基于PLC的機械臂控制

1、.1. - - . 可修編-*理工大學本科生畢業(yè)論文設計題目：基于PLC的機械臂控制：學院：自動化學院專業(yè)：自動化班級：*：指導教師：完成時間：2021年6月1日.1基于PLC的機械臂控制摘要啤酒是當今世界上消費量最大的酒類飲料，全球啤酒產(chǎn)量已連續(xù)多年穩(wěn)步增長,我國的啤酒產(chǎn)量2002年到達2386萬噸超過美國成為世界上啤酒生產(chǎn)和消費量最大的國家。過去的人工抓瓶裝箱已經(jīng)顯得效率低下，因此機械臂的參加尤為重要，它不僅抓取快，而且能夠適應惡劣的工作環(huán)境，以機械臂裝箱配合入庫，工作效率非常高。在本設計中主要介紹了國外機械臂研究現(xiàn)狀及PLC的開展趨勢，簡要的描述了機械臂控制系統(tǒng)的工作原理和動作的設計實現(xiàn)

2、過程。研究了基于PLC的機械臂控制，并以學校實驗室的三自由度機械臂的實物為模型實現(xiàn)控制系統(tǒng)的設計。關鍵詞：啤酒；機械臂；PLC；.1AbstractBeer is the worlds largest alcoholic beverage consumption, a steady rise in global beer production has for many years, Chinas beer production in 2002 reached 23.86 million tons more than the United States to bee the largest co

3、untry 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 with warehousing, work ef

4、ficiency 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 based on PLC control syste

5、m design.Key words: beer; Mechanical arm; PLC;.1目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc169169246摘要HYPERLINK l _Toc169169248第一章緒論 PAGEREF _Toc169169248 h 1HYPERLINK l _Toc1691692491.1 課題研究目的及意義 PAGEREF _Toc169169249 h 1HYPERLINK l _Toc1691692501.2 國外機械臂研究概況 PAGEREF _Toc169169250 h 1HYPERLINK l _Toc16916925

6、11.3 課題研究的容2HYPERLINK l _Toc169169253第二章機械臂控制方式的選擇和可編程序控制器簡介 PAGEREF _Toc169169253 h 1HYPERLINK l _Toc1691692542.1 機械臂控制方式的選擇 PAGEREF _Toc169169254 h 1HYPERLINK l _Toc169169255控制方式的分類 PAGEREF _Toc169169255 h 1HYPERLINK l _Toc169169256與工業(yè)控制計算機IPC和集散控制系統(tǒng)DCS的比較 PAGEREF _Toc169169256 h 1HYPERLINK l _Toc

7、1691692572.1.3 機械臂控制方式的選定 PAGEREF _Toc169169257 h 1HYPERLINK l _Toc1691692582.2 可編程序控制器簡介 PAGEREF _Toc169169258 h 12.2.1 PLC的構造.5HYPERLINK l _Toc1691692592.2.2 PLC的特點 PAGEREF _Toc169169259 h 1HYPERLINK l _Toc1691692602.2.3 PLC的主要功能 PAGEREF _Toc169169260 h 1HYPERLINK l _Toc1691692612.2.4 PLC的經(jīng)濟分析 PAG

8、EREF _Toc169169261 h 1HYPERLINK l _Toc1691692622.2.5 PLC開展狀況及趨勢 PAGEREF _Toc169169262 h 1HYPERLINK l _Toc169169263第三章機械臂模型控制系統(tǒng)的設計 PAGEREF _Toc169169263 h 1HYPERLINK l _Toc1691692643.1 機械臂控制系統(tǒng)構件概述 PAGEREF _Toc169169264 h 1HYPERLINK l _Toc1691692653.1.1 步進電機 PAGEREF _Toc169169265 h 1HYPERLINK l _Toc16

9、91692663.1.2 步進電機驅動器 PAGEREF _Toc169169266 h 1HYPERLINK l _Toc1691692673.1.3 傳感器 PAGEREF _Toc169169267 h 1HYPERLINK l _Toc1691692683.1.4 直流電機驅動單元 PAGEREF _Toc169169268 h 1HYPERLINK l _Toc1691692693.2 機械臂的動作實現(xiàn)過程 PAGEREF _Toc169169269 h 1HYPERLINK l _Toc1691692703.3 PLC程序設計 PAGEREF _Toc169169270 h 1HY

10、PERLINK l _Toc1691692713.3.1 I/O點數(shù)確實定及PLC類型的選擇 PAGEREF _Toc169169271 h 1HYPERLINK l _Toc1691692723.3.2 PLC的I/O分配 PAGEREF _Toc169169272 h 1HYPERLINK l _Toc1691692733.3.3 編程指令的選擇 PAGEREF _Toc169169273 h 1HYPERLINK l _Toc1691692743.3.4 PLC程序的設計 PAGEREF _Toc169169274 h 1HYPERLINK l _Toc1691692753.4 PLC程

