1、基于 PLC 的机械手控制系统设计 目 录 摘 要 . Abstract . . 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究目的及意义 . .1 1.2 国内外机械手研究概况 . .2 1.3 课题研究的内容 . .3 第 2 章 方案设计与论证 . 4 2.1 方案设计 . .4 2.2 方案论证 . 5 2.3 方案确定 . 7 第 3 章 系统硬件设计 . .8 3.1 主 电路设计 . . 8 3.1.1 熔断器的选择 . . . 8 3.1.2 热继电器的选择 . . . 8 3.1.3 接触器的选择 . . . 9 3.1.4 系统主电路图 . . 9 3.2 传感器设计 . 1
2、0 3.2.1 传感器的选型 . . 10 3.2.2 传感器的工作原理 . . 11 3.3 行程开关的设计 . 11 3.3.1 行程开关的选型 . . .11 3.3.2 行程开关的工作原理 . .12 3.4 PLC 控制电路设计 . .12 3.4.1 PLC 的基本结构 . 12 3.4.2 PLC 的工作原理 . 13 3.4.3 PLC 的扫描运行方式 . 13 3.4.4 PLC 的特点 . 14 基于 PLC 的机械手控制系统设计 3.4.5 PLC 经济分析 . 16 3.4.6 PLC 的发展趋势 . 17 3.4.7 PLC 的控制系统的保护措施 . 17 3.4.8
3、 PLC 的选型 . . 18 3.4.9 PLC 外部接线图 . 20 第 4章 系统软件设计 .21 4.1 PLC 的软件部分 . .21 4.2 系统总体设计 . .22 4.2.1 机械手的动作实现过程 . .22 4.2.2 系统总体流程图 . .23 4.2.3 系统复位流程图 . .23 4.2.4 机械手气夹夹紧流程图 . .24 4.2.5 机械手气夹放松流程图 . .25 总结 . 26 参考文献 . 27 致谢 . 28 附录 A 系统总电路图 29 附录 B 系统梯形图 . 30 基于 PLC 的机械手控制系统设计 I 摘 要 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，
4、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。 自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手能代替人类完成危险、重复、枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力，因此机械手得到了越来越广泛的应用。 本设计主要由硬件设计和软件设计两大部分组成，其中硬件设计包括主电路、控制电路以及电气控制线路的设计，软件设计包括流程图和梯形图的设计。主电路由电机、热继电器、熔断器 、接触器构成；控制电路由 PLC 控制器、传感器、行程开关等构成。 本 设计中 由 行程开关将位置信号传给 PLC 主机 ， PLC 分别 控制各个交流电机的正反转 ， 从而控制机械手在横轴
5、与竖轴的运动； 接近开关 将位置信号 反馈给 PLC 主机，通过 控制 交流电机的正反转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。本课题 设计 的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，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：机械手 ， PLC ，传感器 基于 PLC 的机械手控制系统设计 II Abstract In the industrial production and other fields , because of the need of job, people often is affected by the harm of high t
6、emperature, corrosion and toxic gases ,these factors increase labor intensity of workers, and even lead to life-threatening. Since the manipulator was born, the various difficult problems were easily solved. Robots can replace human consummately danger, repeat the boring work, ease human labor inten
7、sity and improve labor productivity, so robots have been applied more and more. This design mainly consist of the hardware design and software design.Among them, hardware design contains the main circuit ， control circuit and electrical control circuit design, software design contains the design of
8、flowchart and ladder-diagram. Main circuit consist of motor, thermal relay, fuse, contactor； control circuit consist of PLC controller, sensors and travel switch, etc. In the paper， position signal is sent to PLC host by travel switch , PLC control the acmotors positive position signal is sent to PL
9、C host by approach switch, PLC host can control the paws of manipulator and realize the open and close by the control of acmotors positive &negative, so as it can achieve the function of accurate motion. The subject design materials handling manipulator can catch and put objects in space, make the a
10、ction flexible, according to the changes of workpiece and the movement process requirements， it can change the related parameters at any time. Keywords: manipulator, PLC, sensors 基于 PLC 的机械手控制系统设计 2 第 1 章 绪论 随着 我国经济以及工业的不断发展，机械手在工厂的地位变得越来越重要，因为它能够在取代人工在高温、潮湿的环境下工作，更好的提高了工作效率，改善了工厂的收益。本章主要从课题研究的背景、目的
11、及其意义等方面对该设计作出简要概述。 1.1 课题研究目的及意义 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来 随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。 可编程序控制器 (PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制
12、技术和计算机通信技术的飞速发展， PLC 在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一 1。 由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而 PLC 也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用 PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用 PLC 来控制的机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是通过 PLC 来实现自动化控制的。通过此次设计 可以更进一步学习 PLC 的相关知识
13、，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践 2。 1.2 国内外机械手研究概况 机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过 40 多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉基于 PLC 的机械手控制系统设计 3 器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感 装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发
