坐标式机械手控制系统设计.docx

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坐标式机械手控制系统设计

1.系统描述及控制要求

1.1系统描述

为了满足生产的需要，很多工业设备要求设置多种工作方式，例如手动放式和自动方式。

自动方式又分为自动返回原点、单步、单周期和连续等工作方式。

各种运行方式的含义如下：

手动运行：

用各自的按钮使各个负载单独接通或断开的方式。

回原点运行：

该方式下按回原点按钮时，机械自动向原点回归。

单步运行：

按一次起动按钮，前进一个工步（或工序）。

单周期运行：

在原点位置按起动按钮，自动运行一个周期后再在原点停止。

在中途按停止按钮时就停止运行，再按起动按钮则从断点处开始运行，完成之后原点自动停止。

连续运行：

在原点位置按起动按钮，开始连续的反复运行。

若中途按停止按钮，动作将继续到原点为止才停。

对一个控制系统来说，几种工作方式不能同时运行。

所以设计这类程序时，可以对几种工作方式的程序分别处理，最后再综合起来，这样可以简化程序设计。

本设计主要针对连续运行方式来进行机械手的设计。

1.2控制要求

本设计中的机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，其操作是将工件从左工作台搬运到右工作。

如图1.1是机械手的控制示意图，

图1.1机械手控制示意图

其控制要求为：

（1）动作顺序：

机械手从原点位置起始下移到A处下限位→从A处夹紧物体后上升至上限位→右移至右限位→机械手下降至B处下限位→将物体放置在B处后→上升至上限位→左移至左限位（原点）为一个循环。

（2）上限、A、B下限、左限、右限分别由限位开关控制；机械手设立即起动和停车开关。

（3）机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时，均应有状态显示。

（4）机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时，然后上升；机械手每到达一个位置均有0.5s的停顿延时，然后进行下一个动作。

（5）若机械手停止时不在原点位置，可通过手动开关分别控制机械手的上升和左移，使之回到原点。

（6）要求循环工作1小时时，判断机械手是否夹有物体，若没有，则立即自动停止工作并警铃报警；若夹有物体，则继续工作至物体放置到B位后自动停止工作并警铃报警。

2设计方案

2.1PLC的结构

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和可编程器组成。

PLC的特殊功能的模块来完成某些特殊的任务。

1）CPU模块CPU模块主要由微处理器、CPU芯片和储存器组成。

在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；储存器用来储存程序和数据。

2）I/O模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接受和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号;模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。

开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

CPU模块的工作电压一般是5V,而PLC外部的输入/输出电路的电源电压极高，例如DC24V或AC220V。

从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。

在I/O模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路。

I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。

3）编程器编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。

它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场的调试和维护。

使用编程软件可以在计算机屏幕上直接生产和编辑梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。

程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的应用程序上传到计算机。

程序可以存盘或打印，通过网络或电话线，还可以实现远程编程和输送。

4）电源PLC使用AC220V电源或DC24V电源。

内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电流。

小型PLC可以为输入电流和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般有用户提供。

2.2PLC的工作原理

由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。

PLC则是采用循环扫描的工作方式。

对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：

一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。

一个扫描周期主要可分为3个阶段。

输入刷新阶段：

在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。

完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。

在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。

程序执行阶段：

在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。

当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。

输出刷新阶段：

当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。

由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。

由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。

实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。

显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。

扫描周期越长，响应速度越慢。

由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。

但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。

这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。

但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。

总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意。

2.3机型的选择

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。

从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较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。

对于被控对象，采用PLC系统与采用其他形式的控制系统相比较，力求具有较高的性价比，使用和维修方便；选用的PLC主机和配置、控制功能等必须满足被控对象的各种控制要求；并且在满足需求的条件下留有一定的余量。

在此选用三菱的FX2N来做控制核心。

FX系列PLC是三菱公司近些年推出的高性能小型可编程控制器，具有较高的性能价格比，应用广泛。

2.4输入输出模块的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。

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

对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，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，与应用要求应一致。

可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。

2.5电源的选择

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，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。

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，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。

为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。

2.6存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，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。