11、序的調試 PAGEREF _Toc169169275 h 1.1HYPERLINK l _Toc1691692763.4.1 PLC控制的安裝與布線 PAGEREF _Toc169169276 h1HYPERLINK l _Toc1691692773.4.2 機械臂控制系統(tǒng)的外部接線圖 PAGEREF _Toc169169277 h 1HYPERLINK l _Toc1691692783.4.3 機械臂控制程序的調試 PAGEREF _Toc169169278 h 1HYPERLINK l _Toc169169279第四章組態(tài)王在機械臂控制系統(tǒng)中的應用 PAGEREF _Toc16916927

12、9 h 1HYPERLINK l _Toc1691692804.1 組態(tài)王的概述 PAGEREF _Toc169169280 h 1HYPERLINK l _Toc1691692814.1.1 組態(tài)王的簡介 PAGEREF _Toc169169281 h 1HYPERLINK l _Toc1691692824.1.2 組態(tài)王的構成 PAGEREF _Toc169169282 h 1HYPERLINK l _Toc1691692834.1.3 組態(tài)王的主要特性和功能 PAGEREF _Toc169169283 h 1HYPERLINK l _Toc1691692844.1.4 組態(tài)王的編程語言

13、PAGEREF _Toc169169284 h 1HYPERLINK l _Toc1691692854.1.5 組態(tài)王的數(shù)據(jù)構造 PAGEREF _Toc169169285 h 1HYPERLINK l _Toc1691692864.1.6 組態(tài)王的作用 PAGEREF _Toc169169286 h 1HYPERLINK l _Toc1691692874.2 工程的建立與變量的定義 PAGEREF _Toc169169287 h 1HYPERLINK l _Toc1691692884.2.1 工程的建立 PAGEREF _Toc169169288 h 1HYPERLINK l _Toc169

14、1692894.2.2 變量的分配 PAGEREF _Toc169169289 h 1HYPERLINK l _Toc1691692904.2.3 變量定義的步驟 PAGEREF _Toc169169290 h 1HYPERLINK l _Toc1691692914.2.4 設備與變量連接 PAGEREF _Toc169169291 h 1HYPERLINK l _Toc1691692924.3 工程畫面的創(chuàng)立 PAGEREF _Toc169169292 h 1HYPERLINK l _Toc1691692934.3.1 封面窗口及監(jiān)控畫面的制作 PAGEREF _Toc169169293 h

15、 1HYPERLINK l _Toc1691692944.3.2 運行策略的建立及腳本程序的編寫 PAGEREF _Toc169169294 h 1HYPERLINK l _Toc1691692954.4 動畫的連接 PAGEREF _Toc169169295 h 錯誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc1691692964.4.1 指示燈的動畫連接 PAGEREF _Toc169169296 h 錯誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc1691692974.4.2 機械臂的動畫連接 PAGEREF _Toc169169297 h 錯誤！未定義書簽。HYPERLINK l

16、_Toc1691692984.5 組態(tài)運行35第五章結論HYPERLINK l _Toc169169299 PAGEREF _Toc169169299 h 1HYPERLINK l _Toc169169300參考文獻 PAGEREF _Toc169169300 h 1HYPERLINK l _Toc169169301致 PAGEREF _Toc169169301 h 1HYPERLINK l _Toc169169302附錄 PAGEREF _Toc169169302 h 1HYPERLINK l _Toc169169303附錄1 程序流程圖 PAGEREF _Toc169169303 h 1H

17、YPERLINK l _Toc169169304附錄2 順序功能圖42HYPERLINK l _Toc169169305附錄3 梯形圖43HYPERLINK l _Toc169169308附錄4 指令表45附錄5 PLC外部電氣接線圖.48.1第一章緒論1.1 課題研究目的及意義機械臂是工業(yè)自動化領域中常常需要的一種高效可靠地自動化裝置。這些年來伴隨著工業(yè)自動化領域的技術革新，機械臂逐漸開展起來，并得到了較快的開展。機械臂廣泛地應用在鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、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、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械臂以其顯著的優(yōu)勢而

18、受到廣泛的應用?？傊?，機械臂在提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化中占據(jù)了重要的位置。無論是在國還是國外，都十分重視它的應用與開展?？删幊绦蜻壿嬁刂破?PLC)就是專門針對工業(yè)環(huán)境而設計生產(chǎn)的一種邏輯控制器。伴隨著微電子技術行業(yè)、自動控制技術行業(yè)和計算機通信技術行業(yè)的突飛猛進，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足的進步，成為工業(yè)自動化生產(chǎn)中必不可少的高科技裝備。由于實際生產(chǎn)中人力物力的投入很高，因此自動化技術的參加在節(jié)省人力物力等方面優(yōu)勢巨大，而且PLC也具有很多其他種類控制器所不具備的優(yōu)勢，比方通用性高、穩(wěn)定性好、配套設備齊全、

