【文章內(nèi)容簡介】 基本單元外形，其主要是通過輸入端子和輸出端子與外部控制電器聯(lián)系的。輸入端子連接外部的輸入元件，如按鈕、控制開關(guān)、行程開關(guān)、接近開關(guān)、熱繼電器接點(diǎn)、壓力繼電器接點(diǎn)、數(shù)字開關(guān)等。輸出端子連接外部的輸出元件，如接觸器、繼電器線圈、信號(hào)燈、報(bào)警器、電磁鐵、電磁閥、電動(dòng)機(jī)等。 圖 22（三菱 FX2N 系列 PLC 實(shí)物圖） 工作過程 （ 1）輸入采樣階段 PLC 在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態(tài)存入相對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器中。此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。接著，進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在此階段和輸入刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無論輸入端信號(hào)如何變化，其內(nèi)容保持不變，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的新內(nèi)容。 （ 2）程序處理階段 根據(jù) PLC 梯形圖程序掃描原則， PLC 按從左至右、從上到下的步驟順序執(zhí)行程序。當(dāng)指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時(shí)， PLC 就從輸入映像寄存器中“讀入 ” 對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入 ” 對(duì)應(yīng)元件（軟繼電器）的當(dāng)前狀態(tài)。然后進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對(duì)元件映像寄存器來說，每個(gè)元件（軟繼電器）的狀態(tài)會(huì)隨著程序執(zhí)行過程而變化。 （ 3）輸出刷新結(jié)果階段 在所有指令執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通/斷開）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出，最后經(jīng)過輸出端子 9 驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 機(jī)械手 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。他的特點(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)器手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在我國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)器手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合性技術(shù)。 機(jī)械手的工作原理 機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新匯編程序以變動(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)境中的工作。工業(yè)機(jī)械手是近似自動(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)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越 多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有 2～ 3個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或 dsp 等微控制芯片構(gòu)成，通過對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。 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)。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此，它能大大地改善工人的勞動(dòng)條件，顯 著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，并投入了大量的物力和財(cái)力加以研究和應(yīng)用。 10 尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染場合，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。 本項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型可以歸為一類，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)常用的技術(shù) 機(jī)械手的發(fā)展趨 勢(shì) 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，人工工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡單化，對(duì)于一些往返的工作有機(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東西對(duì)人體的傷害，如：冶金，化工，醫(yī)藥，航天等。代表當(dāng)代最先進(jìn)的技術(shù)在日本，他的自動(dòng)化。人性化讓人嘆為觀止，這些技術(shù)依賴于控制理論、新材料科學(xué)，它是融合現(xiàn)在尖端技術(shù)的現(xiàn)代機(jī)器。