基于PLC的机械手控制系统设计.docx

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基于PLC的机械手控制系统设计

摘要…………………………………………………………………………………………Ⅰ

ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ

附录

第1章绪论

随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。

由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化地结合。

机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

机械手的广泛使用，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

1.1课题背景

可编程控制器（简称PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。

实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

可以预料：

在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工业机械手是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界围的PLC控制器年增长率保持为20%～30%。

随着工厂自动化程度的不断提高和PLC控制器市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。

但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。

综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。

近10年来，随着PLC控制器价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC控制器进行控制，PLC控制器在我国的应用增长十分迅速。

随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期PLC控制器在我国仍将保持高速增长势头。

1.2研究目的及意义

二十一世纪，PLC控制器会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求.PLC控制器是一种专门为在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。

PLC控制器已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。

随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。

它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。

适应工业需要，本课题试图开发PLC对物料分拣机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。

采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。

1.3国外研究现状

目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。

如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。

现在，世界上有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。

其中，美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。

欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司。

日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，国的三星（SAMSUNG）、LG等，这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额。

经过多年的发展，国PLC生产厂家约有三十家，国PLC应用市场仍然以国外产品为主。

国公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势，如：

需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势。

二十世纪四十年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。

50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、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。

机械手主要由手部和运动机构组成。

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的动作，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，需有6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。

一般专用机械手有2～3个自由度。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用围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可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，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。

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

第2章方案设计

对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、PLC控制等。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

