基于PLC的機(jī)械臂控制

1、天津理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目： 基于PLC的機(jī)械臂控制 姓 名： 學(xué) 院： 自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 2014年6月1日54基于PLC的機(jī)械臂控制摘 要啤酒是當(dāng)今世界上消費(fèi)量最大的酒類飲料，全球啤酒產(chǎn)量已連續(xù)多年穩(wěn)步增長(zhǎng),我國(guó)的啤酒產(chǎn)量2002年達(dá)到2386萬(wàn)噸超過(guò)美國(guó)成為世界上啤酒生產(chǎn)和消費(fèi)量最大的國(guó)家。過(guò)去的人工抓瓶裝箱已經(jīng)顯得效率低下，因此機(jī)械臂的加入尤為重要，它不僅抓取快，而且能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，以機(jī)械臂裝箱配合入庫(kù)，工作效率非常高。在本設(shè)計(jì)中主要介紹了國(guó)內(nèi)外機(jī)械臂研究現(xiàn)狀及PLC的發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)要的描述了機(jī)械臂控制系統(tǒng)的工

2、作原理和動(dòng)作的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。研究了基于PLC的機(jī)械臂控制，并以學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的三自由度機(jī)械臂的實(shí)物為模型實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：啤酒；機(jī)械臂；PLC； AbstractBeer is the world's largest alcoholic beverage consumption, a steady rise in global beer production has for many years, China's beer production in 2002 reached 23.86 million tons more than the United States

3、to become the largest country in the beer production and consumption in the world. The past artificial catch bottle packing is inefficient, so the addition of mechanical arm is particularly important, it not only crawl fast, and can adapt to bad working environment, with packing and mechanical arm w

4、ith warehousing, work efficiency is very high. In this design, this paper introduces the mechanical arm research status at home and abroad and the development trend of PLC, describes the working principle of mechanical arm control system and implementation process. Studied the model of manipulator b

5、ased on PLC control system design.Key words: beer; Mechanical arm; PLC;目 錄摘 要第一章 緒 論11.1 課題研究目的及意義11.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)械臂研究概況11.3 課題研究的內(nèi)容2第二章 機(jī)械臂控制方式的選擇和可編程序控制器簡(jiǎn)介32.1 機(jī)械臂控制方式的選擇32.1.1 控制方式的分類32.1.2 PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）和集散控制系統(tǒng)（DCS）的比較32.1.3 機(jī)械臂控制方式的選定42.2 可編程序控制器簡(jiǎn)介52.2.1 PLC的結(jié)構(gòu).52.2.2 PLC的特點(diǎn)62.2.3 PLC的主要功能72.2.4 PLC

6、的經(jīng)濟(jì)分析72.2.5 PLC發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)8第三章 機(jī)械臂模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)93.1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)構(gòu)件概述93.1.1 步進(jìn)電機(jī)93.1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器93.1.3 傳感器113.1.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元123.2 機(jī)械臂的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過(guò)程123.3 PLC程序設(shè)計(jì)143.3.1 I/O點(diǎn)數(shù)的確定及PLC類型的選擇143.3.2 PLC的I/O分配143.3.3 編程指令的選擇143.3.4 PLC程序的設(shè)計(jì)153.4 PLC程序的調(diào)試153.4.1 PLC控制的安裝與布線153.4.2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)的外部接線圖163.4.3 機(jī)械臂控制程序的調(diào)試16第四章 組態(tài)王在機(jī)械臂控制系統(tǒng)中的應(yīng)

7、用174.1 組態(tài)王的概述174.1.1 組態(tài)王的簡(jiǎn)介174.1.2 組態(tài)王的構(gòu)成174.1.3 組態(tài)王的主要特性和功能184.1.4 組態(tài)王的編程語(yǔ)言184.1.5 組態(tài)王的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)194.1.6 組態(tài)王的作用194.2 工程的建立與變量的定義204.2.1 工程的建立204.2.2 變量的分配204.2.3 變量定義的步驟214.2.4 設(shè)備與變量連接234.3 工程畫面的創(chuàng)建244.3.1 封面窗口及監(jiān)控畫面的制作254.3.2 運(yùn)行策略的建立及腳本程序的編寫274.4 動(dòng)畫的連接314.4.1 指示燈的動(dòng)畫連接314.4.2 機(jī)械臂的動(dòng)畫連接324.5 組態(tài)運(yùn)行35第五章 結(jié) 論 36

8、參考文獻(xiàn)37致 謝38附 錄39附錄1 程序流程圖39附錄2 順序功能圖42附錄3 梯形圖43附錄4 指令表45 附錄5 PLC外部電氣接線圖.48天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)第一章 緒 論1.1 課題研究目的及意義機(jī)械臂是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中常常需要的一種高效可靠地自動(dòng)化裝置。這些年來(lái)伴隨著工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)革新，機(jī)械臂逐漸發(fā)展起來(lái)，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械臂廣泛地應(yīng)用在鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各種不適宜人介入的工序。尤其是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械臂以其顯著的優(yōu)勢(shì)而受到廣泛的應(yīng)用?？傊瑱C(jī)械臂在提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件

9、，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中占據(jù)了重要的位置。無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都十分重視它的應(yīng)用與發(fā)展。可編程序邏輯控制器(PLC)就是專門針對(duì)工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種邏輯控制器。伴隨著微電子技術(shù)行業(yè)、自動(dòng)控制技術(shù)行業(yè)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)行業(yè)的突飛猛進(jìn)，PLC也在硬件、軟件、通訊等功能以及模擬量輸入輸出控制等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中必不可少的高科技裝備。由于實(shí)際生產(chǎn)中人力物力的投入很高，因此自動(dòng)化技術(shù)的加入在節(jié)省人力物力等方面優(yōu)勢(shì)巨大，而且PLC也具有很多其他種類控制器所不具備的優(yōu)勢(shì)，比如通用性高、穩(wěn)定性好、配套設(shè)備齊全、編程軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，因此PLC是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的控制器

