利用PLC实现机械手的设计.docx
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利用PLC实现机械手的设计
摘要
可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合机械手控制的要求。
本设计主要利用PLC实现机械手的设计，其中就机械手，进行设计，操作系统包括回原点程序，单步操作程序，自动操作程序和单双轨道选择程序，然后按要求对机械手的程序进行设计，画出梯形图，并根据梯形图写出了指令。
通过对电气工程及其自动化专业所学知识进行整合，设计了机械手通过PLC系统来编写程序控制机械手的运行轨迹。
关键词：
PLC,机械手,梯形图
Abstract
ProgrammableLogicController（PLC）isakindofautomaticcontr-olequipmentwhichiswidelyusedintheindustrialmanufacture.Itmergesthetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologieswithastrongabilitytocontrol,flexibleoperation,highreliabilityandsuitableforlong-termcharacteristicsofcontinuouswork.Itisverysuitableformechanicalhandcontrolrequirements.
ThisdesignmainlyimplementmanipulatorbasedonPLC.Thispaperintroducesthedesignofthemanipulator.Operatingsystemincludesbacktotheoriginprogram，stepoperatingprocedures,automaticoperationprogram，singleanddoubletrackselection.ThenIdesignedthemanipulator,drawtheladderdiagramaccordingtotherequirementsofprocedure,andaccordingtotheladderdiagram,Iwritetheinstructions.
Byintegratingknowledgeinelectricalengineeringanditsautomation,IdesignedamanipulatorcontrolledbyPLCsystemtowritetheprogramtrajectoryofthemanipulator.
Keywords:
PLC,mechanicalhand,ladderdiagram
5.1.1PLC程序设计的基本要求36
1绪论
1.1课题研究背景
在现代生产制造工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。
连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。
但除切削加工本身外，还有大量的装卸、运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。
机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。
自上世纪六十年代，PLC设计的机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线，他是一门迅速发展起来的新兴技术。
目前机械手虽然还不如人手那样灵活，但是他具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，因此，机械手越来越广泛地得到应用。
1.2机械手控制系统的现状
可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。
它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。
近20年来,气动技术的应用领域迅速拓宽,尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。
电气可编程控制技术与气动技术相结合,使整个系统自动化程度更高,控制方式更灵活,性能更加可靠;气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展,对气动技术提出了更多更高的要求;微电子技术的引入,促进了电气比例伺服技术的发展,现代控制理论的发展,使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制,控制精度不断提高;由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点,国内外都在大力开发研究。
从各国的行业统计资料来看,近30多年来,气动行业发展很快。
20世纪70年代,液压与气动元件的产值比约为9∶1,而30多年后的今天,在工业技术发达的欧美、日本等国家,该比例已达到6∶4,甚至接近5∶5。
我国的气动行业起步较晚,但发展较快。
从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20%以上,高于中国机械工业产值平均年递增率。
随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用,气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。
1.3本文的研究内容
本文以PLC机械手控制为例，对机械手控制系统进行设计。
1）介绍了机械手控制研究背景及发展现状；
