基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要本文通過研制基于PLC控制的四自由度氣動光盤搬運(yùn)機(jī)械手，設(shè)計(jì)相關(guān)的氣動回路與PLC控制系統(tǒng)，分析了機(jī)械手中PLC控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。PLC控制系統(tǒng)由于其簡單易于實(shí)現(xiàn)，可靠性好，是代替繼電器控制系統(tǒng)有效的方法。通過對PLC程序設(shè)計(jì)的研究，采用順序功能圖設(shè)計(jì)方法是實(shí)現(xiàn)氣動機(jī)械手動作路線及其他復(fù)雜順序動作系統(tǒng)的有效方法。本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的四自由度的氣動機(jī)械手，用于抓取與搬運(yùn)光盤，該機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制原理具有通用性與代表性。為便于教學(xué)，該氣動機(jī)械手還具有一定的開放性。氣動機(jī)械手采用PLC控制電路及氣壓回路驅(qū)動氣缸實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動軌跡，在結(jié)構(gòu)上，與其他類型的機(jī)械手相比，氣動機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易實(shí)現(xiàn)，其氣動部件已系列化和組立化，便于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，且維護(hù)方便。由于氣動機(jī)械手這些特點(diǎn)，氣動機(jī)械手在生產(chǎn)過程自動化中的應(yīng)用已日益廣泛。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；氣動系統(tǒng)；PLC；順序功能圖目 錄第1章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.1 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 .(1) 1.2 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)與控制任務(wù).(1) 1.3 機(jī)械手氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì).(2)第2章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1.0 FX-2N系統(tǒng)可編程控制器簡介.(3) 2.1.1可編程控制器可編程控制器的產(chǎn)生.(3) 2.1.2可編程控制器的定義.(3) 2.1.3可編程控制器的發(fā)展趨勢.(5) 2.1.4可編程控制器的特點(diǎn).(6) 2.1.5可編程控制器的主要功能.(7) 2.1.6 PLC的基本結(jié)構(gòu).（8) 2.1.7 PLC各部分的作用.(9) 2.1.8氣動技術(shù)介紹.(11) 2.1.9壓縮空氣的特性.(11) 2.2.0簡單的氣動系統(tǒng).(11) 2.2.1氣動元件.(12)第3章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1輸入/ 輸出分配表.(13) 3.2 PLC外部接線圖.(14) 3.3機(jī)械手PLC程序設(shè)計(jì).(15) 3.4 PLC程序設(shè)計(jì).(17)致謝參考文獻(xiàn) 第1章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析機(jī)械手是一種模仿人手動作，并按設(shè)定程序、軌跡和要求代替人手抓(吸)取、搬運(yùn)工件或工具進(jìn)行操作的自動化裝置。氣動機(jī)械手采用PLC控制電路及氣壓回路驅(qū)動氣缸實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動軌跡，在結(jié)構(gòu)上，與其他類型的機(jī)械手相比，氣動機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易實(shí)現(xiàn)，其氣動部件已系列化和組立化，便于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，且維護(hù)方便。由于氣動機(jī)械手這些特點(diǎn)，氣動機(jī)械手在生產(chǎn)過程自動化中的應(yīng)用已日益廣泛。本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的四自由度的氣動機(jī)械手，用于抓取與搬運(yùn)光盤，該機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制原理具有通用性與代表性。為便于教學(xué)，該氣動機(jī)械手還具有一定的開放性。1.2 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)與控制任務(wù)如(圖l)所示，光盤放置于位置l，氣動機(jī)械手的初始位置處于位置9，要實(shí)現(xiàn)將光盤根據(jù)要求從位置l搬運(yùn)至位置2、3、7、8時，對機(jī)械手的自由度提出一定的要求。根據(jù)任務(wù)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)X方向與Y方向的運(yùn)動、繞z方向的旋轉(zhuǎn)，同時在抓取過程中要實(shí)現(xiàn)手臂的升降(Z)和吸放光盤的過程，該機(jī)械手具有四個自由度。機(jī)械手硬件如(圖2)所示。圖1 氣動機(jī)械手任務(wù)圖圖2 機(jī)械手硬件結(jié)構(gòu)圖1.3 機(jī)械手氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 氣動機(jī)械手硬件系統(tǒng)由四個氣缸、三個真空吸盤、限位磁性接近開關(guān)、5個兩位五通電磁氣閥和1個兩位兩通電磁氣閥組成的閥島、控制面板、接線端子、PLC、按鈕開關(guān)及指示燈等相關(guān)電氣元件組成。