毕业设计机械手控制系统设计.doc

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1、 毕 业 设 计（论文）题目_机械手的设计 姓 名 学 号 系（院） 班 级指导教师_ 职 称_ _2012 年 05 月 30 日第一章 机械手介绍1.1 机械手的意义机械手是在机械化、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

2、)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。自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，最典型的发展是生产者将此产品大量应用于卫生行业（全自动生化分析仪），从而实现了卫生检验中急需短时间、大量样品数据的要求，但在卫生领域的机械手因采用样品加单一酶试

3、剂显色法，且采用滤光片结构设计，造成试剂价格昂贵，限制了产品市场的发展。随着技术的进步，机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。比如美国 OI 公司的产品，可针对单一项目，次序加 4 种试剂，加热温度也提高到 50 ，检测器则采用二极管陈列技术，这些进步为新领域的应用提供了强大支持。有专家估计未来10 年，全自动流动分析仪的市场份额中，将有 50 被全自动化学分析机械手取代。 图1-1 二指机械手机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间

4、和位置来完成工件的传送。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。图1-2搬运机械手 1.2项目概述机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，已完成各项规定操作。它的特点是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业

5、，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本项目要求控制的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用到了机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时熟悉并掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制中常用的技术。机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作

6、时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90%以上。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单、维修容易、可靠性高等优点。第二章 PLC概述2.1 可编程控制器的分类PLC的种类繁多，其规格和性能也各不相同，对PLC的分类，通常根据其形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类1根据PLC的结构形式可将PLC分为整体式和模块式两类（1）

7、整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等各件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式机构。整体PLC由不同PLC点数的基本单元和扩展单元组成，基本单元内有CPU、I/O接口，与I/O扩展单元相连的扩展口、以及编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电等，没有CPU，基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。(2)模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在C

8、PU模块中）以及其他模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成，模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活、可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用这种模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是非电缆进行联接，并且各模块可以应地叠装。这样不但系统可以灵活配置，还可以做的体积小巧。2根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低，中，高档次（1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断监控等基本功能还可以少量模拟量输

9、入/输出，算术运算，数据传送和比较等功能，主要用于逻辑控制，顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。（2）中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较；数据转换，远程I/O，子程序，通信联网等功能，有些还可增设中断控制，PID控制等功能，适应于复杂控制系统。（3）高档PLC除具有中档PLC的功能外，还增加了符号算术运算，矩阵运算，位逻辑运算，平方根运算及其他特殊功能函数的运算，制表及表格传递功能等。高档PLC具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。3按I/O点数分类，根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC

10、分为小型、中型和大型三类。（1）小.型PLCI/O点数2048点，多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8-16K，如：S7-400 德国西门子公司GE-IV GE公司2.2 国内PLC发展概况 PLC在问世以来，经过近40年的发展，在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有200多个厂家生产PLC。较多的有美国：AB通用电气、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、欧姆龙等；德国：西门子公司；法国：TE施耐德公司。韩国：三星、LG公司等。我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段：

11、顺序控制（1937-1979）一位处理器为主的工业控制器（1979-1985）8位微处理器为主的可编程控制器（1985年以后）对外开放政策推动下，国外PLC产品大量进入我国市场，一部分随成套设备进口，如：宝钢，一、二期工程就引进了500多套。如咸阳显像管厂，秦皇岛煤码头，汽车厂等。现在在国内外的各行各业也有了极大的应用，技术含量也越来越高可编程控制器在工业控制领域的应用越来越宽广，既有单机做为继电器逻辑电路的替代品，又有作为设备控制的核心部件的。随着自动化程度的提高，可编程控制器既可做为现场控制的部件，又可作为更高一级的管理控制部件；并且随着网络技术的发展，它又衍生出了网络功能。所有这一切，不

12、仅要求可编程控制器具有相应的硬件功能，而且要求它的软件技术也要获得相应的发展。第三章 PLC程序设计方法3.1 可编程控制器的控制系统设计 1. 系统设计的基本原则在进行PLC控制系统的设计时，一般应遵循以下几个原则：（1）完全满足被控对象的工艺要求。（2）在满足控制要求和技术指标的前提下，尽量使控制系统简单、经济。（3）控制系统要安全可靠。（4）在设计时要给控制系统得容量和功能预留一定的预度，便于以后的调整和扩充。2系统设计的主要内容 （1）拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据； （2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构； （3）选定

