基于PLC的机械手自动化控制系统实现方法研究

基于PLC的机器人自动控制系统实现方法研究--

工作台工件搬运机器人摘要随着可编程控制器应用技术的不断发展，PLC的应用范围日益扩大，这使得今天的工程技术人员在设计电气控制系统时考虑选择PLC控制而不是接触器控制。本文重点分析了基于PLC的机械手控制系统的组成，详细描述了以PLC为核心的步进电机综合控制的软硬件实现方法。该系统利用步进电机单位脉冲步进距离恒定的特点，对其采用开环点位控制。因此，整个运动可以看成是一条折线运动，每一次运动都可以看成是具有相同运动程序、不同特征参数的点的相对运动。它以起点为参考点，通过脉冲计数得到目标点的位置。手动操作机械手从参考点移动到目标点后，将目标点的特征参数保存在一个统一的列表中进行管理。这样就实现了在手动模式下使用关键点输入和自动模式查表方法的“复制”动作。关键词：可编程控制器、机械手、定位控制目录第1章前言11.1研究目的和意义11.1.1传统机械手11.1.2现代机械手11.2国外研究现状及发展趋势：21.2.1国外现状21.2.2发展趋势31.3主要研究内容、关键问题及待解决思路31.3.1概述31.3.2硬件选择31.3.3控制要求41.3.4输入/输出设备41.3.5PLC选项41.3.6I/O点分配41.3.7PLC编程41.3.8研究对象的特征4第2章硬件设计52.1机械手夹持结构52.1.1夹持机构-夹持器52.1.2结构52.2机器人躯干62.2.1组成62.2.2传动定位机构62.3传输系统82.3.1传输方式82.3.2步进电机及其驱动器82.4辅助系统162.4.1原点定位及超程保护162.4.2控制台16第3章软件设计183.1工作流程图183.2PLC选择及I/O口分配183.2.1PLC控制系统设计的基本原则183.2.2PLC控制系统设计步骤193.2.3CPU速度193.2.4PLC模块的选择203.2.5PLC品牌选择203.2.6PLC系列选择213.2.7输出方式233.2.8输入输出点数243.2.9I/O口分配原则243.2.10I/O端口分配参数253.3编程303.3.1存储区域分配303.3.2程序指令323.3.3初始化和报警程序413.3.4回原点程序433.3.5手动程序453.3.6自动程序49第四章后记534.1研究价值534.2特点534.3持续改进方向53参考文献54至55附录56文献综述57前言研究目的和意义传统机械手随着工业自动化的发展，机械手以其定位精度高、工作性能稳定、结构灵活多样、复制准确等特点，被广泛应用于轻重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域。.它的应用标志着制造业向自动化、无人化、节奏化、智能化方向迈进。就传统的继电器控制机械手而言，由于控制装置落后、接线复杂、易干扰、可靠性差、维修困难等问题，逐渐退出历史舞台。现代机械手可编程控制器因其诸多特点而被广泛应用于现代机械手控制系统中。，是指基于计算机技术的一种新型工业控制设备。它使用可编程存储器来存储用于执行诸如逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并且可以控制各种类型的数字或模拟输入和输出。机械和生产过程。其特点如下：抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。由于采用现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺，PLC采用先进的抗干扰技术，可靠性高。例如，三菱公司生产的F系列PLC的平均故障间隔时间高达30万小时。一些具有冗余CPU的PLC的平均故障间隔时间较长。就PLC的外部电路而言，与同等规模的继电器接触器系统相比，电气接线和开关触点已减少到数百甚至数千点，故障大大减少。此外，PLC具有硬件故障自检测功能，当出现故障时可发出报警信息。在应用软件中，用户还可以编写外围设备的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路和设备也能获得故障自诊断保护。配套设施齐全、功能完善、适用性强PLC的发展，形成了大、中、小型各种规模的系列产品。可用于各种规模的工业控制场合。除逻辑处理功能外，大多数现代PLC都具备完善的数据计算能力，可应用于各种数字控制领域。近年来，大量PLC功能单元的涌现，使PLC渗透到位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。再加上PLC通讯能力的增强和人机界面技术的发展，利用PLC组成各种控制系统非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是工矿企业的工业控制设备。其界面简单，编程语言易于工程技术人员接受。梯形语言的图形符号和表达方式与继电器电路图十分接近，只需PLC的少量开关逻辑控制指令即可轻松实现继电器电路的功能。它为不熟悉电子电路、计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了一扇方便的大门。系统设计施工工作量小，维护方便，改造容易PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备的外部接线，大大缩短了控制系统设计和建设的周期，使维护更容易。更重要的是，可以通过改变程序，用同样的设备改变生产工艺。这非常适合多品种小批量的生产场合。体积小、重量轻、能耗低以超小型PLC为例，其底部尺寸不到100mm，重量不到150g，功耗只有几瓦。由于体积小，易于安装在机械部分，是实现机电一体化的理想控制装置。配套设施齐全，功能完善，适用性强。国外研究现状及发展趋势国外地位广泛的应用。机械手作为一种根据人类意识简单替代人工操作的工具，广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高科技领域。、挖掘机等）、精确定位（医疗机械手辅助手术、电子元件机插入设备、印刷设备、CNC加工中心等）、仿真（残疾人假肢）等工作。结构多样性。机器人手之所以如此命名，是因为它们模仿了人类手的工作方式，而不是因为它的形状像一只手。在各种应用领域和各种工作级别中，机械手的形状各不相同，不受任何标准形状的限制。实用而摘要结构发挥其独特而高效的作用。智力。借助传感器反馈系统，将机械手工作时的动态信息反馈给中央处理器，实时控制动作。即使被操作目标的表面形状和位置不同，机械手也可以通过检测反馈信息自动判断夹持位置（定位位置），智能地将目标致到下一个工作环节。在生产车间，机器人可以实现无人化生产，搭建无人车间。发展趋势各种多功能机械手。适用于抓取各种物体，适用于各种用途，具有各种新功能。如装卸、装配、喷涂以及汽车行业各种功能的实现。具有熟练工人的功能。例如，开发的双臂多关节机械手可以像熟练工人一样进行各种装配、维修、焊接、喷涂等工作。工人的工作。完善的人机界面和完备的通讯功能，更适合各种工控场合。实现智能化，可进行多品种小批量的柔性生产，形成多种形式的制造系统。开发多种具有视觉、听觉和触觉的新型传感器，以及可以分析、判断和远程控制的智能机械手，为未来低成本、高精度、高效率、高度自动化的制造系统做准备。提高机械手的定位精度。通过安装视觉传感器、实时控制系统等措施，可以实现机械手运动中的实时位置反馈，提高机械手的定位精度。主要研究内容、关键问题及待解决思路摘要任务：实现机械手可以代替工人在两个工作台之间进行单调、长时间的移动工作。环境：高温危险作业区，可更换生产品种的中小批量柔性自动化生产线。要求：PLC控制，预设工作程序，动作灵活，可根据工件变化随时改变相关控制参数。