基于PLC的机械手控制系统设计-答辩已过

基于PLC的机械手控制系统设计目录摘要…………………………..ⅠAbstract…………...…………...Ⅱ第1章绪论…………...………11.1课题研究目的及意义………...………….11.2国内外机械手研究概况……………………...………….21.3课题研究的内容……………...………….3第2章方案设计与论证…………...…………..42.1方案设计………………42.2方案论证……………………...………….52.3方案确定………………...……………….7第3章系统硬件设计…………...……………..83.1主电路设计…………………...….………83.1.1熔断器的选择……………………...……….…...…83.1.2热继电器的选择………………...……….……...…83.1.3接触器的选择…………………...……...……….…93.1.4系统主电路图………..………….…93.2传感器设计…………...…103.2.1传感器的选型…………………...…...……………103.2.2传感器的工作原理…………...……...……………113.3行程开关的设计………………...………113.3.1行程开关的选型…………...……….……………..113.3.2行程开关的工作原理………...…...123.4PLC控制电路设计………...…………….123.4.1PLC的基本结构……………...……123.4.2PLC的工作原理……………...……133.4.3PLC的扫描运行方式……...………3.4.4PLC的特点………………...………143.4.5PLC经济分析……………...………163.4.6PLC的发展趋势………………...…173.4.7PLC的控制系统的保护措施………………...……173.4.8PLC的选型……………...……183.4.9PLC外部接线图…………...………20第4章系统软件设计………….214.1PLC的软件部分…………………...…...214.2系统总体设计…………………...……..224.2.1机械手的动作实现过程……...…...224.2.2系统总体流程图………………...………………...234.2.3系统复位流程图……………...…...234.2.4机械手气夹夹紧流程图…………………...……...244.2.5机械手气夹放松流程图…………………...……...25总结……………………...……26参考文献………………...……27致谢………………...…………28附录A系统总电路图…………29附录B系统梯形图…….………30PAGE30摘要在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手能代替人类完成危险、重复、枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力，因此机械手得到了越来越广泛的应用。本设计主要由硬件设计和软件设计两大部分组成，其中硬件设计包括主电路、控制电路以及电气控制线路的设计，软件设计包括流程图和梯形图的设计。主电路由电机、热继电器、熔断器、接触器构成；控制电路由PLC控制器、传感器、行程开关等构成。本设计中由行程开关将位置信号传给PLC主机，PLC分别控制各个交流电机的正反转，从而控制机械手在横轴与竖轴的运动；接近开关将位置信号反馈给PLC主机，通过控制交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题设计的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。关键词：机械手，PLC，传感器AbstractIntheindustrialproductionandotherfields,becauseoftheneedofjob,peopleoftenisaffectedbytheharmofhightemperature,corrosionandtoxicgases,thesefactorsincreaselaborintensityofworkers,andevenleadtolife-threatening.Sincethemanipulatorwasborn,thevariousdifficultproblemswereeasilysolved.Robotscanreplacehumanconsummatelydanger,repeattheboringwork,easehumanlaborintensityandimprovelaborproductivity,sorobotshavebeenappliedmoreandmore.Thisdesignmainlyconsistofthehardwaredesignandsoftwaredesign.Amongthem,hardwaredesigncontainsthemaincircuit，controlcircuitandelectricalcontrolcircuitdesign,softwaredesigncontainsthedesignofflowchartandladder-diagram.Maincircuitconsistofmotor,thermalrelay,fuse,contactor；controlcircuitconsistofPLCcontroller,sensorsandtravelswitch,etc.Inthepaper，positionsignalissenttoPLChostbytravelswitch,PLCcontroltheacmotor'spositive&negativerespectively,soasitcancontrolthemovementofmanipulatoronthehorizontalaxisandvertivalaxis;positionsignalissenttoPLChostbyapproachswitch,PLChostcancontrolthepawsofmanipulatorandrealizetheopenandclosebythecontrolofacmotor'spositive&negative,soasitcanachievethefunctionofaccuratemotion.Thesubjectdesignmaterialshandlingmanipulatorcancatchandputobjectsinspace,maketheactionflexible,accordingtothechangesofworkpieceandthemovementprocessrequirements，itcanchangetherelatedparametersatanytime.Keywords:manipulator,PLC,sensors第1章绪论随着我国经济以及工业的不断发展，机械手在工厂的地位变得越来越重要，因为它能够在取代人工在高温、潮湿的环境下工作，更好的提高了工作效率，改善了工厂的收益。本章主要从课题研究的背景、目的及其意义等方面对该设计作出简要概述。1.1课题研究目的及意义机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。可编程序控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一[1]。由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践[2]。1.2国内外机械手研究概况机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能[3]。目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队[4][5]。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础[6]。1.3课题研究的内容本课题主要研究的是基于PLC的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。通过设计编制PLC程序实现机械手控制系统的自动控制。硬件部分包括主电路图的设计、传感器的设计以及PLC控制电路设计。软件部分包括总体流程图、梯形图、编程指令等。第2章方案设计与论证正如“建筑要稳固，地基要打好”，一个系统的设计能否成功，主要取决于它的方案是否合理，也就是说方案的选择是设计系统的核心部分。本章主要就系统的驱动部分、控制部分等进行方案选择论证，并简述了系统的工作原理。2.1方案设计1.方案一：集散控制系统（TDCS）（1）硬件组成：TDCS、A/D转换器、D/A转换器、继电器、电机、显示灯（2）工作原理：D/A转换器将外部开关信号转换成模拟信号，然后传给集散控制系统。集散控制系统通过A/D转换器将输出模拟信号转换成数字信号，从而控制电机的继电器线圈来控制各个电机的正反转，最终使机械手能够在X轴与Y轴运动。机械手的运动情况由显示灯进行指示。（3）集散控制系统原理框图：如下图2.1所示图2.1集散控制系统原理框图2.方案二：工业控制计算机系统（IPCS）（1）硬件组成：主机板、外部总线、内部总线、人机接口、通讯接口（2）工作原理：工业控制计算机（简称工控机）是一种应用于工业生产过程控制的专用计算机，它能将生产的过程和管理调度相结合，从而使工业在就地控制加集中控制的基础上，进一步向自动化方向发展。（3）工控机的硬件组成机构：如下图2.2所示人机一接口人机一接口系统支持硬盘系统通信接口数字量输入通道（DI）模拟量输出通道（AO）数字量输出通道（DO）图2.2工控机的硬件组成结构3.方案三：PLC控制系统（1）硬件组成：PLC、外部开关设备、电源、显示灯、继电器、电机（2）工作原理：外部开关设备将机械手的位置信号反馈给PLC主机，PLC主机通过控制各个电机的继电器线圈的通断，从而控制电机的正反转，使机械手能够在横轴与竖轴运动。机械手的运动状态通过显示灯指示。（3）PLC控制系统原理框图：如下图2.3所示图2.3PLC控制系统原理框图2.2方案论证1、各自技术发展的起源计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要应用在工序控制上，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，增加了模拟量和PID调节等功能模块；运算速度提高，CPU的能力赶上了工业控制计算机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络(LAN)，因而也可构成为一个集散系统。特别是个人计算机也被吸收到PLC系统中。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、优缺点方案一：TDCS系统是一个大系统，其控制器功能强而且在系统中作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大；它属于封闭式系统，，各公司产品基本不兼容；该系统的信息全都是二进制或模拟信号行程的，必须有D/A和A/D转换；它可以控制和监测工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此它无法在TDCS工程师站上对现场仪表进行远方诊断、维护和组态。方案二：用工业PC机控制车库电机是早期用得比较多的一种控制方式，它可以充分利用一般计算机提供的各种软件和硬件资源，利用WINDOWS或其它操作系统，方便地对系统的进行控制。但是它要求设计人员单独设计系统的I/0接口电路，独立开发系统软件，编制软件的人员素质水平对系统控制有很大影响，因此它不具有通用性。方案三：PLC控制系统具有体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。由于PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。