13、PLC 的型号； （4）编制 PLC 的输入 / 输出分配表或绘制输入 / 输出端子接线图； （5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计； （6）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系； （7）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件； （8）编写设计说明书和使用说明书； 根据具体任务，上述内容可适当调整。3系统设计的基本步骤（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程，控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂

14、的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。（2）确定I/O设备 根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。（3）选择合适的PLC类型根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的 PLC 类型，包括机型的选择、容量的选择、 I/O模块的选择、电源模块的选择等。 （4）分配I/O点 分配PLC的输入/输出点，编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线图。接着就可以进行PLC程序设计，同时可进行

15、控制柜或操作台的设计和现场施工。 （5）设计应用系统梯形图程序 根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。 （6）将程序输入PLC 使用简易编程器将程序输入PLC时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入；当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中去。 （7）进行软件测试 在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方，因此在将PLC连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误。同时，软件测试

16、也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。 （8）应用系统整体调试 在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。 （9）编制技术文件 系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、 PLC梯形图。 3.2可编程控制器的编程语言PLC在控制系统的应用中，外部硬件接线部分较为简单，对被控对象的控制作用，都体现在PLC程序上。因此，PLC程序设计的好坏，直接影响控制系统的性能可编

17、程控制器的编程语言按IEC61131-3国际标准来分主要包括图形化编程语言和文本化编程语言。图形化编程语言包括:梯形图(LD-Ladder Diagram)、功能块图(FBD-Function Block Diagram)、顺序功能图(SFC-Sequential Function Chart)。文本化编程语言包括:指令表(IL-Instruction List)和结构化文本(ST-Structured Text)。这些语言是基于WINDOWS操作系统的编程语言，而SFC编程语言则在两类编程语言中均可使用。（1）梯形图编程语言(LD-Ladder Diagram)梯形图来源于继电器逻辑控制系统

18、的描述，是PLC编程中被最广泛使用的一种图形化语言，其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图，便于理解,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态。 梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序，这是一种模仿继电器控制系统的编程方法，其图形甚至元件名称都与继电器控制电路十分相近。这种方法很容易地就可以把原继电器控制电路移植成P

19、LC的梯形图语言。这是一种比较方便的编程方法。1. 编程原则（1）输出线圈（包括输出继电器、辅助继电器和定时器/计数器）在程序中只能使用一次，但触点可以无限次使用。（2）并联触点和串联触点的个数无限制。（3）线圈不能从母线直接输出。如果需要始终保持通电，可以使用特殊继电器（常ON）。（4）输出线圈可以并联，不能串联，但定时器的线圈可以串联。（5）一般以输出线圈和右母线相连，线圈后面不允许有触点。（6）不准使用没有定义过的触点和线圈。（7）主程序必须以EMD指令结束。（8）定时器/计数器不能直接产生外部输出信号，必须用对应的触点编程到一个输出。（9）在梯形图的竖线上不能安排任何元件。PLC的CP

20、U采用循环扫描的工作方式，一般包括五个阶段：内部诊断与处理、与外设进行通讯、输入采样、用户程序执行和输出刷新。当方式开关处于关闭时，只执行前两个阶段：内部诊断与处理，与外设进行通讯。 2. 使用起/保/停电路的编程方式 起/保/停电路仅仅使用与触点和线圈有关的指令，无需编程元件做中间环节，各种型号PLC的指令系统都有相关指令，加上该电路利用自保持，从而具有记忆功能，且与传统继电器控制电路基本相类似，因此得到了广泛的应用。这种编程方法通用性强，编程容易掌握，一般在原继电器控制系统的PLC改造过程中应用较多。图3-1顺序功能图所对应的梯形图，有常开触点、常闭触点及输出线圈组成。图3-1起/保/停电

