【導讀】[1]王月芹.基于PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設計[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，[3]徐玲.基于MCGS組態(tài)軟件氣動機械手PLC控制系統(tǒng)設計[J].伺服控制，[5]劉小春.基于MCGS的PLC仿真實訓系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].自動化技術與應用，[6]吳青萍.基于MCGS軟件的機械手控制系統(tǒng)研制[J].液壓與氣動.2020，機械手是工業(yè)自動化領域中經常遇到的一種控制對象。展機械手研究逐漸成為一門新興學科，并得到了較快的發(fā)展。特別是在高溫、笨。點而受到廣泛重視?？傊?，機械手是提高勞動生產率，改善勞動生活條件，減輕工人勞。動強度和實現(xiàn)現(xiàn)代化的工業(yè)生產自動化的一個主要手段。不論國際還是國內的相關企業(yè)。通過設計和編寫PLC程序實現(xiàn)機械手模型控制系統(tǒng)的自動運行。通過PLC和MCGS就能實現(xiàn)機械手控制系統(tǒng)的動作過程，當工作人員在面臨高溫、腐蝕以及有毒氣體時，機械手的出現(xiàn)使這些難題迎刃而解。上位機監(jiān)控界面、能直觀檢驗機械手PLC控制系統(tǒng)的運行情況。實踐證明，PLC可編

　　

【正文】 傳感器與行程開關的選擇 本設計在控制機械手運行的過程中，需要有行程開關來控制機械手的行程位置，進而來控制機械手的動作。同時，需要 接近開關傳感器來感知機械手距離工件的位置。 行程開關 行程開關又稱限位開關，可以安裝在相對靜止的物體 (如固定架、門框等，簡稱靜物 )上或者運動的物體 (如行車、門等，簡稱動物 )上。當動態(tài)物體接近靜態(tài)的物體時，開關的連 桿驅動開關的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合。由開關接點開、合的不同狀態(tài)改變去控制電路和機構的動作。 行程開關主要用于將機械手的位移轉變成電信號，使電動機的運行狀態(tài)得以改變，從而控制機械動作或用作程序控制。 行程開關分為直動式、滾動式和微動式三種。直動式行程開關的優(yōu)點是結構簡單，成本低，但容易燒蝕觸頭；滾動式行程開關克服了直動式行程開關的缺點，但其結構復安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 11 雜，價格也較高，所以選擇微動式行程開關體積小，動作靈敏，適用于小型機構中使用。 本設計選用 LX19K 行程開關。 LX19 系列行程開關 ，適用于交流 50Hz，電壓至380V，直流電壓至 220V，約定發(fā)熱電流至 5A 的控制電路中，動作行程 ~ mm，作控制運動機構的行程和變換其運動方向或速度之用。 接近開關傳感器 接近開關：利用位移傳感器對接近物體的敏感特性制作的開關。接近開關有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍色接電源的負極、黑色為輸出信號，當與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。與 PLC 之間的接線圖如下，當傳感器動作時，輸出端對地接通。 PLC 內部光耦與傳感器電源構成回路， PLC 信號輸入有效，工作原理如圖 33 所示。 圖 33 接近開關傳感器與 PLC 連接的工作原理圖 PLC 程序設計 I/O 點數(shù)的確定及 PLC 類型的選擇 本次設計使用的是普通機械手作為被控對象。本裝置需采用晶體管輸出型可編程控制器，可同時輸出兩路脈沖到 機械手電磁閥 ，控制 機械手 運行。由于機械手系統(tǒng)的輸入/輸出點少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機對 PLC 進行監(jiān)控和管理，該機械手的控制為純開關量控制，且 I/O 點數(shù)不多，僅需 6 個輸入點和 7 個輸出點，考慮留有一 定的裕量。故選用日本三菱公司生產的多功能小型 FX1N24MTD 主機，該機輸入點為 14 個，輸出點為 10 個。 PLC 的 I/O 分配 根據機械手動作的要求及機械手實物教學實驗裝置說明指導，輸入、輸出點的分配如表 35 所 示。 岳文春：基于 MCGS 的機械手控制系統(tǒng) 設計 12 表 35 PLC 的 I/O 分配表 編程指 令的選擇 方案一：使用起保停電路的編程方式。用輔助繼電器代表步，僅僅使用與觸電和線圈有關的指令。編出程序規(guī)范，具有易于閱讀和容易查錯的優(yōu)點，但因為存在大量的自保持觸點，使程序代碼較長。 方案二：采用以轉換為中心的編程方式。這種編程方式與轉換實現(xiàn)的基本規(guī)則之間有著嚴格的對應關系，用它編制復雜的順序功能圖的梯形圖時，會有很大幫助。 方案三：采用 STL 指令的編程方式。 STL 指令（步進梯形指令）是三菱廠家設計的專門用于順序控制的指令，使用該指令可以使編制順序控制程序更加方便，而且易于調試和維護，且代碼較短。 