10、之一。機(jī)械臂已經(jīng)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家有著廣泛應(yīng)用，例如用于采摘果實(shí)、收割莊稼、汽車結(jié)構(gòu)焊接等。目前來(lái)看，我國(guó)的自動(dòng)化水平還處于起筆階段，是一個(gè)年輕的行業(yè)，應(yīng)用PLC來(lái)控制的機(jī)械臂還不是很多。本次課題設(shè)計(jì)的就是基于PLC的機(jī)械臂控制。通過(guò)此次設(shè)計(jì)不僅能夠更進(jìn)一步學(xué)習(xí)PLC的控制方式和編程環(huán)境，更重要的是可以在實(shí)際操作過(guò)程中對(duì)PLC有更深的理解。就目前來(lái)看，啤酒是當(dāng)今前世界消費(fèi)量最大的酒類飲料，千秋的啤酒產(chǎn)量需求越來(lái)越大，而我國(guó)更是一個(gè)啤酒消費(fèi)大國(guó)。因此這次設(shè)計(jì)便是以些小的啤酒生產(chǎn)線成品啤酒的裝箱環(huán)節(jié)中三自由度機(jī)械臂為硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)基于PLC的機(jī)械臂控制目的。過(guò)去的人工抓瓶裝箱已經(jīng)顯得效率低下，因此機(jī)械臂

11、的加入尤為重要，它不僅抓取快，而且能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，以機(jī)械臂裝箱配合入庫(kù)，工作效率非常高。1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)械臂研究概況工業(yè)機(jī)械臂的產(chǎn)生是伴隨著近代工業(yè)自動(dòng)化水平的突飛猛進(jìn)以及實(shí)際生產(chǎn)中的需要發(fā)展而來(lái)的，如今已經(jīng)成為實(shí)際生產(chǎn)中必不可少的自動(dòng)化裝置。工業(yè)機(jī)械臂的加入顯著提高了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度并且改善了勞動(dòng)條件、提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。近年來(lái)在我國(guó)工業(yè)機(jī)械臂的發(fā)展也是非常迅速的，需求量也是越來(lái)越大。自二十世紀(jì)六十年代初第一套機(jī)械臂系統(tǒng)的誕生，經(jīng)過(guò)將近40年的發(fā)展，現(xiàn)如今已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色。目前，正式服役

12、于生產(chǎn)中的機(jī)械臂大多屬于比較老式的一種，即程序開環(huán)控制機(jī)械臂。這種機(jī)械臂大多采用點(diǎn)位控制，也就是沒有反饋系統(tǒng)，不能根據(jù)實(shí)際情況的變化作出調(diào)整，這類機(jī)械臂主要應(yīng)用于焊接、噴漆和上下料等用途。如今使用比較廣泛的機(jī)械臂已經(jīng)和以前大有不同，他加入了反饋系統(tǒng)，也就是說(shuō)有個(gè)感覺，雖然它仍然以程序控制為基礎(chǔ)，但它能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的偏差來(lái)調(diào)整動(dòng)作。這種機(jī)械臂廣泛應(yīng)用接觸傳感器一類的簡(jiǎn)單傳感器和相應(yīng)的自適應(yīng)控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)在最新的機(jī)械臂則是在前兩種的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良可再造，它既能夠感知外界環(huán)境和操作對(duì)象，又具有對(duì)復(fù)雜信息進(jìn)行收集和處理的能力，能夠?qū)ψ陨淼膭?dòng)作實(shí)現(xiàn)自我智能化控制。用擬人的方法來(lái)說(shuō)，它具有觸覺、

13、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，就像工人一樣能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨識(shí)等多種仿生功能，而且就像專家一樣，十分專業(yè)。目前機(jī)械臂的發(fā)展較為多元化，出現(xiàn)了仿人型機(jī)械臂、微型機(jī)械臂、智能機(jī)械臂等多種各具特色的機(jī)械臂。機(jī)械臂的應(yīng)用領(lǐng)域正由以前主攻工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)，而且現(xiàn)在加入更多尖端科技的軍事機(jī)械臂也廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家近幾年機(jī)械臂的發(fā)展趨勢(shì)迅猛，伴隨著機(jī)械臂性能不斷提高，價(jià)格的不斷下降，機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化、可重構(gòu)化以及控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器，越來(lái)越多的滿足各種需要的機(jī)械臂如雨后春筍般涌現(xiàn)。在國(guó)內(nèi)，目前機(jī)械臂的應(yīng)用主要在噴涂機(jī)械臂、裝配機(jī)械臂、弧焊機(jī)械臂、搬運(yùn)機(jī)械臂、

14、點(diǎn)焊機(jī)械臂、特種機(jī)械臂，基本掌握了機(jī)械臂的設(shè)計(jì)制造，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置以及軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆、弧焊以及周邊配套設(shè)備的全套自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)和控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)械臂焊接電源、焊縫自動(dòng)跟蹤裝置也有了突破。從技術(shù)方面來(lái)看，我國(guó)目前在自行設(shè)計(jì)和制造機(jī)械臂的方面已經(jīng)沒有技術(shù)障礙。1.3 課題研究的內(nèi)容本課題以啤酒瓶的抓取為研究對(duì)象，應(yīng)用PLC進(jìn)行控制設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容，對(duì)緩沖區(qū)的成品啤酒進(jìn)行抓取裝箱，應(yīng)用PLC指令對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及直流電機(jī)三個(gè)對(duì)象進(jìn)行算法控制，通過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)上相應(yīng)傳感器的反饋信息進(jìn)行算法調(diào)節(jié)達(dá)到精確可靠抓取啤酒瓶并放入箱內(nèi)的功