14、展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能 3。 目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作 ，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将
15、越来越多地装备部队 4 5。 国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。 国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、 点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术
16、；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础 6。 1.3 课题研究的内容 本课题主要研究的是基于 PLC 的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。通 过设计编制 PLC 程序实现机械手 控制系统的自动控制。硬件部分包括主电路图的设计、传感器的设计以及 PLC 控制电路设计。软件部分包括总体流程图、梯形图、编程指令等。 基于 PLC 的机械手控制系统设计 4 第 2 章 方案设计与论证 正如“建筑要稳固，地基要打好”，一个系统的设计能否成功，主要取决于它的方案是否合理，也就是说方案的选择
17、是设计系统的核心部分。本章主要就系统的驱动部分、控制部分等进行方案选择论证 ，并简述了系统的工作原理。 2.1 方案设计 1.方案一 ：集散控制系统（ TDCS） （ 1）硬件组成： TDCS、 A/D 转换器、 D/A 转换器、继电器、电机 、显示灯 （ 2）工作原理： D/A 转换器将外部开关信号转换成模拟信号，然后传给集散控制系统。集散控制系统通过 A/D 转换器将输出模拟信号转换成数字信号，从而控制电机的继电器线圈来控制各个电机的正反转，最终使机械手能够在 X 轴与 Y 轴运动。机械手的运动情况由显示灯进行指示。 （ 3）集散控制系统原理框图：如下图 2.1 所示 T D C S外 部
18、 开 关 A / D 转 换显 示 灯D / A 转 换 电 机继 电 器图 2.1 集散 控制系统原理框图 2.方案二 ：工业控制计算机系统（ IPCS） （ 1）硬件组成：主机板、外部总线、内部总线、人机接口、通讯接口 （ 2）工作原理： 工业控制计算机（简称工控机）是一种应用于工业生产过程控制的专用计算机，它能将生产的过程和管理调度相结合，从而使工业在就地控制加集中控制的基础上，进一步向自动化方向发展。 （ 3）工控机的硬件组成机构：如下图 2.2 所示 基于 PLC 的机械手控制系统设计 5 3.方案三： PLC 控制系统 （ 1）硬件组成： PLC、外部开关设备、电源、显示灯、继电器
19、、电机 （ 2）工作原理：外部开关设备将机械手的位置信号反馈给 PLC 主机， PLC 主机通过控制各个电机的继电器线圈的通断，从而控制电机的 正反转，使机械手能够在横轴与竖轴运动。机械手的运动状态通过显示灯指示。 （ 3） PLC 控制系统原理框图：如下图 2.3 所示 电 源P L C控 制 器外 部 开 关设 备显 示 灯继 电 器 电 机图 2.3 PLC 控制系统原理框图 2.2 方案论证 1、各自技术发展的起源 计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模Y 主机Y 人机一
20、接口 系统支持 硬盘系统 通信接口 数字量输入通道（ DI） 模拟量输出通道（ AO） 数字量输出通道（ DO） 图 2.2 工 控机的硬件组成结构 基于 PLC 的机械手控制系统设计 6 型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。 集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机 为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。 PLC 是由继电器逻辑系统发展而来，主要应用在工序控制上，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。 近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展， PLC
21、在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，增加了模拟量和 PID 调节等功能模块；运算速度提高， CPU 的能力赶上了工业控制计算机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络 (LAN)，因而也可构成为一个集散系统。特别是个人计算机也被吸收到 PLC 系统中。 PLC 在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。 2、 优缺点 方案一： TDCS 系统是一个大系统，其控制器功能强而且在系统中作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大；它属于封闭式系统，各公司产品基本不兼容；该系统的信息全都
22、是二进制或模拟信号行程的，必须有 D/A 和 A/D 转换；它可以控制和监测工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是由于自身的致命弱点，其 I/O 信号采 用传统的模拟量信号，因此它无法在 TDCS 工程师站上对现场仪表进行远方诊断、维护和组态。 方案二： 用工业 PC 机控制车库电机是早期用得比较多的一种控制方式，它可以充分利用一般计算机提供的各种软件和硬件资源，利用 WINDOWS 或其它操作系统，方便地对系统的进行控制。但是它要求设计人员单独设计系统的 I/0 接口电路，独立开发系统软件，编制软件的人员素质水平对系统控制有很大影响，因此它不具有通用性。 方案三： PLC 控制系统具有
23、 体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。由于 PLC 所具有的灵活性、模块化、 易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。机械手采用 PLC 控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，用PLC 控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。 3、相同点 基于 PLC 的机械手控制系统设计 7 在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看， PLC、工业计算机、集散系统 (TDCS)之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O 模件组成。编程方面也
24、有很多相同点。 4、不同点 由于 PLC 和计算机属于两类产品，经过几 十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。 PLC 用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。 特别需要提出的是， PLC 与 STD 总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。 PLC 更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于 STD 工控机，但是从开关量控制而言， PLC 的性能优于 STD 工控机。 总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面
25、考虑。没有 哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说根据不同的环境选择更适用的产品 7。 2.3 机械手控制方式的选定 PLC 实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用 PLC 厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。 PLC 自问世以来，经过 20 多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前， PLC 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品 8，用 PLC 设计自动控制系统已成为世界潮流。 PLC 之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高 可靠性、强抗各种干扰的能力。编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。 PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。 综上所述，本控制系统采用 PLC 控制方式。
