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基于PLC的机械手控制设计（含CAD图纸）.doc
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I基于PLC的机械手控制摘要在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。工业机械手就这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。电气方面有电机、开关电源、电磁阀、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由PLC输出四路来分别驱动横轴、竖轴、底盘转动、手转动电机，控制机械手横轴、竖轴和手爪顺逆旋转的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机电机拖动底盘旋转电磁阀控制气阀的开关来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本文设计的工业机械手模型可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。关键词可编程控制器PLC,机械手,电机,任意位置IIThecontrolofmanipulaterbyPLCABSTRACTInindustrialproductionandotherdomains,becauseworksneed,thepeoplefrequentlyreceivefactortheandsoonhightemperature,corrosionandvirulentgasharm,increasedworkerslaborintensity,evenendangerslife.Theindustrymanipulatorlikethiswasborn,themanipulatorisintheindustryrobotassemblysystemthetraditionaldutyimplementingagency,isoneofrobotkeycomponents.Theelectricalaspecthastheelectricalmachinery,theswitchingpowersupply,thesolenoidvalve,andsoontheelectronicdevicecomposition.Thisequipmenthascoveredtheprogrammablecontroltechnology,thepositioncontroltechnology,theairoperatedtechnologyandsoon,istheintegrationofmachinerymodelrepresentsoneofinstruments.ThisarticleintroducedthemanipulatorisoutputsfourgroupsbyPLCseparatelytoactuatetheabscissaaxis,thezaxis,thechassisrotation,handturnsanelectricmotor,controlsthemanipulatorabscissaaxisandthezaxispintpointing,themicroswitchbequeathsthepositionsignalthePLCTheelectricalmachinerydrivesthehandfingernailaThesolenoidvalvecontrolstheairvalvetheswitchtocontrolthemanipulatorhandfingernailtogather,thusrealizesthemanipulatorpropermotionfunction.Thistopicplanstheindustrymanipulatormodelwhichdevelopstobepossibleinthespacetograspputstheobjectnimbly,themovementisdiverse,mayreplaceartificiallycarriesontheworkinhightemperatureandthedangerousoperationarea,andmaychangestherelatedparameterasnecessaryaccordingtotheworkpiecechangeandthemovementflowrequest.KEYWORDSProgrammablecontrollerPLC,manipulator,electricalmachinery,freepositionIII目录前言................................................................................................1第1章机械手各功能实现形式与控制方式....................................21.1机械手概述............................................................................21.1.1机械手的定义与发展..................................................21.1.2机械手分类及控制方法...............................................31.1.3机械手的结构原理......................................................31.2本机械手模型的机能和特性.................................................51.3夹紧机构................................................................................51.4躯干.......................................................................................61.5设计要求................................................................................61.5.1控制方式及要求..........................................................71.6旋转编码盘............................................................................9第2章控制系统硬件设计.............................................................102.1PLC的定义及特点..............................................................102.2PLC的选型.........................