15、能。第二章 機(jī)械臂控制方式的選擇和可編程序控制器簡(jiǎn)介2.1 機(jī)械臂控制方式的選擇2.1.1 控制方式的分類較早的工業(yè)自動(dòng)控制主要基于繼電器和一些分離的電路原件進(jìn)行，這種控制器投資相對(duì)少一些，目前這種設(shè)備僅存的一些都服役于老企業(yè)和自動(dòng)化程度很低的小企業(yè)，由于這種設(shè)備存在很多缺陷，如僅適合于簡(jiǎn)單的邏輯控制，通用性差，不便于優(yōu)化和改造等，已遭到淘汰。我國(guó)在邏輯控制器為主力的自動(dòng)化控制的大背景下，正以迅猛的步伐進(jìn)行改造。邏輯控制器控制有硬件上至少有一個(gè)微處理器、通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)控制思想的特點(diǎn)。在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域應(yīng)用最多也對(duì)為廣泛的有三種，即可編程序邏輯控制器（PLC）；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）；集散控制

16、系統(tǒng)（DCS）。2.1.2可編程序邏輯控制器（PLC）、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）以及集散控制系統(tǒng)（DCS）的比較1、各自技術(shù)發(fā)展的起源計(jì)算機(jī)可以滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求。其標(biāo)準(zhǔn)的硬件配置，標(biāo)準(zhǔn)的總線協(xié)議，以及超前的兼容性，豐富的軟件資源無(wú)一不是它的優(yōu)勢(shì)所在，加之實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，使它在控制模型復(fù)雜和數(shù)據(jù)量巨大的控制對(duì)象時(shí)如魚得水。DCS在工業(yè)自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中心，所以它在模擬處理，控制一定的優(yōu)勢(shì)，最初主要應(yīng)用于連續(xù)過(guò)程控制。PLC是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)成長(zhǎng)而來(lái)，在工序控制方面應(yīng)用較多，早期PLC產(chǎn)品主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，其功能以開關(guān)量的順序控制為

17、主。近年來(lái)伴隨著各種高新技術(shù)的發(fā)展和成熟，越來(lái)越多的新技術(shù)加入到了PLC中，PLC在技術(shù)和功能上發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在早期邏輯開關(guān)量控制的基礎(chǔ)上，增加了算數(shù)運(yùn)算、反饋調(diào)節(jié)等功能，增加了模擬量輸入輸出和PID調(diào)節(jié)算法等功能模塊；運(yùn)算速度有了提高，中央處理單元的能力趕上了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的水平；而且隨著通信能力的提高，衍生了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)用這些也可構(gòu)成為一個(gè)集散系統(tǒng)。最重要的是個(gè)人機(jī)算機(jī)也引入到了PLC系統(tǒng)當(dāng)中，PLC在過(guò)程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場(chǎng)總線，暨向下拓展功能，開放總線。2、相同點(diǎn)在硬件方面，PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)、集散系統(tǒng)之間的界限逐漸模糊，各自的功能差異也在逐步縮小，都將由類

18、似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點(diǎn)。3、不同點(diǎn)雖然在硬件方面的差距逐漸縮小，但畢竟PLC和計(jì)算機(jī)是不同種類的兩種產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)了多年的優(yōu)化和發(fā)展都形成了各自獨(dú)立的生態(tài)環(huán)境，尤其在各自的軟件資源方面區(qū)別很大。在編程環(huán)境方面，PLC主要使用編程器或者計(jì)算機(jī)軟件編寫程序，編程語(yǔ)言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)本身或用計(jì)算機(jī)布局形成組態(tài)形成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。需要特別之處的是PLC于STD總線工控機(jī)之間的區(qū)別，他們無(wú)論從維修、安裝和模塊組件功能都相差不多。PLC在脫機(jī)模式下運(yùn)行表現(xiàn)出色，但當(dāng)它在線運(yùn)行時(shí)如果想對(duì)他進(jìn)行較大數(shù)據(jù)量的修改，其

19、能力比于STD工控機(jī)稍差，但是單純從開關(guān)量的控制來(lái)說(shuō)，PLC則是不二選擇。在選擇控制器的時(shí)候，首先要從控制精度，控制需求，控制對(duì)象和經(jīng)濟(jì)節(jié)能的要求考慮。沒有一種控制器可以用于各種環(huán)境，也沒一種控制器一無(wú)是處，我們只可以根據(jù)不同的需要和不同的工作環(huán)境選擇一種最適合的來(lái)蠻子我們的需要即可。2.1.3 機(jī)械臂控制方式的選定PLC是通過(guò)在電腦上的專用軟件編寫控制程序然后通過(guò)下載線將程序下載到控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。這種軟件繼承了PLC廠家的指令系統(tǒng)，而且廠家針對(duì)各自的PLC特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的修改和功能增強(qiáng)。公司自成立以來(lái)，經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，在發(fā)達(dá)國(guó)家，歐洲，日本和其他美國(guó)目前已經(jīng)成為一個(gè)重要的行業(yè)，PLC已成

20、為國(guó)際市場(chǎng)的最流行的工業(yè)控制產(chǎn)品，應(yīng)用PLC編程實(shí)現(xiàn)程序控制設(shè)備已經(jīng)是但僅世界的大潮流。之所以PLC可以勝任各種工業(yè)場(chǎng)合的控制要求，離不開他針對(duì)工業(yè)場(chǎng)合的專門設(shè)計(jì)和優(yōu)化：高可靠性、高抗干擾的能力。編程安裝使用簡(jiǎn)便、低價(jià)格長(zhǎng)壽命。相比于單片機(jī)，他的輸入輸出更加的接近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，不需要再在控制器與設(shè)備之間加更多的轉(zhuǎn)換以及驅(qū)動(dòng)單元，這樣大大節(jié)省了設(shè)備組建的時(shí)間和工程量。PLC輸入是一個(gè)繼電器，晶體管和可控硅控制單元，上端與一般微機(jī)用戶連接。當(dāng)人們想要對(duì)PLC驚醒應(yīng)用是，不需要花大量時(shí)間進(jìn)行專門的計(jì)算機(jī)應(yīng)用培訓(xùn)就能對(duì)可編程控制器進(jìn)行編程操作和下載，并應(yīng)用他來(lái)實(shí)現(xiàn)自己想要的難易不同的工業(yè)控制任務(wù)。PLC的

