畢業(yè)設計（論文）-機械手的PLC設計

安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 1 目 錄 摘 要 .3 引 言 .4 1 機械手簡介 .5 1.1 概述 .5 1.2 機械手的組成 .5 1.3 機械手的分類 .5 1.4 機械手的應用 .5 2 機械手的控制方案與選擇 .6 2.1 控制要求 .6 2.2 機械手的控制系統(tǒng)設計方案的比較 .6 3 PLC 的簡介 .7 3.1 PLC 的產(chǎn)生 .7 3.2 PLC 的定義和特點 .7 3.2.1 PLC 的定義 .7 3.2.2 PLC 的特點 .7 3.3 可編程控制器的主要性能指標 .8 3.4 可編程控制器的分類 .8 3.5 PLC 系統(tǒng)的組成 .9 3.5.1 PLC 的硬件結構 .9 3.5.2 PLC 的軟件 .9 3.6 可編程控制器的工作方式 .9 3.7 PLC 的編程語言 .10 3.8 FX2N 系列 PLC .11 3.8.1 FX2N 系列 PLC 的內(nèi)部資源 .11 3.8.2 FX2N 系列 PLC 的基本順控指令 .11 3 9 PLC 的應用領域 .12 4 PLC 對機械手的控制 .13 4.1 PLC 的選型 .13 4.4.1 I/O 總點數(shù)的確定 .13 4.4.2 I/O 點信號性質(zhì)分析 .13 4.4.3 用戶存儲器容量的估算 .13 4.2 PLC 的梯形圖 .14 4.2.1 程序的總體結構設計 .14 4.2.2 初始化程序 .14 4.2.3 手動程序 .14 4.2.4 回原位程序 .15 4.2.5 自動程序 .16 4.3 指令程序 .17 4.4 I/O 接線圖 .17 4.5 相關電氣設備選擇和校驗 .19 4.5.1 系統(tǒng)調(diào)試 .19 4.5.2 程序的運行與調(diào)試 .20 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 2 4.6 材料清單 .20 4.7 不足和改進 .21 5 畢業(yè)設計總結 .22 6 致謝 .23 參考文獻 .24 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 3 摘 要 機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任 務執(zhí)行機構，是機器人的關鍵部件之一。機械手的機械結構采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術，位置控制技術、檢測技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機械手是由 PLC 輸出三路脈沖，分別驅(qū)動橫軸、豎軸變頻器，控制機械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關將位置信號傳給 PLC 主機；位置信號由接近開關反饋給 PLC 主機，通過交流電機的正反轉(zhuǎn)來控制機械手手爪的張合，從而實現(xiàn)機械手精確運動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運機械手可在空間抓放物體 ，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù)。 關鍵詞 ：機械手 PLC 變頻器 交流電機 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 4 引 言 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展 ,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱 ,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進行操作 。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技術，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 本課題擬開發(fā)物料搬運機械手，采用日本三菱公司的 FX2N 系列 PLC，對機械手的上下、左右以及抓取運動進行控制。該裝置機械 部分有滾珠絲杠、滑軌、機械抓手等；電氣方面由交流電機、變頻器、操作臺等部件組成。我們利用可編程技術，結合相應的硬件裝置，控制機械手完成各種動作。 由于時間倉促和個人水平限制，我的設計存在著許多還沒來得及解決的問題，希望廣大老師、同學能夠給予批評指正并予以解決。 