基于PLC的机械臂控制

1、天津理工大学本科生毕业论文（设计）题 目： 基于PLC的机械臂控制 姓 名： 学 院： 自动化学院 专 业： 自动化 班 级： 学 号： 指导教师： 完成时间： 2014年6月1日54基于PLC的机械臂控制摘 要啤酒是当今世界上消费量最大的酒类饮料，全球啤酒产量已连续多年稳步增长,我国的啤酒产量2002年达到2386万吨超过美国成为世界上啤酒生产和消费量最大的国家。过去的人工抓瓶装箱已经显得效率低下，因此机械臂的加入尤为重要，它不仅抓取快，而且能够适应恶劣的工作环境，以机械臂装箱配合入库，工作效率非常高。在本设计中主要介绍了国内外机械臂研究现状及PLC的发展趋势，简要的描述了机械臂控制系统的工

2、作原理和动作的设计实现过程。研究了基于PLC的机械臂控制，并以学校实验室的三自由度机械臂的实物为模型实现控制系统的设计。 关键词：啤酒；机械臂；PLC； AbstractBeer is the world's largest alcoholic beverage consumption, a steady rise in global beer production has for many years, China's beer production in 2002 reached 23.86 million tons more than the United States

3、to become the largest country in the beer production and consumption in the world. The past artificial catch bottle packing is inefficient, so the addition of mechanical arm is particularly important, it not only crawl fast, and can adapt to bad working environment, with packing and mechanical arm w

4、ith warehousing, work efficiency is very high. In this design, this paper introduces the mechanical arm research status at home and abroad and the development trend of PLC, describes the working principle of mechanical arm control system and implementation process. Studied the model of manipulator b

5、ased on PLC control system design.Key words: beer; Mechanical arm; PLC;目 录摘 要第一章 绪 论11.1 课题研究目的及意义11.2 国内外机械臂研究概况11.3 课题研究的内容2第二章 机械臂控制方式的选择和可编程序控制器简介32.1 机械臂控制方式的选择32.1.1 控制方式的分类32.1.2 PLC与工业控制计算机（IPC）和集散控制系统（DCS）的比较32.1.3 机械臂控制方式的选定42.2 可编程序控制器简介52.2.1 PLC的结构.52.2.2 PLC的特点62.2.3 PLC的主要功能72.2.4 PLC

6、的经济分析72.2.5 PLC发展状况及趋势8第三章 机械臂模型控制系统的设计93.1 机械臂控制系统构件概述93.1.1 步进电机93.1.2 步进电机驱动器93.1.3 传感器113.1.4 直流电机驱动单元123.2 机械臂的动作实现过程123.3 PLC程序设计143.3.1 I/O点数的确定及PLC类型的选择143.3.2 PLC的I/O分配143.3.3 编程指令的选择143.3.4 PLC程序的设计153.4 PLC程序的调试153.4.1 PLC控制的安装与布线153.4.2 机械臂控制系统的外部接线图163.4.3 机械臂控制程序的调试16第四章 组态王在机械臂控制系统中的应

7、用174.1 组态王的概述174.1.1 组态王的简介174.1.2 组态王的构成174.1.3 组态王的主要特性和功能184.1.4 组态王的编程语言184.1.5 组态王的数据结构194.1.6 组态王的作用194.2 工程的建立与变量的定义204.2.1 工程的建立204.2.2 变量的分配204.2.3 变量定义的步骤214.2.4 设备与变量连接234.3 工程画面的创建244.3.1 封面窗口及监控画面的制作254.3.2 运行策略的建立及脚本程序的编写274.4 动画的连接314.4.1 指示灯的动画连接314.4.2 机械臂的动画连接324.5 组态运行35第五章 结 论 36

8、参考文献37致 谢38附 录39附录1 程序流程图39附录2 顺序功能图42附录3 梯形图43附录4 指令表45 附录5 PLC外部电气接线图.48天津理工大学自动化学院本科毕业设计第一章 绪 论1.1 课题研究目的及意义机械臂是工业自动化领域中常常需要的一种高效可靠地自动化装置。这些年来伴随着工业自动化领域的技术革新，机械臂逐渐发展起来，并得到了较快的发展。机械臂广泛地应用在锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各种不适宜人介入的工序。尤其是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械臂以其显著的优势而受到广泛的应用。总之，机械臂在提高劳动生产率，改善劳动条件

