PLC控制机械手论文终结版.docx
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PLC控制机械手论文终结版
摘要
可编程控制器是在继电接触控制器的基础上，结合先进的微机技术发展起来的一种新型的工业控制机。
它发展迅速,应用广泛,特别适合于顺序控制,是机械自动化中一种基础的控制设备。
它将填补继电接触控制与微机数控之间的一大块空白。
此机械手系统是一个教学模型，它模拟工业生产过程中的某种自动化设备，可以完成零组件的组装、检测、移送等任务。
本文以该模型为例，论述了机械手的结构组成及工作原理，提出了五种工作方式的控制要求，并针对这些控制要求提出了S7-300型PLC控制系统的控制方案，进而阐述了PLC控制系统的设计过程以及步进程序的梯形图实现方法，并在PLC系统上进行了调试。
实践证明此机械手能按预定的顺序动作，设计方案合理，控制特性良好，对应用PLC进行工业设计有一定的借鉴作用。
关键词：
机械手、PLC、控制、西门子
Abstract
PLCisanew-styleindustrycontrol,basedonthecontrolofrelay-contactinstrumentsandcombinedwithadvancedcomputertechnology.Ithasdevelopedfastandiswidelyused,inparticular,itisquitesuitableforthecontrolofsequence.Anditbecomesabasicequipmentofmechanicautomation.PLCwillfillawidegapbetweenthecontrolofrelay-contactandcomputerNC.
Thismanipulatorsystemisateachingmodel,whichsimulatessomeautomationequipmentintheprocessofindustrialproduction,andcancompletethetaskofassembling,testing,transferringthecomponentsandothertasks.Takingthismodelasanexample,thispaperdescribesthecomposition,thestructureandtheworkingprincipleofthemechanicalhand.ItalsoputsforwardthecontrolrequirementsoffiveworkingmethodsandthecontrolprogramofS7-300typePLCcontrolsystem,thenexpoundedthedesignprocessofthePLCcontrolsystemsandtheproceduresoftheladderstep,whichhasbeendebuggedonthePLCsystem.Practicehasshownthatthismechanicalhandcanactaccordingtothescheduledorder,andhasreasonabledesignandgoodcontrol,whichcangivesomereferencetotheindustrialdesignofthePLCapplication.
Keywords：
ManipulatorPLCControlSimens
第一章绪论
一.1机械手的应用背景与意义
机械手也被称为自动手，构成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持性型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需要六个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂[1]。
机械手作为现代工业领域中应用作为广泛的产品应用于工业生产自动化当中，机械手是可以仿照人手的部分动作，根据相应的程序要求进行自动抓取和搬运的自动装置。
它可以代替人工来进行大量的重复而单调并且是高精度的工作，同时可以提高生产自动化水平和生产效率，尤其是在极端恶劣的条件下能够代替人工的意义重大[2]。
在机械工业中，应用机械手的主要目的有：
（1）可以提高生产过程的自动化程度。
应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器装配的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本；
（2）可以改善劳动条件、避免人身事故。
在高温、高压、低温、低压、灰尘、噪声、臭味、有放射性或有他有毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作时有危险或根本不可能的，而应用机械手可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善；（3）在一些简单、重复、特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行操作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故；（4）可以减少人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此在自动化机床和综合加工自动化生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏进行生产[3]。
随着我国工业的跨越式发展，机械手作为工业生产及装备制造业中处在及其重要的位置。
在工业生产和装备制造领域中充当着非常重要的角色，尤其是它能代替人工在有害环境中进行操作以保护工人的生命安全，在各个领域都有机械手的影子：
机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普通；在装配作业应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件；在劳动条件差，单调重复易于疲劳的工作环境，可代替人的劳动；可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等；宇宙及海洋的开发；军事工程及生物医学方面的研究和实验[4]。