21、路编程顺序功能图 （2）功能表图编程语言1功能表图概述功能表图又称流程图。它是描述控制系统的控制过程、功能和特征的一种徒刑。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，是一种通用的技术语言，因此，功能表图也可用于不同专业的人员进行技术交流。功能表图是设计顺序控制程序的有力工具。在顺序控制设计法中，功能表图的绘制是最关键的一个环节，它直接决定用户设计的PLC程序的质量。各个PLC厂家都开发了相应的功能表图，各国也动制定了功能表图的国家标准，我国于1986年也颁布了功能图的国家标准（GB6988.686）。2功能表图的组成要素功能表图主要是由步、转换、转换条件、有向连线和动作等要素组成。图 3-2

22、 功能表图一般形式1） 步与动作 前面已介绍过，用顺序控制设计法设计PLC程序时，应根据系统输出状态的变化，将系统的工作过程划分成若干个状态不变的阶段，这些阶段称为“步”。步在功能表图中用矩形框表示，如图3-3所示各步的编号为X-1、X、X+1。编程时一般用PLC内部软继电器来代表各步，因此经常直接用相应的内部软继电器编号作为步的编号。当系统正工作于某一步时，该步处于活动状态，称为“活动步” 。在功能表图中初始步用双线框表示，每个功能表图至少应该有一个初始步。所谓“动作”是指某步活动时，PLC向被控系统发出的命令，或被控系统应该执行的动作。动作用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应步的矩

23、形框相连接。如果某一步有几个动作，可用下图中的两种画法来表示，但并不隐含这些动作间的任何顺序。图3-3 多个动作画法当步处于活动状态时，相应的动作被执行。但应注意表明动作是保持型还是非保持型的。保持型的动作是指该步活动时执行该动作，该步变为不活动后继续执行该动作；非保持型动作是指该步活动时执行，该步变为不活动时动作也停止执行。一般保持型的动作在功能表图中应该用文字或助记符标注，而非保持型动作不要标注。2）有向连线、转换和转换条件 如图3-2功能表图的一般形式所示，步与步之间用有向连线连接，并且用转换将步分隔开。步的活动状态进展是按有向连线规定的路线进行。有向连线上无箭头标注时，其进展方向是从上

24、倒下、从左到右。如果不是上述方向，应在有向连线上用箭头注明方向。步的活动状态进展是由转换来完成的。转换是用与有向连线垂直的短划线来表示。步与步之间不允许直接相连，必须有转换隔开，而转换与转换之间也同样不能直接相连，必须由步隔开。转换条件是与转换相关的逻辑命题。转换条件可以用文字语言、布尔代数表达式或图形符号标注表示转换的短划线旁边。转换条件和，分别表示当二进制逻辑信号为“1”和“0”状态时条件成立；转换条件和分别表示的是，当从“0”（断开）到“1”（接通）和从“1”到“0”状态条件成立。3）功能表图中转换的实现步与步之间实现转换应同时具备两个条件：前几步必须是“活动步”；对应的转换条件成立。当

25、同时具备以上两个条件时，才能实现步的转换，即所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动，而所有由有向连线与相应转换符号相连的前几步都变为不活动。3. 功能表图的基本结构根据步与步之间转换的不同情况，功能表图有以下几种不同的基本结构形式。（1）单序列结构 功能表图的单序列结构形式最为简单，它由一系列按顺序排列、相继激活的步组成，每一步的后面只有一个转换，每一个转换后面只有一步。（2）选择序列结构 选择序列有开始和结束之分。选择序列的开始称为分支，选择序列的结束称为合并；选择序列的分支是指一个前级步后面紧接着有若干个后续步可供选择，各分支都有各自的转换条件。分支中表示转换的短划线只能标在水

26、平线之下。如图3-4所示为选择序列的分支。假设步3为活动步，如果转换条件x成立，则步3向步4实现转换；如果转换条件y成立，则步3向步6转换；如果转换条件z成立，则步3向步8转换。分支中一般同时只允许选择其中一个序列。图 3-4 选择序列分支选择序列的合并是指几个选择分支合并到一个公共上。各分支也都有各自的转换条件，转换条件只能标在水平线之上。如图3-5所示为选择序列的合并。如果步5为活动步，转换条件e成立，则由步5向步10转换；如果步7为活动步，且转换条件f成立，则步7向步10转换；如果步9为活动步，转换条件f成立，则步9向步10转换。 图 3-5 选择序列合并（3）并列序列结构 并列序列也有