9、，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化中占据了重要的位置。无论是在国内还是国外，都十分重视它的应用与发展。可编程序逻辑控制器(PLC)就是专门针对工业环境而设计生产的一种逻辑控制器。伴随着微电子技术行业、自动控制技术行业和计算机通信技术行业的突飞猛进，PLC也在硬件、软件、通讯等功能以及模拟量输入输出控制等方面取得了长足的进步，成为工业自动化生产中必不可少的高科技装备。由于实际生产中人力物力的投入很高，因此自动化技术的加入在节省人力物力等方面优势巨大，而且PLC也具有很多其他种类控制器所不具备的优势，比如通用性高、稳定性好、配套设备齐全、编程软件简单易学，因此PLC是工业生产中必不可少的控制器

10、之一。机械臂已经在欧美等发达国家有着广泛应用，例如用于采摘果实、收割庄稼、汽车结构焊接等。目前来看，我国的自动化水平还处于起笔阶段，是一个年轻的行业，应用PLC来控制的机械臂还不是很多。本次课题设计的就是基于PLC的机械臂控制。通过此次设计不仅能够更进一步学习PLC的控制方式和编程环境，更重要的是可以在实际操作过程中对PLC有更深的理解。就目前来看，啤酒是当今前世界消费量最大的酒类饮料，千秋的啤酒产量需求越来越大，而我国更是一个啤酒消费大国。因此这次设计便是以些小的啤酒生产线成品啤酒的装箱环节中三自由度机械臂为硬件来实现基于PLC的机械臂控制目的。过去的人工抓瓶装箱已经显得效率低下，因此机械臂

11、的加入尤为重要，它不仅抓取快，而且能够适应恶劣的工作环境，以机械臂装箱配合入库，工作效率非常高。1.2 国内外机械臂研究概况工业机械臂的产生是伴随着近代工业自动化水平的突飞猛进以及实际生产中的需要发展而来的，如今已经成为实际生产中必不可少的自动化装置。工业机械臂的加入显著提高了生产过程的自动化程度并且改善了劳动条件、提高了产品质量和生产效率。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。近年来在我国工业机械臂的发展也是非常迅速的，需求量也是越来越大。自二十世纪六十年代初第一套机械臂系统的诞生，经过将近40年的发展，现如今已经在工业生产中扮演着重要的角色。目前，正式服役

12、于生产中的机械臂大多属于比较老式的一种，即程序开环控制机械臂。这种机械臂大多采用点位控制，也就是没有反馈系统，不能根据实际情况的变化作出调整，这类机械臂主要应用于焊接、喷漆和上下料等用途。如今使用比较广泛的机械臂已经和以前大有不同，他加入了反馈系统，也就是说有个感觉，虽然它仍然以程序控制为基础，但它能够根据实际生产中的偏差来调整动作。这种机械臂广泛应用接触传感器一类的简单传感器和相应的自适应控制算法来实现。而现在最新的机械臂则是在前两种的基础上进行改良可再造，它既能够感知外界环境和操作对象，又具有对复杂信息进行收集和处理的能力，能够对自身的动作实现自我智能化控制。用拟人的方法来说，它具有触觉、

13、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，就像工人一样能实现搜索、追踪、辨识等多种仿生功能，而且就像专家一样，十分专业。目前机械臂的发展较为多元化，出现了仿人型机械臂、微型机械臂、智能机械臂等多种各具特色的机械臂。机械臂的应用领域正由以前主攻工业生产转向向非制造业和服务业，而且现在加入更多尖端科技的军事机械臂也广泛应用于军事领域。在欧美等发达国家近几年机械臂的发展趋势迅猛，伴随着机械臂性能不断提高，价格的不断下降，机械结构模块化、可重构化以及控制系统向基于PC机的开放型控制器，越来越多的满足各种需要的机械臂如雨后春笋般涌现。在国内，目前机械臂的应用主要在喷涂机械臂、装配机械臂、弧焊机械臂、搬运机械臂、

14、点焊机械臂、特种机械臂，基本掌握了机械臂的设计制造，控制驱动系统的设计和配置以及软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆、弧焊以及周边配套设备的全套自动通信、协调和控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械臂焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来看，我国目前在自行设计和制造机械臂的方面已经没有技术障碍。1.3 课题研究的内容本课题以啤酒瓶的抓取为研究对象，应用PLC进行控制设计为主要内容，对缓冲区的成品啤酒进行抓取装箱，应用PLC指令对伺服驱动器、步进电机驱动器以及直流电机三个对象进行算法控制，通过各个环节上相应传感器的反馈信息进行算法调节达到精确可靠抓取啤酒瓶并放入箱内的功