21、優(yōu)點(diǎn)還有很多。機(jī)械臂的控制器如果選用PLC，不僅能夠減小體積和重量，而且控制方式靈活、可靠性高、操作簡(jiǎn)單、維修容易，更重要的是可以便于以后的擴(kuò)展和改造。正因?yàn)镻LC所具有的靈活性、模塊化、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，才能夠很據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的不同需要完成用戶的控制需求。機(jī)械臂采用PLC作為控制器，大大提高了系統(tǒng)的集成度，介紹呢過(guò)了空間，避免了繁雜的接線與工作量巨大的弊端，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，用PLC作為控制器可以方便的對(duì)系統(tǒng)流程進(jìn)行更改和優(yōu)化。綜上所述，機(jī)械臂的控制方式選擇PLC進(jìn)行控制最高效可靠。2.2 可編程序控制器簡(jiǎn)介可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡(jiǎn)

22、稱PLC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)進(jìn)化而來(lái)，它不斷地改進(jìn)增強(qiáng)優(yōu)化，不斷地向微型計(jì)算機(jī)靠攏，從而逐步的適應(yīng)了復(fù)雜控制任務(wù)的處理。2.2.1 PLC的結(jié)構(gòu)PLC很像一般的微型計(jì)算機(jī)，都是有硬件軟件系統(tǒng)組成。PLC的硬件系統(tǒng)由中央微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(EPROM，ROM)、輸入輸出口(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴(kuò)展單元和其他外圍設(shè)備以模塊的形式拼接而成。各部分通過(guò)總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成9。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：外設(shè)I/O接口 輸出部件存儲(chǔ)器 EPROM 微處理器 運(yùn)算器 控制器電源 輸入部件I/O擴(kuò)展接口 I/O擴(kuò)展單元 受控元件輸入信號(hào)外部設(shè)備圖2-

23、1 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種軟件和指令的集合，一般可分為系統(tǒng)固化程序和用戶下載程序兩大部分。系統(tǒng)固化程序是PLC產(chǎn)品必須包括的部分，由PLC的制造商提供的，用來(lái)控制PLC的操作和運(yùn)行，系統(tǒng)程序存儲(chǔ)在EPROM。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件程序合二為一組成了一個(gè)完整的PLC系統(tǒng)，他們相輔相成，缺了那一部分都不能正常工作。2.2.2 PLC的特點(diǎn)可編程序邏輯控制器簡(jiǎn)稱PLC，它的主要核心部件是一種類似于微機(jī)處理器的中央處理單元，因此它相當(dāng)于專門用作自動(dòng)化控制的計(jì)算機(jī)。當(dāng)今國(guó)內(nèi)國(guó)外普遍應(yīng)用可編程邏輯控制器作為機(jī)械臂的控制器，在智能化要求高控制

24、容量大的機(jī)械臂控制系統(tǒng)中更是離不開PLC。主要是因?yàn)镻LC具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1、靈活、通用在傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中，應(yīng)用的主要控制部件是繼電器，整個(gè)系統(tǒng)需要預(yù)先設(shè)計(jì)好，然后根據(jù)設(shè)計(jì)好的圖紙進(jìn)行布線焊接施工，所用設(shè)備固定，每套系統(tǒng)只對(duì)應(yīng)一種設(shè)備，如果工藝上出現(xiàn)一些小的改進(jìn)或者調(diào)整，需要對(duì)控制系統(tǒng)加以調(diào)整的話，那么之前裝好的整個(gè)控制系統(tǒng)都要進(jìn)行拆除，然后對(duì)其重新進(jìn)行布線焊接施工等工作，浪費(fèi)了大量的人力、物力、精力和時(shí)間?？删幊踢壿嬁刂破鞯某霈F(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，它是將程序存儲(chǔ)在自身內(nèi)置的存儲(chǔ)芯片上，根據(jù)用戶存儲(chǔ)在芯片中的程序進(jìn)行控制，如果遇到控制對(duì)象改變或者工藝流程改進(jìn)的話，不需要將整個(gè)系統(tǒng)拆除，只需

25、要將相應(yīng)的線接好然后根據(jù)需要編寫控制程序即可。而且PLC更為強(qiáng)大的是如果當(dāng)前控制系統(tǒng)需要改變，只需要對(duì)PLC進(jìn)行編程不需要再進(jìn)行復(fù)雜的改造了，因此PLC作為控制器具有很大的靈活性、通用性。2、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的機(jī)械臂來(lái)說(shuō)，高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力是非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)，這與生產(chǎn)安全和人員安全息息相關(guān)，如何讓控制器適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種復(fù)雜惡劣的環(huán)境是研制每一種控制系統(tǒng)必須要考慮的問(wèn)題?，F(xiàn)代化的PLC設(shè)備普遍采用技術(shù)成熟的微電子原件和芯片，傳統(tǒng)的繼電器開關(guān)量輸入輸出由無(wú)損耗無(wú)誤觸發(fā)的半導(dǎo)體原件替代，其可靠性程度是使用傳統(tǒng)以繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)所無(wú)法比及的。而且為了讓PLC在環(huán)境極為惡

26、劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定工作，工程師們還在其設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中對(duì)PLC的硬件層面和軟件層面采用了一系列可靠的抗干擾措施，讓其在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)也能游刃有余。3、操作方便、維修容易PLC的編程采用的語(yǔ)言是電氣操作人員普遍熟悉的的梯形圖和功能助記符，用戶可以很方便快速的掌握PLC的編程。對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，幾乎不需要在進(jìn)行專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)培訓(xùn)便可完成簡(jiǎn)單的編程控制。工程師編好的程序也能十分清晰直觀的展現(xiàn)在使用者面前，只需要將操作說(shuō)明書寫清楚，操作人員經(jīng)短期的學(xué)習(xí)就可以使用。4、功能強(qiáng)現(xiàn)代化的PLC不僅具有傳統(tǒng)條件控制、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和步進(jìn)等控制功能，而且更加強(qiáng)大的是它能夠完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理

