基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),基于,plc,機(jī)械手,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 基于PLC的機(jī)械手控制 摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至于危及生命。工業(yè)機(jī)械手就這樣誕生了,機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。電氣方面有電機(jī)、開關(guān)電源、電磁閥、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)等，是機(jī)電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機(jī)械手是由PLC輸出四路來分別驅(qū)動(dòng)橫軸、豎軸、底盤轉(zhuǎn)動(dòng)、手轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，控制機(jī)械手橫軸、豎軸和手爪順逆旋轉(zhuǎn)的精確定位，微動(dòng)開關(guān)將位置信號(hào)傳給PLC主機(jī)；電機(jī)拖動(dòng)底盤旋轉(zhuǎn)；電磁閥控制氣閥的開關(guān)來控制機(jī)械手手爪的張合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精確運(yùn)動(dòng)的功能。本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手模型可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù)。 關(guān)鍵詞：可編程控制器PLC,機(jī)械手,電機(jī),任意位置 The control of manipulater by PLC ABSTRACT In industrial production and other domains, because works need, the people frequently receive factor the and so on high temperature,corrosion and virulent gas harm, increased worker's labor intensity,even endangers life. The industry manipulator like this was born, the manipulator is in theindustry robot assembly system the traditional duty implementingagency, is one of robot key components. The electrical aspect has theelectrical machinery, the switching power supply, the solenoid valve,and so on the electronic device composition. This equipment has covered the programmable control technology, theposition control technology, the air operated technology and so on, isthe integration of machinery model represents one of instruments. Thisarticle introduced the manipulator is outputs four groups by PLCseparately to actuate the abscissa axis, the z-axis, the chassisrotation, hand turns an electric motor, controls the manipulatorabscissa axis and the z-axis pintpointing, the microswitch bequeathsthe position signal the PLC main engine; The electrical machinerydrives the hand fingernail and the chassis revolves; 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 8 目　錄 前　言 1 第1章 機(jī)械手各功能實(shí)現(xiàn)形式與控制方式 2 1.1機(jī)械手概述 2 1.1.1機(jī)械手的定義與發(fā)展 2 1.1.2機(jī)械手分類及控制方法 3 1.1.3機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理 3 1.2本機(jī)械手模型的機(jī)能和特性 5 1.3夾緊機(jī)構(gòu) 5 1.4軀干 6 1.5設(shè)計(jì)要求 6 1.5.1控制方式及要求 7 1.6旋轉(zhuǎn)編碼盤 9 第2章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 2.1 PLC的定義及特點(diǎn) 10 2.2 PLC的選型 12 2.2.1常用PLC介紹 12 2.2.2常用PLC介紹 14 2.2.3確定型號(hào)FX1N－60MR 16 2.2.4 FX1N所具有優(yōu)越性能 17 2.2.5 FX系列PLC型號(hào)的說明 17 2.3三菱FX系列的結(jié)構(gòu)功能 18 2.3.1 PLC內(nèi)部功能 19 2.3.2 PLC輸入輸出接口的安全保護(hù) 20 2.4 FX1N PLC梯形圖中的編程元件 21 第3章 軟件設(shè)計(jì) 23 3.1程序的總體結(jié)構(gòu) 23 3.2各部分程序如下 24 結(jié)　論 33 謝 辭 34 參考文獻(xiàn) 35 附　錄 37 前　言 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來越高，工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡單化，對(duì)于一些往復(fù)的工作由機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對(duì)人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。對(duì)于機(jī)械手的研究國內(nèi)外的水平不一，但代表當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)在日本，他的自動(dòng)化，人性化令人嘆為觀止，這些技術(shù)依賴于控制理論、新材料科學(xué)，它是融合各種尖端技術(shù)的現(xiàn)代機(jī)器。我國也陸續(xù)在工業(yè)中有所應(yīng)用，對(duì)于自動(dòng)控制，柔性制造系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛，但我國的自動(dòng)化水平有待提高，只相當(dāng)于世界先進(jìn)技術(shù)在八十年代的水平。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也隨之提高，發(fā)展的趨勢(shì)是工作強(qiáng)度高，靈活性強(qiáng)，準(zhǔn)確可靠，可以自動(dòng)檢測(cè)并下達(dá)動(dòng)作命令，融入先進(jìn)的人工智能，使人只作平時(shí)的簡單的維護(hù)，這也是現(xiàn)代工廠的發(fā)展趨勢(shì)。 本設(shè)計(jì)主要是對(duì)機(jī)械手模型控制部分設(shè)計(jì)，在我們畢業(yè)實(shí)習(xí)時(shí)，也看到過類似的機(jī)械手實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品。對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件，各模塊都大致了解。