基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘　要 本文通過(guò)研制基于PLC控制的四自由度氣動(dòng)光盤(pán)搬運(yùn)機(jī)械手，設(shè)計(jì)相關(guān)的氣動(dòng)回路與PLC控制系統(tǒng)，分析了機(jī)械手中PLC控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。PLC控制系統(tǒng)由于其簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，可靠性好，是代替繼電器控制系統(tǒng)有效的方法。通過(guò)對(duì)PLC程序設(shè)計(jì)的研究，采用順序功能圖設(shè)計(jì)方法是實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作路線(xiàn)及其他復(fù)雜順序動(dòng)作系統(tǒng)的有效方法。本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的四自由度的氣動(dòng)機(jī)械手，用于抓取與搬運(yùn)光盤(pán)，該機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制原理具有通用性與代表性。為便于教學(xué)，該氣動(dòng)機(jī)械手還具有一定的開(kāi)放性。氣動(dòng)機(jī)械手采用PLC控制電路及氣壓回路驅(qū)動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡，在結(jié)構(gòu)上，與其他類(lèi)型的機(jī)械手相比，氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易實(shí)現(xiàn)，其氣動(dòng)部件已系列化和組立化，便于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，且維護(hù)方便。由于氣動(dòng)機(jī)械手這些特點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中的應(yīng)用已日益廣泛。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；氣動(dòng)系統(tǒng)；PLC；順序功能圖 目 錄 第1章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.1 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 ……………………..(1) 1.2 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)與控制任務(wù)…………………………………………….(1) 1.3 機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………….(2) 第2章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1.0 FX-2N系統(tǒng)可編程控制器簡(jiǎn)介……………………………………….(3) 2.1.1可編程控制器可編程控制器的產(chǎn)生………………………………….(3) 2.1.2可編程控制器的定義………………………………………………….(3) 2.1.3可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………….(5) 2.1.4可編程控制器的特點(diǎn)………………………………………………….(6) 2.1.5可編程控制器的主要功能…………………………………………….(7) 2.1.6 PLC的基本結(jié)構(gòu)……………………………………………………….（8) 2.1.7 PLC各部分的作用……………………………………………………..(9) 2.1.8氣動(dòng)技術(shù)介紹…………………………………………………………..(11) 2.1.9壓縮空氣的特性………………………………………………………..(11) 2.2.0簡(jiǎn)單的氣動(dòng)系統(tǒng)………………………………………………………..(11) 2.2.1氣動(dòng)元件………………………………………………………………..(12) 第3章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1輸入/ 輸出分配表……………………………………………………….(13) 3.2 PLC外部接線(xiàn)圖………………………………………………………….(14) 3.3機(jī)械手PLC程序設(shè)計(jì)…………………………………………………….(15) 3.4 PLC程序設(shè)計(jì)……………………………………………………………..(17) 致謝 參考文獻(xiàn) 第1章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.1基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按設(shè)定程序、軌跡和要求代替人手抓(吸)取、搬運(yùn)工件或工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化裝置。氣動(dòng)機(jī)械手采用PLC控制電路及氣壓回路驅(qū)動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡，在結(jié)構(gòu)上，與其他類(lèi)型的機(jī)械手相比，氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易實(shí)現(xiàn)，其氣動(dòng)部件已系列化和組立化，便于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，且維護(hù)方便。由于氣動(dòng)機(jī)械手這些特點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中的應(yīng)用已日益廣泛。本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的四自由度的氣動(dòng)機(jī)械手，用于抓取與搬運(yùn)光盤(pán)，該機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制原理具有通用性與代表性。為便于教學(xué)，該氣動(dòng)機(jī)械手還具有一定的開(kāi)放性。 1.2 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)與控制任務(wù) 如(圖l)所示，光盤(pán)放置于位置l，氣動(dòng)機(jī)械手的初始位置處于位置9，要實(shí)現(xiàn)將光盤(pán)根據(jù)要求從位置l搬運(yùn)至位置2、3、7、8時(shí)，對(duì)機(jī)械手的自由度提出一定的要求。