课程设计机械臂的plc控制

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1、课程设计题目名 称 机电一体化系统设计课程设计课程名称 机械臂的PLC控制邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业题目名称机械臂的PLC控制设计时间15周一17周课程名称机电一体化课程设计课程编号设计地点A806一、课程设计（论文）目的（1）培养学生理论联系实际的设计思想，训练学生综合应用所学的基础知识进行分析和解决 工程实际问题的能力；（2）使学生掌握一般机械设计的程序和方法，树立正确的设计思想，培养独立、全面、科学 的设计能力；（3）培养学生查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的能力及计算、绘图、数 据处理等方面的能力。二、任务和要求1、收集、研究与本课题有关的资料2、全面研究、

2、熟悉掌握与本课题有关的基础知识如机电控制原理、机电拖动基础、电子技术、 单片机基础，网上、图书馆查阅国内外有关直流电机控制、信息处理的技术前言和动态。3、制定整体方案，画出电路原理图并写出相关程序撰写格式、内容符合规范要求、不少于7000字的设计说明书一份。三、参考资料和现有基础条件(包括实验室、主要仪器设备等)电气实验室、校办工厂的设备、单片机基础教科书、电机与拖动教科书、网络资料四、课程设计进度安排(1) . 2009年11月6日到2009年11月10日：查阅资料为课程设计做准备。(2) . 2009年11日到2009年11月15日：查阅资料进行方案论证。.2009年11月16日到2009

3、年11月20日：进行方案设计。.2009年11月21日到2009年11月24日：设计制作及课程写作。.2009年11月25到2009年11月28日：完成全部课程设计。六、教研室审批意见教研室主任(签字)：年 月 日注：1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式 3份，学生、指导教师、教研室各1份。目录 设计任务书 1 目录 4 前言 5 1、PLC 简介 61.1 PLC 发展61.2 PLC基本结构81.3 PLC工作原理122、气动机械臂的PLC控制152.1 控制特点 152.2 系统控制示意图 162.3 输入和输出点分配表及原理接线图 162.4 操

4、作系统 172.5 回原位程序 182.6 手动单步操作程序 192.7 自动操作程序 202.8 机械臂传送系统梯形图 202.9 指令语句表 228、设计小结 23 参考文献 24-LX.1前言可编程序控制器(Programmable Logic Controller),简称 PLC, 是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自 动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展， PLC 的功能也 越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC(PROGRAMMABLE CONTROLLER)，但是为了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍习惯称为PLC。

5、目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出 现SOFTPLC,更是PLC领域无限的发展前景。本文主要通过气动机械臂 的PLC控制来介绍PLC的具体应用，让我们更熟悉PLC，为今后学习打 下基础。1 PLC简介可编程控制器（简称PLC）：是一种数字运算操作的电子系统，专为 在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存 储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的 指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。1.1 PLC发展历史20 世纪 60 年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1

6、968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标， 对控制系统提出的具体要求基本为：a。它的继电控制系统设计周期短， 更改容易，接线简单成本低。b。它能把计算机的功能和继电器控制系统 结合起来。但编程要比计算机简单易学、操作方便。c。系统通用性强。 1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台PLC,并在GM公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要 应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称 PLC。其定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工 业环境应用而设计的。它采

7、用一类可编程的存储器，用于其内部存储程 序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令， 并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程 控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易 于扩充其功能的原则设计。1.2 基本结构 PLC可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变 换，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 实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处, 其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出 应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所

8、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/O）电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如下 图所示：编程器输人电路系统程序存储和 I系统程序存储和电源1.2.1中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC的控制核心。它按照PLC系统程序赋予 的功能：a.接收并存储从用户程序和数据；b.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PLC投入 运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分 别存入I/O映象寄存区，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

9、指令的规定执行逻辑或算数运算并将结果送入I/O映 象寄存区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象寄存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，如此循环直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对 大型PLC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。1.2.2存储器可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。 存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、 故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放 用户程序（用户程序存和数据）