................................................122.2.1常用PLC介绍...........................................................122.2.2常用PLC介绍...........................................................142.2.3确定型号FX1N－60MR............................................162.2.4FX1N所具有优越性能..............................................172.2.5FX系列PLC型号的说明.........................................172.3三菱FX系列的结构功能...................................................182.3.1PLC内部功能............................................................192.3.2PLC输入输出接口的安全保护.................................202.4FX1NPLC梯形图中的编程元件.......................................21第3章软件设计.............................................................................233.1程序的总体结构..................................................................233.2各部分程序如下..................................................................24结论..............................................................................................33IV谢辞................................................................................................34参考文献..........................................................................................35附录..............................................................................................37外文资料翻译..................................................................................451前言随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。对于机械手的研究国内外的水平不一，但代表当今最先进的技术在日本，他的自动化，人性化令人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合各种尖端技术的现代机器。我国也陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化水平有待提高，只相当于世界先进技术在八十年代的水平。随着工业现代化的发展，机械手技术也随之提高，发展的趋势是工作强度高，灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能，使人只作平时的简单的维护，这也是现代工厂的发展趋势。本设计主要是对机械手模型控制部分设计，在我们毕业实习时，也看到过类似的机械手实际应用产品。对各运动部件，各模块都大致了解。我采用技术成熟、安全可靠的可编程控制器PLC实现。现阶段PLC系统生产厂家大致有西门子、三菱、欧姆龙等，根据我所了解的系统模块情况，我选用三菱FX1N系列，其编程指令简单、功能强大、方便可行、经济实用、维护方便。经过我多方了解，所以是可行的。采用PLC构成机械手的自动控制系统，可通过修改PLC控制程序，改变对机械手模型的控制要求。机械手横轴水平面内作前后方向运动，竖轴能在垂直面内作上下两方向运动，底座能作正反两方向旋转，手能正反两方向旋转，并且底座能在任意位置停止的功能。根据以前做过类似的设计，其底盘旋转任意角度难以实现，本设计可以采用编码盘检测脉冲计数来实现，但还没有一个仿真环境来校核，只有通过反复推理其正确性。还有机械手包括两部分，一个机械部分，一个控制部分，由于时间关系和我的专业特长，此设计重点在于控制部分。一个完整的设计离不开机械部分，所以我的设计还有很多问题有待解决。2第1章机械手各功能实现形式与控制方式1.1机械手概述工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。其特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术1.1.1机械手的定义与发展机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识，尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。代表当今最先进的技术在日本，他的自动化，人性化令人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合各种尖端技术的现代机器。我国也陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化水平有待提高。随着工业现代化的发展，机械手技术也随之提高，发展的趋势是工作强度高，灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能，使人只作平时的简单的维护，这也是现代工厂的发展趋势。3此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。1.1.2机械手分类及控制方法机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为MechanicalHand，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本设计要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。1.1.3机械手的结构原理目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。4执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。本设计采用二指的构造。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之，机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。