27、开始与结束之分。并列序列的开始也称为分支，并列序列的结束也称为合并。如图3-6（a）所示为并列序列的分支，它是指当转换实现后将同时使多个续步激活。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。如果步2为活动步，且转换条件b也成立，则3、5、7三步同时变成活动步，而步2变为不活动。应当注意，当步3、5、7被同时激活后，每一序列接下来的转换将是独立的。如图3-6（b）所示为并列序列的合并，当直接在双线上的所有前级步4、6、8都为活动步时，转换条件k成立，才能使转换条件实现，即步9变为活动步，而步4、6、8均变为不活动步。图 3-6 并列序列结构（4）子步结构 在绘制复杂控制系统功能表图时，为了使总体

28、设计时容易抓住系统的主要矛盾，能更简洁地表示系统的整体功能和全貌，通常采用“子步”的结构形式，可避免一开始就陷入某些细节中。所谓子步的结构是指在功能表图中，某一步包含着一系列子部和转换。如下图所示的功能表图采用了子步的结构形式。功能表图中步7包含了7.1、7.2、7.3、7.4四个子步。图 3-7 子步结构这些子步序列通常表示整个系统中的一个完整子功能，类似于计算机编程中的子程序。因此，设计时只要先画出简单的描述整个系统的总功能表图，然后再进一步画出更详细的子功能表图。子步中可以包含更详细的子步。这种采用子步的结构形式，逻辑性强，思路清晰，可以减少设计错误，缩短设计时间。功能表图除以上四种基本

29、结构外，在实际使用中还经常碰到一些特殊序列，如跳步、重复和循环序列等。（5）跳步、重复和循环序列 如图3-8（a）所示为跳步序列，当步3为活动步时，如果转换条件w成立，则跳过步4和步5直接进入步6。如图3-8(b)所示为重复序列，当步6为活动步时，如果转换条件x步成立而条件y成立，则重复返回步5，重复执行步5和步6。直到转换条件x成立，重复结束，转入步7。如图3-8（c）所示为循环序列，在序列结束后，即步3为活动步时，如果转换条件y成立，则直接返回初始步0，形成系统的循环。图 3-8 跳步、重复和循环序列在实际控制系统中，功能表图中往往不是单一地含有上述某一种系列，而经常是上述各种序列结构的组

30、合。4.功能表图设计的基本步骤及内容1）步的划分 分析被控对象的工作过程及控制要求，将系列的工作过程划分成若干阶段，这些阶段称为“步”。步是根据PLC输出量的状态划分的，只要系统的输出量状态发生变化，系统就从原来的步进入新的步。如下图所示，某液压动力滑台的整个工作过程可划分为四步，即：0步A、B、C均不输出；1步A、B输出；2步B、C输出；3步C输出。在每一步内PLC各输出量状态均保持不变。 图3-9 步的划分方法一步也可根据被控对象工作状态的变化来划分，但被控对象的状态变化应该是由PLC输出状态变化引起的。如图3-10所示，初始状态是停在原位不动，当得到起动信号后开始快进，快进到加工位置转为

31、工进，到达终点加工结束又转为快退，快退到原位停止，又回到初始状态。因此，液压滑台的整个工作过程可以划分为停止（原位）、快进、工进、快退四步，但这些状态的改变都必须是由PLC输出量的变化引起的，否则就不能这样划分。例如：若从快进转为工进与PLC输出无关，那么快进、工进只能算一步。图3-10 步的划分方法二总之，步的划分应以PLC输出量状态的变化来划分，因为我们是为了设计PLC控制的程序，所以PLC输出状态没有变化时，就不存在程序的变化。2）转换条件的确定确定各相邻步之间的转换条件是顺序控制设计法的重要步骤之一。转换条件是使系统从当前步进入下一步的条件。常见的转换条件有按钮、行程开关、定时器和计数

