基于PLC的工业机械手臂控制系统毕业设计

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1、基于 PLC 的工业机械手臂控制系统 摘要摘要PLC 是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强；PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对 PLC 的影响，此外 PLC 还可在强、通用性好；开发周期短，功耗小。本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。关键词关键词：意义，应用，前景，编程语言，设计基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控

2、制系统2目目 录录1.1.引言引言.8 82 2 机械手机械结构机械手机械结构 .9 92 21 1 传动机构传动机构.9 92.1.1.2.1.1.螺旋机构螺旋机构.9 92.1.2.2.1.2. 滑动螺旋机构滑动螺旋机构.9 92.1.32.1.3滚动螺旋机构滚动螺旋机构.101022 机械手夹持器和机座的结构 .10102.2.12.2.1机械手夹持器机械手夹持器.10102.2.22.2.2机座机座.11113 3 可编程控制可编程控制 PLCPLC.12123 31 1 PLCPLC 简介简介 .12123 32 2 PLCPLC 内部原理内部原理 .1313A.A. 系统程序存储区

3、系统程序存储区.1515B.B. 系统系统 RAMRAM 存储区存储区.1515C C用户程序存储区用户程序存储区.15153 33 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 .16163 34 4 PLCPLC 机型的选择方法机型的选择方法 .19193.4.13.4.1PLCPLC 的类型的类型 .19193.4.23.4.2输入输出模块的选择输入输出模块的选择.19193.4.33.4.3 电源的选择电源的选择.20203.4.43.4.4 存储器的选择存储器的选择 .2020功能的选择功能的选择.20203.4.63.4.6 经济性的考虑经济性的考虑.20203.53.5 机械手机械手

4、PLCPLC 选择及参数选择及参数.21213.5.13.5.1 主要技术数据如下：主要技术数据如下： .21213.5.23.5.2 PLCPLC 主机的组成主机的组成 .22224 4 机械手机械手 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计.2222基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统34 41 1 机械手的工艺过程机械手的工艺过程.22224 42 2 PLCPLC 控制系统控制系统 .24244.2.14.2.1 确定输入确定输入/ /输出点数并选择输出点数并选择 PLCPLC 型号型号 .24244.2.24.2.2 分配分配 PLCPLC 的输入的输入

5、/ /输出端子输出端子 .25254.2.3PLC4.2.3PLC 控制系统程序设计控制系统程序设计 .25255 5 软件设计软件设计 .29295.15.1 FX1NFX1N PLCPLC 梯形图中的编程元件梯形图中的编程元件 .29295.25.2 程序的总体结构程序的总体结构.31315.2.15.2.1 各部分程序如下各部分程序如下.3131致谢致谢.4242参考文献参考文献.4343基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统41.1.引言引言随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造

6、领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机，广泛采用工业机械人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人生安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取

7、、搬运工件或加持工具，机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成，主要完成移动、转动、抓取等动作。控制系统是机械手的指挥系统，它通过控制驱动系统，让执行器按照规定的要求进行工作。并检测其正确与否。可编程控制器（PLC）是一种数定运算操作的电子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在存储器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。与继电器控制线路相比，PLC 具有可靠性高、抗干扰能力强

8、；体积小、能耗低等特点。因此，机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来实现。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统5射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。 2 机械手机械结构机械手机械结构2 21 1传动机构传动机构2.1

9、.1.2.1.1.螺旋机构螺旋机构螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，其主要功能是将转动变换为直线运动，并同时传递运动和动力，按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构可以分为滑动螺旋机构和滚动螺旋机构两种类型。按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。螺旋机构具有结构简单，制造方便，传动平稳，无噪声易于自锁等优点。2.1.2.2.1.2. 滑动螺旋机构滑动螺旋机构 螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构，称为滑动螺旋机构。滑动螺旋机构所用的螺纹为传动性能好，效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成。根据机构的组成及运动方式，滑动螺旋机构又分为以下两种。（1） 由螺母和螺杆组成的滑动螺旋

10、机构，螺母与机架固联，螺杆转动并移动（如图 2-1b 所示） ，这种螺旋机构以传递动力为主，故又称传力螺旋机构。一般要求用较小的转矩产生较大的轴向力，多用在工作时间短，速度较低的场合。（2） 由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构，如图 2-1a 所示，螺杆转动，螺母移动，这种螺旋机构以传递运动为主，故又称为传导螺旋机构。本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。这种传动形式结构紧凑，刚度较大，传动效率高，精度高。基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统6 （a）螺杆转动，螺母移动 (b) 螺母固定，螺杆转动并移动图 2-12.1.32.1.3滚动螺旋机构滚动螺旋