19、編程軟件簡單易學，因此PLC是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的控制器之一。機械臂已經(jīng)在歐美等興旺國家有著廣泛應用，例如用于采摘果實、收割莊稼、汽車構造焊接等。目前來看，我國的自動化水平還處于起筆階段，是一個年輕的行業(yè)，應用PLC來控制的機械臂還不是很多。本次課題設計的就是基于PLC的機械臂控制。通過此次設計不僅能夠更進一步學習PLC的控制方式和編程環(huán)境，更重要的是可以在實際操作過程中對PLC有更深的理解。就目前來看，啤酒是當今前世界消費量最大的酒類飲料，千秋的啤酒產(chǎn)量需求越來越大，而我國更是一個啤酒消費大國。因此這次設計便是以些小的啤酒生產(chǎn)線成品啤酒的裝箱環(huán)節(jié)中三自由度機械臂為硬件來實現(xiàn)基于PLC的機械臂

20、控制目的。過去的人工抓瓶裝箱已經(jīng)顯得效率低下，因此機械臂的參加尤為重要，它不僅抓取快，而且能夠適應惡劣的工作環(huán)境，以機械臂裝箱配合入庫，工作效率非常高。1.2 國外機械臂研究概況工業(yè)機械臂的產(chǎn)生是伴隨著近代工業(yè)自動化水平的突飛猛進以及實際生產(chǎn)中的需要開展而來的，如今已經(jīng)成為實際生產(chǎn)中必不可少的自動化裝置。工業(yè)機械臂的參加顯著提高了生產(chǎn)過程的自動化程度并且改善了勞動條件、提高了產(chǎn)品質量和生產(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合，應用得更為廣泛。近年來在我國工業(yè)機械臂的開展也是非常迅速的，需求量也是越來越大。自二十世紀六十年代初第一套機械臂系統(tǒng)的誕生，經(jīng)過將近40年的開展，

21、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，正式服役于生產(chǎn)中的機械臂大多屬于比較老式的一種，即程序開環(huán)控制機械臂。這種機械臂大多采用點位控制，也就是沒有反響系統(tǒng)，不能根據(jù)實際情況的變化作出調整，這類機械臂主要應用于焊接、噴漆和上下料等用途。如今使用比較廣泛的機械臂已經(jīng)和以前大有不同，他參加了反響系統(tǒng)，也就是說有個感覺，雖然它仍然以程序控制為根底，但它能夠根據(jù)實際生產(chǎn)中的偏差來調整動作。這種機械臂廣泛應用接觸傳感器一類的簡單傳感器和相應的自適應控制算法來實現(xiàn)。而現(xiàn)在最新的機械臂則是在前兩種的根底上進展改良可再造，它既能夠感知外界環(huán)境和操作對象，又具有對復雜信息進展收集和處理的能力，能夠對自身的

22、動作實現(xiàn)自我智能化控制。用擬人的方法來說，它具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，就像工人一樣能實現(xiàn)搜索、追蹤、辨識等多種仿生功能，而且就像專家一樣，十分專業(yè)。目前機械臂的開展較為多元化，出現(xiàn)了仿人型機械臂、微型機械臂、智能機械臂等多種各具特色的機械臂。機械臂的應用領域正由以前主攻工業(yè)生產(chǎn)轉向向非制造業(yè)和效勞業(yè)，而且現(xiàn)在參加更多尖端科技的軍事機械臂也廣泛應用于軍事領域。在歐美等興旺國家近幾年機械臂的開展趨勢迅猛，伴隨著機械臂性能不斷提高，價格的不斷下降，機械構造模塊化、可重構化以及控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器，越來越多的滿足各種需要的機械臂如雨后春筍般涌現(xiàn)。在國，目前機械臂的應用主

23、要在噴涂機械臂、裝配機械臂、弧焊機械臂、搬運機械臂、點焊機械臂、特種機械臂，根本掌握了機械臂的設計制造，控制驅動系統(tǒng)的設計和配置以及軟件的設計和編制等關鍵技術，還掌握了自動化噴漆、弧焊以及周邊配套設備的全套自動通信、協(xié)調和控制技術；在根底元件方面，諧波減速器、機械臂焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術方面來看，我國目前在自行設計和制造機械臂的方面已經(jīng)沒有技術障礙。1.3 課題研究的容本課題以啤酒瓶的抓取為研究對象，應用PLC進展控制設計為主要容，對緩沖區(qū)的成品啤酒進展抓取裝箱，應用PLC指令對伺服驅動器、步進電機驅動器以及直流電機三個對象進展算法控制，通過各個環(huán)節(jié)上相應傳感器的反響信息

24、進展算法調節(jié)到達準確可靠抓取啤酒瓶并放入箱的功能。第二章機械臂控制方式的選擇和可編程序控制器簡介2.1 機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)自動控制主要基于繼電器和一些別離的電路原件進展，這種控制器投資相對少一些，目前這種設備僅存的一些都服役于老企業(yè)和自動化程度很低的小企業(yè)，由于這種設備存在很多缺陷，如僅適合于簡單的邏輯控制，通用性差，不便于優(yōu)化和改造等，已遭到淘汰。我國在邏輯控制器為主力的自動化控制的大背景下，正以迅猛的步伐進展改造。邏輯控制器控制有硬件上至少有一個微處理器、通過軟件實現(xiàn)控制思想的特點。在工業(yè)自動化控制領域應用最多也對為廣泛的有三種，即可編程序邏輯控制器P

