基于PLC的四自由度机械手控制系统设计.doc

摘要本文通过研制基于PLC控制的四自由度气动光盘搬运机械手，设计相关的气动回路与PLC控制系统，分析了机械手中PLC控制系统的特点。PLC控制系统由于其简单易于实现，可靠性好，是代替继电器控制系统有效的方法。通过对PLC程序设计的研究，采用顺序功能图设计方法是实现气动机械手动作路线及其他复杂顺序动作系统的有效方法。本文设计了一种基于PLC控制的四自由度的气动机械手，用于抓取与搬运光盘，该机械手结构与控制原理具有通用性与代表性。为便于教学，该气动机械手还具有一定的开放性。气动机械手采用PLC控制电路及气压回路驱动气缸实现要求的运动轨迹，在结构上，与其他类型的机械手相比，气动机械手具有结构简单，控制容易实现，其气动部件已系列化和组立化，便于设计与实现，且维护方便。由于气动机械手这些特点，气动机械手在生产过程自动化中的应用已日益广泛。关键词：机械手；气动系统；PLC；顺序功能图目 录第1章 基于PLC的四自由度机械手控制系统设计 1.1 基于PLC的四自由度机械手控制系统设计分析 .(1) 1.2 机械手基本结构与控制任务.(1) 1.3 机械手气动系统设计.(2)第2章 基于PLC的四自由度机械手控制系统硬件设计 2.1.0 FX-2N系统可编程控制器简介.(3) 2.1.1可编程控制器可编程控制器的产生.(3) 2.1.2可编程控制器的定义.(3) 2.1.3可编程控制器的发展趋势.(5) 2.1.4可编程控制器的特点.(6) 2.1.5可编程控制器的主要功能.(7) 2.1.6 PLC的基本结构.（8) 2.1.7 PLC各部分的作用.(9) 2.1.8气动技术介绍.(11) 2.1.9压缩空气的特性.(11) 2.2.0简单的气动系统.(11) 2.2.1气动元件.(12)第3章 基于PLC的四自由度机械手控制系统软件设计 3.1输入/ 输出分配表.(13) 3.2 PLC外部接线图.(14) 3.3机械手PLC程序设计.(15) 3.4 PLC程序设计.(17)致谢参考文献 第1章 基于PLC的四自由度机械手控制系统设计1.1基于PLC的四自由度机械手控制系统设计分析机械手是一种模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓(吸)取、搬运工件或工具进行操作的自动化装置。气动机械手采用PLC控制电路及气压回路驱动气缸实现要求的运动轨迹，在结构上，与其他类型的机械手相比，气动机械手具有结构简单，控制容易实现，其气动部件已系列化和组立化，便于设计与实现，且维护方便。由于气动机械手这些特点，气动机械手在生产过程自动化中的应用已日益广泛。本文设计了一种基于PLC控制的四自由度的气动机械手，用于抓取与搬运光盘，该机械手结构与控制原理具有通用性与代表性。为便于教学，该气动机械手还具有一定的开放性。1.2 机械手基本结构与控制任务如(图l)所示，光盘放置于位置l，气动机械手的初始位置处于位置9，要实现将光盘根据要求从位置l搬运至位置2、3、7、8时，对机械手的自由度提出一定的要求。根据任务要求，机械手要实现X方向与Y方向的运动、绕z方向的旋转，同时在抓取过程中要实现手臂的升降(Z)和吸放光盘的过程，该机械手具有四个自由度。机械手硬件如(图2)所示。图1 气动机械手任务图图2 机械手硬件结构图1.3 机械手气动系统设计 气动机械手硬件系统由四个气缸、三个真空吸盘、限位磁性接近开关、5个两位五通电磁气阀和1个两位两通电磁气阀组成的阀岛、控制面板、接线端子、PLC、按钮开关及指示灯等相关电气元件组成。当按钮开关或磁性接近开关发出信号传递到PLC输入端子，经过PLC程序处理，PLC发出动作控制信号驱动相应主控阀电磁线圈的通断，控制压缩空气的运动方向，使气缸产生对应的动作。 要实现前述控制任务要求，其控制部分包括气动回路与PLC控制部分。气动机械手的气压控制回路如图3所示。气源产生压缩空气，经三联件处理后，经两位五通阀和单向节流阀分别进入滑台气缸、回转气缸、悬臂气缸、升降气缸。两位五通阀电磁线圈的通断决定了气缸的动作，比如控制滑台气缸的二位五通阀通电时，滑台气缸本体(缸体)左移；断电时滑台气缸本体(缸体)右移。本机械手选择两位阀，而没有选择具有中位机能的三位阀，主要是为了减少控制信号，减少PLC的输出点数。单向节流阀的作用是调节气缸的运动速度，产生一定的背压缓冲。对真空吸盘吸光盘的过程，当真空发生器通过高压气体时，产生一定的真空度，实现吸光盘，此时，两位五通阀处于通电状态，两位两通阀处于断电状态。对放光盘的过程，要求高压气体先经两位两通阀，通过真空吸盘将吸附的光盘吹落，延迟一段时间后断开真空吸盘的气路，以节约用气量，故要求在两位五通阀通电、两位两通阀断电状态下，两位两通阀先通电，延迟一段时间后，两位五通阀再断电，然后两位两通阀再断电。图3 机械手气动回路原理图第2章 基于PLC的四自由度机械手控制系统硬件设计2.1 FX-2N系列可编程控制器简介2.1.1可编程控制器的产生 20世纪20年代起，人们把各种继电器。定时器。接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统.由于它结构简单。容易掌握。价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位.但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差.20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置.为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：(1)编程方便，可现场修改程序(2)维修方便，采用插件式结构(3)可靠性高于继电器控制装置(4)体积小于继电器控制盘（5）数据可直接送入管理计算机（6）成本可与继电器控制盘竞争（7）输入可以是交流150V以上（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等(9) 扩展时原系统改变最小(10)用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装配过程的需要） 十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。2.1.2可编程控制器的定义 美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。定义强调了PLC应直接应用与工业环境，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。