PLC控制轮式机器人操作手毕业论文

毕业设计说明书基于PLC的轮式移动机器人操作手控制系统设计学生姓名：学号：学院：自动控制系系名：自动控制系电气工程及其自动化专业：电气工程及其自动化指导教师：年月基于PLC的轮式移动机器人操作手控制系统设计摘要：轮式移动机器人操作手是移动机器人一个重要组成部分，随着全球经济的发展、产业重心从制造业向非制造业的转移，人们对机器人的灵活性、独立性、智能化提出了更高的要求，并要求机器人能够在一定范围内安全运动，自主完成特定的任务，增强机器人对环境的学习和适应能力。机器人技术不仅广泛应用于农业、工业，而且也在不断向反恐、社会安全等领域拓展，传统的基座固定式操作手由于工作空间的局限性已经无法满足人们生产生活的需求，而移动机械手的出现很好的弥补了传统机械手的这一缺陷。装配有机械臂的智能移动机器人能够顺次自主地完成一系列动作：选定目标、跟踪并趋近目标、机械臂伸展、夹手抓物、运动到指定位置、机械臂复位等。应用智能机器人可以帮助老年人和残疾人来完成他们日常生活中难以做到的一些操作，解决他们生活上的困难。本设计我首先对移动机器人操作手的背景，现状，研究意义等进行了了解。其次通过查阅资料确定了系统的控制方案。之后确定了机械手的硬件系统组成，并设计出了系统结构。再次根据系统结构确定了PLC输入输出点数，并绘制出了电气原理图，之后对PLC程序进行了编写并进行了调试。最后利用GXDeveloper做出仿真图，对结果进行了归纳总结。【关键词】轮式移动机器人操作手，可编程序控制器(PLC)，气动机械手

PLCwheeledmobilerobotcontrolsystemdesignAbstract：Wheeledmobilerobotisanimportantpartofmobilerobot,alongwiththedevelopmentoftheglobaleconomy,theshiftawayfrommanufacturingtononmanufacturingindustry,peopleputforwardhigherdemandontherobotflexibility,independence,intelligent,andrequirestherobotcanmoveinacertainarea,accomplishthespecialthetaskofrobot,reinforcementlearningontheenvironmentandtheabilitytoadapt.Robottechnologyisnotonlywidelyusedinagriculture,industry,butalsoinunceasinglytocounter-terrorism,socialsecurityandotherareasofdevelopment,thetraditionalbasefixedmanipulatorduetolimitationsofspacehasbeenunabletomeetthepeople'sproductionandlivingneeds,whilethemobilemanipulatorappearsverygoodtomakeupforthedefectofthetraditionalmanipulator.Equippedwithintelligentmobilerobotmanipulatorcansequentiallyindependentlycompleteaseriesofactions:theselectedtarget,trackingandcontrol,mechanicalarm,clampsthehandgrasping,movingtothespecifiedlocation,reductionandmechanicalarm.Applicationofintelligentrobotcanhelptheelderlyanddisabledpeopletoaccomplishtheoperationdifficulttodointheirdailylives,tosolvetheirdifficultiesinlife.ThistopiciscontrolledbyMitsubishiElectricCorporationandSiemensPLC,steppermotordrives,steppermotorsandotherdevicescomponents.Thisarticlefirstbrieflyintroducethetopics,includingbackground,currentstatus,significance,etc.;secondlyhardwarecomponentsofthesystem,structureandprinciplesaredescribedandanalyzed;onceagainusedthedeviceofthesystemaredescribedseparately,focusingonthePLCprogramwereprepared;finaldesignoftheprojectonknowledgelearnedandsummarized.Keywords:Wheeledmobilerobot,Programmablecontroller,Pneumaticmanipulator第页共30页1绪论1.1轮式移动机器人操作手设计的背景随着全球经济的发展、产业重心从制造业向非制造业的转移，人们对机器人的灵活性、独立性、智能化提出了更高的要求，并要求机器人能够在一定范围内安全运动，自主完成特定的任务，增强机器人对环境的学习和适应能力。机器人技术不仅广泛应用于农业、工业，而且也在不断向反恐、社会安全等领域拓展，传统的基座固定式操作手由于工作空间的局限性已经无法满足人们生产生活的需求，而移动机械手的出现很好的弥补了传统机械手的这一缺陷。因此，近年来移动机器人成为机器人研究领域的中心之一。目前，对移动机械手的研究为国内外的研究学者所关注，它所涉及的科学领域包括：移动机械手的运动学分析，路径规划、自主定位与导航技术、移动机器手动力学建模、移动机械手的协调控制理论和方法等。目前而言，国内外对移动机械手的运动学研究比较多，对移动机械手的路径规划、最优构形，基于运动学的协调控制等问题的研究已经比较深入，并提出了一些比较合理的解决方法。但是在对移动机械手动力学方面的研究则相对要少一些，由于结构相对复杂，分析动力学特征有一定难度，而且移动机械手是一种非线性、强耦合的系统，建立精确、合理的动力学模型还有待进一步的深入研究，也给基于动力学的协调控制带来了很大的难度，从目前的整体情况来看，移动机械手的动力学模型的建立、基于动力学模型下的解耦机制和协调控制原理还有待揭示。国外在移动机器人方面的研究可以追溯到上世纪中叶，最初只是为了学术研究的需要，通过对室外机器人的体系结构的研究和相关信息的处理，建立移动机器人实验系统以此来验证相关的研究结果；进入上世纪90年代，随着科学技术的不断进步和工业生产的需要，实现了从对移动机器人理论研究到应用的飞跃，开始应用于工业生产、科学研究等领域，如由美国NASA资助研制的火星探测机器人“索杰那”在1997年成功登上火星。国内对移动机器人领域的研究相对较晚，目前对移动机械手的相关研究还处于理论分析、跟踪、和试验阶段，并在某些领域取得了一定的成果，例如清华大学自主研制的智能移动机器人THMR-IH，中国科学院（沈阳自动化研究所）投资研发的自动导引车AGV和防爆机器人，以及服务机器入和自动导航车在香港城市大学研制成功。

