1、 韶关市职工大学 韶关市第二技师学院 毕业论文 题目 : 三菱 plc 控制机械手设计系统 系别：电气自动化工程系 专业系别： 14 电气自动化双高 学生姓名：饶金荣 学号： 42 指导教师：王建军老师 温惠萍老师 李集祥老师 摘 要 可编程序控制器 (PLC)是近年来发展极为迅速，应用面极广，以微处理器为核心，集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。 PLC 的广泛应用，已经给生产带来 许多的好处 ， 它具有功能齐全、使用方便、维护容易、通用性强、可靠性好、性能价格比高等特点，已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用，成为实现工业自动化的一种强有力工具。比如 plc 控制
2、的机械手在搬运工件方面的应用，以前一直采用人工搬运物料，不仅工人的劳动强度大，安全性差，而且效率低。本文分析了机械手和 PLC 之后，我们采用 PLC 控制的机械手进行物件的搬运来代替人力。 本文基于汇川公司的 PLC，提出了 PLC 控制 工件传送机械手 PLC 控制系统 的设计方法。重点研究了实验开发系统的工作原理、硬件部分的主要构成，以及硬件部 分的设计、安装调试和实验应用开发。讨论了汇川PLC 指令系统、编程语言和程序设计方法，分析了汇川 PLC 专用编程软件在本系统中具体应用， 关键词： 机械手， PLC， - 2 - 第一章 概述 1.1 PLC 产生、定义及发展趋势 1.1.1
3、PLC(可编程逻辑控制器 )的产生 PLC(可编程逻辑控制器 )是 20世纪 60年代末期逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。近几年来， PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到极其广泛的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技 术。 在 PLC出现以前，继电器控制曾得到广泛应用，在机电设备和工业过程控制领域中占有主导地位。但是继电器控制系统有明显的缺点；体积大，可靠性低，故障查找困难，特别是因为它是由硬接线逻辑构成的系统，造成了接线复杂，容易出故障，对生产工艺变化的适应性较差。 20世纪 60年代未，美国最大的汽车制造商通用汽车公
4、司 (GM)为了适应汽车型号不断更新的需要，试图寻找一种新的生产线控制方法，使之尽可能地减少重新设计继电器控制系统的工作量以及尽量地减少控制系统硬连接线的数量，以降低生产成本，缩短制造周期，减少生产线的故障率，从而有效地提高生产效率。当时，电子计算机的硬件己经基本完备，其主要功能是通过软件来实现的，因此具有灵活性、通用性等优点，但价格相对来说比较昂贵，于是他们想到了把继电器控制系统简单易懂、操作方便、价格便宜的长处与计算机灵活、通用的优点结合起来，用来制造一种新型的工业控制装置，并进而采用招标的方式，首先是美国数字设备公司 (DEC)研制出符合上述想法的工业控制装置，命名为可编程逻辑控制器，即
5、PLC( Programmable Logic Controller)。 1969年，第一台 PLC在 GM公司汽车生产线上首次运 行，成功地取代了沿用多年的继电器控制系 统，尽管当时的 PLC功能仅具有逻辑控制、定时、计数等功能，但却标志着一种新型装置问世。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展， 20世纪 70年代中期又出现了微处理器和微型计算机，这些新技术很快也被用到 PLC之中，使- 3 - 得 PLC不仅其有逻辑控制功能，而且还增加了运算、数据处理和传送等功能，从而成为具有计算机功能的新型工业控制装置。 1980年美国电器制造商协会 (NEMA)正式将其命名为可编程控制器 (Progr
6、ammable Controller)简称 PC. PLC(可编程逻辑控制器 )的定义 国际电商委员会 (IEC)于 1982 年 11 月和 1985 年 1 月颁布了可编程控制器的第一稿和第二稿，对可编程控制器作了如下的定义 :“ 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它可采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计” 。之 所 以 把可编程控制器简称为 P
7、C,因为它已经不 再是仅具有逻辑控制功能的装置了口只是由于 20 世纪 80 年代崛起的个人计算机 ( Personal Computer)也简称为 PC。为了加以区别，人们又把可编程控制器简称为PLC。本文均称其为 PLC. 可编程逻辑控制器 (PLC)的特点 1）可靠性高 由于制造 PLC 时在硬件和软件两个方面采用了一系列抗干扰措施，如屏蔽、滤波、隔离、故障诊断等，使 PLC 具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间可达到 5 万到 10 万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。 2）编程简单 PLC 是面向工控现场 设计的，他经常采用的是一种面向控制过程的梯形图语言，梯形图语言
