基于PLC控制機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 PAGE21 / NUMPAGES22第1章 基于PLC控制交機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理1.1 基于PLC控制機(jī)械手設(shè)計(jì)分析在現(xiàn)今的生活上,科技日新月益的進(jìn)展之下,機(jī)械人手臂與有人類(lèi)的手臂最大區(qū)別就在于靈活度與耐力度。也就是機(jī)械手的最大優(yōu)勢(shì)可以重復(fù)的做同一動(dòng)作在機(jī)械正常情況下永遠(yuǎn)也不會(huì)覺(jué)得累！機(jī)械手臂的應(yīng)用也將會(huì)越來(lái)越廣泛,機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備，作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力。工業(yè)機(jī)械手機(jī)器人的一個(gè)重要分支。對(duì)液壓機(jī)械手的基本要能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度與在任意位置都能自動(dòng)定位等特性

2、。設(shè)計(jì)液壓機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)與運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專(zhuān)用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用液壓上下料機(jī)械手（如圖2-1所示），是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。系統(tǒng)上電，如不在原點(diǎn)則按下SB3，則機(jī)械手上升，左移，放松。復(fù)

3、位完成，按下啟動(dòng)按鈕SB1，系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始工作，機(jī)械手開(kāi)始下降，下降碰到下降限位開(kāi)關(guān)，停止下降。開(kāi)始夾緊，夾緊怕碰到夾緊限位開(kāi)關(guān)，開(kāi)始計(jì)時(shí)2秒，時(shí)間到則開(kāi)始上升，上升碰到上升限位開(kāi)關(guān)則停止上升，開(kāi)始左移，左移碰到左移限位開(kāi)關(guān)，則停止左移，開(kāi)始下降，下降碰到下降限位開(kāi)關(guān)，則停止下降，開(kāi)始放松，放松碰到放松限位開(kāi)關(guān)則開(kāi)始計(jì)時(shí)，時(shí)間到則開(kāi)始上升，碰到上升限位開(kāi)關(guān)則停止上升開(kāi)始右移。這是自動(dòng)工作。手動(dòng)工作則是由上升、下降、左移、右移、夾緊、放松6個(gè)按鈕來(lái)完成工作，在手動(dòng)工作中則可以隨時(shí)回到自動(dòng)工作狀態(tài)，在自動(dòng)工作狀態(tài)中隨時(shí)可以回到手動(dòng)工作。1.2 基于PLC控制機(jī)械手設(shè)計(jì)特點(diǎn)1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)

4、PLC與外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。用PLC改造要比實(shí)際電路接線節(jié)省許多成本。2編程方便，易于使用PLC是面向用戶的設(shè)備，PLC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡(jiǎn)單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類(lèi)似，這種編程語(yǔ)言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語(yǔ)言，只要具有一定的電工和工藝的知識(shí)的人員都可在短時(shí)間學(xué)會(huì)。3體積小，維護(hù)操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)的變化狀態(tài)，還能通過(guò)各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。第2章 基于PLC控制

5、機(jī)械手硬件設(shè)計(jì)CPU單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。觸摸屏通過(guò)RS232C串口和CPU進(jìn)行通訊，傳達(dá)用戶的指令，從而改變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。輸出模塊向外部設(shè)備傳送輸出信號(hào)，使不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)的改變，通過(guò)行程開(kāi)關(guān)或光電傳感器將其信號(hào)反饋給輸人模塊。CPU單元又從輸人模塊讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化執(zhí)行不同的控制操作，由此構(gòu)成了整個(gè)控制回路。根據(jù)系統(tǒng)控制要求、所需的IO點(diǎn)數(shù)、工作環(huán)境等因素，可編程控制器選用信捷公司XC3-48T系列可編程控制器。2.1 XC3-48T系列可編程控制器簡(jiǎn)介2.1.1可編程控制器的產(chǎn)生20世紀(jì)20年代起，人們把各種繼電器。定時(shí)器。接觸器與其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接