當(dāng)按鈕開關(guān)或磁性接近開關(guān)發(fā)出信號傳遞到PLC輸入端子，經(jīng)過PLC程序處理，PLC發(fā)出動作控制信號驅(qū)動相應(yīng)主控閥電磁線圈的通斷，控制壓縮空氣的運(yùn)動方向，使氣缸產(chǎn)生對應(yīng)的動作。 要實(shí)現(xiàn)前述控制任務(wù)要求，其控制部分包括氣動回路與PLC控制部分。氣動機(jī)械手的氣壓控制回路如圖3所示。氣源產(chǎn)生壓縮空氣，經(jīng)三聯(lián)件處理后，經(jīng)兩位五通閥和單向節(jié)流閥分別進(jìn)入滑臺氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、懸臂氣缸、升降氣缸。兩位五通閥電磁線圈的通斷決定了氣缸的動作，比如控制滑臺氣缸的二位五通閥通電時，滑臺氣缸本體(缸體)左移；斷電時滑臺氣缸本體(缸體)右移。本機(jī)械手選擇兩位閥，而沒有選擇具有中位機(jī)能的三位閥，主要是為了減少控制信號，減少PLC的輸出點(diǎn)數(shù)。單向節(jié)流閥的作用是調(diào)節(jié)氣缸的運(yùn)動速度，產(chǎn)生一定的背壓緩沖。對真空吸盤吸光盤的過程，當(dāng)真空發(fā)生器通過高壓氣體時，產(chǎn)生一定的真空度，實(shí)現(xiàn)吸光盤，此時，兩位五通閥處于通電狀態(tài)，兩位兩通閥處于斷電狀態(tài)。對放光盤的過程，要求高壓氣體先經(jīng)兩位兩通閥，通過真空吸盤將吸附的光盤吹落，延遲一段時間后斷開真空吸盤的氣路，以節(jié)約用氣量，故要求在兩位五通閥通電、兩位兩通閥斷電狀態(tài)下，兩位兩通閥先通電，延遲一段時間后，兩位五通閥再斷電，然后兩位兩通閥再斷電。圖3 機(jī)械手氣動回路原理圖第2章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 FX-2N系列可編程控制器簡介2.1.1可編程控制器的產(chǎn)生 20世紀(jì)20年代起，人們把各種繼電器。定時器。接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng).由于它結(jié)構(gòu)簡單。容易掌握。價格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位.但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，難與實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r，原有的接線和控制盤就要更換，所以通用性和靈活性較差.20世紀(jì)60年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車型號不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對整個開展系統(tǒng)重新配置.為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場競爭要求，1968年美國通用汽車公司公開向社會招標(biāo)，對汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來是：(1)編程方便，可現(xiàn)場修改程序(2)維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)(3)可靠性高于繼電器控制裝置(4)體積小于繼電器控制盤（5）數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)（6）成本可與繼電器控制盤競爭（7）輸入可以是交流150V以上（8）輸出為交流115V，容量要求在2A以上，可直接驅(qū)動接觸器，電磁閥等(9) 擴(kuò)展時原系統(tǒng)改變最小(10)用戶存儲器至少能擴(kuò)張到4KB（適應(yīng)當(dāng)時汽車裝配過程的需要） 十項(xiàng)指標(biāo)的核心要求是采用軟布線（編程）方式代替繼電控制的硬接線方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。2.1.2可編程控制器的定義 美國國際電工委員會（IEC）在1987年對可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部進(jìn)行存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能的面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破鳂O其相關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。定義強(qiáng)調(diào)了PLC應(yīng)直接應(yīng)用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別與一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個重要特征。定義還強(qiáng)調(diào)了PLC是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，他也是一種計(jì)算機(jī)，它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的”工業(yè)計(jì)算機(jī)。這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸入和輸出”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴(kuò)充”。2.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢PLC總的發(fā)展趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新型器件大幅度的提高功能和降低價格，使PLC結(jié)構(gòu)更為緊湊，相當(dāng)于一本精裝本書的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不斷增加，將原來大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。