2）简单概述可编程控制器的产生及其优点；
3）分析机械手系统的步骤流程，提出控制系统的总体设计方案;
4）采用PLC和触摸屏表完成系统硬件设计；编写PLC控制程序，实现系统的自动控制。
2可编程控制器的概述
随着计算机技术、通信技术、自动控制技术，以及各种智能技术的迅速发展，出现了多种实用的控制技术，如继电器控制技术、计算机控制技术、单片机控制技术及PLC控制技术等，每种控制技术有各自的优缺点和应用领域。
本设计采用PLC来实现机械手的控制。
2.1可编程控制器的产生
可编程序控制器简称ＰＬＣ,它是一种数字运算电子系统，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。
它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程的自动控制中。
20世纪60年代末期，随着汽车供求市场的发展，美国汽车制造业工业出现了激烈的竞争，为了适应生产工艺不断更新的需求，GM（美国通用汽车公司）公开招标：
开发一种以计算机为基础的、采用程序代替硬件接线方式的、可以进行大规模生产线流程控制的系统。
1969年美国数字设备公司根据以上要求，研制出世界上第一台可编程控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动控制，从此开辟可编程控制器的新纪元。
刚问世的PLC可以说是继电器控制装置的替代产品，由于当时的元器件及计算机发展水平有限，所以早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，它的存储器采用磁芯存储器，具有基本的逻辑控制及定时、计数功能，主要用于单一工序的自动控制。
70年代初，微处理器出现以后，便在可编程控制器中得到应用，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具计算机特征的工业控制装置。
编程语言是和继电器电路图类似的梯形图。
70年代中末期，计算机技术的全面引入使PLC的功能发生了巨大的飞跃。
不仅运算速度快，体积小、工业抗干扰能力强，而且具有了模拟量运算、PID功能，从而PLC进入实用化发展阶段。
80年代以后，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片，使PLC在模拟量控制、数字运算、人机接口和网络等方面都得到大幅度提高，这一阶段的PLC逐渐进入过程控制领域，在某些方面取代了过程控制领域处于统治地位的DCS系统，奠定了在工业控制中不可动摇的地位。
20世纪末期，可编程控制器诞生了各种各样的特殊功能单元，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
就整体而言，不论是硬件还是系统软件都正在向标准化方向发展。
2.2可编程控制器的基本组成
1．CPU运算和控制中心起“心脏”作用。
纵：
当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。
横：
输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。
组成：
CPU由控制器、运算器和寄存器组成。
这些电路集成在一个芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
2．存储器。
具有记忆功能的半导体电路。
分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
用户存储器：
分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器（RAM）组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。
3．输入/输出模块。
输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。
PLC提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的I/O模块，有各种功能的I/O模块供拥护选用。
按I/O点数确定模块的规格和数量，I/O模块可多可少，但其最大数受PLC所能管理的配置能力，即底版的限制。
PLC还提供了各种各样的特殊的I/O模块，如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用型或智能型模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。
智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器及与PLC系统总线相连接的接口。
4．编程装置。
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参基于PLC和组态王的电炉温度控制系统设计数等。
常见的编程器有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PLC的专用编程软件。
目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。
5．电源。
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。
PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。
2.3可编程控制器的特点
1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC专为工业控制设计的，在设计和制造过程中采用严格的生产工艺制造，在硬件和软件上都采用了许多抗干扰的措施：
如屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等；同时PLC是以集成电路为基本元件的电子设备，没有真正的接点，元件的使用寿命长；这些都大大提高了PLC的可靠性和抗干扰性。
2）编程简单、易学
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，所以它采用了大多数技术人员熟悉的梯形图语言，梯形图语言与继电器原理相似，形象直观，易学易懂。
3）功能完善
PLC发展到今天，除了具有模拟和数字量输入/输出、逻辑运算和定时、计数、数据处理、通信等功能外，还可以实现顺序、位置和过程控制。
4）通用性强
目前PLC的产品已经标准化、系列化、模块化，具有各种数字式、模拟量的输入/输出接口，用户可以根据需求灵活的对系统进行控制；再加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
5）设计、安装、调试工作量小，维护方便
在传统的继电器控制系统中，逻辑控制功能是通过导线来实现的，要改变控制功能必须改变导线的接线方式。
PLC用软件取代了继电器控制系统中各种功能的继电器，内部不需接线和焊接，只要进行外部接线和程序编写就可以了，通过执行存储器中的程序实现系统的控制要求。
6）体积小，能耗低
对于一些复杂的控制系统，使用PLC后，大量减少了中间和时间继电器的使用，大大缩小了控制系统的体积，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.3.1PLC控制与继电器控制的区别
在PLC的编程语言中，梯形图是用得最多的语言。
PLC的梯形图与继电器控制线路图比较相似，信号的输入/输出形式及控制功能也相同，但PLC的控制与继电器的控制又有不同之处，主要体现在以下几个方面。
1）控制逻辑：
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触头的串联或并联以及时间继电器的延时等组合成控制逻辑。
其缺点是接线复杂，增加或改变功能都非常困难，继电器触头数目也有限。
而PLC利用其内部存储器，以程序方式将控制逻辑存储在内存中，通过改变程序就可以很方便的改变控制逻辑，另外，软继电器触头数一般都非常多，因此PLC控制逻辑的灵活性和扩展性都很好。
2）控制速度：
继电器控制是通过继电器机械触头的动作来实现，触头的开闭动作一般在几十毫秒数量级。
而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制逻辑，一般一条指令的执行时间在微秒数量级。
3）限时控制：
继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制，但其定时精度不高，易受环境影响，调整比较困难。
PLC使用半导体集成电路定时器，定时精度高，定时范围可从0.001s到若干分钟，通过编写程序来进行定时控制，非常方便。
4）计数控制：
继电器控制逻辑一般不具备计数的功能，而PLC能通过程序方便的实现计数功能。
5）可靠性和可维护性：
继电器控制逻辑使用了大量的机械触头，触头开闭时产生的电弧容易损坏触点，因此可靠性和可维护性都比较差。
而PLC采用无触点的半导体电路来代替继电器触点，因而不存在上述缺陷。
PLC还带有自检功能，为现场的调试和维护提供了方便。
6）价格：
继电器控制逻辑多使用机械开关、继电器等，功能简单，价格比较便宜。
而PLC多使用集成电路，价格相对比较昂贵。
2.3.2PLC控制和通用计算机控制区别
PLC是专门为工业控制环境而设计的，而通用计算机是专门为科学计算和数据处理等而设计的，两者采用的都是计算机结构，但两者设计的出发点不同，因此也存在许多的差异，主要体现在以下几个方面。
1）应用范围：
通用计算机除了应用在控制领域外，还大量应用在科学计算、数据处理、计算机通信等方面。
而PLC主要用于工业控制领域。
2）使用环境：
通用计算机对环境要求高。
而PLC能适用于环境差的工业现场。
3）程序设计：
通用计算机具有丰富的程序设计语言，如汇编语言、C语言等，能实现复杂的应用，对编程者要求高。
而PLC能提供的编程语言少，逻辑简单，容易学习和使用。
4）运算速度和存储容量：
随着各种电子技术的发展，通用计算机运算速度越来越快，一般在微秒级，存储容量也在增大。
而PLC相对通用计算机运算速度要慢，其编程的软件少，编程简短，内存容量也很小。
5）价格：
通用计算机功能多，硬件复杂，而PLC相对功能单一，因此在价格上一般PLC要比通用计算机便宜。
2.3.3PLC控制与单片机控制区别
单片机控制技术一般用于数据采集和工业控制，单片机在配置上比通用计算机简单，价格上相对便宜，但它和通用计算机一样，也不是专门为工业现场控制所设计的。
与通用计算机一样，单片机编程复杂、不易掌握，需要处理大量I/O接口，其输出口驱动负载能力较弱，要驱动工业负载需要复杂的外围电路。
单片机控制技术的突出优点在于它具有较强的数据处理能力，但工业控制过程要处理的是大量的开关量，因而运用在工业现场控制中单片机的长处得不到发挥，其可靠性也远不如PLC。
一般单片机控制技术仅使用于比较简单的工业控制过程和数据处理能力要求比较高的场合。
PLC控制技术与单片机控制技术相比较而言，更适合于工业现场过程控制，但其数据处理能力不如后者。
所以二者各有所长，不能互相替代。
由此可见，随着PLC的成本降低及数据处理能力的增强，在工业现场控制方面，PLC控制技术面对其他的控制技术的挑战将会一直具有自身的优势。
因此，掌握PLC控制技术对于工业控制技术人员来说是必不可少的技能之一。
3.触摸屏的概述
触摸屏（touchscreen）又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。
触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。
主要应用于公共信息的查询、领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。