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 5 1 機械手簡介 1.1 概述 機械手首先是 由 美國開始研制的。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出 了 第一臺機械手。 機械手 能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn) 生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門 。 1.2 機械手的組成 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體 ，需有 6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有 2 3 個自由度。 1.3 機械手的分類 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 1.4 機械手的應用 機械手通常用作 機床 或其他機器的附加裝置，如在自動機床或 自動生產(chǎn)線 上裝卸和傳遞工件，在 加工中心 中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。另外， 機械手在鍛造工業(yè)中的應用 不僅 能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力， 而且還能改善熱、累等勞動條件。 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 6 2 機械手的控制方案與選擇 2.1 控制要求 如下圖所示為某生產(chǎn)車間中自動 化搬運機械手，用于將左工作臺上的工件搬運到右工作臺上。機械手的全部動作由液壓驅(qū)動。液壓泵由電磁閥控制，其上升 /下降、左移 /右移運動由雙線圈兩位電磁閥控制，即上升電磁閥得電時機械手上升，下降電磁閥得電時機械手下降。夾緊 /放松運動由單線圈兩位電磁閥控制，線圈得電時機械手夾緊，斷電時機械手放松。 圖 2.1 機械手的動作示意圖 為便于控制系統(tǒng)調(diào)試和維護，本控制系統(tǒng)應有手動功能和顯示功能。當手動 /自動轉(zhuǎn)換開關置于“手動”位置時，按下相應的手動按鈕，就可實現(xiàn)上升、下降、左移、右移、夾緊、放松的手動控制。當機械手處 于原位時，將手動 /自動轉(zhuǎn)換開關置于“自動”位置時，進入自動工作狀態(tài)，手動按鈕無效。 2.2 機械手的控制系統(tǒng)設計方案的比較 在工業(yè)自動化生產(chǎn)中常用的控制系統(tǒng)有：傳統(tǒng)的繼電器 接觸器控制系統(tǒng)、 PLC 控制系統(tǒng)和微機控制系統(tǒng)這三種。但從使用性、經(jīng)濟性、可靠性出發(fā)，本設計選用了 PLC。因為從上述該機械手所需完成的控制動作分析來看，本機械手是用于 各種傳感器在復雜的條件下 工件的傳輸，主要動作是上升、下降、左移、右移、夾緊、放松和工序延時控制等，控制動作基本上是以簡單的順序邏輯動作為主。是屬典型的繼電邏輯順序動作控制系 統(tǒng)，這是 PLC 最擅長的功能，而且 PLC 具有體積小、重量輕、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、易于維護等特點，特別是替代繼電器控制系統(tǒng)，這更是它的優(yōu)勢。 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 7 3 PLC 的簡介 3.1 PLC 的產(chǎn)生 1968 年美國通用汽車公司（ GM）招標要求 :軟連接代替硬接線 ；維護方便 ；可靠性高于繼電器控制柜 ；體積小于繼電器控制柜 ；成本低于繼電器控制柜 ；有數(shù)據(jù)通訊功能 ；輸入115V；可在惡劣環(huán)境下工作 ；擴展時，原系統(tǒng)變更要少 ；用戶程序存儲容量可擴展到 4K 。核心思想：用程序代替硬接線，輸入 /輸出電平可與外部裝置直接相聯(lián)，結構易 于擴展 ，這是 PLC 的雛形。 1969 年美國 DEC 公司研制出世界上第一臺 PLC（ PDP-14），并在 GM 公司汽車生產(chǎn)線上應用成功 。 3.2 PLC 的定義和特點 3.2.1 PLC 的定義 美國電氣協(xié)會制造商協(xié)會 NEMA 和國際電工委員會 IEC 對可編程控制器分別作了定義：可編程控制器是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開關量邏輯控制為主的自動控制裝置。