1、摘 要在工业生产和其他领域内,由于工作的需要,人们经常受到高温,腐蚀及有毒气体等因素的危害, 增加了工人的劳动强度,甚至于危及生命.自从机械手问世以来,相应的各种难题迎刃而解. 在本设计中介绍了国内外机械手研究现状及 PLC 的研究发展趋势,描述了机械手控制系统的工作 原理和动作实现过程.研究了基于 PLC 的机械手模型控制系统的设计,还研究了 MCGS 在机械手控制 系统中的应用.利用组态软件 MCGS 设计了机械手模型控制系统监控界面,提供了较为直观,清晰, 准确的机械手运行状态,进而为维修和故障诊断提供了多方面的可能性,充分提高了系统的工作效率。关键词:机械手;PLC;MCGS目录摘 要
2、1目录0引言1第一章 绪 论11.1 课题研究目的及意义11.2 国内外机械手研究概况21.3 课题研究的内容3第二章 机械手控制方式的选择和可编程序控制器简介32.1 机械手控制方式的选择32.2 可编程序控制器简介5第三章 机械手模型控制系统的设计83.1 机械手控制系统构件概述83.2 机械手的动作实现过程103.3 PLC 程序设计113.4 PLC 程序的调试12第四章 MCGS 在机械手控制系统中的应用134.1 MCGS 的概述134.2 工程的建立与变量的定义164.3 工程画面的创建194.4 动画的连接234.5 组态运行28第五章 结 论28参考文献29附录 1 梯形图3
3、1附录 2 PLC外部电气接线图31引言机械手自二十世纪六十年代初问世以来,经过 40 多年的发展,现在已经成为制造业 生产自动化中重要的机电设备. 目前机械手技术有了新的发展:出现了仿人型机械手,微型机械手和微操作系统(如 细小工业管道机械手移动探测系统,微型飞行器等) ,机械手化机器,智能机械手(不仅 可以进行事先设定的动作,还可按照工作状况相应地进行动作,如回避障碍物的移动,作 业顺序的规划,有效的动态学习等) . 本课题主要研究的是基于 PLC 的机械手模型控制系统的设计, 通过 MCGS 将机械手的动作过程进行动画演示,使机械手的动作形象化.提供较为直观, 清晰,准确的机械手运行状态
4、,为维修和故障诊断提供多方面的可能性,充分提高系统的工作效率.第一章 绪 论1.1 课题研究目的及意义机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象.近年来随着工业自动化的发展,机械手逐渐成为一门新兴学科,并得到了较快的发展.机械手广泛地应用与锻压,冲压, 锻造,焊接,装配,机加,喷漆,热处理等各个行业.特别是在笨重,高温,有毒,危险, 放射性,多粉尘等恶劣的劳动环境中,机械手由于其显著的优点而受到特别重视.总之, 机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,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)是专为在工业环境下应用而设计的
5、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长足的进步,已经成为工厂自动化的标准配置之一1. 由于自动化可以节省大量的人力,物力等,而 PLC 也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性,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,加拿大等国家应用较多,如用果实采摘机械手来摘果实, 装配生产线上应用智能机器人等.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
6、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. MCGS 是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上运行,通过对现场数据的采集处理,以动画显示, 报警处理,流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,在自动化领域中有着广泛的应用2.本设计通过 MCGS 组态软件对机械手进行监控,将机械手的 动作过程进行了动画显示,使机械手的动作过程更加形象化.1.2 国内外机械手研究概况机械手自二十世纪六十年代初问世以来,经过 40 多年的发展,现在已经成为制造业 生产自动化中
7、重要的机电设备. 目前, 正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手, 即程序控制机械手.这代机械手基本上采用点位控制系统,没有感觉外界环境信息的感觉器官,主要用于焊接,喷漆和上下料.第二代机械手具有感觉器官,仍然以程序控制为基 础,但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正.这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法.现在,第三代机械手正在第一,第二代机械手的基 础上蓬勃发展起来,它是能感知外界环境与对象物,并具有对复杂信息进行准确处理,对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手.它能识别景物,具有触觉,视觉,力觉,听觉,味觉等多种感觉,能实现搜索,追踪,辨色识图等多种仿