根據(jù)任務(wù)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)X方向與Y方向的運(yùn)動(dòng)、繞z方向的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在抓取過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)手臂的升降(Z)和吸放光盤(pán)的過(guò)程，該機(jī)械手具有四個(gè)自由度。機(jī)械手硬件如(圖2)所示。 圖1 氣動(dòng)機(jī)械手任務(wù)圖 圖2 機(jī)械手硬件結(jié)構(gòu)圖 1.3 機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 氣動(dòng)機(jī)械手硬件系統(tǒng)由四個(gè)氣缸、三個(gè)真空吸盤(pán)、限位磁性接近開(kāi)關(guān)、5個(gè)兩位五通電磁氣閥和1個(gè)兩位兩通電磁氣閥組成的閥島、控制面板、接線(xiàn)端子、PLC、按鈕開(kāi)關(guān)及指示燈等相關(guān)電氣元件組成。當(dāng)按鈕開(kāi)關(guān)或磁性接近開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)傳遞到PLC輸入端子，經(jīng)過(guò)PLC程序處理，PLC發(fā)出動(dòng)作控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)主控閥電磁線(xiàn)圈的通斷，控制壓縮空氣的運(yùn)動(dòng)方向，使氣缸產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。 要實(shí)現(xiàn)前述控制任務(wù)要求，其控制部分包括氣動(dòng)回路與PLC控制部分。氣動(dòng)機(jī)械手的氣壓控制回路如圖3所示。氣源產(chǎn)生壓縮空氣，經(jīng)三聯(lián)件處理后，經(jīng)兩位五通閥和單向節(jié)流閥分別進(jìn)入滑臺(tái)氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、懸臂氣缸、升降氣缸。兩位五通閥電磁線(xiàn)圈的通斷決定了氣缸的動(dòng)作，比如控制滑臺(tái)氣缸的二位五通閥通電時(shí)，滑臺(tái)氣缸本體(缸體)左移；斷電時(shí)滑臺(tái)氣缸本體(缸體)右移。本機(jī)械手選擇兩位閥，而沒(méi)有選擇具有中位機(jī)能的三位閥，主要是為了減少控制信號(hào)，減少PLC的輸出點(diǎn)數(shù)。單向節(jié)流閥的作用是調(diào)節(jié)氣缸的運(yùn)動(dòng)速度，產(chǎn)生一定的背壓緩沖。對(duì)真空吸盤(pán)吸光盤(pán)的過(guò)程，當(dāng)真空發(fā)生器通過(guò)高壓氣體時(shí)，產(chǎn)生一定的真空度，實(shí)現(xiàn)吸光盤(pán)，此時(shí)，兩位五通閥處于通電狀態(tài)，兩位兩通閥處于斷電狀態(tài)。對(duì)放光盤(pán)的過(guò)程，要求高壓氣體先經(jīng)兩位兩通閥，通過(guò)真空吸盤(pán)將吸附的光盤(pán)吹落，延遲一段時(shí)間后斷開(kāi)真空吸盤(pán)的氣路，以節(jié)約用氣量，故要求在兩位五通閥通電、兩位兩通閥斷電狀態(tài)下，兩位兩通閥先通電，延遲一段時(shí)間后，兩位五通閥再斷電，然后兩位兩通閥再斷電。 圖3 機(jī)械手氣動(dòng)回路原理圖 第2章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1 FX-2N系列可編程控制器簡(jiǎn)介 2.1.1可編程控制器的產(chǎn)生 20世紀(jì)20年代起，人們把各種繼電器。定時(shí)器。接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來(lái)組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng).由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。容易掌握。價(jià)格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿(mǎn)足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位.但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，可靠性差，動(dòng)作速度慢，功能少，難與實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別是由于它是靠硬連線(xiàn)邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線(xiàn)復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r(shí)，原有的接線(xiàn)和控制盤(pán)就要更換，所以通用性和靈活性較差. 20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)的汽車(chē)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各生產(chǎn)廠(chǎng)家的汽車(chē)型號(hào)不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線(xiàn)的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對(duì)整個(gè)開(kāi)展系統(tǒng)重新配置.為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求，1968年美國(guó)通用汽車(chē)公司公開(kāi)向社會(huì)招標(biāo)，對(duì)汽車(chē)流水線(xiàn)控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來(lái)是： (1)編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序 (2)維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu) (3)可靠性高于繼電器控制裝置 (4)體積小于繼電器控制盤(pán) （5）數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī) （6）成本可與繼電器控制盤(pán)競(jìng)爭(zhēng) （7）輸入可以是交流150V以上 （8）輸出為交流115V，容量要求在2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器，電磁閥等 (9) 擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小 (10)用戶(hù)存儲(chǔ)器至少能擴(kuò)張到4KB（適應(yīng)當(dāng)時(shí)汽車(chē)裝配過(guò)程的需要） 十項(xiàng)指標(biāo)的核心要求是采用軟布線(xiàn)（編程）方式代替繼電控制的硬接線(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線(xiàn)的流程控制。 