它具有存儲控制程序的存儲器，能夠按照控制程序，將輸入的開關量（或模擬量）進行邏輯運算、定時、計數(shù)和算術運算等處理后，以開關量（或模擬量）的形式輸出，控制各種類型的機 械或生產(chǎn)過程。 早期的可編程控制器，主要用于開關量邏輯控制，所以稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC，后來隨著計算機計術不斷發(fā)展，其功能已不僅限于開關邏輯控制，所以被稱之為可編程控制器 PC，但這很容易和個人計算機 PC 相混淆，因此，一般仍把 PLC 作為可編程控制器的簡稱。 3.2.2 PLC 的特點 可編程控制器之所以能夠得到迅速發(fā)展和廣泛應用，主要是由于它具有以下特點： （ 1） 可靠性高，抗干擾能力強 用軟件實現(xiàn)大量的開關量邏輯運算，克服了因繼電器觸點接觸不良而造成的故障；輸入采用直流低電壓，更加可靠、安全；面 向工業(yè)環(huán)境設計，采取了濾波、屏蔽、隔離等抗干擾措施，適應各種惡劣的工作環(huán)境，遠遠地超過了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)和一般的計算機控制系統(tǒng)。 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 8 (2) 編程簡單，易于掌握 PLC 采用梯形圖方式編寫程序，與繼電器控制邏輯的設計相似，具有直觀、簡單、容易掌握等優(yōu)點。 （ 3） 功能完善，靈活方便 隨著 PLC 技術的不斷發(fā)展，其功能更加完善，不僅具有開關量邏輯控制功能和步進、計算功能，而且還具有模擬量處理、溫度控制、位置控制、網(wǎng)絡通信等功能。既可以單機使用、也可聯(lián)網(wǎng)運行，既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。而且在 運行過程中，可隨時修改控制邏輯，增減系統(tǒng)的功能。 （ 4） 體積小、質(zhì)量輕、功耗低 由于采用了單片機等集成芯片，體積小、質(zhì)量輕、機構經(jīng)湊、功耗低。 3.3 可編程控制器的主要性能指標 可編程控制器的性能指標有很多，主要有以下幾項指標。 （ 1）輸入 /輸出點數(shù) (I/O) I/O 點數(shù)是指可編程控制器外部輸入、輸出端子數(shù)的總和。它標志著可以接多少個開關按鈕和可以控制多少個負載。 （ 2）存儲容量 存儲容量是指可編程控制器內(nèi)部用于存放用戶程序的存儲容量。 （ 3）掃描速度 一般以執(zhí)行 1000 步指令所 需的時間來衡量，單位為 ms/千步，也有以執(zhí)行一步指令所需來計算，單位 us/步。 （ 4）功能擴展能力 可編程控制器除了主模板塊之外，通常都可配備一些可擴展模塊，以適應各種特殊功能應用的需要。如 A/D 模塊、 D/A 模塊、位置控制模塊等。 （ 5）指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)是指一臺可編程控制器指令的總和，它是衡量可編程控制器功能強弱的主要指標。 3.4 可編程控制器的分類 通常 PLC 產(chǎn)品可按結構形式、控制規(guī)模等進行分類。 （ 1）按結構形式分類 按結構形式不同，可分為整體式和模塊式兩類。整體式的 PLC是將電源、 CPU、 存儲器、輸入 /輸出單元等各個功能部件集成在一個機殼內(nèi)，從而具有結構經(jīng)湊、體積小、價格低等優(yōu)點，許多小型 PLC 多采用這種機構。模塊式的 PLC 將各個功能部件做成獨立模塊，如電源模塊、 CPU 模塊、 I/O 模塊等，然后進行組合。 （ 2）按控制規(guī)模分類 按控制規(guī)模大小，可分為小型、中型和大型 PLC 三種類型。 1）小型 PLC。 型 PLC 的 I/O 點數(shù)在 256 點以下，存儲容量在 2K 步以內(nèi)，其中輸入輸出點數(shù)小于 64 點的 PLC 又稱為超小型或微型 PLC，具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位及自診斷、監(jiān)控等基本功能。 2）中型 PLC。 中型 PLC 的開關量 I/O 點數(shù)通常在 2562048 點之間，用戶程序存儲器的容量為 28KB，除具有小型機的功能外，還具有較強的模擬量 I/O、數(shù)字計算、過程安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 9 參數(shù)調(diào)節(jié)，如比例、積分、微分（ PID）調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)傳送與比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、中斷控制、遠程 I/O 及通信聯(lián)網(wǎng)功能。 