毕业设计（论文）-机械手PLC控制系统设计.doc

Southwest university of science and technology 网络教育毕业设计 题题 目目 机械手 PLC 控制系统设计 2016 年年 3 月月 学校名称 西南科技大学 专业名称机电一体化技术（专） 学生姓名 学 号 指导教师 机械手机械手 PLC 控制系统设计控制系统设计 【摘要摘要】 机械手是能够模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓 （吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳 动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。在机械制 造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳 动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 在我国，工业机械手近年来有较快的发展，投入了大量的人力物力加以研究和 应用，并且很好的效果。 【关键词关键词】 可编程序控制器 PLC；机械手；限位开关；自动控制 Design of PLC control system of manipulator 【Abstract】 Manipulator is to be able to imitate manpower movement, and according to set program, locus and requirement substitute manpower to grab (inhale), take things or tool or the automation installation that operated， it can be partial to replace the handwork labor of person. The manipulator of higher level type can still imitate the arm movement of person，completes more complex work. In mechanical manufacturing industry, manipulator has been applied extensively，so improved the labor condition of worker greatly, raising labor productivity notably, quickly realize the step of industrial production mechanization and automation. 【Key word】 Programmable controller; Manipulator; Limit switch; Automatic control 目 录 第第 1 章章 绪论绪论.1 1.1 PLC 的发展及其应用.1 1.2 机械手的发展史.2 1.3 机械手前景展望.3 1.4 机械手分类及组成.3 第第 2 章章 机械手机械手 PLC 控制系统设计控制系统设计.3 2.1 程序的总体结构.6 2.2 OB100 中的初始化程序 .6 2.3 公用程序.7 2.4 手动程序.7 2.5 单周期、连续和单步程序.8 2.5.1 单步与非单步的区分 .9 2.5.2 单周期与连续的区分 .9 2.5.3 单周期工作过程 .10 2.5.4 单步工作过程 .10 2.5.5 输出电路 .11 2.6 自动返回原点程序.11 结束语结束语.12 致谢致谢.13 参考文献参考文献.14 1 第 1 章 绪论 1.1 PLC 的发展及其应用的发展及其应用 PLC 是一种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，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数核和 算术运算等操作的指令，并能通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械 生产过程。PLC 及其有关的外国设备都应按照易于与工业控制形成一个整体，易于 扩展其功能的原则而设计。 相对一般意义上的计算机。可编程控制器并不仅仅具有计算机的内核，它还配 置了许多使其适用于工业控制的器件。它实质上是经过一次开发的工业控制用计算 机。它在很大程度上使得工业自动化设计从专业设计院走进了工厂和矿山，完成了 普通工程技术人员力所能及的工作，再加上它体积小、可靠性高、抗干扰能力强等 优点，PLC 已在工业控制中获得了广泛的应用。 比较以前的继电接触器或普通计算机，PLC 具有它的很多优点，如：可靠性高、 抗干扰能力强、体积小、重量轻、能耗低、功能完善、易学易用、系统设计、施工、 调试周期短等。目前 PLC 已广泛应用于钢铁、是石油、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。 PLC 诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，如日本、德国、法国等国 家相继研制各自的 PLC。PLC 技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由 最初的 1 位机迅速发展为 8 位机。随着微处理器 CPU 和微型 计算机技术在 PLC 中的应用，形成了现代意义上的 PLC。现在的 PLC 产品 已使用了 16 位，32 位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理， 通信技术 PLC 的应用得到进一步发展。 权威人士预计，21 世纪，可编程控制器会有更大的发展，从技术上来看，计算 机技术的新成果会更多的应用于可编程序控制器的设计及制造上，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，规格齐备。