLC特点及应用 PLC能适应工业现场恶劣环境，可靠性高（平均无故障工作时间可达数万小时，甚至十几万小时）。在工业生产中通常要求控制设备含有很强抗干扰能力（比如:抗振频率=16HZ,振幅为3mm；工作温度为1055摄氏度；湿度为35%90%RH,无凝结）。而PLC在这方面由独到之处：硬件上采取光电隔离装置以预防输出对输入反馈干扰；采取屏蔽方法预防空间电磁干扰（对高频干扰信号起到良好抑制作用，抗干扰强度为：峰值=1000V，脉宽为10us矩形波；设置滤波步骤，以消除外部干扰和各模块之间影响；采取连锁及互锁控制、自诊疗电路和模块式结构等方法，以提升硬件可性及模块交换性；在软件上采取了故障自检测、自诊疗等方法。PLC软件简单易学。它用梯形图编程语言编程，类似于继电器控制线路图。1. PLC使用方便。PLC品种繁多，系统扩展灵活。它采取积木式结构，含有多种I/O模块和A/D、D/A模块等，便于依据需要配置成多种不一样规模上分布式或集中式控制系统。PLC端子上接对应输入、输出信号线即可，使用很方便。当控制要求改变时，要变更控制系统功效，可用编程器修改程序。同一PLC装置还可用于不一样受控对象，只是输入、输出组件和应用软件不一样而已。PLC输入、输出可直接和电压为交流220V或直流24V强电相连，并有较强带负载能力（如继电器输出电流为2A）。2. PLC体积小，重量轻，便于安装。它还配有自检和监控功效，能检测出本身故障，并随时显示给操作人员：能动态地监视控制程序实施情况，为现场调试和维护提供了方便，另外因为接线少，维修时之需更换插入式模块，维护方便。3. PLC应用范围宽广，现在已经应用于汽车装配、数控机床、机械制造、电力石化、冶金钢铁、交通运输、轻工纺织等各行业。归纳起来，关键应用有5个方面：（1）开关量逻辑控制:即替换继电接触器控制系统，如冶金行业中高炉上料系统，轧钢机、连铸机、飞剪等控制系统；机械工业中多种自动生产线、自动加工机床、机械手、龙门羡铣床等控制；轻工业中注塑机、包装机、食品机械控制和日常生活中电梯控制等；化工行业重多种泵、电磁阀控制等。(2)模拟量 过程控制：多种生产规程自动控制中对温度、压力、流量等连续改变模拟量进行监测、调整控制。；（3）机械件位置控制：关键是指PLC使用专用位置控制模块来控制迫近电动机或伺服电动机，从而实现对多种机械构建运动控制，如控制构件速度、位移、运动方向等。PLC位置控制经典应用有：及其人运动控制、机械手位置控制、电梯运动控制等；PLC还可和计算机数控装置组成数控机床，以数字控制方法控制零件加工、金属切削等，实现了告警度加工。（4）现场数据采集处理：数据处理通常见于诸如柔性制造系统、机器人和机械手控制系统等大、中型控制系统中；(5)通信联网、多级控制：PLC和PLC之间、PLC和上位计算机之间通信，要采取其专用通信模块，并利用RS232C或RS422A接口，用双绞线或同轴电缆或光缆将她们练成网络。由一台计算机和多台PLC组成分布式控制系统进行“集中管理、分散控制”，建立工厂自动化网络。PLC还能够连接CRT显示器或打印机，实现显示和打印。1.2 选题背景1.2.1 机械手介绍伴随工业生产自动化程度不停提升，制造系统飞跃发展，自80年代柔性制造系统进入实用阶段以来，使机械加工面貌发生了质改变，伴随柔性制造技术、计算机辅助技术和信息技术发展，当今机械加工业已进入全盘自动化时代，然而，装配技术远落于加工技术，二者已形成了显著反差，装配工艺已称为现代化生产微弱步骤，现代制造技术发展已使传统手工装配工艺面临严峻挑战，所以，发展机械手进行装配势在必行并日趋柔性化发展，工业机械手被越来越多应用在涂漆、包装、焊接、装配等生产步骤来替换人工完成恶劣环境下 劳动。 图1 机械手搬运机构机械手就是能模拟任何手臂一些动作功效，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具自动操作装置。它可替换人繁重劳动以实现生产机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，所以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和源自能等部门。