3）大型 PLC。 大型 PLC 也稱為高檔 PLC， I/O 點數(shù)在 2048 點以上，用戶程序存儲容量在 8K 以上，其中 I/O 點數(shù)大于 8192 點的又稱為超大型 PLC，除具有中型機的功能外，還具有較強的數(shù)據(jù)處理、模擬調(diào)節(jié)、特殊功能函數(shù)運算、監(jiān)視、記錄、打印等功 能，以及強大的通信聯(lián)網(wǎng)、中斷控制、智能控制和遠程控制等功能。 3.5 PLC 系統(tǒng)的組成 PLC 是一種以微處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其硬件結構上與微型計算機控制系統(tǒng)相似，也是有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成 。 3.5.1 PLC 的硬件結構 一套 PLC 系統(tǒng)在硬件上由以下幾部分組成： （ 1） 中央處理器 (CPU) 與計算機一樣，是 PLC 的核心部件。 （ 2） 存儲器 PLC 配有兩種存儲器：系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。 （ 3） 輸入 /輸出（ I/O）接口電路。 （ 4） 電源。 （ 5） 擴展單元。 （ 6） 外部設備。 3.5.2 PLC 的軟件 PLC 的軟件是指 PLC 所使用的各種程序的集合。它由系統(tǒng)程序（系統(tǒng)軟件）和用戶程序（用戶軟件）組成。 （ 1） 系統(tǒng)程序 系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序，輸入譯碼程序及診斷程序等。 （ 2） 用戶程序 用戶程序是用戶根據(jù)控制要求，用 PLC 的編程語言（如梯形圖）編制的應用程序。 3.6 可編程控制器的工作方式 可編程控制器在進入 RUN 狀態(tài)之后，采用循環(huán)掃描方式工作。從第一條指令開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲的地址號遞增的循序逐條執(zhí)行程序，即按循序逐條執(zhí)行程序直到程序結束。然后再從頭開始掃描，并周而復始地重復進行。 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 10 可編程控制器工作的掃描過程包括五個階段：內(nèi)部處理、通信處理、輸入掃描、程序執(zhí)行、輸出處理。 PLC 完成一次掃描過程所需的時間成為掃描周期。掃描周期的長短與用戶程序的長度和掃描速度有關。 3.7 PLC 的編程語言 PLC 的編程語言有梯形圖語言、助記符語言、順序功能圖語言等。其中前兩種語言用的較多，流程圖語言也在許多場合被采用。 1. 梯形圖語言 （ 1） 梯形圖從上至下編寫，每一行從左至右順序編寫。 PLC 程序執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致。 （ 2） 圖左、右邊垂直線稱為起始母線 、終止母線。每一邏輯行必須從起始母線開始畫起，終止母線可以省略。 （ 3） 梯形圖中的觸點有兩種，即動合觸點和動斷觸點。 （ 4） 梯形圖的最右端必須連接輸出元素。 （ 5） 梯形圖中的觸點可以任意串、并聯(lián)，而輸出線圈只能并聯(lián)，不能串聯(lián)。 2. 助記符語言 助記符語言是 PLC 命令的語言表達式。用梯形圖編程雖然直觀、簡便，但要求 PLC 配置較大的顯示器放可輸入圖形符號，這在有些小型機上常難以滿足，所以助記符語言也是一種較常用的一種編程方式。不同型號的 PLC，其助記符語言也不同，但其基本原理是相近的。編程時，一般先跟據(jù)要求編制梯形圖語言，然后再根 據(jù)梯形圖轉(zhuǎn)換成助記符語言。 3. 順序功能圖語言 順序功能圖 SFC 是一種描述順序控制系統(tǒng)功能的圖解表示法，主要由“步”、“轉(zhuǎn)移”及“有限線段”等元素組成，它將一個完整的控制工程分為若干個階段 (狀態(tài) )，各階段具有不同的動作，階段間有一定的轉(zhuǎn)換條件，條件滿足就實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，上一狀態(tài)動作結束，下一動作開始。 