11、机构 螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构，称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。其机构特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道，并在其间放如刚球，当螺杆转动时，刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。按循环方式的不同，分为外循环和内循环两种形式。 滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环叫外循环（如图 2-2 所示） 。外循环螺母只需设置一个反向器，当滚珠进入反向器时，就被阻止而转弯，从返回通道回到滚道的另一端，形成一个循环回路。机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动。滚动螺旋机构摩擦阻力小，动作灵敏度高，传动效 率高，可达 90%以上。用调整的方法可消除间 隙，传

12、动精度高。 图 2-2 22 机械手夹持器和机座的结构机械手夹持器和机座的结构2.2.12.2.1机械手夹持器机械手夹持器基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统7机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为外夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移。对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置。但其机械机构繁杂，体积大，制造精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候，在满足工件的定位精度要求的

13、条件下，尽可能的采用结构比较简单回转型夹持器。 本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回转型夹持器。如右图所示，装在杆上端的滚子3 和楔块之间为滚动接触。当电机带动连杆前进时，通过楔块 4 的斜面和杠杆 1，使两个手抓产生加紧动作和加紧力。当楔块后移时，靠弹簧的拉力使手指松开。这种末端执行器由于楔块和滚子之间为滚动接触，摩擦力小，活动灵活，且机构简单。2.2.22.2.2机座机座机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时的稳定行。基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂

14、控制系统8如图 2-3 所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。这种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。图中电动机 3 经减速器4、主动小齿轮 5、中间齿轮 6、大齿轮 7 驱动丝杆 2 旋转，从而驱动升降台上下运动。整个机座安装在基座 8 上。3 3 可编程控制可编程控制 PLCPLC 3 31 1 PLCPLC 简介简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC 得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控

15、制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控的制的首选产品，PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC 市场容量基数的不断扩大，近年来 PLC 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。综合相关资料，图 2-3基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统92004 年全球 PL

16、C 的销售收入为 100 亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 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 只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、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，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，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行，以完成工艺流程要求的操作。PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器，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

17、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。相同 I/O 点数的系统，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右） 。PLC 没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比 DCS

18、要低很多。一个 PLC 的控制器，可以接收几千个 I/O 点（最多可达8000 多个 I/O） 。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用 PLC 较为合适。PLC 由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近 10 年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用 PLC 进行控制，PLC 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内 PLC 在我国仍将保持高速增长势头。 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

19、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 取代嵌入式控制器3 32 2 PLCPLC 内部原理内部原理 PLC 实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统10的。如图 3-1 所示， PLC 硬件的基本结构图所示：图 3-1 PLC 硬件的基本结构图（1）中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能

20、检查用户程序的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区, 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将 I/O 映象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，如此循环运行，直到停止运行为止。（2）存储器与微型计算机一样，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

21、储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC 的 CPU 的最大可寻址存储空编程器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储区用户程序存储区电源基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统11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。A. 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

22、决定了该 PLC 的各项功能。B. 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。（A）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

23、/O 映象区和模拟量的 I/O 映象区两部分组成。（B）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。使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” 。C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

24、存储容量可根据用户的需要而改变。D常用的 I/O 分类基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统12常用的 I/O 分类如下：开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA） 、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受CPU 所能管理的基本配

25、置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。（3）PLC 电源PLC 电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的 PLC，还是中、大型的 PLC，其电源的性能都是一样的，均能对 PLC 内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负 10%（15%）之间，因此可以直接将 PLC 接入到交流电网上去。可编程序控制器一般使用 220V 交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供 24V 直流电源。驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的

26、，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器” ，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。3 33 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理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基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统13停机 或切换到

27、 STOP 工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图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。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN

28、）状态时，还要完成另外 3 个阶段的操作。在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的

29、状态发生了变化，输入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。体型

30、图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统14线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为 ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为 OFF。扫描周期可编程序控制器在 RUN 工作状态时，执行一次图 3.