6、起來(lái)組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng)由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。容易掌握。價(jià)格便宜，在一定圍能滿足控制要求，因而使用面甚廣在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位.但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大靠性差，動(dòng)作速度慢，功能少，難與實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別是由于它是靠硬連線邏輯成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r(shí)，原有的接線和控制盤(pán)就要更換，所以通用性和靈活性較差.20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)的汽車(chē)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車(chē)型號(hào)不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以與對(duì)整個(gè)開(kāi)展系統(tǒng)重新配置.為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場(chǎng)競(jìng)

7、爭(zhēng)要求，1968年美國(guó)通用汽車(chē)公司公開(kāi)向社會(huì)招標(biāo)，對(duì)汽車(chē)流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來(lái)是：(1) 編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序(2) 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)(3) 可靠性高于繼電器控制裝置(4) 體積小于繼電器控制盤(pán)(5) 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)(6) 成本可與繼電器控制盤(pán)競(jìng)爭(zhēng)(7) 輸入可以是交流150V以上（8）輸出為交流115V，容量要求在2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器，電磁閥等（9）擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最?。?0）用戶存儲(chǔ)器至少能擴(kuò)到4KB（適應(yīng)當(dāng)時(shí)汽車(chē)裝配過(guò)程的需要）十項(xiàng)指標(biāo)的核心要采用軟布線（編程）方式代替繼電控制的硬接線方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。2.1.2可編程控制器的定義

8、美國(guó)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1987年對(duì)可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其部進(jìn)行存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能的面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破鳂O其相關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。定義強(qiáng)調(diào)了PLC應(yīng)直接應(yīng)用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用圍。這也是區(qū)別于一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。定義還強(qiáng)調(diào)了PLC是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，他也是

9、一種計(jì)算機(jī)，它是“專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的”工業(yè)計(jì)算機(jī)。這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸入和輸出”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴(kuò)充”。2.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)PLC總的發(fā)展趨勢(shì)是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）向小型化、專(zhuān)用化、低成本方向發(fā)展隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新型器件大幅度的提高功能和降低價(jià)格，使PLC結(jié)構(gòu)更為緊湊，相當(dāng)于一本精裝本書(shū)的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不斷增加，將原來(lái)大、中

10、型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。（2）向大容量、高速度方向發(fā)展大型PLC采用多微處理器系統(tǒng)，有的采用了32位微處理器，可同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)操作，處理速度提高，特別是增強(qiáng)了過(guò)程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。另外，存儲(chǔ)容量大大增加。（3）智能型I/O模塊的發(fā)展智能型I/O模塊是以微處理器和存儲(chǔ)器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的CPU與PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的時(shí)間很少，有利于提高PLC的掃描速度。（4）基于PLC的編程軟件取代編程器隨著計(jì)算機(jī)的日益普與，越來(lái)越多的用戶使用基于個(gè)人計(jì)算機(jī)上的編程軟件。編程軟件可以對(duì)PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設(shè)置各框架各個(gè)插槽上模塊的

11、型號(hào)、模塊的參數(shù)、各串行通行接口的參數(shù)等。（5）PLC編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化與個(gè)人計(jì)算機(jī)相比，PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開(kāi)放的。在硬件方面，各廠家的CPU模塊和I/O模塊互不通用。PLC的編程語(yǔ)言和指令系統(tǒng)的功能和表達(dá)式也不一致，因此各廠家的可編程序控制器互不兼容。為了解決這一問(wèn)題，IEC制定了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中共有5種編程語(yǔ)言，允許編程者在同一程序中使用多種編程語(yǔ)言，這使編程能夠選擇不同的語(yǔ)言來(lái)適應(yīng)特殊的工作。（6）PLC通信的易用化PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能使它能與個(gè)人計(jì)算機(jī)和其他智能控制設(shè)備交換數(shù)字信息，使系統(tǒng)形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中控制。 （7）組態(tài)軟件與P

