基于PLC的机械手控制系统Word格式.docx

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机械手广泛地应用于锻于冲压、锻造、焊接、装配、机加、热处理等各个行业。

特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等生产环境比较恶劣的情况，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。

总之，机械手是改善劳动条件，提高劳动生产率，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。

国内外都十分重视它的应用和发展。

可编程序控制器（PLC）是专为工业环境而设计的实时工业控制装置。

随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了不错的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一。

由于自动化可以节省大量的人力、物力，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，比如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。

机械手在美国、加拿大等国家应用的比较多，比如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上的智能机器人等。

我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。

本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。

通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。

第1章概述

1.1机械手简介

机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它不仅可代替人的繁重体力劳动以实现生产的机械化和自动化，而且还能在有害环境下代替人操作，从而保护人的身体安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等方面。

1.1.1机械手分类

机械手按驱动方式分类可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；

按适用范围分类，可分为专用机械手和通用机械手两种；

按运动轨迹控制方式分类，可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常是机床或其他机器的附加装置，比如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

而有些操作需要由人直接操纵，比如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手，这种操作手也常称为机械手。

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。

近年来，随着电子技术广泛应用，机器人的研制和生产已成为高新技术领域的一门新兴技术，而且发展迅速，使得机械手的发展得到了促进，能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

1.1.2机械手的特点

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它还是具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多行业的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

1.机床加工工件的装卸；

2.在装配作业中应用广泛，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；

3.可以代替人在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作；

4.可代替人在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等；

5.还有宇宙及海洋的开发；

6.军事工程及生物医学方面的研究和试验。

1.1.3机械手的构成

机械手简述：

机械手的形式是多种多样的，有的简单，有的复杂，但基本的组成形式是相同的，一般都是由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

1.执行机构

机械手的执行机构是由手、手腕、手臂、支柱组成。

手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，能完成人手的类似动作。

手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。

简单的机械手一般没有手腕。

支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。

2.传动系统

常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

3.控制系统

机械手控制系统是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路等便可实现对传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作。

动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。

1.2机械手的控制方式的选择

1.2.1传统继电器方式

传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少一些，目前仅在一些旧式的、简单的工业设备中还有一定市场，但该控制方式却有以下致命缺陷：

1.仅适合于简单的逻辑控制；

2.仅适合特殊的工程项目，而没有通用性；

3.没有改动和优化的可能性。

1.2.2PLC控制方式

伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，计算机控制方式具有以下两个特点：

1.硬件上至少有一个微处理器；

2.通过软件实现控制思想。

目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有：

1.可编程序逻辑控制器（PLC）；

2.工业控制计算机（IPC）；

3.集散控制系统（DCS）。

这次设计，就选用PLC控制方式。

1.3课题的研究内容

本课题主要研究的是基于PLC的机械手控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。

通过设计编制PLC程序实现机械手控制系统的自动控制。

通过本次课题的设计，了解PLC的基本结构、工作原理和PLC机型的选择，进而了解西门子S-200系列PLC的系统控制流程图、I/O地址、程序的编写及调试。

第2章可编程控制器简介

2.1PLC简介

PLC是一种专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

2.2PLC的特点

PLC是实现工业自动化控制的重要支柱之一，其主要特点为：

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由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器电路系统相比，电气接线接点已减少到数百甚至数千分之一，所以故障也就大大降低。

此外，PLC还带有硬件故障自我检测功能，故障出现时可及时发出警报信息。

2.配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经有了大、中、小各种规模的系列化产品，满足不同用处。

PLC除了逻辑处理功能以外，还具有完善的数据运算能力，可应用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、压力控制等各种工业控制中。

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。

3.易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

所以它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图的图形符号与表达方式和普通继电器电路图十分接近，只用少量开关量逻辑控制指令就可以快速的实现继电器电路的功能。

4.系统的设计、建造工作量小

PLC可以减少了控制设备外部的接线接点，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是经过改变PLC的程序就能改变生产过程。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

5.体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

2.3PLC的基本结构

PLC是一种工业控制用的专用计算机，是计算机技术与继电-接触器控制电路相结合的产物，因而它与工业控制对象有非常强的接口能力。

PLC本质是一台适合于工业控制的微型计算机，其基本结构和组成也具备一般微型计算机的特点；

以中央处理单元为核心，在系统程序（相当于操作系统）的管理下运行。

PLC与控制对象的接口由专门的I/O接口来完成，还需要配备电源及其他专用功能模块。

PLC的基本组成部件如图2-1所示。

图2-1PLC硬件的基本结构图

1.中央处理单元

中央处理单元是PLC的控制中枢。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区,再从用户程序存储器中逐条读取用户程序，然后按照规定执行逻辑或算术运算等任务。