3.1触摸屏的特性
触摸屏的第一个特性：
透明，它直接影响到触摸屏的视觉效果。
透明有透明的程度问题，红外线技术触摸屏和表面声波触摸屏只隔了一层纯玻璃，透明可算佼佼者，其它触摸屏这点就要好好推敲一番，“透明”，在触摸屏行业里，只是个非常泛泛的概念，很多触摸屏是多层的复合薄膜，仅用透明一点来概括它的视觉效果是不够的，它应该至少包括四个特性：
透明度、色彩失真度、反光性和清晰度，还能再分，比如反光程度包括镜面反光程度和衍射反光程度，只不过触摸屏表面衍射反光还没到达CD盘的程度，对用户而言，这四个度量已经基本够了。
触摸屏的第二个特性：
触摸屏是绝对坐标系统，要选哪就直接点那，与鼠标这类相对定位系统的本质区别是一次到位的直观性。
绝对坐标系的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，触摸屏在物理上是一套独立的坐标定位系统，每次触摸的数据通过校准数据转为屏幕上的坐标，这样，就要求触摸屏这套坐标不管在什么情况下，同一点的输出数据是稳定的，如果不稳定，那么这触摸屏就不能保证绝对坐标定位，点不准，这就是触摸屏最怕的问题：
漂移。
技术原理上凡是不能保证同一点触摸每一次采样数据相同的触摸屏都免不了漂移这个问题，目前有漂移现象的只有电容触摸屏。
触摸屏的第三个特性：
检测触摸并定位，各种触摸屏技术都是依靠各自的传感器来工作的，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。
各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。
4.机械手控制系统的硬件设计
4.1机械手的原理及流程图
1）机械手在原点位置时动作，按下启动按钮机械手下降到下限位置，状态开关动作，下降停止，机械手夹紧工件。
2）机械手上升至上限位置，状态开关动作，上升停止。
3）机械手左旋（右旋）45度，至前（后）限，状态开关动作，旋转停止。
4）机械手左（右）移到左（右）限，状态开关动作，移动停止。
5）机械手下降至下限位置，状态开关动作，下降停止，机械手放松工件。
6）机械手回原点，一个人工作循环完成。
机械手可自动操作，手动单步操作，可选择单双轨道运行。
4.2控制系统的硬件选型
4.2.1可编程控制器
本系统采用三菱公司的FX2N型FX2N-64MR可编程控制器。
FX2N系列是FX家族中功能最强、速度最高的微型PLC。
FX2N基本单位有16/32/48/64/80/128点，六个基本FX2N单元中的每一个单元都可以通过I/O扩展单元扩充为256I/O点。
它的基本指令执行时间高达0.08s。
内置的用户存储器为8K步，有多种特殊功能模块和功能扩展板，可以实现多轴定位控制。
机内有时钟，PID指令用于模拟量闭环控制。
有功能很强的数学指令集，例如浮点数运算、开平方和三角函数等。
每个FX2N基本单元可以扩展8个特殊单元。
FX2N系列PLC具有丰富的元件资源，有3072点辅助继电器。
提供了多种特殊功能模块，可实现过程控制位置控制。
有多种RS—232C/RS—422/RS—485串行通信模块或功能扩展板支持网络通信。
基本单元是构成PLC系统的核心部件，内有CPU、存储器、I/O模块、通信接口和扩展接口等。
FX2N-64MR是继电器输出的，具有32个输出点数和32个输入点数，总共64个输入输出点数的基本模块。
的主要硬件性能指标主要包括一般技术指标，输入技术指标，输出技术指标，电源技术指标。
主要软件指标包括运行防止，运算速度，程序容量，编程语言，指令的类型和数量以及编程器件的种类和数量等。
4.2.2模数转换模块
在现代工程控制项目中，仅仅用PLC自身的功能，还不能完全解决问题。
因此，PLC生产厂家开发了许多特殊功能模块。
如模拟量输入输出模块。
有了这个模块，就能解决工业控制中对模拟量转换为数字量的问题了。
本系统中使用了FX2N-4AD模数转换模块，现在对其做简单介绍。
FX2N-4AD模拟特殊模块有四个输入通道。
输入通道接收模拟信号并将其转换成数字量，这称为A/D转换。
FX2N-4AD最大分辨率是12位。
fx2n-4ad
●基于电压或电流的输入/输出的选择通过用户配线来完成，可选用的模拟值范围是-10V到10VDC（分辨率5mV）,并且/或者4到20mA,-20到20mA（分辨率：
20μA）.
●FX2N-4AD和FX2N主单元之间通过缓冲存储器交换数据，FX2N-4AD共有32个缓冲存储器（每个16位）.
●FX2N-4AD占用FX2N扩展总路线的8个点.这8点可以分配成输入或输出.FX2N-4AD消耗FX2N主单元成有源扩展单元5V电源糟30mA的电流。
电路接线
FX2n-4AD通过扩展电缆与PLC主机相连，四个通道的外部连接则根据外部输入电压或电流量的不同而不同。
应注意以下几点：
1.外部输入为电压量信号,则将信号的+、-极分别与模块V+和VI-相连
2.若外部输入为电流量信号,则需要把V+和I+相连。
3.如有过多的干扰信号，应将系统机壳的FG端与FX2n-4AD的接地端相连。
FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列之一。
由于FX2n系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
4.2.3触摸屏
选用ＧＴ１０００型触摸屏
触摸屏的优点：
1.操作盘面积减小；
2.触摸屏操作简便；
3.彩色图表的显示，提高了可视性；
4.具有报警记录/印刷、处方功能、声音输出、摄像显示等多种附加功能；
5.维护方便；
GOT1000系列的优点：
1.超薄，工厂中最薄的尺寸为缩小面板的尺寸提供了强有力的支持，23mm（GT1020）53mm（GT115*）56mm（GT15
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