一.2机械手应用的国内外发展的现状
机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人。
机械手研究开始于20世纪中期，一方面，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1964年第一台数字计算机问世以来，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的发展，这为机械手的开发奠定了基础；另一方面，核能技术的研究需要某些操作机械代替人处理放射性物质，在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又发了机械式主从机械手。
机械手首先是由美国开始研制的，50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用。
完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。
该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机械人能实现动作的记录和再现。
这就是所谓的示教再现机机器人，现在的机器人差不多都采用这种控制方式。
1958年美国联合控制公司研制出第一弹机械手铆接机器人。
作为机器人产品最早的实用机型是1962年美国AMF公司推出的“ERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。
我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：
70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用期。
在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。
在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力，由上海起，接着天津，吉林，哈尔滨，广州，昆明等十几个研究单位和院校分别开发了固定程序，结合式，液压伺服型同用机械手，并开始了机械学（包括步行机构）、计算机控制和应用技术的研究，这些机械手大约1/3用于生产。
经过80年代尤其是后5年的努力，吸引了160多个单位从事机械手及其相关技术的研究力量，形成了京津、东北、华东、华南等机械手技术地区和十几家优势单位，培养了一支2000多人的工业机械手设计，研制，应用队伍，造就了一批机械手专家，使我国工业机械手技术发展基本上可以立足于国内。
如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。
我国主要开发的机械手由喷涂机械手、焊接机械手、搬运机械手和装配机械手。
这些工业机械手主要有类似人的手和臂组成，它可替代人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门[5]。
为了适应现代化生产我们对机械手有如下要求：
（1）要降低机械手的成本，为了扩大机械手的使用范围，必须降低机械手制造的成本，据统计，机械手在电气控制装置中所占成本的比重较大;
（2）品种多样化，为了适应不同工作的需要，应使得机械手的品种多样化，用机械手代替更多的人的手工劳动，进而实现生产过程的自动化。
特别是那些工作比较单一、重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的工种，更应注意设计和使用各种类型的机械手;（3）零件、部件系列化、通用化、标准化，为了加速扩大机械手的应用领域，应尽量缩短其设计和制造周期。
这样，就要求机械手的某种零件、部件（如手部、臂部）系列化、通用化、标准化。
然后，即可根据工作的需要将这些零件、部件或在相应的增加一些其他零件、部件进行组合，组成需要的机械手。
当然，这样的机械手还应保证组合方便，一旦工作变更时，就能迅速而顺利的重新组合;（4）产品性能应准确可靠机械手的重要技术指标之一，就是其性能应稳定可靠。
为此，要求设计合理，元件稳定，制造精确。
目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提高。
由于发展时间较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其目前的发展趋势是：
扩大机械手在热加工行业上的应用。
目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，而在铸、锻、焊、热处理等，热加工以及装配作业等方面的应用较少。
因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。
同时，在其它行业和工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。
提高工业机械手的工作性能。
机械手工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。
机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。
因此要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。
发展组合式机械手。
从机械手本身的特点来说，可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新，多品种、小批量的要求，但是它的成本高，专用机械手价廉，但适用范围又受到限制。
因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计、专门加工，这样就提高了产品成本。
为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构设计成可以组合的型式。