8、生动作,具有专家知识,语音功能和自学能力等人工智能3. 目前机械手技术有了新的发展:出现了仿人型机械手,微型机械手和微操作系统(如 细小工业管道机械手移动探测系统,微型飞行器等) ,机械手化机器,智能机械手(不仅 可以进行事先设定的动作,还可按照工作状况相应地进行动作,如回避障碍物的移动,作 业顺序的规划,有效的动态学习等) .机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展,并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队45. 国外方面:近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势.机械手性能不断提高, 而单机价格不断下降;机械结构向模块化,可重构化发展;控制系统向基于 PC 机的开放 型控制器
9、方向发展;传感器作用日益重要;虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真,预 演发展到用于过程控制. 国内方面:目前在一些机种方面,如喷涂机械手,弧焊机械手,点焊机械手,搬运机 械手,装配机械手,特种机械手(水下,爬壁,管道,遥控等机械手)基本掌握了机械手 操作机的设计制造技术,解决了控制驱动系统的设计和配置,软件的设计和编制等关键技 术,还掌握了自动化喷漆线,弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信,协调控制技 术;在基础元件方面,谐波减速器,机械手焊接电源,焊缝自动跟踪装置也有了突破.从 技术方面来说,我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础6.1.3 课题研究的内容本课题主要研究的是基于
10、 PLC 的机械手模型控制系统的设计, 包括硬件的设计和软件的设计.通过设计编制 PLC 程序实现机械手模型控制系统的自动控制.利用组态软件 MCGS 设计出人机界面,进行设备和数据对象的连接,实现动画连接,实现机械手的监控. 通过 MCGS 将机械手的动作过程进行动画演示,使机械手的动作形象化.提供较为直观, 清晰,准确的机械手运行状态,为维修和故障诊断提供多方面的可能性,充分提高系统的工作效率.第二章 机械手控制方式的选择和可编程序控制器简介2.1 机械手控制方式的选择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
11、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. 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)PLC 与工业控制计算机(IPC)和集散控制系统(DCS)的比较 1,各自技术发展的起源.计算机是为了满
12、足快速大量数据处理要求的设备. 硬件结构方面, 总线标准化程度高, 兼容性强,软件资源丰富,特别是有实时操作系统的支持,故对要求快速,实时性强,模 型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势. 集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统,所以其在模拟量处理,回路调节方面具有一定优势,初期主要用在连续过程控制,侧重回路 调节功能.PLC 是由继电器逻辑系统发展而来,主要应用在工序控制上,初期主要是代替 继电器控制系统,侧重于开关量顺序控制方面. 近年来随着微电子技术, 大规模集成电路技术, 计算机技术和通信技术等的发展, PLC 在技术和功能上发生了飞跃.在初期逻辑
13、运算的基础上,增加了数值运算,闭环调节等功 能,增加了模拟量和 PID 调节等功能模块;运算速度提高,CPU 的能力赶上了工业控制计算机;通信能力的提高发展了多种局部总线和网络(LAN),因而也可构成为一个集散系统. 特别是个人计算机也被吸收到 PLC 系统中. PLC 在过程控制的发展将是一智能变送器和现 场总线,暨向下拓展功能,开放总线. 2,相同点 3 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 在微电子技术发展的背景下,从硬件的角度来看,PLC,工业计算机,集散系统(DCS) 之间的差别正在缩小,都将由类似的一些微电子元件,微处理器,大容量半导体存储器和 I/O 模件组成.编程方面也有很多相
14、同点. 3,不同点 由于 PLC 和计算机属于两类产品, 经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件 工具,实际上它们的区别仍然存在. PLC 用编程器或计算机编程,编程语言是梯形图,功能块图,顺序功能表图和指令表 等.集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境. 特别需要提出的是,PLC 与 STD 总线工控机的区别,无论从维修,安装和模件功能都 很相似.PLC 更适用于黑模式下运行,但在线运行时若要进行较大的程序修改,其能力略 逊于 STD 工控机,但是从开关量控制而言,PLC 的性能优于 STD 工控机. 总的来说,在选择控制器时,首先要从工程要求,现场环境和经济性等方面考虑.