驱动机构主要有四种液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以电气、气动用得最多，占90％以上，液压、机械驱动用得较少。液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。它利用液压缸、液压马达加齿轮、齿条实现直线运动利用摆动液压马达、液压缸与齿条、齿轮与链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。一般采用4～6个大气压，个别达到8～10个大气压。它的优点是气源方便，维护方便，成本低。缺点是出力小，体积大，由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。本设计的手爪部分采用气压驱动。电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护、使用方便。驱动机构和控制系统可以采用同一形式的动力，出力比较大。本设计采用步进电动机驱动手臂和手爪顺逆旋转运动，直流电动机驱动机械手的底盘旋转运动。机械驱动只适用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本低缺点是不易调整。机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加5减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90％以上。控制系统可以根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以储存，然后再根据规定的程序，控制机械手工作。对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单、修改容易、可靠性高等。1.2本机械手模型的机能和特性物体在三维空间内的禁止位置是由三个坐标和围绕三轴旋转的角度来决定的，因此，抓握物体的位置和方向能从理论上求得。根据资料的介绍，如果采用机械手，其机能要接近于人的上肢，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来控制。我们不要那么多自由度，因为根据实际情况而言，控制的自由度越多，其各个部分也就越复杂，相应的制造成本也就增加。本设计的机械手，它共有自由度5个。即手臂前后伸缩、手臂上下伸缩、手臂左右旋转、手腕回转、手指的抓握。1.3夹紧机构机械手手爪是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确可靠的要求。设计制造夹紧机构机械手，首先要从机械手的坐标形式，运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力来计算。则同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力要限制在一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然断电造成被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则结构简单、体积小、重量轻、动作灵活、和工作可靠。夹紧结构形式多样、有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式夹紧装置。6机械式夹紧是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式按手指数目可分为二指式、三指式、四指式按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的开闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位开关完成回转角度的限位，一般可设置在180度。1.4躯干躯干有底盘和手臂两部分组成。底盘是支撑机械手的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编码盘旋转，机械手每旋转三度发出一个脉冲，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，在底盘上装有限位开关，最大旋转角度可达180度。手臂使机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件使它们运动的机构。本设计手臂由横轴和竖轴组成、可完成伸缩、升降的运动。手臂采用电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出信号控制步进电机运转，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。1.5设计要求采用PLC构成机械手的自动控制系统，可通过修改PLC控制程序，改变对机械手模型的控制要求。机械手横轴水平面内作前后方向运动，竖轴能在垂直面内作上下两方向运动，底座能作正反两方向旋转，手能正反两方向旋转，并且底座能在任意位置停止的功能。其主要任务是将A工作台的工件旋转搬运到B工作台。机械手的工作方式可分为手动、单步、单周期、连续和回原点5种，各种工作方式的动作及控制要求说明如下。模型如图117机械手升降步进电机机械手夹紧装置手旋转步进电机机械手伸缩步进电机底盘旋转直流电机1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7A点工件B点图11模型图1.5.1控制方式及要求1.控制方式1.单周期工作方式a.接通电源后，机械机构自动复位b.横轴前伸c.机械手旋转到位d.竖轴下降e.电磁阀复位，机械手夹紧重物8f.竖轴上升g.横轴缩回h.底盘旋转到位i.横轴前伸j.机械手旋转k.竖轴下降l.电磁阀动作，机械手张开，放下货物m.竖轴上升n.横轴缩回o.底盘旋转复位。至此一个周期的动作结束。再按一次启动按钮就开始下一个周期。2.连续方式启动后机械手反复运行上述周期的每个动作，直到按下停止按钮，机械手完成最后一个动作复位停止工作3.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。4.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。2.控制要求1.前进／后退、上升／下降、手顺旋／逆旋、底盘顺旋／逆旋机械手的每个动作必须到位，具体由相应限位开关控制，否则不能进行下一个工作步。前进／后退、上升／下降、手顺旋／逆旋、底盘顺旋／逆旋的动作由一个双线圈的电磁阀控制。2）夹紧和放松机械手夹紧和放松的动作必须在两个工位出进行，且其动作都要到位。为了确保夹紧和放松动作可靠，需对这两个工作进行定时。夹紧和放松动作由单线圈的电磁阀控制，电磁阀得电为夹紧，失电为放松。91.6旋转编码盘机械手底盘和躯干每旋转3度发出一个脉冲，并把信号送回可编程控制器来得到转过的准确的角度。编码盘的机构如图图12旋转编码盘可以通过改变程序中计数器C0的初值来确定所要转过的角度，这里可以通过用手持编程器读出指令表，然后修改得到不同的控制角度。