10、的存储器称为用户程序存储器，所以又 分为用户存储器和数据存储器两部分。PLC常用的存储器类型：(1) RAM (Random Assess Memory) 这是一种读/写存储器(随机 存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。(2) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)这是一 种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。 (在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。(3) EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) 这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程

11、器就能很容易地对其所存储 的内容进行修改。PLC存储空间的分配：虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不 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：(1) 系统程序存储区(2) 系统RAM存储区(包括I/O映象寄存区和系统软设备等)。(3) 用户程序存储区 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。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、 系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存 取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象寄存区以及各类软 元件，如：逻辑线圈、数据

12、寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累 加器等存储器。(1) I/O映象寄存区：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，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的 状态和数据，这些单元称作I/O映象寄存区。一个开关量I/O占用存储 单元中的一个位，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字。因此整个 I/O映象寄存区可看作两个部分组成：开关量I/O映象寄存区；模拟量 I/O映象寄存区。(2) 系统软元件存储区：除了 I/O映象寄存区区以外，系统RAM 存储区还包括PLC内部各类软元件(逻辑线圈、计时器、计

13、数器、数据 寄存器和累加器等)的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区 域和失电不保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电, 数据不会丢失；后者当PLC断电时，数据被清零。(3) 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。1.2.3 输入接口电路输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及 到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍 开关量接口电路。可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。这也是其I/O设计的优 点之处，经过了电气隔离后，信号才送入CPU执行的，防止现场的强电干 扰进入。如下

14、图就是采用光电耦合器(一般采用反光二极管和光电三极管 组成)的开关量输入接口电路：光耦1TR3CCR5光电耦合器Jr11-SCR晶厨管誓出丁用户电溥Y现场开关 R21.2.4输出接口电路可编程序控制器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、 晶闸管输出(SSR)三种输出形式。(1)输出接口电路的隔离方式(2)输出接口电路的主要技术参数a. 响应时间响应时间是指PLC从ON状态转变成OFF状态或从OFF状态转变成ON状态所需要的时间。继电器输出型响应时间平均约为 10ms；晶闸管输出型响应时间为1ms以下；晶体管输出型在0.2ms以下 为最快。b. 输出电流 继电器输出型具有较大的输出电流

15、，AC250V以下的 电路电压可驱动纯电阻负载2A/1点、感性负载80VA以下(AC100V或 AC200V)及灯负载100W以下(AC100V或200V)的负载；Y0、Y1以外每 输出1点的输出电流是0.5A，但是由于温度上升的原因，每输出4合计 为0.8A的电流，输出晶体管的ON电压约为1.5V，因此驱动半导体元件 时，请注意元件的输入电压特性。Y0、Y1每输出1点的输出电流是0.3A， 但是对Y0、Y1使用定位指令时需要高速响应，因此使用10100mA的输 出电流；晶闸管输出电流也比较小，FX1S无晶闸管输出型。c. 开路漏电流 开路漏电流是指输出处于OFF状态时，输出回路中 的电流。继

16、电器输出型输出接点OFF是无漏电流；晶体管输出型漏电流 在0.1mA以下；晶闸管较大漏电流，主要由内部RC电路引起，需在设计 系统时注意。输出公共端(COM) 公共端与输出各组之间形成回路，从而驱动负 载。FX1S有1点或4点一个公共端输出型，因此各公共端单元可以驱动 不同电源电压系统的负载。1.2.5 电源PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好 的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC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。如 FX1S 额定电压 AC100V

17、240V，而电压允许范围在AC85V264V之间。允许瞬时停电在 10ms 以下，能继续工作。一般小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作； 一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。因此PLC对电源的基本要 求：能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰;电源发生故障不会导致其它部分产生故障； 允许较宽的电压范围； 电源本身的功耗低，发热量小； 内部电源与外部电源完全隔离； 有较强的自保护功能。1.3 PLC的工作原理由于 PLC 以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作 方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见 的键盘扫描方式或 I/O 扫描方

