PLC控制的材料搬运装置 毕业设计

IPLC控制的材料搬运装置用了可编程控制器(PLC)控制功能。使该系统可靠稳定，时期功能范围得到广泛应用。关键词：材料搬运，可编程控制器PLC,机械手，限位开关Inindustrialproductionandotherfismallbatchproduction,automationofproductionvarietiescanbresistant,corrosionresistantmaterial,igreatlyreducingthelabobecalledindustrialrobot.Industrialrobotissetmachinery,electronics,control,technologiesintheintegrationofmultidisciplinaryindustryimportantautomationequipment.Theprogrammablecontrollmicro-fluidicdeviceprocessingasthecoreofthenewindustrialautomaticcontroldevicecom.Autscopewidelyused.KEYWORDS:materialhandling,programmablecontrollerPLC,manipulator, 2 2 4 7 8 2.1梯形图编程语言 2.2功能块图编程语言 第3章PLC控制机械手的系统设计 3.1各电器设备的控制方式及控制要求 3.1.1机械手的技能和特性 3.1.2躯干和传动系统 12 3.2.2输入╱输出的点数 3.2.3电源模块的选择 3.2.4电动机的选择 第4章机械手控制程序设计 4.1控制要求 4.2控制流程图 4.3I/0分配表 4.4梯形图 4.5指令表 参考文献 1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。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。在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中不妥之处在所难免，肯请各位老师指正。2第1章PLC和机械手的介绍PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC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，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。通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、际电工委员会(IEC)颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算3可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用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(1)灵活、通用(2)可靠性高、抗干扰能力强(3)操作方便、维修容易(4)功能强(5)体积小、重量轻和易于实现机电一体化2.PLC的主要功能PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。(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)人机界面功能；(5)编程、调试功能。PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC产品面临3.PLC发展状况及趋势现代PLC的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功4(1)大型网络化(2)多功能可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器(CPU)、存储器(RAM/ROM)、输入输出接口(I/0)电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如图1-1所示：扩扩展单元驱动被控对象输出单元用户数据用户程序系统程序通信接口输入单元编程设备网络现场信号口电源部件存储器图1-1PLC的基本结构性能分成若干型号，并按I/0点数又有若干规格。对模块式PLC,有CPU模块、I/0模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC,都属于总线式开放型结构，其I/0能力可按用户需要进行扩展与组合。至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数5存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的1.用扫描方式(后面介绍)接收现场输入装置的状态或数据，并存入3.诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误；4.在PC进入运行状态后：执行用户程序——产生相应的控制信号(从应的控制信号，去启闭有关的控制电路)进行数据处理——分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、更新输出状态——输出实施控制(根据运算结果，更新有关标志位的状现输出控制、制表、打印、数据通讯等)CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。6显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/0模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。I/0模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/0接口模块与外界联系所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板电源模块：有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC,直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。底板或机架：大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现1.编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。2.监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面3.存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。4.输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。7由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工描方式或I/0扫描方，若有键按下或有I/0变化，则转入相应的子程序，若始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为3个阶段。程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。2,程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，存电路(输出映像寄存器),并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/0刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/0刷新外，PLC还要进行各种错误检测(自诊断功能)并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”,一般在程序执行8之后进行。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。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。