机械手关键有手部和运动机构组成，手部是用来抓持工件（或工具）部件。依据被抓持物件形状、尺寸、重量材料和作业要求而有多个结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构使手部完成多种机械转动（摆动）或移动或复合运动来实现要求动作,改变被抓持物件位置和姿势。运动机构升降和伸缩、旋转和独立等运动方法称为机械手自由度。为了抓取空间中任意位置和方位物体，需要六个自由度。自由度是机械手设计关键参数，自由度越多，机械手灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。通常专用机械手有23个自由度机械手种类，按驱动方法可分为液压式、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；按运动轨迹控制方法可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手常见作机床或其它机器附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传输工件，在加工中心中更换刀具等，通常没有独立控制装置。有些操作装置需要由人来直接操作，如用于原子能部门操持危险物品主从式操作手也称为机械手。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适适用于可变换生产中、小批量自动化生产。 机械手势工业控制领域中常常见到一个控制对象，应用PLC控制机械手实现多种要求工序动作，能够简化生产线路，节省成本，提升生产效率。在自动装配生产线上，机械手往往势必不可少设备。它模拟人和手臂部分动作，按预定程序、轨迹和要求，实现抓取、搬运和装配。在减轻人劳动强度，提升装配质量和装配效率方面效果是显而易见。第二章 PLC控制系统设计2.1 总体设计2.1.1 制订控制方案（1）为机械手控制系统制订以下控制方案：（2）用初始状态设定来决定控制系统自动运行和手动运行方法；（3）在初始状态设定后，系统自动进入所设置运行方法。（4）系统在非自动运行方法许可分别设置。 （5）系统在任何时刻全部能够经过按下急停开关来是系统停车。2.1.2 系统配置 机械手自动操作系统为单机控制系统。PLC输入点，有上限位开关、下限位开关、左等，包含开启、停止按钮，一共17点；输出点 5点。1. 搬运机构手爪提升气缸：提升气缸采取双向电控气阀控制，气缸伸出或缩回可任意定位。磁性传感器：检测手爪提升气缸处于伸出或缩回位置。（接线注意 棕色接“+”、蓝色接“-”）手爪: 抓取物料由单向电控气阀控制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，单向电控气阀断电，手爪松开。旋转气缸：机械手臂正反转，由双向电控气阀控制。靠近传感器：机械手臂正转和反转到位后，靠近传感器信号输出。（接线注意 棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接输出）双杆气缸：机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。（接线注意 棕色接“+”、蓝色接“-”）缓冲器： 旋转气缸高速正转和反转到位时，起缓冲减速作用。2. 气动原理本装置气动关键分为两部分：一、气动实施元件部分有单出杆气缸、单出双杆气缸、旋转气缸。二、气动控制元件部分有单控电磁换向阀、双控电磁换向阀、磁性限位传感器。图2 气 路 原 理 图1）气缸电控阀使用图3 气缸示意图注：气缸正确运动使物料分到对应位置，只要交换进出气方向就能改变气缸伸出（缩回）运动，气缸两侧磁性开关能够识别气缸是否已经运动到位。双 图4 双向电磁阀示意图注：双向电控阀用来控制气缸进气和出气，从而实现气缸伸出、缩回运动。电控阀内装红色指示灯有正负极性，假如极性接反了也能正常工作，但指示灯不会亮。单 图5 单相电磁阀示意图注： 单向电控阀用来控制气缸单个方向运动，实现气缸伸出、缩回运动。和双向电控阀区分在双向电控阀初始位置是任意能够随意控制两个位置，而单控阀初始位置是固定只能控制一个方向。