1、浙江工业职业技术学院毕业设计（论文）工 业 职 业 技 术 学 院毕业论文（2009 届）基于三菱 PLC 的机械手控制系统设计学生姓名 张伟聪 学 号 院 别 机电工程分院 专 业 机电一体化技术 班 级 06 机电一体化技术（5） 指导教师 谢水英 完成日期 2009 年 5 月 15 日 2基于三菱 PLC 的机械手控制系统设计摘 要 机械手在工业生产中得到广泛的应用，传统工艺中采用继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因 此故障多，维修困难，费时费工，不仅加大了成本，而且影响设备的工效。本文介绍了用日本三菱公司生产的 F1F2 系列可编程控制器，根据机械手的运动规律：左右、上下、 夹
2、松等进行软件编程。实现了手动操作，即：用按钮操 作， 对机械手的每一种运动单独进行控制；自动操作包括单步、单周期和连续操作。另外，对右工作台有工件的特殊情况 进行了处理。采用梯形控制直观易懂，为电气人员所熟悉；采用 PLC 控制使接线简化，安装方便，而且保证 运行的可靠性，减少维修量，提高了工效关键词 机械手 软件编程 PLC 自动操作 梯形控制浙江工业职业技术学院毕业设计（论文）目 录引 言.1第 一 章 PLC 的技术简述 .21.1 PLC 的定 义. .21.2 PLC 的特点 .31.3 PLC 的一般 结构.31.4 PLC 的基本工作原理 .4第二章 机械手控制系统的控制要求 .
3、62.1 工作对象的介绍 62.2 工作原理 .62.3 设备控制要求 .7第三章 机械手的 I/O 分配表及控制系统的程序设计93.1 机械手的 I/O 分配表93.2 控制系统的程序设计 .10结论.16致谢.17参考文献.184浙江工业职业技术学院毕业设计（论文）1引 言在生产中广泛存在着很多不能直接由人手完成的工作，尤其是搬运笨重物体或在高温、高压、低温、低 压、粉 尘、易爆、有毒气和放射性等恶劣的环境下工作。人工在这样环境下生产，不仅效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，而且还会危及人的生命安全。针对上述问题，本课题 利用 PLC 技术，结合气动技术 、位置控制技术设计了一种安全高效
4、的气动机械手控制系统，来代替人进行正常工作，大大提高生产的机械化水平和劳动生产率，保证产品质量、实现安全生产。本系统利用各种检测装置进行位置检测，再通过 PLC 做出相应的控制，来模拟人手的部分动作，按给定的顺序、轨迹和要求实现自动搬运、抓 举等操作。可以广泛应用于汽车、交通、运输等各行各业。本系统由于采用的是 PLC 作为主控制器，比起其他控制器更易实现机电一体化，也更适合在工业等恶劣环境下工作。本系统具有很强的实用性和广泛的应用范围。它操作简单，具有良好的扩展性和可靠性。PLC 软 件编 程简单，易于修改，只要通过修改相 应软件程序，就实现更多更强的功能。因此在生产实际中具有很高的实际应用
5、价值。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。2一一一 PLC 技术简述可编程控制器(Programmable Controller),简称 PLC 或 PC。它是20 世纪 70 年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业产生自动化的支柱产品。近年来，国内在PLC
6、技 术与 产品开发应 用方面的发展很快，除许多从国外引进的设备、自动化生 产线，国产的机床设备已越来越快地采用 PLC 控制系统取代的继电接触控制系统。国产化的小型 PLC 性能也基本达到国外同类产品的技术指标。1.1 PLC 的定义PLC 是一种数字运算操作的电子系统， 专为 在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定 时、计 数和运算等操作的指令，并通过数学式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程序控制及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。其强调了可编程序控制器直接应用于工业环境，它必