可以预料：

在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。

由于此明确指定采用PLC可编程控制器控制实现，所以，不用我们去考虑控制硬件方案，只是要对PLC进行比较选择。

2.1PLC的分类

1、按控制规模分

  控制规模主要指控制开关量的入、出点数及控制模拟量的模入、模出，或两者兼而有之（闭路系统）的路数。

但主要以开关量计。

模拟量的路数可折算成开关量的点，大致一路相当于8～16点。

  依这个点数，PLC大致可分为微型机、小型机、中型机及大型机、超大型机。

  微型机控制点仅几十点，如德维森公司的V80系列PLC本体从16点到40点，OMRON公司的CPM1A系列PLC，西门子的Logo仅10点。

  小型机控制点可达100多点。

如如德维森公司的V80系列PLC可扩展到256点，OMRON公司的C60P可达148点，CQM1达256点。

德国西门子公司的S7-200机可达64点。

  中型机控制点数可达近500点，以至于千点。

如德维森公司的PPC11系列可扩展到1024点，OMRON公司C200H机普通配置最多可达700多点，C200Ha机则可达1000多点。

德国西门子公司的S7300机最多可达512点。

  大型机：

控制点数一般在1000点以上。

如如德维森公司的PPC22系列可扩展到2048点，OMRON公司的C1000H、CV1000，当地配置可达1024点。

C2000H、CV2000当地配置可达2048点。

  超大型机：

控制点数可达万点，以至于几万点。

如美国GE公司的90－70机，其点数可达24000点，另外还可有8000路的模拟量。

再如美国莫迪康公司的PC－E984--785机，其开关量具总数为32k（32768），模拟量有2048路。

西门子的SS－115U－CPU945，其开关量总点数可达8k，另外还可有512路模拟量。

等等。

  以上这种划分是不严格的，只是大致的，目的是便于系统的配置及使用。

  一般讲，根据实际的I/O点数，凡落在上述不同围者，选用相应的机型，性能价格比必然要高；相反，肯定要差些。

  自然，也有特殊情况。

如控制点数不是非常之多，不是非用大型机不可，但因大型机的特殊控制单元多，可进行热备配置，因而采用了大型机。

2、按结构划分

  PLC可分为箱体式及模块式两大类。

微型机、小型机多为箱体式的，但从发展趋势看，小型机也逐渐发展成模块式的了。

如OMRON公司，原来小型机都是箱体式，现在的CQM1则为模块式的。

  箱体的PLC把电源、CPU、存、I/O系统都集成在一个小箱体。

一个主机箱体就是一台完整的PLC，就可用以实现控制。

控制点数不符需要，可再接扩展箱体，由主箱体及若干扩展箱体组成较大的系统，以实现对较多点数的控制。

  模块式的PLC是按功能分成若干模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。

大型机的模块功能更单一一些，因而模块的种类也相对多些。

这也可说是趋势。

目前一些中型机，其模块的功能也趋于单一，种类也在增乡。

如同样OMRON公司C20系列PLC，H机的CPU单元就含有电源，而Ha机则把电源分出，有单独的电源模块。

  模块功能更单一、品种更多，可便于系统配置，使PLC更能物尽其用，达到更高的使用效益。

  由模块联结成系统有三种方法：

  ①无底板，靠模块间接口直接相联，然后再固定到相应导轨上。

德维森公司的V80系列PLC就是这种结构，比较紧凑。

  ②有底板，所有模块都固定在底板上。

如德维森公司的PPC11、PPC22和PPC31系列PLC，OMRON公司的C200Ha机，CV2000等中、大型机就是这种结构。

它比较牢固，但底板的槽数是固定的，如3、5、8、10槽等等。

槽数与实际的模块数不一定相等，配置时难免有空槽。

这既浪费，又多占空间，还得占空单元把多余的槽作填补。

  ③用机架代替底板，所有模块都固定在机架上。

这种结构比底板式的复杂，但更牢靠。

一些特大型的PLC用的多为这种结构。

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3、按生产厂家分

  目前生产PLC的厂家较多。

但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。

较有影响的，在中国市场占有较大份额的公司有：

  德国西门子公司：

它有S5系列的产品。

有S5－95U、100U、115U、135U及155U。

135U、155U为大型机，控制点数可达6000多点，模拟量可达300多路。

最近还推出S7系列机，有S7-200（小型）、S7-300（中型）及S7-400机（大型）。

性能比S5大有提高。

  日本OMRON公司：

它有CPM1A型机，P型机，H型机，CQM1、CVM、CV型机，Ha型、F型机等，大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面更具特长，在中国及世界市场，都占有相当的份额。

  日本三菱公司的PLC也是较早推到我国来的。

其小型机F1前期在国用得很多，后又推出FX2机，性能有很大提高。

它的中、大型机为A系列。

AIS、AZC、A3A等。

  日本日立公司也生产PLC，其E系列为箱体式的。

基本箱体有E-20、E-28、E－40、E－64。

其I/O点数分别为12/8、16/12、24/16及40/24。

另外，还有扩展箱体，规格与主箱体相同其EM系列为模块式的，可在16～160之间组合。

  日本东芝公司也生产PLC，其EX小型机及EX－PLUS小型机在国也用得很多。

它的编程语言是梯形图，其专用的编程器用梯形图语言编程。

另外，还有EX100系列模块式PLC，点数较多，也是用梯形图语言编程。

  日本松下公司也生产PLC。

FP1系列为小型机，结构也是箱体式的，尺寸紧凑。

FP3为模块式的，控制规模也较大，工作速度也很快，执行基本指令仅0•l微秒。

  日本富士公司也有PLC。

其NB系列为箱体式的，小型机。

NS系列为模块式。

美国GE公司、日本FANAC合资的GE－FANAC的90－70机也是很吸引人的。

据介绍。

它具有25个特点。

诸如，用软设定代硬设定，结构化编程，多种编程语言，等等。

它有914、781／782、771／772、731／732等多种型号。

另外，还有中型机90－30系列，其型号有344、331、323、321多种；还有90－20系列小型机，型号为211。

  美国施奈德公司（莫迪康）的984机也是很有名的。

其中E984－785可安31个远程站点，总控制规模可达63535点。

小的为紧凑型的，如984-120，控制点数为256点，在最大与最小之间，共20多个型号。

最近又推出Twido系列PLC，有10、16、20、24、40点几种规格。

  美国AB（Alien－Bradley）公司创建于1903年，在世界各地有20多个附属机构，10多个生产基地。

可编程控制器也是它的重要产品。

它的PLC－5系列是很有名的，其下有PLC－5/10，PLC－5/11，……PLC－5/250多种型号。

另外，它也有微型PLC，有ControLgix系列和SLC－500系列。

有三种配置，20、30及40I/O配置选择，I/O点数分别为12/8、18/12及24/16三种。

  美国IPM公司的IP1612系列机，由于自带模拟量控制功能，自带通讯口，集成度又非常之高，虽点数不多，仅16入，12出，但性价比还是高的，很适合于系统不大，但又有模拟量需控制的场合。