完美的 人机界面，完备通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的要求。从市场上看，各 国各自生产多品种的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断 2 国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言，这是有利于可编程技术的发展及可 编程产品普及。 1.2 机械手的发展史机械手的发展史 机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械 手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁铁的工件抓放机构，控 制系统是示教形的。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型 机械手。商名为 UNIMATE（即万能自动） 。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、 俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手 就是在这基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司，专 门生产工业机械手。 1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 VEWRSATRAN 机械手。该机械 手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。 虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 UNIMATE 公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 unimate-vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位 误差小于1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起 重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国 knka 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本 是工业机械手发展最快，应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力 从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半 是进口。 目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向 主要是降低成本和提高精度。 第二代机械手正在加紧研制。它没有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉 能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手 具有感觉机能。 第三代机械手则能独立完成工作中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联 3 系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMS 中的重要一环。 1.3 机械手前景展望机械手前景展望 机械手目前多数应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业， 它可按事先制定的程序完成操作，但普通不具备传感反馈能力，不能应付外景的变 化。如发生某些偏离时，将引起零件甚至机械手本身的损害。 为此，机械手发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，设它拥有一定的传 感能力，能反馈外界条件的变化作相应的变更，如位置发生稍些偏差时即能更正， 并自行检测。重点是研究视觉功能，将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结 合，从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态。 1.4 机械手分类及组成机械手分类及组成 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； 按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨道控制方式可分为点位 控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。 执行机构：包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有 液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。 控制系统：有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。它是机 械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给与机械手 的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间） ，同时按其控制系统的信息 对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故 障时即发出报警信号。 