1、基于三菱PLC的机械手控制系统设计毕业设计 基于三菱PLC的机械手控制系统设计摘 要 机械手在工业生产中得到广泛的应用，传统工艺中采用继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因 此故障多，维修困难，费时费工，不仅加大了成本，而且影响设备的工效。本文介绍了用日本三菱公司生产的F1F2 系列可编程控制器，根据机械手的运动规律：左右、上下、夹松等进行软件编程。实现了手动操作，即：用按钮操 作，对机械手的每一种运动单独进行控制；自动操作包括单步、单周期和连续操作。另外，对右工作台有工件的特殊情况进行了处理。采用梯形控制直观易懂，为电气人员所熟悉；采用PLC控制使接线简化，安装方便，而且保证 运行的可靠
2、性，减少维修量，提高了工效关键词 机械手 软件编程 PLC 自动操作 梯形控制引 言.1第一章 PLC的技术简述 .21.1 PLC的定义. .21.2 PLC的特点 .31.3 PLC的一般结构.31.4 PLC的基本工作原理.4第二章 机械手控制系统的控制要求 .62.1 工作对象的介绍 .62.2 工作原理 .62.3 设备控制要求 .7第三章 机械手的I/O分配表及控制系统的程序设计9 3.1 机械手的I/O分配表93.2 控制系统的程序设计 .10结论.16致谢.17参考文献.18引 言在生产中广泛存在着很多不能直接由人手完成的工作，尤其是搬运笨重物体或在高温、高压、低温、低压、粉尘
3、、易爆、有毒气和放射性等恶劣的环境下工作。人工在这样环境下生产，不仅效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，而且还会危及人的生命安全。针对上述问题，本课题利用PLC技术，结合气动技术、位置控制技术设计了一种安全高效的气动机械手控制系统，来代替人进行正常工作，大大提高生产的机械化水平和劳动生产率，保证产品质量、实现安全生产。 本系统利用各种检测装置进行位置检测，再通过PLC做出相应的控制，来模拟人手的部分动作，按给定的顺序、轨迹和要求实现自动搬运、抓举等操作。可以广泛应用于汽车、交通、运输等各行各业。本系统由于采用的是PLC作为主控制器，比起其他控制器更易实现机电一体化，也更适合在工业等恶劣环境下
4、工作。本系统具有很强的实用性和广泛的应用范围。它操作简单，具有良好的扩展性和可靠性。PLC软件编程简单，易于修改，只要通过修改相应软件程序，就实现更多更强的功能。因此在生产实际中具有很高的实际应用价值。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。第一章PLC技术简述可编程控制器(Programmable Controller),简称PLC或PC。它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控
5、制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业产生自动化的支柱产品。近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面的发展很快，除许多从国外引进的设备、自动化生产线，国产的机床设备已越来越快地采用PLC控制系统取代的继电接触控制系统。国产化的小型PLC性能也基本达到国外同类产品的技术指标。1.1 PLC的定义PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令，并通过数学式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机
6、械的生产过程。可编程序控制及其有关外围设备，都按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。其强调了可编程序控制器直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围，是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。并应该强调指出可编程序控制器与以往所讲的鼓式、机械式的顺序控制器以及继电器式的程序控制器在“可编程”方面有着质的区别，后者式通过硬件或硬接线的变更来改变程序，而PLC引入了微处理半导体存储器等新一代的微电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式实现“可编程”的目的。1.2 PLC的特点PLC出现后就受到普遍重视，其应用发展也十分迅速，原因在于
7、与现有的各种控制方式相比，它有一系列受用户欢迎的特点：1可靠性高，抗干扰能力强 在恶劣的工业环境下工业产生对控制设备的可靠性提出很高的要求。2编程简单，易于掌握。3组合灵活使用方便。4功能强，通用性好。5开发周期短，成功率高。1.3 PLC的一般结构根据PLC实施控制的基本点分析，PLC采用了典型的计算机结构，主要由CPU、RAM、ROM和专门设计的输入输出接口电路组成。1中央处理器（CPU）一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一芯片上。CPU的主要功能是：从存储器中读取指令、执行指令、准备取下一条指令、处理中断。2存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、
8、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。在PLC中使用的两种类型存储器为RAM和ROM。3电源部件电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作，PLC内部电源是整体的能源供给中心，它的好坏直接影响PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。4输入、输出部分这是PLC与被控设备相连的接口电路。通过输入接口电路将信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电动机等被控设备的执行元件。现场输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电