表11所选器材列表【12】名称型号或规格数量名称型号或规格数量PLCFX1N60MR1限位开关LX191118电磁阀VF31301转换开关LW651按钮LA101H13熔断器RC1A30/152手持编程器FX20PE1连接导线若干10第2章控制系统硬件设计对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、PLC控制等。但由于此明确指定采用PLC可编程控制器控制实现，所以，不用我们去考虑控制硬件方案，只是要对PLC进行比较选择。2.1PLC的定义及特点1.PLC的定义PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。以后国际电工委员会IEC又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的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。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。112.PLC的特点（1）高可靠性【4】①所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。②各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms。③各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。④采用性能优良的开关电源。⑤对采用的器件进行严格的筛选。⑥良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。⑦大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。（2）丰富的I/O接口模块【4】PLC针对不同的工业现场信号，如交流或直流开关量或模拟量电压或电流脉冲或电位强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如按钮行程开关接近开关传感器及变送器电磁线圈控制阀等直接连接。（3）采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。（4）编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。122.2PLC的选型对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数扫描速度内存容量指令条数功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。2.2.1常用PLC介绍PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。1西门子S7200系列可编程控制器介绍SIMATICS7200系列PLC是德国西门子（Siemens）公司生产的具有很高性能价格比的微型可编程控制器。它适用于各行各业，各种场合的检测、监测及控制的自动化。强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。在以下几方面均有出色的表现极高的可靠性极丰富的指令集易于掌握便捷的操作丰富的内置集成功能实时特性强劲的通讯能力丰富的扩展模块。2OMRONC200H可编程控制器介绍图21欧姆龙PLC先进的、小型化的可编程序控制器.OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMACCPM1A的大小仅相当于一个PC卡对于10点的机型来说，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。133松下可编程控制器介绍【9】包括FPO，FP1，FP2，FP3，FPe，FPX等系列图22松下PLCFPX特点超高速处理，浮点数PID运算只有32us，基本指令只需0.32us，可快速扫描充裕的程序容量达到32K步，注释区域也可以保证I/O最多300点通过8位密码和禁止上传功能，有效保护程序配备USB端口，可与计算机实现简单连接。FPe（晶体管输出，继电器输出）特点面板式安装型控制器，电源电压24VDC，程序容量2.7K步，运算速度0.9μs。FP2、FP3、FP10sh系列（输出类型同上）最多可控制2048点（使用远程I/O），程序容量大16K，30K步，可扩展到120K步，CUP运行世界最快（1ms/20步，快速起运0.1ms以下）。FPO系列（输出同上）世界产品体积最小，扫描周期1ms，选择点从10到128点。4三菱FX系列可编程控制器介绍【10】FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。日本三菱电机公司研发的。在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。其FX2NPLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。14FX系列PLC基于基本功能、高速处理、便于使用的研发理念，使其具有数据传送与比较，四则运算与逻辑运算、数据循环与移动等应用指令系统。除此之外，还具有输入输出刷新、中断、高速计数器比较指令、高速脉冲输出等告诉处理指令，以及在SFS控制方面，将机械控制的标准动作封装化的状态初始化指令等，使功能大大增加。FX系列PLC在特殊控制方面不但具备模拟量输入输出控制，而且具有定位控制几PID系统控制。在通信方面，能够方便地与PC计算机链接实现数据交换与管理。2.2.2常用PLC介绍1.PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用坏境分为现场安装和控制室安装两类按PLC字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等，从应用角度出发，通常可按控制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，因此用于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。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、响应时间较长等特点可控制输出模块适用于开关频繁，FX2NPLC图图3PLC三菱FX系列15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、交流输出等，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.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22VAC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，应核对提供的电源是否满足应用要求，否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。4.