我采用技術(shù)成熟、安全可靠的可編程控制器PLC實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段PLC系統(tǒng)生產(chǎn)廠家大致有西門子、三菱、歐姆龍等，根據(jù)我所了解的系統(tǒng)模塊情況，我選用三菱FX1N系列，其編程指令簡單、功能強(qiáng)大、方便可行、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、維護(hù)方便。經(jīng)過我多方了解，所以是可行的。 采用PLC構(gòu)成機(jī)械手的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可通過修改PLC控制程序，改變對(duì)機(jī)械手模型的控制要求。機(jī)械手橫軸水平面內(nèi)作前后方向運(yùn)動(dòng)，豎軸能在垂直面內(nèi)作上下兩方向運(yùn)動(dòng)，底座能作正反兩方向旋轉(zhuǎn)，手能正反兩方向旋轉(zhuǎn)，并且底座能在任意位置停止的功能。根據(jù)以前做過類似的設(shè)計(jì)，其底盤旋轉(zhuǎn)任意角度難以實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)可以采用編碼盤檢測(cè)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，但還沒有一個(gè)仿真環(huán)境來校核，只有通過反復(fù)推理其正確性。還有機(jī)械手包括兩部分，一個(gè)機(jī)械部分，一個(gè)控制部分，由于時(shí)間關(guān)系和我的專業(yè)特長，此設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于控制部分。一個(gè)完整的設(shè)計(jì)離不開機(jī)械部分，所以我的設(shè)計(jì)還有很多問題有待解決。 第1章 機(jī)械手各功能實(shí)現(xiàn)形式與控制方式 1.1機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。其特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù) 1.1.1機(jī)械手的定義與發(fā)展 機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)，尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來越高，工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡單化，對(duì)于一些往復(fù)的工作由機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對(duì)人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。代表當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)在日本，他的自動(dòng)化，人性化令人嘆為觀止，這些技術(shù)依賴于控制理論、新材料科學(xué)，它是融合各種尖端技術(shù)的現(xiàn)代機(jī)器。我國也陸續(xù)在工業(yè)中有所應(yīng)用，對(duì)于自動(dòng)控制，柔性制造系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛，但我國的自動(dòng)化水平有待提高。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也隨之提高，發(fā)展的趨勢(shì)是工作強(qiáng)度高，靈活性強(qiáng)，準(zhǔn)確可靠，可以自動(dòng)檢測(cè)并下達(dá)動(dòng)作命令，融入先進(jìn)的人工智能，使人只作平時(shí)的簡單的維護(hù)，這也是現(xiàn)代工廠的發(fā)展趨勢(shì)。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 1.1.2機(jī)械手分類及控制方法 機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手，它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定工作。它的特點(diǎn)是除具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號(hào)操作機(jī)械手來進(jìn)行探測(cè)月球、火星等。第三類是專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型可歸為第一類，即通用機(jī)械手。在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，自動(dòng)化程度較高，大量應(yīng)用機(jī)械手。通過本次設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)對(duì)工業(yè)機(jī)械手的認(rèn)識(shí)，同時(shí)并熟悉掌握PLC技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)等工業(yè)控制常用的技術(shù)。 1.1.3機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理 目前工業(yè)機(jī)械手主要用于流水線傳送、焊接、裝配、機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面都能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 在國內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機(jī)械手，逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，用條件還要研制示教機(jī)械手、組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及用于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉(zhuǎn)動(dòng)、開閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根據(jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。本設(shè)計(jì)采用二指的構(gòu)造。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確地定位?？傊?，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)離不開直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服液壓馬達(dá)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)架。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以電氣、氣動(dòng)用得最多，占90％以上，液壓、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用得較少。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過液壓缸、閥、油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用液壓缸、液壓馬達(dá)加齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)液壓馬達(dá)、液壓缸與齒條、齒輪與鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小，出力大，動(dòng)作平緩，可無級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用4～6個(gè)大氣壓，個(gè)別達(dá)到8～10個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)方便，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大，由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。