32、器触点的动作（通/断）等。如图3-10所示，滑台由停止（原位）转为快进，其转换条件是按下起动按钮SB1（即SB1的动合触点接通）；由快进转为工进的转换条件是行程开关SQ2动作；由工进转为快进的转换条件是终点行程开关SQ3动作；由快退转为停止（原位）的转换条件是原位行程开关SQ1动作。转换条件也可以是若干个信号的逻辑（与、或、非）组合。如：A1*A2、B1+B2。3）功能表图的绘制根据以上分析画出描述系统工作过程的功能表图，是顺序控制设计中最为关键的一个步骤。4）梯形图的编制根据功能表图，采用某种编程方式设计出梯形图程序。有关编程方式建在下一节中介绍。（3）指令表编程语言(IL-Instruct

33、ion List) 指令表编程语言又称为语句表或布尔助记符，它是一种类似汇编语言的低级语言，属于传统的编程语言，用布尔助记符表示的指令来描述程序。是在借鉴、吸收世界范围的PLC厂商的指令表语言的基础上形成的一种标准语言，可以用来描述功能，功能块和程序的行为，还可以在顺序功能流程图中描动作和转变的行为。第四章 PLC控制机械手的设计4.1 控制要求 图4-1是机械手控制的示意图，其作用是使A处的物体能被放置到B处。其工作流程图如图4-2所示。从图4.1-1 中可以看出，机械手的工作过程如下： 0初始状态：机械手处于原位状态，即左限位X404、X402受压。1按下启动按钮，机械手开始从原位下降。2

34、机械手下降至下限位X401动作，下降结束，同时Y431导通。3设定时间到后夹持动作完成，机械手开始上升动作。4机械手上升至上限位时，X402动作，上升结束，同时机械手开始右移动作。5机械手右移至右限位，X403动作，右移结束，同时机械手开始下降动作。6机械手下降至下限位，X401动作，下降结束，同时Y431断电，机械手开始松开手爪。7设定时间到后松开动作完成，机械手开始上升动作。8机械手上升至上限位时，X402动作，上升结束，同时机械手开始左移动作。9机械手左移至左限位，X404动作，左移结束，结束一次传物。图4-1 机械手工作示意图图4-2 机械手工作流程图其控制要求是：1. 手臂左右直线运

35、动2. 手臂上下直线运动3. 手爪的松开与夹紧动作4. 多操作方式 要求有连续控制和手动控制等操作方式，工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成提前布下的操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一下步都要按下该按钮才能实现。4.2 PLC输入、输出分析及PLC机型选择1.确定输入/输出接点的总数根据对机械手的控制分析，可以确定输入信号有启动、停止限位开关SQ1SQ4，启动按钮SB1、停止按钮SB2、手动操作按钮SB3、连续操作按钮SB4等共计15点输入；输出信号为上升、下降、左移、右移及夹紧，共计5点。2.P

36、LC机型的选择 进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，可采用晶体管形式输出也可以采用继电器输出。输入/输出的点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系

37、统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。此外，还应考虑用户储存器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。PC内存总数取决于程序指令总条数。PC内存总数又是选取PC类型的重要依据，为此依据下面的经验公式对指令总条数进行估算。指令总条数=（1020）*（输入点数+输出点数）本控制系统中指令总条数为（1020）*（15+5）=200400条。综合分析控制系统要求，考虑系统的经济性和技术指标，可选用三菱公司的FX248MR，该机基本单元有2

38、4个开关量输入点，有16个开关量输出点，能够满足控制系统要求。据此可以做出机械手PLC控制的输入、输出分配。如表4-1所示，其接线如图4-3所示。表4-1 I/O地址分配一览表名 称代号输入名 称代号输入名 称代号输出启动SB1X000夹紧SB5X012电磁阀下降Y530Y0下限行程SQ1X500放松SB6X506电磁阀夹紧Y531Y1上限行程SQ2X501单步上升SB7X504电磁阀上升Y532Y2右限行程SQ3X503单步下降SB8X010电磁阀右行Y533Y3左限行程SQ4X502单步左移SB9X505电磁阀左行Y534Y4停止SB2X001单步右移SB10X011手动操作SB3X002