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，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I／O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。5.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卡可冗余配置。2重点检测点的多点I／O卡可冗余配置。3根据需要对重要的I／O信号，可选2重化或3重化的I／O接口单元。6.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。输入输出点数的价格有直接的影响。每增加一块输入输出卡件就需要增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、16机架、母版等也要相应增加，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。2.2.3确定型号FX1N－60MR综上，对于被控对象，采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较，力求具有较好的性价比，使用和维修方便选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型，一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的PLC，则选FX系列，不选F1系列）。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。在此，我选用三菱FX1N来做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是近年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构，如图24。图24PLC三菱FX1N172.2.4FX1N所具有优越性能【基本性能】【3】CPU处理速度达到了0.065us/基本指令。内置了高达64K步的大容量RAM存储器。大幅增加了内部软元件的数量。强化了指令的功能，提供了多达209条应用指令，包括像与三菱变频器通讯的指令，CRC计算指令，产生随机数指令等等。【集成业界领先的功能】【3】晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令带DOG搜索的原点回归（DSZR），中断单速定位（DVIT）和表格设定定位（TBL），从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。内置6点同时100kHz的高速计数功能，双相计数时可以进行4倍频计数。【强大的扩展性】【3】增强了通信的功能，其内置的编程口可以达到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同时使用3个通信口（包括编程口在内）。新增了高速输入输出适配器，模拟量输入输出适配器和温度输入适配器，这些适配器不占用系统点数，使用方便，在FX3U的左侧最多可以连接10台特殊适配器其中通过使用高速输入适配器可以实现最多8路、最高200kHz的高速计数。通过使用高速输出适配器可以实现最多4轴、最高200kHz的定位控制，继电器输出型的基本单元上也可以通过连接该适配器进行定位控制。通过CCLink网络的扩展可以实现最多达384点（包括远程I/O在内）的控制。可以选装高性能的显示模块（FX3U7DM）可以显示用户自定义的英文、数字和日文汉字信息，最多能够显示半角16个字符全角8个字符4行。在该模块上可以进行软元件的监控、测试，时钟的设定，存储器卡盒与内置RAM间程序的传送、比较等操作。另外，还可以将该显示模块安装在控制柜的面板上。2.2.5FX系列PLC型号的说明FX系列PLC型号的含义如下【4】18其中系列名称如0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC等单元类型M──基本单元E──输入输出混合扩展单元Ex──扩展输入模块EY──扩展输出模块输出方式R──继电器输出S──晶闸管输出T──晶体管输出特殊品种D──DC电源，DC输出A1──AC电源，AC（AC100120V）输入或AC输出模块H──大电流输出扩展模块V──立式端子排的扩展模块C──接插口输入输出方式F──输入滤波时间常数为1ms的扩展模块如果特殊品种一项无符号，为AC电源、DC输入、横式端子排、标准输出。例如FX2N－32MT－D表示FX2N系列，32个I/O点基本单位，晶体管输出，使用直流电源，24V直流输出型。2.3三菱FX系列的结构功能可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的的结构原理与微型计算机相似。硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。系统程序和接口器件又与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、19D/A模拟转换器件的组合体的功能，采用软件编程进行它们之间的联系。本设计采用FX系列PLC作为控制核心，所以现在就以它来讲述PLC的应用知识、操作技能。FX系列PLC硬件组成与其它类型PLC基本相同，主体由三部分组成，其PLC的基本结构如图25系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。图25PLC的组成框图外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信号和数据经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各个部分协调一致地实现对现场设备的控制。2.3.1PLC内部功能中央处理器CPUCPU的主要作用是解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其它功能，控制整个系统协调一致工作。常用的CPU主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。存储器模块随机存储器RAM用于存储PLC内部的输入、输出信息，并存储内部继20电器（软继电器）、移位寄存器、数据寄存器、定时器/计数器以及累加器等的工作状态，还可以存储用户正在调试和修改的程序以及各种暂存的数据、中间变量等。只读存储器ROM用于存储系统程序。可紫外线擦除电编程的只读存储EPROM，它主要用来存放PLC的操作系统和监控程序，如果用户程序已完全调试好，也可将程序固化在EPROM中。可电擦除可电改写的只读存储EEPROM，它主要用来存放用户程序。输入输出模块N可编程控制器是一种工业控制计算机系统，它的控制对象是工业生产过程，与DCS相似，它与工业生产过程的联系也是通过输入输出接口模块（I/O）实现的。I/O模块是可编程序与生产过程相联系的桥梁。PLC连接的过程变量按信号类型划分可分为开关量（即数字量）、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、脉冲量输出模块等。编程器编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机对话的界面。随着PLC的功能不断增强，编程语言多样化，编程已经可以在计算机上完成。