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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，例如：机床加工工件的装卸；在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件；可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动；可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运；宇宙及海洋的开发；军事工程及生物医学方面的研究和试验等。9机械手简述：机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和1.执行机构机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。2.传动系统执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。3.控制系统机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作.动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。第2章可编程控制器的编程语言梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是PLC编程中被最广泛使用因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。而且其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。梯形图编程语言具有如下特点：(1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；(2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习；(3)对于复杂控制系统描述，仍不够清晰；(4)可读性仍不够好。功能模块基本上分为两类：基本功能模块和特殊功能模块。基本功能模块如AND,ORXOR等等.特殊功能模块如ON延时，脉冲输出，计数器等等。功能块编程语言具有以下特点：(1)以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变(2)功能模块用图形化的方式描述功能，较直观易掌握，方便组态，易操作。是有发展前途的一种编程语言；(3)对较复杂系统，由于控制功能关系能够比较清晰的描述，因此缩短了编程和调试时间；(4)因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间，对功能块的执行需要一定的执行时间，因此，这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较广泛。第3章PLC控制机械手的系统设计3.1各电器设备的控制方式及控制要求旋转的角度来决定的。因此，抓握物体的位置和方向(即关节间的角度)能则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根"人造肌肉"。这样总共就要有24个自由度。这在实际上也是不必要的，这样会使机械手结构应根据实际需要的动作，设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作。所以一般专用的机械手(不包括握紧动作)通常具有二到三个自由度。而通方式，即手臂采用电气传动，而手爪则采用气压传动。1.夹紧机构据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力应限制一定的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然停电被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和动作可靠。2.躯干躯干由底盘和手臂两大部分组成。底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手每旋转3度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达270度。手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构。本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成伸缩、升降的运动。手臂采用步进电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出脉冲信号，经步进电动机驱动器驱动步进电动机旋转，带动滚珠丝杠旋转，完成手臂的运动。改变发出脉冲的个数，可控制手臂的两个轴运动的距离。同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁，位置精度较高，传动效率较高。3.1.3机械手的选择由于机械手是搬运中的应用，所以采用传送带加旋转的机械手类型。此机械手易于操作，性能可靠。3.2.1PLC机型的选择根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的w装置等。I/0点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/0点数基础式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法，比整的各内部电路(如CPU,储存，I/0接口等)工作所列PLC采用开关电源，除向PLC内部电路供电外，还向外提供DC24V稳压电主要参数：输入交流电压：110~220V50Hz/60最大功率：156W工作环境：-10~40度波形畸变较小的电源，这对提高PLC的可靠性有很大帮助。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。PLC供电电源为50Hz、220V10%的交流电。由于本设计使用的是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。采用二相八拍混合式步进电动机，主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等特点。型号：42BYGH101。1.电动机驱动模块采用中美合资SH系列步进电动机驱动器，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。电源输入部分由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。信号输入部分：信号源由PLC主机提供。由于PLC提供的电平为24V,而输入部分的电平为5V,中间加了保护电路。输出部分：与步进电动机连接。2.传感器采用接近开关作为手爪旋转和底盘旋转限位检测用；采用微动开关作为横轴、纵轴限位检测用。第4章机械手控制程序设计搬运机械手工作示意图如图4-1所示，其任务是将传送带A的物品搬到传送带B上。机械手的原位是在传送带B上，开始工作时，先是手臂上升，到上限位时，上升限位开关LS4闭合，手臂左旋；左旋到位时，左旋限位开关LS2闭合，手臂下降；到下限位时，下降限位开关LS5闭合，传送带A远行。当光电开关PS1检测到物品已进入手指范围时，手指抓物品。当物品抓紧时，抓紧限位开关LS1动作，手臂上升；到上限位时，上升限位开关LS4闭合，手臂右旋；右旋到位时，右旋限位开关LS3闭合，手臂下降；下降到下限位时，下降限位开关LS5闭合，手指放开，物品被放到传送带B上延时图4-1搬运机械手工作示意图4.2控制流程图机械手控制流程图，如下图4-2所示：手手手手X4图4-2机械手控制流程图4.31/0分配表表4-1I/0分配表输入电器输入点输出电器输出点启动按钮输送带A驱动接触器KM停止按钮手臂左旋电磁阀YV1手指抓紧检测开关LS1手臂右旋电磁阀YV2手臂左旋限位开关LS2手臂上升电磁阀YV3手臂右旋限位开关LS3手臂下降电磁阀YV4手臂上升限位开关LS4手臂抓紧电磁阀YV5手臂下降限位开关LS5手臂放松电磁阀YV6物品检测光电开关PS14.4梯形图TI隐陬空白4.5指令表2ANDX0057ANI20LD30ANI4.6PLC外部接线图微微渊排铝图4-9PLC外部接线图经过一段时间的设计，可编程控制器和机械手的设计完毕，机械手的模型已设计完毕，其功能基本达到要求。整个系统稳定性好，而且只要修改控制程序，就可以让机械手作出不同的动作，控制的柔性很好。系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习与探索的过程。在这个过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和深刻的体会，并在学习和实践过程中增长了