15、能。第二章 机械臂控制方式的选择和可编程序控制器简介2.1 机械臂控制方式的选择2.1.1 控制方式的分类较早的工业自动控制主要基于继电器和一些分离的电路原件进行，这种控制器投资相对少一些，目前这种设备仅存的一些都服役于老企业和自动化程度很低的小企业，由于这种设备存在很多缺陷，如仅适合于简单的逻辑控制，通用性差，不便于优化和改造等，已遭到淘汰。我国在逻辑控制器为主力的自动化控制的大背景下，正以迅猛的步伐进行改造。逻辑控制器控制有硬件上至少有一个微处理器、通过软件实现控制思想的特点。在工业自动化控制领域应用最多也对为广泛的有三种，即可编程序逻辑控制器（PLC）；工业控制计算机（IPC）；集散控制

16、系统（DCS）。2.1.2可编程序逻辑控制器（PLC）、工业控制计算机（IPC）以及集散控制系统（DCS）的比较1、各自技术发展的起源计算机可以满足快速大量数据处理要求。其标准的硬件配置，标准的总线协议，以及超前的兼容性，丰富的软件资源无一不是它的优势所在，加之实时操作系统的支持，使它在控制模型复杂和数据量巨大的控制对象时如鱼得水。DCS在工业自动化仪表控制系统发展到分布式控制系统采用工业控制计算机为中心，所以它在模拟处理，控制一定的优势，最初主要应用于连续过程控制。PLC是由继电器逻辑控制系统成长而来，在工序控制方面应用较多，早期PLC产品主要是代替继电器控制系统，其功能以开关量的顺序控制为

17、主。近年来伴随着各种高新技术的发展和成熟，越来越多的新技术加入到了PLC中，PLC在技术和功能上发生了质的飞跃。在早期逻辑开关量控制的基础上，增加了算数运算、反馈调节等功能，增加了模拟量输入输出和PID调节算法等功能模块；运算速度有了提高，中央处理单元的能力赶上了工业控制计算机的水平；而且随着通信能力的提高，衍生了多种局部总线和网络协议，应用这些也可构成为一个集散系统。最重要的是个人机算机也引入到了PLC系统当中，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、相同点在硬件方面，PLC、工业计算机、集散系统之间的界限逐渐模糊，各自的功能差异也在逐步缩小，都将由类

18、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同点。3、不同点虽然在硬件方面的差距逐渐缩小，但毕竟PLC和计算机是不同种类的两种产品，经过了多年的优化和发展都形成了各自独立的生态环境，尤其在各自的软件资源方面区别很大。在编程环境方面，PLC主要使用编程器或者计算机软件编写程序，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。集散系统本身或用计算机布局形成组态形成开发系统环境。需要特别之处的是PLC于STD总线工控机之间的区别，他们无论从维修、安装和模块组件功能都相差不多。PLC在脱机模式下运行表现出色，但当它在线运行时如果想对他进行较大数据量的修改，其

19、能力比于STD工控机稍差，但是单纯从开关量的控制来说，PLC则是不二选择。在选择控制器的时候，首先要从控制精度，控制需求，控制对象和经济节能的要求考虑。没有一种控制器可以用于各种环境，也没一种控制器一无是处，我们只可以根据不同的需要和不同的工作环境选择一种最适合的来蛮子我们的需要即可。2.1.3 机械臂控制方式的选定PLC是通过在电脑上的专用软件编写控制程序然后通过下载线将程序下载到控制器来实现控制的。这种软件继承了PLC厂家的指令系统，而且厂家针对各自的PLC特点进行相应的修改和功能增强。公司自成立以来，经过20年的发展，在发达国家，欧洲，日本和其他美国目前已经成为一个重要的行业，PLC已成

20、为国际市场的最流行的工业控制产品，应用PLC编程实现程序控制设备已经是但仅世界的大潮流。之所以PLC可以胜任各种工业场合的控制要求，离不开他针对工业场合的专门设计和优化：高可靠性、高抗干扰的能力。编程安装使用简便、低价格长寿命。相比于单片机，他的输入输出更加的接近工业现场，不需要再在控制器与设备之间加更多的转换以及驱动单元，这样大大节省了设备组建的时间和工程量。PLC输入是一个继电器，晶体管和可控硅控制单元，上端与一般微机用户连接。当人们想要对PLC惊醒应用是，不需要花大量时间进行专门的计算机应用培训就能对可编程控制器进行编程操作和下载，并应用他来实现自己想要的难易不同的工业控制任务。PLC的