1.2轮式移动机器人操作手设计的内容本设计用可编程控制器实现一个有单步、单周期、连续、自动回原点、手动，五种工作模式的机械手控制系统。轮式机器人主体有底盘、机械手及电气控制等三部分组成。电气控制部分由可编程控制器、电机驱动、各种位置电磁传感器和一些低压电器元件组成。可编程控制器作为控制核心，采集输入端口信号后完成各种逻辑控制和数据的运算，然后通过输出端口完成电机的运动和各种信号的现实。1.3轮式移动机器人操作手设计的目的和意义移动机器人操作手作为轮式机器人的重要组成部分，也有了长足的发展。关于移动机械手的研究早在60年代就己经开始了，移动机器人操作手就是在一个全方位移动平台上通过安装一个或若干个多自由度机械手所构成的联合体。正由于移动机器人操作手这种构造使得它具有移动和操作两大基本功能，移动平台的位置移动几乎无限制地扩大了机械手的工作空间，并能在这个空间内选择一个更加适合的姿态来执行任务。移动机械手并非是传统机器人与机械手的简单组合，与他们相比具有明显的优势，特别是在高柔性和自主性上比较突出。装配有机械臂的智能移动机器人能够顺次自主地完成一系列动作：选定目标、跟踪并趋近目标、机械臂伸展、夹手抓物、运动到指定位置、机械臂复位等。应用智能机器人可以帮助老年人和残疾人来完成他们日常生活中难以做到的一些操作，解决他们生活上的困难。而在工业生产和军事领域中，机器人小车完成抓取搬运任务，可以避免在恶劣和危险环境中人工作业的危险性。因此，装配机械臂的智能机器人的研究对机器人在工业、服务业、军事等领域的开发设计与应用具有重要的实用价值和实际意义。2系统控制方案的确定2.1机械手系统的功能如图1所示是一台气动机械手的动作示意图，其作用是将工件从A点传递到B点。气动机械手的升降和左右移动分别有两个具有双线圈的两位电磁阀驱动气缸来完成，其中上升和下降对应电磁阀的线圈分别为YV2和YV1，左行右行对应电磁阀的线圈分别为YV4和YV3。一旦电磁阀线圈通电，就一直保持现有的动作，直到相对的另一线圈通电为止。气动机械手的夹紧，松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的气缸完成，线圈得电夹住工件，线圈断电，松开工件。机械手的工作臂都设有上、下限位和左、右限位的位置开关X2、X1和X4、X3，夹持装置不带限位开关，它通过一定的延时来表示其夹持动作的完成.机械手在最上面、最左边且除松开的电磁线圈通电外其它线圈全部断电的状态为机械手的原位。机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。2.2系统设计的基本步骤1.深入了解和分析的机械手条件和控制要求。2.确定I/O设备。根据机械手控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。4.分配I/O点。分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。5.设计机械手系统的梯形图程序。根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序。6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。机械手系统设计与调试的主要步骤，如图2所示：图2机械手系统设计与调试的主要步骤3系统硬件设计3.1可编程控制器(PLC)3.1.1PLC简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。PLC是由继电器控制技术发展而来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低很多。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。3.1.2PLC的基本结构可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：（1）电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去（2）中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。（3）存储器与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的PLC。PLC的软件分为两部分:系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。（4）输入输出接口电路a.现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。b.现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。(5)功能模块如计数、定位等功能模块。(6)通信模块3.1.3PLC的工作原理可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段。可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作。在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。梯型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为OFF。扫描周期可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次图2.5.1aPLC的工作原理具体如图3图3PLC的工作原理（1）输入采样阶段:在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O映象区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段:在用户程序执行阶段，PLC的CPU总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。（3）输出刷新阶段:在输出刷新阶段，CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是PLC真正的输出。(4)输入/输出滞后时间:输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。输入模块的CPU滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向可控硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为1ms。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入—输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。3.2机械手机械结构机械手主要有手部、运动部件和控制系统三大部分组成。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动装置。机械手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大等特点，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。机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为外夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。3.2.1夹持装置回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移。对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置。但其机械机构繁杂，体积大，制造精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候，在满足工件的定位精度要求的条件下，尽可能的采用结构比较简单回转型夹持器。本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回转型夹持器。如右图所示，装在杆上端的滚子3和楔块之间为滚动接触。当电机带动连杆前进时，通过楔块4的斜面和杠杆1，使两个手爪产生加紧动作和加紧力。当楔块后移时，靠弹簧的拉力使手指松开。这种末端执行器由于楔块和滚子之间为滚动接触，摩擦力小，活动灵活，且机构简单。3.2.2驱动方式（1）液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓取重量可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。（2）气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样重量条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作，本设计采用此种驱动方式。（3）机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。（4）电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便，此类机械手目前还不多，但有发展前途。3.3传感器的选择在本设计中采用的是日本欧姆龙公司的产品：欧姆龙EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式传感器。采用能抗周围外来光干扰的变调光式，不易受外来光干扰的影响；电源电压采用大量程电压输出型（DC5-24V）；带有便于调整的光轴标识；带有动作确认，容易调整的入光显示灯；反射式传感器的时间图和输出回路图如图13所示。图4反射式传感器的时间图和输出回路图它有三根连接线(红、蓝、黑)，红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。需要注意检测距离不要离传感器太近，否则传感器将不能工作；用接插件方式进行连接，千万不要焊接端子。该传感器的电气技术数据如下:型号EE-SPY402形状立式检测方式反射型检测距离5mm(反射率90﹪15×15mm)应差距离0.2mm(检测距离3mm,横方向)光源(发光波长)GaAs～红外发光二级管(940nm)显示灯入光时灯亮