8、与继电器原理图相类似，具有形象直观、易学易懂的优点，便于电气工程技术人员掌握。 3）使用方便 使用 PLC 时只需进行和输入、输出接口相关的少量电气接线，当控制- 4 - 要求发生改变时，梯形图程序修改非常容易。 PLC 的功能强大，主要有逻辑控制、定时控制、技术控制、步进控制、数据处理等基本功能，有的PLC 还有 A/D、 D/A 转换及通信联网的功能。由于可编程控制器产品已系列化、标准化、模块化，因此能灵活方便地进行系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系 统。 单片机不能适应太复杂的工作环境，抗干扰性能没有 PLC 强，编程复杂，不易掌握，单片机的开发是需要大量的技术人员的共同努力才能够
9、实现的，其接线复杂，因此在工业控制时，人们会选择简单易学易于控制的PLC 作为工控机。 PLC 的主要应用领域包括：专用机床，纺织机械、包装机械、通用机械工程应用、控制系统、机床、电器制造工业及相关产业等等。 (可编程逻辑控制器 )发展趋势 一、向高速度、大存储量方向发展 为提高处理能力，要求 PLC 具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前大中型 PLC.的速度可达 0.2ms/k 步左右。 各大公司都把 PLC 的扫描速度作为一个很重要的竞争指标。 二、向多品种方向发展 目前中小型 PLC 比较普遍。为适应市场的多种需要，今后 PLC 发展要向多品种方向，特别是向超大型和超小型两个方向发展
10、。目前开关量输入输出点数达到 8192 点的大型 PLC 己比较多。为适应大规模控制系统的需要，输入输出点数还在增加。例如 Modicon 公司的 984-780、 984 785的最大开关量输入输出点数为 16384,西门子公司的 S5- 55U 为 10K 点，Reliance Electric 公司的 DCS- 5000 为 12K 点。 三 、编程语言多样化 PLC 系统结构不断发展的同时，编程软件也在不断发展。编程语言朝着多种编程语的方向发展。尽管大多数 PLC 采用继电器梯形图语言( RLL )，但是新的编程语言还是不断出现，现在有部分 PLC 已采用高级- 5 - 语言 (如 B
11、ASIC 语言等 )，例如 Teletrol 系统公司的 286 集成系统就是用C 语言，使个人计算机技术得以溶入 PLC 之中。 四、发展智能模块 智能模块是以微处理器为基础的功能部件。它可以与 PLC 的主 CPU并行工作，占用主 CPU 的时间很少，有利于提高 PLC 的扫描速度。发展智能模块可进一步提高 PLC 处理信息的能力和控制功能。 工业机械手的概述 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动
12、化的有机结合。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如： (1)机床加工工件的装卸，特别是在 自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 (2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中 它可以用来组装零部件。 (3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 (4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 (5)宇宙及海洋的开发。 (6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。 - 6 - 机
13、械手的组成 机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。 1.执行机构 机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。 2传动系统 执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。 3.控制系统 机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速
14、度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继 电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。 4辅助装置 辅助装置是机械手各部的连接装置，如，油箱、管道、仪表、基座等。 机械手按使用用途分：专用机械手、通用机械手。 传动方式分：机械式机械手、液压式机械手、气压式机械手、电动机械手。 机械手应用好处 进入信息时代，科学技术高速发展的今天，传统的机械手面临着一场严峻的挑战，它要生存要发展就必须要进行一场深刻的变革，自动化技- 7 - 术就越来越受到各方面的关注，在机械手上提高自动化程度 几乎成了
15、有识之士的共识。近几年来，自动化机械手的应用出现了日新月异的可喜局面，它将对提高产品质量、提高工作效率、节约能源、降低生产成本、减少消耗、增加企业的竞争力，缩小同发达国家的差距等都将起到重要的作用。 生产自动化的实质就是利用机械装置来代替人，来完成人的工作(劳动 )。把人从繁重、单调、恶劣的环境中解放出来。它能长时间、不知疲倦地按人们的意愿工作。物料分拣自动化的重要环节一一机械手己被人们研究了几十年，也应用了几十年，并得到了飞速的发展，它己经被应用到人类生活的各个方面，它已经成了人类的好朋友，伴随它的 发展，它将对人类的生产、生活做出更大的贡献。 PLC 选型 一、控制要求分析及 I/O 点统