机械手采用PLC控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，用PLC控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。3、相同点在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，PLC、工业计算机、集散系统(TDCS)之间的差别正在缩小，都将由类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。4、不同点由于PLC和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。PLC用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。特别需要提出的是，PLC与STD总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。PLC更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于STD工控机，但是从开关量控制而言，PLC的性能优于STD工控机。总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。没有哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说根据不同的环境选择更适用的产品[7]。2.3机械手控制方式的选定PLC实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用PLC厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。PLC自问世以来，经过20多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品[8]，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力。编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。综上所述，本控制系统采用PLC控制方式。第3章系统硬件设计本设计以可编程控制器PLC作为控制核心，为完成系统工艺所需要求，将系统设计分为硬件电路设计和软件两大部分，硬件的设计是系统运行的基础。本系统中硬件电路主要分为三大板块：主电路、传感器、PLC控制电路等，以下是各板块的具体设计。3.1主电路设计3.1.1熔断器的选择熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。熔断器是一种过电流保护器。熔断器主要由熔体和熔管以及外加填料等部分组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，从而起到保护的作用。以金属导体作为熔体而分断电路的电器，串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备以及家用电器都起到了一定的保护作用。具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。熔断器主要由熔体、外壳和支座三部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。本设计中采用的熔断器的型号为HRW7-10，额定电压为220V。3.1.2热继电器的选择热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。热继电器的作用是：主要用来对异步电动机进行过载保护，他的工作原理是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。鉴于双金属片受热弯曲过程中，热量的传递需要较长的时间，因此，热继电器不能用作短路保护，而只能作过载保护。由于本设计中的电机的工作状态是反复短时工作制，热继电器仅有一定范围的适应性，因此，选用带速饱和电流互感器的热继电器，其额定电压为220V。3.1.3接触器的选择接触器(Contactor)是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制(某些型别可达800安培)电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象﹐也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。是自动控制系统中的重要元件之一。本设计采用额定电压为220V的交流接触器，驱动方式为电磁式驱动，动作方式为直动式。交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来导通控制回路。主接点一般是常开接点，而辅助接点常有两对常开接点和常闭接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。3.1.4系统主电路图本系统采用三相交流电为系统进行供电，三相空气开关QS控制整个系统的电源通断，既可完成主电路的短路保护又可方便日常的维护。FU1至FU4四个熔断器起过流保护作用，防止各回路发生短路现象；FR1、FR2、FR3三个热继电器对负载电机M1、M2、M3起过载保护作用，消除了主要的安全隐患。三个电流接触器KM0/KM2/KM4分别控制三个电机的正转，KM1/KM3/KM5分别控制三个电机的反转。具体电路设计如图3.1所示：图3.1系统主电路图3.2传感器设计3.2.1传感器的选型本装置中使用的传感器有接近开关和行程开关。机械手的夹紧与放松限位采用接近开关（金属传感器），通过调整金属块的位置，可以在一定范围内改变气夹的张合角度。接近开关的选型对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近开关，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则：1）当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。