本設(shè)計(jì)的手爪部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)。 電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)可以采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。通用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流或交流的伺服電動(dòng)機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡單，維護(hù)、使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一形式的動(dòng)力，出力比較大。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂和手爪順逆旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的底盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械驅(qū)動(dòng)只適用于動(dòng)作固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。 機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占90％以上。 控制系統(tǒng)可以根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加以儲(chǔ)存，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手工作。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實(shí)現(xiàn)，具有編程簡單、修改容易、可靠性高等。 1.2本機(jī)械手模型的機(jī)能和特性 物體在三維空間內(nèi)的禁止位置是由三個(gè)坐標(biāo)和圍繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定的，因此，抓握物體的位置和方向能從理論上求得。根據(jù)資料的介紹，如果采用機(jī)械手，其機(jī)能要接近于人的上肢，則需要具有27個(gè)自由度，而每一個(gè)自由度至少要有一根“人造肌肉”來控制。我們不要那么多自由度，因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)際情況而言，控制的自由度越多，其各個(gè)部分也就越復(fù)雜，相應(yīng)的制造成本也就增加。 本設(shè)計(jì)的機(jī)械手，它共有自由度5個(gè)。即：手臂前后伸縮、手臂上下伸縮、手臂左右旋轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)、手指的抓握。 1.3夾緊機(jī)構(gòu) 機(jī)械手手爪是用來抓取工件的部件。手爪抓取工件時(shí)要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確可靠的要求。設(shè)計(jì)制造夾緊機(jī)構(gòu)——機(jī)械手，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式，運(yùn)行速度和加速度的情況來考慮。其夾緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力來計(jì)算。則同時(shí)考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，還需備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內(nèi)并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動(dòng)定心結(jié)構(gòu)。為防止突然斷電造成被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、動(dòng)作靈活、和工作可靠。 夾緊結(jié)構(gòu)形式多樣、有機(jī)械式、吸盤式和電磁式等。有的夾緊機(jī)構(gòu)還 帶有傳感裝置和攜帶工具進(jìn)行操作的裝置。本設(shè)計(jì)采用機(jī)械式夾緊裝置。 機(jī)械式夾緊是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運(yùn)動(dòng)的方式和模仿人手的動(dòng)作，可分為回轉(zhuǎn)型、直進(jìn)型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式、外撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動(dòng)力來源可分為彈簧式、氣動(dòng)式、液壓式等。本設(shè)計(jì)采用二指式手爪。由可編程控制器控制電磁閥動(dòng)作，從而控制手爪的開閉。手爪的回轉(zhuǎn)則用一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)完成，同時(shí)通過兩個(gè)限位開關(guān)完成回轉(zhuǎn)角度的限位，一般可設(shè)置在180度。 1.4軀干 軀干有底盤和手臂兩部分組成。 底盤是支撐機(jī)械手的全部重量并能帶動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。底盤采用一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，底盤旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼盤旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手每旋轉(zhuǎn)三度發(fā)出一個(gè)脈沖，由傳感器檢測(cè)并送入可編程控制器，從而計(jì)算底盤旋轉(zhuǎn)的角度。同時(shí)，在底盤上裝有限位開關(guān)，最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)180度。 手臂使機(jī)械手的主要部分，它是支撐手爪、工件使它們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)手臂由橫軸和豎軸組成、可完成伸縮、升降的運(yùn)動(dòng)。手臂采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母來實(shí)現(xiàn)伸縮和升降運(yùn)動(dòng)。由可編程控制器發(fā)出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位。采用絲杠、螺母結(jié)構(gòu)傳動(dòng)的特點(diǎn)是易于自鎖、位置精度較高，傳動(dòng)效率較高。 1.5設(shè)計(jì)要求 采用PLC構(gòu)成機(jī)械手的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可通過修改PLC控制程序，改變對(duì)機(jī)械手模型的控制要求。機(jī)械手橫軸水平面內(nèi)作前后方向運(yùn)動(dòng)，豎軸能在垂直面內(nèi)作上下兩方向運(yùn)動(dòng)，底座能作正反兩方向旋轉(zhuǎn)，手能正反兩方向旋轉(zhuǎn)，并且底座能在任意位置停止的功能。其主要任務(wù)是將A工作臺(tái)的工件旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)到B工作臺(tái)。機(jī)械手的工作方式可分為手動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)和回原點(diǎn)5種，各種工作方式的動(dòng)作及控制要求說明如下。模型如圖1-1： 圖1-1 模型圖 1.5.1控制方式及要求 1.控制方式 (1). 單周期工作方式 a. 接通電源后，機(jī)械機(jī)構(gòu)自動(dòng)復(fù)位； b. 橫軸前伸； c. 機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到位； d. 豎軸下降； e. 電磁閥復(fù)位，機(jī)械手夾緊重物； f. 豎軸上升； g. 