第 (N-1)個掃描周期 輸出刷新 第 (N+1)個掃描周期 輸入采樣 第 N 個掃描周期 輸入采樣 輸出刷新 用戶程序執(zhí)行 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 11 3.8 FX2N 系列 PLC 3.8.1 FX2N 系列 PLC 的內(nèi)部資源 各種不同型號和檔次的 PLC 具有不同數(shù)量和功能的內(nèi)部資源，但構成 PLC 基本特征的內(nèi)部軟元件是類似。下例為 FX2N系列小型 PLC 的內(nèi)部資源。 （ 1） 輸 入觸點 X （ 2） 輸出繼電器 Y （ 3） 內(nèi)部繼電器 M （ 4） 定時器 T （ 5） 計算器 C （ 6） 數(shù)據(jù)寄存器 D、 V、 Z （ 7） 常數(shù)指針 3.8.2 FX2N 系列 PLC 的基本順控指令 1. FX2N系列可編程控制器的基本順序控制指令的助記符、功能、對應梯形圖及可用軟元件如下表所示： 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 12 3 9 PLC 的應用領域 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 1、開關量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的 繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 2、模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。 PLC 廠家都生產(chǎn)配套的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 3、運動控制 PLC 可以用于圓周運動或直線運動 的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 4、過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機， PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功能模塊 。 PID 處理一般是運行專用的 PID 子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 5、數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 6、通信 及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 13 4 PLC 對機械手的控制 4.1 PLC 的選型 4.4.1 I/O 總點數(shù)的確定 由 I/O分配表知，輸入共 18個點 ,輸出共 6個點 ,I/O實際需 24點。為留有今后工藝改進與功能擴充余地，在實際統(tǒng)計 I/O點數(shù)基礎上，一般加 10-20余量，再考慮 PLC產(chǎn)品本身規(guī)格，可取 PLC的 I/O總點數(shù)為 48點。 4.4.2 I/O 點信號性質(zhì)分析 從機械手控制信號分析可知 ,機械手輸入是位置開關信號 ,上 /下限位開關、左 /右限位開關等它們都是開關量 ,而輸出主要是 5個電磁閥線圈 ,以控制機械手的左移、右移、上移、下移、夾緊、放松的氣路的通斷。 4.4.3 用戶存儲器容量的估算 (1) I/O口總點數(shù)為 48點且均為開關量，以每個 I/O點需 1O個字節(jié)估算則所需存儲器字節(jié)數(shù)為： 48*10=480B (2) 定時器有兩個 :一個夾緊延時、一個放松延時，以每個定時器需 2個字節(jié)估算則所需存儲器字節(jié)數(shù)為：定時器 /計數(shù)器數(shù)量 *2=2*2=4B 共需存儲器字節(jié)數(shù)為： 480+4=484B 經(jīng)技術與經(jīng)濟成本方面因素綜合考慮，本設計選取日本三菱公司 FX2N-48MR型 PLC產(chǎn)品。 FX2N-48MR型產(chǎn)品主要技術指標如下： 表 4.4 FX2N-48MR型產(chǎn)品主要技術指標表 最大 I/O 48 點 定時 /計數(shù)器 256 個 基本功能指令 22 條 , 步進指令 2條 繼 電 器 輸 出 最 大 負 載 80VA/24V 執(zhí)行速度（ us/步） 0.8us 輸入輸出響應時間 10ms 程序容量（步） 2KB 輸入光電隔離 數(shù)據(jù)寄存器 通用： 200 點 鎖存用： 7800 點 輸出繼電器接點隔離 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 14 由上表可見， FX2N-48MR 型 PLC 產(chǎn)品能滿足設計要求。 