2.1.2可編程控制器的定義 美國(guó)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1987年對(duì)可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能的面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破鳂O其相關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 定義強(qiáng)調(diào)了PLC應(yīng)直接應(yīng)用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別與一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。 定義還強(qiáng)調(diào)了PLC是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，他也是一種計(jì)算機(jī)，它是“專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的”工業(yè)計(jì)算機(jī)。這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用“面向用戶(hù)的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸入和輸出”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴(kuò)充”。 2.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì) PLC總的發(fā)展趨勢(shì)是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 （1）向小型化、專(zhuān)用化、低成本方向發(fā)展 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新型器件大幅度的提高功能和降低價(jià)格，使PLC結(jié)構(gòu)更為緊湊，相當(dāng)于一本精裝本書(shū)的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不斷增加，將原來(lái)大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。 （2）向大容量、高速度方向發(fā)展 大型PLC采用多微處理器系統(tǒng)，有的采用了32位微處理器，可同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)操作，處理速度提高，特別是增強(qiáng)了過(guò)程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。另外，存儲(chǔ)容量大大增加。 （3）智能型I/O模塊的發(fā)展 智能型I/O模塊是以微處理器和存儲(chǔ)器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的CPU與PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的時(shí)間很少，有利于提高PLC的掃描速度。 （4）基于PC的編程軟件取代編程器 隨著計(jì)算機(jī)的日益普及，越來(lái)越多的用戶(hù)使用基于個(gè)人計(jì)算機(jī)上的編程軟件。編程軟件可以對(duì)PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設(shè)置各框架各個(gè)插槽上模塊的型號(hào)、模塊的參數(shù)、各串行通行接口的參數(shù)等。 （5）PLC編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化 與個(gè)人計(jì)算機(jī)相比，PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開(kāi)放的。在硬件方面，各廠(chǎng)家的CPU模塊和I/O模塊互不通用。PLC的編程語(yǔ)言和指令系統(tǒng)的功能和表達(dá)式也不一致，因此各廠(chǎng)家的可編程序控制器互不兼容。為了解決這一問(wèn)題，IEC制定了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中共有5種編程語(yǔ)言，允許編程者在同一程序中使用多種編程語(yǔ)言，這使編程能夠選擇不同的語(yǔ)言來(lái)適應(yīng)特殊的工作。 （6）PLC通信的易用化 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能使它能與個(gè)人計(jì)算機(jī)和其他智能控制設(shè)備交換數(shù)字信息，使系統(tǒng)形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中控制。 （7）組態(tài)軟件與PLC的軟件化 個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的價(jià)格便宜，有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機(jī)交互的功能。 （8）PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相結(jié)合 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)I/O與PLC可以組成功能強(qiáng)大的、廉價(jià)的DCS系統(tǒng)。 （9）開(kāi)發(fā)新型特殊功能模塊 I/O組件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大處理能力。 (10) CPU的處理速度進(jìn)一步加快 目前，PLC的處理速度與計(jì)算機(jī)相比還比較慢，其高的CPU也不過(guò)80486，將來(lái)會(huì)全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU進(jìn)行處理、分時(shí)處理或分任務(wù)處理方式，將各種模塊智能化，部分系統(tǒng)程序用門(mén)陣列電路固化，這樣可使PLC的處理速度達(dá)到納秒級(jí)。 2.1.4可編程控制器的特點(diǎn) 1、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好 PLC在電子線(xiàn)路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠(chǎng)家長(zhǎng)期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號(hào)調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。