【文章內(nèi)容簡介】 據(jù)現(xiàn)場要求實現(xiàn)機械手的不同工作要求。機械手采用 PLC 控制技術(shù)，可以大大提高該系統(tǒng)的自動化程度，減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和 硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時，用 PLC 控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程，增強控制功能。 上述的選擇方案各有優(yōu)缺點， 這次 對于控制系統(tǒng)的設(shè)計不需要選擇速度最快的硬件器件， 也不需要可 視化的圖形編程語言和平臺 ， 而是在達到設(shè)計要求的前提下，盡量降低系統(tǒng)的運行速度和開發(fā)成 本， 提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 且要求能方便地更改工作流程，完成復(fù)雜的運動控制。 綜上所述，機械手的控制方式選擇 PLC控制。 （二） PLC 簡介 PLC 和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC 的硬件系統(tǒng)由微處理器 (CPU)、存儲器 (EPROM， ROM)、輸入輸出 (I/O)部件、電源部件、編程器、 I/O 擴展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過總線 (電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線 )連接而成。其結(jié)構(gòu)簡圖如下： 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 7 圖 1 PLC 硬件系統(tǒng)組成 圖 2控制面板示意圖 PLC 的軟件系統(tǒng)是指 PLC 所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個 PLC 成品必須包括的部分，由 PLC 廠家提供，用于控制 PLC 本身的運行，系統(tǒng)程序固化在 EPROM 中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 8 而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的 PLC 系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。 組成 中央處理單元（ CPU）、存儲器、 I/O 單元、電源部分、擴展接口、 通信接口 的特點 可編程序控制 器是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機。國內(nèi)外現(xiàn)有的機械手系統(tǒng)，它們的控制形式大都采用可編程序控制器控制，特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍。 其主要原因是因為 PLC具有以下優(yōu)點： 靈活、通用 可靠性高、抗干擾能力強 操作方便、維修容易 功能強 體積小、重量輕和易于實現(xiàn)機電一體化 同樣，可編程序控制器控制也有其不足的地方，在性價比上要高于繼電器控制和單片機控制，其開發(fā)潛力要差于單片機，并且通用性不好，不同廠家的可編程序控制器以及其附屬單元都是固定專用等等。 3. PLC 的主要功能 PLC 是一種應(yīng)用面很廣、發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動化 (FA)和計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS)內(nèi)占重要地位。 PLC 系統(tǒng)主要有以下功能： 多種控制功能； 數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能； 通信聯(lián)網(wǎng)功能； 輸入、輸出接口調(diào)理功能； 人機界面功能； 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 9 編程、調(diào)試功能。 PLC 的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應(yīng)地降低了價格。另外，采用 PLC 還可以大大縮短設(shè)計、編程和投產(chǎn)周期，使總 價格進一步降低。 PLC 產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求。 4. PLC 的經(jīng)濟 性 分析 綜上所述，在各種環(huán)境中，使用 PLC 控制機構(gòu)設(shè)備，生產(chǎn)流水線和生產(chǎn)過程的自動化控制將越來越廣泛。 對 PLC 的經(jīng)濟分析，應(yīng)從以下 兩個 方面考慮： （ 1） 從影響成本的各個因素綜合考慮 對目前生產(chǎn)設(shè)備控制裝置來說，有繼電器控制 、 半導(dǎo)體器件控制 以及 PLC 控制 三種類型 。價格僅是選擇 PLC 品牌的一個因素，而可靠性是選擇控制裝置時需要考慮的又一個重要因素。 （ 2）從設(shè)計、生產(chǎn)周期長短考慮 的應(yīng)用領(lǐng)域 及 發(fā)展?fàn)顩r PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的界限，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時日常維護也變得容易起來，更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。使用情況主要分為如下幾類： 開關(guān)量邏輯控制 工業(yè)過程控制 運動控制 數(shù)據(jù)處理 通信及聯(lián)網(wǎng) 現(xiàn)代 PLC 的發(fā)展主要有兩個趨勢：一是向體積更小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展。 的選型 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 10 對于 PLC 的選擇 ,我們必須考慮多方面的因素。