新出的lP3416机，I/O点数扩大到34入、12出，而且还自带一个简易小编程器，性能又有改进。

  国PLC厂家近年来发展较快，目前有几家国产PLC厂商则是齐头并进，但大多规模不大。

比较有影响的有：

德维森、艾默生、光洋、信捷、和利时、凯迪恩、安控、科威、易达、浙大中控、浙大中自、冠德、全志等。

如，德维森公司自主研发生产了多种型号与规格的PLC，有V80、PPC11、PPC22和PPC31等几个系列，产品种类齐全，性能稳定可靠，在性价比上有较大的优势。

和利时公司的FOPLC系列和自主研发的G3系列，凭借公司在工程领域的实力，已逐步向工控中多个领域迈进。

国产PLC从技术方面来讲，差距已逐步缩小，市场方面则要一点一点去争，相信国产PLC凭借其自身的技术实力和本地化的技术服务能力以一个合格的挑战者身份与国际品牌同场竞技。

  此外，国和地区的一些公司目前在国也占据不可忽视的市场份额，比如国LS（LG）公司的K80S、K120S、K200S、K300S和K1000S系列PLC，永宏的FBS系列PLC，台达的DVP系列，盟立的SC500系列，丰炜的VB和VH系列和台安的TP02系列PLC等。

2.2PLC的结构及基本配置

图2-1PLC基本结构图

一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。

但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。

对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、存、电源模块、底板或机架。

无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

CPU：

PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU。

与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。

它确定了进行控制的规模、工作速度、存容量等。

存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

存储器：

可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。

I/O模块：

PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的。

电源模块：

有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源以其输入类型有：

交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

PLC的外部设备：

外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类

1.、编程设备

2、监控设备

3、存储设备.

4、输入输出设备.

2.3PLC的选择

1、PLC的选型

对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。

例如输入、输出的最多点数；扫描速度；存容量；指令条数；功能模块等。

同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。

2、PLC的类型

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。

3、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。

考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。

4、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。

5、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。

6、经济性的考虑

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，估因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有比较合理的性价比。

7、PLC的选择

PLC是存储控制的一种装置，其控制功能是通过存放在存储其的程序来实现的，若需要对控制要求做修改的话，只需改变部的程序便可，使硬件软件化，因此它在工业控制中的地位越来越高，它具有以下特点：

可靠性高，编程简单易学，通用性强，使用方便，系统设计周期短，对生产改变适应性强，安装简单，调试方便，适应工业环境。

分析机械手的工作过程和控制要求，该工作过程可以方程若干个工作步，且各步个所需完成的功能和转换条件都非常的清晰明确，因此我们可以利用PLC步进顺序控制的方法来完成编程，且要完成断电保持的功能可以用KEEP指令来实现，即使在停电时也可以存储之前的状态，把WR区域做为中间继电器使用。

因此可以用PLC来实现机械手的控制。

基于机械手的控制要求，继电器型是不能实现的，由于设计要求不高，控制系统比较简单，对输入与输出的端子要求不用那么多，且考虑到学校的提供的设备，因此使用欧姆龙CPM2A系列PLC即可实现，即经济右可以合理利用学校提供的设备。

2.4机械手的分类和选择

机械手一般分为三类。

第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。

它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。

它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

第二类是需要人工操作的，称为操作机。

它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。

第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。

这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。

在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。

通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术。

第3章硬件设计

3.1PLC控制机械手设计步骤

1、根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。

2、分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。

在此基础上确定PLC的选型。

3、根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。

PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。

4、对所设计的PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。

5、保存已完成的程序。

3.2系统控制示意图

图3-1机械臂传送工件系统示意图

图3-2系统结构

据图