21、优点还有很多。机械臂的控制器如果选用PLC，不仅能够减小体积和重量，而且控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易，更重要的是可以便于以后的扩展和改造。正因为PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展等优点，才能够很据现场的不同需要完成用户的控制需求。机械臂采用PLC作为控制器，大大提高了系统的集成度，介绍呢过了空间，避免了繁杂的接线与工作量巨大的弊端，提高了控制系统的可靠性。同时，用PLC作为控制器可以方便的对系统流程进行更改和优化。综上所述，机械臂的控制方式选择PLC进行控制最高效可靠。2.2 可编程序控制器简介可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简

22、称PLC，是从早期的继电器逻辑控制系统进化而来，它不断地改进增强优化，不断地向微型计算机靠拢，从而逐步的适应了复杂控制任务的处理。2.2.1 PLC的结构PLC很像一般的微型计算机，都是有硬件软件系统组成。PLC的硬件系统由中央微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出口(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备以模块的形式拼接而成。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：外设I/O接口 输出部件存储器 EPROM 微处理器 运算器 控制器电源 输入部件I/O扩展接口 I/O扩展单元 受控元件输入信号外部设备图2-

23、1 PLC硬件结构图PLC的软件系统是指PLC所使用的各种软件和指令的集合，一般可分为系统固化程序和用户下载程序两大部分。系统固化程序是PLC产品必须包括的部分，由PLC的制造商提供的，用来控制PLC的操作和运行，系统程序存储在EPROM。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件程序合二为一组成了一个完整的PLC系统，他们相辅相成，缺了那一部分都不能正常工作。2.2.2 PLC的特点可编程序逻辑控制器简称PLC，它的主要核心部件是一种类似于微机处理器的中央处理单元，因此它相当于专门用作自动化控制的计算机。当今国内国外普遍应用可编程逻辑控制器作为机械臂的控制器，在智能化要求高控制

24、容量大的机械臂控制系统中更是离不开PLC。主要是因为PLC具有以下几点优势：1、灵活、通用在传统的继电器控制系统中，应用的主要控制部件是继电器，整个系统需要预先设计好，然后根据设计好的图纸进行布线焊接施工，所用设备固定，每套系统只对应一种设备，如果工艺上出现一些小的改进或者调整，需要对控制系统加以调整的话，那么之前装好的整个控制系统都要进行拆除，然后对其重新进行布线焊接施工等工作，浪费了大量的人力、物力、精力和时间。可编程逻辑控制器的出现改变了这一现状，它是将程序存储在自身内置的存储芯片上，根据用户存储在芯片中的程序进行控制，如果遇到控制对象改变或者工艺流程改进的话，不需要将整个系统拆除，只需

25、要将相应的线接好然后根据需要编写控制程序即可。而且PLC更为强大的是如果当前控制系统需要改变，只需要对PLC进行编程不需要再进行复杂的改造了，因此PLC作为控制器具有很大的灵活性、通用性。2、可靠性高、抗干扰能力强对于工业现场中的机械臂来说，高可靠性、强抗干扰能力是非常重要的一项指标，这与生产安全和人员安全息息相关，如何让控制器适应工业现场各种复杂恶劣的环境是研制每一种控制系统必须要考虑的问题。现代化的PLC设备普遍采用技术成熟的微电子原件和芯片，传统的继电器开关量输入输出由无损耗无误触发的半导体原件替代，其可靠性程度是使用传统以继电器来实现的机械结构所无法比及的。而且为了让PLC在环境极为恶

26、劣的工业现场稳定工作，工程师们还在其设计和制造过程中对PLC的硬件层面和软件层面采用了一系列可靠的抗干扰措施，让其在环境恶劣的工业现场也能游刃有余。3、操作方便、维修容易PLC的编程采用的语言是电气操作人员普遍熟悉的的梯形图和功能助记符，用户可以很方便快速的掌握PLC的编程。对于使用者来说，几乎不需要在进行专门的计算机知识培训便可完成简单的编程控制。工程师编好的程序也能十分清晰直观的展现在使用者面前，只需要将操作说明书写清楚，操作人员经短期的学习就可以使用。4、功能强现代化的PLC不仅具有传统条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且更加强大的是它能够完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理