橫軸縮回； h. 底盤旋轉(zhuǎn)到位； i. 橫軸前伸； j. 機(jī)械手旋轉(zhuǎn)； k. 豎軸下降； l.電磁閥動(dòng)作，機(jī)械手張開，放下貨物； m. 豎軸上升； n. 橫軸縮回； o. 底盤旋轉(zhuǎn)復(fù)位。 至此一個(gè)周期的動(dòng)作結(jié)束。再按一次啟動(dòng)按鈕就開始下一個(gè)周期。 (2). 連續(xù)方式 啟動(dòng)后機(jī)械手反復(fù)運(yùn)行上述周期的每個(gè)動(dòng)作，直到按下停止按鈕，機(jī)械手完成最后一個(gè)動(dòng)作復(fù)位停止工作 (3). 單步工作方式 從原點(diǎn)開始，按照自動(dòng)工作循環(huán)的步序，每按一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止。 (4). 利用按鈕對(duì)機(jī)械手每一步動(dòng)作進(jìn)行控制。例如，按下“下降”按鈕，機(jī)械手下降；按下“上升”按鈕，機(jī)械手上升。手動(dòng)操作可用于調(diào)整工作位置。 2. 控制要求 1). 前進(jìn)／后退、上升／下降、手順旋／逆旋、底盤順旋／逆旋 機(jī)械手的每個(gè)動(dòng)作必須到位，具體由相應(yīng)限位開關(guān)控制，否則不能進(jìn)行下一個(gè)工作步。前進(jìn)／后退、上升／下降、手順旋／逆旋、底盤順旋／逆旋的動(dòng)作由一個(gè)雙線圈的電磁閥控制。 2）夾緊和放松 機(jī)械手夾緊和放松的動(dòng)作必須在兩個(gè)工位出進(jìn)行，且其動(dòng)作都要到位。 為了確保夾緊和放松動(dòng)作可靠，需對(duì)這兩個(gè)工作進(jìn)行定時(shí)。夾緊和放松動(dòng)作由單線圈的電磁閥控制，電磁閥得電為夾緊，失電為放松。 1.6旋轉(zhuǎn)編碼盤 機(jī)械手底盤和軀干每旋轉(zhuǎn)3度發(fā)出一個(gè)脈沖，并把信號(hào)送回可編程控制器來得到轉(zhuǎn)過的準(zhǔn)確的角度。編碼盤的機(jī)構(gòu)如圖： 圖1-2 旋轉(zhuǎn)編碼盤 可以通過改變程序中計(jì)數(shù)器C0的初值來確定所要轉(zhuǎn)過的角度，這里可以通過用手持編程器讀出指令表，然后修改得到不同的控制角度。 表1-1 所選器材列表【12】 名稱 型號(hào)或規(guī)格 數(shù)量 名稱 型號(hào)或規(guī)格 數(shù)量 PLC FX1N-60MR 1 限位開關(guān) LX19-111 8 電磁閥 VF3130 1 轉(zhuǎn)換開關(guān) LW6-5 1 按鈕 LA10-1H 13 熔斷器 RC1A-30/15 2 手持編程器 FX-20P-E 1 連接導(dǎo)線 若干 第2章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 對(duì)于機(jī)械手的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如繼電器控制、單片機(jī)控制、PLC控制等。但由于此明確指定采用PLC可編程控制器控制實(shí)現(xiàn)，所以，不用我們?nèi)タ紤]控制硬件方案，只是要對(duì)PLC進(jìn)行比較選擇。 2.1 PLC的定義及特點(diǎn) 1. PLC的定義 PLC問世以來，盡管時(shí)間不長，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，美國電氣制造商協(xié)會(huì)NEMA（National Electrical Manufactory Association）經(jīng)過四年的調(diào)查工作，于1984年首先將其正式命名為PC（Programmable Controller），并給PC作了如下定義： 　　“PC是一個(gè)數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲(chǔ)存指令。用來執(zhí)行諸如邏輯，順序，計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模塊，以控制各種機(jī)械或工作程序。一部數(shù)字電子計(jì)算機(jī)若是從事執(zhí)行PC之功能著，亦被視為PC，但不包括鼓式或類似的機(jī)械式順序控制器。” 　　以后國際電工委員會(huì)(IEC)又先后頒布了PLC標(biāo)準(zhǔn)的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通過了對(duì)它的定義： 　　“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！? 總之，可編程控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。 2. PLC的特點(diǎn) （1）高可靠性【4】 ① 所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。 ② 各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10～20ms。 ③ 各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 ④ 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 ⑤ 對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。 ⑥ 良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。 ⑦ 大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。 （2）豐富的I/O接口模塊【4】 PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。 （3）采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 （4）編程簡單易學(xué) PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 (5) 安裝簡單，維修方便 PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。 2.2 PLC的選型 對(duì)于PLC的選擇，我們必須考慮多方面的因素。例如輸入、輸出的最多點(diǎn)數(shù)；掃描速度；內(nèi)存容量；指令條數(shù)；功能模塊等。同時(shí)還要考慮其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性以及工作環(huán)境對(duì)其的影響。 2.2.1常用PLC介紹 PLC發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號(hào)的也很多，各個(gè)廠家生產(chǎn)的也有一定區(qū)別，各個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計(jì)需要，考慮如何選擇。 1 西門子S7-200系列可編程控制器介紹： SIMATIC S7-200系列PLC是德國西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的具有很高性能價(jià)格比的微型可編程控制器。它適用于各行各業(yè)，各種場合的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。在以下幾方面均有出色的表現(xiàn)：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內(nèi)置集成功能；實(shí)時(shí)特性；強(qiáng)勁的通訊能力；豐富的擴(kuò)展模塊。 2 OMRON C200H 可編程控制器介紹： 圖2-1 歐姆龍PLC 先進(jìn)的、小型化的可編程序控制器.OMRON的可編程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小僅相當(dāng)于一個(gè)PC卡(對(duì)于10點(diǎn)的機(jī)型來說)，從而使安裝體積大幅度減小，同時(shí)也進(jìn)一步節(jié)省了控制柜的空間。它不僅具備了以往小型PLC所具備的功能，而且還可連接可編程序終端，為生產(chǎn)現(xiàn)場創(chuàng)造了新的環(huán)境。 