12、LC的軟件化個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的價(jià)格便宜，有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機(jī)交互的功能。 （8）PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線I/O與PLC可以組成功能強(qiáng)大的、廉價(jià)的DCS系統(tǒng)。 （9）開(kāi)發(fā)新型特殊功能模塊I/O組件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大處理能力。 (10) CPU的處理速度進(jìn)一步加快目前，PLC的處理速度與計(jì)算機(jī)相比還比較慢，最高的CPU也不過(guò)80486，將來(lái)會(huì)全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU進(jìn)行處理、分時(shí)處理或分任務(wù)處理方式，將各種模塊智能化，部分系統(tǒng)程序用門(mén)陣列電路固化，這樣可使PLC的處理速度達(dá)到納秒級(jí)。 2.1.4可編程控制器的特點(diǎn)1抗干擾能力強(qiáng)，可靠性

13、好PLC在電子線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以與軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長(zhǎng)期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號(hào)調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。具體措施主要有以下幾個(gè)方面：1）隔離：這是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入、輸出接口電路一般采用光電耦合器來(lái)傳遞信號(hào)。這種光電隔離措施，使外部電路與部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效的抑制外部干擾源對(duì)于PLC的影響，同時(shí)防止外部高電壓串入，從而減少故障和誤操作。 2）濾波：這是抗干擾的另一個(gè)主要措施。在PLC的電源電路和輸入/輸出電路中設(shè)置了多種濾波電路，用以對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行有

14、效的抑制。3）對(duì)部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施，以減少外界干擾，保護(hù)供電質(zhì)量。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨(dú)立，以避免電源之間的干擾。4）部設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測(cè)與診斷、watchdog（“看門(mén)狗”）等電路，一旦發(fā)現(xiàn)故障或程序循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過(guò)了警戒時(shí)鐘（WDT）規(guī)定時(shí)間（預(yù)示程序進(jìn)入了死循環(huán)），立即報(bào)警，以保證CPU可靠運(yùn)行。5）利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測(cè)，并采用信息保護(hù)和恢復(fù)措施。6）對(duì)用戶程序與動(dòng)態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份，以保障停電后有關(guān)狀態(tài)或信息不丟失。7）采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。8）以集成電路為基本元件，部處理過(guò)

15、程不依賴(lài)于機(jī)械觸點(diǎn)，以保障高可靠性。而采用循環(huán)掃描的工作循環(huán)方式，也提高了抗干擾能力。2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)PLC與外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。3編程方便，易于使用PLC是面向用戶的設(shè)備，PLC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡(jiǎn)單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類(lèi)似，這種編程語(yǔ)言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語(yǔ)言，只要具有一定的電工和工藝的知識(shí)的人員都可在短時(shí)間學(xué)會(huì)。4功能完善PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入/輸出。在PLC部

16、具有許多控制功能，諸如時(shí)序、計(jì)算機(jī)、主控繼電器以與移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實(shí)現(xiàn)延時(shí)、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強(qiáng)制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以與順序控制功能，而且還具備模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控、打印、與報(bào)表生成等功能。5設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短用繼電器接觸器控制完成一項(xiàng)控制工程，必須首先按工藝要求畫(huà)出電氣原理圖，然后畫(huà)出繼電器屏的布置和接線圖等，進(jìn)行安裝調(diào)試，以后修改起來(lái)十分不便。而采用PLC控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在PLC到貨前進(jìn)行，因而縮短了設(shè)計(jì)

17、周期，使設(shè)計(jì)和施工可同時(shí)進(jìn)行。6體積小，維護(hù)操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場(chǎng)總線信的變化狀態(tài)，還能通過(guò)各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。7易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化PLC可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。8可實(shí)現(xiàn)三電一體化PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過(guò)程控制）和電結(jié)（運(yùn)動(dòng)控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。 2.1.5 可編程控制器的主要功能1條件控制功能條件控制（或稱(chēng)邏輯控制或順序控制）功能是指用PLC的與、或、非指令取代繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)極其他各種邏輯連接，進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。2定時(shí)/記數(shù)控制