（2）向大容量、高速度方向發(fā)展 大型PLC采用多微處理器系統(tǒng)，有的采用了32位微處理器，可同時進(jìn)行多任務(wù)操作，處理速度提高，特別是增強(qiáng)了過程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。另外，存儲容量大大增加。（3）智能型I/O模塊的發(fā)展 智能型I/O模塊是以微處理器和存儲器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的CPU與PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的時間很少，有利于提高PLC的掃描速度。（4）基于PC的編程軟件取代編程器 隨著計(jì)算機(jī)的日益普及，越來越多的用戶使用基于個人計(jì)算機(jī)上的編程軟件。編程軟件可以對PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設(shè)置各框架各個插槽上模塊的型號、模塊的參數(shù)、各串行通行接口的參數(shù)等。（5）PLC編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化 與個人計(jì)算機(jī)相比，PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開放的。在硬件方面，各廠家的CPU模塊和I/O模塊互不通用。PLC的編程語言和指令系統(tǒng)的功能和表達(dá)式也不一致，因此各廠家的可編程序控制器互不兼容。為了解決這一問題，IEC制定了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中共有5種編程語言，允許編程者在同一程序中使用多種編程語言，這使編程能夠選擇不同的語言來適應(yīng)特殊的工作。（6）PLC通信的易用化PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能使它能與個人計(jì)算機(jī)和其他智能控制設(shè)備交換數(shù)字信息，使系統(tǒng)形成一個統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中控制。（7）組態(tài)軟件與PLC的軟件化 個人計(jì)算機(jī)（PC）的價格便宜，有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機(jī)交互的功能。（8）PLC與現(xiàn)場總線相結(jié)合 現(xiàn)場總線I/O與PLC可以組成功能強(qiáng)大的、廉價的DCS系統(tǒng)。（9）開發(fā)新型特殊功能模塊 I/O組件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大處理能力。(10) CPU的處理速度進(jìn)一步加快目前，PLC的處理速度與計(jì)算機(jī)相比還比較慢，其高的CPU也不過80486，將來會全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU進(jìn)行處理、分時處理或分任務(wù)處理方式，將各種模塊智能化，部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化，這樣可使PLC的處理速度達(dá)到納秒級。 2.1.4可編程控制器的特點(diǎn)1、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好PLC在電子線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。具體措施主要有以下幾個方面：1）隔離：這是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入、輸出接口電路一般采用光電耦合器來傳遞信號。這種光電隔離措施，使外部電路與內(nèi)部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效的抑制外部干擾源對于PLC的影響，同時防止外部高電壓串入，從而減少故障和誤操作。 2）濾波：這是抗干擾的另一個主要措施。在PLC的電源電路和輸入/輸出電路中設(shè)置了多種濾波電路，用以對高頻干擾信號進(jìn)行有效的抑制。3）對內(nèi)部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施，以減少外界干擾，保護(hù)供電質(zhì)量。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨(dú)立，以避免電源之間的干擾。4）內(nèi)部設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、watchdog（“看門狗”）等電路，一旦發(fā)現(xiàn)故障或程序循環(huán)執(zhí)行時間超過了警戒時鐘（WDT）規(guī)定時間（預(yù)示程序進(jìn)入了死循環(huán)），立即報警，以保證CPU可靠運(yùn)行。5）利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測，并采用信息保護(hù)和恢復(fù)措施。6）對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份，以保障停電后有關(guān)狀態(tài)或信息不丟失。7）采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。8）以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過程不依賴于機(jī)械觸點(diǎn)，以保障高可靠性。而采用循環(huán)掃描的工作循環(huán)方式，也提高了抗干擾能力。2、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。3、編程方便，易于使用PLC是面向用戶的設(shè)備，PLC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識和語言，只要具有一定的電工和工藝的知識的人員都可在短時間內(nèi)學(xué)會。4、功能完善PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量的輸入/輸出。