31、5.1a 所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为 1100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。如图 3-2 所示。图 3-2 PLC 的扫描运行方式（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

32、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）输出刷新阶段第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第 N 个扫描周期输入采样输出刷新用户程序执行基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统15在输出刷新阶段，CPU 按照 I/O 映象区内对应的数

33、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

34、；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 34 4 PLCPLC 机型的选择方法机型的选择方法3.4.1PLC 的类型PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位

35、等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型 PLC 的 I/O 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 PLC 提供多种 I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。3.4.2输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统16信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较

36、长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程 I/O 机架等。3.4.33.4.3 电源的选择电源的选择PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否

37、则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入 PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。3.4.43.4.4 存储器的选择存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求用项目的正常投运，一般要求 PLC 的存储器容量，按的存储器容量，按 256 个个 I/O 点至少选点至少选 8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。3.4.53.4.5

38、冗余功能的选择冗余功能的选择a控制单元的冗余（1）重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应 1B1 冗余。（2）在需要时也可选用 PLC 硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2 重化或 3重化冗余容错系统等。b I/O 接口单元的冗余（1）控制回路的多点 I/O 卡应冗余配置。（2）重要检测点的多点 I/O 卡可冗余配置。3）根据需要对重要的 I/O 信号，可选用 2 重化或 3 重化的 I/O 接口单元。基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统173.4.63.4.6 经济性的考虑经济性的考虑选择 PLC 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可

39、扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，估因此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。3.53.5 机械手机械手 PLCPLC 选择及参数选择及参数 综合上述原则机械手控制系统主机为三菱的 FX2N-48MR。3.5.13.5.1 主要技术数据如下：主要技术数据如下：工作电源：24VDC输入点数：24输出点数：24输入信号类型：直流或

40、开关量输入电流：24VDC 5mA模拟输入：-10V10V（-20mA+20mA）输出晶体管允许电流 0.3A/点（1.2A/COM）输出电压规格：30VDC最大负载：9W输出反应时间：OffOn 20s OnOff 30s基本指令执行时间：数个 s程序语言：指令+梯形图+SFC程序容量：3792STEPS基本顺序指令：32 个（含步进梯形指令）应用指令：100 种初始步进点：S0S9一般步进点：118 点，S10S127辅助继电器：一般用 512+232 点（M000M511+M768M999）停电保持用 256 点（M512M767）基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械

41、手臂控制系统18特殊用 280 点（M1000M1279）定时器：100ms 时基 64 点（T0T63）10ms 时基 63 点（T64T126，M1028 为 ON 时）1ms 时基 1 点（T127）计数器：一般用 112 点（C000C111，16 位计数器）停电保持用 16 点（C112C127，16 位计数器）高速用 13 点 1 相 5kHz，2 相 2kHz（C235C254，全部为停电保持 32 位计数器）数据寄存器：一般用 408 点（D000D407）停电保持用 192 点（D408D599）特殊用 144 点（D1000D1143）指针/中断：P64 点；I4 点（P0

42、P63/I001、I101、I201、I301）串联通信口：程序写入/读出通讯口：RS232 一般功能通讯口：RS485主机电源 220V AC3.5.23.5.2 PLCPLC 主机的组成主机的组成1、输入单元输入单元由 8 个按扭、8 个开关和 16 个接插件组成，它们分别与 PLC 的 16个输入点相接。改变这些开关或按扭的通断状态，即可对主机输入所需要的开关量。16 个接插件可外接其它直流或开关量输入信号。2、输出单元输出单元由 24 个二极管和 24 个接插件组成，它们分别与 PLC 的 24 个输出点相连。发光二极管是否发光，即可表示输出点的状态，使用者可得到主机的输出信息。24

43、个输出接插件可外接其它需要控制的设备。输出单元的 4 个地端，分别引出到面板，其中只有 C4 与 3V 电源共地。3、电源单元PLC 主机左边有外接 220V/AV 的电源插座，作为 PLC 的工作电源。内装变压器，输出 3V 电源，供二极管使用。另外 PLC 的 24VDC 和 24GND 已引出到面板，供外接输入器件（如传感器）的工作电源用4 4 机械手机械手 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统194 41 1 机械手的工艺过程机械手的工艺过程了解设备概况机械手的结构和各部分动作示意图，如图下图所示。机械手的工作均由电

44、机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。分析工艺过程机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降加紧工件上升右移再下降放松工件在上升左移八个动作，完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。控制方面的要求 为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动基于基于 PLCPLC 的工业机

45、械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统20工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。1） 手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。2） 单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。3） 单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。4） 连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连续工作方式下设置两种停车状态： 正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按

46、钮，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。 紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。4 42 2 PLCPLC 控制系统控制系统4.2.14.2.1 确定输入确定输入/ /输出点数并选择输出点数并选择 PLCPLC 型号型号1）输入信号 位置检测信号：下限、上限、右限、左限共 4 个行程开关，需要 4 个输入端子。 “无工件检测”信号：用光电开关作检测元件，需要 1 个端子。 “工作方式”选择开关：有手动、单步、单周期和连续 4 种工作方式，需要4 个输如端子。 手动操作：需要有下降、上升、右移、左移、加紧、放松