3 松下可編程控制器介紹【9】： 包括FPO，F(xiàn)P1，F(xiàn)P2，F(xiàn)P3，F(xiàn)Pe，F(xiàn)P-X等系列 圖2-2 松下PLC FP-X特點(diǎn)：超高速處理，浮點(diǎn)數(shù)PID運(yùn)算只有32μs，基本指令只需0.32μs，可快速掃描充裕的程序容量達(dá)到32K步，注釋區(qū)域也可以保證；I/O最多300點(diǎn)；通過8位密碼和禁止上傳功能，有效保護(hù)程序：配備USB端口，可與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)簡單連接。 FPe（晶體管輸出，繼電器輸出）特點(diǎn)：面板式安裝型控制器，電源電壓24VDC， 程序容量2.7K步，運(yùn)算速度0.9μs。 FP2、FP3、FP10sh系列（輸出類型同上）：最多可控制2048點(diǎn)（使用遠(yuǎn)程I/O），程序容量大16K，30K步，可擴(kuò)展到120K步，CUP運(yùn)行世界最快（1ms/20步，快速起運(yùn)0.1ms以下）。FPO系列（輸出同上）：世界產(chǎn)品體積最小，掃描周期1ms，選擇點(diǎn)從10到128點(diǎn)。 4 三菱FX系列可編程控制器介紹【10】： FX系列可編程控制器是當(dāng)今國內(nèi)外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。日本三菱電機(jī)公司研發(fā)的。在FX中，除基本的指令表編程方式外，還可以采用梯形土編程及對(duì)應(yīng)機(jī)械動(dòng)作流程進(jìn)行順序設(shè)計(jì)的SFC順序功能圖編程，而且這些程序可互相轉(zhuǎn)換。在FX系列PLC中設(shè)置了高數(shù)計(jì)數(shù)器，對(duì)來自特定的輸入繼電器的高頻脈沖進(jìn)行中斷處理，擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。其FX2N PLC還可以采用作為擴(kuò)展設(shè)備的硬件計(jì)數(shù)器，可獲取最高50kHz的高速脈沖。 圖2-3 PLC三菱FX系列 FX2N PLC圖 FX系列PLC基于“基本功能、高速處理、便于使用”的研發(fā)理念，使其具有數(shù)據(jù)傳送與比較，四則運(yùn)算與邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)循環(huán)與移動(dòng)等應(yīng)用指令系統(tǒng)。除此之外，還具有輸入輸出刷新、中斷、高速計(jì)數(shù)器比較指令、高速脈沖輸出等告訴處理指令，以及在SFS控制方面，將機(jī)械控制的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作封裝化的狀態(tài)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備模擬量輸入輸出控制，而且具有定位控制幾PID系統(tǒng)控制。在通信方面，能夠方便地與PC計(jì)算機(jī)鏈接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與管理。 2.2.2常用PLC介紹 1. PLC的類型 PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用壞境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按PLC字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等，從應(yīng)用角度出發(fā)，通?？砂纯刂瓶刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型。整體型PLC的I／O點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小。用于小型控制系統(tǒng)：模塊型PLC提供多種I／O卡件或插卡，因此用于用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I／O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 2. 輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長等特點(diǎn)；可控制輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場合，但價(jià)格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出等，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本。考慮是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程I／O機(jī)架等。 3. 電源的選擇 PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計(jì)和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用22VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對(duì)提供的電源是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源，為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對(duì)輸入和輸出信號(hào)的隔離是必要的，有時(shí)也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。 4. 存儲(chǔ)器的選擇 由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PLC的存儲(chǔ)器容量，按256個(gè)I／O至少選8K存儲(chǔ)器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。 5. 冗余功能的選擇 a. 控制單元的冗余 (1) 重要的過程單元：CPU（包括存儲(chǔ)器）及電源均應(yīng)1B1冗余。 (2) 在需要時(shí)也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)等。 b. I／O接口單元的冗余 (1) 控制回路的多點(diǎn)I／O卡可冗余配置。 (2) 重點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)的多點(diǎn)I／O卡可冗余配置。 (3) 根據(jù)需要對(duì)重要的I／O信號(hào)，可選2重化或3重化的I／O接口單元。 6. 經(jīng)濟(jì)性的考慮 選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比?？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點(diǎn)數(shù)的價(jià)格有直接的影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需要增加一定的費(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器容量、機(jī)架、母版等也要相應(yīng)增加，因此點(diǎn)數(shù)的增加對(duì)CPU選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影響，在算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。 2.2.3確定型號(hào)FX1N－60MR 綜上，對(duì)于被控對(duì)象，采用PLC系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，力求具有較好的性價(jià)比，使用和維修方便；選用的PLC主機(jī)和配置、控制功能等必須能滿足被控對(duì)象的各種控制要求；選用的PLC主機(jī)及配置必須是功能較強(qiáng)的新一代PLC機(jī)型，一般最好不要選用舊機(jī)型（若采用三菱公司的PLC，則選FX系列，不選F1系列）。