25、LC；工業(yè)控制計算機IPC；集散控制系統(tǒng)DCS。可編程序邏輯控制器PLC、工業(yè)控制計算機IPC以及集散控制系統(tǒng)DCS的比較1、各自技術開展的起源計算機可以滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求。其標準的硬件配置，標準的總線協(xié)議，以及超前的兼容性，豐富的軟件資源無一不是它的優(yōu)勢所在，加之實時操作系統(tǒng)的支持，使它在控制模型復雜和數(shù)據(jù)量巨大的控制對象時如魚得水。DCS在工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)開展到分布式控制系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機為中心，所以它在模擬處理，控制一定的優(yōu)勢，最初主要應用于連續(xù)過程控制。PLC是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)成長而來，在工序控制方面應用較多，早期PLC產(chǎn)品主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，其功能以開關量的

26、順序控制為主。近年來伴隨著各種高新技術的開展和成熟，越來越多的新技術參加到了PLC中，PLC在技術和功能上發(fā)生了質的飛躍。在早期邏輯開關量控制的根底上，增加了算數(shù)運算、反響調節(jié)等功能，增加了模擬量輸入輸出和PID調節(jié)算法等功能模塊；運算速度有了提高，中央處理單元的能力趕上了工業(yè)控制計算機的水平；而且隨著通信能力的提高，衍生了多種局部總線和網(wǎng)絡協(xié)議，應用這些也可構成為一個集散系統(tǒng)。最重要的是個人機算機也引入到了PLC系統(tǒng)當中，PLC在過程控制的開展將是一智能變送器和現(xiàn)場總線，暨向下拓展功能，開放總線。2、一樣點在硬件方面，PLC、工業(yè)計算機、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

27、，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導體存儲器和I/O模件組成。編程方面也有很多一樣點。3、不同點雖然在硬件方面的差距逐漸縮小，但畢竟PLC和計算機是不同種類的兩種產(chǎn)品，經(jīng)過了多年的優(yōu)化和開展都形成了各自獨立的生態(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算機軟件編寫程序，編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)本身或用計算機布局形成組態(tài)形成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。需要特別之處的是PLC于STD總線工控機之間的區(qū)別，他們無論從維修、安裝和模塊組件功能都相差不多。PLC在脫機模式下運行表現(xiàn)出色，但當它在線運行時如果想對他進展較大數(shù)據(jù)量

28、的修改，其能力比于STD工控機稍差，但是單純從開關量的控制來說，PLC則是不二選擇。在選擇控制器的時候，首先要從控制精度，控制需求，控制對象和經(jīng)濟節(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蠻子我們的需要即可。2.1.3 機械臂控制方式的選定PLC是通過在電腦上的專用軟件編寫控制程序然后通過下載線將程序下載到控制器來實現(xiàn)控制的。這種軟件繼承了PLC廠家的指令系統(tǒng)，而且廠家針對各自的PLC特點進展相應的修改和功能增強。公司自成立以來，經(jīng)過20年的開展，在興旺國家，歐洲，日本和其他美國目前已經(jīng)成為一個重要的行業(yè)，

29、PLC已成為國際市場的最流行的工業(yè)控制產(chǎn)品，應用PLC編程實現(xiàn)程序控制設備已經(jīng)是但僅世界的大潮流。之所以PLC可以勝任各種工業(yè)場合的控制要求，離不開他針對工業(yè)場合的專門設計和優(yōu)化：高可靠性、高抗干擾的能力。編程安裝使用簡便、低價格長壽命。相比于單片機，他的輸入輸出更加的接近工業(yè)現(xiàn)場，不需要再在控制器與設備之間加更多的轉換以及驅動單元，這樣大大節(jié)省了設備組建的時間和工程量。PLC輸入是一個繼電器，晶體管和可控硅控制單元，上端與一般微機用戶連接。當人們想要對PLC驚醒應用是，不需要花大量時間進展專門的計算機應用培訓就能對可編程控制器進展編程操作和下載，并應用他來實現(xiàn)自己想要的難易不同的工業(yè)控制任務

30、。PLC的優(yōu)點還有很多。機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、操作簡單、維修容易，更重要的是可以便于以后的擴展和改造。正因為PLC所具有的靈活性、模塊化、易于擴展等優(yōu)點，才能夠很據(jù)現(xiàn)場的不同需要完成用戶的控制需求。機械臂采用PLC作為控制器，大大提高了系統(tǒng)的集成度，介紹呢過了空間，防止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，用PLC作為控制器可以方便的對系統(tǒng)流程進展更改和優(yōu)化。綜上所述，機械臂的控制方式選擇PLC進展控制最高效可靠。2.2 可編程序控制器簡介可編程序邏輯控制器Programmable Logic Controll