具體措施主要有以下幾個(gè)方面： 1）隔離：這是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入、輸出接口電路一般采用光電耦合器來(lái)傳遞信號(hào)。這種光電隔離措施，使外部電路與內(nèi)部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效的抑制外部干擾源對(duì)于PLC的影響，同時(shí)防止外部高電壓串入，從而減少故障和誤操作。 2）濾波：這是抗干擾的另一個(gè)主要措施。在PLC的電源電路和輸入/輸出電路中設(shè)置了多種濾波電路，用以對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行有效的抑制。 3）對(duì)內(nèi)部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施，以減少外界干擾，保護(hù)供電質(zhì)量。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨(dú)立，以避免電源之間的干擾。 4）內(nèi)部設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測(cè)與診斷、watchdog（“看門(mén)狗”）等電路，一旦發(fā)現(xiàn)故障或程序循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過(guò)了警戒時(shí)鐘（WDT）規(guī)定時(shí)間（預(yù)示程序進(jìn)入了死循環(huán)），立即報(bào)警，以保證CPU可靠運(yùn)行。 5）利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶(hù)程序、工作環(huán)境和故障檢測(cè)，并采用信息保護(hù)和恢復(fù)措施。 6）對(duì)用戶(hù)程序及動(dòng)態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份，以保障停電后有關(guān)狀態(tài)或信息不丟失。 7）采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。 8）以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過(guò)程不依賴(lài)于機(jī)械觸點(diǎn)，以保障高可靠性。而采用循環(huán)掃描的工作循環(huán)方式，也提高了抗干擾能力。 2、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng) PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。 3、編程方便，易于使用 PLC是面向用戶(hù)的設(shè)備，PLC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡(jiǎn)單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類(lèi)似，這種編程語(yǔ)言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語(yǔ)言，只要具有一定的電工和工藝的知識(shí)的人員都可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。 4、功能完善 PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入/輸出。在PLC內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時(shí)序、計(jì)算機(jī)、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實(shí)現(xiàn)延時(shí)、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強(qiáng)制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控、打印、及報(bào)表生成等功能。 5、設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、的周期短 用繼電器接觸器控制完成一項(xiàng)控制工程，必須首先按工藝要求畫(huà)出電氣原理圖，然后畫(huà)出繼電器屏的布置和接線(xiàn)圖等，進(jìn)行安裝調(diào)試，以后修改起來(lái)十分不便。而采用PLC控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在PLC到貨前進(jìn)行，因而縮短了設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)和施工可同時(shí)進(jìn)行。 6、體積小，維護(hù)操作方便 PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)信號(hào)的變化狀態(tài)，還能通過(guò)各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。 7、易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化 PLC可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 8、可實(shí)現(xiàn)三電一體化 PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過(guò)程控制）和電結(jié)（運(yùn)動(dòng)控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。 2.1.5 可編程控制器的主要功能 1、條件控制功能 條件控制（或稱(chēng)邏輯控制或順序控制）功能是指用PLC的與、或、非指令取代繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)極其他各種邏輯連接，進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。 2、 時(shí)/記數(shù)控制功能 定時(shí)/記數(shù)控制功能指用PLC提供的定時(shí)器、記數(shù)器指令實(shí)現(xiàn)對(duì)某種操作的定時(shí)或記數(shù)控制，以取代時(shí)間繼電器和記數(shù)繼電器。 3、 據(jù)處理功能 數(shù)據(jù)處理功能是指PLC能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及編碼和譯碼等操作。 