27、以及通信联网和生产过程监控等任务。因此在开关量和模拟量的混合控制中无需再增加单独的设备进行改造。PLC既可以对对象控制也能对整套生产线进行控制，还能实现本地设备远程监控等多种复杂的任务。5、体积小、重量轻和易于实现机电一体化由于传统控制系统需要应用大量的继电器等元件，导致其体积、重量很难缩减，现如今，PLC的出现使用了大量的微电子元件，这样一来无论从体积还有质量上都大大减小，而且PLC是为了工业控制而设计的专用控制器，在结构紧凑、坚固耐用、体积小巧等方面都进行了专门优化和设计，再加上PLC超强的抗干扰能力，让其成为了工业生产控制中不二的选择。但是，可编程序逻辑控制器控制也有其不足的地方，在价格

28、上高于继电器，在开发易用性上不如单片机，而且程序不通用，不同厂家的PLC程序不能通用，都需要各自的编程软件和配套的功能模块。2.2.3 PLC的主要功能PLC是一种应用广泛、发展迅速的工业自动化控制装置，尤其在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)的应用领域占据重要地位。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。如今PLC的重量、体积、功耗在原有基础上不断改进，硬件价格也逐渐走低，虽然在配套软件上价格较高，但是各厂商为了使自己的产品推广开也都地自己的软件价

29、格进行了较大幅度的调整。另外，工业生产中采用PLC还可以大大缩短设计施工周期，尽快投入生产。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。总之，在各种环境中，PLC控制机械设备的使用在自动化生产线和生产过程的控制将更加广泛。2.2.4 PLC的经济分析对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目前生产设备的控制装置有三种类型：继电器控制；半导体器件控制；PLC控制。价格相对于其他两种控制系统来说不能作为选择PLC品牌的一个因素，而可靠性和易用性则是选择PLC无可挑剔的重要原因。2、从设计、生产周期长短考虑对旧设备进行改造，设计新的生产

30、机械设备，优先考虑的就是生产、设计周期问题，生产、设计周期越短，投入生产越早，盈利的时间就早。甚至希望设计、安装、调试的同时就能够进行生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造的时候，原有的生产流程不能停止，增加的流程也要在之前的基础上施工，因为工业生产中时间就是金钱，使用PLC就能轻松实现这一点。毫无疑问，就凭借这一点，PLC就可称为工业领域中的佼佼者。而且这些功能都是在传统继电器控制系统中无法实现的。使用PLC无需要对原有的布线进行大量改造，主要在程序上进行调整就可以完成，也就是说按照新的工艺流程对PLC程序重新进行设计和编写就能够对生产线进行改造。2.2.5 PLC发展状况及趋势现代化PLC

31、的发展主要面向两个方向：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、大型网络化主要向集散控制系统的发展方向，具有一定功能的DCS系统。网络化程度高通信能力强是PLC的发展目标，向下可与多个PLC相连，向上可以接入计算机、以太网等来构成整个工厂生产线控制系统。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 机械臂模型控制系统的设计3.1 机械臂控制系统构件概述本课题设计使用的是校研究室啤酒生产线机械臂抓瓶装箱环节的三自由度机械臂。机械臂使用滚珠丝杆、滑杆、气缸、

32、气夹等部件按照相应的功能进行组装来组成；使用的电器元件有步进电机、伺服电机、直流电机、步进电机驱动器、伺服放大器、光电传感器、金属接近开关、开关电源、电磁阀、气动阀等安装在相应的位置完成了实物装置的组装。3.1.1 步进电机采用二相八拍混合式步进电机来控制机械臂的动作，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，使机械臂的运动更加稳定。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3.1.2 步进电机驱动器步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。驱动器参数如下表3-1

33、、表3-2、表3-3、表3-4所示。PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理，如图3-2所示。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（见图3-2中1.5K电阻）。驱动器输入端为低电平有效。PLC通过控制其输出点来控制驱动器光耦的开合，当PLC输出线圈得电表3-1 电气规格说明最小值典型值最大值单位供电电压182440V均值输出电流0.2111.50A逻辑输入电流61530mA步进脉冲响应频率100kHz脉冲低电平时间51s表3-2 电流