31、er簡稱PLC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)進化而來，它不斷地改良增強優(yōu)化，不斷地向微型計算機靠攏，從而逐步的適應了復雜控制任務的處理。2.2.1 PLC的構造PLC很像一般的微型計算機，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)、存儲器(EPROM，ROM)、輸入輸出口(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴展單元和其他外圍設備以模塊的形式拼接而成。各局部通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成9。其構造簡圖如下：外設I/O接口 輸出部件存儲器 EPROM 微處理器 運算器 控制器電源 輸入部件I/O擴展接口 I/O擴展單元 受控元件輸入信號外部設備

32、圖2-1 PLC硬件構造圖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局部。系統(tǒng)固化程序是PLC產(chǎn)品必須包括的局部，由PLC的制造商提供的，用來控制PLC的操作和運行，系統(tǒng)程序存儲在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完整的PLC系統(tǒng)，他們相輔相成，缺了那一局部都不能正常工作。2.2.2 PLC的特點可編程序邏輯控制器簡稱PLC，它的主要核心部件是一種類似于微機處理器的中央處理單元，因此它相當于專門用作自動化控制的計算機。當今國國外普遍應用可編程邏輯控制器作為機械臂的控制器，在智能化要求高

33、控制容量大的機械臂控制系統(tǒng)中更是離不開PLC。主要是因為PLC具有以下幾點優(yōu)勢：1、靈活、通用在傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中，應用的主要控制部件是繼電器，整個系統(tǒng)需要預先設計好，然后根據(jù)設計好的圖紙進展布線焊接施工，所用設備固定，每套系統(tǒng)只對應一種設備，如果工藝上出現(xiàn)一些小的改良或者調整，需要對控制系統(tǒng)加以調整的話，則之前裝好的整個控制系統(tǒng)都要進展撤除，然后對其重新進展布線焊接施工等工作，浪費了大量的人力、物力、精力和時間。可編程邏輯控制器的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，它是將程序存儲在自身置的存儲芯片上，根據(jù)用戶存儲在芯片中的程序進展控制，如果遇到控制對象改變或者工藝流程改良的話，不需要將整個系統(tǒng)撤除，只需

34、要將相應的線接好然后根據(jù)需要編寫控制程序即可。而且PLC更為強大的是如果當前控制系統(tǒng)需要改變，只需要對PLC進展編程不需要再進展復雜的改造了，因此PLC作為控制器具有很大的靈活性、通用性。2、可靠性高、抗干擾能力強對于工業(yè)現(xiàn)場中的機械臂來說，高可靠性、強抗干擾能力是非常重要的一項指標，這與生產(chǎn)平安和人員平安息息相關，如何讓控制器適應工業(yè)現(xiàn)場各種復雜惡劣的環(huán)境是研制每一種控制系統(tǒng)必須要考慮的問題。現(xiàn)代化的PLC設備普遍采用技術成熟的微電子原件和芯片，傳統(tǒng)的繼電器開關量輸入輸出由無損耗無誤觸發(fā)的半導體原件替代，其可靠性程度是使用傳統(tǒng)以繼電器來實現(xiàn)的機械構造所無法比及的。而且為了讓PLC在環(huán)境極為惡

35、劣的工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定工作，工程師們還在其設計和制造過程中對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)場也能游刃有余。3、操作方便、維修容易PLC的編程采用的語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。對于使用者來說，幾乎不需要在進展專門的計算機知識培訓便可完成簡單的編程控制。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，只需要將操作說明書寫清楚，操作人員經(jīng)短期的學習就可以使用。4、功能強現(xiàn)代化的PLC不僅具有傳統(tǒng)條件控制、計時、計數(shù)和步進等控制功能，而且更加強大的是它能夠完成A/D、D/A轉換、數(shù)字運算和數(shù)據(jù)處理

36、以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等任務。因此在開關量和模擬量的混合控制中無需再增加單獨的設備進展改造。PLC既可以對對象控制也能對整套生產(chǎn)線進展控制，還能實現(xiàn)本地設備遠程監(jiān)控等多種復雜的任務。5、體積小、重量輕和易于實現(xiàn)機電一體化由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)需要應用大量的繼電器等元件，導致其體積、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，這樣一來無論從體積還有質量上都大大減小，而且PLC是為了工業(yè)控制而設計的專用控制器，在構造緊湊、穩(wěn)固耐用、體積小巧等方面都進展了專門優(yōu)化和設計，再加上PLC超強的抗干擾能力，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缺乏的地方，在價格

37、上高于繼電器，在開發(fā)易用性上不如單片機，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是一種應用廣泛、開展迅速的工業(yè)自動化控制裝置，尤其在工廠自動化(FA)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的應用領域占據(jù)重要地位。PLC系統(tǒng)主要有以下功能：多種控制功能；數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能；通信聯(lián)網(wǎng)功能；輸入、輸出接口調理功能；人機界面功能；編程、調試功能。如今PLC的重量、體積、功耗在原有根底上不斷改良，硬件價格也逐漸走低，雖然在配套軟件上價格較高，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格進展了較大幅度的調整。另外，工業(yè)生