27、以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控等任務(wù)。因此在開關(guān)量和模擬量的混合控制中無(wú)需再增加單獨(dú)的設(shè)備進(jìn)行改造。PLC既可以對(duì)對(duì)象控制也能對(duì)整套生產(chǎn)線進(jìn)行控制，還能實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種復(fù)雜的任務(wù)。5、體積小、重量輕和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)需要應(yīng)用大量的繼電器等元件，導(dǎo)致其體積、重量很難縮減，現(xiàn)如今，PLC的出現(xiàn)使用了大量的微電子元件，這樣一來(lái)無(wú)論從體積還有質(zhì)量上都大大減小，而且PLC是為了工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的專用控制器，在結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用、體積小巧等方面都進(jìn)行了專門優(yōu)化和設(shè)計(jì)，再加上PLC超強(qiáng)的抗干擾能力，讓其成為了工業(yè)生產(chǎn)控制中不二的選擇。但是，可編程序邏輯控制器控制也有其不足的地方，在價(jià)格

28、上高于繼電器，在開發(fā)易用性上不如單片機(jī)，而且程序不通用，不同廠家的PLC程序不能通用，都需要各自的編程軟件和配套的功能模塊。2.2.3 PLC的主要功能PLC是一種應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅速的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，尤其在工廠自動(dòng)化(FA)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)重要地位。PLC系統(tǒng)主要有以下功能：1) 多種控制功能；2) 數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能；3) 通信聯(lián)網(wǎng)功能；4) 輸入、輸出接口調(diào)理功能；5) 人機(jī)界面功能；6) 編程、調(diào)試功能。如今PLC的重量、體積、功耗在原有基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，硬件價(jià)格也逐漸走低，雖然在配套軟件上價(jià)格較高，但是各廠商為了使自己的產(chǎn)品推廣開也都地自己的軟件價(jià)

29、格進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整。另外，工業(yè)生產(chǎn)中采用PLC還可以大大縮短設(shè)計(jì)施工周期，盡快投入生產(chǎn)。PLC產(chǎn)品面臨現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求11?？傊诟鞣N環(huán)境中，PLC控制機(jī)械設(shè)備的使用在自動(dòng)化生產(chǎn)線和生產(chǎn)過(guò)程的控制將更加廣泛。2.2.4 PLC的經(jīng)濟(jì)分析對(duì)PLC的經(jīng)濟(jì)分析，應(yīng)從以下幾方面考慮：1、從影響成本的各個(gè)因素綜合考慮目前生產(chǎn)設(shè)備的控制裝置有三種類型：繼電器控制；半導(dǎo)體器件控制；PLC控制。價(jià)格相對(duì)于其他兩種控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不能作為選擇PLC品牌的一個(gè)因素，而可靠性和易用性則是選擇PLC無(wú)可挑剔的重要原因。2、從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期長(zhǎng)短考慮對(duì)舊設(shè)備進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)新的生產(chǎn)

30、機(jī)械設(shè)備，優(yōu)先考慮的就是生產(chǎn)、設(shè)計(jì)周期問(wèn)題，生產(chǎn)、設(shè)計(jì)周期越短，投入生產(chǎn)越早，盈利的時(shí)間就早。甚至希望設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的同時(shí)就能夠進(jìn)行生產(chǎn)，特別是產(chǎn)品更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝改造的時(shí)候，原有的生產(chǎn)流程不能停止，增加的流程也要在之前的基礎(chǔ)上施工，因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中時(shí)間就是金錢，使用PLC就能輕松實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。毫無(wú)疑問(wèn)，就憑借這一點(diǎn)，PLC就可稱為工業(yè)領(lǐng)域中的佼佼者。而且這些功能都是在傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。使用PLC無(wú)需要對(duì)原有的布線進(jìn)行大量改造，主要在程序上進(jìn)行調(diào)整就可以完成，也就是說(shuō)按照新的工藝流程對(duì)PLC程序重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫就能夠?qū)ιa(chǎn)線進(jìn)行改造。2.2.5 PLC發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)現(xiàn)代化PLC

31、的發(fā)展主要面向兩個(gè)方向：一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價(jià)格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展12。1、大型網(wǎng)絡(luò)化主要向集散控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，具有一定功能的DCS系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化程度高通信能力強(qiáng)是PLC的發(fā)展目標(biāo)，向下可與多個(gè)PLC相連，向上可以接入計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)等來(lái)構(gòu)成整個(gè)工廠生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。2、多功能隨著自調(diào)整、步進(jìn)電機(jī)控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領(lǐng)域更加寬廣。第三章 機(jī)械臂模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)構(gòu)件概述本課題設(shè)計(jì)使用的是校研究室啤酒生產(chǎn)線機(jī)械臂抓瓶裝箱環(huán)節(jié)的三自由度機(jī)械臂。機(jī)械臂使用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、

32、氣夾等部件按照相應(yīng)的功能進(jìn)行組裝來(lái)組成；使用的電器元件有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服放大器、光電傳感器、金屬接近開關(guān)、開關(guān)電源、電磁閥、氣動(dòng)閥等安裝在相應(yīng)的位置完成了實(shí)物裝置的組裝。3.1.1 步進(jìn)電機(jī)采用二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制機(jī)械臂的動(dòng)作，相比直流電機(jī)有更好的制動(dòng)效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣接線圖如圖3-1所示：圖3-1 步進(jìn)電機(jī)電氣接線圖3.1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如下表3-1