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮將來工藝的變化和擴(kuò)展，在滿足確定的要求外，留有一定的余量；確保整個(gè)控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對(duì)產(chǎn)品的熟悉程度，以及編程指令的易懂性。在此，我選用三菱FX1N來做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司 圖2-4 PLC三菱FX1N 近年來推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC產(chǎn)品。其中FX2是近年推出的產(chǎn)品，F(xiàn)X0是在FX2之后推出的超小型PLC，近幾年來又連續(xù)推出了將眾多功能凝集在超小型機(jī)殼內(nèi)的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有較高的性能價(jià)格比，應(yīng)用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)，如圖2-4。 2.2.4 FX1N所具有優(yōu)越性能 【基本性能】【3】 CPU處理速度達(dá)到了0.065us/基本指令。內(nèi)置了高達(dá)64K步的大容量RAM存儲(chǔ)器。大幅增加了內(nèi)部軟元件的數(shù)量。強(qiáng)化了指令的功能，提供了多達(dá)209條應(yīng)用指令，包括像與三菱變頻器通訊的指令，CRC計(jì)算指令，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)指令等等。 【集成業(yè)界領(lǐng)先的功能】【3】 晶體管輸出型的基本單元內(nèi)置了3軸獨(dú)立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令：帶DOG搜索的原點(diǎn)回歸（DSZR），中斷單速定位（DVIT）和表格設(shè)定定位（TBL），從而使得定位控制功能更加強(qiáng)大，使用更為方便。內(nèi)置6點(diǎn)同時(shí)100kHz的高速計(jì)數(shù)功能，雙相計(jì)數(shù)時(shí)可以進(jìn)行4倍頻計(jì)數(shù)。 【強(qiáng)大的擴(kuò)展性】【3】 增強(qiáng)了通信的功能，其內(nèi)置的編程口可以達(dá)到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同時(shí)使用3個(gè)通信口（包括編程口在內(nèi)）。新增了高速輸入輸出適配器，模擬量輸入輸出適配器和溫度輸入適配器，這些適配器不占用系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)，使用方便，在FX3U的左側(cè)最多可以連接10臺(tái)特殊適配器其中通過使用高速輸入適配器可以實(shí)現(xiàn)最多8路、最高200kHz的高速計(jì)數(shù)。通過使用高速輸出適配器可以實(shí)現(xiàn)最多4軸、最高200kHz的定位控制，繼電器輸出型的基本單元上也可以通過連接該適配器進(jìn)行定位控制。通過CC-Link網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)最多達(dá)384點(diǎn)（包括遠(yuǎn)程I/O在內(nèi)）的控制?？梢赃x裝高性能的顯示模塊（FX3U-7DM）可以顯示用戶自定義的英文、數(shù)字和日文漢字信息，最多能夠顯示：半角16個(gè)字符(全角8個(gè)字符)× 4行。在該模塊上可以進(jìn)行軟元件的監(jiān)控、測(cè)試，時(shí)鐘的設(shè)定，存儲(chǔ)器卡盒與內(nèi)置RAM間程序的傳送、比較等操作。另外，還可以將該顯示模塊安裝在控制柜的面板上。 2.2.5 FX系列PLC型號(hào)的說明 FX系列PLC型號(hào)的含義如下【4】： 其中系列名稱：如0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC等 單元類型：M──基本單元 E──輸入輸出混合擴(kuò)展單元 Ex──擴(kuò)展輸入模塊 EY──擴(kuò)展輸出模塊 輸出方式：R──繼電器輸出 S──晶閘管輸出 ??????????T──晶體管輸出 特殊品種：D──DC電源，DC輸出 A1──AC電源，AC（AC100~120V）輸入或AC輸出模塊 H──大電流輸出擴(kuò)展模塊 V──立式端子排的擴(kuò)展模塊 C──接插口輸入輸出方式 F──輸入濾波時(shí)間常數(shù)為1ms的擴(kuò)展模塊 如果特殊品種一項(xiàng)無符號(hào)，為AC電源、DC輸入、橫式端子排、標(biāo)準(zhǔn)輸出。 例如FX2N－32MT－D表示FX2N系列，32個(gè)I/O點(diǎn)基本單位，晶體管輸出，使用直流電源，24V直流輸出型。 2.3三菱FX系列的結(jié)構(gòu)功能 可編程控制器是一種工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)，它的的結(jié)構(gòu)原理與微型計(jì)算機(jī)相似。硬件構(gòu)成有微處理器、存儲(chǔ)器和各種輸入、輸出接口。系統(tǒng)程序和接口器件又與微機(jī)不同，這使它的操作使用方法、編程語言、工作方式等與微型機(jī)有所不同。PLC是用微處理器實(shí)現(xiàn)繼電器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器以及A/D、D/A模擬轉(zhuǎn)換器件的組合體的功能，采用軟件編程進(jìn)行它們之間的聯(lián)系。 本設(shè)計(jì)采用FX系列PLC作為控制核心，所以現(xiàn)在就以它來講述PLC的應(yīng)用知識(shí)、操作技能。FX系列PLC硬件組成與其它類型PLC基本相同，主體由三部分組成，其PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖2-5系統(tǒng)電源有些在CPU模塊內(nèi)，也有單獨(dú)作為一個(gè)單元的，編程器一般看作PLC的外設(shè)。PLC內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 圖2-5 PLC的組成框圖 外部開關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)以及各種傳感器檢測(cè)信號(hào)作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC的輸入端子進(jìn)入PLC的輸入存儲(chǔ)器，收集和暫存被控對(duì)象實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)信號(hào)和數(shù)據(jù)；經(jīng)PLC內(nèi)部運(yùn)算與處理后，按被控對(duì)象實(shí)際動(dòng)作要求產(chǎn)生輸出結(jié)果；輸出結(jié)果送到輸出端子作為輸出變量，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PLC的各個(gè)部分協(xié)調(diào)一致地實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的控制。 2.3.1 PLC內(nèi)部功能 中央處理器CPU CPU的主要作用是解釋并執(zhí)行用戶及系統(tǒng)程序，通過運(yùn)行用戶及系統(tǒng)程序完成所有控制、處理、通信以及所賦予的其它功能，控制整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致工作。常用的CPU主要有通用微處理器、單片機(jī)和雙極型位片機(jī)。 存儲(chǔ)器模塊 隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM用于存儲(chǔ)PLC內(nèi)部的輸入、輸出信息，并存儲(chǔ)內(nèi)部繼電器（軟繼電器）、移位寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及累加器等的工作狀態(tài)，還可以存儲(chǔ)用戶正在調(diào)試和修改的程序以及各種暫存的數(shù)據(jù)、中間變量等。 只讀存儲(chǔ)器ROM用于存儲(chǔ)系統(tǒng)程序。可紫外線擦除電編程的只讀存儲(chǔ)EPROM，它主要用來存放PLC的操作系統(tǒng)和監(jiān)控程序，如果用戶程序已完全調(diào)試好，也可將程序固化在EPROM中?？