(红)电源电压DC5～24V±10﹪脉动(p-p)5﹪以下消耗电流平均值15mA以上50mA以下

控制输出NPN电压输出负载电源电压DC5～24V负载电流80mA以下残留电压1.0以下(负载电流80mA时

)残留电压0.4以下(负载电流10mA时

)应答频率100HZ使用环境照度受光面照度白炽灯太阳光：各3，000x以下环境温度动作时：-10～+55°C保存时-25～+环境湿度动作时：5～85﹪RH保存时-5～95﹪RH(不结露)耐久振动10～55HZ上下振幅1.5mmXYZ各方向2h耐久冲击500m/s2X、Y、Z各方向三次保护构造IEC规格IP50连接方式接插件式(不可进行软钎焊)质量约2.6g外壳材质聚碳酸酯(PC)表1传感器的电气技术数据3.4行程开关的作用及原理行程开关就是一种由物体的位移来决定电路通断的开关。行程开关又称限位开关,可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框等，简称静物)上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当物体接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。行程开关用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位及保护。3.4PLC机型的选择方法在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步进行PLC工程设计选型。设计选型的主要依据是工艺流程的应用要求和特点。因此，在进行工程设计选型和估算时，要全面分析工艺流程的特点以及控制要求，明确控制要求和范围，确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算所需输入输出点数、存储器容量、外部设备特性、确定PLC的功能等，最后选择性价比较高的PLC和设计相应的控制系统。1．输入输出（I/O）点数的估算输入输出点数估算时要考虑恰当的余量，一般根据统计的I/O点数，再扩展10%～20%的余量，作为I/O点数的估算数据。实际选择时，还应当根据不同制造厂商PLC产品的特点，对I/O点数进行圆整。根据估算的方法，故本课题的I/O点数为输入40点，输出21点。2．存储器容量的估算存储器容量是PLC本身所能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。在设计过程中，因为用户程序还没有编制，所以，程序容量在设计过程中是不知道的，需要在程序调试完成才知道。在设计选型时，通常采用存储器容量的估算来替代程序容量估算。由于没有固定的公式对存储器内存容量进行估算，因此在文献资料中给出了不同公式，基本上都是根据数字量I/O点数的10～15倍与模拟量I/O点数的100倍的和作为内存的总字数（16位为一个字），还应考虑总数25%的余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储5000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。3．控制功能的选择根据本课题所设计的自动化立体仓库控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。（1）控制功能PLC适用于顺序逻辑控制，因此，通常情况下采用单回路或者多回路控制器来解决模拟量的控制问题，也可采用专门的智能输入输出单元来完成所需要的控制功能，以加快PLC的处理速度以及节约存储器容量。（2）编程功能离线编程方式：编程器和PLC共同使用同一个CPU，编程器在进行编程时，CPU只为编程器提供服务，不能控制现场设备。