38、產(chǎn)中采用PLC還可以大大縮短設計施工周期，盡快投入生產(chǎn)。PLC產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的開展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求11。總之，在各種環(huán)境中，PLC控制機械設備的使用在自動化生產(chǎn)線和生產(chǎn)過程的控制將更加廣泛。2.2.4 PLC的經(jīng)濟分析對PLC的經(jīng)濟分析，應從以下幾方面考慮：1、從影響本錢的各個因素綜合考慮目前生產(chǎn)設備的控制裝置有三種類型：繼電器控制；半導體器件控制；PLC控制。價格相對于其他兩種控制系統(tǒng)來說不能作為選擇PLC品牌的一個因素，而可靠性和易用性則是選擇PLC無可挑剔的重要原因。2、從設計、生產(chǎn)周期長短考慮對舊設備進展改造，設計新的生產(chǎn)機械設備，優(yōu)先考慮的就是生產(chǎn)、設計周

39、期問題，生產(chǎn)、設計周期越短，投入生產(chǎn)越早，盈利的時間就早。甚至希望設計、安裝、調試的同時就能夠進展生產(chǎn)，特別是產(chǎn)品更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝改造的時候，原有的生產(chǎn)流程不能停頓，增加的流程也要在之前的根底上施工，因為工業(yè)生產(chǎn)中時間就是金錢，使用PLC就能輕松實現(xiàn)這一點。毫無疑問，就憑借這一點，PLC就可稱為工業(yè)領域中的佼佼者。而且這些功能都是在傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中無法實現(xiàn)的。使用PLC無需要對原有的布線進展大量改造，主要在程序上進展調整就可以完成，也就是說按照新的工藝流程對PLC程序重新進展設計和編寫就能夠對生產(chǎn)線進展改造。2.2.5 PLC開展狀況及趨勢現(xiàn)代化PLC的開展主要面向兩個方向：一是向體積更

40、小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面開展；二是向大型網(wǎng)絡化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面開展12。1、大型網(wǎng)絡化主要向集散控制系統(tǒng)的開展方向，具有一定功能的DCS系統(tǒng)。網(wǎng)絡化程度高通信能力強是PLC的開展目標，向下可與多個PLC相連，向上可以接入計算機、以太網(wǎng)等來構成整個工廠生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。2、多功能隨著自調整、步進電機控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領域更加寬廣。第三章機械臂模型控制系統(tǒng)的設計3.1 機械臂控制系統(tǒng)構件概述本課題設計使用的是校研究室啤酒生產(chǎn)線機械臂抓瓶裝箱環(huán)節(jié)的三自由度機械臂。機械臂使用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等部件按照相應的功能進展組裝來組成

41、；使用的電器元件有步進電機、伺服電機、直流電機、步進電機驅動器、伺服放大器、光電傳感器、金屬接近開關、開關電源、電磁閥、氣動閥等安裝在相應的位置完成了實物裝置的組裝。3.1.1 步進電機采用二相八拍混合式步進電機來控制機械臂的動作，相比直流電機有更好的制動效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機械臂的運動更加穩(wěn)定。主要特點：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉矩等優(yōu)點。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步進電機電氣接線圖3.1.2 步進電機驅動器步進電機驅動器主要有電源輸入局部、信號輸入局部、輸出局部等。驅動器參數(shù)如下表3-1、表3-2、表3-3、表3-4所示。PL

42、C控制器與步進電機驅動器連接及工作原理，如圖3-2所示。步進電機驅動器有電源輸入局部、信號輸入局部、信號輸出局部等，利用驅動器可以很方便的對步進電機的轉速、方向進展控制。驅動器電源由面板上電源模塊提供，驅動器信號端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻見圖3-2中1.5K電阻。驅動器輸入端為低電平有效。PLC通過控制其輸出點來控制驅動器光耦的開合，當PLC輸出線圈得電表3-1電氣規(guī)格說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步進脈沖響應頻率100kHz脈沖低電平時間51s表3-2電流設定電流值SW1SW2SW30.21AOFFON

43、ON0.42AONOFFON0.63AOFFOFFON0.84AONONOFF1.05A0FFONOFF1.26AONOFFOFF1.50AOFFOFFOFF表3-3 細分設定細分倍數(shù)步數(shù)/圈1.8整步SW4SW5SW61200ONONON2400OFFONON4800ONOFFON81600OFFOFFON163200ONONOFF326400OFFONOFF6412800OFFONOFF由外部確定動態(tài)改細分/制止工作OFFOFFOFF表3-4 接線信號描述信號功能PUL脈沖信號：上升沿有效，每當脈沖由低變高時電機走一步DIR方向信號：用于改變電機轉向，TTL平驅動OPTO光耦驅動電源ENA

