基于可编程控制器的机械手 正文.docx
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基于可编程控制器的机械手 正文.docx
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基于可编程控制器的机械手正文
摘要
机械手是在自动化生产过程中发展起来的一种新型装置,广泛应用于工业生产和其他领域。
可编程控制器(PLC)已在工业生产过程中得到广泛的应用。
应用可编程控制器控制机械手能实现各种规定的工序动作,对生产过程有着十分重要的意义。
论文以三菱公司FX2N-48M型PLC为基础,介绍PLC在机械手搬运控制中的应用,设计了一套可行的机械手控制系统,并给出了详细的PLC程序。
设计完成的机械手可以在空间抓、放、搬运物体等,动作灵活多样。
关键词:
可编程控制器;机械手;控制。
Abstract
Themanipulatorisanewdevicedevelopedintheautomaticproductionprocess.Itiswidelyusedinindustrialproducingandotherfields.ProgrammableLogicController(PLC)hasbeenwidelyusedinindustrialproducingaswell.ManipulatorwithPLCcontrolcancompletevariousspecifiedproceduralactions,whichhasveryvitalsignificancetotheproductionprocess.PaperswithMitsubishiPLCFX2N-48Mmodel-basedintroducesPLCapplicationinmanipulatortransportationcontrolsystem,anddesignaavailablemanipulatorcontrolsystem,withprovidingPLCprogrammingprocess.Themanipulatordesignedbythispaper,cangrasp,putandcarryobject,etc.inthespace.
Keywords:
PLC;Manipulator;Control.
第一章绪论
1.1课题的提出与研究意义
随着工业生产自动化规模的不断扩大,生产的过程日趋复杂。
这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求,同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。
在自动化生产领域中,工业机械手是近几十年发展起来的。
工业机械手的是从工业机器人中分支出来的。
其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。
机械手作业具有准确性并且具有能够在各种环境中完成作业能力。
利用可编程控制器的强大的工业处理能力,很容易实现工业生产的自动化。
基于此思路设计的机械手,在实现各种要求的工序前提下,大大提高了工业过程的质量,而且大大解放了生产力,改善了工作环境,减轻了劳动强度,节约了成本,提高了生产力,具有重要的意义。
1.2本课题的研究内容
本设计将在以下几个方面对机械手的控制系统进行研究和硬件仿真。
首先,机械手类型的选择。
综合机械手各类别的特点和控制要求,在本设计中主要研究机械手上升下降的控制,左行右行的控制,加紧放松的控制。
其次,机械手的硬件控制系统的设计。
本系统设计的机械手要求运行稳定,但是在做设计时由于受到硬件条件的限制,没有采用真实的机械手进行试验,而是采用手动模仿进行验证。
具体情况在下文介绍。
最后,机械手控制系统软件的设计。
在本设计中运用PLC编程语言的梯形图编写程序,梯形图的编程能直观明了的设计出机械手的控制要求。
梯形图的编写运用SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件。
SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件支持全部三菱FX系列的PLC,并且具有强大的诊断功能,能很快的查找出故障原因,从而大大的缩短查错时间。
1.3本设计的主要工作
针对机械手的控制要求,本文将详细介绍以可编程控制器为处理单元的机械手过程控制系统设计与实现。
首先,在本文的第二部分阐述可编程控制器的概况,三菱PLC。
其次,在本文的第三部分阐述机械手系统的基本组成与控制原理。
包括PLC输入输出点的分配,机械手系统的软件的整体框架,进行相关的软件设计。
再次,介绍编程环境SWOPC-FXGP/WIN-C并对系统进行软件设计。
最后,针对本设计,完成相关的调试工作,显示系统的动态运动过程,所用平台TVT-90可编程控制器。
本文对设计的每一部分都给出了较详细的设计步骤,并对系统搭建的结果进行了验证,取得了预期效果。
第二章可编程控制器概述
2.1可编程控制器的定义
1987年,国际电工委员会(IEC)颁布了新的PLC标准及其标准定义:
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字模式或模拟模式的输入、输出,控制各种类型的机械或生产过程。
而有关外围设备,都应按照易于与工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计”。
PLC就是使用一系列指令构成的程序来操作、控制相关工业控制机械,使其形成一个完整的工业控制系统,以完成各种各样的控制功能[1]。
2.2可编程控制器的特点
PLC是一种数字运算的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程的存储器,用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输人和输出。
控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关设备,都是按易与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。
PLC是一种以微处理技术为基础,将控制处理规则存储于存储器中,应用于以控制开关量为主或包括控制参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。
PLC作为面向用户的专用工业控制计算机,具有许多明显的特点。
2.2.1,可靠性高、抗干扰能力强
为了限制故障的发生或者在发生故障时,能很快查出故障发生点,并将故障限制在局部,各PC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施,使PC除了本身具有较强的自诊断能力,能及时给出出错信息,停止运行等待修复外,还使PC具有了很强的抗干扰能力。
2.2.2通用性强、控制程序可变、使用方便
PLC品种齐全的各种硬件装置,可以组成能满足各种要求的控制系统,用户不必自己再设计和制作硬件装置。