编程完毕后，编程器转变为运行状态，CPU控制现场设备，不能进行编程。离线编程方式能够降低系统成本，但不方便进行调试和使用。在线编程方式：CPU和编程器不能共用同一个CPU，主机CPU负责控制现场设备，在每一个扫描周期内都要与编程器交换数据，并由编程器把在线编制的程序或数据传送到主机，在下一扫描周期时，主机按照新接收的程序运行。这种方式具有较高成本，但使用和调试方便，多用于大中型PLC。五种标准化编程语言：三种图形化语言，分别为梯形图（LD）、功能模块图（FBD）、顺序功能图（SFC）；两种文本语言，分别为结构文本（ST）、语句表（IL）。（3）诊断功能PLC的诊断功能分为硬件诊断和软件诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分为内诊断和外诊断。内诊断是通过软件诊断PLC内部的性能和功能，外诊断是通过软件诊断PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能。PLC诊断功能的是否强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。4．机型的选择PLC的型号的选择，应充分考虑性价比。比较和兼顾考虑经济性、应用的可操作性、可扩展性、投入产出比等因素，从而选出较合适的产品。输入输出点数直接影响价格。当输入输出点数增加到某一数值后，对应的存储器容量就要增加，因此，输入输出点数的增加对CPU、控制功能、存储器容量范围等的选择都会产生影响。在估算和选用时应统筹兼顾，使整个控制系统有较合理的性价比。3.5机械手PLC选择及参数3.5.1机械手PLC选择三菱FX2N系列可编程控制器主机按输入输出点数可分为六档：16点、24点、32点、64点、80点、128点，还有多种可扩展单元，这样在增加输入输出点数时，可通过扩展模块实现而不改变机型，减少投入。结合课题要求可以得出本设计中PLC用到的主要输入点有四个限位开关、六个动作过程和四种工作模式，而输出则是机械手的五个运动动作和一个原位指示，输入还有系统的启动停止。所以本文用到的PLCI/O分配点为18个输入点5个输出点。由于机械手的控制属于开关量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型号的小型PLC均可满足要求。根据所需的I/O总点数并留有一定的备用量，可选用FX2N-48RM，其输入和输出各24点，继电器输出型。综合上述原则机械手控制系统主机为三菱的FX2N-48MR。

3.5.2主要技术数据工作电源：24VDC输入点数：24输出点数：24输入信号类型：直流或开关量输入电流：24VDC5mA模拟输入：-10V～10V（-20mA～+20mA）输出晶体管允许电流0.3A/点（1.2A/COM）输出电压规格：30VDC最大负载：9W输出反应时间：Off→On20μsOn→Off30μs基本指令执行时间：数个μs程序语言：指令+梯形图+SFC程序容量：3792STEPS基本顺序指令：32个（含步进梯形指令）应用指令：100种初始步进点：S0～S9一般步进点：118点，S10～S127辅助继电器：一般用512+232点（M000～M511+M768～M999）停电保持用256点（M512～M767）特殊用280点（M1000～M1279）定时器：100ms时基64点（T0～T63）数据寄存器：一般用408点（D000～D407）停电保持用192点（D408～D599）特殊用144点（D1000～D1143）指针/中断：P64点；I4点（P0～P63/I001、I101、I201、I301）串联通信口：程序写入/读出通讯口：RS232主机电源220VAC

