课程设计机械手PLC控制系统

湖南文理学院芙蓉学院课程设计报告课程名称：专业课程设计系部：电气与信息工程学院专业班级：芙蓉自动化0902班学生姓名：王思祺指导教师：梅英完成时间：2012年06月14日报告成绩：评阅意见：评阅意见：评阅教师日期

目录摘要 IAbstract II一、设计要求 1二、设计的作用目的 2三、所用仪器设备及软件 31．可编程控制器（PLC） 32．THPFSL-2型网络型可编程控制器综合实训装置 43．三菱GX-DeveloperPLC编程软件 5四、系统设计 61．系统总体设计 62．子模块设计 72．1PLC选型 72．2电源模块 82．3外部位置检测装置 82．4液压驱动装置 83．机械手PLC控制系统的电气设计 93．1I/O口信号及点数分析 93．2I/O端口分配及功能表 94．PLC外部接线图 105．系统程序框图 11五、实验调试结果 121．调试工具 122．调试方法 123．时序图 13六、设计中的问题及解决办法 13七、设计心得 14八、致谢 14九、参考文献 15附录一：梯形图程序 16机械手PLC控制系统摘要机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用在工业生产和其他领域内。应用PLC控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。本文介绍了机械手的工作过程，采用三菱FX2N系列可编程控制器实现对机械手工作过程的控制，给出了系统的工作过程示意图、顺序功能图、I/O分配，系统采取了响应的保护措施。关键词：机械手；PLC；控制

TheControlSystemofManipulatorwithPLCAbstractThemanipulatorisanewdevicedevelopedinthemechanized,automaticproductionprocess.Itcangrab,putandcarryobject,hespace.Becauseofitsflexibility,themanipulatoriswidelyusedinindustrialproducingandotherfields.ManipulatorwithPLCcontrolcancompletevariousspecifiedproceduralactions.Notonlycanitenhancequalityandoutput,butalsoitismeaningfultoensurethepersonalsecurity,improvetheworkingenvironment,lowerlaborintensity,raiselaborproductivity,savetherawmaterialsconsumptionandreducetheproductioncost.Thispaperdealswiththeproceduresofmanipulators,andtodesignitscontrolsystemwiththeseriesofMITSUBISHIFX2NPLC.Thetechnologyflowchart,sequentialfunctionchart,ladderdiagram,andI/Oassignationaregiven.Thesystemadoptscorrespondingprotectingmeasure.Keywords:manipulator;PLC;control机械手PLC控制系统本课题主要研究一个机械手PLC控制系统，用PLC控制机械手搬运工件。设该机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，起始于原位，工作时将工件从左工作台搬运到右工作台，周而复始地完成工件的搬运操作。一、设计要求图1机械手外形示意图：1、机械手在一个工作周期内完成以上8个动作；2、机械手上下左右运行到位由行程开关控制；3、机械手抓物时加紧电磁阀得电，放物时断电。二、设计的作用目的机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手的研究意义可以简述如下：（1）可以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（2）可以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。本课题设计的机械手PLC控制系统，用PLC控制机械手搬运工件。该机械手工作时将工件从左工作台搬运到右工作台，并周而复始地完成工件的搬运操作。三、所用仪器设备及软件1．可编程控制器（PLC）三菱FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8K步，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。