33、、表3-2、表3-3、表3-4所示。PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接及工作原理，如圖3-2所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分等，利用驅(qū)動(dòng)器可以很方便的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)器電源由面板上電源模塊提供，驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻（見圖3-2中1.5K電阻）。驅(qū)動(dòng)器輸入端為低電平有效。PLC通過(guò)控制其輸出點(diǎn)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器光耦的開合，當(dāng)PLC輸出線圈得電表3-1 電氣規(guī)格說(shuō)明最小值典型值最大值單位供電電壓182440V均值輸出電流0.2111.50A邏輯輸入電流61530mA步進(jìn)脈沖響應(yīng)頻率100kHz脈沖低電平時(shí)間51s表3-2 電流

34、設(shè)定電流值SW1SW2SW30.21AOFFONON0.42AONOFFON0.63AOFFOFFON0.84AONONOFF1.05A0FFONOFF1.26AONOFFOFF1.50AOFFOFFOFF表3-3 細(xì)分設(shè)定細(xì)分倍數(shù)步數(shù)/圈（1.8整步）SW4SW5SW61200ONONON2400OFFONON4800ONOFFON81600OFFOFFON163200ONONOFF326400OFFONOFF6412800OFFONOFF由外部確定動(dòng)態(tài)改細(xì)分/禁止工作OFFOFFOFF表3-4 接線信號(hào)描述信 號(hào)功 能PUL脈沖信號(hào)：上升沿有效，每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)電機(jī)走一步DIR方向信號(hào)：

35、用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，TTL平驅(qū)動(dòng)OPTO光耦驅(qū)動(dòng)電源ENA使能信號(hào)：禁止或允許驅(qū)動(dòng)器工作，低電平禁止GND直流電源地+V直流電源正極，典型值+24VA+電機(jī)A相A-電機(jī)A相B+電機(jī)B相B-電機(jī)B相時(shí)，晶體管導(dǎo)通，相應(yīng)的觸電輸出低電平，使驅(qū)動(dòng)器光耦導(dǎo)通，當(dāng)PLC輸出線圈失電時(shí)，晶體管關(guān)斷，使驅(qū)動(dòng)器光耦截止。另外若不采用驅(qū)動(dòng)器，而采用PLC輸出觸點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，會(huì)占用很多的輸出觸點(diǎn)，同時(shí)給編程帶來(lái)不便。圖3-2 PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接及工作原理3.1.3 伺服電機(jī)伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置

36、。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。3.1.4 伺服放大器伺服放大器 即伺服驅(qū)動(dòng)器（servo drives）又稱為“伺服控制器”，是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。

37、一般是通過(guò)位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路,同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路,在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路,以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過(guò)三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來(lái)驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功

38、率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的說(shuō)就是AC-DC-AC的過(guò)程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐?。伺服進(jìn)給系統(tǒng)的要求1、調(diào)速范圍寬2、定位精度高3、有足夠的傳動(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性4、快速響應(yīng)，無(wú)超調(diào)為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，減小輪廓過(guò)渡誤差。5、低速大轉(zhuǎn)矩，過(guò)載能力強(qiáng)一般來(lái)說(shuō)，伺服驅(qū)動(dòng)器具有數(shù)分鐘甚至半小時(shí)內(nèi)1.5倍以上的過(guò)載能力，在短時(shí)間內(nèi)可以過(guò)載46倍而不損壞。6、可靠性高要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠

39、性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾的能力。對(duì)電機(jī)的要求1、從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。2、電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載46倍而不損壞。3、為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。4、電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。3.1.4 傳感器本裝置中使用的傳感器有接近開關(guān)和行程開關(guān)?；蜌鈯A的正反轉(zhuǎn)限位采用接近開關(guān)（金屬傳感器），通過(guò)調(diào)整基座和氣夾上的金屬

40、塊的位置，可以在一定范圍內(nèi)改變基座圖3-3 傳感器工作原理圖和氣夾的旋轉(zhuǎn)角度。機(jī)械臂的伸縮、升降均采用行程開關(guān)來(lái)限位，并通過(guò)改變行程開關(guān)的位置來(lái)調(diào)節(jié)橫軸和豎軸的運(yùn)動(dòng)范圍。1、接近開關(guān)：接近開關(guān)有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號(hào)，當(dāng)與檔塊接近時(shí)輸出電平為低電平，否則為高電平。與PLC之間的接線圖如下，當(dāng)傳感器動(dòng)作時(shí)，輸出端對(duì)地接通。PLC內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路，PLC信號(hào)輸入有效，工作原理如圖3-3所示。2、行程開關(guān)：當(dāng)檔塊碰到開關(guān)時(shí)，常開點(diǎn)閉合。3.1.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元本裝置中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是由兩個(gè)繼電器的吸合與斷開來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的，

41、從而實(shí)現(xiàn)基座和氣夾的正反轉(zhuǎn)。本模型所用輸入、輸出均為低電平有效。其中IN端接PLC的輸出端口，OUT端接模型的信號(hào)輸入端。COM端接PLC的傳感器電源負(fù)端。電平轉(zhuǎn)換板原理圖如圖3-4所示。圖3-4 電平轉(zhuǎn)換板原理圖3.2 機(jī)械臂的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過(guò)程機(jī)械臂的全部動(dòng)作由步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-5所示。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)需要驅(qū)動(dòng)器，有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電機(jī)才會(huì)動(dòng)作，且每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)步進(jìn)電機(jī)走一步；改變電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，需要加方向信號(hào)。機(jī)械臂的上升/下降、前伸/后縮動(dòng)作就是通過(guò)控制這兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?；D(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)和氣夾正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)是通過(guò)兩個(gè)繼電器的吸合與斷開來(lái)控制直流電機(jī)的

