IPLC控制的材料搬運裝置用了可編程控制器(PLC)控制功能。使該系統可靠穩定，時期功能范圍得到廣泛應用。關鍵詞：材料搬運，可編程控制器PLC,機械手，限位開關Inindustrialproductionandotherfismallbatchproduction,automationofproductionvarietiescanbresistant,corrosionresistantmaterial,igreatlyreducingthelabobecalledindustrialrobot.Industrialrobotissetmachinery,electronics,control,technologiesintheintegrationofmultidisciplinaryindustryimportantautomationequipment.Theprogrammablecontrollmicro-fluidicdeviceprocessingasthecoreofthenewindustrialautomaticcontroldevicecom.Autscopewidelyused.KEYWORDS:materialhandling,programmablecontrollerPLC,manipulator, 2 2 4 7 8 2.1梯形圖編程語言 2.2功能塊圖編程語言 第3章PLC控制機械手的系統設計 3.1各電器設備的控制方式及控制要求 3.1.1機械手的技能和特性 3.1.2軀干和傳動系統 12 3.2.2輸入╱輸出的點數 3.2.3電源模塊的選擇 3.2.4電動機的選擇 第4章機械手控制程序設計 4.1控制要求 4.2控制流程圖 4.3I/0分配表 4.4梯形圖 4.5指令表 參考文獻 1機械手是工業自動化領域中經常遇到的一種控制對象。近年來隨著工業自動化的發展機械手逐漸成為一門新興學科，并得到了較快的發展。機械手廣泛地應用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環境中，機械手由于其顯著的優點而受到特別重視。總之，機械手是提高勞動生產率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現工業生產自動化的一個重要手段。國內外都十分重視它的應用和發展。可編程序控制器(PLC)是專為在工業環境下應用而設計的實時工業控制裝置。隨著微電子技術、自動控制技術和計算機通信技術的飛速發展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯網功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進步，已經成為工廠自動化的標準配置之一。由于自動化可以節省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊優越性，如通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程方法簡單易學，因此工業領域中廣泛應用PLC。機械手在美國、加拿大等國家應用較多，如用果實采摘機械手來摘果實、裝配生產線上應用智能機器人等。我國自動化水平本身比較低，因此用PLC來控制的機械手還比較少。本次課題設計的機械手就是通過PLC來實現自動化控制的。通過此次設計可以更進一步學習PLC的相關知識，了解世界先進水平，盡可能多的應用于實踐。在設計的過程中，將有一定的困難，但有指導老師的悉心指導和自己的努力，相信會完滿的完成畢業設計任務。由于學生水平有限，而且缺乏經驗，設計中不妥之處在所難免，肯請各位老師指正。2第1章PLC和機械手的介紹PLC是由摸仿原繼電器控制原理發展起來的，二十世紀七十年代的PLC順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執序計數器，在程序運行過程中，每執行一步該計數器自動加1,程序從起始步(步序號為零)起依次執行到最終步(通常為END指令),然后再返回起始步循環運算。PLC每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC,循環掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現出快速的優點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位(也有32位的)為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。通用PLC應用于專用設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現在正逐步用通用PLC或定制PLC是在傳統的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、際電工委員會(IEC)頒布了對PLC的規定：可編程控制器是一種數字運算3可編程序控制器是一種以微機處理器為核心的工業通用的現代化工業機械手系統中應用更為普遍。其主要原因是因為PLC具有(1)靈活、通用(2)可靠性高、抗干擾能力強(3)操作方便、維修容易(4)功能強(5)體積小、重量輕和易于實現機電一體化2.PLC的主要功能PLC是一種應用面很廣、發展非常迅速的工業自動化裝置，在工廠自動化(FA)和計算機集成制造系統(CIMS)內占重要地位。