4.2 PLC 的梯形圖 4.2.1程序的總體結構設計 本機械手系統(tǒng)的程序是采用基本指令、初始狀態(tài)指令和步進指令相配合的方法進行編寫的。程序可分四大塊，分別是初始化程序、手動程序、回原位程序和自動程序。 4.2.2 初始化程序 如圖 4.8.2 所示，為初始化程序。他保證了機械手必須在原位才能進入自動工作方式。 圖 4.2.2 初始化程序 4.2.3 手動程序 手動程序如圖 4.8.3 所示。 X10X15 對應機械手的上下左右移動和夾緊的的按鈕。按下不同的按鈕，機械手執(zhí)行相應的動作。在左、右移動的程序中串聯(lián)上限位置開關的動合觸點是為了避免機械手在較低位置移動時碰撞到其他工件。為保證系統(tǒng)安全運行，程序之間還進行了必要的連鎖。 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 15 圖 4.2.3 手動程序 4.2.4 回原位程序 如圖 4.8.4 所示為回原位 程序，在系統(tǒng)處于回原位工作狀態(tài)時，只需按下回原位按鈕機械手即可自動回到原位。圖中除初始狀態(tài)繼電器外，其他狀態(tài)繼電器應使用回零狀態(tài)繼電器 S10S19 。 圖 4.2.4 回原位程序 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 16 4.2.5 自動程序 自動程序如圖 4.8.5 所示，其中 M8041 和 M8044 都是在初始化程序中設定的，在程序運行中不再更改。 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 17 4.3 指令程序 0 LD X21 27 AND X17 53 STL S12 83 LD X18 1 ANI X17 28 ANI X21 54 SET M8043 84 SET S24 2 ANI Y4 29 ANI Y2 56 RST S12 86 STL S24 3 OUT M8044 30 OUT Y3 58 STL S2 87 OUT Y0 5 LD M8000 31 LD X12 59 LD M8041 88 LD X21 6 FNC 60 32 AND X17 60 AND M8044 89 SET S25 X0 33 ANI X20 61 SET S20 91 STL S25 S20 34 ANI Y3 63 STL S20 92 RST Y4 S27 35 OUT Y2 64 OUT Y0 93 OUT T1 13 STL S0 36 STL S1 65 LD X16 K17 14 LD X15 37 LD X5 66 SET S21 96 LD T1 15 RST Y4 38 SET S10 68 STL S21 97 SET S26 16 LD X14 40 STL S10 69 SET Y4 99 STL S26 17 SET Y4 41 RST Y4 70 OUT T0 100 OUT Y1 18 LD X11 42 RST Y0 K17 101 LD X17 19 ANI X17 43 OUT Y1 73 LD T0 102 SET S27 20 ANI Y0 44 LD X17 74 SET S22 104 STL S27 21 OUT Y1 45 SET S11 76 STL S22 105 OUT Y3 22 LD X10 47 STL S11 77 OUT Y1 106 LD X21 23 ANI X16 48 RST Y1 78 LD X1 107 OUT S2 24 ANI Y1 49 OUT Y3 79 SET S23 109 RET 25 OUT Y0 50 LD X21 81 STL S23 110 END 26 LD X13 51 SET S12 82 OUT Y2 4.4 I/O 接線圖 機械手控制 系統(tǒng)采用的 PLC 型號或規(guī)格是 FX2N-48MR，表 4-4 是輸入點及輸出點的分配表。 