15、没 有哪种控制器是绝对完善的,也没有哪种产品绝对差,只能说根据不同的环境选择更适用的产品7. 机械手控制方式的选定 PLC 实现的自动控制系统,其控制功能基本都是通过设计软件来实现的,这种软件是利用 PLC 厂商提供的指令系统,根据机械设备的工艺流程来设计. PLC 自问世以来,经过 20 多年的发展,在美国,欧洲,日本等工业发达国家已成为 重要产业,当前,PLC 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品,用 PLC 设计自 动控制系统已成为世界潮流. PLC 之所以有生命力,在于它更加适合工业现场和市场的要求:高可靠性,强抗各种 干扰的能力.编程安装使用简便,低价格长寿命.比之单片机,它
16、的输入输出端更接近现 场设备,不需添加太多的中间部件或需要更多的接口,这样节省了用户时间和成本.PLC 的下端(输入端)为继电器,晶体管和晶闸管等控制部件,而上端一般是面向用户的微型 计算机.人们在应用它时,可以不必进行计算机方面的专门培训,就能对可编程控制器进 行操作及编程,用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务. PLC 具有很多的优点.机械手控制系统若采用 PLC 控制,体积小,重量轻,控制方式 灵活,可靠性高,操作简单,维修容易.由于 PLC 所具有的灵活性,模块化,易于扩展等 特点,可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求.机械手采用 PLC 控制技术,可以大 大提高该系统的自
17、动化程度,减少了大量的中间继电器,时间继电器和硬件接线,提高了控制系统的可靠性.同时,用 PLC 控制系统可方便地更改生产流程,增强控制功能8.综 上所述,机械手的控制方式选择 PLC 控制.2.2 可编程序控制器简介 可编程序控制器(Programmable Logic Controller)简称 PLC 或 PC,是从早期的继电 器逻辑控制系统发展而来,它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强,逐渐适应复杂的 控制任务 .PLC 和一般的微型计算机基本相同, 也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的. PLC 的硬件系统由微处理器(CPU),存储器(EPROM,ROM),输入输出(I/O)部件
18、,电源部件, 编程器,I/O 扩展单元和其他外围设备组成.各部分通过总线(电源总线,控制总线,地址 总线,数据总线)连接而成9.其结构简图如下:图 2-1 PLC 硬件结构图PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各种程序的集合, 通常可分为系统程序和用户程序 两大部分. 系统程序是每一个 PLC 成品必须包括的部分, PLC 厂家提供, 由 用于控制 PLC 本身的运行, 系统程序固化在 EPROM 中. 用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序. 硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统,他们是相辅相成,缺一不可的.PLC 的特点 可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自
19、动控制装置,其实质是一种 工业控制用的专用计算机.国内外现有的机械手系统,它们的控制形式大都采用可编程序 控制器控制,特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普 遍.其主要原因是因为 PLC 具有以下优点: 1,灵活,通用 在继电器控制系统中,使用的控制器件是大量的继电器,整个系统是根据设计好的电 器控制图,由人工布线,焊接,固定等手段组装完成的,其过程费时费力.如果因为工艺 上的稍许变化, 需要改变电器控制系统的话, 那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除, 而重新进行布线,焊接,固定等工作,浪费了大量的人力,物力和时间.而可编程控制器 是通过存储在存储器中的程序实现控
20、制功能的,如果控制功能需要改变的话,只需要修改 程序以及改动极少量的接线即可. 而且, 同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象, 只要改变软件就可以实现不同的控制要求,因此具有很大的灵活性,通用性. 2,可靠性高,抗干扰能力强 对于机械手系统来说,可靠性,抗干扰能力是非常重要的指标,如何能在各种工作环 境和条件(如电磁干扰,低温潮湿,灰尘超高温等)下,平稳可靠的工作,将故障率降至最 低,是研制每一种控制系统必须考虑的问题.现代 PLC 采用了集成度很高的微电子器件, 大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成,其可靠性程度是使用机械触点的继电器所 无法比拟的.为了保证 PLC 能在恶劣的工业