有功能很强的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。图2FX2N系列PLC外部硬件结构图FX2N系列PLC具有以下特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3）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，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂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方便之门。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备2．THPFSL-2型网络型可编程控制器综合实训装置（1）交流电源控制单元（2）定时器兼报警记录仪（3）直流电源（4）数字量给定及指示单元（5）模拟量给定及指示单元3．三菱GX-DeveloperPLC编程软件本机械手PLC控制系统采用GX-Developer进行编程调试。GX-Developer是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。四、系统设计1．系统总体设计PLC控制的机械手在原点位置时，左限位开关SQ4、上限位开关SQ2处闭合状态。当按下启动按钮SB1，下降气动电磁阀YV1(实验中气动阀用LED指示灯代替)通电，驱动机械手从原点开始下降。当机械手下降碰到下限位开关SQ1时则停止下降，夹紧气动电磁阀YV2通电,驱动机械手夹紧工件，延时1秒后上升气动电磁阀YV3通电驱动机械手上升。当机械手上升碰到上限位开关SQ2后，机械手停止上升。然后右移气动电磁阀YV4通电，驱动机械手右移，当机械手碰到右限位开关SQ3时停止右移。然后下降气动电磁阀YV1通电，驱动机械手再次下降，当碰到下限位开关SQ1后停止下降，夹紧气动电磁阀YV2失电，驱动机械手松开放下工件并延时1秒。然后上升气动电磁阀YV3再次通电，驱动机械手再次上升，当碰到上限位开关SQ2后停止上升，左移气动电磁阀YV5通电，驱动机械手左移，当左移碰到左限位开关SQ4时机械手停止……这样周而复始循环运动。当按下停止SB2按钮时，则运动到初始原点位置时停机。机械手的动作示意图如图3所示。图3机械手动作示意图机械手PLC控制系统主要由控制系统、驱动系统和执行系统三个部分组成，其结构框图如图4所示。可编可编程控制器PLC液压驱动装置机械手位置检测装置主控面板状态显示电源模块控制系统主要包括：位置检测装置、可编程控制器及主控面板（状态显示和操作按钮等）。位置监测装置主要有限位开关组成，用来检测机械手行程终点及有无工件，并把相关信号迅速传递到控制中心。驱动系统采用全液压驱动，保证了整机迅速、平稳，特别是满足了机械手伸缩臂的动作精度，几需承受大负载及运动性能等方面的特殊要求。执行系统有升降机构、手部加持机构、定位机构等组成。2．子模块设计从机械手PLC控制电路分析可知，机械手的输入是位置开关信号，即：上下限位开关、左右限位开关等。它们都是开关量，因此可直接与PLC进行接口。而输出主要是5个电磁阀线圈，用以控制机械手的左移、右移、上移、下移、夹紧、放松的气路的通断。因此，本机械手控制系统的外电路设计主要包括以下几部份。2．1PLC选型由机械手PLC控制系统I/O端口分配及功能表可知，本设计方案输入共6个点，输出共6个点，I/O实际需12点。为留有今后工艺改进与功能扩充余地，在实际统计I/O点数基础上，一般加10-20％余量，再考虑PLC产品本身规格，可取PLC的I/O总点数为48点。I/O口总点数为12点且均为开关量，以每个I/O点需1O个字节估算则所需存储器字节数为：12*10=120（B）；定时器有两个：一个夹紧延时、一个放松延时，以每个定时器需2个字节估算则所需存储器字节数为：定时器/计数器数量*2=2*2=4（B）。共需存储器字节数为：480+4=484（B）结合技术与经济成本方面因素综合考虑，本机械手PLC控制系统设计选取日本三菱公司FX2N-48MR型PLC产品。FX2N-48MR型产品主要技术指标如下：表2三菱FX2N-48MR型产品一般技术指标环境温度使用时：0～55℃；储存时：-20～+70℃环境湿度35%～89%RH时（不结露）使用抗振标准JISC0911，10～55HZ，0.5mm（最大2g），3轴方向各2h抗冲击标准JISC0912.，10g，3轴方向各3次在用噪声器产生电压为1KV、噪声脉冲宽度为1μS、周期为30～100HZ的噪声干扰时正常耐压AC1.5KV，1min所有端子与接地之间绝缘电阻5MΩ以上（DC500v兆欧表）接地第三种接地，不能接地时也可悬空使用环境无腐蚀性气体，无尘埃2．2电源模块PLC需AC220V，50HZ，约100W。外部限位开关共5个，可由PLC专供外部传感器直流电源直接供给，该电源为DC24V，，可满足限位开关使用，而且与PLC连接方便。对于气动电磁阀，按每个电磁阀DC24V，100W同时动作系数为2计算，最大需DC24V200W，同时为留有余量按DC24V，10A考虑。