2）当检测体为非金属材料时，如；木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。3）金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近开关或超声波型接近开关。4）对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。本设计选用的是光电型接近开关。3.2.2传感器的工作原理利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。传感器工作原理图如下：图3.2传感器工作原理图接近开关：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之间的接线图如上，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3.2所示。3.3行程开关的设计3.3.1行程开关的选型机械手的伸缩、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。行程开关按其结构可分为直动式、滚动式、微动式和组合式，本设计选用直动式行程开关。其结构原理如图3.3所示：图3.3直动式行程开关1-顶杆2-弹簧3常闭触头4触头弹簧5常开触头3.3.2行程开关的工作原理行程开关又称限位开关，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，轿厢的上、下限位保护。3.4PLC控制电路设计3.4PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。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]。其结构简图如图3.4所示：外设I/O接口外设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3.4PLC硬件结构图PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。3.4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。3.4.3PPLC一般采用循环扫描方式工作。当PLC加电后，首先进行初始化处理，包括清除I/O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段。（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；双向可空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。3.4.4PLC的特点PLC是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。其主要原因是因为PLC具有以下优点：1、灵活、通用在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。2、可靠性高、抗干扰能力强对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。3、操作方便、维修容易PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。4、功能强现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。5、体积小、重量轻和易于实现机电一体化由于PLC采用了半导体集成电路。因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。且PLC是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备[10]。同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等[11]。3.4.5PLC的经济分析综上所述，在各种环境中，使用PLC控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。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对目前生产设备控制装置来说，有三种类型：①继电器控制；②半导体器件控制；③PLC控制。价格仅是选择PLC品牌的一个因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。2、从设计、生产周期长短考虑不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现。这是因为使用PLC不必改动外部设备接线，只要对软件进行一些改变就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。据调查，目前我国70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除了可靠性差外，程序设计也很繁杂。从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既简单、方便又保密。3.4.6PLC的发展趋势现代PLC的发展主要有两个趋势：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、大型网络化主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。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。