呻姴脸呻姼膶懙闹蛔x存儲(chǔ)EEPROM，它主要用來存放用戶程序。 輸入輸出模塊 N可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它的控制對(duì)象是工業(yè)生產(chǎn)過程，與DCS相似，它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系也是通過輸入輸出接口模塊（I/O）實(shí)現(xiàn)的。I/O模塊是可編程序與生產(chǎn)過程相聯(lián)系的橋梁。 PLC連接的過程變量按信號(hào)類型劃分可分為開關(guān)量（即數(shù)字量）、模擬量和脈沖量等，相應(yīng)輸入輸出模塊可分為開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、脈沖量輸出模塊等。 編程器 編程器是PLC必不可少的重要外部設(shè)備。編程器將用戶所希望的功能通過編程語言送到PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中。編程器不僅能對(duì)程序進(jìn)行寫入、讀出、修改，還能對(duì)PLC的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也是用戶與PLC之間進(jìn)行 人機(jī)對(duì)話的界面。隨著PLC的功能不斷增強(qiáng)，編程語言多樣化，編程已經(jīng)可以在計(jì)算機(jī)上完成。 2.3.2 PLC輸入輸出接口的安全保護(hù) 當(dāng)輸出口連接電感類設(shè)備時(shí)，為了防止電路關(guān)斷時(shí)刻產(chǎn)生高壓對(duì)輸入、輸出口造成破壞，應(yīng)在感性元件兩端加保護(hù)元件。對(duì)于直流電源，應(yīng)并接續(xù)流二極管，對(duì)于交流電路應(yīng)并接阻容電路。阻容電路中電阻可取51～120Ω，電容取0.1～0.47μF，電容的額定電壓應(yīng)大于電源的峰值電壓。續(xù)流二極管可選1A的管子，其額定電壓應(yīng)大于電源電壓的3倍。圖2-6為輸入輸出口的保護(hù)環(huán)節(jié)示意圖。 圖2-6 輸入輸出口的保護(hù) 2.4 FX1N PLC梯形圖中的編程元件 設(shè)計(jì)選用FX1N－60MR，其輸入繼電器（X）36點(diǎn)，輸出繼電器(Y)24點(diǎn)，輔助繼電器(M)384點(diǎn)，狀態(tài)繼電器(S)1000點(diǎn)，定時(shí)器(T)256點(diǎn)，計(jì)數(shù)器(C)，數(shù)據(jù)寄存器(D)等。 特殊輔助繼電器【4】 M8000——運(yùn)行監(jiān)控（PLC運(yùn)行時(shí)自動(dòng)接通，停止時(shí)斷開）； M8002——初始脈沖（僅在PLC運(yùn)行開始時(shí)接通一個(gè)掃描周期）； M8005——PLC后備鋰電池電壓過低時(shí)接通； M8011——10ms時(shí)鐘脈沖； M8013——100ms時(shí)鐘脈沖； M8012——1s時(shí)鐘脈沖； M8014——1min時(shí)鐘脈沖。 輸入信號(hào) 輸入信號(hào) 手動(dòng) SA X0 下降 SB7 X21 回原位 SA X1 手順轉(zhuǎn) SB8 X22 單步 SA X2 手逆轉(zhuǎn) SB9 X23 單周期 SA X3 底盤順轉(zhuǎn) SB10 X24 連續(xù) SA X4 底盤逆轉(zhuǎn) SB11 X25 啟動(dòng) SB1 X5 夾緊 SB12 X26 停止 SB2 X6 松開 SB13 X27 回原點(diǎn)啟動(dòng) SB3 X7 底旋轉(zhuǎn)脈沖 X28 前限位 SQ1 X10 輸出信號(hào) 后限位 SQ2 X11 前行 YA0 Y0 上限位 SQ3 X12 后退 YA1 Y1 下限位 SQ4 X13 上升 YA2 Y2 手順限位 SQ5 X14 下降 YA3 Y3 手逆限位 SQ6 X15 手順轉(zhuǎn) YA4 Y4 底盤順限位 SQ7 X16 手逆轉(zhuǎn) YA5 Y5 底盤逆限位 SQ8 X17 底順轉(zhuǎn) YA6 Y6 前行 SB4 X18 底逆轉(zhuǎn) YA 7 Y7 后退 SB5 X19 夾緊 YV Y8 上升 SB6 X20 松開 YV Y8 在手動(dòng)方式時(shí)可以通過手動(dòng)按鈕來實(shí)現(xiàn)，其控制面板如下圖2-7 圖2-7 控制面板示意圖 21 第3章 軟件設(shè)計(jì) 3.1程序的總體結(jié)構(gòu) 機(jī)械手系統(tǒng)的程序總體結(jié)構(gòu)如圖3-1，分為公用程序、自動(dòng)程序、手動(dòng)程序和回原位程序等四部分。其中自動(dòng)程序包括單步、連續(xù)運(yùn)動(dòng)程序，它們合在一起編程更加簡單這是因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鞫际前凑胀瑯拥捻樞蜻M(jìn)行，所以將它們合在一起編程更加簡單。CJ是條件跳轉(zhuǎn)應(yīng)用指令，指針標(biāo)號(hào)PX是其操作數(shù)。該指令由于某種條件下跳過CJ指令和指針標(biāo)號(hào)之間的程序，從指針標(biāo)號(hào)處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時(shí)間,也不會(huì)使各段程序同時(shí)執(zhí)行。假設(shè)選擇“手動(dòng)”方式，則X0為ON、X1為OFF，此時(shí)PLC執(zhí)行完公用程序后，將跳過自動(dòng)程序到P0處，由于X0常閉觸點(diǎn)為斷開，故執(zhí)行“手動(dòng)程序”，執(zhí)行到P1處，由于X1常閉觸點(diǎn)為閉合，所以又跳過回原位程序到P2處；假設(shè)選擇分“回原位”方式，則X0為OFF、X1為ON，跳過自動(dòng)程序和手動(dòng)程序執(zhí)行回原位程序；假設(shè)選擇“單步”或“單周期”或“連續(xù)”方式，則X0、X1均為OFF，此時(shí)執(zhí)行完自動(dòng)程序后，跳過手動(dòng)程序和回原位程序。 圖3-1 程序總的結(jié)構(gòu)圖 3.2各部分程序如下 （1）公用程序 公用程序如圖3-2所示，后限位開關(guān)X11、上限位開關(guān)X12、手逆限位開關(guān)X15、底逆限位的常開觸點(diǎn)和表示機(jī)械手松開的Y8的常開觸點(diǎn)的串聯(lián)電路接通時(shí)，輔助繼電器M0變?yōu)镺N，表示機(jī)械手在原位。 公用程序用于自動(dòng)程序和手動(dòng)程序相互切換的處理，當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)工作方式時(shí)，必須將除初始步以外的各步對(duì)應(yīng)的輔助繼電器（M11-M24）復(fù)位，同時(shí)將表示連續(xù)工作狀態(tài)的M1復(fù)位，否則當(dāng)系統(tǒng)從自動(dòng)工作方式切換到手動(dòng)工作方式，然后又返回自動(dòng)工作方式時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)同時(shí)有兩個(gè)活動(dòng)步的異常情況，引起錯(cuò)誤的動(dòng)作。 當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)狀態(tài)（M0為ON），在開始執(zhí)行用戶程序（M8002為ON）、系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)或回原點(diǎn)狀態(tài)（X0或X1為ON）時(shí)，初始步對(duì)應(yīng)的M1O將被置位，為進(jìn)入單步、單同期和連續(xù)工作方式作好準(zhǔn)備。如果此時(shí)M0為OFF狀態(tài)，M1O將被復(fù)位，初始步為不活動(dòng)步，系統(tǒng)不能在單步、單周期和連續(xù)工作方式下工作。 圖3-2 公用程序 （2）手動(dòng)程序 手動(dòng)程序如圖3-3所示，手動(dòng)工作時(shí)用X18～X27對(duì)應(yīng)的6個(gè)按鈕控制機(jī)械手的前進(jìn)、后退、上升、下降、手順轉(zhuǎn)、手逆轉(zhuǎn)、底盤順轉(zhuǎn)、底盤逆轉(zhuǎn)、松開和夾緊。