18、功能定時(shí)/記數(shù)控制功能指用PLC提供的定時(shí)器、記數(shù)器指令實(shí)現(xiàn)對(duì)某種操作的定時(shí)或記數(shù)控制，以取代時(shí)間繼電器和記數(shù)繼電器。3數(shù)據(jù)處理功能數(shù)據(jù)處理功能是指PLC能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以與編碼和譯碼等操作。4步進(jìn)控制功能步進(jìn)控制功能是指用步進(jìn)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進(jìn)行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構(gòu)成的步進(jìn)控制器。5A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能是指通過(guò)A/D、D/A模塊完成模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。6運(yùn)動(dòng)控制功能運(yùn)動(dòng)控制功能是指通過(guò)高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進(jìn)行單軸或多軸運(yùn)動(dòng)控制。7過(guò)程控制功能過(guò)程控

19、制功能是指通過(guò)PLC的PID控制指令或模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、速度、流量等物理參數(shù)的閉環(huán)控制。8擴(kuò)展功能擴(kuò)展功能是指通過(guò)連接輸入輸出擴(kuò)展單元（即I/O擴(kuò)展單元）模塊來(lái)增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)，也可通過(guò)附加各種智能單元與特殊功能單元來(lái)提高PLC的控制功能。9遠(yuǎn)程I/O功能遠(yuǎn)程I/O功能是指通過(guò)I/O單元將分散在遠(yuǎn)距離的各種輸入、輸出設(shè)備與PLC主機(jī)相連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，接收輸入信號(hào)、傳出輸出信號(hào)。10通信聯(lián)網(wǎng)功能通信聯(lián)網(wǎng)功能是指通過(guò)PLC之間的聯(lián)網(wǎng)、PLC與上位機(jī)的等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復(fù)雜控制。11監(jiān)控功能監(jiān)控功能是指PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分的進(jìn)行狀態(tài)和進(jìn)程，對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的

20、異常情況進(jìn)行報(bào)警和記錄，甚至自動(dòng)終止運(yùn)行；也可在線調(diào)整、修改控制程序中的定時(shí)器、記數(shù)器等設(shè)定值或強(qiáng)制I/O狀態(tài)。2.1.6 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)目前PLC種類(lèi)繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不一樣，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致一樣，硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)相似。主要包括中央處理單元CPU、存儲(chǔ)器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。其部也是采用總線結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。如圖2.1所示，PLC控制系統(tǒng)由輸入量PLC輸出量組成，外部的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)、傳感器檢測(cè)的各種信號(hào)均作為PLC的輸入量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子，作

21、為PLC的輸出量對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。由此可見(jiàn)，PLC基本結(jié)構(gòu)由控制部分輸入和輸出組成。圖2.1 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖2.1.7可編程控制器各部分的作用1中央處理器CPU是由控制器和運(yùn)算器組成的。運(yùn)算器也稱(chēng)為算術(shù)邏輯單元，它的功能就是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破鞯淖饔檬强刂普麄€(gè)計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件有條不紊地工作，它的基本功能是從存中取指令和執(zhí)行指令。他的重要功能如下：（1） 診斷PLC電源、部電路的工作狀態(tài)與編制程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。（2）采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的寄存器中。（3）按用戶程序存儲(chǔ)器中存放的先后順序逐條讀取指令，進(jìn)行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運(yùn)算和操作。

22、 （4）將存于寄存器中的處理結(jié)果送至輸出端。 （5）應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請(qǐng)求。2存儲(chǔ)器PLC的存儲(chǔ)器分為兩大部分：一大部分是系統(tǒng)存儲(chǔ)器，用來(lái)存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序與其系統(tǒng)部數(shù)據(jù)。二大部分是用戶存儲(chǔ)器，包括用戶程序存儲(chǔ)區(qū)與工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。3輸入輸出接口電路PLC通過(guò)輸入輸出（I/O）接口電路實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的連接。輸入接口通過(guò)PLC的輸入端子接受現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的控制信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號(hào)。4電源PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口等部電路工作所需要的直流電源電路或電源模塊。5輸入輸出I/O擴(kuò)展