44、使能信號：制止或允許驅動器工作，低電平制止GND直流電源地+V直流電源正極，典型值+24VA+電機A相A-電機A相B+電機B相B-電機B相時，晶體管導通，相應的觸電輸出低電平，使驅動器光耦導通，當PLC輸出線圈失電時，晶體管關斷，使驅動器光耦截止。另外假設不采用驅動器，而采用PLC輸出觸點直接驅動步進電機，會占用很多的輸出觸點，同時給編程帶來不便。圖3-2 PLC控制器與步進電機驅動器連接及工作原理3.1.3 伺服電機伺服電機servomotor是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制

45、對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反響，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉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動器servo drives又稱為“伺服控制器，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一局部，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進展控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術的高端

46、產(chǎn)品。伺服驅動器均采用數(shù)字信號處理器DSP作為控制核心，可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊IPM為核心設計的驅動電路,IPM部集成了驅動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還參加軟啟動電路,以減小啟動過程對驅動器的沖擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進展整流，得到相應的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元AC-DC主要的拓撲電路是三相全橋不控整流

47、電路。伺服進給系統(tǒng)的要求1、調速圍寬2、定位精度高3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性4、快速響應，無超調為了保證生產(chǎn)率和加工質量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，因為數(shù)控系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。5、低速大轉矩，過載能力強一般來說，伺服驅動器具有數(shù)分鐘甚至半小時1.5倍以上的過載能力，在短時間可以過載46倍而不損壞。6、可靠性高要求數(shù)控機床的進給驅動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應能力和很強的抗干擾的能力。對電機的要求1、從最低速到最高速電機都

48、能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。2、電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘過載46倍而不損壞。3、為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。4、電機應能承受頻繁啟、制動和反轉。3.1.4 傳感器本裝置中使用的傳感器有接近開關和行程開關?；蜌鈯A的正反轉限位采用接近開關金屬傳感器，通過調整基座和氣夾上的金屬塊的位置，可以在一定圍改變基座圖3-3傳感器工作原理圖和氣夾的旋轉角度。機械臂的伸縮、升降均采用行程開關來限位，并通過改變行程

49、開關的位置來調節(jié)橫軸和豎軸的運動圍。1、接近開關：接近開關有三根連接線棕、蘭、黑棕色接電源的正極、藍色接電源的負極、黑色為輸出信號，當與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。與PLC之間的接線圖如下，當傳感器動作時，輸出端對地接通。PLC部光耦與傳感器電源構成回路，PLC信號輸入有效，工作原理如圖3-3所示。2、行程開關：當檔塊碰到開關時，常開點閉合。3.1.4 直流電機驅動單元本裝置中直流電機驅動模塊是由兩個繼電器的吸合與斷開來控制電機的轉動方向的，從而實現(xiàn)基座和氣夾的正反轉。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端接模型的信號輸入端。端接PLC的傳感器

50、電源負端。電平轉換板原理圖如圖3-4所示。圖3-4 電平轉換板原理圖3.2 機械臂的動作實現(xiàn)過程機械臂的全部動作由步進電機和直流電機進展驅動控制。機械臂構造示意圖如圖3-5所示。步進電機的運動需要驅動器，有脈沖輸入時步進電機才會動作，且每當脈沖由低變高時步進電機走一步；改變電機轉向時，需要加方向信號。機械臂的上升/下降、前伸/后縮動作就是通過控制這兩個步進電機的正反轉來實現(xiàn)的。基座正轉/反轉和氣夾正轉/反轉是通過兩個繼電器的吸合與斷開來控制直流電機的轉動方向來實現(xiàn)的。機械臂的放松/夾緊由一個單線圈兩位置電磁閥控制。當該線圈通電時，機械臂放松；該線圈斷電時，機械臂夾緊13。翻開電源，按下起動按鈕

51、時，開機復位。機械臂的動作示意圖如圖3-6所示機械臂假設不在原點則PLC向驅動器一同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機一反轉，橫軸后縮。當后縮到位時碰到后限位開關，然后主機向驅動器二輸入脈沖信號，步進電機二正轉，機械臂上升。上升到底時碰到上限位開關，上升停頓，回到原點。主機向驅動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機二反轉，機械臂下降。降到底時碰到下限位開關，下降停頓，氣夾電磁閥斷電，機械臂夾緊。夾緊后，主機向驅動器二只輸入脈沖信號，步進電機二正轉，機械臂上升。上升到頂時，碰到上限位開關，上升停頓。PLC向驅動器一只輸入圖3-5機械臂構造示意圖圖3-6 機械臂的動作示意圖脈沖信號，步進電機一

52、正轉，機械臂前伸，前伸到位時，碰到前限位開關，前伸停頓。主機向驅動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機二反轉，機械臂下降。降到底時碰到下限位開關，下降停頓，同時夾緊電磁閥斷電，機械臂放松。放松后，主機向驅動器二只輸入脈沖信號，步進電機二正轉，機械臂上升。上升到頂時，碰到上限位開關，上升停頓。上升到頂時，碰到上限位開關，上升停頓。PLC向驅動器一同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機一反轉，橫軸后縮。機械臂后縮，當后縮到底時碰到后限位開關，然后主機向驅動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機二反轉，機械臂下降。下降到底時碰到下限位開關，下降停頓，回到原點。至此，機械臂經(jīng)過八步動作完成一個循環(huán)