在PLC內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時序、計(jì)算機(jī)、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實(shí)現(xiàn)延時、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強(qiáng)制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控、打印、及報表生成等功能。5、設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、的周期短用繼電器接觸器控制完成一項(xiàng)控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏的布置和接線圖等，進(jìn)行安裝調(diào)試，以后修改起來十分不便。而采用PLC控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在PLC到貨前進(jìn)行，因而縮短了設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)和施工可同時進(jìn)行。6、體積小，維護(hù)操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場總線信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。7、易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化 PLC可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。8、可實(shí)現(xiàn)三電一體化PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結(jié)（運(yùn)動控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。2.1.5 可編程控制器的主要功能1、條件控制功能 條件控制（或稱邏輯控制或順序控制）功能是指用PLC的與、或、非指令取代繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)極其他各種邏輯連接，進(jìn)行開關(guān)控制。2、 時/記數(shù)控制功能定時/記數(shù)控制功能指用PLC提供的定時器、記數(shù)器指令實(shí)現(xiàn)對某種操作的定時或記數(shù)控制，以取代時間繼電器和記數(shù)繼電器。3、 據(jù)處理功能 數(shù)據(jù)處理功能是指PLC能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及編碼和譯碼等操作。4、 步進(jìn)控制功能 步進(jìn)控制功能是指用步進(jìn)指令來實(shí)現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進(jìn)行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構(gòu)成的步進(jìn)控制器。5、 A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能 A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能是指通過A/D、D/A模塊完成模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。6、 運(yùn)動控制功能 運(yùn)動控制功能是指通過高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進(jìn)行單軸或多軸運(yùn)動控制。7、 過程控制功能 過程控制功能是指通過PLC的PID控制指令或模塊實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力、速度、流量等物理參數(shù)的閉環(huán)控制。8、 擴(kuò)展功能 擴(kuò)展功能是指通過連接輸入輸出擴(kuò)展單元（即I/O擴(kuò)展單元）模塊來增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高PLC的控制功能9、 遠(yuǎn)程I/O功能 遠(yuǎn)程I/O功能是指通過I/O單元將分散在遠(yuǎn)距離的各種輸入、輸出設(shè)備與PLC主機(jī)相連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，接收輸入信號、傳出輸出信號。10、通信聯(lián)網(wǎng)功能通信聯(lián)網(wǎng)功能是指通過PLC之間的聯(lián)網(wǎng)、PLC與上位機(jī)的鏈接等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復(fù)雜控制。11、監(jiān)控功能監(jiān)控功能是指PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分的進(jìn)行狀態(tài)和進(jìn)程，對系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報警和記錄，甚至自動終止運(yùn)行；也可在線調(diào)整、修改控制程序中的定時器、記數(shù)器等設(shè)定值或強(qiáng)制I/O狀態(tài)。2.1.6 PLC的基本結(jié)構(gòu)目前PLC種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)相似。主要包括中央處理單元CPU、存儲器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。如(圖4)所示，PLC控制系統(tǒng)由輸入量PLC輸出量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子，作為PLC的輸出量對外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。由此可見，PLC的基本結(jié)構(gòu)有控制部分輸入和輸出組成。圖4 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖2.1.7PLC各部分的作用 1、中央處理器CPU是由控制器和運(yùn)算器組成的。