4机械手系统控制软件设计4.1编程语言的介绍基本的编程语言有：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL）。LAD和FBD是面向图形的语言。在LAD中通过串联或并联结构中连接各个触点来创建控制方案，而在FBD中则是通过AND和OR方框互连在一起的。STL是一种面向文本的语言，以列表方式描述控制任务。梯形图因为其比较直观并且容易接受因而很受普通编程人员的欢迎。梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图及用梯形图语言编程的主要特点，概括起来主要有：（1）梯形图是一种图形语言，它沿用继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，并增加了一些继电接触控制中没有的符号，因此梯形图与继电接触控制图的形式及符号有许多相同或相仿的地方。梯形图最左边的竖线称为起始母线也叫左母线，然后按一般以继电器线圈（线圈可以用圆圈、椭圆形、括号来表示）结束，称为一逻辑行或叫一“梯级”，一般在最右边还加上一竖线，这一竖线称为右母线，也可省去右母线。通常一个梯形图中有若干逻辑行（梯级），形似梯子，梯形图由此而得名。梯形图形象直观，容易掌握，用的很多，堪称用户第一编程语言。（2）梯形图中的每个继电器和继电器接点不是通常物理意义上的继电器和接点，而是存储器中的一位。即在梯形图中均为“软线圈”、“软接点”、“软继电器”、“软接线”。（3）梯形图中没有真正意义上的物理电流流动，只有假想的“概念电流”（或称“能流”）从梯形图的左母线（假想为“火线”）向右母线（假想为“中线”）“流动”，而不能“逆向流动”。（4）梯形图中的继电器线圈包括输出继电器、辅助继电器线圈等，其逻辑动作只有线圈接通之后，才能使对应的常开或常闭接点动作。（5）梯形中接点可以多次串联或并联，但继电器线圈只能并联而不能串联。（6）PLC是按循环扫描方式沿梯形图的梯级从上到下、从左到右的先后顺序执行程序的，在同一个扫描周期中的结果保留在输出状态暂存器中。（7）一般完整的程序结束时要有结束标志END

4.2三菱编程软件的特点三菱PLC是运用三菱公司的GXDeveloper7.0编程软件完成的。GXDeveloper7.0软件的特点如下：1、制作程序。2、对可编程控制器CPU的写入/读出。3、监视功能。监视功能包括回路监视，软元件同时监视，软元件登陆监视机能。此功能对于自动化立体仓库的控制系统在查找故障的时候是非常重要的。4、模拟调试功能。把编制好的程序模拟传入可编程控制器的CPU内，调试此程序是否能够正常运行。此功能对于在完成自动门程序的时候进行程序的检查是很重要的。5、PC诊断功能。可以将错误状态或则故障快速诊断出来，以便在短时间内可以恢复作业。4.3系统流程图控制流程介绍：（1）将选择开关置于回原位操作方式，通电状态下，按下回原位按钮，各机构复位，即机械手在最上面、最左边且除松开的电磁线圈通电外其它线圈全部断电。（2）当选择手动方式时，按下相应按钮，执行相应动作。（3）当选择单步方式时，系统不进行自动转移，需要按起动按钮执行下一步。（4）当选择自动方式时，按下起动按钮，系统自动从原点下降到A点拾取物品，之后上升，右移，下降到B点放下物品，循环工作，知道按下停止按钮。4.4梯形图的设计基本规则和技巧为了使编程正确、快速和优化，必须掌握编程的基本规则和技巧。（1）梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列，每一列起于左母线，终于右母线（右母线也可省去不画）。（2）在同一梯形图中，统一编号的线圈若使用两次或两次以上称为双线圈输出，一般情况下一个线圈只能出现一次，因为双线圈输出容易引起操作错误。（3）PLC内部几点去的接点可以多次使用，不受限制。（4）在梯形图中，每行串联的节点数和每组并联电路的并联接点数，理论上没有限制。但有的PLC可能有限制，要看厂家使用说明说。（5）输入及电器的线圈是由输入点上的外部输出信号控制驱动的，所以梯形图中输入继电器的接点用以表示对应点上的输入信号。（6）把串联接点最多的支路编排在上方。（7）把接点最多的并联电路编排在最左边。（8）有些指令必须成对使用，缺一不可。（9）定时器、计数器等的设定值和指令程序中的操作数不能超出规定允许的数据范围。5机械手PLC控制系统设计5.1确定PLC输入/输出点数（1）输入信号位置检测信号：下限、上限、右限、左限共4个行程开关需要4个输入端子。“工作方式”选择开关：有手动、单步、回原位、单周期和连续5种工作方式，需要5个输如端子。手动操作：需要有下降、上升、右移、左移、加紧、放松6个按钮，也需要6个输入端子。自动工作：尚需起动、正常停车、回原位3个按钮，也需要3个输入端子。以上共需要18个输入信号。（2）输出信号PLC的输出用于控制机械手的下降、上升、右移、左移、加紧、放松等。机械手从原点开始工作，需要一个原点指示灯，也需要1个输出点。所以，至少需要6个输出点。由于机械手属于开关量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型号的小型PLC均可满足要求。根据所需的I/O总点数并留有一定的备用量，可选用FX2N-48RM，其输入和输出各24点，继电器输出型。表2为输入输出点数分配表。输入信号输入信号名称代号输入点名称代号输入点下限SQ1X1手动SAX20上限SQ2X2原位SAX21右限SQ3X3单步SAX22左限SQ4X4单循环SAX23上升SB3X5自动SAX24左行SB4X6松开SB5X7输出信号下降SB6X10名称代号输出点右行SB7X11下降YV1Y0夹紧SB8X12上升YV2Y2回原位SB9X25左行YV3Y3起动SB10X26右行YV4Y4停止SB11X27夹紧YV5Y1表2输入输出点数分配表