位置检测装置：控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实 际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整， 从而使执行机构以一定的进度达到设定位置。 4 第 2 章 机械手 PLC 控制系统设计 为了满足生产的需要，很多设备要求设置多种工作方式，如手动方式和自动方 式，后者包括连续、单周期、单步、自动往回出始状态几种工作方式。 如图 1-1 所示，某机械手用来将工件从 A 点搬运到 B 点，控制面板如图 1-2 所 示，图 1-3 是 PLC 的外部接线图。输出 Q4.1 为 1 时工件被夹紧，为 0 时被松开。 图 1-1 机械手示意图 如图 1-2 操作面板 工作方式选择开关的 5 个位置分别对于 5 种工作方式，操作面板左下部的 6 个 按钮是手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括 PLC 发生故障时）能可靠地切断 PLC 的负载电源，设置了交流接触器 KM(见图 1-3） 。在 PLC 开始运行时按下“负 载电源”按钮，使 KM 线圈得电并自锁，KM 的主触头接通，给外部负载提供交流 电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。 5 如图 1-3 外部接线图 系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点 5 种工作方式，机械手在最上面 和最左边且松开时，称为系统处于原点状态（或称初始状态） 。在公用程序中，左限 位开关 I0.4、上限位开关 I0.2 的常开触点和表示机械手松开的 Q4.1 的常闭触点的串 联电路接通时， “原点条件”存储器为 M0.5 变为 ON。 如果选择的是单周期工作方式，按下起动按钮 I2.6 后，从初始步 M0.0 开始， 机械手按顺序功能图 1-8 的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。如 果选择连续工作方式，在初始状态按下起动按钮后，机械手从初始步开始一个周期 接一个周期地反复连续工作。按下停止按钮，并不马上停止工作，完成最后一个周 期工作后，系统才返回并停留在初始步。在单步工作方式，从初始步开始，按一下 起动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停在该步，在 按一下起动按钮，又往前走一步。单步工作方式常用于系统的调试。 6 在进入单周期、连续和单步工作方式之前，系统应处于原点状态;如果不满足这 一条件，可选择回原点工作方式，然后按起动按钮 I2.6，使系统自动返回原点状态。 在原点状态，顺序功能图中初始步 M0.0 为 ON，进入单周期、连续和单步工作方式 作好了准备。 2.1 程序的总体结构程序的总体结构 项目的名称为“机械手控制” ，在主程序 OB1 中（见图 1-4） ，用调用功能（FC)的方式来 实现各种工作方式的切换。公用程序 FC1 是无条 件调用的，供各种工作方式公用。由外部接线图 可知，工作方式选择开关是单刀 5 掷开关，同时 只能选择一种工作方式。选择手动方式时调用手 动程序 FC2，选择回原点工作方式时调用回原点 程序 FC4，选择连续、单周期和单步工作方式时， 调用自动程序 FC3。 在 PLC 进入 RUN 运行模式的第一个扫描周 期，系统调用组织块 OB100，在 OB100 中执行初始化程序。 2.2 OB100 中的初始化程序中的初始化程序 机械手处于最上面和最左边的位置、夹 紧装置松开时，系统处于规定的初始条件， 称为“原点条件” ，此时左限位开关 I0.4、 上限位开关 I0.2 的常开触点和表示夹紧装置 松开的 Q4.1 的常闭触点组成的串联电路接 通，存储器位 M0.5 为 1 状态（见图 1-5） 。 对 CPU 组态时，代表顺序功能图中的 各位的 MB0-MB2 应设置为没有断电保持功 能，CPU 起动时它们均为 0 状态。CPU 刚进入 RUN 模式的第一扫描周期执行图 1-5 中的组织块 OB100 时，如果原点条件满足，M0.5 为 1 状态顺序功能图中的初始步 对应的 M0.0 被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式作好准备。如果此时 图 1-5 OB100 初始化程序 7 M0.5 为 0 状态，M0.0 将被复位，初始步为不活动步，禁止在单步、单周期和连续 工作方式工作。 2.3 公用程序公用程序 图 1-6 中的公用程序用自动程序和手动程序相互切换的处理。当系统处于手动 工作方式和回原点方式，I2.0 或 I2.1 为 1 状态。与 OB100 中的处理相同，如果此时 满足原点条件，顺序功能图中的初始步对应的 M0.0 被置位，反之则被复位。 当系统处于手动工作方式时，I2.0 的常开触点闭合，用 MOVE 指令将顺序功能 图中除初始步以外的各步对应的存储器位（M2.0-M2.7)复位，否则当系统从自动工 作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个 活动步的异常情况，引起错误的动作。在非连续方式，将表示连续工作状态的标准 M7.0 复位。 如图 1-6 公用程序 2.4 手动程序手动程序 图 1-7 是手动程序，手动操作时用 I0.5-I1.2 对于的 6 个按钮控制机械手的升、 8 降、左行、右行和夹紧、松开。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一 些必要的联锁，例如限位开关对运动极限位置的限制；上升与下降之间、左行与右 行之间的互锁用来防止功能相反的两个输出同时为 ON。上限位开关 I0.2 的常开触 点与控制左、右行的 Q4.4 和 Q4.3 的线圈串联，机械手升到最高位置才能左右运动， 以防止机械手在较低的位置运行时与别的物体碰撞。 图 1-7 手动程序 2.5 单周期、连续和单步程序单周期、连续和单步程序 图 1-8a 是处理单周期、连续和单步工作方式的功能 FC3 的顺序功能图，图 1-8b 上梯形图程序。