42、轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械臂的放松/夾緊由一個(gè)單線圈兩位置電磁閥控制。當(dāng)該線圈通電時(shí)，機(jī)械臂放松；該線圈斷電時(shí)，機(jī)械臂夾緊13。打開電源，按下起動(dòng)按鈕時(shí)，開機(jī)復(fù)位。機(jī)械臂的動(dòng)作示意圖如圖3-6所示機(jī)械臂若不在原點(diǎn)則PLC向驅(qū)動(dòng)器一同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)一反轉(zhuǎn)，橫軸后縮。當(dāng)后縮到位時(shí)碰到后限位開關(guān)，然后主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，機(jī)械臂上升。上升到底時(shí)碰到上限位開關(guān)，上升停止，回到原點(diǎn)。主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械臂下降。降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，氣夾電磁閥斷電，機(jī)械臂夾緊。夾緊后，主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二只輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，

43、機(jī)械臂上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。PLC向驅(qū)動(dòng)器一只輸入圖3-5 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖圖3-6 機(jī)械臂的動(dòng)作示意圖脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)一正轉(zhuǎn)，機(jī)械臂前伸，前伸到位時(shí)，碰到前限位開關(guān)，前伸停止。主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械臂下降。降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械臂放松。放松后，主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二只輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，機(jī)械臂上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。PLC向驅(qū)動(dòng)器一同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)一反轉(zhuǎn)，橫軸后縮。機(jī)械臂后縮，當(dāng)后縮到底時(shí)碰到后限位開關(guān)，然后主機(jī)向

44、驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械臂下降。下降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，回到原點(diǎn)。至此，機(jī)械臂經(jīng)過(guò)八步動(dòng)作完成一個(gè)循環(huán)14。3.3 PLC程序設(shè)計(jì)3.3.1 I/O點(diǎn)數(shù)的確定及PLC類型的選擇本次設(shè)計(jì)使用的是啤酒生產(chǎn)線機(jī)械臂實(shí)物教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。本裝置需采用晶體管輸出型可編程控制器，可同時(shí)輸出兩路脈沖到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。由于機(jī)械臂系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計(jì)算機(jī)對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控和管理，該機(jī)械臂的控制為純開關(guān)量控制，且I/O點(diǎn)數(shù)不多，僅需11個(gè)輸入點(diǎn)和9個(gè)輸出點(diǎn)，考慮留有一定的裕量。故選用和利時(shí)LM-3106A主機(jī)，該機(jī)

45、輸入點(diǎn)為14個(gè)，輸出點(diǎn)為10個(gè)。3.3.2 PLC的I/O分配 根據(jù)機(jī)械臂動(dòng)作的要求及機(jī)械臂實(shí)物教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明指導(dǎo)，輸入、輸出點(diǎn)分配如表3-5所示。表3-5 PLC的I/O分配表名稱輸入名稱輸出右限位1I0.4步進(jìn)電機(jī) PULO1.1右限位2I0.3步進(jìn)電機(jī)DIRO1.0右限位3I0.1步進(jìn)電機(jī) ENAO0.7左限位I0.5伺服電機(jī)方向O0.2下限位I1.1伺服電機(jī)使能O0.4上限位I1.2伺服電機(jī)脈沖O0.3步進(jìn)限位I1.3夾瓶氣動(dòng)閥O0.5啟動(dòng)按鈕I0.0直流電機(jī)+O0.1復(fù)位按鈕I0.2直流電機(jī)-O0.03.3.3 編程指令的選擇方案一：使用起保停電路的編程方式。用輔助繼電器代表步，僅

46、僅使用與觸電和線圈有關(guān)的指令。編出程序規(guī)范，具有易于閱讀和容易查錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)榇嬖诖罅康淖员３钟|點(diǎn)，使程序代碼較長(zhǎng)。方案二：采用以轉(zhuǎn)換為中心的編程方式。這種編程方式與轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的基本規(guī)則之間有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用它編制復(fù)雜的順序功能圖的梯形圖時(shí)，會(huì)有很大幫助。方案三：采用STL指令的編程方式。STL指令（步進(jìn)梯形指令）是三菱廠家設(shè)計(jì)的專門用于順序控制的指令，使用該指令可以使編制順序控制程序更加方便，而且易于調(diào)試和維護(hù)，且代碼較短。經(jīng)論證本次設(shè)計(jì)采用的編程方式選用方案三。3.3.4 PLC程序的設(shè)計(jì)梯形圖見附錄3.4 PLC程序的調(diào)試由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制裝置，因此一般不需要采

47、取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過(guò)于惡劣、電磁干擾特別強(qiáng)烈，或安裝使用不當(dāng)，都將不能保證PLC正常、安全、可靠的運(yùn)行。因此，討論P(yáng)LC設(shè)計(jì)調(diào)試就具有十分重要的意義。3.4.1 PLC控制的安裝與布線1、 輸入接線（1）輸入接線一般不要超過(guò)30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線可適當(dāng)長(zhǎng)些。 （2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。 （3）利用普通二極管恰當(dāng)?shù)拇釉赑LC輸入回路中，防止信號(hào)干擾，使PLC輸入信號(hào)大大增強(qiáng)。2、電源接線電源是PLC引入干擾的主要途徑之一，PLC應(yīng)盡可能取用電壓波動(dòng)較小、波形畸變較小的電源，這對(duì)提高PLC的可靠性有很大幫助

48、。PLC的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強(qiáng)干擾設(shè)備（如高頻爐、弧焊機(jī)等）分開。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關(guān)電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來(lái)抗干擾。隔離變壓器是初級(jí)和次級(jí)之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導(dǎo)磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個(gè)接地抽頭。初級(jí)與次級(jí)之間的靜電屏蔽要聯(lián)結(jié)到零點(diǎn)位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點(diǎn)。在選用交流穩(wěn)壓器時(shí)，一般可按照實(shí)際最大需求容量的130%計(jì)算。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓器工作可靠16。PLC供電電源為50Hz、220V±10%的交流電。由于本