47、 6 个按钮，也需要6 个输入端子。 自动工作：尚需启动、正常停车、紧急停车 3 个按钮，也需要 3 个输入端子。以上共需要 18 个输入信号。2）输出信号 PLC 的输出用于控制机械手的下降、上升、右移、左移、加紧、放松以三基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统21个电动机转速的控制等，共需要 11 个输出点。机械手从原点开始工作，需要一个原点指示灯，也需要 1 个输出点。所以，至少需要 6 个输出点。 由于机械手的控制属于开关量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型号的小型 PLC 均可满足要求。根据所需的 I/O 总点数并留有一定的备用量，可选用 FX2N

48、-48RM，其输入和输出各 24 点，继电器输出型。FX2N-48RM 的各项工作参数已在第二章介绍，在此不在做介绍。4.2.24.2.2 分配分配 PLCPLC 的输入的输入/ /输出端子输出端子 PLC 的输入输出端子分配接线图，如图 4-2 所示。4.2.3PLC4.2.3PLC 控制系统程序设计控制系统程序设计为了方便编程，可将手动和自动程序分别编出相对独立的程序段，用跳转指令进行选择，控制系统程序结构框图，如图 4-3 所示。选择手动方式时，X3接同，跳过自动程序，执行手动程序；选择自动工作方式时，X3 断开，执行自动程序。（1）手动程序 手动操作不需要按工序顺序进行动作，所以可按普

49、通继电器程序来设计。手动操作的梯形图，如图 4-4 所示，手动按钮 X20-X25 分别控制下图 4-2 输入/输出分配接线图基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统22基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统23图 4-3 总程序结构框图基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统24图 4-4 手动程序降、上升、右移、左移、加紧和放松各个动作。为了保证系统的的安全与进行，设置了一些必要的连锁。其中在左、右移动的电路中加入 X11 作上限连锁，这是因为机械手只有处于上限位置时，才允许左、右移动。（1）自动程序 自

50、动程序如图 4-5 所示。1）连续及单周期操作。当机械手在原点时，程序处于初始状态 S0，执行下降动作。当下降到下限位开关时，X10 接通，又接通下一个状态 S21，接着执行下一步动作。当执行完最后一步动作，即左移到原点碰到左限位开关时，X13接通，如果是单周期操作，则 M0 断开，回到初始状态，如果连续操作，则 M0接通，状态转移至 S20，又开始下一个周期的循环。在运行中，如按正常停车按钮，则 X1 接通，M0 复位，机械手的动作继续执行完一个周期后，回到初始状态。如按紧急停车按钮，则 X2 接通，状态S0S33 全部复位，机械手工作停止。重新启动时，先用手动来将机械手移回原点，才能再次进

51、行自动操作。基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统252）单步操作。当自动操作程序采用步进指令设计时，单步操作程序用“禁止状态转移”标志器 M8040 来实现，如图 4-6 所示。该继电器线圈接通时，禁图 4-5 自动程序止步进状态转移，线圈断电时，允许状态转移。在单步操作方式下，利用启动按钮 X0 作为单步操作信号，X4 接通。不按启动按钮时，X0 断开，其常闭接点闭合，M8040 接通，状态转移被禁止。基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统26图 4-6 用“禁止状态转移”设计的单步操作梯形图当完成一步动作后，按下启动按钮，X0

52、接通， ，其常闭接点将 M8040 断开，状态转移到下一步。将如图 4-6 所示的单步操作梯形图连接在如图 4-5 所示的自动程序上端，就得到了包括单步、单周期、连续操作在内的整个自动操作的梯形图。至此，机械手的控制程序分段设计完毕。根据图 4-3 所示的总程序结构框图，将手动操作程序梯形图和自动程序梯形图嵌入，就得到整个程序的梯形图。5 5 软件设计软件设计5.15.1 FX1NFX1N PLCPLC 梯形图中的编程元件梯形图中的编程元件设计选用 FX1N60MR，其输入继电器（X）36 点，输出继电器(Y)24 点，辅助继电器(M)384 点，状态继电器(S)1000 点，定时器(T)25

53、6 点，计数器(C)，数据寄存器(D)等。特殊辅助继电器【4】M8000运行监控（PLC 运行时自动接通，停止时断开） ；M8002初始脉冲（仅在 PLC 运行开始时接通一个扫描周期） ；M8005PLC 后备锂电池电压过低时接通；M801110ms 时钟脉冲； M8013100ms 时钟脉冲；M80121s 时钟脉冲； M80141min 时钟脉冲。表 5-1 PLC 输入/输出分配表输入信号输入信号输入信号输入信号手动SAX0底盘逆限SQ6X23基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统27位回原位SAX1手顺限位SQ7X24连续SAX2手逆限位SQ8X25回原位