21、环境可靠的工作,在其设计和制造过程中采取 了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施,使其可以适应恶劣的工业应用环境. 3,操作方便,维修容易 PLC 采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程,使用户十分方便的读懂程序 和编写,修改程序.对于使用者来说,几乎不需要专门的计算机知识.工程师编好的程序 十分清晰直观,只要写好操作说明书,操作人员经短期的学习就可以使用. 4,功能强 现代 PLC 不仅具有条件控制,计时,计数和步进等控制功能,而且还能完成 A/D, D/A 转换,数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等.因此,它既可控制开关 量,又可控制模拟量;既可控制一个机械手,又可控制一个机械
22、手群;既可控制简单系统, 又可控制复杂系统;既可现场控制,又可远程控制. 5,体积小,重量轻和易于实现机电一体化 由于 PLC 采用了半导体集成电路.因此具有体积小,重量轻,功耗低的特点.且 PLC是为工业控制设计的专用计算机,其结构紧凑,坚固耐用,体积小巧,并由于具备很强的 可靠性和抗干扰能力,使之易于装入机械设备内部,因而成为实现机电一体化十分理想的 控制设备10. 同样,可编程序控制器控制也有其不足的地方,在性价比上要高于继电器控制和单片 机控制,其开发潜力要差于单片机,并且通用性不好,不同厂家的可编程序控制器以及其 附属单元都是固定专用等等.PLC 的主要功能 PLC 是一种应用面很广
23、,发展非常迅速的工业自动化装置,在工厂自动化(FA)和计算 机集成制造系统(CIMS)内占重要地位. PLC 系统主要有以下功能: 1) 多种控制功能; 2) 数据采集,存储与处理功能; 3) 通信联网功能; 4) 输入,输出接口调理功能; 5) 人机界面功能; 6) 编程,调试功能. PLC 的重量,体积,功耗和硬件价格一直在降低,虽然软件价格占的比重有所增加, 但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格.另外,采用 PLC 还可以大大缩短设计,编程和 投产周期,使总价格进一步降低.PLC 产品面临现场总线的发展,将再次革新,满足工业 与民用控制的更高需求11.PLC 的经济分析 综上所述,在各种
24、环境中,使用 PLC 控制机构设备,生产流水线和生产过程的自动化 控制将越来越广泛. 对 PLC 的经济分析,应从以下几方面考虑: 1,从影响成本的各个因素综合考虑 对目前生产设备控制装置来说,有三种类型: 继电器控制; 半导体器件控制; PLC 控制.价格仅是选择 PLC 品牌的一个因素,而可靠性是选择控制装置时需要考虑 的又一个重要因素. 2,从设计,生产周期长短考虑 7 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 不论是对旧设备进行改造,还是设计新的生产机械设备.毫无疑问,生产,设计周期 越短越好,甚至希望边设计,边安装,边调试和边生产,特别是产品更新换代,生产工艺 改造,不需改动现有生产设备
25、及其外部接线,就能马上组织生产,这不仅节约了劳动力, 而且新产品能尽快投入市场.这无疑给企业增加了活力,提高了经济效益.如果把这些要 求得以实现,继电器或半导体都不能满足,而 PLC 则完全可以实现.这是因为使用 PLC 不必改动外部设备接线,只要对软件进行一些改变就可以了.也就是说只要改变梯形图, 按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可.这既经济又简捷,可以达到事半功倍 的效果. 据调查,目前我国 70%的机械生产设备,都是采用继电器进行控制的,除了可靠性差 外,程序设计也很繁杂.从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计,图面的工作量 很大,这势必造成设计周期长.而采用 PLC 控制
26、可以大大缩短设计周期,甚至有些文件资 料也不必绘制成图.设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入,或修改程序使得梯 形图能准确无误地反映生产要求.编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求,重 新编写程序并把它存储在 EEPROM 模块中去,需要加工哪种产品的程序,操作人员可以 随时调用,这既简单,方便又保密.PLC 发展状况及趋势 现代 PLC 的发展主要有两个趋势:一是向体积更小,速度更快,功能更强和价格更低 的微小型方面发展;二是向大型网络化,高可靠性,好的兼容性和多功能方面发展12. 1,大型网络化 主要是朝 DCS 方向发展, 使其具有 DCS 系统的一些功能. 网络化和通信能力