我國也在陸續(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)化技術(shù)有待提高發(fā)展趨勢(shì)是工作強(qiáng)多高靈活性強(qiáng)，準(zhǔn)確可靠，可以自動(dòng)檢測并下 達(dá)動(dòng)作命令，融入先進(jìn)的人工智能使人只做平時(shí)的簡單維護(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，逐步成為機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單 11 第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案分析設(shè)計(jì) 控制要求 利用 MCGS 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)一機(jī)械手組態(tài)控制系統(tǒng)，機(jī)械手可以上下、左右移動(dòng)；利用上下、左右限位開關(guān)控制機(jī)械手啟停；機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按以下動(dòng)作進(jìn)行：原點(diǎn) — 啟動(dòng) — 下行（到下限位停） — 抓工件 — 上行（到上限位停） — 右行（到右限位停） — 下行（到下限 位停） — 放工具 — 上行（到上限位停） — 左行（到左限位停）。在機(jī)械手運(yùn)行過程中，任何時(shí)候都可以利用急停按鈕，停止機(jī)械手動(dòng)作。 （一）利用 PLC 編寫程序控制組態(tài)畫面中變量的變化 （二）利用 PLC 的輸入信號(hào)控制組態(tài)畫面，也可利用組態(tài)中各軟按鈕控制PLC 程序的運(yùn)行和組態(tài)運(yùn)行 方案設(shè)計(jì) 利用 MCGS 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)一機(jī)械手組態(tài)控制系統(tǒng) ,利用機(jī)械手上下左右移動(dòng)碰到的限位開關(guān)作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)按鈕和一個(gè)急停按鈕來控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)成一個(gè)機(jī)械手畫面，通過動(dòng)畫連接和腳本程序。與 PLC的聯(lián)合調(diào)試 使系統(tǒng)達(dá)到可以在 MCGS系統(tǒng)中監(jiān)控機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)可以利用 PLC 程序控制組態(tài)畫面的要求。 12 圖 31 圖 32 13 硬件設(shè)計(jì) 輸入 /輸出端子地址分配 代號(hào) 名稱 輸入編號(hào) 代號(hào) 名稱 輸出 SB1 啟動(dòng)按鈕 X0 KM1 機(jī)械手上行 Y002 SB2 停止按鈕 X1 KM2 機(jī)械手下行 Y003 SQ1 下限行程 X2 KM3 機(jī)械手左行 Y004 SQ2 上限行程 X3 KM4 機(jī)械手右行 Y005 SQ3 左限行程 X4 KM5 抓工件 Y006 SQ4 右限行程 X5 KM6 放工件 Y007 PLC 接線圖 14 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) GX Developer 是三菱 PLC 的編程軟件。適用于 Q、 QnU、 QS、 QnA、 AnS、AnA、 FX 等全系列 可編程控制器 。支持梯形圖、指令表、 SFC、 ST 及 FB、 Label語言程序設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進(jìn)行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫 PLC 程序功能。 GX Developer 的特點(diǎn) 1. 軟件的共 通化 GX Developer 能夠制作 Q 系列， QnA系列， A系列（包括運(yùn)動(dòng)控制（ SCPU）） ,FX系列的數(shù)據(jù) ,能夠轉(zhuǎn)換成 GPPQ,GPPA 格式的文檔。 此外，選擇 FX 系列的情況下，還能變換成 FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文檔。 2. 利用 Windows 的優(yōu)越性，使操作性飛躍上升能夠?qū)?Excel,Word 等作成的說明數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，粘貼，并有效利用。 3. 程序的標(biāo)準(zhǔn)化 (1) 標(biāo)號(hào)編程 用標(biāo)號(hào)編程制作可編程控制器程序的話，就不需要認(rèn)識(shí)軟元件的號(hào)碼而能夠根據(jù)標(biāo)示制作成標(biāo)準(zhǔn)程序。 用標(biāo)號(hào)編程做成的程序能 夠依據(jù)匯編從而作為實(shí)際的程序來使用。 (2) 功能塊（以下，略稱作 FB） FB是以提高順序程序的開發(fā)效率為目的而開發(fā)的一種功能。把開發(fā)順序程序時(shí)反復(fù)使用的順序程序回路塊零件化，使得順序程序的開發(fā)變得容易。此外，零件化后，能夠防止將其運(yùn)用到別的順序程序時(shí)的順序輸入錯(cuò)誤。 (3) 宏 只要在任意的回路模式上加上名字（宏定義名）登錄（宏登錄）到文檔，然后輸入簡單的命令就能夠讀出登錄過的回路模式，變更軟元件就能夠靈活利用了。 4. 能夠簡單設(shè)定和其他站點(diǎn)的鏈接 由于連接對(duì)象的指定被圖形化而構(gòu)筑成復(fù)雜的系統(tǒng)的情況下也 能夠簡單的設(shè)定。 5. 能夠用各種方法和可編程控制器 CPU 連接 (1) 經(jīng)由串行通訊口 (2) 經(jīng)由 USB (3) 經(jīng)由MELSECNET/10(H)計(jì)算機(jī)插板 (4) 經(jīng)由 MELSECNET(Ⅱ) 計(jì)算機(jī)插板 (5) 經(jīng)由 CCLink 計(jì)算機(jī)插板 (6) 經(jīng)由 Ether 計(jì)算機(jī)插板 (7) 經(jīng)由 CPU 計(jì)算機(jī)插板 (8) 經(jīng)由 AF計(jì)算機(jī)插板 6. 豐富的調(diào)試功能 (1) 由于運(yùn)用了梯形圖邏輯測試功能，能夠更加簡單的進(jìn)行調(diào)試作業(yè)。 (a) 沒有必要再和可編程控制器連接。 (b) 沒有必要制作條使用的順序程序 。 (2) 在幫助中有CPU 錯(cuò)誤，特殊繼電器 /特殊寄存器的說明，所以對(duì)于在線中發(fā)生錯(cuò)誤，或者是程序制作中想知道特殊繼電器 /特殊寄存器的內(nèi)容的情況下提供非常大的便利。 (3) 數(shù)據(jù)制作中發(fā)生錯(cuò)誤況時(shí)，會(huì)顯示是什么原因或是顯示消息，所以數(shù)據(jù)制作的時(shí)間能夠大幅度縮短。 