例如輸入 、輸出的最多點數(shù) ,掃描速度、內(nèi)存容量、 指令條數(shù) 、 功能模塊等。同時還要考慮其經(jīng)濟實用性以及工作環(huán)境對其的影響。 PLC 發(fā)展這么多年 ， 技術(shù)成熟 ， 各種型號的也很多 ， 各個廠家生產(chǎn)的也有一定區(qū) 別 ，各個重點發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計需要，國的信息與通訊、自 動化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個行業(yè)中， 其核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工業(yè)解決方案。 歐姆龍 S7200 系列 PLC 突出的特點 可靠性高、操作簡便 豐富的內(nèi)置集成功 能 、強勁通訊能力、豐富的擴展模塊、 簡單、易用的 Micro/WIN 編程軟件。 OMRON 的可編程序控制器更加小型化。 SYSMAC、 CPM1A 的大小僅相當(dāng)于一個 PC卡 (對于 10點的機型來說 )， 從而使安裝體積大幅度減小 ， 同時也進一步節(jié)省了控 制柜的空間。它不僅具備了以往小型 PLC 所具備的功能 ， 而且還可連接可編程序終 端， 為生產(chǎn)現(xiàn)場創(chuàng)造了新的環(huán)境。編程環(huán)境與 CQM1 及 SYSMAC A 等機種相同。由 于原有 SYSMAC 支持軟件及編程器都可繼續(xù)使用 ， 故而系統(tǒng)的擴展及維護都可簡單 進行。 三菱 FX 系列可編程控制器是當(dāng)今國內(nèi)外最 新 ， 最具特色、最具代表性的微型PLC。 在 FX 中 ， 除基本的指令表編程方式外 ， 還可以采用梯形土編程及對應(yīng)機械動作流程 進行順序設(shè)計的 SFC 順序功能圖編程 ， 而且這些程序可互相轉(zhuǎn)換。在 FX系列 PLC 中設(shè)置了高數(shù)計數(shù)器，對來自特定的輸入繼電器的高頻脈沖進行中斷處理， 擴大了 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。其 FX2N PLC 還可以采用作為擴展設(shè)備的硬件計數(shù)器 ，可獲取最 高 50kHz 的高速脈沖。 7. 確定型號 FX2N48MR 綜上，對于被控對象， 采用 PLC 系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較 ， 力求具有較好的性價比，使用和維修方便， 選用 的 PLC 主機和配置、控制功能等必須能 滿足被控對象的各種控制要求， 選用的 PLC 主機及配置必須是功能較強的新一代 PLC 機型，一般最好不要選用舊機型， 若采用三菱公司的 PLC， 則選 FX 系列不選 F1系列。同時還應(yīng)當(dāng)考慮將來工藝的變化和擴展，在滿足確定的要求外， 留有一定的 余量，確保整個控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對產(chǎn)品的熟悉程度， 以及編程指令的易 懂性。在此， 我選用三菱 FX1N 來做控制核心。 FX系列 PLC 是由三菱公司近年來推 出的高性能小型可編程控制器， 以逐步替代三菱公司原 F、 F F2系列 PLC 產(chǎn)品。 其中 FX2 是近年推出 的產(chǎn)品 ， FX0 是在 FX2 之后推出的超小型近幾年來又連 續(xù)推出了將眾多功能凝集在超小型機殼內(nèi)的 FX0S、 FX1S、 FX0N、 FX1N、FX2N、 FX2NC 等系列 PLC， 具有較高的性能價格比 ， 應(yīng)用廣泛。它們采用整體式和模塊式 相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)。 FX 系列的結(jié)構(gòu)功能 可編程控制器是一種工業(yè)控制微型計算機， 它的結(jié)構(gòu)原理與微型計算機相似。硬件構(gòu)成有微處理器、存儲器和各種輸入、輸出接口。系統(tǒng)程序和接口器件又與微機不 同， 這使它的操作使用方法、編程語言、工作方式等與微型機有所不同。西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 11 PLC 是用微 處理器實現(xiàn)繼電器 、定時器和計數(shù)器以及 A/D、 D/A 模擬轉(zhuǎn)換器件的組合體的功能 ， 采用軟件編程進行它們之間的聯(lián)系。 本設(shè)計采用 FX系列 PLC 作為控制核心 ， 所以現(xiàn)在就以它來講述 PLC 的應(yīng)用知識、操作技能。 FX 系列 PLC 硬件組成與其它類型 PLC 基本相同 ， 主體由三部分組成， 其 PLC 的基本結(jié)構(gòu)如圖 21 系統(tǒng)電源有些在 CPU 模塊內(nèi) ， 也有單獨作為一個單 元的， 編程器一般看作 PLC 的外設(shè)。 PLC 內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu) ， 進行數(shù)據(jù)和指令的傳 輸。 外部開關(guān)信號、模擬信號以及各種傳感器檢測信號作為 PLC 的輸入變量它們 經(jīng) PLC 的輸入端子進入 PLC 的輸入存儲 器 ， 收集和暫存被控對象實際運行的狀態(tài)信 號和數(shù)據(jù) ， 經(jīng) PLC 內(nèi)部運算與處理后 ， 按被控對象實際動作要求產(chǎn)生輸出結(jié)果 ， 輸 出結(jié)果送到輸出端子作為輸出變量， 驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。 PLC的各個部分協(xié)調(diào)一致地實現(xiàn) 對現(xiàn)場設(shè)備的控制。 當(dāng)輸出口連接電感類設(shè)備時， 為了防止電路關(guān)斷時刻產(chǎn)生高壓對輸入、輸出口造成破壞，應(yīng)在感性元件兩端加保護元件。對于直流電源，應(yīng)并接續(xù)流二極管， 對于交流電路應(yīng)并接阻容電路。阻容電路中電阻可取 51120Ω ,電容取 ,電 容的額定電壓應(yīng)大于電源的峰值電壓。