4、 步進(jìn)控制功能 步進(jìn)控制功能是指用步進(jìn)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進(jìn)行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構(gòu)成的步進(jìn)控制器。 5、 A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能 A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能是指通過(guò)A/D、D/A模塊完成模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。 6、 運(yùn)動(dòng)控制功能 運(yùn)動(dòng)控制功能是指通過(guò)高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進(jìn)行單軸或多軸運(yùn)動(dòng)控制。 7、 過(guò)程控制功能 過(guò)程控制功能是指通過(guò)PLC的PID控制指令或模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、速度、流量等物理參數(shù)的閉環(huán)控制。 8、 擴(kuò)展功能 擴(kuò)展功能是指通過(guò)連接輸入輸出擴(kuò)展單元（即I/O擴(kuò)展單元）模塊來(lái)增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)，也可通過(guò)附加各種智能單元及特殊功能單元來(lái)提高PLC的控制功能 9、 遠(yuǎn)程I/O功能 遠(yuǎn)程I/O功能是指通過(guò)I/O單元將分散在遠(yuǎn)距離的各種輸入、輸出設(shè)備與PLC主機(jī)相連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，接收輸入信號(hào)、傳出輸出信號(hào)。 10、通信聯(lián)網(wǎng)功能 通信聯(lián)網(wǎng)功能是指通過(guò)PLC之間的聯(lián)網(wǎng)、PLC與上位機(jī)的鏈接等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復(fù)雜控制。 11、監(jiān)控功能 監(jiān)控功能是指PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分的進(jìn)行狀態(tài)和進(jìn)程，對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報(bào)警和記錄，甚至自動(dòng)終止運(yùn)行；也可在線(xiàn)調(diào)整、修改控制程序中的定時(shí)器、記數(shù)器等設(shè)定值或強(qiáng)制I/O狀態(tài)。 2.1.6 PLC的基本結(jié)構(gòu) 目前PLC種類(lèi)繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)相似。主要包括中央處理單元CPU、存儲(chǔ)器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 如(圖4)所示，PLC控制系統(tǒng)由輸入量—PLC—輸出量組成，外部的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)、傳感器檢測(cè)的各種信號(hào)均作為PLC的輸入量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子，作為PLC的輸出量對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。由此可見(jiàn)，PLC的基本結(jié)構(gòu)有控制部分輸入和輸出組成。 圖4 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖 2.1.7PLC各部分的作用 1、中央處理器 CPU是由控制器和運(yùn)算器組成的。運(yùn)算器也稱(chēng)為算術(shù)邏輯單元，它的功能就是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破鞯淖饔檬强刂普麄€(gè)計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件有條不紊地工作，它的基本功能是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令。他的重要功能如下： （1） 診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。 （2）采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的寄存器中。 （3）按用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中存放的先后順序逐條讀取指令，進(jìn)行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運(yùn)算和操作。 （4）將存于寄存器中的處理結(jié)果送至輸出端。 （5）應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請(qǐng)求。 2、存儲(chǔ)器 PLC的存儲(chǔ)器分為兩大部分： 一大部分是系統(tǒng)存儲(chǔ)器，用來(lái)存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及其系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。 二大部分是用戶(hù)存儲(chǔ)器，包括用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。 3、輸入輸出接口電路 PLC通過(guò)輸入輸出（I/O）接口電路實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的連接。輸入接口通過(guò)PLC的輸入端子接受現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的控制信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號(hào)。 4、電源 PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)足PLC的CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口等內(nèi)部電路工作所需要的直流電源電路或電源模塊。 5、輸入輸出I/O擴(kuò)展接口 若主機(jī)單元的I/O點(diǎn)數(shù)不能滿(mǎn)足輸入輸出點(diǎn)數(shù)需要時(shí)，可通過(guò)此接口用扁平電纜線(xiàn)將I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)單元相連接。 