2.3.2PLC输入输出接口的安全保护当输出口连接电感类设备时，为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输出口造成破坏，应在感性元件两端加保护元件。对于直流电源，应并接续流二极管，对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可取51～120Ω，电容取0.1～0.47μF，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。续流二极管可选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍。图26为输入输出口的保护环节示意图。21图26输入输出口的保护2.4FX1NPLC梯形图中的编程元件设计选用FX1N－60MR，其输入继电器（X）36点，输出继电器Y24点，辅助继电器M384点，状态继电器S1000点，定时器T256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。输入信号输入信号手动SAX0下降SB7X21回原位SAX1手顺转SB8X22单步SAX2手逆转SB9X23单周期SAX3底盘顺转SB10X24连续SAX4底盘逆转SB11X25启动SB1X5夹紧SB12X26停止SB2X6松开SB13X2722回原点启动SB3X7底旋转脉冲X28前限位SQ1X10输出信号后限位SQ2X11前行YA0Y0上限位SQ3X12后退YA1Y1下限位SQ4X13上升YA2Y2手顺限位SQ5X14下降YA3Y3手逆限位SQ6X15手顺转YA4Y4底盘顺限位SQ7X16手逆转YA5Y5底盘逆限位SQ8X17底顺转YA6Y6前行SB4X18底逆转YA7Y7后退SB5X19夹紧YVY8上升SB6X20松开YVY8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27底牌逆转底盘顺转手逆转手顺转放松夹紧下降上升后退前伸停止启动回原点单周期连续单步手动回原点图27控制面板示意图23第3章软件设计3.1程序的总体结构机械手系统的程序总体结构如图31，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，它们合在一起编程更加简单这是因为它们的工作都是按照同样的顺序进行，所以将它们合在一起编程更加简单。CJ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
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The solenoidvalve controls the air valve the switch to control the manipulatorhand fingernail to gather, thus realizes the manipulator proper motionfunction. This topic plans the industry manipulator model which develops to bepossible in the space to grasp puts the object nimbly, the movement isdiverse, may replace artificially carries on the work in hightemperature and the dangerous operation area, and may changes therelated parameter as necessary according to the work piece change and the movement flow request.KEY WORDS: Programmable controller PLC, manipulator,electrical machinery, freeposition目　录前　言1第1章 机械手各功能实现形式与控制方式21.1机械手概述21.1.1机械手的定义与发展21.1.2机械手分类及控制方法31.1.3机械手的结构原理31.2本机械手模型的机能和特性51.3夹紧机构51.4躯干61.5设计要求61.5.1控制方式及要求71.6旋转编码盘9第2章 控制系统硬件设计102.1 PLC的定义及特点102.2 PLC的选型122.2.1常用PLC介绍122.2.2常用PLC介绍142.2.3确定型号FX1N－60MR162.2.4 FX1N所具有优越性能172.2.5 FX系列PLC型号的说明172.3三菱FX系列的结构功能182.3.1 PLC内部功能192.3.2 PLC输入输出接口的安全保护202.4 FX1N PLC梯形图中的编程元件21第3章 软件设计233.1程序的总体结构233.2各部分程序如下24结　论33谢 辞34参考文献35附　录37外文资料翻译45参考文献[1]吴明亮，蔡夕忠.可编程控制实训教材[M].北京：化学工业出版社，2005.8 [2]张桂香.机电类专业毕业设计指南[J].北京：机械工业出版社，2005.1 [3]瞿大中.可编程控制与实验[P].华中科技大学出版社,2002.12[4]殷建国.工厂电气控制技术[M].北京:经济管理出版社,2006.9[5]齐占庆.机床电气控制技术[G].北京:机械工业出版社,2006.1[6]余雷声.电器控制与PLC应用[M].北京：机械工业出版社，[7]程周.可编程控制器技术与应用[M].北京：电子工业出版社，-102[8]郁汉琪，郭健.可编程序控制器原理及应用[M].北京：中国电力出版社，[9]黄净.电气及PLC控制技术[M]. 北京：机械工业出版社：72[10]张万忠，孙晋.可编程控制器入门与应用实例（三菱FX2N系列）[M].北京：中国电力出版社，[11]王孙.关节式机械手本体及控制系统设计[M].西安交大机械电子工程研究所,CN44-1259/TH.[12]高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例[M]. 北京：人民邮电出版社，-10[13]机电一体化技术手册编委会.机电一体化技术手册[J].北京：1999.7.第二版[14]郭艳萍.电气控制与PLC技术.北京师范大学出版社， 2007-2[15]廖常初. FX系列PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，2004[16]苗夺谦. Rough Set理论在机器学习中的应用研究[博士学位论文]. 中国科学院自动化研究所,北京, 1997[17]J.R. Pollard. Open Architecture for Control. Industial Computing,June,1996[18]V.J.Vada. The evolution of PLC-based loop control. Control engineering,1995[19]/disp_art/133/13647.html.机械产品方案的现代设计方法及发展趋势[20]/.手持编程器的使用说明书.
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