5.2PLC接线图

5.3指令表公共程序：49STLS1199SETS260LDX00450SETM8043101STLS261ANDX00252LDM8043102LDIX0022ANIY001自动方式：103OUTY0023OUTM804455STLS2104LDX0025LDM800056LDM8041105SETS276ISTX20S20S2757ANDM8044107STLS27手动方式：58ANDX026108LDIX00413STLS059SETS20109OUTY00414LDX01261STLS20110LDX00415SETY00162LDIX001111OUTS216LDX00763OUTY000113RET17RSTY00164LDX001114END18LDX00565SETS2119ANIX00267STLS2120OUTY00268SETY00121LDX01069OUTT0K1022ANIX00172LDT023OUTY00273SETS2224LDX00675STLS2225ANIX00476LDIX00226ANDX00277OUTY00227OUTY00478LDX00228LDX01179SETS2329ANIX00381STLS2330ANDX00281STLS2331OUTY00382LDIX003回原点方式：83OUTY00332STLS184LDX00333LDX2585SETS2434SETS1087STLS2436STLS1088LDIX00137ZRSTY00089OUTY00042LDIX00290LDX00143OUTY00291SETS2544LDX00293STLS2545OUTY00494RSTY00146LDX00495OUTT1K1047SETS1198LDT1

5.4梯形图

5.5仿真图5.5.1自动方式仿真图：图5.1自动方式仿真图5.5.2手动方式仿真图图5.2手动操作机械手夹紧，放松仿真图

图5.3手动操作机械手上升，下降仿真图图5.4手动操作机械手左移，右移仿真图

6结论本次设计是基于PLC控制的轮式机器人操作手，利用PLC的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器控制机械手的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。而且，当系统要求的功能增加时，只需要对软件程序进行简易更改。论文首先介绍了课题设计的背景、内容、目的和意义。随着全球经济的发展、产业重心从制造业向非制造业的转移，人们对机器人的灵活性、独立性、智能化提出了更高的要求。其次围绕系统方案的确定，对轮式机器人操作手进行了简单的介绍。轮式机器人操作手是机械和电气控制相结合的产品。主要由载具，机械手和控制系统三部分所组成。然后阐述了本课题设计的机械手实现要求功能的具体步骤。最后讲述了PLC的优点和选择PLC进行控制的原因。本次毕业设计的大体思路是第一，对控制系统的结构进行设计；第二，对PLC（可编程控制器），气动机械手，传感器，微动开关进行慎重的选择；第三，列出了PLC输入输出分配表，并绘制了本设计的电气原理图；第四，据系统工作过程的要求，绘制出了系统流程图，进而设计出了满足机械手各功能的梯形图。

参考文献[1]王珊珊.轮式移动机器人控制系统设计.硕士学位论文.南京：南京理工大学，2013[2]朱骏.移动机器人操作机械手设计与分析[D].南京理工大学,2006[3]徐国华,谭民.移动机器人的发展现状及趋势[J].机器人技术与应用2001[4]宫淑贞.可编程控制器原理及应用.北京：人民邮电出