6、 PLC的基本工作原理 PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對(duì)每個(gè)程序，CPU從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶(hù)程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。PLC的掃描全過(guò)程如圖5所示。 圖5 PLC的掃描全過(guò)程 （1）輸入刷新階段 在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫(xiě)入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。 （2）程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶(hù)輸入的控制程序，從第一條開(kāi)始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。 （3）輸出刷新階段 當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，并通過(guò)一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。 顯然掃描周期的長(zhǎng)短主要取決與程序的長(zhǎng)短。掃描周期越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越慢。由于每一個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對(duì)輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由此可見(jiàn)，若輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。反之，若在本次刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要到下一次掃描的I/O刷新期間輸出才會(huì)發(fā)生變化。這對(duì)于一般的開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是完全允許的，不但不會(huì)造成不利影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸觾H在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間里實(shí)際上是外設(shè)隔離的。而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾常常是脈沖式的、短時(shí)的，由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，往往要幾個(gè)掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，因瞬間干擾而引起的誤操作將會(huì)大大減少，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是對(duì)于控制時(shí)間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時(shí)采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后等不良影響。 2.1.8 氣動(dòng)技術(shù)介紹 氣動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)壓縮空氣來(lái)傳遞和控制能量的一種系統(tǒng)。 氣動(dòng)主要應(yīng)用于化工生產(chǎn)、高危及特殊工種、高速重復(fù)作業(yè)、農(nóng)業(yè)設(shè)備、食品業(yè)、機(jī)械行業(yè)的剪、切、鉚等、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、機(jī)器人、太空設(shè)備中。 2.1.9 壓縮空氣的特性 ★優(yōu)點(diǎn) a 適用性 b 易貯存 c 設(shè)計(jì)和控制簡(jiǎn)單 d 經(jīng)濟(jì)性 e 可靠性 f 適應(yīng)性 g 清潔 h 安全性 ★缺點(diǎn) a 具有可壓縮性，工作平衡性稍差 b 壓力低，不易獲得較大的輸出力或轉(zhuǎn)矩 c 有較大的排氣噪聲 d 需設(shè)置給油潤(rùn)滑裝置 2.2.0 簡(jiǎn)單的氣動(dòng)系統(tǒng) 主要有二大部分：壓縮空氣的產(chǎn)生和輸送系統(tǒng)和壓縮空氣消耗系統(tǒng)。 （1）壓縮空氣產(chǎn)生系統(tǒng) 壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)、壓力開(kāi)關(guān)、單向閥、儲(chǔ)氣罐、壓力表、自動(dòng)排水器、安全閥、冷凍式空氣干燥器、主管道過(guò)濾器。 （2）壓縮空氣產(chǎn)生系統(tǒng) 壓縮空氣的輸出、自動(dòng)排水器、空氣處理元件、方向控制閥、執(zhí)行元件、速度控制閥 2.2.1氣動(dòng)元件 （1） 氣動(dòng)執(zhí)行元件 直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)氣缸：包括單作用氣缸、雙作用氣缸、無(wú)桿氣缸 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)氣缸：包括按某一夾角內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng)的氣缸、可以旋轉(zhuǎn)的氣缸 （2） 氣動(dòng)控制元件 壓力閥 a) 壓力調(diào)節(jié)閥 用于氣動(dòng)回路中氣壓的控制 b) 壓力順序閥 預(yù)先設(shè)定壓力，當(dāng)12口壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，2口有信號(hào)輸出 方向控制閥 a) 氣控閥 通過(guò)氣動(dòng)信號(hào)改變閥位 b) 電磁閥 通過(guò)電磁力使閥芯移動(dòng) c) 先導(dǎo)閥 屬于間接操作式 d) 閥的選用與安裝 具體可查閱有關(guān)手冊(cè) 常用邏輯閥 a) “與”功能閥 當(dāng)X，Y同時(shí)有信號(hào)時(shí)，A有信號(hào)輸出 b) “或”功能閥 當(dāng)X或Y有信號(hào)時(shí)，A有信號(hào)輸出 c) 單向節(jié)流閥 氣體只能一個(gè)方向節(jié)流 d) 快排氣閥 延時(shí)閥 具有延時(shí)發(fā)出氣動(dòng)信號(hào)的功能 第3章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 應(yīng)用PLC作為電氣控制，可以減化控制線(xiàn)路，降低故障率，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多種動(dòng)作線(xiàn)路，具有一定的柔性，也適于教學(xué)演示。 