運(yùn)算器也稱為算術(shù)邏輯單元，它的功能就是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破鞯淖饔檬强刂普麄€計(jì)算機(jī)的各個部件有條不紊地工作，它的基本功能是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令。他的重要功能如下：（1） 診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。（2）采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的寄存器中。（3）按用戶程序存儲器中存放的先后順序逐條讀取指令，進(jìn)行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運(yùn)算和操作。（4）將存于寄存器中的處理結(jié)果送至輸出端。（5）應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請求。 2、存儲器 PLC的存儲器分為兩大部分： 一大部分是系統(tǒng)存儲器，用來存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及其系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。 二大部分是用戶存儲器，包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。3、輸入輸出接口電路PLC通過輸入輸出（I/O）接口電路實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的連接。輸入接口通過PLC的輸入端子接受現(xiàn)場輸入設(shè)備的控制信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號。4、電源 PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸入輸出接口等內(nèi)部電路工作所需要的直流電源電路或電源模塊。5、輸入輸出I/O擴(kuò)展接口若主機(jī)單元的I/O點(diǎn)數(shù)不能滿足輸入輸出點(diǎn)數(shù)需要時，可通過此接口用扁平電纜線將I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)單元相連接。6、 PLC的基本工作原理PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。PLC的掃描全過程如圖5所示。圖5 PLC的掃描全過程（1）輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。（2）程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。（3）輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。顯然掃描周期的長短主要取決與程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每一個掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由此可見，若輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出會相應(yīng)地發(fā)生變化。反之，若在本次刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要到下一次掃描的I/O刷新期間輸出才會發(fā)生變化。這對于一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成不利影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸觾H在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個工作周期的大部分時間里實(shí)際上是外設(shè)隔離的。而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖式的、短時的，由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，往往要幾個掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，因瞬間干擾而引起的誤操作將會大大減少，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是對于控制時間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后等不良影響。2.1.8 氣動技術(shù)介紹氣動系統(tǒng)是通過壓縮空氣來傳遞和控制能量的一種系統(tǒng)。氣動主要應(yīng)用于化工生產(chǎn)、高危及特殊工種、高速重復(fù)作業(yè)、農(nóng)業(yè)設(shè)備、食品業(yè)、機(jī)械行業(yè)的剪、切、鉚等、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、機(jī)器人、太空設(shè)備中。 2.1.9 壓縮空氣的特性優(yōu)點(diǎn)a 適用性b 易貯存c 設(shè)計(jì)和控制簡單d 經(jīng)濟(jì)性e 可靠性f 適應(yīng)性g 清潔h 安全性缺點(diǎn)a 具有可壓縮性，工作平衡性稍差b 壓力低，不易獲得較大的輸出力或轉(zhuǎn)矩c 有較大的排氣噪聲d 需設(shè)置給油潤滑裝置2.2.0 簡單的氣動系統(tǒng)主要有二大部分：壓縮空氣的產(chǎn)生和輸送系統(tǒng)和壓縮空氣消耗系統(tǒng)。（1）壓縮空氣產(chǎn)生系統(tǒng)壓縮機(jī)、電動機(jī)、壓力開關(guān)、單向閥、儲氣罐、壓力表、自動排水器、安全閥、冷凍式空氣干燥器、主管道過濾器。