27、强是 PLC 发展的一个重要方面,向下可将多个 PLC,I/O 框架相连,向上与工业计算机,以太网, MAP 网等相连构成整个工厂的自动化控制系统. 2,多功能 随着自调整,步进电机控制,位置控制,伺服控制等模块的出现,使 PLC 控制领域更 加宽广.第三章 机械手模型控制系统的设计3.1 机械手控制系统构件概述本课题设计使用的是 THWJX-1 型机械手实物教学实验装置.机械手实物教学模型的 机械结构采用滚珠丝杆,滑杆,气缸,气夹等机械部件组成;电气方面有步进电机,直流 电机,步进电机驱动器,传感器,开关电源,电磁阀等电子器件组成.该模型是 PLC 技术, 位置控制技术,气动技术有机结合成一
28、体的教学仪器.步进电机 采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作,相比直流电机有更好的制动效 果,又加上滚珠丝杆和滑杆配合,使机械手的运动更加稳定.主要特点:体积小,具有较 高的起动和运行频率,有定位转矩等优点.本模型中采用串联型接法,其电气接线图如图 3-1 所示:图 3-1 步进电机电气接线图步进电机驱动器有电源输入部分,信号输入部分,信号输出部分等,利用驱 动器可以很方便的对步进电机的转速, 方向进行控制. 驱动器电源由面板上电源模块提供, 驱动器信号端采用+24V 供电,需加 1.5K 限流电阻. 驱动器输入 PLC 通过控制其输出点来控制驱动器光耦的开合, PLC 输出线圈得电
29、当 端为低电平有效.传感器 本装置中使用的传感器有接近开关和行程开关.基座和气夹的正反转限位采用接近开 关(金属传感器) ,通过调整基座和气夹上的金属块的位置,可以在一定范围内改变基座和气夹的旋转角度.机械手的伸缩,升降均采用行程开关来限位,并通过改变行程开关的 位置来调节横轴和竖轴的运动范围. 1,接近开关:接近开关有三根连接线(棕,兰,黑)棕色接电源的正极,蓝色接电源的负极,黑色为输出信号,当与档块接近时输出电平为低电平,否则为高电平.与 PLC 之间的接线图如下,当传感器动作时,输出端对地接通.PLC 内部光耦与传感器电源构成 回路,PLC 信号输入有效. 图 3-2 传感器工作原理2,
30、行程开关:当档块碰到开关时,常开点闭合.直流电机驱动单元 本装置中直流电机驱动模块是由两个继电器的吸合与断开来控制电机的转动方向的, 从而实现基座和气夹的正反转. 本模型所用输入, 输出均为低电平有效. 其中 IN 端接 PLC 的输出端口,OUT 端接模型的信号输入端.COM 端接 PLC 的传感器电源负端.3.2 机械手的动作实现过程 机械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制. 步进电机的运动需要驱动器,有脉冲输入时步进电机才会动作,且每当脉冲由低变 高时步进电机走一步;改变电机转向时,需要加方向信号.机械手的上升/下降,前伸/后 缩动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的.
31、基座正转/反转和气夹正转/反转 是通过两个继电器的吸合与断开来控制直流电机的转动方向来实现的. 机械手的放松/夹紧 由一个单线圈两位置电磁阀控制.当该线圈通电时,机械手放松;该线圈断电时,机械手 夹紧13. 打开电源,按下起动按钮时,开机复位.机械手的动作示意图如图 所示图 3-3 机械手的动作示意图 机械手若不在原点则 PLC 向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号,步进电机一反转,横轴后缩. 当后缩到位时碰到后限位开关,然后主机向驱动器二输入脉冲信号,步进电机二正转,机械手上升.上升到底时碰到上限位开关,上升停止,回到原点.主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号,步进电机二反转,机械手下降
32、.降到底时碰到下限位开关,下降停 止,气夹电磁阀断电,机械手夹紧.夹紧后,主机向驱动器二只输入脉冲信号,步进电机 二正转,机械手上升.上升到顶时,碰到上限位开关,上升停止.PLC 向驱动器一只输入脉冲信号,步进电机一正转,机械手前伸,前伸到位时,碰到前限位开关,前伸停止.主 机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号,步进电机二反转,机械手下降.降到底时碰 到下限位开关,下降停止,同时夹紧电磁阀断电,机械手放松.放松后,主机向驱动器二 只输入脉冲信号,步进电机二正转,机械手上升.上升到顶时,碰到上限位开关,上升停 止.上升到顶时,碰到上限位开关,上升停止.PLC 向驱动器一同时输入脉冲信号和电平 信号,步进电机一反转,横轴后缩.机械手后缩,当后缩到底时碰到后限位开关,然后主 机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号,步进电机二反转,机械手下降.下降到底时 碰到下限位开关,下降停止,回到原点.至此,机械手经过八步动作完成一个循环14.3