硬件选择动力源——步进电机及其相应的驱动设备。机械手抓取部分采用电磁控制。每个部件都应结合现场工作环境进行检查和设计。本文所选择的设备仅作说明性选择，未经检查。不适用于特定设备制造，不代表最终机械手硬件。传动机构——机械臂采用滚珠丝杠螺母传动。减速机构——本文没有设计减速机构，如果实际生产中动力不足，可以单独加装。同时，为保证机械手有足够的定位精度，应保证减速机具有满足使用要求的传动精度。超程保护——设备运行过程中未能免除控制程序或电路故障，导致在极限位置继续发出正向信号，烧毁步进电机或其驱动设备。在该结构中，限位处采用行程开关进行超程保护，每个限位预留一定的工作区域，不作为工作行程。操作台布局——尽量人性化，显示实时工作状态和故障报警。控制要求定位精度——采用步进电机和步进电机驱动器作为动力驱动设备，采用开环点位控制，满足定位要求。路径是不受干扰的-没有干扰，没有安全风险。可以设置中间点，避免走弯路。故障报警系统——具有故障位指示功能。输入/输出设备输入：指令按钮、旋钮、急停按钮、报警及指示装置。输出：指示灯、二极管、步进电机及其驱动设备、电磁机械手。PLC选型保证设计所需的指令、I/O点数、电压、输出方式等要求，选择物美价廉、应用广泛的产品，降低设计总成本。I/O点分配合理选用符合设备点要求的PLC，减少不必要的浪费。优先分配特殊I/O点，注意相关指定输入输出端子，分类分配。PLC编程可移植性——制定参数存储区，存储点来控制机械手的关键点。只需一次手动操作即可完成自动程序的点编程，降低对操作人员的专业要求，实现远程、高度灵活的工件转移。继承——细化的程序段，表示详细的程序描述，为后期维护和二次开发提供依据。研究对象的特征该设计的应用研究贴近企业生产，具有较强的可行性、实用性和经济性。该设备可应用于中小批量生产的柔性制造自动化生产线，实现工件在两个工作台之间的移动，大大降低工人的劳动强度，减少人力资源的浪费，节约生产成本，提高生产效率，并降低人工成本。疏忽造成的安全事故。在恒温环境和不适合与人直接接触的危险环境（如高温、辐射、剧毒、厌氧、高海拔等恶劣的环境）。优势。硬件设计机械手夹持结构夹持机构-夹持器机械手的夹持器是用来抓取工件的部件。其结构模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量可分为两指、三指、四指等，其中两指用得较多。夹头有多种形状和尺寸可供选择，以适应操作，具体取决于要夹持的物体的形状和尺寸。夹具在抓取工件时应快速、灵活、准确、可靠。在设计过程中，应根据需要检查机械手的运行速度、加速度、抓取物体的重量、惯性和冲击力、开口尺寸，并应能自锁以防止被抓取物体掉落由于电源故障或设备故障。结构体假设被装夹工件为带槽的回转体，自重不超过机械手的内容安全载荷，则作如下结构设计该方案不检查具体参数，结构仅适用于部分工作环境。。该方案不检查具体参数，结构仅适用于部分工作环境。图2.1机械手夹爪示意图1.卡爪2.轴3.压缩弹簧4.电磁铁芯5.电磁线圈6.螺母7.机械手爪壳8.定位销9.限位螺丝10.橡胶防滑垫工作理论：杠杆原理、胡克定律和安培定律。工作原理：机械手的夹紧和松开由电磁线圈控制。如果线圈通电，将在臂端产生磁转矩。当磁扭矩大于弹簧压缩产生的扭矩时，手臂将被拉入，夹具将打开；在压缩力产生的力矩的作用下，保持夹持状态，实现自锁功能，避免因意外断电而导致被抓物坠落。特点：最小夹持半径可调，夹持点半径可设定，减少夹持力对被夹持物体表面的破坏。由于夹具是钢制工件，为了提高安全性能，防止损坏工件，我们可以在夹具部位加一层橡胶，通过增加工件与手指之间的摩擦系数来增加安全性.通过橡胶的弹性变形来缓冲对工件的冲击，可以减少甚至消除对工件的损伤。机械手躯干作品机械手躯干包括立柱、机座、手臂和手腕四部分。立柱是支撑手臂以驱动其提升、摆动和移动的机构。立柱与机座相连，可固定在地面、机床设备上，也可悬挂在横梁上，并可固定在行走机座上。本设计中的底座为落地式固定底座。机座是支撑机械手整个重量的结构，其结构应刚性好、占地面积小、操作方便、外形美观。手臂是机械手的主要部分，它支撑着手腕、手指和工件的机构来移动它们。臂架应具有承载能力大、刚性好、重量轻、灵活、定位精度高、通用性强等特点。主要结构为伸缩式和铰接式，本文首选伸缩式。传动定位机构手臂直线运动的结构手臂直线运动的结构基本由驱动机构和导向装置组成。本文以步进电机为动力，故选用丝杠螺母机构或齿轮齿条机构。两者分析如下：丝杠螺母机构：位移比较准确，减速比大，运转平稳，无噪音，自锁容易，但高精度丝杠制造难度大，传输效率低。矩形和梯形螺纹结构由于传递力大而被广泛使用。滚珠丝杠效率高但价格昂贵。齿轮齿条机构：传动效率高、速度快、无自锁。一般用于机械手的传动机构，不作为定位机构。为满足自锁要求，首选丝杠螺母机构。手臂旋转机构由于采用步进电机作为驱动元件，回转机构相对简单，成本相对较低。可以直接使用齿轮减速来实现旋转。图2.2机械手机械图1.底座2.卡环3.轴承4.步进电机5.圆柱主动齿轮6.圆柱从动齿轮7.摇臂8.联轴器9.螺母10.导轴11.丝杆滑块12.丝杆轴13.轴承14.机械手传输系统转移方式电驱动是利用电动机直接驱动执行器来获得机械手的各种运动。在步进电机的驱动下，机械手的位移和运动速度可以通过电控系统发出的脉冲信号的个数和频率来控制。步进电机可以实现较高的定位重复性。步进电机及其驱动器步进电机是将电脉冲转换为角位移的执行器。当步进驱动器接收到脉冲信号时，它驱动步进电机沿设定的方向旋转一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转以一个固定的角度步进运行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移，从而达到精确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可作为专用电机进行控制。利用其无累积误差（100%精度）的特点，广泛应用于各种开环控制。步进电机分为两种基本类型：机电式和磁电式。机电式步进电机由铁芯、线圈、齿轮机构等组成。当电磁线圈通电时，会产生磁力，推动其铁芯运动，输出轴通过齿轮转动一个角度机构，输出轴通过防转齿轮保持在新的工作位置；一步一步的动作。磁电式步进电机主要有三种类型：永磁式、反应式和永磁感应式。永磁步进电机由四相绕组组成。当A相绕组通电时，转子磁钢将转向由相绕组确定的磁场方向；当A相绕组断电，B相绕组通电时，会产生新的磁场方向。在磁场方向上，励磁相的顺序决定了转子运动的方向。永磁步进电机耗电少，步距角大。缺点是启动频率和工作频率较低。电抗式步进电机在定子和转子铁心的外表面上设有按一定规律分布的类似齿槽，两个齿槽的相对位置变化引起磁路磁阻的变化而产生转矩。这种步进电机的步距角可以为1°到15°，甚至更小，精度容易保证，启动和运行频率高，但功耗大，效率低。永磁感应分型步进电机也称为混合式步进电机。它是永磁步进电机和反应式步进电机的结合体，兼有两者的优点。步进电机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器和脉冲放大器组成，驱动电源从中向电机绕组提供脉冲电流。步进电机的运行性能取决于电机与驱动电源的良好配合。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。选择功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩。电机的转矩频率特性能够满足机械负载并有一定的余量，以保证其可靠运行。在实际工作过程中，各种频率下的负载转矩必须在转矩-频率特性曲线的范围内。一般来说，最大静态转矩大的电机，负载转矩也大。