54、SB1X3底旋转脉冲X26启动SB2X4前行SB12X30停止SB3X5后退SB13X31下降SB4X6输出信号输出信号上升SB5X7YA0Y0夹紧SB6X10YA1Y1松开SB7X11上升/下降步进电机YA2Y2手顺转SB8X12YA3Y3手逆转SB9X13YA4Y4底盘顺转SB10X14前进/后退步进电机YA5Y5底盘逆转SB11X15夹紧YA6Y6下限位SQ1X16手顺转YA 7Y7上限位SQ2X17手逆转YA 8Y10前限位SQ3X20底顺转YA 9Y11后限位SQ4X21底逆转 YA10Y12底盘顺限位SQ5X22在手动方式时可以通过手动按钮来实现，其控制面板如下图 5-2基于基于

55、PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统28图 5-2 控制面板示意图5.25.2 程序的总体结构程序的总体结构机械手系统的程序总体结构如图 5-3，分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、连续运动程序，因它们的工作顺序相同所以可将它们和编在一起。CJ（FNC00）是条件跳转应用指令，指针标号 PX 是其操作数。该指令由于某种条件下跳过 CJ 指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以减少程序执行时间。如果选择“手动”工作方式，即 X0 为 ON，X1 为 OFF 则 PLC 执行完公用程序后将跳过自动程序到 P0 处，由于 X0

56、动断触点断开所以直接执行“手动程序” 。由于P1 处的 X1 的动断触点闭合，所以又跳过回原位程序到 P2 处。如果选择“回原位”工作方式，同样只执行公用程序和回原位程序，如果选择“连续”方式，则只执行公用程序和自动程序。5.2.15.2.1 各部分程序如下各部分程序如下图 5-4图 5-3 程序总的结构图基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统29公用程序说明，当 Y6 复位（电磁阀松开） 、后限位 X21 和上限位 X17 接通时，辅助继电器 M0 变为 ON，表示机械手在原位。如果开始执行用户程序（M8002 为 ON） 、系统处于手动或回原位状态（X0 或

57、X1 为 ON） ，那么初始步对应的 M10 被置位，连续工作方式做好准备。如果 M0 为 OFF，M10 被复位，系统不能进入连续工作方式。指令 ZRST 是成批复位应用指令，以防止系统从自动方式转换手动方式，再返回自动方式时出现两种不同的活动步。基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统30基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统31基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统32基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统33 图 5-5自动连续程序说明：当系统处于自动连续方式时，X2

58、为 ON，它的动合触点闭合，在初始步时按下启动按钮 X4，M1 得电并保持，就按照图 4.2 自动功能图进行工作。按下停止按钮 X7 后，M1 变为 OFF，系统不会立即停止，而是完成当前的工作周期后，机械手最终停止在原位。基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统34基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统35基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统36图 5-6手动程序说明：用对应机械手的上下前后移动和夹紧松开按钮。按下不同的按钮，机械手执行相应的动作。在前后移动的程序中串联上线位置开关的动合触点是为了避免机

59、械手在较低位置移动时碰撞其他工件。为保证系统安全运行，程序之间还进行必要的连锁。回原位程序；在系统处于回原位工作状态时，按下回原位按钮（X3） ，M3 变为 ON，机械手松开和上升，当升到上限位（X17 变为 ON） ，机械手后退，直到后限位（X21 为 ON）才停止，并且 M3 复位。基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统37基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统38梯形图程序经过检验语法错误以及逻辑上的可靠性后,编译成指令表，以便后传入 PLC 中。并可以运用软件在线监测 PLC 的运行情况，同时可以用手持编程器根据现场要求修改程

60、序中的各参数，达到任意位置停止的目的。基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统39致谢致谢本论文是在指导老师张华及机电一体化教研室诸位老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，张华老师和各位专业老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向各老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。经过几个月的努力我终于完成了这篇论文，PLC 课程是我们的主要课程，自从接触了这门课程我便对她产生了浓厚的兴趣，所以在做毕业设计时我毅然的选择了 PLC 设计。在此，我还要感谢在一起愉快的度过三年

61、生活的 09 机电一体化班各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统40参考文献参考文献1plc 电器控制技术，漆汉宏，机械工业出版社 20062PLC 技术与应用，程周主，福建科学技术出版社 20043控制电气及应用，李中年主，清华大学出版社 20064通用变频器应用技术，刘美俊，福建科学技术出版社 20045机械制造装备设计，冯辛安，机械工业出版社 2005