2）气动手爪控制图：图中手爪夹紧由单向电控气阀控制，当电控气阀得电，手爪夹紧。当电控气阀断电后手爪张开。图6 手爪控制示意图2.1.3 控制要求（1） 机械手上升和下降，左移和右移实施结构均采取双线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，每个线圈完成一个动作。（2）抓紧和放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时实施抓紧动作，线圈断电时实施放松动作。（3）机械手上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制（4）抓紧动作由压力继电器控制。当抓紧时，压力继电器动合触点闭合，放松动作由定时器控制。搬运机械手控制系统示意图以下所表示： 图7 机械手控制系统示意图机械手每个工作臂上全部有上、下限位和左、右限位开关，而其夹持装置不带限位开关。一旦夹持开始，定时器便会开启，定时器结束，夹持动作随即完成，机械手抵达B点后，将工件松开时间也是由定时器控制，定时器结束时，表示被抓工件已松开。其示意图以下所表示： 图8 机械手控制系统示意图机械手一个周期内工作过程以下所表示：第一步：按下开启按钮，机械手开始从原点下降，碰到下限位开关X1接通，下降停止，第一步工作完成。第二步：定时器接通开始工作，机械手开始夹紧工件，定时1s结束，夹紧完成，第二步工作完成。第三步：机械手开始上升，上升到顶部时，碰到上限位开关X2接通，上升停止，第三步工作完成。第四步：机械手右移，至碰到右限位开关X3接通，右移停止。第四步工作完成。第五步：机械手开始下降，下降到底时，碰到下限位开关X1接通，下降停止。第五步工作完成。第六步：定时器接通开始工作，机械手开始放松工件，定时1s结束，放松工件，工 作完成。第六步工作完成。第七步：机械手开始上升，上升到顶部，碰到上限位开关X2，上升停止。第七步工作完成。第八步：机械手开始左移，直到左移到原点碰到左限位开关X4接通，左移停止。第八步工作完成。于是机械手动作一个周期结束。 机械手控制系统工作步骤图以下所表示： 图132.1.4 控制面板图9 控制面板由图10操作面板图可见，此机械手可分为三种控制方法：手动控制方法、自动控制方法、半自动（单周期）运行方法。手动控制方法：用各自按钮使各个负载单独接通或断开方法，使按动回原点按钮时，被控制机械自动向原点回归。 自动运行方法：连续运行，只要在原点位置按开启按钮，设备就连续循环运行，若中途按停止按钮，动作将继续到原点为止。半自动运行方法：在原点位置按开启按钮后，设备就自动运行一个循环，并在原点停止;若在中途按动停止按钮设备就中止运行，再按动开启按钮，则将从断点处继续运行，回到原点自动停止。表1 输入输出表名称符号输入点名称符号输出点下限位S14X1下降电磁阀KM1Y0上限位S15X2夹紧电磁阀KM2Y1右移限位S16X3上升电磁阀KM3Y2左移限位S17X4右移电磁阀KM4Y3上升S3X5左移电磁阀KM5Y4下降S4X10右移S5X6左移S6X11夹紧S1X12放松S2X7手动S12X20单步运行S9X27单周期S11X23自动S13X24原点S7X25开启S8X26停止S9X272.1.5外部接线图图10 PLC控制接线图2.2 程序设计2.2.1 初始状态设定表2 含有连续编号输入点输入功效输入功效手动全自动回原点回原点开启单步运行自动开始半自动运行停止：手动操作初始状态：回原点初始状态：自动操作初始状态此指令结果直接影响了M8040、M8041、M8042、M8047状态，这条指令等效于图12所表示电路。M8042 为输入开启时起始脉冲.M8040 为严禁转移辅助继电器,此辅助继电器接通后就严禁全部状态转移,所以它ON状态总是出现在手动状态中.M8047 为ON状态元件监控有效标志辅助继电器,当它为ON状态时,状态S0S899中正在动作状态号从最低号开始次序存入特殊数据寄存器D8040D8047,最多可存8个状态号图11 初始化状态依据操作面板所设，可将状态转移图分成四块：即自动方法状态、手动方法状态、回原点初始状态、初始化状态。