选择步进电机时，应使步距角与机械系统相匹配，这样才能得到设备所需的脉冲当量。在机械传动过程中，为了得到更小的脉冲当量，一种可以改变丝杠的导程，另一种可以通过步进电机的细分驱动来完成。但是细分只会改变它的分辨率，而不是它的精度。精度取决于电机的固有特性。

选择功率步进电机时，应估计机械负载的负载惯量和设备所需的启动频率，使步进电机的惯性频率特性有一定的匹配余量，使最大高速度连续工作频率可以满足快速速度的要求。需要移动。

选择步进电机需要进行以下计算：计算齿轮的减速比。根据所需脉冲当量，齿轮减速比计算如下：（公式2.1）

式中：φ——步进电机的步距角（o/pulse）

S——丝杠螺距（mm）Δ(mm/脉冲)

计算工作台、丝杠和齿轮对电机轴的惯性。

（公式2.2）式中：换算为电机轴上的转动惯量（）,齿轮惯量()

螺杆惯量()W工作台重量（N）

S——丝杠螺距（厘米）

电机输出的总扭矩M（公式2.3）（公式2.4）式中：电机启动加速转矩（）,电机惯量和负载惯量()n电机需要达到的转速（r/min）

T电机加速时间（s）

（公式2.5）式中：导轨的摩擦力换算成电机的转矩（）u摩擦系数

η传递效率

（公式2.6）式中：切削力换算为电机扭矩（）最大切削力（N）负载启动频率估计。数控系统控制的电机启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为：

（公式2.7）式中：负载启动频率（Hz）空载启动频率

（赫兹）电机输出转矩由启动频率下的转矩频率特性决定（）如果负载参数不能精确确定，可以根据估计。计算最高运行频率和加速时间。由于电机的输出转矩随着频率的增加而减小，所以在最高频率