53、14。3.3 PLC程序設計3.3.1 I/O點數(shù)確實定及PLC類型的選擇本次設計使用的是啤酒生產(chǎn)線機械臂實物教學實驗裝置。本裝置需采用晶體管輸出型可編程控制器，可同時輸出兩路脈沖到步進電機驅動器，控制步進電機運行。由于機械臂系統(tǒng)的輸入/輸出點少，要求電氣控制局部體積小，本錢低，并能夠用計算機對PLC進展監(jiān)控和管理，該機械臂的控制為純開關量控制，且I/O點數(shù)不多，僅需11個輸入點和9個輸出點，考慮留有一定的裕量。應選用和利時LM-3106A主機，該機輸入點為14個，輸出點為10個。3.3.2 PLC的I/O分配根據(jù)機械臂動作的要求及機械臂實物教學實驗裝置說明指導，輸入、輸出點分配如表3-5所示

54、。表3-5PLC的I/O分配表名稱輸入名稱輸出右限位1I0.4步進電機PULO1.1右限位2I0.3步進電機DIRO1.0右限位3I0.1步進電機 ENAO0.7左限位I0.5伺服電機方向O0.2下限位I1.1伺服電機使能O0.4上限位I1.2伺服電機脈沖O0.3步進限位I1.3夾瓶氣動閥O0.5啟動按鈕I0.0直流電機+O0.1復位按鈕I0.2直流電機-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，僅僅使用與觸電和線圈有關的指令。編出程序規(guī)，具有易于閱讀和容易查錯的優(yōu)點，但因為存在大量的自保持觸點，使程序代碼較長。方案二：采用以轉換為中心的編程方式。

55、這種編程方式與轉換實現(xiàn)的根本規(guī)則之間有著嚴格的對應關系，用它編制復雜的順序功能圖的梯形圖時，會有很大幫助。方案三：采用STL指令的編程方式。STL指令步進梯形指令是三菱廠家設計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，而且易于調試和維護，且代碼較短。經(jīng)論證本次設計采用的編程方式選用方案三。3.3.4 PLC程序的設計梯形圖見附錄3.4 PLC程序的調試由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，都將不能保證PLC正常、平安、可靠的運行。因此，討論PLC設計調

56、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30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。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?shù)拇釉赑LC輸入回路中，防止信號干擾，使PLC輸入信號大大增強。2、電源接線電源是PLC引入干擾的主要途徑之一，PLC應盡可能取用電壓波動較小、波形畸變較小的電源，這對提高PLC的可靠性有很大幫助。PLC的供電線路應與其他大功率用電設備或強干擾設備如高頻爐、弧焊機等分開。為了提高整個系統(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、晶體管開關電源

57、等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。隔離變壓器是初級和次級之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個接地抽頭。初級與次級之間的靜電屏蔽要聯(lián)結到零點位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點。在選用交流穩(wěn)壓器時，一般可按照實際最大需求容量的130%計算。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、220V10%的交流電。由于本設計使用的是F*1N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或接近開關提供直流24V電源。3、接地正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一

58、為了平安，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PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以防止偶然發(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 機械臂控制程序的調試在程序調試過程中出現(xiàn)了一系列的問題，但最終都一一解決了。在使用梯形圖指令編程時，剛開場由于對梯形圖指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯誤，加上機械臂模型裝置本身存在的一些問題，所

59、以在調試程序時，機械臂動作不符合控制要求。經(jīng)過不斷查閱資料，研究、改良，最終程序調試成功。機械臂運行良好，動作正確、符合控制要求。第四章組態(tài)王在機械臂控制系統(tǒng)中的應用4.1 組態(tài)王的概述4.1.1 組態(tài)王的簡介組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(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)當前的自動化技術的開展趨勢，面向低端自動化市場及應用，以實現(xiàn)企業(yè)一體化為目標開發(fā)的一套產(chǎn)品。該產(chǎn)品以搭建戰(zhàn)略性工業(yè)應用效勞平臺為目標，集成了對亞控科技自主研發(fā)的工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫KingHistorian的支持，可以為企業(yè)提供一個對

60、整個生產(chǎn)流程進展數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺，使企業(yè)能夠及時有效地獲取信息，及時地做出反響，以獲得最優(yōu)化的結果。組態(tài)王保持了其早期版本功能強大、運行穩(wěn)定且使用方便的特點，并根據(jù)國眾多用戶的反響及意見，對一些功能進展了完善和擴大。組態(tài)王kingview6.55提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時也為用戶創(chuàng)立圖庫精靈提供了簡單易用的接口；該款產(chǎn)品的歷史曲線、報表及web發(fā)布功能進展了大幅提升與改良，軟件的功能性和可用性有了很大的提高。組態(tài)王在保存了原報表所有功能的根底上新增了報表向導功能，能夠以組態(tài)王的歷史庫或KingHistorian為數(shù)據(jù)源，快速建立所需的班