49、設(shè)計(jì)使用的是FX1N系列可編程控制器，所以有直流24V輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關(guān)或接近開關(guān)）提供直流24V電源。3、接地正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個(gè)，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對(duì)PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。3.4.2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)的外部接線圖PLC外部電氣接線圖見附錄5。3.4.3

50、機(jī)械臂控制程序的調(diào)試在程序調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了一系列的問(wèn)題，但最終都一一解決了。在使用梯形圖指令編程時(shí)，剛開始由于對(duì)梯形圖指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯(cuò)誤，加上機(jī)械臂模型裝置本身存在的一些問(wèn)題，所以在調(diào)試程序時(shí)，機(jī)械臂動(dòng)作不符合控制要求。經(jīng)過(guò)不斷查閱資料，研究、改進(jìn)，最終程序調(diào)試成功。機(jī)械臂運(yùn)行良好，動(dòng)作正確、符合控制要求。第四章 組態(tài)王在機(jī)械臂控制系統(tǒng)中的應(yīng)用4.1 組態(tài)王的概述4.1.1 組態(tài)王的簡(jiǎn)介組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。組態(tài)王kingview6.55是亞控科技根據(jù)當(dāng)前的自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，面

51、向低端自動(dòng)化市場(chǎng)及應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)一體化為目標(biāo)開發(fā)的一套產(chǎn)品。該產(chǎn)品以搭建戰(zhàn)略性工業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)為目標(biāo)，集成了對(duì)亞控科技自主研發(fā)的工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（KingHistorian）的支持，可以為企業(yè)提供一個(gè)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺(tái)，使企業(yè)能夠及時(shí)有效地獲取信息，及時(shí)地做出反應(yīng)，以獲得最優(yōu)化的結(jié)果。組態(tài)王保持了其早期版本功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定且使用方便的特點(diǎn)，并根據(jù)國(guó)內(nèi)眾多用戶的反饋及意見，對(duì)一些功能進(jìn)行了完善和擴(kuò)充。組態(tài)王kingview6.55提供了豐富的、簡(jiǎn)捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫(kù)精靈，同時(shí)也為用戶創(chuàng)建圖庫(kù)精靈提供了簡(jiǎn)單易用的接口；該款產(chǎn)品的歷史曲線、報(bào)表

52、及web發(fā)布功能進(jìn)行了大幅提升與改進(jìn)，軟件的功能性和可用性有了很大的提高。組態(tài)王在保留了原報(bào)表所有功能的基礎(chǔ)上新增了報(bào)表向?qū)Чδ?，能夠以組態(tài)王的歷史庫(kù)或KingHistorian為數(shù)據(jù)源，快速建立所需的班報(bào)表、日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表、季報(bào)表和年報(bào)表。此外，還可以實(shí)現(xiàn)值的行列統(tǒng)計(jì)功能。組態(tài)王在web發(fā)布方面取得新的突破，全新版的Web發(fā)布可以實(shí)現(xiàn)畫面發(fā)布，數(shù)據(jù)發(fā)布和OCX控件發(fā)布，同時(shí)保留了組態(tài)王Web的所有功能：IE瀏覽客戶端可以獲得與組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)相同的監(jiān)控畫面，IE客戶端與Web服務(wù)器保持高效的數(shù)據(jù)同步，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)您可以在任何地方獲得與Web服務(wù)器上相同的畫面和數(shù)據(jù)顯示、報(bào)表顯示、報(bào)警顯示等

53、，同時(shí)可以方便快捷的向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)布控制命令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的功能。組態(tài)王集成了對(duì)KingHistorian的支持，且支持?jǐn)?shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)到組態(tài)王歷史庫(kù)和工業(yè)庫(kù)，極大地提高了組態(tài)王的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，能夠更好地滿足大點(diǎn)數(shù)用戶對(duì)存儲(chǔ)容量和存儲(chǔ)速度的要求。KingHistorian是亞控新近推出的獨(dú)立開發(fā)的工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)。具有單個(gè)服務(wù)器支持高達(dá)100萬(wàn)點(diǎn)、256個(gè)并發(fā)客戶同時(shí)存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)、每秒檢索單個(gè)變量超過(guò)20,000 條記錄的強(qiáng)大功能。能夠更好地滿足高端客戶對(duì)存儲(chǔ)速度和存儲(chǔ)容量的要求，完全滿足了客戶實(shí)時(shí)查看和檢索歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的要求。4.1.2組態(tài)王的構(gòu)成組態(tài)王系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。用戶的所有組

54、態(tài)配置過(guò)程都在組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行，組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，它幫助用戶設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶指定的方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。運(yùn)行環(huán)境本身沒有任何意義，必須與數(shù)據(jù)庫(kù)一起作為一個(gè)整體，才能構(gòu)成用戶引用系統(tǒng)。組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)完成了組態(tài)王系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境向運(yùn)行環(huán)境的過(guò)渡，它們之間的關(guān)系如圖4-1所示。組態(tài)環(huán)境：組態(tài)生成應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境：解釋執(zhí)行組態(tài)結(jié)果組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)圖4-1 組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境關(guān)系圖由組態(tài)王生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略五個(gè)部分組成，如圖4-2所示。主控窗口設(shè)備窗口用戶窗口實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行策略姿態(tài)網(wǎng)工控組態(tài)軟件菜單設(shè)計(jì)設(shè)置工程屬性設(shè)定存盤結(jié)構(gòu)添加工程設(shè)備連接設(shè)備變量注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建動(dòng)畫顯示設(shè)置報(bào)警窗口人機(jī)交互界面定義數(shù)據(jù)變量編寫控制流程使用功能構(gòu)件圖4-2 組態(tài)王用戶應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.1.3 組態(tài)王的主要特性和功能(1)實(shí)驗(yàn)全部用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),只需利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)就可完成自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn),從而大大減少購(gòu)置儀器的經(jīng)費(fèi)。(2)該系統(tǒng)是中文界面,具有人機(jī)界面友好、結(jié)