，转矩频率特性的输出转矩应该能够驱动负载有足够的余量。

载荷力矩和最大静力矩。负载转矩可根据（式2.5）和（式2.6）计算。当电机处于最大进给速度时，由转矩频率特性决定的电机输出转矩应大于总和并留有余量。一般来说，总和应该小于（0.2~0.4）。步进电机和交流伺服电机是运动控制系统中最常用的两种执行器电机。在电机选型过程中，首先要计算负载通过机械传动系统到电机轴的换算转矩。下面介绍几种常见的机械传动方式的换算扭矩的计算过程。丝杠螺母驱动：()（公式2.8）(N)(公式2.9)42HS003两相混合式步进电机数据来自张千苏电子科技数据来自张千苏电子科技地址：海淀区清河永泰公园13楼309室网址：:///术指标：工作环境：-10°C-+55°C（温度）绝缘电阻：500VDC100MWMin轴向间隙：0.10.3mm径向跳动：0.02mmMax温升：75°CMax介电强度：B图2.3机器人步进电机表2.142HS003步进电机电气技术数据阶段步距角相电流驾驶电压最大静态扭矩相电阻相电感重量配套驱动器21.7一个DC24五0.45__牛米3.3__Ω3.7__mH0.35_公斤ST-2HB02X图2.4步进电机安装尺寸（mm）图2.5步进电机接线图表2.2步进电机扭矩测试扭矩测试数据配套驱动ST-2HB02X电流1.7A电压DC28V4细分转速（转/分）50100150250350450600扭矩(Nm)0.35ST-2HB02X驱动器数据来自张千苏电子科技数据来自张千苏电子科技地址：海淀区清河永泰公园13楼309室网址：:///T-2HB02X驱动器采用MicrosChip芯片，采用新型双极恒相电流驱动技术，实现最大64细分高性能驱动，适用于驱动2A以下42系列、57系列两相混合式步进电机。广泛应用于各种数控机床、纺织机械、绕线机、喷墨打印机、疲劳试验机等用户要求低成本、低振动、高精度、高速度的场合。特征：☆工作电压为10V～40V直流电源☆H桥双极恒相电流驱动☆最多2A八路输出电流可选☆七种细分模式可选，最多128个细分☆输入信号光电隔离☆提供节能自动半电流锁定功能☆无需控制器自检功能技术参数：型号ST-2HB02X相数：两相工作电压：直流（10-40）V驱动电流：（0.1A-2.0A）直流驱动方式：全桥双极恒相电流驱动电流设置：0.1A分度图2.6步进电机驱动器细分功能：（.6.32.64）细分适用电机：相电流不高于2A/相的两相、四相混合式步进电机冷却方式：散热器（安装在通风良好的地方）环境温度：0~50℃尺寸/重量：130×73×33mm/280g表2.3步进电机驱动器端子说明输入信号上市CP+方向+ENA+它是输入信号的公共端，连接到外部系统的VCC。如果外部系统的VCC为+5V，则可以直接连接。如果没有，则应确保外部光耦提供10-20mA的驱动电流。脉冲CP-脉冲信号输入端，工作时下降沿有效。共阳极时脉冲低电平的持续时间不应小于10μs。该驱动器的信号响应频率为70KHz，如果输入频率过高，可能无法获得正确的响应。方向方向-它是方向电平信号的输入端，控制电机的正反转。当阳极为公共时，如果该端子悬空，则认为该端子为高电平输入。控制电机方向时，应确保方向信号至少比脉冲信号提前10μs建立，这样可以避免驱动器对脉冲的错误响应。离线启用ENA-释放信号（低电平有效），当输入为低电平时，电机励磁电流关闭，电机处于离线自由状态，共阳极为高电平或悬空时转子处于锁定状态。表2.4步进电机功能设置功能设置细分设置（开关位置8、9、10）当前设置（开关位置1、2、3）注：开关位置ON=0OFF=1细分设置相电流设定拨动开关8910细分拨动开关123ST-2HB02X000全步0000.3A001半步0010.6A01040100.9A01180111.2A100161001.5A101321011.8A110641102.1A111—1112.4A（禁止使用）图2.6步进驱动器安装尺寸辅助系统原点定位及超程保护为保证机械手的重复定位精度，对机械手的每个工作循环都提出了回原点校准零位的要求。在初始位置加一个限位开关，当触摸它时，它会发出到达原点的命令并停止运动。同时锁定继续前进，只能后退，实现故障或暴力操作造成的超程保护功能。非原点端仅用于超程保护，不用于定位。图2.8驱动螺杆示意图安慰操作面板按照贴近人们日常工作习惯、符合人体工学、方便工作人员直观操作、响应自动化工作状态的原则设计，如下图所示。机械手有手动、单步、单循环和连续工作（自动）四种工作模式。具有原点、路径关键点、报警指示、工作状态指示等功能。下面对操作面板进行说明如下：设备原点：机器人的机械设备原点。在任何停止状态下，将选择旋钮旋回原点，按下回原点按钮，机械手回原点。手动模式：各自的按钮使每个负载单独打开或关闭。根据操作员的指令实时动作。同时还负责自动工作模式下每个工作步骤的目的点的记录保存。单步：旋钮选择单步工作，按一次启动键前进一步。单循环：旋钮选择单循环工作，按一次启动按钮运行一个循环。连续运行（自动状态）：在用户原点，旋钮选择自动，按启动键连续反复运行，中途按停止键，运行到原点后停止。LED指示灯：状态实时显示。电源和急停按钮与PLC操作无关。该按钮用于打开或关闭PLC外部负载的电源。图2.9操作面板示意图软件设计工作流程图图3.1工作流程图该机械手采用点控制，我们可以把整个运动看成一个折线运动，每一步的动作都可以摘要为不同参数的点之间的动作。以起点为参考点，通过脉冲计数得到终点的位置。手动操作机械手从参考点到目标点后，保存目标点的相关特征参数，并以列表方式管理每一步保存的参数。手动方式实现关键点输入，自动方式实现查表“复制”移动。手动设置后，可根据预设设置自动运行。核心理念：记录关键点，构建工作路径和状态。下面对四个站点进行说明。在手动原点状态下，用户控制机械手到A点（可以通过设置中间点绕行A点的路径），按保存，记录该点的重要参数。然后控制机械手在B点拾取工件，同时记录机械手的打开位置和夹持位置。为简化流程，可将机械手设置在A点并夹紧在B点。控制机械手的运动，如前所述记录关键点，在D点下落工件。