(1)多種控制功能；(2)數據采集、存儲與處理功能；(3)通信聯網功能；(4)人機界面功能；(5)編程、調試功能。PLC的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比可以大大縮短設計、編程和投產周期，使總價格進一步降低。PLC產品面臨3.PLC發展狀況及趨勢現代PLC的發展主要有兩個趨勢：一是向體積更小、速度更快、功4(1)大型網絡化(2)多功能可編程序控制器實施控制，其實質就是按一定算法進行并將這個變換與以物理實現。輸入輸出變換、物理實現可以說是PLC制的兩個基本點，同時物理實現也是PLC與普通微機相區別之處，其需要考控制的水平，能為實際控制系統方便使用，所以PLC采用了典型的計算機結構，主要是由微處理器(CPU)、存儲器(RAM/ROM)、輸入輸出接口(I/0)電路、通信接口及電源組成。PLC的基本結構如圖1-1所示：擴擴展單元驅動被控對象輸出單元用戶數據用戶程序系統程序通信接口輸入單元編程設備網絡現場信號口電源部件存儲器圖1-1PLC的基本結構性能分成若干型號，并按I/0點數又有若干規格。對模塊式PLC,有CPU模塊、I/0模塊、內存、電源模塊、底板或機架。無任哪種結構類型的PLC,都屬于總線式開放型結構，其I/0能力可按用戶需要進行擴展與組合。至少有一個CPU,它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數5存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的1.用掃描方式(后面介紹)接收現場輸入裝置的狀態或數據，并存入3.診斷電源和PC內部電路的工作狀態及編程過程中的語法錯誤；4.在PC進入運行狀態后：執行用戶程序——產生相應的控制信號(從應的控制信號，去啟閉有關的控制電路)進行數據處理——分時、分渠道地執行數據存取、傳送、組合、比較、更新輸出狀態——輸出實施控制(根據運算結果，更新有關標志位的狀現輸出控制、制表、打印、數據通訊等)CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令。但它在PLC中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。6顯示、故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接I/0模板或底板，有內存接口，用于安裝內存，有外以對PLC作設定，如設定起始工作方式、內存區等。I/0模塊：PLC的對外功能，主要是通過各種I/0接口模塊與外界聯系所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板電源模塊：有些PLC中的電源，是與CPU模塊合二為一的，有些是分開輸入電路提供24V的工作電源。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流220VAC或110VAC,直流電源，加的為直流電壓，常用的為24V。底板或機架：大多數模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現1.編程設備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統作一些設定、監控PLC及PLC所控制的系統的工作狀況。編程器是PLC開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的器件，但它不直接參與現場控制運行。2.監控設備：有數據監視器和圖形監視器。直接監視數據或通過畫面3.存儲設備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數據，使用戶程序不丟失，如EPROM、EEPROM寫入器等。4.輸入輸出設備：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸息，形成一個統一的整體，實現分散集中控制。現在幾乎所有的PLC新產品都有通信聯網功能，它和計算機一樣具有RS-232接口，通過雙絞線、同軸電纜或光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的范圍內交換信息。7由于PLC以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工描方式或I/0掃描方，若有鍵按下或有I/0變化，則轉入相應的子程序，若始執行，按指令步序號做周期性的程序循環掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條執行用戶程序，直至遇到結束符后此周而復始不斷循環，每一個循環稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是CPU執行指令的速度；二是執行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數的多少。一個掃描周期主要可分為3個階段。