34、设定电流值SW1SW2SW30.21AOFFONON0.42AONOFFON0.63AOFFOFFON0.84AONONOFF1.05A0FFONOFF1.26AONOFFOFF1.50AOFFOFFOFF表3-3 细分设定细分倍数步数/圈（1.8整步）SW4SW5SW61200ONONON2400OFFONON4800ONOFFON81600OFFOFFON163200ONONOFF326400OFFONOFF6412800OFFONOFF由外部确定动态改细分/禁止工作OFFOFFOFF表3-4 接线信号描述信 号功 能PUL脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步DIR方向信号：

35、用于改变电机转向，TTL平驱动OPTO光耦驱动电源ENA使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止GND直流电源地+V直流电源正极，典型值+24VA+电机A相A-电机A相B+电机B相B-电机B相时，晶体管导通，相应的触电输出低电平，使驱动器光耦导通，当PLC输出线圈失电时，晶体管关断，使驱动器光耦截止。另外若不采用驱动器，而采用PLC输出触点直接驱动步进电机，会占用很多的输出触点，同时给编程带来不便。图3-2 PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理3.1.3 伺服电机伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置

36、。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。3.1.4 伺服放大器伺服放大器 即伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。

37、一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功

38、率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。伺服进给系统的要求1、调速范围宽2、定位精度高3、有足够的传动刚性和高的速度稳定性4、快速响应，无超调为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。5、低速大转矩，过载能力强一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载46倍而不损坏。6、可靠性高要求数控机床的进给驱动系统可靠

39、性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。对电机的要求1、从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。2、电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载46倍而不损坏。3、为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。4、电机应能承受频繁启、制动和反转。3.1.4 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

40、块的位置，可以在一定范围内改变基座图3-3 传感器工作原理图和气夹的旋转角度。机械臂的伸缩、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，工作原理如图3-3所示。2、行程开关：当档块碰到开关时，常开点闭合。3.1.4 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，

41、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。电平转换板原理图如图3-4所示。图3-4 电平转换板原理图3.2 机械臂的动作实现过程机械臂的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。机械臂结构示意图如图3-5所示。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。机械臂的上升/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。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

42、转动方向来实现的。机械臂的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。当该线圈通电时，机械臂放松；该线圈断电时，机械臂夹紧13。打开电源，按下起动按钮时，开机复位。机械臂的动作示意图如图3-6所示机械臂若不在原点则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，机械臂上升。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，机械臂下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，气夹电磁阀断电，机械臂夹紧。夹紧后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，

43、机械臂上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向驱动器一只输入图3-5 机械臂结构示意图图3-6 机械臂的动作示意图脉冲信号，步进电机一正转，机械臂前伸，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，机械臂下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，同时夹紧电磁阀断电，机械臂放松。放松后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械臂上升。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。机械臂后缩，当后缩到底时碰到后限位开关，然后主机向

44、驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械臂下降。下降到底时碰到下限位开关，下降停止，回到原点。至此，机械臂经过八步动作完成一个循环14。3.3 PLC程序设计3.3.1 I/O点数的确定及PLC类型的选择本次设计使用的是啤酒生产线机械臂实物教学实验装置。本装置需采用晶体管输出型可编程控制器，可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进电机运行。由于机械臂系统的输入/输出点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，该机械臂的控制为纯开关量控制，且I/O点数不多，仅需11个输入点和9个输出点，考虑留有一定的裕量。故选用和利时LM-3106A主机，该机

45、输入点为14个，输出点为10个。3.3.2 PLC的I/O分配 根据机械臂动作的要求及机械臂实物教学实验装置说明指导，输入、输出点分配如表3-5所示。表3-5 PLC的I/O分配表名称输入名称输出右限位1I0.4步进电机 PULO1.1右限位2I0.3步进电机DIRO1.0右限位3I0.1步进电机 ENAO0.7左限位I0.5伺服电机方向O0.2下限位I1.1伺服电机使能O0.4上限位I1.2伺服电机脉冲O0.3步进限位I1.3夹瓶气动阀O0.5启动按钮I0.0直流电机+O0.1复位按钮I0.2直流电机-O0.03.3.3 编程指令的选择方案一：使用起保停电路的编程方式。用辅助继电器代表步，仅

46、仅使用与触电和线圈有关的指令。编出程序规范，具有易于阅读和容易查错的优点，但因为存在大量的自保持触点，使程序代码较长。方案二：采用以转换为中心的编程方式。这种编程方式与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，会有很大帮助。方案三：采用STL指令的编程方式。STL指令（步进梯形指令）是三菱厂家设计的专门用于顺序控制的指令，使用该指令可以使编制顺序控制程序更加方便，而且易于调试和维护，且代码较短。经论证本次设计采用的编程方式选用方案三。3.3.4 PLC程序的设计梯形图见附录3.4 PLC程序的调试由于PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，因此一般不需要采