组合式机械手是将一些通用部件（如手臂伸缩部件，升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部份根据作业的要求选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其业的要求选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。
它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系列化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，是一种有发展前途的机械手。
研制具有“视觉”和“触觉”所谓的“智能机器人”。
对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合，工业机械手很难代替人的劳动。
如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等，机械手不能自动分辨纠正，而只能停机，待人们排除意外事故后才能继续工作。
因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望使其具有“视觉”、“触觉”等功能，使之对物件进行判断、选择，能连续调节以适应变化的条件，这就需要一个能处理大量信息的计算机，要求人与机器“对话”进行信息交流。
这种带“视觉”、“触觉”反馈的，由计算机控制的，具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人"。
所谓“智能”是包括识别、学习、记忆、分析判断的功能。
而识别功能是通过“视觉”、“触觉”和“听觉”等感觉“器官”认识对象的。
具有感觉功能的机器人，其工作性能是比较完善的，能够准确地夹持任意方位的物件，判断物件重量，越过障碍物进行工作，自动测出夹紧力大小，并能自动调节，适用于从事复杂、精密的操作，如装配作业（国外研制的装配机器人，能将活塞装入间隙汉20微米的汽缸内），它有着一定的发展前途。
智能机器人是一种新兴的技术，对它的研究将涉及到电子技术、控制论、通讯技术、电视技术、空问机构和仿生机械学等学科。
它是当代自动控制技术的一个新兴的领域。
随着科学技术的发展，智能机器人将会代替人做更多的工作。
其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展[6]。
一.3PLC的发展现状
上世纪60年代末PLC产生于美国马萨诸塞州，MODICON084是世界上第一种投入生产的PLC。
PLC崛起于70年代，首先在汽车流水线上大量应用。
80年代PLC走向成熟，全面采用微电子处理器技术，得到大量推广应用，年销售始终以高于20%的增长率上升，奠定了其在工业控制中不可动摇的地位。
90年代，随着工控编程语言IEC61131-3的正式颁布，PLC开始了它的第三个发展时期，在技术上取得新的突破。
PLC在系统结构上，从传统的单机向多CPU和分布式及远程控制系统发展；在编程语言上，图形化和文本化语言的多样性，创造了更具表达控制要求、通信能力和文字处理的编程环境；从应用角度看，除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外，更发展了以PLC为基础的DCS系统、监控和数据采集系统（SCADA）、柔性制造系统（FMS）、安全连锁保护系统（ESD）等，全方位地提高了PLC的应用范围和水平。
21世纪PLC技术发展的几个特点：
（1）适应市场需要，加强PLC通信联网的信息处理能力。
在信息时代的今天，几乎所有PLC制造商都注意到了加强PLC通信联网的信息处理能力这一点。
小型PLC都有通信接口，中、大型PLC都有专门的通信模块。
随着计算机网络技术的飞速发展，PLC的通信联网能使其与PC和其它智能控制设备很方便地交换信息，实现分散控制和集中管理。
也就是说，用户需要PLC与PC更好地融合，通过PLC在软技术上协助改善被控过程的生产性能，在PLC这一级就可以加强信息处理能力。
例如，CONTEC与日本三菱电机公司（以下简称为三菱电机）合作，推出专门插在小Q系列PLC的机架上的PC机模块，该模块实际上就是一台可在工厂现场环境下正常运行，而且可通过PLC的内部总线与PLC的CPU模块交换数据的PC机。
其处理芯片采用IntelCeleron400M主频、系统内存128MB、Cache128K、支持外挂显示器，该模块内装WindowsNT4.0或Windows2000。
支持的软件有：
三菱综合F4软件，包括PLC编程软件GT、FA数据处理软件MX、人机界面画面设计软件GT、运动控制设计编程软件MT等。
最近，国外一些中、大型PLC制造商推出了一个机架上可以插多个CPU模块的结构，将PC机模块与PLC的CPU模块、过程控制CPU模块或运动控制模块同时插在一个机架上。
实际上就是将原来PLC要通过工厂自动化（FA）用PC机与管理计算机通信的三层结构改为PLC系统可直接与生产管理用的计算机的两层结构。
这样生产管理更加快捷方便。
小型PLC之间通信“傻瓜化”。
为了尽量减少PLC用户在通信编程方面的工作量，PLC制造商做了大量工作，使设备之间的通信自动地周期性的进行，而不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时作一些硬件或软件上初始化设置。
如欧姆龙公司的两台CPM1A之间一对一连接通信只需用三根导线将它们的RS-232C通信接口连在一起后将通信有关的参数写入5个指定的数据存储器中，即可方便地实现两台PLC之间的通信。
（2）PLC向开放性发展早期的PLC缺点之一是它的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，如专用总线、通信网络及协议、I/O模块更互不通用，甚至连机架、电源模板亦各不相同，编程语言之一的梯形图名称虽一致，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此，几乎各个公司的PLC均互不兼容。
目前，PLC在开放性方面已有实质性突破。
十多年前PLC被攻破的一个重要方面就是它的专有性，现在情况有了极大改观，不少大型PLC厂商在PLC系统结构上采用了各种工业标准，如IEC61131-3、IEEE802.3以太网、TCP/IP、UDP/IP等。