并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

当用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，循环运行，直到停止运行为止。

2.存储器单元

与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。

PLC的软件分为两部分:

系统软件和应用软件。

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

虽然大、中、小型PLC的CPU的最大可寻址存储空间都相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。

（1）系统程序存储区

在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。

它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、系统诊断程序等。

由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。

它和硬件一起决定了该PLC的各项功能。

（2）系统RAM存储区

系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备（例如：

逻辑线圈、数据寄存器、计时器、变址寄存器、累加器等）存储区。

（3）用户程序存储区

用户程序存储区存放用户编制的用户程序。

不同类型的PLC其存储容量各不相同，一般来说，随着PLC机型增大其存储容量也相应增大。

不过对于新型的PLC，其存储容量可根据用户的需要而改变。

3.PLC电源

电源在整个系统中起着十分重要的作用，无论什么设备都需要电源。

所有PLC，其电源的性能都是一样的，就是对PLC内部的所有器件提供一个稳定的直流电源。

一般交流电压波动在正负10%（15%）之间，因此可以直接将PLC接入到交流电网上去。

可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。

2.4PLC的工作原理

可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。

在运行（RUN）状态下，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。

图2-2PLC原理图

除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，如图2-2所示。

PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

在内部处理联合阶段。

可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

在通信服务阶段。

PLC与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。

当PLC处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。

可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作。

在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入和输出信号的状态，它们分别称为输入和输出映像寄存器。

PLC梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。

在输入处理阶段，PLC把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。

外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。

外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。

在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。

PLC的用户程序是由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。

在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。

指令执行时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来，然后根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容是随着程序的执行而变化的。

在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。

梯形图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器的状态为“1”。

信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。

若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器的状态为“0”，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。

PLC在RUN工作状态时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1~100ms。

指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度大有关系。

当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。

不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。

如图2-3所示：

图2-3PLC的扫描运行方式

1.输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描的方式依次读入所有的数据和状态，然后将它们存入I/O映象区的相应单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。

如果输入是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2.用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC的CPU总是按照由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。

并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。

确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

3.输出刷新阶段

在输出刷新阶段，CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态来刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外部设备。

这时才是PLC真正的输出。

4.输入/输出滞后时间

输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由因扫描工作方式、输入电路滤波时间和输出电路的滞后时间三部分组成。

输入模块的CPU滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰，从而消除因外接输入触点动作产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。

输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；

负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；

双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为1ms；

晶体管型输出电路的滞后时间约为1ms。

由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个扫描周期。

PLC总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的。

要求输入-输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。

2.5PLC机型的选择

1.PLC的分类

PLC按结构可分为整体式和模块式，按应用环境可分为现场安装和控制室安装；

按CPU字长可分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。

从应用角的度出发，通常可按控制功能和输入输出点数选择PLC的类型。

整体式PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，可用于小型控制系统；

模块式PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可根据情况合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

2.输入输出模块的选择

输入-输出模块的选择应考虑是否与实际应用的要求统一。

例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等要求。

对输出模块，应考虑输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、寿命短、响应时间较长、使用电压范围广等特点；

可控硅输出模块适用于开关频繁，低功率因数负荷场合，其缺点是价格较贵，过载能力较差。

输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等。

用户可根据需要，合理选用输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。

还需要考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。

3.电源的选择

PLC的供电电源，引进PLC应根据产品说明书设计要求和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。

在重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。

如果PLC本身带有可使用电源时，还应核对提供的电流是否满足要求，否则就应该设计外接供电电源。

为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，还应该考虑对输入和输出信号的隔离。

4.存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的不断发展，存储器的价格在不断降低，所以为保证设备的正常运转，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。

如果需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。

2.6PLC的应用

自1969年针对工业自动控制的特点和需要而开发的第一台PLC问世以来，到今天已经30多年了,它的发展虽然包含了对前期控制技术的继承和演变，但又比同于顺序控制器和通用的微机控制装置。

它充分利用微机处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求的同时，也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础地编程语言和模块化地软件结构，使用程序地编制清晰直观、方便易学。

用户买到所需的PLC后，只需根据说明书上的提示，做少量地安装接线和用户程序地编制工作，就可以灵活地将PLC应用于生产实践。

而且用户程序的编制、修改和调试不需要具有专业的计算机编程语言知识就可以实现。

PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术之一。

PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性高、逻辑功能强、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、能对模拟量进行控制，具备高速计数与位控等性能模块等特点，慢慢取代了由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电-接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、电力、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。

PLC应用深度和广度已经成为一个国家工业先进的重要标志之一。

第3章机械手控制系统设计

3.1机械手控制要求

机械手的主要任务是将传送带A上的物件搬运到传送带B上。

1.开始工作时机械手在原点（在传送带B上）；