39、回原点SB11X004连续操作SB4X003图4-3机械手PLC控制输入/输出分配4.3 梯形图设计 机械手的控制属于顺序控制，采用步进指令，根据说明机器工作状态转换的图形，很容易进行程序设计。1梯形图总体设计“单步操作”方式时，应执行“单步操作”程序；在选择“返回原位”方式时，应执行“返回原位”程序; “自动”方式时，应执行“自动”程序，故梯形图的总体构成如图4-4所示其中，自动程序要在启动按钮按下时才执行。图4-4 控制梯形图总体构成2各部分梯形图设计（1）通用部分梯形图设计 1）状态器的初始化：初始状态器S600在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关处于“返回复位”（X501接通）时，

40、按下返回复位按钮（X505）时被置位;在“单步操作”（X500接通）时，S600复位，处于被置位;在“单步操作”（X500接通）时，S600复位。 处于中间工步的状态器用手动作复位操作，即在方式选择 开关位于“单步操作”或 “返回复位”时，中间状态器 同步复位，故初始状态梯形图如下图4-5所示（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）。 图4-5状态器初始化梯形图待添加的隐藏文字内容22）状态器转换启动：若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后，按下启动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步步向下传递，即可以进行转换。在执行“连续操作”程序时

41、，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。另一方面，采用M100检查机器是否处于原位。当M575和M100都接通时，从初始状态开始进行转换，其梯形图如图4-6所示。图4-6状态器转换启动梯形图3）状态器转换禁止梯形图：激活特殊辅助继电器M574，并用步进指令控制状态器转换时，状态器的自动转换就被禁止。 在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并保持，操作停止在现行工步。当按下启动按钮时，从现行工序重新开始工作，M574应复位，即重新允许转换。在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。但每按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一步。在

42、“手动”工作方式（单一操作，返回原位）情况下，禁止进行状态转换。在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位。PLC在启动时，用初始化脉冲M71使M574自保持，以次禁止状态转换，直到按下启动按钮。状态器转换禁止梯形图如图4-7所示。图4-7状态器转换禁止梯形图通过对上图的分析可得出：在执行“单步操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时，每按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的状态可一步一步向

43、下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的状态转换被禁止，操作停止现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续操作”程序时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。（2）单步操作梯形图 手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方法来设计梯形图。“单步操作”时，按下夹持按钮时，夹持输出Y431自保持，只有按下松开按钮时，Y431才会复位；按下上升按钮，上升输出Y432保持接通；按下下降按钮，Y430保持接通；在上限位按下左行按钮，左行输出Y434保持接通；在上限位按下右行按钮，右行输出Y433保持接通。单步操作是梯形图如图4-8所

44、示。 图4-8 机械手单步操作梯形图（3）返回原位梯形图 在“返回原位”状态下，“夹持”与“下降”动作应被停止，上限位未动作时应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位置。返回原位梯形图如图4-9。 图4-9机械手返回原位梯形图（4）“自动”状态梯形图 如图4-10表示了机械手自动工作时执行各工步的情况。表明了各工步的实现以及各工步的转换条件。在第一次下降工步中，下降电磁阀Y430接通。自下限位置时，X401接通，转化为“夹持”过程。在夹持工步中，夹持电磁阀Y431置位，同时驱动T450。T450接通后，转化为第一次上升。此后执行类似的操作，完成由初始条件到下一个初始条件的一系列操作。在夹持输出Y431置位后，保持夹持，直到夹持输出复位松开。如上述一步步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制，这种控制过程用继电器符号程序很难实现程序设计。用状态器替代自动工作流程图中的各工步，可得到如下图4-11所示的功能表图。图4-10机械手自动工作流程图 图4-11机械手自动工作功能图表根据上图所示的功能表图，可设计出自动操作时的梯形图，如图4-12所示。 图4-12 机械手自动工作梯形图3.绘制机械手PLC将控制梯形图将从初始化开始的一系列梯形图，按照总体构成图的形式作