需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。

选择PLC时，应考虑性能价格比。

考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。

输入输出点数对价格有直接影响。

每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。

当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。

在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

因此,据上所述需求并考虑预留的情况下应选用PLC类型为FX2N-32MR：

32点I/O接口，电源为220V。

3I/O分配表

根据系统要求，机械手传送系统输入和输出点分配表如表3.1所示：

输入

输出

启动按钮

X10

手动右移按钮

X20

夹紧/指示灯

Y0

停车按钮

X11

手动左移按钮

X21

放松/指示灯

Y1

上限开关

X12

手动上升按钮

X22

上升/指示灯

Y2

左上限开关

X13

手动左下按钮

X23

下降/指示灯

Y3

A下限开关

X14

手动右下按钮

X24

左移/指示灯

Y4

右上限开关

X15

——

——

右移/指示灯

Y5

B下限开关

X16

——

——

报警蜂鸣器

Y6

表3.1I/O分配表

4外部接线图

根据分配好的I/O点，设计出的I/O接线图如图4.1所示

图4.1I/O接线图

5梯形图

根据控制要求，得出机械手控制系统的控制梯形图如图5.1所示：

图5.1主程序梯形图

当按下启动按钮X10的时候Y3接通机械手开始往下，同时定时器T8接通。

当碰到下限位开关X14后机械手停止下降同时T0接通，0.5秒后Y0接通执行夹紧指令把A出的工件夹紧并停止1秒。

1秒后Y2接通机械手开始上升，碰到上限开关下下X12后机械手停止动作同时T2接通，0.5秒后Y5接通，机械手右移，碰到右上限行程开关X15后停止动作同时T3接通，0.5秒后Y3接通，机械手下移制行程开关X16处停止同时T4接通，0.5秒后Y1接通机械手放松工件到B出，同时T5接通，1秒后Y2接通，机械手上升至上限开关X14处停止，同时T6接通，0.5秒后Y4接通机械手左移，当机械手到达左上限位开关X13时机械手回到原点完成一个周期。

同时T7接通，因PLC是循环扫描工作方式所以0.5秒后机械手重复上一个周期的动作。

当发生故障使机械手停止的位置不在原点时可以通过手动按钮X20、X21、X22、X24来手动使机械手回到原点。

当机械手循环工作1小时后，判断机械手是否夹有物体，若没有，则立即自动停止工作并蜂鸣报警；若夹有物体，则继续工作至物体放置到B位后自动停止工作并蜂鸣报警。

机械手的报警子程序梯形图如图5.2所示

图5.2报警子程序梯形图

6系统调试

系统设计完成后我把我编译的梯形图拿到实验室进行了调试。

首先按已设计好的I/O接线图连接好线路，打开电源；然后将设计好的梯形图输入与PLC相连的电脑上，程序输完后，我按照以前做实验时老师教我们的步骤对输入的梯形图进行变换、写入PLC。

在检查无误后，打开PLC上的运行开关RUN运行程序，对系统进行调试。

在调试过程中，我遇到了很多在调试前没有发现的问题，最先遇到的问题就是我们把左上限开关和上限开关搞混了，误使上升和左移出现错误，并且有个别的开关书写错误。

经改正后发现系统只能连续运行不会因故障停止而可以手动回到原点，加了几条手动指令之后才满足要求。

为了能直接看到动作的过程我们特意给每个状态的继电器都并联了指示灯，这样一来我们就可以通过观察指示灯的状态来确定机械手工作状态是上升还是下降或者左移、右移或者加紧、放松。

刚开始我们不会编写报警程序，后来在老师和同学的帮助下才完成了此程序并学会了CJ跳转指令的应用。

报警电路我们是调用的子程序，为了调试程序的方便我们特意把一小时后的报警缩短了十倍这样便于程序的调试。

经过多次的监视及模拟后，在老师和同学的指导和帮助下，我慢慢的发现了所有问题所在，最终在一步步的修改完善后实现了机械手系统的控制要求。

设计心得

本次PLC的课程设计是对本学期的总结也是把理论应用与实践的结合，是培养我们发现问题、解决问题的能力，是激发我们内在创新意识的途径。

在此次课程设计中，我学到了许多平时课堂上学不到的东西，比如：

PLC的机型选择的方法、I/O接线的分配与设计等。

在设计过程中我还遇到了许多难以解决的问题，并为之投入了大量的时间和精力。

尽管这次设计中我还不能做到尽善尽美，一些内容还有待于进一步的研究，但为了这次课程设计，我提前翻阅了很多资料，特别是了解很多有关PLC的书籍，这给我以后再学习PLC课程打下了基础，也开拓了我的视野。

在设计中我遇到了很多困难，也让我对一些生疏的知识有了更深刻的了解。

虽然设计中的困难使我很是头疼，但通过自己的不懈努力和同学的大力帮助，最终还是一点点地克服了困难。

本次课程设计使我真正了解到了实践与理论结合的重要性，以前总是在头脑中产生一种想法，却从没有机会去认真地做它们，以至不知道结果是行通还是行不通，但通过这一周的课程设计终于可以使我独立地去完成一个项目，虽然结果难免有不足之处，但毕竟是亲自动手去做的，收获是可想而知的。

参考文献

（1）钟肇新《可编程控制器原理及应用》 广州华南理大学出版社，2003

（2）谢克明《可编程控制器原理与程序设计》北京电子工业出版社，2002

（3）李乃夫《可编程控制器原理、应用、实验》北京 中国轻工业出版社，2003

（4）常晓玲《电气控制系统与可编程控制器 》北京 机械工业出版社，2004

（5）章文浩《可编程控制器原理及实验》北京国防工业出版社，2003

（6）吴跃东《电气控制与可编程控制器》北京人民邮电出版社，2007

（7）赵化启《电气控制与可编程控制器》北京电子工业出版社，2009

（8）张华龙《图解PLC与电气控制入门》北京人民邮电出版社，2008

（9）范次猛《可编程控制器原理与应用》北京人民邮电出版社，2008

（10）田瑞庭《可编程控制器应用技术》北京机械工业出版社，2008