图12所表示 对状态转移图中几处特殊辅助继电器即特殊功效说明以下：1. M8044(原点位置条件)：此元件在检测到原点时动作，它由原点个传感器驱动，ON状态作为自动方法时许可状态转移条件。2.M8041（状态转移开始）它是一个状态转移标志元件。当它为ON状态时，表示自动方法时从初始状态开始转移。3.M8043（回原点完成）它是一个标志元件。当它为ON时，表示原点状态结束，会员店初始状态状态元件S10S19全部将回零操作。4.M8000（RUN）监控。只要RUN按钮动作 ，她就一直ON，用此信号来监控PLC动作。 由初始状态设定可知该初始化电路状态为： 图 12 初始化电路MANUAL OPERATION 0 LD X41 AND X22 ANI Y13 OUT M80445 LD M80006 FNC 60 X20 S20 S27 2.2.2 手动方法状态图13 手动方法状态ZERO RETURN13 STL S0 14 LD X12 15 SET Y1 16 LD X7 17 RST Y1 18 LD X5 19 ANI Y0 20 OUT Y221 LD X1022 ANI Y223 OUT Y0 24 LD X625 AND X226 ANI Y3 27 OUT Y428 LD X1129 AND X230 ANI Y431 OUT Y3(RET)32 STL S1 33 LD X25 34 SET S10 36 STL S10 37 RST Y1 38 RST Y039 OUT Y2 40 LD X241 SET S1143 STL S11 44 RST Y345 OUT Y446 LD X447 SET S1249 STL S1250 SET M804352 RST S12(RET)54 STL S2 55 LD M8041 56 AND M8044 57 SET S20 59 STL S20 60 OUT Y0 61 LD X1 62 SET S21 64 STL S21 65 SET Y166 OUT T0 K10 69 LD T0 70 SET S2272 STL S2273 OUT Y2 74 LD X2 75 SET S23 77 STL S23 78 OUT Y3 79 LD X380 SET S24 82 STL S2483 OUT Y0 84 LD X1 85 SET S25 87 STL S2589 RST Y190 OUT T1 K10 92 LD T193 SET S2695 STL S2696 OUT Y297 LD X298 SET S27100 STL S27101 OUT Y4 102 LD X4 103 OUT S2105 RET106 END2.2.3 回原点状态转移图：图 14 回原点状态转移图2.2.4 自动方法状态状态号状态输出/状态功效状态转移S2自动方法初始状态M8044、M8041： S2S20S20Y0得电，机械手下降X1：S20S21S21Y1置位，机械手夹紧T0：S21S22S22Y2得电，机械手上升X2：S22S23S23Y3得电，机械手右移X3：S23S24S24Y0下降，机械手下降X1：S24S25S25Y1复位，机械手放松T1：S25S26S26Y2得电，机械手上升X2：S26S27S27Y4得电，机械手左移X4：S27S2图 15 自动方法状态第三章 控制系统内部软组件3.1内部软组件概述在传统继电器控制系统和电子逻辑控制系统中，控制任务完成是经过电器、电子控制线路来实现。这些控制线路将继电器、接触器、电子元件等若干分立器件用导线连接在一起，形成满足控制对象动作要求控制“程序”。PLC内部控制电路是由编程实现逻辑电路，用软件编程替换继电器功效。对于使用者来说，在编制应用程序时，能够不考虑微处理器和存放器复杂组成及使用计算机语言，而把PLC看成是内部由很多“软继电器”组成控制器，用近似继电器控制线路图编程和编程语言进行编程。这么从功效上讲就能够把PLC控制部分看作是由很多“软继电器”组成等效电路。