用户在硬件确定以后,在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下,不必改变PLC的硬设备,只需改编程序就可以满足要求。
因此,PLC除应用于单机控制外,在工厂自动化中也被大量采用。
2.2.3功能强、适应面广
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能,还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。
既可控制一台生产机械、一条生产线,又可控制一个生产过程。
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、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,使用情况大致可归纳为如下几类。
(1)开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
(2)模拟量控制
在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。
(3)运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
(4)过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
(5)数据处理
现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
(6)通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,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。
目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
2.2.4编程简单、容易掌握
目前,大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。
既继承了传统控制线路的清晰直观,又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平,所以非常容易接受和掌握。
PLC在执行梯形图程序时,用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行(PLC内部增加了解释程序)。
与直接执行汇编语言编写的用户程序相比,执行梯形图程序的时间要长一些,但对于大多数机电控制设备来说,是微不足道的,完全可以满足控制要求。
2.2.5减少控制系统的设计及施工的工作量
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,控制柜的设计安装接线工作量大为减少。
同时,PLC的用户程序可以在实验室模拟调试,更减少了现场的调试工作量。
并且,由于PLC的低故障率及很强的监视功能,模块化等等,使维修也极为方便。
2.2.6体积小、重量轻、功耗低、维护方便
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品,其结构紧凑,坚固,体积小,重量轻,功耗低。
并且由于PLC的强抗干扰能力,易于装入设备内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
2.3可编程控制器的分类
PLC产品种类繁多,其规格和性能也各不相同。
对PLC的分类,通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
2.3.1按结构形式分类
根据PLC的结构形式,可将PLC分为整体式和模块式两类。
(1)整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内,具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
小型PLC一般采用这种整体式结构。
整体式PLC由不同I/O点数的基本单元(又称主机)和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口,以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电源等,没有CPU。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元,如模拟量单元、位置控制单元等,使其功能得以扩展。
(2)模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分,分别作成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块。
模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。
模块装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活,可根据需要选配不同规模的系统,而且装配方便,便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来,构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块,但它们之间是靠电缆进行联接,并且各模块可以一层层地叠装。
这样,不但系统可以灵活配置,还可做得体积小巧。
2.3.2按功能分类
根据PLC所具有的功能不同,可将PLC分为低档、中档、高档三类。
(1)低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能,还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
(2)中档PLC 除具有低档PLC的功能外,还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
有些还可增设中断控制、PID控制等功能,适用于复杂控制系统。
(3)高档PLC 除具有中档机的功能外,还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。
高档PLC机具有更强的通信联网功能,可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。
2.3.3按I/O点数分类
根据PLC的I/O点数的多少,可将PLC分为小型、中型和大型三类。
(1).小型PLC——I/O点数<256点;单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。
如:
GE-I型 美国通用电气(GE)公司
TI100 美国德洲仪器公司
F、F1、F2 日本三菱电气公司
C20C40 日本立石公司(欧姆龙)
S7-200 德国西门子公司
EX20EX40 日本东芝公司
SR-20/21 中外合资无锡华光电子工业有限公司
(2).中型PLC——I/O点数256~2048点;双CPU,用户存储器容量2~8K
如:
S7-300 德国西门子公司