16、计 系统运行前，由运转。 PLC 的输入端有单周期运行启动按钮，循环启动启动、停止按钮，机械手夹紧 SQ1，左限位 SQ2,右限位 SQ3,上升限位 SQ4,下降限位 SQ5,光电开关 SQ6.等 9 个输入端。输送带 A、 B 运转，手臂上升、下降、左摆、右摆、手抓抓工件等 7 个 PLC 输出端。 根据设计要求：物料分拣 PLC 系统需要输入点 9 个，输出点 7个，其 I/O 接口共 16 个，为保证 20%的余量，其 I/O 应不小于 32 个 ;根据其控制要 求及 I/O 点，对此系统进行进行分析，我们将选用 FX2N型的 PLC 控制本系统。 - 8 - 图 3-1 FX2N-32
17、M 可编程控制器 输入输出 32 点 内置 RAM 存储器（ 8000 步）。电池后备。使用选件盒时最大可达 16000步。 实时时钟：内置于基本单元中（可与公历 4 位对应，有闰年调整功能） 基本指令： 27 种 步进梯形图指令： 2 种（可表示 SFC） 应用指令： 28 种 内置运行 /停止开关（也具有外部运行 /停止功能） 可在程序中写入程序。 二、汇川 PLC 的介绍 汇川公司的 PLC 是较早进入中国市场的产品。其小型机 F1/F2 系列是F 系列的升级产品，早期在我国的销量也不小。 F1/F2 系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比 F 系列有了更强的控制能力。继F
18、1/F2 系列之后， 20 世纪 80 年代末汇川公司又推出 FX 系列，在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有了全面的加强。 FX2 系列是在 90 年代开发的整体式高功能小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。FX2N 几年推出的高功能整体式小型机，它是 FX2 的换代产品，各种功能都有了全面的提升。近年来还不断推出满足不同要求的微型 PLC，如 FXOS、FX1S、 FX0N、 FX1N 及系列等产品。 汇川公司的大中型机有 A 系列、 QnA 系列、 Q 系列，具有丰富的网络功能， I/O 点数可达 8192 点。其中 Q 系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双 C
19、PU 协同处理、多存储器、远程口令等特点，是汇川公司现有 PLC 中最高性能的 PLC。 汇川 PLC 中的 FX2N：是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当 FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出 16 25点的独立用途外，- 9 - 还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的 PLC。 特点： -系统 配置即固定又灵活； -编程简单； -备有可自由选择，丰富的品种； -令人放心的高性能； -高速运算； -使用于多种特殊用途；-外部机器通讯简单化； -共同的外部设备。 在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行 16-256 点的灵
20、活输入输出组合。可选用 16/32/48/64/80/128 点的主机，可以采用最小 8 点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置 8000 步 RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至 16K 步。 丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入 过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。 便利指令数字开关的数据读取， 16 位数据的读取，矩阵输入的读取，7 段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。 特殊用途、脉冲输出（ 20KHZ/DC5V， 10KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID 控
21、制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送， ASCII code 印刷，HEXASCII 变换，校验码等。 FX2N 系列 PLC 拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点； FX2N 是从 16 路到 256 路输入 /输出的 多种应用的选择方案； FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于 FX 系列中最高档次的超小形程序装置。所以本系统选用了 FX2N 系列 PLC。 2.3 其它外部器件选型 一、光电传感器选型 光电传感器是采用光电元件作为 检测元件 的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由 光源 、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测