这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。2.1.3 可编程控制器的发展趋势PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面。（1）向小型化、专用化、低成本方向发展随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使PLC结构更为紧凑，相当于一本精装本书的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。（2）向大容量、高速度方向发展 大型PLC采用多微处理器系统，有的采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另外，存储容量大大增加。（3）智能型I/O模块的发展 智能型I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。（4）基于PC的编程软件取代编程器 随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机上的编程软件。编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通行接口的参数等。（5）PLC编程语言的标准化 与个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用。PLC的编程语言和指令系统的功能和表达式也不一致，因此各厂家的可编程序控制器互不兼容。为了解决这一问题，IEC制定了可编程序控制器标准。标准中共有5种编程语言，允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程能够选择不同的语言来适应特殊的工作。（6）PLC通信的易用化PLC的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中控制。（7）组态软件与PLC的软件化 个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。（8）PLC与现场总线相结合 现场总线I/O与PLC可以组成功能强大的、廉价的DCS系统。（9）开发新型特殊功能模块 I/O组件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大处理能力。(10) CPU的处理速度进一步加快目前，PLC的处理速度与计算机相比还比较慢，其高的CPU也不过80486，将来会全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU进行处理、分时处理或分任务处理方式，将各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使PLC的处理速度达到纳秒级。 2.1.4可编程控制器的特点1、抗干扰能力强，可靠性好PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。具体措施主要有以下几个方面：1）隔离：这是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。 2）滤波：这是抗干扰的另一个主要措施。在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。3）对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。4）内部设置了连锁、环境检测与诊断、watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。8）以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。2、控制系统结构简单，通用性强PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。3、编程方便，易于使用PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。4、功能完善PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。5、设计、施工、调试、的周期短用继电器接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。6、体积小，维护操作方便PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。7、易于实现网络化 PLC可连成功能很强的网络系统。8、可实现三电一体化PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。2.1.5 可编程控制器的主要功能1、条件控制功能 条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联极其他各种逻辑连接，进行开关控制。2、 时/记数控制功能定时/记数控制功能指用PLC提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。3、 据处理功能 数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。4、 步进控制功能 步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。5、 A/D与D/A 转换功能 A/D与D/A 转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。6、 运动控制功能 运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。7、 过程控制功能 过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。8、 扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制功能9、 远程I/O功能 远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。10、通信联网功能通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。