然后用同样的方法操作到下一个工位。PLC选择和I/O端口分配PLC控制系统设计的基本原理为满足被控对象的控制要求，考虑未来发展的需要，PLC选择功能更强的新产品，并预留适当的余量。该系统安全可靠。尽可能简单、经济、易于使用和维护。具有很高的性价比。PLC控制系统设计步骤分析控制对象，提出控制要求。确定输入和输出设备。确定PLC的I/O点数并选择PLC型号。分配I/O点数，绘制PLC控制系统输入输出端子接线图。程序设计，绘制工作循环图或状态转换图。程序调试。先进行模拟调试，再进行现场在线调试；先进行局部和分段调试，再进行整体和系统调试。调试过程结束，整理技术资料并投入使用。图3.2PLC控制系统设计步骤流程图中央处理器速度CPU的运行速度是指执行用户程序的每一步所花费的时间。对于基于开关量的控制系统，可以使用通用的PLC模型，无需考虑扫描速度。对于基于模拟量的控制系统，需要考虑扫描速度，必须选择具有合适CPU类型的PLC型号。PLC模块远程I/O模块：输入输出设备比较分散，工作地点离控制站较远。高速计数器模块：当PLC部门高速计数器的最大计数频率不能满足要求时，可选用。定位模块：在机械设备中，进行定位以保证加工精度。通讯联网模块：PLC与PLC或PLC与计算机之间的通讯联网。模拟量输入模块和输出模块：将流量、速度、压力、风、力等转换为数字量，并将数字量转换为模拟量进行输入输出。PLC品牌选择全球有数百家PLC厂商，形成了美国、欧洲、日本三大技术阵营。代表型号有GE-Fanuc公司生产的PLC-5系列PLC、90TM-30系列和90TM-70系列PLC，德国西门子公司生产的S5系列PLC和S7系列PLC，生产的FX系列、A系列、Q系列由日本三菱公司系列PLC、CS系列、C200系列、欧姆龙生产的CPM系列PLC。三大技术阵营的PLC在程序表达形式、功能和使用上都有很大差异。熟悉西门子S5系列PLC的人都知道，他采用结构化编程的方法，虽然他也有梯形图、逻辑图等多种其他编程语言，只是有点复杂的问题一定要用语句表，通过STEP5语言，调用各种功能实现。但美国AB公司的PLC-5系列可编程控制器与西门子S5系列PLC相差甚远。AB的PLC-5根本没有语句表。它与西门子的梯形图在形式、功能和使用上都有很大的不同。日本的微小型PLC产品很有特色。梯形图和语句表并重，并配备了包括功能指令在内的强大指令系统。用户经常会发现，同样的应用问题可以通过使用日本的小型PLC产品来解决，而中型甚至大型PLC往往用于欧美产品。这主要是欧美小型PLC产品指挥系统薄弱所致。日本的PLC技术是从美国引进的，所以日本产品对美国产品有一定的继承性。ShanJapan已将其主要产品定位在小型PLC上。由于其面临的主要市场在亚洲，他继承和发展了美国的PLC技术。在小型PLC方面，他胜过蓝蓝。日本产品占全球小型PLC市场的70%。据不完全统计，我国每年引进的PLC产品产值，其中美国产品约占36.3%，欧洲产品约占45.5%，日本产品约占18.2%。欧美产品以大中型PLC为主，德国西门子和美国AB基本平分秋色。小型PLC主要是日本产品。在国内，日本三菱公司生产的FX系列小型PLC以其良好的性能得到了广泛的应用。同时，各大高校和职业技术学校也为其提供专业技术人员的支持。一个用于简单机械手运动的小型PLC就足以满足需要。本文选择三菱公司的FX系列作为移动机械手的核心控制系统，可以减少对操作人员的培训，降低使用成本，减少消费者对产品使用的顾虑。PLC系列选择PLC选型的基本原则是在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便、性价比最优化的机型。三菱FX系列PLC包括FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC。每种类型的PLC的性能都不同。FX1S系列PLC将强大的功能组合到一个小型控制器中。FX1S适用于最小的封装，是用户在有限的I/O区域中寻求强大控制且低成本的首选。FX1S提供多达30个I/O，可通过串行通信传输数据，因此可用于普通紧凑型PLC无法使用的地方。FX1S小巧但功能强大：主机点数10/14/20/30，分为晶体管输出/继电器输出，交流电源/直流电源。紧凑且具有成本效益。显示模块和扩展板使系统升级变得容易。高速运转。基本指令为0.55μs/指令~0.7μs/指令；应用指令为3.7μs/指令至数百μs/指令。2000步的存储容量是之前FX0S的2.5倍。丰富的设备资源。512个辅助继电器，64个定时继电器，32个计数器，256个数据寄存器。具有实时时钟功能。对时间敏感的应用程序使用标准的实时时钟模型。网络能力。串行扩展板通过RS-232、RS-422使联网更容易。电源适用范围广。世界任何地方的标准电压都适合，也可以使用直流电源。基于Windows的软件。模拟电位器。密码保护。远程维护。脉冲输出和定位功能。一台PLC单元每相可同时输出2点100KHz脉冲。PLC配备7条特殊定位指令，包括回零、绝对位置读出、绝对或相对地址表达，以特殊脉冲输出进行控制。FX1N系列PLC增加特殊功能模块或扩展板。通讯和数据功能选项使FX1N非常适合重要应用，例如音量、通讯和特殊功能模块以及能源控制。是一个常见的选择。与FX1S相比，在以下几个方面都有很好的提升：更多控制点从14点增加到128点。EEPROM寄存器更大，最多8000步。更丰富的设备资源。辅助继电器1536点，定时器256点，计数器235点，数据寄存器8000点。加强过程控制。PID指令适用于系统需要精确控制时。FX2N系列PLC作为FX系列中最先进的模块，它具有无与伦比的速度、先进的功能、逻辑元件和定位控制。与以前的PLC相比，在以下几个方面有了很好的改进：更多控制点。16:00~256:00。灵活的配置。通过大量特殊模块来满足特殊要求，6个基本FX2N单元中的每一个都可以扩展至256点I/O。更快的操作。基本指令0.08μs/指令；应用指令为1.52μs/指令至数百μs/指令。