SR-400 中外合资无锡华光电子工业有限公司
SU-5、SU-6 德国西门子公司
C-500 日本立石公司
GE-Ⅲ GE公司
(3).大型PLC——I/O点数>2048点;多CPU,16位、32位处理器,用户存储器容量8~16K如:
S7-400 德国西门子公司
GE-Ⅳ GE公司
C-2000 立石公司
K3 三菱公司等
2.4可编程控制器的国内外的状况
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,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。
目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外,无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期,随着我国现代化进程的深入,PLC在我国将有更广阔的应用天地。
2.5可编程控制器的基本结构和工作原理
2.5.1可编程控制器的基本结构
可编程控制器的基本结构框图如图2-1示。
可编程序控制器主要有CPU模块、存储器模块、输入模块、输出模块、外部编程器和电源组成。
图2-1PLC的基本结构
(1)CPU模块
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像寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映像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)存储器模块
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/输出接口
①输入接口:
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二级管:
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号,发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管:
在光信号的照射下导通,导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内,输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程:
当开关合上,二极管发光,然后三极管在光的照射下导通,向内部电路输入信号。
当开关断开,二极管不发光,三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
②输出接口
PLC的继电器输出接口电路
工作过程:
当内部电路输出数字信号1,有电流流过,继电器线圈有电流,然后常开触点闭合,提供负载导通的电流和电压。
当内部电路输出数字信号0,则没有电流流过,继电器线圈没有电流,然后常开触点断开,断开负载的电流或电压。
也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
三种类型:
继电器输出:
有触点、寿命短、频率低、交直流负载
晶体管输出:
无触点、寿命长、直流负载
晶闸管输出:
无触点、寿命长、交流负载
(4)外部编程器
编程器分为两种,一种是手持编程器,方便。
我们实验室使用的就是手持编程器。
二种是通过PLC的RS232口。
与计算机相连。
然后敲击键盘。
通过NSTP-GR软件(或WINDOWS下软件)向PLC内部输入程序。
2.5.2可编程控制器的工作原理
可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的,可以简单地表述为在系统程序的管理下,通过运行应用程序完成用户程序。
但是PLC与计算机还是有点区别的,在这里就不作说明呢。
当PLC投入运行后,其工作过程一般分成三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段,如图2-2所示。
图2-2PLC的扫描周期
(1)输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映像区中的相应单元内。
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,即使输入状态和数据发生变化,I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号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总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按照先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态;或者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
当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经过输出电路驱动相应的外设。
这时才是PLC的真正输出。
为了提高工作的可靠性,及时接受外来的控制命令,PLC在每次扫描期间,除完成上述三步操作外,通常还要进行故障自诊断,完成通讯处理要求。
每次扫描开始,先执行依次自诊断程序,对各输入输出点,存储器和CPU等进行诊断,诊断的方法通常是测试出各部分是否工作正常,若不一致则认为有故障。
此时,PLC立即启动关机程序,保留现行工作状态并关断所有输出点,然后停机。
诊断结束后,如没发现故障,PLC将继续往下扫描,检查是否有编程器等的通信请求。
如果没有则进行相应的处理,比如,接受编程器发来的命令,把要显示的状态数据,出错信息送给编程器显示等。
处理完通信后,PLC继续扫描,输入现场信息,顺序执行用户程序,输出控制信号,完成一个扫描周期。
然后又从自诊断开始,进行第二轮扫描。
PLC就是这样不停反复循环,实现对机器的连续控制,直到接收到用户停机命令,或因停电、出现故障等原因才停止工作。
2.5.3可编程控制器的主要功能和特点
PLC的主要功能有:
逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、PID控制、数据控制(PLC具有数据处理能力)、远程I/O功能、通信和联网;另外,有些PLC还有很多特殊功能模块,适用于各种特殊控制的要求,诸如定位控制模块,CRT模块等。
可编程控制器(PLC)的主要特点如下:
(1)高可靠性
(2)丰富的I/O接口模块
(3)采用模块化结构
(4)编程简单易学
(5)安装简单,维修方便
2.6三菱公司的可编程控制器介绍
2.6.1三菱可编程控制器介绍
20世纪90年代,三菱公司在FX系列PLC的基础上又推出了FX2N系列产品,该机型在运算速度,指令数量及通讯能力方面有了较大的进步,是一种小型化、高速度、高性能、各方面都相当于FX系列中最高档次的超小型的PLC。
FX2N系列PL
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