M0 和 M20-M27 用典型的启停电路来控制。 单周期、连续和单步这 3 种工作方式主要是用“连续”标志 M0.7 和“转换允 许”标志 M0.6 来区分的。 9 2.5.1 单步与非单步的区分 图 1-8 顺序功能图 M0.6 的常开触点接在每一个控制代表步的存储器位的起动电 路中，它们断开时禁止步的活动状态的转换。如果系统处于单步工作方式，I2.2 为 1 状态，它的常闭触点断开， “转换允许”存储器位 M0.6 在一般情况下为 0 状态， 不允许步与步之间的转换。单某一步的工作结束后，转换条件满足，如果没有按起 动按钮 I2.6，M0.6 处于 0 状态，起保停电路的起动电路处于断开状态，不会转换到 下一步。一直要等到按下起动按钮 I2.6，M0.6 在 I2.6 的上升沿 ON 一个扫描周期， M0.6 的常闭触点接通，系统才会转换到下一步。系统工作在连续、单周期（非单步） 工作方式时，I2.2 的常闭触点接通，使 M0.6 为 1 状态，串联在各起保停电路的起动 电路中的 M0.6 的常开触点接通，允许步与步之间的正常转换。 图 1-8a 顺序功能图 图 1-8b 梯形图 10 2.5.2 单周期与连续的区分 在连续工作方式，12.4 为 1 状态。在初始状态按下起动按钮 I2.6，M2.0 变为 1 状态，机械手下降。与此同时，控制连续工作的 M2.7 的线圈“通电”并自保持。 当机械手在步 M2.7 返回最左边时，I0.4 为 1 状态，因为“连续”标志位 M0.7 为 1 状态，转换条件 M0.7.I0.4 满足，系统将返回步 M2.0,反复连续地工作下去。 按下停止按钮 I2.7 后，M0.7 变为 0 状态，但是系统不好立即停止工作，在完成 当前工作周期的全部操作后，在步 M2.7 返回最左边，左限位开关 I0.4 为 1 状态， 转换条件 M0.7。I0.4 满足，系统才返回并停留在初始步。 在单周期工作方式，M0.7 一直处于 0 状态。当机械手在最后一步 M2.7 返回最 左边时，左限位开关 I0.4 为 1 状态，转换条件 M0.7.I0.4 满足，系统返回并停留在初 始步。按一次起动按钮，系统只工作一个周期。 2.5.3 单周期工作过程 在单周期工作方式，I2.2（单步）的常闭触点闭合，M0.6 的线圈“通电” ，允许 转换。在初始步时按下起动按钮 I2.6，在 M2.0 的起动电路中， M0.0、I2.6、M0.5(原点条件）和 M0.6 的常开触点均接通，使 M2.0 的线圈“通电” ， 系统进入下降步，Q4.0 的线圈“通电” ，机械手下降;碰到下限位开关 I0.1 时，转换 到夹紧步 M2.1，Q4.1 被置位，夹紧电磁阀的线圈通电并保持。同时接通延时定时器 T0 开始定时，定时时间到时，工件被夹紧，1S 后转换条件 T0 满足，转换到步 M2.2。以后系统将这样一步一步地工作下去，直到步 M2.7，机械手左行返回原点位 置，左限位开关 I0.4 变为 1 状态，因为连续工作标志 M0.7 为 0 状态，将返回初始 步 M0.0，机械手停止运动。 2.5.4 单步工作过程 在单步工作方式，I2.2 为 1 状态，它的常闭触点断开， “转换允许”辅助继电器 M0.6 在一般情况下为 0 状态，不允许步与步之间的转换。设系统处于原点状态， M0.5 和 M0.0 为 1 状态，按下起动按钮 I2.6，M0.6 变为 1 状态，使 M2.0 的启动电 路接通，系统进入下降步。放开启动按钮后，M0.6 变为 0 状态。在下降步，Q4.0 的 线圈“通电” ，当下限位开关 I0.1 变为 1 状态时，与 Q4.0 的线圈串联的 I0.1 的常闭 11 触点断开（见图 1-10 输出电路最上面的梯形图） ，使 Q4.0 线圈“断电” ，机械手停 止下降。I0.1 的常开触点闭合后，如果没有按起动按钮，I2.6 和 M0.6 处于 0 状态， 不会转换到下一步。一直要等到按下起动按钮，I2.6 和 M0.6 变为 1 状态，M0.6 常 开触点接通，转换条件 I0.1 才能使图 1-8 中的 M2.1 的启动电路接通，M2.1 的线圈 “通电”并自保持，系统才能由步 M2.0 进入步 M2.1.以后在完成某一步的操作后， 都必须按一次起动按钮，系统才能转换到下一步。 图 1-8 中控制 M0.0 的起保停电路如果放在控制 M2.0 的起保停电路之前，在单步工作方式步 M2.7 为 活动步时按起动按钮 I2.6，返回步 M0.0 后，M2.0 的起 动条件满足，将马上进入步 M2.0.在单步工作方式，这 样连续跳两步是不允许的，将控制M2.0 的起保停电路 放在控制 M0.0 的起保停电路之前和 M0.6 的线圈之后 可以解决这一问题。在图 1-8 中，控制 M0.6（转换允 许）的是起动按钮 I2.6 的上升沿检测信号，在步 M2.7 按起动按钮，M0.6 仅 ON 一个扫描周期，它使 M0.0 的线圈通电后，下一扫描周期处理控制 M2.0 的起保停 电路时，M0.6 已变为 0 状态，所以不会使 M2.0 变为 1 状态，要等到下一次按起动按钮时，M2.0 才会变为 1 状态。 2.5.5 输出电路 出电路（见图 1-9）是自动程序 FC3 的 一部分，输出电路中 I0.1I0.4 的常闭触点 是为单步工作方式设置的。以下降为例，当 小车碰到限位开关 I0.1 后，与下降步对应的 存储器位 M2.0 或 M2.4 不会马上变为 OFF，如果 Q4.0 线圈不与 I0.1 的常闭触点 串联，机械手不能停止在下限位开关 I0.1 处， 还会继续下降，对于某些设备，可能会造成 事故。 图 1-9 输出电路 12 2.6 自动返回原点程序自动返回原点程序 图 1-10a、b 是自动回原点程序的顺序功能图和梯形图。在回原点工作方式， I2.1 为 1 状态，按下起动按钮 I2.6，M1.0 变为 1 状态并保持，机械手上升，升到上 限位开关时改为左行，到左限位开关时，I0.4 变为 1 状态，将步 M1.1 和 Q4.1 复位。 机械手松开后原点条件满足， M0.5 变为 1 状态， 在公用程序中，FC3 的初始 步 M0.