一般機(jī)械手有手動(dòng)、自動(dòng)控制之分，手動(dòng)控制主要用來(lái)硬件調(diào)試。自動(dòng)控制中也分單步、單周期、周期循環(huán)等工作狀態(tài)。其控制要求為：按下啟動(dòng)按鈕，檢測(cè)氣動(dòng)機(jī)械手是否處于原位，如果不是，按下復(fù)位按紐回到原位，如果是，則檢測(cè)氣動(dòng)機(jī)械手處于何種工作狀態(tài)下，單步意味著每按下一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手執(zhí)行一步動(dòng)作；單周期指執(zhí)行一次動(dòng)作循環(huán)，最后回到初始位置；周循環(huán)則是機(jī)械手重復(fù)不斷的執(zhí)行動(dòng)作，直到按下復(fù)位或停止按鈕為止。 根據(jù)機(jī)械手的硬件結(jié)構(gòu)，PLC輸入信號(hào)有：工作狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)輸入、啟動(dòng)停止按鈕輸入、磁性接近開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入、手動(dòng)開(kāi)關(guān)輸入及程序選擇開(kāi)關(guān)輸入共22個(gè)輸入點(diǎn)；機(jī)械手的輸出信號(hào)有：驅(qū)動(dòng)4個(gè)氣缸的電磁閥線(xiàn)圈4個(gè)，控制真空吸盤(pán)的電磁閥線(xiàn)圈2個(gè)，原點(diǎn)指示燈1個(gè)，共7個(gè)輸出點(diǎn)。據(jù)此可以得到： 3.1 PLC輸入/輸出點(diǎn)分配 輸入點(diǎn) 輸出點(diǎn) 手動(dòng) X0 升降缸伸出限位 X17 滑臺(tái)缸控制閥線(xiàn)圈 Y0 自動(dòng) X1 滑臺(tái)缸 X20 回轉(zhuǎn)缸控制閥線(xiàn)圈 Y1 啟動(dòng) X4 回轉(zhuǎn)缸 X21 懸臂缸控制閥線(xiàn)圈 Y2 復(fù)位 X5 懸臂缸 X22 升降缸控制閥線(xiàn)圈 Y3 右限位 X10 升降缸 X23 真空吸盤(pán)控制閥1 Y4 左限位 X11 吸盤(pán)控制閥1 X24 真空吸盤(pán)控制閥2 Y5 旋轉(zhuǎn)限位00 X12 吸盤(pán)控制閥2 X25 原點(diǎn)指示燈 Y6 旋轉(zhuǎn)限位1800 X13 預(yù)設(shè)動(dòng)作 X26 懸臂缸縮進(jìn)限位 X14 用戶(hù)自定義動(dòng)作 X27 懸臂缸伸出限位 X15 升降缸縮進(jìn)限位 X16 3.2 PLC外部接線(xiàn)圖 圖6 PLC電氣接線(xiàn)圖 3.3 機(jī)械手PLC程序設(shè)計(jì) 氣機(jī)械手的控制及動(dòng)作路線(xiàn)由PLC的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)前述要求，該程序框架采用調(diào)用子程序方法，在主程序中實(shí)現(xiàn)機(jī)械手工作狀態(tài)的選擇，子程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的復(fù)位和動(dòng)作路線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)，這種程序框架邏輯清晰，便于閱讀與修改擴(kuò)展，其程序框架如圖7所示 圖7 PLC主程序框架圖 其中，機(jī)械手動(dòng)作子程序是控制程序的核心部分，針對(duì)氣缸順序控制要求，采用順序功能圖(SequentialFunction Chart，SFC)的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用FX2n系列PLC中的STL指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。假設(shè)機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)將光盤(pán)從初始位置1搬至位置6，開(kāi)始時(shí)機(jī)械手處于初始位置，即要實(shí)現(xiàn)動(dòng)作如圖8所示，其順序功能圖如圖9所示。 在搬運(yùn)光盤(pán)的過(guò)程中，光盤(pán)會(huì)越搬越少，故選擇循環(huán)動(dòng)作工作狀態(tài)時(shí)，每次機(jī)械手下降的行程會(huì)逐漸增長(zhǎng)，故程序中沒(méi)有使用升降氣缸的伸出限位開(kāi)關(guān)來(lái)反饋位置信號(hào)，而是以PLC的軟時(shí)間繼電器設(shè)置合適的延遲時(shí)間來(lái)代替，當(dāng)光盤(pán)被搬空時(shí)，升降氣缸伸出限位開(kāi)關(guān)被觸動(dòng)時(shí)，機(jī)械手就自動(dòng)復(fù)位，回初始位置。 圖8 氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作順序圖 圖9 機(jī)械手順序功能圖 3.4 PLC程序 致 謝 論文完成，三年的大專(zhuān)生涯即將結(jié)束，感慨萬(wàn)千！ 首先，感謝我的指導(dǎo)老師伍曉莉老師。一個(gè)月，在這一段并不長(zhǎng)的日子里。我時(shí)刻體會(huì)著伍老師嚴(yán)肅的教學(xué)態(tài)度，不辭辛苦的指導(dǎo)精神，一絲不茍的工作作風(fēng)，我想這是夠我一生受用的人格魅力。從課題選擇到論文寫(xiě)作，整個(gè)過(guò)程，伍老師都傾注了大量的心血。正是在伍老師的辛苦指導(dǎo)下，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)才能順利進(jìn)行，這篇畢業(yè)論文也才得以順利完成。在此我向我的指導(dǎo)師伍曉莉老師表示深深的敬意和感謝！ 我還要感謝我班的一些同學(xué)們，在這次畢業(yè)論文的寫(xiě)作過(guò)程中，他們也給了我不少幫助。謝謝你們，你們永遠(yuǎn)是我的好朋友。 參 考 文 獻(xiàn) 1.杜玉紅，李修仁．生產(chǎn)線(xiàn)組裝單元?dú)鈩?dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)．液壓與氣動(dòng)，2006(5)． 2.鮑燕偉， 吳玉蘭．一種通用氣動(dòng)機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)．機(jī)床與液壓，2006(9). 3.廖常初，F(xiàn)X系列PLC編程及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社2006. 4.劉曉洪．新型蠕動(dòng)式氣動(dòng)微型管道機(jī)器人.液壓氣動(dòng)與密封，2007，27(1)． 5.OMRON公司.可編程序控制器SYSMAC/CQM1編程手冊(cè). 1998 6.李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980. 第19頁(yè) 共24頁(yè)