寄存器容量扩展。更丰富的设备资源。辅助继电器3072点，定时器256点，计数器235点，数据寄存器8000点。特殊功能模块。主机可配置8个特殊功能模块。数学指令集。使用32位处理器、浮点、平方根和三角函数指令满足数学函数。位置控制模块扩展位置控制是对工位的控制，可以通过位置控制模块来实现。PLC系统可作为整个位置控制系统的控制环节。配合伺服放大器或驱动放大器，将位置控制功能、逻辑控制、顺序控制等一揽子解决方案。使用PLC模块实现位置控制的优点：在实现位置控制时，可以充分利用PLC系统的软硬件资源。在柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）或工厂自动化（FA）系统中应用位置控制更为方便。用户可以根据自己的需求灵活配置系统，既降低了成本，又因地制宜。可靠性高，维护方便。根据FROM/TO指令与FX2和FX系列PLC交换数据的特殊功能模块。2C一台FX-1PG可独立控制一根轴，一台PLC最多可连接8台FX-1PG。PLC系列选择FX1N系列以性价比名列前茅。但是程序结构比较复杂。在功能方面，FX2N系列是不错的选择。可选配三个FX2N-1PG-E脉冲输出模块，为步进电机驱动设备提供稳定的信号，模块程序简化了PLC程序的结构。但它的总制造价格很高。就核心控制系统PLC及其模块而言，成本将是FX1N系列的4倍以上。由于本文中的机械手无需联动，可时分复用，适用范围无需选用FX2N-1PG-E脉冲输出模块，其功能由软件实现.输出方式PLC包括两种输出方式：继电器输出和晶体管输出。输出差异如下：不同的负载电压和电流类型负载类型：晶体管只能承载直流负载，而继电器可以同时承载交流和直流负载。电流：晶体管电流0.2A-0.3A，继电器2A电压：晶体管可接DC24V（继电器可接DC24V或AC220V）。承载能力不同晶体管承载负载的能力小于继电器承载负载的能力。使用晶体管时，有时必须添加其他东西来驱动大负载（如继电器、固态继电器等）。晶体管过载能力小于继电器过载能力一般来说，当浪涌电流较大时，晶体管的过载能力较小，需要更多的降额。晶体管的响应速度比继电器快继电器输出型的原理是CPU驱动继电器线圈使触点吸合，使外部电源通过闭合触点驱动外部负载，开路漏电流为零，响应时间慢（约10ms），主控开关为晶体管输出型的原理是CPU通过光耦合开启和关闭晶体管来控制外部直流负载，响应时间快（约0.2ms甚至更短）。晶体管输出一般用于高速输出，如伺服/步进等，用于高工作频率的输出。在额定工作条件下，继电器有动作次数的寿命，晶体管只老化，使用次数没有限制。继电器是机械部件，因此它们具有使用寿命。晶体管是电子元件，只是老化，使用次数没有限制。继电器对每分钟可以切换的次数也有限制，而晶体管则没有。本文以步进电机为动力源，故采用晶体管输出和直流D24V电源。输入输出点数I/O点数是衡量可编程控制器大小的基础。根据需要的电压电流大小和类型统计与PLC连接的所有输入输出设备，并考虑未来发展需要增加10%~15%的余量。如表3.1所示。表3.1I/O点估计统计序列号电气设备和部件输入点数输出点使用量1步进电机驱动器0232脉冲信号源0113限位开关1064指示灯01115报警蜂鸣器0116按钮10127电磁继电器01185位旋钮501全部的输入点数二十二输出点20总积分44I/O口分配原则特殊的、特定的I/O点优先分配。如高速脉冲输出端口Y000或Y001；便利命令中的初始状态命令等未指定I/O点的普通分类分配。节省I/O点数的适当方法。比如编码。I/O端口分配参数选项一：表3.2选项1I/O分配输入端子列表进入功能（设备）进入功能（设备）X000机器人夹紧X014X001机械手放松X015X002X方向位移+X016X003X方向位移-X017节省X004Y方向位移+X020手动的X005Y方向的位移-X021起源X006旋转位移+X022单步运动X007旋转位移-X023单循环运动X010超程保护码输入口X024自动的X011超程保护码输入口X025开始回到原点X012超程保护码输入口X026自动运行启动X013X027停止表3.3方案一的I/O分配输出端子列表输出功能（设备）输出功能（设备）Y000步进电机脉冲信号是010启动指示灯L0是001X步进电机驱动器ENA是011停车灯L1是002X步进电机转向是012紧急停止/故障指示灯L2是003Y型步进电机驱动器ENA是013错误报警是004Y步进电机转向是014位移指示码输出口是005旋转步进电机驱动器ENA是015位移指示码输出口是006旋转式步进电机转向Y016位移指示码输出口是007机械手夹紧/释放Y017本方案采用三位二进制编码器进行硬编码，PLC进行软解码，节省超程保护限位开关的I/O点数，使I/O口总数（含10个）%到20%的储备）在40以内点击以节省PLC成本。具体代码如下：表3.4编码表进入输出（PLCI/O端口）限位开关报警X010X011X012无报警(I0)000LS1(I1)001LS2(I2)010LS3(I3)011LS4(I4)100LS5(I5)101LS6(I6)110未定义(I7)111写出编码表中的逻辑公式：逻辑图如图3.3所示。图3.3编码器示意图编码可以通过选择74LS147扩展芯片来实现，具体接线方法这里不再详述。优势：通过编码行程开关进行超程保护可节省I/O点数，PLC总I/O点压缩到40点以下，选用FX1N-40MT-D，降低成本可编程逻辑控制器。缺点：程序复杂，只能实现单线程工作。需要保证只有一个行程开关（指示灯）动作，并且必须对信号进行预处理。如果同时触发PLC的两点，则会出现识别错误。容易受到外界信号的干扰，一定程度上影响稳定性。运动指示解码采用软编码和硬件解码，同样存在上述问题，这里不再赘述。综上所述，节省I/O点数的措施为以后的稳定运行埋下了很多隐患。生产成本并没有很好的降低，只是转移了制造成本。这个计划不被接受。