常用編程方法介紹 15 1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 在一些典型的控制環(huán)節(jié)和電路的基礎(chǔ)上 ,根據(jù)被控制對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的具體要求 ,憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇、組合。有時(shí)為了得到一個(gè)滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果 ,需要進(jìn)行多次反復(fù)地調(diào)試和修改 ,增加一些輔助觸點(diǎn)和中間編程元件。這種設(shè)計(jì) 方法沒有一個(gè)普遍的 規(guī)律 可遵循 ,即具有一定的試探性和隨意性 ,最后得到的結(jié)果也不是唯一的 ,設(shè)計(jì)所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)多少有關(guān)。 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)于一些比較簡單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)比較有效的 ,可以收到快速、簡單的效果。但是 ,由于這種方法主要時(shí)依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì) ,所以對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求也比較高 ,特別時(shí)要求設(shè)計(jì)者有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) ,對(duì) 工業(yè) 控制系統(tǒng)和工業(yè)上常用的各種典型環(huán)節(jié)比較熟悉。對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng) ,經(jīng)驗(yàn)法一般設(shè)計(jì)周期長 ,不易掌握 ,系統(tǒng)交付使用后 ,維護(hù)困難。所以 ,經(jīng)驗(yàn)法一般只適合于比較簡單的或與某些典型系統(tǒng)相類似的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 2 接觸器 繼電器法 接觸器 繼電器法就是依據(jù)所控制電器的接觸器 繼電器控制線路原理圖，用 PLC對(duì)應(yīng)的符號(hào)和功能相當(dāng)?shù)钠骷?，把原來的接觸器 繼電器系統(tǒng)的控制線路直接翻譯成梯形圖程序的設(shè)計(jì)方法。接觸器 繼電器法特別適合于初學(xué)者編程設(shè)計(jì)使用，也特別適合對(duì)原有舊設(shè)備的技術(shù)革新和技術(shù)改造。 3 順序控制法 順序控制法 就是在生產(chǎn)控制過程中，按照生產(chǎn)工藝所要求的動(dòng)作規(guī)律，在各個(gè)輸入控制信號(hào)的作用下，根據(jù)所需要的狀態(tài)和時(shí)間順序，在生產(chǎn)過程中的各個(gè)輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地按照預(yù)先規(guī)定的順序有步驟地進(jìn)行操作。 順序功能圖法是首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)順序功能圖 ,然后再依據(jù)順序功能圖設(shè)計(jì)順序控制程序。在順序功能圖中 ,在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)使前級(jí)步的活動(dòng)結(jié)束而使后續(xù)步的活動(dòng)開始 ,步之間沒有重疊。這是系統(tǒng)中大量復(fù)雜的連鎖關(guān)系在步的轉(zhuǎn)換中得以解決。而對(duì)于每一步的程序段 ,只需處理極其簡單的邏輯關(guān)系。因而這種編程方法簡單易學(xué) ,規(guī)律 性強(qiáng)。設(shè)計(jì)出的控制程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好 ,程序的調(diào)試和運(yùn)行也很方便 ,可以極大地提高工作效率。 4 邏輯設(shè)計(jì)法 工業(yè)電氣控制線路中 ,有不少都是通過繼電器等電氣元件來實(shí)現(xiàn) ,而繼電器 ,交流接觸器的觸點(diǎn)都只有兩種狀態(tài)即吸合和斷開 ,因此 ,用“ 0”和“ 1”兩種取值的邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)電氣控制線路時(shí)完全可以的 ,PLC 的早期應(yīng)用就是替代繼電器控制系統(tǒng) ,因此用邏輯設(shè)計(jì)方法同樣也適用于 PLC 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。當(dāng)一個(gè)邏輯函數(shù)用邏輯變量的基本運(yùn)算式表達(dá)出來后 ,實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯函數(shù)的 線路就確定了。當(dāng)這種方法使用熟練后 ,甚至梯形程序也可以省略 ,可以直接寫出于邏輯函數(shù)和表 16 達(dá)式對(duì)用的指令語句程序。 用邏輯設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì) PLC 應(yīng)用程序的一般步驟如下 : 第一步：列出執(zhí)行元件動(dòng)作節(jié)拍表 第二步：繪制電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 。 第三步：進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì) 。 第四步：編寫程序 。 第五步：對(duì)程序檢測、修改和完善。 流程圖 該系統(tǒng)采用順序控制法， 在順序功能圖中 ,在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)使前級(jí)步的活動(dòng)結(jié)束而使后續(xù)步的活動(dòng)開始 ,步之間沒有重疊。這是系統(tǒng)中大量復(fù)雜的連鎖關(guān)系在步的轉(zhuǎn)換中得以解決。 17 梯形圖 用 三菱 PLC 的編程 軟件 GX Developer 編的梯形圖 18 19 20 語句表 21