2．3外部位置检测装置外部位置检测由4个接近式限位开关组成，其中包括：上、下限位开关、左、右限位开关各一个。这些开关由PLC直接供电，可以直接接入PLC输入模块，因输入模块本身已有光电隔离所以不需另设隔离电路。为防止长线干扰，需在线输入端接200Ω电阻及对地接0.1uF电容。2．4液压驱动装置液压驱动装置由气动电磁阀构成。本机械手PLC控制系统共有五个气动电磁阀，其中左移、右移、上移、下移气动电磁阀是双通的，而夹紧、放松是单通的。每个电磁阀线圈需供电DC24V100W，所以PLC输出模块上的继电器接点容量不够，必须用中间继电器进行接点转换，中间继电器选用线圈电压为DC24V，接点容量为2A，额定电压为DC100V。3．机械手PLC控制系统的电气设计3．1I/O口信号及点数分析输入控制信号分析：下限位，上限位，左限位，右限位共4个行程开关需4个输入端子，启动按钮，停止按钮等2个信号，占2个输入端子。以上共需6个输入信号点。输出控制信号分析：控制机械手上升、下降、左移、右移、夹紧这5个电磁阀线圈，需5个输入端子。机械手从原点开始工作，需一个原点位置指示灯，占1个输入端子。以上共需6个输入信号点。夹紧工件、松开工件均需要延时，需用PLC内部2个定时器T0、T1，它们均定时2秒钟。3．2I/O端口分配及功能表由上述I/O口信号分析，得I/O端口分配及功能表：表1机械手PLC控制系统I/O端口分配及功能表序号端口信号注释1X0SB1启动开关2X1SQ1下限位开关3X2SQ2上限位开关4X3SQ3右限位开关5X4SQ4左限位开关6X5SB2停止开关7Y0YV1下降电磁阀8Y1YV2夹紧电磁阀9Y2YV3上升电磁阀10Y3YV4右移电磁阀11Y4YV5左移电磁阀12Y5HL原位指示灯13主机COM0、COM1、COM2接电源GND电源地端说明：实验验证时，面板上不含停止开关，电磁阀用LED等模拟，亮（1）表示电磁阀线圈得电，灭（0）表示电磁阀线圈掉电。

4．PLC外部接线图5PLC外部接线图图图5PLC外部接线图5．系统程序框图根据系统的控制要求绘出控制程序结构框图，如图6所示，图中给出的是机械手PLC控制系统工作一周期的程序流程图。NNNNNNNNNYYYYYYYY图6机械手PLC控制程序结构框图五、实验调试结果1．调试工具三菱PLC编程软件（GX-Developer）THPFSL-2型网络型可编程控制器综合实训装置（A17挂箱）2．调试方法（1）检查实验设备、器材及调试程序。（2）按照I/O端口分配表(PLC外部接线图)完成PLC与挂箱之间的接线。（3）打开己编写好的机械手PLC控制程序，进行编译，用SC-09通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口，打开PLC主机电源开关，下载程序至PLC中，下载完毕后将PLC的“RUN/STOP”开关拨至“RUN”状态。（4）将左限位开关SQ4、右限位开关SQ3打向左、上限位开关SQ2、下限位开关SQ1打向上，机械手回到初始状态，原位指示灯HL点亮。（5）打上“SB1”启动开关，下降指示灯YV1点亮，模拟机械手下降，上限位开关SQ2打下，下降到A处后将下限位开关SQ1打下，开始夹紧工件，夹紧指示灯YV2点亮。（6）夹紧工件后，机械手上升，上升指示灯YV3点亮，将下限位开关SQ1打上，机械手上升到位后，上限位开关SQ2打上。（7）右移指示灯YV4点亮，机械手开始右移，左限位开关SQ4打向右。（8）机械手右移到位后，右限位开关SQ3打向右，下降指示灯YV1点亮，机械手下降，上限位开关SQ2打下。（9）机械手下降到位后，下限位开关SQ1打下，夹紧指示灯YV2熄灭，机械手放松。（10）机械手放松后上升，上升指示灯YV3点亮，下限位开关SQ1打上，机械手上升到位后，上限位开关SQ2打上。（11）机械手上升到位后左移指示灯YV5点亮，右限位开关SQ3打向左。（12）机械手左移到位后，左限位开关SQ4打向左，机械手完成一个动作周期。3．时序图经理论分析，并通过硬件实验、软件仿真验证，本机械手PLC控制系统软程序准确无误，能够保证系统的正常运行。并由此可得该机械手PLC控制系统的逻辑时序图，如图7所示。SB1启动开关SB2停止开关SQ1下限位开关SQ2上限位开关SQ3右限位开关SQ4左限位开关YV1下降电磁阀YV2夹紧电磁阀YV3上升电磁阀YV4右移电磁阀YV5左移电磁阀HL原位指示灯注释说明原位下降夹紧上升(夹紧)右移(夹紧)下降(夹紧)释放上升左移下降停止图7机械手PLC控制系统时序图六、设计中的问题及解决办法1、在实验室进行硬件仿真调试时，运行指示灯始终点亮，操作无反应。出现问题后，首先进行程序检查，理论分析未发现错误，后对线路接线检查后发现，原因为输入端子的COM端未接GND。进行线路的简单修正后，机械手PLC控制系统最终正常运行，调试成功。七、设计心得随着期末的临近，为期三周的专业课程设计也接近了尾声，最终得以圆满完成。本课程设计根据机械手对控制系统的要求，论证了总体方案，通过对PLC的输入、输出信号的