23、接口若主機(jī)單元的I/O點(diǎn)數(shù)不能滿足輸入輸出點(diǎn)數(shù)需要時(shí)，可通過(guò)此接口用扁平電纜線將I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)單元相連接。6PLC的基本工作原理PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對(duì)每個(gè)程序，CPU從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。PLC的掃描全過(guò)程如圖2.2所示。圖2.2 PLC的掃描全過(guò)程 （1）輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫(xiě)入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。 （2）程序執(zhí)行階段在

24、程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開(kāi)始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。 （3）輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的容，依次送到輸出鎖存電路，并通過(guò)一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。顯然掃描周期的長(zhǎng)短主要取決與程序的長(zhǎng)短。掃描周期越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越慢。由于每一個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對(duì)輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由此可見(jiàn)，若輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變

25、化。反之，若在本次刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要到下一次掃描的I/O刷新期間輸出才會(huì)發(fā)生變化。這對(duì)于一般的開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是完全允許的，不但不會(huì)造成不利影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸觾H在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間里實(shí)際上是外設(shè)隔離的。而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾常常是脈沖式的、短時(shí)的，由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，往往要幾個(gè)掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，因瞬間干擾而引起的誤操作將會(huì)大大減少，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是對(duì)于控制時(shí)間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時(shí)采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后等

26、不良影響。2.2機(jī)械手簡(jiǎn)介2.2.1械手的構(gòu)成機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。2.2.2機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)機(jī)械手可以減省工人、提高效率、降低成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)、安全性好、提升工廠形象。多關(guān)節(jié)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是:動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過(guò)機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作.隨著生產(chǎn)的需要，對(duì)多關(guān)節(jié)手臂的靈活性，定位精度與作業(yè)空間

27、等提出越來(lái)越高的要求。多關(guān)節(jié)手臂也突破了傳統(tǒng)的概念，其關(guān)節(jié)數(shù)量可以從三個(gè)到十幾個(gè)甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根據(jù)不同的場(chǎng)合有所變化，多關(guān)節(jié)手臂的優(yōu)良性能是單關(guān)節(jié)機(jī)械手所不能比擬的。2.2.3機(jī)械手的應(yīng)用前景隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā)展，機(jī)械手的聯(lián)網(wǎng)操作問(wèn)題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。2.2.4機(jī)械手的市場(chǎng)需求機(jī)械手

28、是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。我國(guó)塑料機(jī)械已成為機(jī)械制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一，年需求量在不斷的加大。我國(guó)塑料機(jī)械產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展主要有以下兩個(gè)大因素：一是對(duì)高技術(shù)含量裝備的需求所帶來(lái)的設(shè)備更新與舊設(shè)備的淘汰;二是海塑料

29、加工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)塑料機(jī)械的需求旺盛。2.3三相異步電機(jī)2.3.1三相異步電機(jī)工作原理當(dāng)電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組（各相差120度電角度），通入三相對(duì)稱(chēng)交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向一樣.當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，“感應(yīng)電機(jī)”的名稱(chēng)由此而來(lái)。感應(yīng)電流和磁場(chǎng)的聯(lián)合作用向電機(jī)轉(zhuǎn)子施加驅(qū)動(dòng)力。我們讓閉合線圈ABCD在磁場(chǎng)B圍繞軸xy旋轉(zhuǎn)。如果沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)，閉合線圈經(jīng)受可變磁通量