9、路组成。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。1.4 PLC的基本工作原理PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，而PLC则采用循环扫描方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放。其整个刚才分为五个阶段：1每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。2PLC检查是否与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应的处理。3PLC的中央处理器对各个输入进行扫描。4中央处理器CPU将指令逐条调出并执行。5当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所您接受的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新
10、阶段。第二章 机械手控制系统的控制要求2.1工作对象的介绍目前气动控制技术在工业控制中用得越来越普遍。气动机械手的任务大多数是搬运物品或器件时快速、准确。例如将传送带A上的物品搬至传送带B上，工作示意图如图12.11所示。2.2工作原理气动机械手搬运物品工作示意图12.10所示。传送带A为步进式传送，每当机械手从传送带A上取走一个物品时，该传送带向前步进一段距离，将使机械手在下一个工作循环取走物品。图12.11中传送带A、B分别由电动机M1、M2驱动，机械手的回转运动由气动阀Y1、Y2控制，机械手的上、下运动由气动阀Y3、Y4控制，机械手的夹紧与放松由气动阀Y5控制。有关到位信号分别是：右旋到
11、位行程开关（状态开关）为SQ1，左旋到位行程开关为SQ2，手臂上升到位行程开关为SQ3，下降到位行程开关为SQ4。 2.3设备控制要求用PLC控制后，气动机械手的动作要求如下：（1）机械手在原始位置时（右旋到位）SQ1动作，按下启动按钮，机械手爪松开，传送带B开始运动，机械手手臂开始上升。（2）机械手上升到上限位置，状态开关SQ3动作，上升动作结束，机械手开始左旋。（3）机械手左旋到左限位置，状态开关SQ2动作，左旋动作结束，机械手开始下降。（4）机械手下降到下限位置，状态开关SQ4动作，下降动作结束，传送带A启动。（5）传送带A向机械手向前进一个物品的距离后停止，机械手开始抓物。（6）机械手
12、抓物，延时1S左右时间，机械手开始上升。（7）机械手上升到上限位置，状态开关SQ3动作，上升动作结束，机械手开始右旋。（8）机械手右旋到右限位置，状态开关SQ1动作，右旋动作结束，机械手开始下降。（9）机械手下降到下限位置，状态开关SQ4动作，机械手松开，放下物品。（10）机械手放下物品经过适当延时，一个工作循环过程完毕。（11）机械手的工作方式为：单步/循环。第三章 机械手的I/O分配表及控制系统的程序设计3.1机械手的I/O分配表1）输入/输出地址表根据气动机械手的控制要求，PLC的输入、输出地址表如表12.1所示。表12.12）I/O电气接口图气动机械手的PLC I/O电气接口图如图12
13、.12所示。SQ1SQ4 4个磁性开关、开关05分别接PLC的X0X7、X10、X11 10个输入，输出Y1Y5分别接电磁阀的YV1YV5。PLC选用FX系列任一型号PLC均可以。气动控制回路使用时注意如下几点：（1）先将气泵启动，待压力到整定值后，可以分别在气阀的两头加上24V电压，观察上、下气缸、机械手爪气缸及回旋气缸动作正确与否，如不正确，说明气阀或气缸有问题。（2）各部分没有问题，按接口电路图连线，并检查接线正确与否。（3）输入程序，检查无误后，开启24V电源运行。3.2控制系统的程序设计气动机械手的参考程序如图12.13所示。由于机械手的动作过程是顺序动作，每一步工艺均是在前一步动作
14、完成的基础上，再进行下一步的操作，所以控制程序采用了步进顺控指令方法编程。此外，气动机械手的启动必须在原位状态下才能启动，故必须使Y3、Y1、Y4先断电，使气缸均回到原点状态。程序中使用了RST Y1、RST Y3、RST Y4等指令使Y1、Y3、Y4复位。结 论实践证明，利用十分成熟的PLC技术和变频器调速技术以及十分成熟先进的机械传动构件，采用积木式架构，应用工程师就可以迅速地为企业设计制造出生产急需的机电一体化设备。成为在设备改造、升级，提高产品质量，参与市场竞争的有力武器。基于PLC控制的物料搬运系统能够实现物料的自动循环搬运。此系统既可以使用夹手夹持物料，又可以使用真空吸盘吸附物料，
15、具有多种用途功能；气动系统的电磁换向阀采用汇流板集装，减少了占用空间，完成物料的搬运。参考文献1. 钟肇新.可编程序控制器原理及应用.广州：华南理工大学出版社，2002年.2. 章文浩.可编程控制器原理及实验.北京：国防工业出版社，2003年.3. 陈宇.段鑫.可编程控制器基础及编程技巧.广州：华南理工大学出版社，2002年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年5. 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年6. 钟肇新.彭侃.可编程控制器原理与应用.广州：华南理工大学出版社，2004年7. 张建民.机电一体化系统设计.北京：高等教育出版社，2001年8. 张兵.赵斌.施永辉. 基于PLC的机械手混合驱动控制.液压与气动，2005年，3期：37-39页9. 贺黛芳.马笑潇. PLC在针灸机械手控制系统中的应用.基础自动化，2001年，8卷2期：29-32页10. 蒋少茵.PLC控制的机械手.测控自动化，2004年，6期：17-18页