18、，若有键按下或有 I/O 变化，则转入相应 的子程序，若无则继续扫描等待。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令 开始执行，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，直至遇到结束符后又返回第一 条指令，如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。1.3.1输入刷新阶段在输入刷新阶段， CPU 扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入 状态寄存器。完成输入端刷新工

19、作后，将关闭输入端口，转入程序执行 阶段。在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。1.3.2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，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄 存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。1.3.3输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输 出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相 应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷

20、新三个阶段构成PLC 一个 工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新 阶段是紧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/O 刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O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”, 一般在程序执行之后进行。综上述，PLC的扫描工作过程如图14所示。淒-督入映雪存軽程序执行显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应 速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期 PLC 只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后 现象，这在一定程度上

21、降低了系统的响应速度。但是由于其对 I/O 的变 化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的 开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干 扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行， PLC 在一个工 作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、 短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞 后现象，这个一般 PLC 都会采取高速模块。总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之 一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意。2 机械臂的 PLC 控制2.1 控制特点机械臂电气控制系统，除了有多工步

22、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。以下是设计该机械臂控 制程序的步骤和方法。2.2 系统控制示意图机械臂传送工件系统示意图，如图 1 所示。(1)下降 TO也左移限位(6) 左移4,XZ丄限宜右橡Y3右移限位U J 下降TOZ IT无工件检测 上限位下限位C 3) 上升Y2下限位I 7 J上升Y2夹紧 | Y1 ONA .右移(G)敢松图1机械臂传送示意及操作面板图2.

23、3输入和输出点分配表及原理接线图表1机械臂传送系统输入和输出点分配表名称代 号输 入名称代号输 入名称代 号输 出启动SB1X0夹紧SB5X10电磁阀下 降YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X11电磁阀夹 紧YV2Y1上限行程SQ2X2单步上升SB7X12电磁阀上 升YV3Y2右限行程SQ3X3单步下降SB8X13电磁阀右 行YV4Y3左限行程SQ4X4单步左移SB9X14电磁阀左 行YV5Y4停止SB2X5单步右移SB10X15原点指示ELY5手动操作SB3X6回原点SB11X16连续操作SB4X7工件检测SQ5X17Ill$QQF 父 2曲一 40MRW_rD I-J1?寸1LTbg匕

24、巳韶品毘旻号多田狂矣豆話豆S -EEXEEXeXeErK幅盟當磴磴拆轴蛭出迎产丄I槎旳辿師也偉：启图2 原理接钱图2.4操作系统操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序,如图3所示。图3机械手操作系统程序其原理是：把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。 再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为 一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。 之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。 如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时 跳过手动程序，直接执行自动程序

25、。2.5回原位程序回原位程序如图4所示。用S10S12作回零操作元件。应注意，当 用S10S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器 M8043 置 1。M8002(MOSETY001RSTmi(YCQ3Y000H&015X002 XOOY0叭图4回原位状态转移图2.6手动单步操作程序如图5所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。MOZDLQT I1 卜H0011nII-M0Z0L2X002Y&00nIIifH0013 XOOi TOO?V I1 IMOJOUX002 XD04V003打I I1 I1 I捽舛C 丫仙图5丰动单步操作程序夹紧腹松图6自动操作狀态转移圈

26、2.7自动操作程序自动操作状态转移见图6所示。当机械臂处于原位时，按启动X0接 通，状态转移到S20，驱动下 降Y0,当到达下限位使行程 开关XI接通，状态转移到 S21，而S20自动复位。S21 驱动Y1置位，延时1秒，以 使电磁力达到最大夹紧力。当 TO接通，状态转移到S22,驱 动Y2 上升，当上升到达最高 位，X2接通，状态转移到S23。 S23驱动Y3右移。移到最右位，X3接通， 状态转移到S24下降。下降到 最低位，X1接通，电磁铁放 松。为了使电磁力完全失掉， 延时1秒。延时时间到，T1 接通，状态转移到S26 上升。 上升到最高位，X2接通，状 态转移到S27左移。左移到最 左

27、位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线 圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的 编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。2.8机械臂传送系统梯形图如图7所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28 行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作 程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺 控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程 序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序