經論證 本次設計采用的編程方式選用方案三。 機械手控制的流程設計 按照 機械手動作過程的實現(xiàn)，主要的控制過程的演示以及根據要求完成的動作，可以設計 出機械控制的流程圖，如圖 34 所示。 名稱 輸入 名稱 輸出 啟動 X0 夾緊工件 Y0 左限位 X1 下降 Y1 下限位 X2 上升 Y2 上限位 X3 右行 Y3 右限位 X4 左行 Y4 放松工件 Y5 復位 X7 原位 Y7 安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 13 啟 動 初 始 化是 否 循 環(huán) 下 降夾 緊 工 件保 持 3 s上 升右 移下 降放 松 工 件保 持 2 s上 移左 移停 止YN 圖 34 程序流程圖 根據對機械手控制系統(tǒng)的設計和各種型號的選擇，同時基于機械手控制動作的流程圖，即可設計出出機械手動作的程序流程圖如圖 35 所示。 三菱 PLC 的梯形圖見附錄 A 中的附圖 1； 相對應指令表見附錄 A 中的附圖 2。 岳文春：基于 MCGS 的機械手控制系統(tǒng) 設計 14 Y 5S E T X 2R S T Y 5X 4 X 5 X 0Y 1 下 降 X1 T 0 X 2 X3X 1 T 1 X 2 X 4T 0K 3 0Y2 上 升Y 3 右 移Y1 下 降X 6 上 限 位右 限 位下 限 位上 限 位左 限 位T 1K 2 0Y 2 上 升 Y 4 左 移下 限 位夾 緊放 松X 5 圖 35 程序流程圖 PLC 程序的調試 由于 PLC 是專門為工業(yè)生產環(huán)境設計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，都將不能保證 PLC 正常、安全、可靠的運行。因此，討論 PLC 設計調試就具有十分重要的意義。 安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 15 PLC 控制的安裝與布線 輸入接線 （ 1）輸入接線一般不要超過 30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。 （ 2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開 。 （ 3）利用普通二極管恰當?shù)拇釉?PLC 輸入回路中，防止信號干擾，使 PLC 輸入信號大大增強。 電源接線 電源是 PLC 引入干擾的主要途徑之一， PLC 應盡可能取用電壓波動較小、波形畸變較小的電源，這對提高 PLC 的可靠性有很大幫助。 PLC 的供電線路應與其他大功率用電設備或強干擾設備（如高頻爐、弧焊機等）分開。為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。 PLC 供電電源為 50Hz、 220V?10%的交流電 。由于本設計使用的是 FX1N系列可編程控制器，所以有直流 24V 輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關或接近開關）提供直流 24V 電源。 接地 正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是 PLC 控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對 PLC 控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。良好的接地是保證 PLC 可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制 器接上了專用接地線。 機械手控制系統(tǒng)的外部接線圖 PLC 外部電氣接線圖見附錄 A 中的附圖 3。 機械手控制程序的調試 在程序調試過程中出現(xiàn)了一系列的問題，但最終都一一解決了。在使用 STL 指令編程時，剛開始由于對 STL 指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯誤，加上機械手模型裝置本身存在的一些問題，所以在調試程序時，機械手動作不符合控制要求。經過不斷查閱資料，研究、改進，最終程序調試成功。機械手運行良好，動作正確、符合控制要求。 岳文春：基于 MCGS 的機械手控制系統(tǒng) 設計 16 第 4 章 控制系統(tǒng)在 MCGS 中的軟件設計 MCGS 的編程語言和數(shù)據結構 MCGS 全中文組態(tài)軟件，采用 C++語言編制，核心為組態(tài)結構。它是基于WIN95/98/NT 視窗結構，能夠快速構造和生成數(shù)據管理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等界面，輕松實現(xiàn)各種工程曲線、報表、數(shù)據瀏覽、遠程通訊、遠程采集、遠程診斷等功能的先進軟件。 MCGS 組態(tài)軟件采用 Basic 的腳本語言編程，有強大的圖形化流程策略組態(tài)工具，使編程工作降到最少，因而獲得用戶的喜愛 [7]。 