為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在手動(dòng)程序中設(shè)置了一些必要的聯(lián)鎖，例如前進(jìn)與后退之間、上升與下降、手順轉(zhuǎn)與手逆轉(zhuǎn)、底盤順轉(zhuǎn)與底盤逆轉(zhuǎn)之間的互鎖；前進(jìn)、后退、上升、下降、手順轉(zhuǎn)、手逆轉(zhuǎn)、底盤順轉(zhuǎn)、底盤逆轉(zhuǎn)的限位；前限位開關(guān)X10的常開觸點(diǎn)與控制上、下行的 Y2和 Y3的線圈串聯(lián)，使得機(jī)械手升到最遠(yuǎn)位置才能左右移動(dòng)，以防止機(jī)械手在較近位置運(yùn)行時(shí)與別的物體碰撞；同理前限位開關(guān)X10的常開觸點(diǎn)、上限位開關(guān)X12的常開觸點(diǎn)與控制手順、逆轉(zhuǎn)的Y4和Y5的線圈串聯(lián)；后限位開關(guān)X11的常開觸點(diǎn)、上限位開關(guān)X12的常開觸點(diǎn)與控制底盤順、逆的Y6和Y7的線圈串聯(lián)。 圖3-3 手動(dòng)程序 （3）自動(dòng)程序 如圖3-4所示為機(jī)械手系統(tǒng)自動(dòng)程序的功能表圖。使用通用指令的編程方式設(shè)計(jì)出的自動(dòng)程序如圖3-5所示，也可采用其它編程方式編程，在此不再贅述 系統(tǒng)工作在連續(xù)、單周期（非單步）工作方式時(shí)，X2的常閉觸點(diǎn)接通，使M2（轉(zhuǎn)換允許）ON，串聯(lián)在各步電路中的M2的常開觸點(diǎn)接通，允許步與步之間的轉(zhuǎn)換。 假設(shè)選擇的是單周期工作方式，此時(shí)X3為ON， X1和X2的常閉觸點(diǎn)閉合，M2為ON，允許轉(zhuǎn)換。在初始步時(shí)按下起動(dòng)按鈕X5，在M11的電路中，M1O、X5、M2的常開觸點(diǎn)和M17的常閉觸點(diǎn)均接通，使M11為ON，系統(tǒng)進(jìn)入前進(jìn)步，Y0為ON，機(jī)械手前進(jìn)；機(jī)械手碰到下限位開關(guān)X10時(shí)，M12變?yōu)镺N，轉(zhuǎn)換到手順轉(zhuǎn)步，Y8被復(fù)位，工件被夾緊；同時(shí)TO得電，2s以后TO的定時(shí)時(shí)間到，其常開觸點(diǎn)接通，使系統(tǒng)進(jìn)入下降步。系統(tǒng)將這樣一步一步地往下工作，當(dāng)機(jī)械手在步M24返回最左邊時(shí)，X4為ON，因?yàn)榇藭r(shí)不是連續(xù)工作方式，M1處于OFF狀態(tài)，轉(zhuǎn)換條件 ·X17滿足，系統(tǒng)返回并停留在初始步M10。 連續(xù)工作方式，X4為ON，在初始狀態(tài)按下起動(dòng)按鈕X5，與單周期工作方式時(shí)相同，M11變?yōu)镺N，機(jī)械手前進(jìn)，與此同時(shí)，控制連續(xù)工作的M1為ON，往后的工作過程與單周期工作方式相同。當(dāng)機(jī)械手在步M24底盤逆轉(zhuǎn)原位時(shí)，X17為ON，因?yàn)镸1為ON，轉(zhuǎn)換條件M24·X17·C0滿足，系統(tǒng)將返回步M11，反復(fù)連續(xù)地工作下去。按下停止按鈕X6后，M1變?yōu)镺FF，但是系統(tǒng)不會(huì)立即停止工作，在完成當(dāng)前工作周期的全部動(dòng)作后，在步M24底盤逆轉(zhuǎn)原位，底逆限位開關(guān)X17為ON，轉(zhuǎn)換條件 ·X17·C0滿足，系統(tǒng)才返回并停留在初始步。 如果系統(tǒng)處于單步工作方式，X2為ON，它的常閉觸點(diǎn)斷開，“轉(zhuǎn)換允許”輔助繼電器M2在一般情況下為OFF，不允許步與步之間的轉(zhuǎn)換。設(shè)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，M10為ON，按下起動(dòng)按鈕X5，M2變?yōu)镺N，使M11為ON，系統(tǒng)進(jìn)入前近步。放開起動(dòng)按鈕后，M2馬上變?yōu)镺FF。在前進(jìn)步，YO的得電，機(jī)械手前進(jìn)前限位開關(guān)X10處時(shí)，與YO的線圈串聯(lián)的X10的常閉觸點(diǎn)斷開，使YO的線圈斷電，機(jī)械手停止前進(jìn)。X10的常開觸點(diǎn)閉合后，如果沒有按起動(dòng)按鈕，X5和M2處于OFF狀態(tài)，一直要等到按下起動(dòng)按鈕，M5和M2變?yōu)镺N，M2的常開觸點(diǎn)接通，轉(zhuǎn)換條件X10才能使M12接通，M12得電并自保持，系統(tǒng)才能由前進(jìn)步進(jìn)入下降步。以后在完成某一步的操作后，都必須按一次起動(dòng)按鈕，系統(tǒng)才能進(jìn)入下一步。 在輸出程序部分，X10～X17的常閉觸點(diǎn)是為單步工作方式設(shè)置的。以前進(jìn)為例，當(dāng)小車碰到限位開關(guān)X10后，與前進(jìn)步對(duì)應(yīng)的輔助繼電器M11不會(huì)馬上變?yōu)镺FF，如果Y1的線圈不與X10的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，機(jī)械手不能停在前限位開關(guān)X10處，還會(huì)繼續(xù)前進(jìn)，這種情況下可能造成事故。 （4）回原點(diǎn)程序 如圖3-6所示為機(jī)械手自動(dòng)回原點(diǎn)程序的梯形圖。在回原點(diǎn)工作方式（X1為ON），按下回原點(diǎn)起動(dòng)按鈕X7，M3變?yōu)镺N，機(jī)械手松開和上升，升到上限位開關(guān)時(shí)X12為0N，機(jī)械手手逆轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到手逆限位處時(shí)，X15變?yōu)镺N，機(jī)械手后退，到后限位時(shí)，X11變?yōu)镺N，底盤逆轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到底逆限位時(shí)，X17變?yōu)镺N時(shí)，底盤逆轉(zhuǎn)停止并將M3復(fù)位。這時(shí)原點(diǎn)條件滿足，M0為ON，在公用程序中，初始步M0被置位，為進(jìn)入單周期、連續(xù)和單步工作方式作好了準(zhǔn)備。 梯形圖程序經(jīng)過檢驗(yàn)語法錯(cuò)誤以及邏輯上的可靠性后,編譯成指令表，以便后傳入PLC中。并可以運(yùn)用軟件在線監(jiān)測(cè)PLC的運(yùn)行情況，同時(shí)可以用手持編程器根據(jù)現(xiàn)場要求修改程序中的各參數(shù)，達(dá)到任意位置停止的目的。 程序綜合與模擬調(diào)試 由于在分部分程序設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮各部分之間的相互關(guān)系，因此只要將公用程序（圖3-2）、手動(dòng)程序（圖3-2）、自動(dòng)程序（圖3-5）和回原位程序（圖3-6）按照機(jī)械手程序總體結(jié)構(gòu)（圖3-1）綜合起來即為機(jī)械手控制系統(tǒng)的PLC程序。模擬調(diào)試時(shí)各部分程序可先分別調(diào)試，然后再進(jìn)行全部程序的調(diào)試，也可直接進(jìn)行全部程序的調(diào)試。 圖3-4 自動(dòng)程序的功能表圖 續(xù)下 續(xù)上 續(xù)下 續(xù)上 圖3-7 自動(dòng)程序 圖3-8 回原位程 32 結(jié)　論 通過本設(shè)計(jì)可以讓大家清楚的了解三菱公司FX系列PLC的特點(diǎn),工業(yè)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)利用了三菱FX系列PLC的特點(diǎn),對(duì)按鈕、電磁閥、編碼盤以及其他一些輸入/輸出點(diǎn)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)械手模型的手動(dòng)和自動(dòng)控制。 采用PLC進(jìn)行工業(yè)機(jī)械手模型運(yùn)行控制，控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)大為簡化，同時(shí)由于采用的是“軟接線”方法的程序控制，系統(tǒng)的可靠性和靈活性都大大提高。當(dāng)然，工業(yè)機(jī)械手模型系統(tǒng)的信號(hào)輸入點(diǎn)數(shù)較多，