选项二：表3.4方案二的I/O分配输入端子列表进入功能（设备）进入功能（设备）X000X014超程保护（行程开关LS3）X001X方向位移+SB4X015旋转原点（行程开关LS4）X002X方向位移-SB5X016超程保护（行程开关LS5）X003Y方向位移+SB6X017位置保存SB3X004Y方向位移-SB7X020手动的X005旋转位移+SB8X021回到原点X006旋转位移-SB9X022单步运动X007机器人夹紧SB10X023单循环运动X010机械手放松SB11X024全自动运行X011X原点（行程开关LS0）X025回原点启动SB0X012超程保护（行程开关LS1）X026自动启动SB1X013Y原点（行程开关LS2）X027停止SB2表3.4方案二的I/O分配输入端子列表输出功能（设备）输出功能（设备）Y000步进电机脉冲信号Y014Y方向位移+指示灯L4是001X步进电机驱动器ENA是015Y方向位移-指示灯L5是002X步进电机转向是016旋转位移+指示灯L6是003Y型步进电机驱动器ENA是017旋转位移-指示器L7是004Y步进电机转向Y020机械手指示灯L9是005旋转步进电机驱动器ENAY021故障指示灯L10是006旋转式步进电机转向Y022故障报警蜂鸣器是007机械手夹紧/松开，L8Y023是010原点复位指示灯L0Y024是011自动启动指示灯L1Y025是012X方向位移+指示灯L2Y026是013X方向位移-指示灯L3Y027该方案将I/O独立分配给限位开关和用于超程保护的运动方向指示器。优势：独立控制，互不干扰。程序简单，无需添加编解码芯片和抗干扰设施。稳定性好。预留足够的I/O点数，大于10~20%。方便以后的扩展和升级。缺点：价格略高于前者。综合优势，最终选择FX2N-48MT-DPLC方案2作为首选方案。PLC硬件接线图如图3.4所示。图3.4三菱FX2N-48MT-DPLC接线图1.三菱FX2N-48MT-D型PLC2.ST-2HB02X型步进电机驱动器3.42HS003两相混合式步进电机编程存储区分配脉冲计数存储区分为三个部分：统计区、暂存区和存储区。统计区域：统计保存数据的组数，确定有效区域，配备16位断电保持数据寄存器D200和D327。暂存区：暂存脉搏信息，进行基本数据处理，进行数据计算功能。由于脉冲数据值较大，使用了32位断电保持数据寄存器D201~D206。存储区：又分为脉冲数据存储区和其他存储区。自动程序数据值的长期存储。脉冲数据存储区：存储暂存区处理的有效脉冲数。使用32位掉电保持数据寄存器。初步设计了20组控制点，即D207~D326。其他存储区：运动方向存储和机械手抓手状态。辅助继电器用于在断电时保持存储位的状态。与脉冲数据存取区相匹配，有20组控制点，即M500~M579。运动方向存储分区为D500~D559，机械手抓手状态存储分区为D560~D579。表3.1脉冲计数存储区D200D327D201D202D203D204D205D206X方向脉冲信息Y方向脉冲信息旋转脉冲信息统计区域存储缓存1D207D208D209D210D211D212X方向脉冲信息Y方向脉冲信息旋转脉冲信息储藏区域2D213D214D215D216D217D218X方向脉冲信息Y方向脉冲信息旋转脉冲信息储藏区域3D219D220D221D222D223D224X方向脉冲信息Y方向脉冲信息旋转脉冲信息储藏区域19D314D315D316D317D318D319X方向脉冲信息Y方向脉冲信息旋转脉冲信息储藏区域20D320D321D323D324D325D326X方向脉冲信息Y方向脉冲信息旋转脉冲信息储藏区域表3.2其他存储区域1M500M501M502M560X运动方向Y运动方向旋转方向握把状态其他存储区域2M503M504M505M561X运动方向Y运动方向旋转方向握把状态其他存储区域3M506M507M518M562X运动方向Y运动方向旋转方向握把状态其他存储区域19M554M555M556M578X运动方向Y运动方向旋转方向握把状态其他存储区域20M557M558M559M579X运动方向Y运动方向旋转方向握把状态其他存储区域程序指令[6][7][11]子程序调用和返回指令指令号和助记符：子程序调用功能指令FNC01CALL,CALL(P)。子程序返回功能命令FNC02SRET。该指令的目标操作元素是指针编号P0到P62（内容修改索引）。子程序和标签的位置：CALL指令必须与FEND和SRET一起使用。子程序标号应写在主程序结束指令FEND之后。标签P0和子程序返回指令SRET构成了P0子程序的内容。当主程序包含多个子程序时，子程序应按顺序放置在主程序结束指令FEND之后，并用不同的标号区分。子程序标签范围从P0到P62。这些标签与条件分支中使用的标签相同，并且标签已经在条件分支中使用，因此子程序不能再次使用。同一个标号只能使用一次，不同的CALL指令可以多次调用同一个标号的子程序。图3.5CALL指令示例致命令指令格式指令号及助记符：传送指令FNC12MOV[S][D]其中：[S]为源数据；[D]是目标软件组件目标操作数是T,C,V,Z,D,KnY,KnM,KnS源操作数的软件组件是T,C,V,Z,D,K,H,KnX,KnY,KnM,KnS指令使用传输指令是将源操作数传输到指定的目标操作数，即[S·]→[D·]。图3.6传送指令MOV示例当常开触点X000闭合为ON时，每扫描一次MOV指令，将[S]源数据中存储的操作数100（K100）转换为二进制数，然后致到目标操作数D10。X000为OFF时，指令不执行，数据保持不变。块传递指令指令格式指令号及助记符：程序段传送指令FNC15BMOV[S][D]n其中：[S]是源软件组件，[D]是目标软件组件，n是数据块的数量。源操作数可以是KnX、KnY、KnM、KnS、T、C、D、K、H。目标操作数可以采用.KnY、KnM、KnS、T、C和D。_数据块的数量是常数K，H。n条数据组成的数据块传送到指定的目标软件组件。如果组件编号超出内容的组件编号范围，则仅将数据传输到内容的范围。