程序執行期間即使輸入端狀態發生變化，輸入狀態寄存器的內容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。2,程序執行階段在程序執行階段，根據用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執行，存電路(輸出映像寄存器),并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執行接輸出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統稱為I/0刷新階段。實際上，除了執行程序和I/0刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測(自診斷功能)并與編程工具通訊，這些操作統稱為“監視服務”,一般在程序執行8之后進行。機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件(或工具)的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動(擺動)、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：機床加工工件的裝卸；在電子行業中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業中它可以用來組裝零部件；可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環境工作，以代替人的勞動；可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運；宇宙及海洋的開發；軍事工程及生物醫學方面的研究和試驗等。9機械手簡述：機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復雜，但基本的組成形式是相同的，一般由執行機構、傳動系統、控制系統和1.執行機構機械手的執行機構，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機構，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進行上下、左右和回轉動作。簡單的機械手可以沒有手腕。支柱用來支撐手臂，也可以根據需要做成移動。2.傳動系統執行機構的動作要由傳動系統來實現。常用機械手傳動系統分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。3.控制系統機械手控制系統的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進行動作，簡單的機械手一般不設置專用的控制系統，只采用行程開關、繼電器、控制閥及電路便可實現動傳動系統的控制，使執行機構按要求進行動作.動作復雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。第2章可編程控制器的編程語言梯形圖來源于繼電器邏輯控制系統的描述，是PLC編程中被最廣泛使用因此許多編程人員和維護人員都選擇了這一編程方式。而且其圖形結構類似于登高用的梯子，故名梯形圖。梯形圖編程語言具有如下特點：(1)與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；(2)與原有繼電器邏輯控制技術相一致，易于掌握和學習；(3)對于復雜控制系統描述，仍不夠清晰；(4)可讀性仍不夠好。功能模塊基本上分為兩類：基本功能模塊和特殊功能模塊。基本功能模塊如AND,ORXOR等等.特殊功能模塊如ON延時，脈沖輸出，計數器等等。功能塊編程語言具有以下特點：(1)以功能模塊為單位，從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變(2)功能模塊用圖形化的方式描述功能，較直觀易掌握，方便組態，易操作。是有發展前途的一種編程語言；(3)對較復雜系統，由于控制功能關系能夠比較清晰的描述，因此縮短了編程和調試時間；(4)因為每一個功能模塊要占用一定程序存儲空間，對功能塊的執行需要一定的執行時間，因此，這種語言在大中型可編程控制器和分散控制系統中應用較廣泛。第3章PLC控制機械手的系統設計3.1各電器設備的控制方式及控制要求旋轉的角度來決定的。因此，抓握物體的位置和方向(即關節間的角度)能則需要具有27個自由度，而每一個自由度至少要有一根"人造肌肉"。這樣總共就要有24個自由度。這在實際上也是不必要的，這樣會使機械手結構應根據實際需要的動作，設計出最少的自由度就能完成作業所要求的動作。所以一般專用的機械手(不包括握緊動作)通常具有二到三個自由度。而通方式，即手臂采用電氣傳動，而手爪則采用氣壓傳動。1.夾緊機構據需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物體，夾緊力應限制一定的范圍內，并鑲有軟質墊片、彈性襯墊或自動定心結構。為防止突然停電被抓物體落下，還可以有自鎖結構。夾緊機構本身則應結構簡單、體積小、重量輕、動作靈活和動作可靠。2.軀干軀干由底盤和手臂兩大部分組成。底盤是支撐機械手全部重量并能帶動手臂旋轉的機構。