机电一体化毕业设计论文PLC机械手设计.doc
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1、 机械手的PLC控制扬 州 市 职 业 大 学毕 业 设 计(论 文)设计(论文)题目:工业运输的PLC控制 系 别:汽车与电气工程系 专 业:机电一体化 班 级:08 机电(4)班 姓 名: 学 号: 指导老师: 完成时间:二零一一年六月 摘 要在工业生产和其他领域内,由于工作的需要,人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害,增加了工人的劳动强度,甚至于危及生命。自从机械手问世以来,相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体,动作灵活多样,适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产,广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温,抗腐蚀的材料制成,以适应现场恶劣的环境,大大降低了工
2、人的劳动强度,提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分,在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人,不仅可以提高产品的质量与产量,而且对保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品,逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。本文应用三菱公司生产的可编程控制器FX系列PLC,实现机械手搬运控制系统,该系统充
3、分利用了可编程控制器(PLC)控制功能。使该系统可靠稳定,时期功能范围得到广泛应用。目 录引 言.第一章 机械手简介第一节 概述第二节 机械手的组成第三节 机械手的分类第四节 机械手的应用第二章 机械手的控制方案与选择第一节 控制要求第二节 机械手的控制系统设计方案的比较第三章 PLC的简介.第一节 PLC的产生第二节 PLC定义与特点3.2.1 PLC定义.3.2.2 PLC特点.第三节 可编程控制器的主要性能指标.第四节 可编程控制器的分类.第五节 PLC系统的组成.3.5.1 PLC的硬件结构.3.5.2 PLC的软件.第六节 可编程控制器的工作方式.第七节 PLC的编程语言.第八节 F
4、X2N系列PLC.3.8.1 FX2N系列PLC的内部资源.3.8.2 FX2N系列PLC的基本顺控指令.第九节 PLC的应用领域.第四章 PLC对机械手的控制.第一节 PLC的选型.第二节 PLC的梯形图.第三节 指令程序.第四节 I/O接线图.第五节 相关电气设备选择和校验.第六节 材料清单.第七节 不足和改进.第五章 毕业设计总结第六章 致谢词参考文献引 言大学三年的学习即将结束,毕业设计是其中最后一个环节,是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。随着我国经济的迅速发展,采用PLC的技术得到愈来愈广泛的应用。可编程序控制器(PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLL
5、ER),简称PLC,是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展,PLC的功能也越来越强大,更多地具有计算机的功能,所以又简称PC(PROGRAMMABLE CONTROLLER),但是为了不和PERSONAL COMPUTER混淆,仍习惯称为PLC。目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展,并且现今已出现SOFTPLC,更是PLC领域无限的发展前景。本文主要通过气动机械臂的PLC控制来介绍PLC的具体应用,让我们更熟悉PLC,为今后学习打下基础。机械手采用PLC控制,具有可靠性高,改变程序灵活等优点。无论进行时间控制
6、还是控制或混合控制,都可以通过设置PLC的程序实现。可以根据机械手的动作顺序改变程序,是机械手通用性更好 。采用气压传动,动作迅速,反应灵敏,能实现过载保护,便于自动控制。工作环境适应性好。阻力损失和泄露减少。不会污染环境,造价低。由于时间仓促和个人水平限制,我的设计存在着许多还没来得及解决的问题,希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。第一章 机械手简介第一节 概述MECHANICAL HAND 也被称为自动手,AUTO HAND能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人
7、身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。第二节 机械手的组成机械手简述: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。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。传动系统使手部完成各种转
8、动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。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。第三节 机械手的分类机
9、械手的种类,按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。第四节 机械手的应用机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。另外,机械手在锻造工业中的应用不仅能进一步发展锻造设备的生产能力,而且还能改善热、累等劳动条件。 第二章 机械手的控制方案与选择第一节 控制要求操作要求气动机械手的动作示意图如图1所示,气动机械手