續(xù)流二極管可 選 1A 的管子 ,其額定電壓應(yīng)大 于 電 源 電 壓 的 3 倍。圖 22 為 輸 入 輸 出 口 的 保 護 環(huán) 節(jié) 示 意 圖 。 圖 2 輸入輸出保護 （ 三 ） 組態(tài)王簡介 組態(tài)王 是一套用于快速構(gòu)造和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件 ， 它具有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、 經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。 通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計通過組態(tài) 王 軟件對機械手進行監(jiān)控，將機械手的動作過程進行了動畫顯示，使機械手的動作過程更加形象化。 能夠方便的和 PLC 進行連接，故采用組態(tài)王作為上位機軟件。 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 12 使用組態(tài)王實現(xiàn)控制系統(tǒng)實驗仿真的基本方法： (1)圖形界面的設(shè)計 (2)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫 (3)建立動畫連接 (4)運行和調(diào)試 使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個特點 : (1)實驗全部用軟件來實現(xiàn) ,只需利用現(xiàn)有的計算機就可完成自動控制系統(tǒng)課程的實驗 ,從而大大減少購置儀器的經(jīng)費。 (2)該系統(tǒng)是中文界面 ,具有 人機界面 友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點。對用戶而言 ,操作簡單易學(xué)且編程簡單 ,參數(shù)輸入與修改靈活 ,具有多次或重復(fù)仿真運行的控制能力 ,可以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線 ,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實時趨勢曲線 ,這些很強的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實驗中可以發(fā)揮理想的效果。 在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制 應(yīng)用程序 過程中要考慮以下三個方面 : (1)圖形 ,是用抽象的圖形畫面 來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的 工控 設(shè)備。 (2)數(shù)據(jù) ,就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫 ,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性 ,比如水位、流量等。 (3)連接 ,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運行 ,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令 。 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 13 圖 2 組態(tài)王 軟件操作 界面 （四）機械手系統(tǒng)介紹 本次畢業(yè) 設(shè)計使用的是 QSPLCJXS 機械手模型 裝置。 機械手實物教學(xué)模型 的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等機械部件組成；電氣方面有步進電機、直流電機、步進電機驅(qū)動器、傳感器、開關(guān)電源、電磁閥等電子器件組成。該模型是 PLC 技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動技術(shù)有機結(jié)合成一體的教學(xué)儀器。 可實現(xiàn)機械手五維控制，完成料塊的碼放、移動等。 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 14 圖 該系統(tǒng)由機械手本體、 PLC 控制單元、電源單元、接口單元，其部件的實物結(jié)構(gòu)如下圖所示： 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 15 圖 4. 立體機械手結(jié)構(gòu)實物示意圖 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 16 機械手本體按功能分為由二軸平移機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)底盤、 旋轉(zhuǎn)手臂機構(gòu)、氣動夾手、支架、限 位開關(guān)等部件組成； 按活動關(guān)節(jié)分為 S 軸、 L 軸、 U 軸、 T 軸、 B 軸等機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如下所示： 圖 5. 機械手結(jié)構(gòu)示意圖 機械手本體的活動范圍： （ 1）底盤的旋轉(zhuǎn)角度：大于 270176。 （ 2）旋轉(zhuǎn)手臂的范圍：大于 270176。 （ 3）水平移動的范圍：小于 21cm （ 4）垂直移動的范圍：小于 15cm 西南科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 17 （ 1） 步進電機 采用 Syntron 42BYG250C 兩相混合式步進電機來控制機械手的動作，相比直流電機有更好的制動效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機械手的運動更加穩(wěn)定。主要特點：體積 小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點。本模型中采用串聯(lián)