7、须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围，是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。并应该强调指出可编程序控制器与以往所讲的鼓式、机械式的顺序控制器以及继电器式的程序控制器在浙江工业职业技术学院毕业设计（论文）3“可编程”方面有着质的区 别，后者式通 过硬件或硬接线的变更来改变程序，而 PLC 引入了微 处理半导体存储器等新一代的微 电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式实现“ 可编程”的目的。1.2 PLC 的特点PLC 出 现后就受到普遍重视，其 应用发展也十分迅速，原因在于与现有的各种控制方式相比，它有一系列受用户欢迎的特点：1可靠性高，抗干扰能力强 在恶劣的
8、工业环境下工业产生对控制设备的可靠性提出很高的要求。2编程简单，易于掌握。3组合灵活使用方便。4功能强，通用性好。5开发周期短，成功率高。1.3 PLC 的一般结构根据 PLC 实 施控制的基本点分析， PLC 采用了典型的计算机结构，主要由 CPU、RAM、ROM 和专门设计的 输入输出接口电路组成。1中央处理器（CPU）一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一芯片上。CPU 的主要功能是：从存储器中读取指令、执行指令、准 备 取下一条指令、 处理中断。2存储器4存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。在 PLC 中使用的两种
9、类型存储器为 RAM和 ROM。3电源部件电源部件将交流电源转换成供 PLC 的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使 PLC 能正常工作， PLC 内部电源是整体的能源供给中心，它的好坏直接影响 PLC 的功能和可靠性，因此目前大部分 PLC 采用开关式稳压电源供电。4输入、输出部分这是 PLC 与被控 设备相连的接口电路。通 过输 入接口电路将信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电动机等被控设备的执行元件。现场输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。输出接口电路
10、一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。1.4 PLC 的基本工作原理PLC 虽 具有微机的 许多特点，但它的工作方式与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，而 PLC 则采用循环扫描方式，在 PLC 中，用户程序按先后 顺序存放。其整个 刚才分为五个阶段：1每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。浙江工业职业技术学院毕业设计（论文）52PLC 检查是否与编 程器和计算机的通信请 求，若有则进行相应的处理。3PLC 的中央处理器 对各个输入进行扫描。4中央处理器 CPU 将指令逐条调出并执行。5当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所您
11、接受的电压或电流信号，以驱动被控设备， 这就是 输出刷新阶段。6第 二 章 机械手控制系统的控制要求2.1 工作对象的介绍目前气动控制技术在工业控制中用得越来越普遍。气动机械手的任务大多数是搬运物品或器件时快速、准确。例如将传送带 A 上的物品搬至传送带 B 上，工作示意图如图 12.11 所示。2.2 工作原理气动机械手搬运物品工作示意图 12.10 所示。传送带 A 为步进式传送，每当机械手从传送带 A 上取走一个物品时，该传送带向前步进一段距离，将使机械手在下一个工作循环取走物品。浙江工业职业技术学院毕业设计（论文）7图 12.11 中传送带 A、B 分别由电动机 M1、M2 驱动，机械
12、手的回转运动由气动阀 Y1、Y2 控制，机械手的上、下运动由气动阀 Y3、Y4 控制，机械手的夹紧与放松由气动阀 Y5 控制。有关到位信号分 别是：右旋到位行程开关（状态开关）为 SQ1，左旋到位行程开关为 SQ2，手臂上升到位行程开关为 SQ3，下降到位行程开关为 SQ4。 2.3 设备控制要求用 PLC 控制后，气 动机械手的 动作要求如下：（1（ 机械手在原始位置时（右旋到位）SQ1 动作，按下启动按钮，机械手爪松开，传送带 B 开始运动，机械手手臂开始上升。（2（ 机械手上升到上限位置，状态开关 SQ3 动作，上升动作结束，机械手开始左旋。（3（ 机械手左旋到左限位置，状态开关 SQ2