28、能自动返回初态S2。RST Y001RST YOOOYOOZSET SilRST Y003SET MS043S12KETSET S10Y004SET S12RST 51272750284879597100102105107XOOTSET SZSZ Y001X002 X004 XOOO !i-STLH4S204STL 立1-STLS22-STLS234STLS244STLK001TOX002X003X001H卜SET 520SET S21TO K10SET SZ2SET S23YOOSSET S24roooSET S25283236394245505561P067Y005110-STLRST Y

29、001LCJ F0T1 K10T1LM01151 1SET 326S261 1LSET Y001118_rqTT 1_rYOOSS002LRST Y001120I ISET SETSET1 1L1002123TT 1YQ04LJ4LK004LYOOO1251 1S21 1LY004128KETLPlroo3129ENDLCJ FlS25X002X004Y001T II IHKOQ&-4XOOO S005T IHMCI K010T IIIMO KOHT IINOK012X002YOOOT II MOX013X001Y002H IIIMOKOI 4X002X004X003II IIMOKOI5X0

30、02XQ03XOMT II IIK0Q7-4图T机械手传送系统梯形图2.9指令语句表TOOKcntsIOQJL153(INS TEIOOOAmoE8n OZobnrEtId OEIDCSIISE8CMcn叶133 6UDCSJ3S08lOQilI3STtis mo iCIMOK(IbTY6L01OZabnrotOOK OI 9口FOOKCOTY8CMcn6ooa mo 匸口即OKCOTYiawino8駅S IIS tciIOQJLmOOKIbDTi駅S J3S LU氏IISDOOMcn9cook n mESJ3SiOd:13EOOA mo OCIiOOKGT毗900Kicn肚SCS ILS 6

31、EIkI 369fOOAinoTSCS J3S illiOOHIdT89IOOULIHV0ii n EOd如WOEOHV缸I TI mo 迁TS)OAin 55帥OKnIOOA IS3+00Anrv59133吃 nis mEOOSnrv+9nsino匚毋J3S 601COOKdtrvns13TOOK di SOIrtosUTVI3SCitBA mo zotITT5rtw12S此+CS 诈 50!mo05I3SST+cs las totnrv故WOKcHZTit OK HTV ;otnrv+OAino5T00K cn EOICOOKIKYi?EOOJkisa?TEOOA mo TOIt-lOKI

32、KY9?ns7JStTES TLS OOI(WI(17?ns13SETEES J3S 86OOOAmot?COOKnITCOOZ G 加COQDTYEfCOQAJHD01现皿mo 95IOQZDTY陆QQMCWS US 頁IQKItTYIfIQM冏8WS J3S aOMIlOfOISIISLoi n300mo叶015JHSSH 01 J10 68OOOALtTY8fr9I0Mtnt10QA JZS SCWKHTYikISTJSKS IIS 益口 OKOtTY叶IS口 sIICS J3S 58函tn3OO0Htn0机械臂的 PLC 控制课程设计是机电课程当中一个重要环节通过了 3 周的课程设计使

33、我对机械设计过程有进一步了解，对机电产品的有关的 控制知识有了深刻的认识。因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，如：遗忘以前 学过的专业基础知识。通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析 和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代 化建设需要的高素质的复合型人才。运用学习成果，把理论运用于实际， 使理论得以提升，形成创新思想。通过此次设计过程，巩固了专业基础 知识，培养了我综合应用机械设计课程及其他课程的理论知识和应用生 产实际知识解决工程实际问题的能力，在设计的过程中还培养出了我们 的团队精神，为今后的学习和工作过程打下基础。参考文献：【1】郁汉琪、郭建主编.可变程序控制器原理及应用.北京：中国电 力出版社，2005【2】王炳实主编.单片机技术.第3版.北京：机械工业出版社，2004 【3】易泓可主编基于数字PID设计.北京：机械工业出版社，2004 【4】邓星钟主编.机电传动控制。武汉：华中科技大学出版社，2001【5】濮良贵，纪名刚.机械设计8版.高等教育出版社. 2006