（2）壓縮空氣產(chǎn)生系統(tǒng)壓縮空氣的輸出、自動排水器、空氣處理元件、方向控制閥、執(zhí)行元件、速度控制閥2.2.1氣動元件（1） 氣動執(zhí)行元件直線運(yùn)動氣缸：包括單作用氣缸、雙作用氣缸、無桿氣缸回轉(zhuǎn)運(yùn)動氣缸：包括按某一夾角內(nèi)來回擺動的氣缸、可以旋轉(zhuǎn)的氣缸（2） 氣動控制元件壓力閥a) 壓力調(diào)節(jié)閥 用于氣動回路中氣壓的控制b) 壓力順序閥 預(yù)先設(shè)定壓力，當(dāng)12口壓力達(dá)到設(shè)定壓力時，2口有信號輸出方向控制閥a) 氣控閥 通過氣動信號改變閥位b) 電磁閥 通過電磁力使閥芯移動c) 先導(dǎo)閥 屬于間接操作式d) 閥的選用與安裝 具體可查閱有關(guān)手冊常用邏輯閥a) “與”功能閥 當(dāng)X，Y同時有信號時，A有信號輸出b) “或”功能閥 當(dāng)X或Y有信號時，A有信號輸出c) 單向節(jié)流閥 氣體只能一個方向節(jié)流d) 快排氣閥延時閥 具有延時發(fā)出氣動信號的功能第3章 基于PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 應(yīng)用PLC作為電氣控制，可以減化控制線路，降低故障率，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多種動作線路，具有一定的柔性，也適于教學(xué)演示。一般機(jī)械手有手動、自動控制之分，手動控制主要用來硬件調(diào)試。自動控制中也分單步、單周期、周期循環(huán)等工作狀態(tài)。其控制要求為：按下啟動按鈕，檢測氣動機(jī)械手是否處于原位，如果不是，按下復(fù)位按紐回到原位，如果是，則檢測氣動機(jī)械手處于何種工作狀態(tài)下，單步意味著每按下一次啟動按鈕，機(jī)械手執(zhí)行一步動作；單周期指執(zhí)行一次動作循環(huán)，最后回到初始位置；周循環(huán)則是機(jī)械手重復(fù)不斷的執(zhí)行動作，直到按下復(fù)位或停止按鈕為止。根據(jù)機(jī)械手的硬件結(jié)構(gòu)，PLC輸入信號有：工作狀態(tài)選擇開關(guān)輸入、啟動停止按鈕輸入、磁性接近開關(guān)信號輸入、手動開關(guān)輸入及程序選擇開關(guān)輸入共22個輸入點(diǎn)；機(jī)械手的輸出信號有：驅(qū)動4個氣缸的電磁閥線圈4個，控制真空吸盤的電磁閥線圈2個，原點(diǎn)指示燈1個，共7個輸出點(diǎn)。據(jù)此可以得到：3.1 PLC輸入/輸出點(diǎn)分配輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)手動X0升降缸伸出限位X17滑臺缸控制閥線圈Y0自動X1滑臺缸X20回轉(zhuǎn)缸控制閥線圈Y1啟動X4回轉(zhuǎn)缸X21懸臂缸控制閥線圈Y2復(fù)位X5懸臂缸X22升降缸控制閥線圈Y3右限位X10升降缸X23真空吸盤控制閥1Y4左限位X11吸盤控制閥1X24真空吸盤控制閥2Y5旋轉(zhuǎn)限位00X12吸盤控制閥2X25原點(diǎn)指示燈Y6旋轉(zhuǎn)限位1800X13預(yù)設(shè)動作X26懸臂缸縮進(jìn)限位X14用戶自定義動作X27懸臂缸伸出限位X15升降缸縮進(jìn)限位X163.2 PLC外部接線圖圖6 PLC電氣接線圖 3.3 機(jī)械手PLC程序設(shè)計(jì)氣機(jī)械手的控制及動作路線由PLC的程序來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)前述要求，該程序框架采用調(diào)用子程序方法，在主程序中實(shí)現(xiàn)機(jī)械手工作狀態(tài)的選擇，子程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的復(fù)位和動作路線的實(shí)現(xiàn)，這種程序框架邏輯清晰，便于閱讀與修改擴(kuò)展，其程序框架如圖7所示 圖7 PLC主程序框架圖其中，機(jī)械手動作子程序是控制程序的核心部分，針對氣缸順序控制要求，采用順序功能圖(SequentialFunction Chart，SFC)的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用FX2n系列PLC中的STL指令來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)將光盤從初始位置1搬至位置6，開始時機(jī)械手處于初始位置，即要實(shí)現(xiàn)動作如圖8所示，其順序功能圖如圖9所示。在搬運(yùn)光盤的過程中，光盤會越搬越少，故選擇循環(huán)動作工作狀態(tài)時，每次機(jī)械手下降的行程會逐漸增長，故程序中沒有使用升降氣缸的伸出限位開關(guān)來反饋位置信號，而是以PLC的軟時間繼電器設(shè)置合適的延遲時間來代替，當(dāng)光盤被搬空時，升降氣缸伸出限位開關(guān)被觸動時，機(jī)械手就自動復(fù)位，回初始位置。圖8 氣動機(jī)械手動作順序圖圖9 機(jī)械手順序功能圖3.4 PLC程序致 謝論文完成，三年的大專生涯即將結(jié)束，感慨萬千！首先，感謝我的指導(dǎo)老師伍曉莉老師。一個月，在這一段并不長的日子里。我時刻體會著伍老師嚴(yán)肅的教學(xué)態(tài)度，不辭辛苦的指導(dǎo)精神，一絲不茍的工作作風(fēng)，我想這是夠我一生受用的人格魅力。從課題選擇到論文寫作，整個過程，伍老師都傾注了大量的心血。正是在伍老師的辛苦指導(dǎo)下，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)才能順利進(jìn)行，這篇畢業(yè)論文也才得以順利完成。在此我向我的指導(dǎo)師伍曉莉老師表示深深的敬意和感謝！我還要感謝我班的一些同學(xué)們，在這次畢業(yè)論文的寫作過程中，他們也給了我不少幫助。謝謝你們，你們永遠(yuǎn)是我的好朋友。參 考 文 獻(xiàn)1.杜玉紅，李修仁生產(chǎn)線組裝單元?dú)鈩影徇\(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)液壓與氣動，2006(5) 2.鮑燕偉， 吳玉蘭一種通用氣動機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)機(jī)床與液壓，2006(9).3.廖常初，F(xiàn)X系列PLC編程及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社2006. 4.劉曉洪新型蠕動式氣動微型管道機(jī)器人.液壓氣動與密封，2007，27(1)5.OMRON公司.可編程序控制器SYSMAC/CQM1編程手冊. 19986.李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.第19頁 共24頁