47、取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都将不能保证PLC正常、安全、可靠的运行。因此，讨论PLC设计调试就具有十分重要的意义。3.4.1 PLC控制的安装与布线1、 输入接线（1）输入接线一般不要超过30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。 （2）输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。 （3）利用普通二极管恰当的串接在PLC输入回路中，防止信号干扰，使PLC输入信号大大增强。2、电源接线电源是PLC引入干扰的主要途径之一，PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源，这对提高PLC的可靠性有很大帮助

48、。PLC的供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备（如高频炉、弧焊机等）分开。为了提高整个系统的抗干扰能力，可编程序控制器供电回路一般可采用隔离变压器、交流稳压器、晶体管开关电源等。我们正是用了隔离变压器和交流稳压器来抗干扰。隔离变压器是初级和次级之间采用隔离屏蔽层，用漆包线或同等非导磁材料组成，电器回路上不允许短路，两极各引出一个接地抽头。初级与次级之间的静电屏蔽要联结到零点位，接地抽头配电容耦合最后引出到接地点。在选用交流稳压器时，一般可按照实际最大需求容量的130%计算。这样可以保证稳压特性又有助于稳压器工作可靠16。PLC供电电源为50Hz、220V±10%的交流电。由于本

49、设计使用的是FX1N系列可编程控制器，所以有直流24V输出接线端。该接线端可为输入及传感器（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。3、接地正确选择接地点，完善接地系统接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。所以我们给可编程控制器接上了专用接地线。3.4.2 机械臂控制系统的外部接线图PLC外部电气接线图见附录5。3.4.3

50、机械臂控制程序的调试在程序调试过程中出现了一系列的问题，但最终都一一解决了。在使用梯形图指令编程时，刚开始由于对梯形图指令掌握的不是很好，所以犯了不少错误，加上机械臂模型装置本身存在的一些问题，所以在调试程序时，机械臂动作不符合控制要求。经过不断查阅资料，研究、改进，最终程序调试成功。机械臂运行良好，动作正确、符合控制要求。第四章 组态王在机械臂控制系统中的应用4.1 组态王的概述4.1.1 组态王的简介组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。组态王kingview6.55是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面

51、向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。组态王保持了其早期版本功能强大、运行稳定且使用方便的特点，并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。组态王kingview6.55提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口；该款产品的历史曲线、报表

52、及web发布功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。组态王在保留了原报表所有功能的基础上新增了报表向导功能，能够以组态王的历史库或KingHistorian为数据源，快速建立所需的班报表、日报表、周报表、月报表、季报表和年报表。此外，还可以实现值的行列统计功能。组态王在web发布方面取得新的突破，全新版的Web发布可以实现画面发布，数据发布和OCX控件发布，同时保留了组态王Web的所有功能：IE浏览客户端可以获得与组态王运行系统相同的监控画面，IE客户端与Web服务器保持高效的数据同步，通过网络您可以在任何地方获得与Web服务器上相同的画面和数据显示、报表显示、报警显示等

53、，同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令，实现实时控制的功能。组态王集成了对KingHistorian的支持，且支持数据同时存储到组态王历史库和工业库，极大地提高了组态王的数据存储能力，能够更好地满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。KingHistorian是亚控新近推出的独立开发的工业数据库。具有单个服务器支持高达100万点、256个并发客户同时存储和检索数据、每秒检索单个变量超过20,000 条记录的强大功能。能够更好地满足高端客户对存储速度和存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。4.1.2组态王的构成组态王系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户的所有组

54、态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与数据库一起作为一个整体，才能构成用户引用系统。组态结果数据库完成了组态王系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图4-1所示。组态环境：组态生成应用系统运行环境：解释执行组态结果组态结果数据库图4-1 组态环境和运行环境关系图由组态王生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分组成，如图4-2所示。主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略姿态网工控组态软件菜单设计设置工程属性设定存盘结构添加工程设备连接设备变量注册设备驱动创建动画显示设置报警窗口人机交互界面定义数据变量编写控制流程使用功能构件图4-2 组态王用户应用系统结构图4.1.3 组态王的主要特性和功能(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结