FX2系列PLC中软组件由输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M、状态组件S、指针P/I、常数K/H、定时器T计数器C、数据寄存器D、变址寄存器V/Z。 本控制系统用到软组件有：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器和状态组件。3.1.1 输入继电器 符号： 输入继电器和PLC输入端相连，它代表符号是“X”.功效：输入继电器外部物理特征就相当于一个开关量输入点，称为输入接点。外部开关两个接线点中，一个接到输入接点上，另一个接在输入端公共接点COM上。从内部操作角度看，一个输入继电器就是一个一位只读存放单元，能够无限此读取，其量值只能有两种状态：当外界开关闭合是就是ON状态；当开关断开时就是OFF状态。但在使用中，既能够用输入继电器常开接点，也能够用 输入几点其常闭接点。在ON状态下，其常开接点闭合，常闭接点断开；在OFF状态，则反之。本系统用时FX248M型号输入继电器，其输入接点是24个。3.1.2 输出继电器符号： 输出继电器外部输出接点连接到PLC输出端子上，它 代表符号是“Y”。功效： 输出继电器外部物理特征就相当于一个接触器触点，称为输出接点。从使用角度来看，能够将一个输出继电器看成一个受控开关，其断开或闭合受到程序控制。PLC输出继电器是无源，所以需要外接电源。从内部操作角度来看，一个输出继电器就是一个一位可读、写存放器单元，能够无限次读取和写入。在读取时既能够用输出继电器常开触点，也能够用输出继电器常闭触点，使用次数不限。本系统用是FX216M型号输出继电器，其输出接点是8个。3.1.3 辅助继电器 符号： PLC内部由很多辅助继电器，它代表符号是“M”。 功效：辅助继电器功效相当于多种中间继电器，能够由其它多种软组件驱动，也能够驱动其它软组件。辅助继电器有常开和常闭两种接点，其状态是一位，只有ON和OFF两种状态。辅助继电器没有输出接点，也就是说不能驱动外部负载。外部负载只能由输出继电器驱动。 辅助继电器接点使用和输入继电器类似，在ON状态下，其常开接点闭合，常闭接点断开；在OFF状态下，常开接点断开，常闭接点闭合。FX2系列PLC由三种不一样特征辅助继电器，分别是通用辅助继电器、断电保持辅助继电器和特殊功效辅助继电器（M8000M8255）本控制系统用到是特殊功效辅助继电器（M8000M8255）M8044 在检测到原点时动作，由原点传感器驱动，ON状态作为自动方法是许可状态转移条件M8041 为ON时，表自动方法是从初始状态开始转移。N8043 为ON时，表示原点状态结束，会原点初始状态状态元件S10S19全部将回零操作。M8000 只要RUN按钮动作，就一直监控PLC动作。M8040 严禁状态转移M8047 状态元件监控有效标志。3.1.4 状态组件状态组件S是组成状态转移图关键软组件，在步进顺控程序中使用。FX2系列PLC状态组件共有1000点，分为5类：初始状态器：10点,S0S9.回零状态器：10点，S10S19.通用状态器：480点，S20S499.保持状态器：400点，S500S899报警用状态器：100点，S900S999前4种状态组件S在该机械手控制系统中同时进指令STL配合使用， 使编程简单明了。3.1.5 定时器符号： 定时器在PLC中符号是“T”功效： 它在PLC中相当于一个时间继电器分类：按特征不一样分为两类：通用定时器（T0T245）和累积定时器(T246T255。通用定时器分100ms和10ms两种。100ms通用定时器有200个，地址为T0T199。10ms通用定时器有46个，地址为T200T245。累计定时器分1ms和100ms1ms累计定时器有4个，地址为T246T249。100ms累计定时器有6个，地址为T250T255。而该系统用到是通用定时器，100ms通用定时器，地址为T0,定时1s。参考文件1廖常初.可编程序控制器应用技术2杨长能,张兴毅.可编程序控制器（PC）基础及应用3王兆义.可编程控制器教程.机械工业出版社 4王红,王艳玲.可编程控制器使用教程5齐从谦,王士兰.PLC技术及应用6钟肇新.可编程序控制器原理及应用7章文浩.可编程控制器原理及试验8陈宇.段鑫.可编程控制器基础及编程技巧