3.4.7PLC控制系统的保护措施要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家用提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。为保证稳定性，在本系统中从硬件和软件方面采取了一定的保护措施。本系统采用三相交流电为系统进行供电，三相空气开关QF控制整个系统的电源通断，既可完成主电路的短路保护又可方便日常的维护。FU1至FU4六个熔断器起过流保护作用，防止各回路发生短路现象；FR1、FR2、FR3三个热继电器对负载电机M1、M2、M3起过载保护作用，消除了主要的安全隐患[18]。硬件的抗干扰措施可以大大提高系统的测控精度和工作可靠性,而系统的抗干扰又不能完全依靠硬件解决。因此在PLC控制系统的软件设计时,还应从软件方面进行抗干扰处理,进一步提高系统的可靠性。本设计中将220V交流电经过1：1的隔离变压器后再为控制系统供电，使供电网络与控制回路之间只有磁的耦合而在电气连接方面程完全隔离状态。结合其铁芯的高频损耗大的特点，可有效防止三次以上谐波进入控制器回路，减少系统的电磁干扰。由于隔离变压器二次侧对地悬浮，可以防止操作过程中触电。3.4.8PLC的选型经分析研究，该设计需要13个输入点、6个输出点，为完成控制系统所需工艺流程，需要控制器能有较强的浮点运算能力和掉电保持的能力，根据需要控制的开关，设备并考虑10％－15%的裕量，本系统采用松下FP-XC30T可编程控制器,该控制器有16个输入点，14个输出点。松下FP-X系列的可编程控制器具有如下特点：一、具有高速处理和充裕的大容量，浮点数PID运算只有32us，基本指令只需0.32us，可进行快速扫描。二、具有广泛的扩展功能，有5种类型的功能插卡和4中通信插卡，对于用户的逐步扩展的要求，可通过扩展插件，轻松地提供性能。三、可以通过普通的USB电缆与计算机实现简单连接，可实现三种通信功能。四、可靠的程序安全性，可通过工具软件FPWIN禁止上载程序可完全禁止从PLC主机读取程序，从而保护用户的程序资源，这样可以防止不正当的复制。五、具有丰富的通信网络功能，而且指令软件丰富。六、具有完善的高级功能，可以通过脉冲输入输出插卡，可使用高速计数器和脉冲输出功能。表3.1PLC的I/O口分配端口信号注释X0SQ0X轴前限位一X1SQ1X轴后限位一X2SQ2X轴前限位二X3SQ3X轴后限位二X4SQ4Y轴上限位一X5SQ5Y轴下限位一X6SQ6Y轴上限位二X7SQ7Y轴下限位二X8SQ8光电开关一X9SQ9光电开关二X10SB0启动按钮X11SB1复位按钮X12SB2停止按钮Y0KM0X轴前伸Y1KM1X轴后缩Y2KM2Y轴上升Y3KM3Y轴下降Y4KM4气夹夹紧Y5KM5气夹放松3.4.9PLC外部接线图图3.6PLC外部接线图FP-XC30T共有16个输入及14个输出端口，本系统中使用了13个输入口及6个输出口。外部接线图见图3.6，具体的端口信号分配如表3.1。第4章系统软件设计系统的硬件犹如人的身体，而软件恰恰就似人的思想、灵魂，硬件脱离了软件就成了废物，正如人没有了思想一样。所以说软件在一个系统设计中的作用非常的巨大，只有得到软件系统的控制才能达到准确控制的目的。本章主要介绍了软件的具体设计。4.1PLC的软件部分与微型计算机一样，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。（一）系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项功能。（二）系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备（例如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。（1）I/O映象区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要有一定数量的存储单元（RAM）以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit）,一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit)。因此，整个I/O映象区可看作由开关量的I/O映象区和模拟量的I/O映象区两部分组成。（2）系统软设备存储区：除了I/O映象区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电子供电。这部分存储单元内的数据得以保留；后者当PLC停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部置“零”。（三）用户程序存储区：用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC其存储容量各不相同，一般来说，随着PLC机型增大其存储容量也相应增大。不过对于新型的PLC，其存储容量可根据用户的需要而改变。4.2系统总体设计4.2根据机械手的工作流程，本设计采用顺序控制方式进行软件设计。机械手的运动主要可以分为取料、送料两个工作过程。机械手的上升/下降、前伸/后缩动作、机械手的放松/夹紧是通过分别控制三个伺服电机的正反转来实现的[13]。打开电源，按下启动按钮时，开机复位。机械手若不在原点则PLC输出端Y1输出高电平，KM1线圈通电，使伺服电机一反转，横轴后缩。当后缩到位时碰到后限位开关，输出端Y2输出高电平，KM2线圈通电，使伺服电机二正转，机械手上升。上升到底时碰到上限位开关，上升停止，回到原点。主机输出端Y0输出高电平，KM0通电，使伺服电机一正转，机械手前伸。前伸到位时碰到前限位开关，前伸停止，输出端Y3输出高电平，KM3线圈通电，使伺服电机二反转，机械手下降。下降到底时，主机输出端Y4输出高电平，KM4通电，使伺服电机三正转，机械手夹紧物体，当物体接近光电开关时，光电开关常开触点闭合，长闭触点断开，停止夹紧。PLC输出端Y2输出高电平，KM2通电，使伺服电机二正转，机械手上升，上升到位时，碰到上限位开关，上升停止。主机输出Y1输出高端向电平，KM1通电，使伺服电机一反转，机械手后缩。