13、 动作，左旋动作结束，机械手开始下降。（4（ 机械手下降到下限位置，状态开关 SQ4 动作，下降动作结束，传送带 A 启动。8（5（ 传送带 A 向机械手向前进一个物品的距离后停止，机械手开始抓物。（6（ 机械手抓物，延时 1S 左右时间，机械手开始上升。（7（ 机械手上升到上限位置，状态开关 SQ3 动作，上升动作结束，机械手开始右旋。（8（ 机械手右旋到右限位置，状态开关 SQ1 动作，右旋动作结束，机械手开始下降。（9（ 机械手下降到下限位置，状态开关 SQ4 动作，机械手松开，放下物品。（10（ 机械手放下物品经过适当延时，一个工作循环过程完毕。（11（ 机械手的工作方式为：单步/循环
14、。第三章 机械手的 I/O 分配表及控制系统的程序设计浙江工业职业技术学院毕业设计（论文）93.1 机械手的 I/O 分配表1）输入/输出地址表根据气动机械手的控制要求，PLC 的输入、 输出地址表如表 12.1 所示。表 12.12）I/O 电气接口图气动机械手的 PLC I/O 电气接口图如图 12.12 所示。 SQ1SQ4 4 个磁性开关、开关 05 分别接 PLC 的 X0X7、X10 、X11 10 个输入，输出 Y1Y5 分别接电磁阀的 YV1YV5 。10PLC 选 用 FX 系列任一型号 PLC 均可以。气 动控制回路使用时注意如下几点：（1（ 先将气泵启动，待压力到整定值后
15、，可以分别在气阀的两头加上 24V 电压，观察上、下气缸、机械手爪气缸及回旋气缸 动作正确与否，如不正确，说明气阀或气缸有问题。（2（ 各部分没有问题，按接口电路图连线，并检查接线正确与否。（3（ 输入程序，检查无误后，开启 24V 电源运行。3.2 控制系统的程序设计气动机械手的参考程序如图 12.13 所示。由于机械手的动作过程是顺序动作，每一步工艺均是在前一步动作完成的基础上，再进行下一步浙江工业职业技术学院毕业设计（论文）11的操作，所以控制程序采用了步进顺控指令方法编程。此外，气动机械手的启动必须在原位状态下才能启动，故必须使 Y3、Y1、Y4 先断电，使气缸均回到原点状态。程序中使
16、用了 RST Y1、RST Y3、RST Y4 等指令使 Y1、Y3、Y4 复位。12浙江工业职业技术学院毕业设计（论文）1314浙江工业职业技术学院毕业设计（论文）1516结 论实践证明，利用十分成熟的 PLC 技术和变频 器调速技术以及十分成熟先进的机械传动构件，采用积木式架构，应用工程师就可以迅速地为企业设计制造出生产急需的机电一体化设备。成为在设备改造、升级，提高 产品质量，参与市场竞争的有力武器。基于 PLC 控制的物料搬运系统能够实现物料的自动循环搬运。此系统既可以使用夹手夹持物料，又可以使用真空吸盘吸附物料，具有多种用途功能；气动系统的电磁换向阀采用汇流板集装，减少了占用空间，完
17、成物料的搬运。浙江工业职业技术学院毕业设计（论文）17致 谢本 论 文 是 在 谢 水 英 指 导 老 师 的 悉 心 教 诲 指 导 下 完 成 的 ，在 整个 毕 业 设 计 期 间 ，得 到 了 导 师 的 认 真 指 导 和 帮 助 ，导 师 的 严 谨 学 风和 渊 博 学 识 使 本 人 受 益 匪 浅 ，在 此 表 示 诚 挚 的 敬 意 和 由 衷 的 感 谢 。同 时 要 感 谢 分 院 领 导 和 老 师 给 我 们 提 供 了 良 好 的 环 境 和 热 心 指 导 。感 谢 在 百 忙 中 评 阅 论 文 和 参 加 答 辩 的 各 位 领 导 和 老 师 。由 于 初
18、 次涉 及 ，一 定 存 在 不 少 问 题 ，望 各 位 老 师 不 吝 赐 教 。最 后 感 谢 母 校 给与 本 人 深 造 的 机 会 。18参考文献1. 钟肇新.可编程序控制器原理及应用.广州：华南理工大学出版社，2002 年.2. 章文浩.可编程控制器原理及 实验.北京：国防工业出版社，2003年.3. 陈宇.段鑫.可编程控制器基础及编程技巧.广州：华南理工大学出版社，2002 年4. 常晓玲.电气控制系 统与可编程控制器.北京：机械工业出版社，2004 年5. 李乃夫.可编程控制器原理、应用、实验.北京：中国轻工业出版社，2003 年6. 钟肇新.彭侃.可编程控制器原理与应用.广州：华南理工大学出版社，2004 年7. 张建民.机电一体化系统设计.北京：高等教育出版社，2001 年8. 张兵.赵斌.施永辉. 基于 PLC 的机械手混合驱动控制.液压与气动，2005 年，3 期：37-39 页9. 贺黛芳.马笑潇. PLC 在针灸机械手控制系统中的应用.基础自动化，2001 年，8 卷 2 期：29-32 页10. 蒋少茵.PLC 控制的机械手.测控自动化，2004 年，6 期：17-18页