底盤采用一個直流電動機驅動，底盤旋轉時帶動一個旋轉碼盤旋轉，機械手每旋轉3度發出一個脈沖，由傳感器檢測并送入可編程控制器，從而計算底盤旋轉的角度。同時，在底盤上裝有限位磁頭，最大旋轉角度可達270度。手臂是機械手的主要部分，它是支撐手爪、工件并使它們運動的機構。本設計中手臂由橫軸和豎軸組成，可完成伸縮、升降的運動。手臂采用步進電動機帶動絲杠、螺母來實現伸縮和升降運動。由可編程控制器發出脈沖信號，經步進電動機驅動器驅動步進電動機旋轉，帶動滾珠絲杠旋轉，完成手臂的運動。改變發出脈沖的個數，可控制手臂的兩個軸運動的距離。同時在兩軸的兩端分別加限位開關限位。采用絲杠、螺母結構傳動的特點是易于自鎖，位置精度較高，傳動效率較高。3.1.3機械手的選擇由于機械手是搬運中的應用，所以采用傳送帶加旋轉的機械手類型。此機械手易于操作，性能可靠。3.2.1PLC機型的選擇根據被控對象對PLC控制系統的功能要求，可進行PLC型號的選定。進行PLC選型時，基本原則是滿足控制系統的功能需要，同時要兼顧維修、備件的通用性。對開關量控制的系統，當控制速度要求不高時，一般的PLC都可以滿足要求，如對小型泵的順序控制、單臺機械的自動控制等。當控制速度要求較高、輸出有高速脈沖信號等情況時，要考慮輸入/輸出點的形式，最好采用晶體管形式輸出。對帶有部分模擬量控制的w裝置等。I/0點數可以衡量PLC規模的大小。準確統計被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數并考慮今后系統的調整和擴充，在實際統計I/0點數基礎式結構的PLC采用主機模塊與輸入模塊、功能模式塊組合使用的方法，比整的各內部電路(如CPU,儲存，I/0接口等)工作所列PLC采用開關電源，除向PLC內部電路供電外，還向外提供DC24V穩壓電主要參數：輸入交流電壓：110~220V50Hz/60最大功率：156W工作環境：-10~40度波形畸變較小的電源，這對提高PLC的可靠性有很大幫助。PLC的供電線路應與其他大功率用電設備或強干擾設備(如高頻爐、弧焊機等)分開。為了接地點。在選用交流穩壓器時，一般可按照實際最大需求容量的130%計算。這樣可以保證穩壓特性又有助于穩壓器工作可靠。PLC供電電源為50Hz、220V10%的交流電。由于本設計使用的是FX1N系列可編程控制器，所以有直流24V輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器(如光電開關或接近開關)提供直流24V電源。3.接地正確選擇接地點，完善接地系統接地的目的通常有兩個，其一為了安其二是為了抑制干擾。完善的接地系統是PLC控制系統抗電磁干擾的重要措施之一。系統接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。采用二相八拍混合式步進電動機，主要特點：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉矩等特點。型號：42BYGH101。1.電動機驅動模塊采用中美合資SH系列步進電動機驅動器，主要由電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。電源輸入部分由電源模塊提供，用兩根導線連接，注意極性。信號輸入部分：信號源由PLC主機提供。由于PLC提供的電平為24V,而輸入部分的電平為5V,中間加了保護電路。輸出部分：與步進電動機連接。2.傳感器采用接近開關作為手爪旋轉和底盤旋轉限位檢測用；采用微動開關作為橫軸、縱軸限位檢測用。第4章機械手控制程序設計搬運機械手工作示意圖如圖4-1所示，其任務是將傳送帶A的物品搬到傳送帶B上。機械手的原位是在傳送帶B上，開始工作時，先是手臂上升，到上限位時，上升限位開關LS4閉合，手臂左旋；左旋到位時，左旋限位開關LS2閉合，手臂下降；到下限位時，下降限位開關LS5閉合，傳送帶A遠行。當光電開關PS1檢測到物品已進入手指范圍時，手指抓物品。當物品抓緊時，抓緊限位開關LS1動作，手臂上升；到上限位時，上升限位開關LS4閉合，手臂右旋；右旋到位時，右旋限位開關LS3閉合，手臂下降；下降到下限位時，下降限位開關LS5閉合，手指放開，物品被放到傳送帶B上延時圖4-1搬運機械手工作示意圖4.2控制流程圖機械手控制流程圖，如下圖4-2所示：手手手手X4圖4-2機械手控制流程圖4.31/0分配表表4-1I/0分配表輸入電器輸入點輸出電器輸出點啟動按鈕輸送帶A驅動接觸器KM停止按鈕手臂左旋電磁閥YV1手指抓緊檢測開關LS1手臂右旋電磁閥YV2手臂左旋限位開關LS2手臂上升電磁閥YV3手臂右旋限位開關LS3手臂下降電磁閥YV4手臂上升限位開關LS4手臂抓緊電磁閥YV5手臂下降限位開關LS5手臂放松電磁閥YV6物品檢測光電開關PS14.4梯形圖TI隱陬空白4.5指令表2ANDX0057ANI20LD30ANI4.6PLC外部接線圖微微淵排鋁圖4-9PLC外部接線圖經過一段時間的設計，可編程控制器和機械手的設計完畢，機械手的模型已設計完畢，其功能基本達到要求。整個系統穩定性好，而且只要修改控制程序，就可以讓機械手作出不同的動作，控制的柔性很好。系統的分析與設計過程也是對學習的總結過程，更是進一步學習與探索的過程。在這個過程中，我對利用可編程控制器進行控制系統的設計與開發有了深刻的認識，對機械手的工作原理有了進一步的掌握，對控制系統的分析與設計有了切身的認識和深刻的體會，并在學習和實踐過程中增長了