后缩到位时碰到后限位开关，后缩停止，输出端Y3输出高电平，KM3线圈通电，使伺服电机二反转，机械手下降。下降到位后碰到下限位开关，输出端Y5输出高电平，KM5线圈通电，使伺服电机三反转，机械手放松物体。放松到位时，光电开关撑开触点闭合，成闭触点断开，停止放松。PLC输出端Y2输出高电平，KM2线圈通电，使伺服电机二正转，机械手上升。当上升到位时碰到上限位开关，回到原点。至此，机械手经过八步动作完成一个循环[14]。4.2本设计中机械手的总体运动过程为：按下启动按钮，机械手复位，复位过程中，机械手先后缩，然后上升，回到原点后，机械手自动进行工作，然后机械手前伸，前伸到位后下降，下降到位后，机械手夹紧物体，夹紧到位后，机械手上升，上升到位后，机械手后缩，后缩到位后，机械手下降，下降到位后，机械手放开物体，然后上升，回到原点，如此循环往复运动。总体流程图如下图4.1所示：启动启动复位后缩上升前伸下降气夹夹紧上升后缩下降气夹放松上升初始化回到原点图4.1系统总流程图4.2.3系统复位流程图当按下启动按钮时，机械手会自动复位，复位过程是机械手先后缩，碰到左限位开关后，然后上升，上限位开关动作后，机械手回到原点。当按下复位按钮时，无论机械手处于何种运行状态，那种状态都会停止，而进行复位运动，复位运动的过程与启动时复位的过程相同。系统的复位流程图如图4.2所示：初始化YYY初始化YYYYYX10=1？X12=0？接通Y1,后缩X1=1？X12=0？接通Y2,上升回到原点NNN4.2.4机械手气夹夹紧流程图当机械手经过启动复位过程，然后右移，右移到位后，接着下降，下降到位后，机械手开始夹紧物体，夹紧的过程如下图4.3所示：回到原点接通Y0，前伸回到原点接通Y0，前伸X2=1？X5=1？X12=0？X12=0？YYYY接通Y4，夹紧接通Y3，下降NN图4.3气夹夹紧流程图4.2.5机械手气夹放松流程图机械手夹紧物体后，然后上升，上升到位后，接着左移，左移到位后，然后偶下降，下降到位后，然后放开物体。机械手气夹放松的流程图如下图4.4所示：气夹夹紧气夹夹紧X12=0？接通Y2，上升X12=0？X3=1？X6=1？X7=1？X12=0？X12=0？接通Y5，放松接通Y3，下降接通Y1，后缩NNYNNNNNYYYY图4.4气夹放松流程图总结在基于PLC的机械手控制系统设计中，通过自己的不断学习和努力，使自己在该领域有了一定的提高，同时巩固了在大学四年所学的专业知识。毕业设计是一个长期的过程，我认为，过程比结果更重要，我更加享受设计的整个过程，因为在设计中，通过老师的指导、同学的帮助，并且阅读相关的资料，使我增加了许多专业以及非专业知识。例如：在设计中我学会并且熟悉掌握了AutoCAD制图软件，进一步了解了PLC的相关知识。更重要的是，在设计中，我变得更加仔细、认真。在设计中，我不断的发现问题并且解决问题，使我的毕业论文从简陋变得更加的完美。由于缺少经验，并且所学知识有限，本次设计还存在很多的不足，仅局限于理论层面上的设计，不知道此系统能否实际运行，但是这是我自己独立完成的一个设计，我已经感到很满足。参考文献[1]廖常初.可编程序控制器应用技术(第四版)[M].重庆：重庆大学出版社，2005[2]许志军.工业控制组态软件及应用[M].北京：机械工业出版社．2005[3]王承义.机械手及其应用[M].北京：机械工业出版社，1981[4]白传悦.装配机械手PLC控制系统[J].可编程控制器与工厂自动化,2006，6(5):134～136[5]SaeedB.Niku,IntroductiontoRobotics:Analysis,Systems,Application[M].USA:PearsonEducation,2001[6]陈恳，杨向东，刘莉，杨东超.机器人技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2006[7]吴建强.可编程控制器原理及其应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998[8]林小峰.可编程序控制器及应用[M].北京：高等教育出版社，1991[9]DavidG.Johnson.“ProgrammableControllersforFactoryAutomation”.MarcelDecker,Inc.NewYorkandBasel[J].1987,5(4):10～23[10]王永华.现代电气及可编程序控制器技术[M].北京：航空航天大学出版社，2003[11]MITSUBISHIPROGRAMMABLECONTROLLERMELSECF1SERIESProgrammingManuol.MitsubishiElectricCOR[J].1999,2(6)：101～120[12]廖常初.可编程控制器的编程方法与工业应用[M].重庆：重庆大学出版社，2001致谢行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学时光也即将敲响结束的钟声。离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。生我者父母。感谢生我养我，含辛茹苦的父母。是你们，为我的学习创造了条件；是你们，一如既往的站在我的身后默默的支持着我。没有你们就不会有我的今天。谢谢你们，我的父亲母亲！

在这四年中，老师的谆谆教导、同学的互帮互助使我在专业技术和为人处事方面都得到了很大的提高。感谢湖南文理学院在我四年的大学生活当中对我的教育与培养，尤其要强烈感谢我的论文指导老师敖章洪老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！，没有你们的辛勤劳动，就没有我们今日的满载而归，感谢大学四年曾经帮助过我的所有同学。在制作毕业设计过程中我曾经向老师们和同学们请教过不少的问题，老师们的热情解答和同学们的热心帮助才使我的毕业设计能较为顺利的完成。在此我向你们表示最衷心的感谢。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统HYPERLINK"/detail.htm?34