30、，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流(法拉第定律)。根據(jù)楞次定律，電流的方向?yàn)?感應(yīng)電流產(chǎn)生的效果總是要阻礙引起感應(yīng)電流的原因。因此，每個(gè)導(dǎo)體承受相對(duì)于感應(yīng)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向相反的洛侖茲力F。確定每個(gè)導(dǎo)體力F方向的一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是采用右手三手指定則(磁場(chǎng)對(duì)電流作用將拇指置于感應(yīng)磁場(chǎng)的方向，食指為力的方向。將中指置于感應(yīng)電流的方向。這樣一來(lái)，閉合線圈承受一定的轉(zhuǎn)矩，從而沿與感應(yīng)子磁場(chǎng)一樣方向旋轉(zhuǎn)，該磁場(chǎng)稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。閉合線圈旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩平衡了負(fù)載轉(zhuǎn)矩。2.3.1三相異步電機(jī)接線圖三相繞組由三個(gè)彼此獨(dú)立的繞組組成，且每個(gè)繞組又由若干線圈連接而成。每個(gè)繞組即為一相，每個(gè)繞組在空間相差120電

31、角度。線圈由絕緣銅導(dǎo)線或絕緣鋁導(dǎo)線繞制。中、小型三相電動(dòng)機(jī)多采用圓漆包線，大、中型三相電動(dòng)機(jī)的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽。定子三相繞組的六個(gè)出線端都引至接線盒上，首端分別標(biāo)為U1,V1,W1，末端分別標(biāo)為U2,V2,W2。這六個(gè)出線端在接線盒里的排列如圖2.3所示，可以接成星形或三角形。圖2.3 三相異步電機(jī)接線圖2.4交流接觸器交流接觸器是廣泛用作電力的開(kāi)斷和控制電路。它利用主接點(diǎn)來(lái)開(kāi)閉電路，用輔助接點(diǎn)來(lái)執(zhí)行控制指令。主接點(diǎn)一般只有常開(kāi)接點(diǎn)，而輔助接點(diǎn)常有兩對(duì)具有常開(kāi)和常閉功能的接點(diǎn)，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。 交流接觸器

32、的接點(diǎn)，由銀鎢合金制成，具有良好的導(dǎo)電性和耐高溫?zé)g性。2.4.1交流接觸器的組成交流接觸器主要有四部分組成:(1) 電磁系統(tǒng),包括吸引線圈、動(dòng)鐵芯和靜鐵芯；(2)觸頭系統(tǒng),包括三組主觸頭和一至兩組常開(kāi)、常閉輔助觸頭,它和動(dòng)鐵芯是連在一起互相聯(lián)動(dòng)的；(3)滅弧裝置,一般容量較大的交流接觸器都設(shè)有滅弧裝置,以便迅速切斷電弧,免于燒壞主觸頭；(4)絕緣外殼與附件,各種彈簧、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、短路環(huán)、接線柱等。圖2.4 交流接觸器電氣符號(hào)圖圖2.5 交流接觸器圖形符號(hào)圖2.4.1交流接觸器的工作原理當(dāng)線圈通電時(shí),靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力,將動(dòng)鐵芯吸合,由于觸頭系統(tǒng)是與動(dòng)鐵芯聯(lián)動(dòng)的,因此動(dòng)鐵芯帶動(dòng)三條動(dòng)觸片同時(shí)運(yùn)行,觸點(diǎn)閉合,從而接通電源。當(dāng)線圈斷電時(shí),吸力消失, 動(dòng)鐵芯聯(lián)動(dòng)部分依靠彈簧的反作用力而分離,使主觸頭斷開(kāi),切斷電源。第3章 基于PLC控制機(jī)械手的軟件設(shè)計(jì)3.1 PLC的輸入、輸出點(diǎn)的分配根據(jù)輸入、輸出點(diǎn)分配情況畫(huà)出PLC輸入、輸出分配表（表3.1）和PLC外部接線圖（表3.2）。輸入地址元件名輸出地址元件名X0SB1啟動(dòng)Y2下降電機(jī)M1X1SB2停止Y3上升電機(jī)M2X2SB3復(fù)位Y4左移電機(jī)M3X3SK1上升限位Y5右移電機(jī)M4X4SK2下降限位Y6夾緊電機(jī)M5X5SK3左移限位Y7放松電機(jī)M6X6SK4右移限位X7SK5夾緊限位X10