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 18 表 4-5 PLC 輸入點及輸出點的分配表 輸 入 信 號 名 稱 代 號 輸入點編號 手動擋 SA X0 回原位檔 SA X1 單步檔 SA X2 單周期檔 SA X3 連續(xù)檔 SA X4 回原位按鈕 SB9 X5 啟動按鈕 SB1 X6 停止按鈕 SB2 X7 下降按鈕 SB3 X10 上升按鈕 SB4 X11 右行按鈕 SB5 X12 左行按鈕 SB6 X13 夾緊按鈕 SB7 X14 松開按鈕 SB8 X15 下限位開關 SQ1 X16 上限位開關 SQ2 X17 右限位開關 SQ3 X20 左限位開關 SQ4 X21 輸 出 信 號 名 稱 代 號 輸入點編號 下降電磁閥線圈 YV1 Y0 上升電磁閥線圈 YV2 Y1 右行電磁閥線圈 YV3 Y2 左行電磁閥線圈 YV4 Y3 松緊電磁閥線圈 YV5 Y4 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 19 圖 4.4 機械手控制系統(tǒng) PLC 的 I/O 接線圖 4.5 相關電氣設備選擇和校驗 4.5.1 系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng) 調(diào)試分模擬調(diào)試和聯(lián)機調(diào)試 硬件部分的模擬調(diào)試可在斷開主電路的情況下，主要試一試手動控制部分的可靠性。 軟件部分的模擬調(diào)試可借助于模擬開關和 PLC 輸出端的指示燈進行。需要模擬量信號I/O 時，可用電位器和萬用表進行。調(diào)試時，可利用上述外部設備模擬各種現(xiàn)場開關和傳感器的狀態(tài)，然后觀察 PLC 的輸出邏輯是否正確。如果有錯誤則修改程序后反復調(diào)試?，F(xiàn)在 PLC 的主流產(chǎn)品都可在 PC 上編程，并可在 PC 上進行模擬調(diào)試。 連機調(diào)試時，可把編制好的程序下載到現(xiàn)場的 PLC 中。有時 PLC 也許只有一臺，這時就要把 PLC 安裝到控制柜相應的位 置上。調(diào)試時一定要先將主電路斷開，只對控制電路進行連機調(diào)試。通過現(xiàn)場連機調(diào)試信號的接入常常會發(fā)現(xiàn)軟硬件中的問題，有時廠家對某些安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 20 控制功能進行改造，反復調(diào)試后，控制系統(tǒng)才能交付使用。 4.5.2 程序的運行與調(diào)試 a將梯形圖程序輸入計算機。 b對程序進行試運行。 （ 1）將轉(zhuǎn)換開關 SA 旋至“手動”檔，按相應的動作按鈕，觀察機械手動作情況。 （ 2）將轉(zhuǎn)換開關 SA 旋至“回原位”檔，按回原位按鈕，觀察機械手是否回原位。 （ 3）將轉(zhuǎn)換開關 SA 旋至“單步”檔，每按一次啟動按鈕，觀察機械手是否向前執(zhí)行下一個動作。 （ 4）將轉(zhuǎn)換開關 SA 旋至“單周期”檔，每按一次啟動按鈕，觀察機械手是否運行一個周期就停下來。 （ 5）將轉(zhuǎn)換開關 SA 旋至“連續(xù)”檔，按下啟動按鈕，觀察機械手是否連續(xù)運行。 C記錄調(diào)試程序結果并對不足之處進行修改。 d 最后再進行考機運行，一般連續(xù)運行 72 小時以上，以考核電氣及機械運行是否穩(wěn)定可靠。 4.6 材料清單 表 4.7 系統(tǒng)所需設備、工具、材料明細表 名 稱 型 號 或 規(guī) 格 數(shù) 量 可編程控制器 FX2N-48MR 1臺 雙線圈電磁閥 VF3230 2只 單線圈電磁閥 VF3130 1只 按鈕 LA10H-1H 9個 限位開關 LX19-111 4個 轉(zhuǎn)換開關 LW6-5 1個 熔斷器 RC1A-30/15 1只 連接導線 若干 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 21 4.7 不足和改進 本次畢業(yè)設計雖然參考了大量的書籍，也經(jīng)過輔導老師的指導，但我仍然深知有許多不足與需要改進的地方。比如說在設計機械手操作面板時沒有考慮到設計相應動作完成的指示燈，有了指示燈操作會變得很直觀，操作會變得很方便。還有，在機械手的放松位置，最好應安裝一個光電開關，用來檢測工件是否已脫離機械手。雖然夾鉗它是通過延時 1.7s來表 示夾緊、松開的動作完成的。但不排除會遇到特殊情況，很有可能 1.7s 后工件會因某特殊情況未能與機械手脫離，但機械手會依舊自動執(zhí)行下一個動作，造成不可估量的后果。有了光電開關就不會出現(xiàn)這種情況，整個工作流程會更加的保險、安全。 諸如此類不足之處應該還有好多，希望各位指導老師能當面指出為我改善本次設計。學生不勝感激 。 安慶職業(yè)技術學院 2011 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 22 5 畢業(yè)設計總結 經(jīng)過兩個多月的設計，機械手 PLC 控制系統(tǒng)的程序，已成功地通過了模擬手動、單步、單周期、連續(xù)等運行的調(diào)試，證明本設計的硬件、軟件 部分基本都能達