11、监控功能监控功能是指PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制I/O状态。2.1.6 PLC的基本结构目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。如(图4)所示，PLC控制系统由输入量PLC输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。图4 PLC硬件结构图2.1.7PLC各部分的作用 1、中央处理器CPU是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。他的重要功能如下：（1） 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。（2）采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。（3）按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。（4）将存于寄存器中的处理结果送至输出端。（5）应各种外部设备的工作请求。 2、存储器 PLC的存储器分为两大部分： 一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。 二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。3、输入输出接口电路PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。4、电源 PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。5、输入输出I/O扩展接口若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机单元相连接。6、 PLC的基本工作原理PLC采用的是循环扫描工作方式。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，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，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。PLC的扫描全过程如图5所示。图5 PLC的扫描全过程（1）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。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。（2）程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，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。（3）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，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。显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一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，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。2.1.8 气动技术介绍气动系统是通过压缩空气来传递和控制能量的一种系统。气动主要应用于化工生产、高危及特殊工种、高速重复作业、农业设备、食品业、机械行业的剪、切、铆等、医学领域、机器人、太空设备中。 2.1.9 压缩空气的特性优点a 适用性b 易贮存c 设计和控制简单d 经济性e 可靠性f 适应性g 清洁h 安全性缺点a 具有可压缩性，工作平衡性稍差b 压力低，不易获得较大的输出力或转矩c 有较大的排气噪声d 需设置给油润滑装置2.2.0 简单的气动系统主要有二大部分：压缩空气的产生和输送系统和压缩空气消耗系统。（1）压缩空气产生系统压缩机、电动机、压力开关、单向阀、储气罐、压力表、自动排水器、安全阀、冷冻式空气干燥器、主管道过滤器。（2）压缩空气产生系统压缩空气的输出、自动排水器、空气处理元件、方向控制阀、执行元件、速度控制阀2.2.1气动元件（1） 气动执行元件直线运动气缸：包括单作用气缸、双作用气缸、无杆气缸回转运动气缸：包括按某一夹角内来回摆动的气缸、可以旋转的气缸（2） 气动控制元件压力阀a) 压力调节阀 用于气动回路中气压的控制b) 压力顺序阀 预先设定压力，当12口压力达到设定压力时，2口有信号输出方向控制阀a) 气控阀 通过气动信号改变阀位b) 电磁阀 通过电磁力使阀芯移动c) 先导阀 属于间接操作式d) 阀的选用与安装 具体可查阅有关手册常用逻辑阀a) “与”功能阀 当X，Y同时有信号时，A有信号输出b) “或”功能阀 当X或Y有信号时，A有信号输出c) 单向节流阀 气体只能一个方向节流d) 快排气阀延时阀 具有延时发出气动信号的功能第3章 基于PLC的四自由度机械手控制系统软件设计 应用PLC作为电气控制，可以减化控制线路，降低故障率，实现机械手多种动作线路，具有一定的柔性，也适于教学演示。一般机械手有手动、自动控制之分，手动控制主要用来硬件调试。自动控制中也分单步、单周期、周期循环等工作状态。其控制要求为：按下启动按钮，检测气动机械手是否处于原位，如果不是，按下复位按纽回到原位，如果是，则检测气动机械手处于何种工作状态下，单步意味着每按下一次启动按钮，机械手执行一步动作；单周期指执行一次动作循环，最后回到初始位置；周循环则是机械手重复不断的执行动作，直到按下复位或停止按钮为止。根据机械手的硬件结构，PLC输入信号有：工作状态选择开关输入、启动停止按钮输入、磁性接近开关信号输入、手动开关输入及程序选择开关输入共22个输入点；机械手的输出信号有：驱动4个气缸的电磁阀线圈4个，控制真空吸盘的电磁阀线圈2个，原点指示灯1个，共7个输出点。据此可以得到：3.1 PLC输入/输出点分配输入点输出点手动X0升降缸伸出限位X17滑台缸控制阀线圈Y0自动X1滑台缸X20回转缸控制阀线圈Y1启动X4回转缸X21悬臂缸控制阀线圈Y2复位X5悬臂缸X22升降缸控制阀线圈Y3右限位X10升降缸X23真空吸盘控制阀1Y4左限位X11吸盘控制阀1X24真空吸盘控制阀2Y5旋转限位00X12吸盘控制阀2X