(a)(b)图3.7块传送指令BMOV示例(a)块传输指令；(b)块传输指令如果X000断开，则不执行块传送指令，源数据和目标数据保持不变。如果X000为ON，则执行块传送指令。根据K3，指定数据块的个数为3，然后将D5到D7的内容传送到D10到D12，如图6所示。30(b)。传输时，D5～D7的内容不变，D10～D12的内容替换为D5～D7的对应内容。当源和目标软件组件的类型相同时，会自动确定传输顺序。如果源和目的软件组件的类型不同，只要位数相同，就可以正确传输。如果源和目的软件组件数量超出内容范围，则只传输符合规定的数据。多播命令指令格式指令号及助记符：传送指令FNC16FMOV[S][D]n其中：[S]为源软件组件；[D]是目标软件组件；n是目标软件组件的数量给出的命令是目标软件组件的第一个地址。常用于对某段数据寄存器清零或设置相同的初始值。源操作数可以取除V和Z之外的所有数据类型，目标操作数可以取KnY、KnM、KnS、T、C和D，并且n小于或等于512。指令使用FMOV指令是将源操作数中的数据传送到从指定目标开始的n个元素中，这n个元素中的数据完全相同。图3.8多点传输指令FMOV指令示例附加说明指令格式指令号及助记符：二进制加法指令FNC20ADD[S1][S2][D]其中：[S1]、[S2]为加数的源操作数；[D]是存储结果的目的地源操作数可以采用所有数据类型目标操作数可以采用KnY、KnM、KnS、T、C、D、V和Z。指令使用ADD指令将两个源操作数[S1]、[S2]相加，结果放在目标元素[D]中。指令说明如图3.8所示。图3.9ADD指令示例之一两个源数据的二进制加法被传递到目标。每个数据的最高位是正（0）和负（1）的符号位。这些数据以代数形式相加，例如5+(-8)=-3。ADD指令有4个标志位，M8020为0标志位，M8021为借位标志位。M8022为进位标志，M8023为浮点标志。如果运算结果为0，则零标志位M8020置1，如果运算结果超过32、767（16位运算）或2147483647（32位运算），则进位标志位M8022置1.如果运算结果小于-32767（16位运算）或-2147483467（32位运算），则将借位标志位M8021设置为1。在32位操作中，当使用字元素时，指定的字元素是低16位元素，下一个字元素是高16位元素。源和目标可以使用相同的元素，如果源和目标之间相同，并且在使用连续执行的ADD时，(D)ADD指令，相加的结果在每个扫描周期都会改变。如下图3.9所示。图3.10第二条ADD指令加1条指令，减1条指令指令格式指令号及助记符：加1指令FNC24INC[D]减1命令FNC25DEC[D]其中：[D]是要递增（或递减1）的目标软件组件对象操作数的软组件是KnY、KnM、KnS、T、C、D、V和Z。指令使用INC指令是将指定目标软件组件的容量加1，DEC指令的作用是将指定目标软件组件的容量减1。指令说明如图3.10所示。图3.11INC和DEC指令示例在16位操作中，如果+32767加1变为-32768，则标志位不设置；在32位操作中，如果+2147483647加1变为-2147483648，则不设置标志位。在指令的连续执行中，每个扫描周期都会执行一次操作，必须加1。因此，一般采用输入信号的上升沿触发一次操作。在16位操作中，如果-32768减1，则值变为+32767，并且不设置标志；在32位操作中，如果-2147483648减1，则值变为+2147483647，并且不设置标志。补充指令指令格式指令号及助记符：补指令FNC29NEG[D]其中：[D]为存储补码结果的目标分量。目标操作数可以采用KnY、KnM、KnS、T、C、D、V和Z。指令使用NEG指令是先将指定的目标软元件[D·]的内容中的每一位取反（0→1，1→0），然后加1，并将结果致给原目标软元件。图3.12补码指令NEG示例如果X000断开，则不执行该NEG指令，源和目标中的数据保持不变。如果X000开启，则进行补码运算，即将D10中的二进制数“反转并与符号位加1”，然后将补码的结果致到D10。补码示意图如图6.47所示。假设D10中的数字为十六进制的H000C，在执行该补码指令时，需要“将符号位取反加1”，补码结果为HFFF4，然后存入D10。图3.13补码指令示意图初始化状态命令指令号和助记符：初始化状态指令IST[S][D1][D2]图3.14初始化状态命令示例其中：[S]指的是操作模式输入的第一个元素，共有8个连续元素；这些元素可以是X、Y、M、S。使用说明本文中的八个连续元素是：X020：手动的X021：回到原点X022：单步运动X023：一循环操作X024：全自动运行X025：开始回到原点X026：自动运动开始X027：停止[D1·]指定自动运行中实际使用的最小状态编号。[D2·]指定自动运行中实际使用的最大状态数。初始状态指令用于自动设置初始状态和特殊继电器。当M8000从OFF变为ON时，自动控制以下元件；如果执行条件M8000变为OFF，则这些组件的状态保持不变。S0：手动操作初始状态S1：返回原点初始状态S2：自动运行初始状态M8040：禁止传输M8041：传输开始M8042：启动脉冲M8047：STL（步序控制指令）监控有效该指令在程序中只能使用一次，应在步序控制指令STL之前编写。如果使用该指令，则可以使用S10～S19进行原点复归。因此，这些状态不被用作编程中的正常状态。为了防止X20X24同时开启，建议使用选择开关。在IST命令的初始状态下，模式切换如图3.15所示。自动动作专用辅助继电器M8040、M8047、M8047的动作原理可参照图3.16进行说明。表3.3FX2N特殊功能组件M8000运行监控M8044检测机器原点的运动M8040M8040设置为0时禁止状态转换M8045切换模式时，所有输出都被复位禁用M8041状态转换开始M8046STL状态为ONM8042启动脉冲M8047STL监控工作图3.15IST初始状态S0~S2切换图图3.16单步自动梯形图初始化和报警程序图3.15初始化和报警梯形图图3.15初始化和报警梯形图（续）回原