例如，AEGSchneider集团已开发以PLC机为基础，在Windows平台下，符合IEC61131-3国际标准的全新一代开放体系结构的PLC实现高度分散控制，开放度高。
高度分散控制是一种全新的工业控制结构，不但控制功能分散化，而且网络也分散化，所谓高度分散化控制，就是控制算法常驻在该控制功能的节点上，而不是常驻在PLC上或PC上，凡挂在网络节点上的设备，均处于同等的位置，将“智能”扩展到控制系统的各个环节，从传感器、变送器到I/O模块，乃至执行器，无处不采用微处理芯片，因而产生了智能分散系统（SDS）。
为了使PLC更具开放性和执行多任务，在一个PLC系统中同时装几个CPU模块，每个CPU模块都执行某一种任务。
例如三菱电机公司的小Q系列PLC可以在一个机架上插4个CPU模块，富士电机的MICREX-ST系列最多可在一个机架上插6个CPU模块，这些CPU模块可以进行专门的逻辑控制、顺序控制、运动控制和过程控制。
这些都是在Windows环境下执行PC机任务的模块，组成混合式的控制系统。
近几年，众多PLC厂商都开发了自己的模块型I/O或端子型I/O，而通信总线都符合IEC61131-3标准，这极大的增强了PLC的开放性。
创建开放的网络环境后，推出了能挂100M的高速以太网的WEB服务器模块，三菱电机公司小Q系列的QJ71WS96，横河电机FA-M3系列的F3WBM1-0T-S0；模块内的软件捆绑了目前常用的TCP/IP、UDP/IP等传输层和网络层规约，以及HTTP、FTP、SMTP、POP3等应用层规约，使PLC可直接进入因特网，成为不折不扣的WEB的PLC。
（3），PLC的体积小型化，运算速度高速化。
PLC小型化的好处是节省空间、降低成本、安装灵活。
目前一些大型PLC，其外形尺寸比他们前一代的同类产品的安装空间要小50%左右。
近几年，很多PLC厂商推出了超小型PLC，用于单机自动化或组成分布式控制系统。
称通用逻辑模块LOGO！
，它采用整体式结构，集成了控制功能、实时时钟和操作显示单元，可用面板上的小型液晶显示屏和6个键来编程。
LOGO！
超小型PLC使用功能模块图FBD编程语言，有在PC上运行的Windows98/NT编程软件。
三菱电机的超小型PLC叫简单应用控制器，简称α并有AL-PCS/win-C型VLS软件，是强有力且界面友好的编程工具。
松下电工的超小型PLC叫可选模式控制器。
德国金钟―默勒公司（MOELLER）的超小型PLC称控制继电器，简称easy。
运算速度高速化是PLC技术发展的重要特点，在硬件上，PLC的CPU模块采用32位的RISC芯片，使PLC的运算速度大为提高，一条基本指令的运算速度达到数十个纳秒（ns）。
三菱电机公司的ANA系列PLC最早使用32位的CPU模块，当今它的Q02H系列PLC的CPU模块也用了32位的RISC芯片，基本指令的执行时间为34ns；富士电机MICREX-SX系列PLC的CPU模块由于采用了32位RISC芯片后，其一条基本指令的运算时间为20ns。
PLC主机运算速度大大提高，与外设的数据交换速度也呈高速化。
大家知道，PLC的CPU模块通过系统总线与装插在基板上的各种I/O模块、特殊功能模块、通信模块等交换数据，基板上装的模块越多，PLC的CPU模块与那些模块之间的数据交换的时间就会增加，在一定程度上会使PLC的扫描时间加长，为此，不少PLC厂商采用新技术，增加PLC系统的带宽，使一次传输的数据量增多；在系统总线数据存取方式上，采用连续成组传送技术实现连续数据的高速批量传送，大大缩短了存取每个字所需的时间；通过向系统总线相连接的模块实现全局传送，即针对多个模块同时传送同一数据的技术，有效地活用系统总线。
当前，不少PLC厂商采用了多CPU芯片并行处理方式，用专门CPU处理编程及监控服务，大大减轻对执行控制程序的CPU芯片的影响，只让执行控制程序的CPU进行顺控和逻辑运算。
另外，为提高服务处理速度，缩短操作时间，采用高速的串行通信（最大波特率为115Kbps），并将UCB口（最大波特率为12Mbps）引入PLC的CPU模块，从而实现与编程工具及监控设备之间通信的高速化，并允许许多人同时使用这两个通信端口同时进行编程和调试程序。
（4）软PLC出现。
所谓软PLC，实际就是在PC机的平台上，在Windows操作环境下，用软件来实现PLC的功能，也就是说，软PLC是一种基于PC机开发结构的控制系统，它具有硬PLC的功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换全功能的PLC过程控制器。
软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期，可靠的操作和可连接各种I/O系统及网络的开放式结构。
软PLC具有硬PLC的功能，同时又提供了PC机环境的各种优点。
GEFanuc公司推出了一种外形类似笔记本电脑的PC以Windows为操作系统，可实现PLC的CPU模块的功能，通过以太网和I/O模块、通信模块用于工厂的现场控制。
在美国底特律汽车城，大多数汽车装配自动生产线、热处理工艺生产线等都已由传统PLC控制改为软件PLC控制，可以说，高性能价格比的软PLC将成为今后高档PLC的发展方向。
（5）PLC编程语言趋于标准化。
IEC61131是可编程控制器的国际标准，共有8个部分，从1992年开始陆续颁布实行。
IEC61131-3是PLC编程语言的标准，于1993年颁布实施。
IEC61131-8于2001年颁布实施，与IEC61131-3被称为PLC语言的实现导则。
IEC61131-3PLC编程语言国际标准是将现代软件概念和现代软件工程的机制与传统的PLC编程语言成功的结合，使它在工业控制领域的影响远远超出PLC的界限，已成为DCS、PC控制、运动控制以及SCADA的编程系统事实上的标准。
IEC61131-3规定了二大类编程语言：
文本化编程语言和图形化编程语言。
前者包括指令语句表语言（IL）和结构化文本化语言（ST），后者包括梯形图语言（LD）和功能块图语言（FBD）。
而顺序功能图（SFC）可以在梯形图语言中使用，也可以在指令语句表语言中使用。
IEC61131-3允许在同一个PLC中使用多种编程语言，也允许程序开发人员对一个特定的任务选择最合适的编程语言，还允许在同一个控制程序中其不同的软件模块用不同的编程语言编制，这一规
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