MCGS 數(shù)據庫管理功能強大，分為數(shù)據前處理（可以對設備采集進來的數(shù)據進行多種數(shù)值處理）、數(shù)據后 處理（可通過各種內部函數(shù)、運算符、腳本程序對實時采集的數(shù)據進行處理）、實時數(shù)據處理（提供數(shù)據瀏覽，各種曲線、報表等功能構件，對存盤數(shù)據庫的數(shù)據進行查詢、排序、運算等操作），同時可以掛接外部數(shù)據庫，實現(xiàn) ODBC 接口和 OLE 實時調用，可以和 SOL、 Server、 Oracle、 Access 等數(shù)據庫相連，提供多種數(shù)據轉換方式，每種方法都可以獨立使用或組合使用 [7]。 數(shù)據瀏覽構件可同時以表格和曲線的形式顯示存盤數(shù)據庫中數(shù)據，實時曲線可以動態(tài)顯示當前的數(shù)據，并可以設定上下限值和時間的長短，以便于用戶查詢，同時提供EXCEL 報表和 MCGS 自由報表。 工程的建立與變量的定義 工程的建立 1) 首先雙擊桌面 MCGS 組態(tài)環(huán)境圖標，進入組態(tài)環(huán)境，屏幕中間窗口為工作臺。 2) 單擊文件菜單中“新建工程”選項，自動生成新建工程，默認的工程名為：“新建工程 ”。 3) 選擇文件菜單中的“工程另存為”菜單項，彈出文件保存窗口。 4) 在文件名一欄內輸入“機械手控制系統(tǒng) 6”，點擊“保存”按鈕，工程創(chuàng)建完畢。如圖 41 所示。 圖 41 MCGS 工作臺窗口 在 MCGS 中，變量也叫數(shù)據對象。實時數(shù)據庫是 MCGS 工程的數(shù)據交換和數(shù)據處理中 心。數(shù)據對象是構成實時數(shù)據庫的基本單元，建立實時數(shù)據庫的過程也就是定義數(shù)據對象的過程。定義數(shù)據對象的內容主要包括：指定數(shù)據變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍確定與數(shù)據變量存盤相關的參數(shù)，如存盤的周期、存盤的時間范圍和保存期限等。 安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 17 變量的分配 在開始定義之前，我們先對系統(tǒng)進行分析，確定需要的變量。本系統(tǒng)至少需要 16個變量，見表 41。 表 41 機械手控制系統(tǒng)變量分配表 變量名 類型 初值 注釋 啟動按鈕 開關型 0 機械手啟動控制信號， X11 輸入， 1 有效 復位按鈕 開關型 0 機械手復位控 制信號， X12 輸入， 1 有效 夾緊 開關型 1 機械手動作控制 —— 夾緊，輸出， 0 有效 放松 開關型 1 機械手動作控制 —— 放松，輸出， 0 有效 上升 開關型 1 機械手動作控制 —— 上升，輸出， 0 有效 下降 開關型 1 機械手動作控制 —— 下降，輸出， 0 有效 前伸 開關型 1 機械手動作控制 —— 前伸，輸出， 0 有效 后縮 開關型 1 機械手動作控制 —— 后縮，輸出， 0 有效 X5 開關型 0 X 軸前限位，輸入， 1 有效，停止前伸 X6 開關型 0 X 軸后限位，輸入， 1 有效，停止后縮 X7 開關型 0 Y 軸 上限位，輸入， 1 有效，停止上升 X10 開關型 0 Y 軸下限位，輸入， 1 有效，停止下降 工件夾緊標志 開關型 0 夾緊為 1 初始位置 開關型 1 工件處于初始位置時為 1 垂直移動量 數(shù)值型 0 動畫參數(shù) 水平移動量 數(shù)值型 0 動畫參數(shù) 機械手動作控制信號本身要求高電平，而開關量輸出通道是反相輸出，因此上升等幾個變量需設計為低電平有效，即送“ 0”動作。 變量定義的步驟 1) 單擊工作臺中的“實時數(shù)據庫”選項卡，進入“實時數(shù)據庫”窗口頁，如圖 42所示。窗口中列出了系統(tǒng)已有變量“數(shù)據對象”的 名稱。其中一部分為系統(tǒng)內部建立的數(shù)據對象?，F(xiàn)在要將表中定義的數(shù)據對象添加進去。 2) 單擊工作臺右側“新增對象” 按鈕，在窗口的數(shù)據對象列表中，增加了一個新的數(shù)據對象，如圖 43 所示。 3) 選中該數(shù)據對象，按“對象屬性”按鈕，或雙擊選中對象，則打開“數(shù)據對象屬性設置” 窗口。 岳文春：基于 MCGS 的機械手控制系統(tǒng) 設計 18 圖 42 實時數(shù)據庫窗口 圖 43 實時數(shù)據庫窗口 圖 44 數(shù)據對象屬性設置窗口 4) 將“對象名稱”改為：復位按鈕；“對象初值”改為： 0；“對象類型”選擇：安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 19 開關型；在“對象內容注釋輸入框”內輸入：機械手復位控制信號， X12 輸入，1 有效 。 5) 單擊“確定”。如圖 44 所示。 6) 按照步驟 2~5，根據上面列表，設置其他數(shù)據對象。 7) 單擊“保存”按鈕。 設備與變量