10、的功能是将工件从A处移送到B处。控制要求为:1、气动机械手的升降和左右移行分别由不同的双线圈电磁阀来实现,电磁阀线圈失电时能保持原来的状态,必须驱动反向的线圈才能反向运动;2、上升、下降的电磁阀线圈分别为YV2、YV1;右行、左行的电磁阀线圈为YV3、YV4;3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀YV5来实现,线圈通电时夹紧工件,线圈断电时松开工件;4、机械手的夹钳的松开、夹紧通过延时1.7S实现;5、机械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现;操作功能机械手的操作面板如图2所示。机械手能实现手动、回原位、单步、单周期和连续等五种工作方式。1、手动工作方式时,用
11、各按钮的点动实现相应的动作;2、回原位工作方式时,按下“回原位”按钮,则机械手自动返回原位;3、单步工作方式时,每按下一次启动安钮,机械手向前执行一步;4、单周期工作方式时,每按下一次启动安钮,机械手只运行一个周期;5、连续工作方式时,机械手在原位,只要按下启动安钮,机械手就会连续循环工作,直到按下停止安钮;6、传送工件时,机械手必须升到最高点才能左右移动,以防止机械手在较低位置运行时碰到其他工件;7、出现紧急情况,按下紧急停车按钮时,机械手停止所有的操作。第二节 机械手的控制系统设计方案的比较在工业自动化生产中常用的控制系统有:传统的继电器接触器控制系统、PLC控制系统和单片机控制系统这三种
12、。但从使用性、经济性、可靠性出发,本设计选用了PLC。因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看,本机械手是用于各种传感器在复杂的条件下工件的传输,主要动作是上升、下降、左移、右移、夹紧、放松和工序延时控制等,控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主。是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统,这是PLC最擅长的功能,而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点,特别是替代继电器控制系统,这更是它的优势。第三章 PLC的简介第一节 PLC的产生 1968年美国通用汽车公司(GM)招标要求:软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本
13、低于继电器控制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时,原系统变更要少;用户程序存储容量可扩展到4K 。核心思想:用程序代替硬接线,输入/输出电平可与外部装置直接相联,结构易于扩展 ,这是PLC的雏形。 1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC(PDP-14),并在GM公司汽车生产线上应用成功 。第二节 PLC的定义和特点3.2.1 PLC的定义美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义:可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。它具有存储控制程序的存储器,能够按照控制程序,将输入的开关量(或模拟量
14、)进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后,以开关量(或模拟量)的形式输出,控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器,主要用于开关量逻辑控制,所以称为可编程逻辑控制器,简称PLC,后来随着计算机计术不断发展,其功能已不仅限于开关逻辑控制,所以被称之为可编程控制器PC,但这很容易和个人计算机PC相混淆,因此,一般仍把PLC作为可编程控制器的简称。3.2.2 PLC的特点可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用,主要是由于它具有以下特点:(1) 可靠性高,抗干扰能力强 用软件实现大量的开关量逻辑运算,克服了因继电器触点接触不良而造成的故障;输入采用直流低电压,更加可靠、安全;面向工业
15、环境设计,采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施,适应各种恶劣的工作环境,远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。(2) 编程简单,易于掌握 PLC采用梯形图方式编写程序,与继电器控制逻辑的设计相似,具有直观、简单、容易掌握等优点。(3) 功能完善,灵活方便 随着PLC技术的不断发展,其功能更加完善,不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能,而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。既可以单机使用、也可联网运行,既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。而且在运行过程中,可随时修改控制逻辑,增减系统的功能。(4) 体积小、质量轻、功耗低 由于采用了单片机等集成芯片,
16、体积小、质量轻、机构经凑、功耗低。第三节 可编程控制器的主要性能指标 可编程控制器的性能指标有很多,主要有以下几项指标。(1)输入/输出点数(I/O) I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。(2)存储容量 存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储容量。(3)扫描速度 一般以执行1000步指令所需的时间来衡量,单位为ms/千步,也有以执行一步指令所需来计算,单位us/步。(4)功能扩展能力 可编程控制器除了主模板块之外,通常都可配备一些可扩展模块,以适应各种特殊功能应用的需要。如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。(
17、5)指令系统 指令系统是指一台可编程控制器指令的总和,它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。第四节 可编程控制器的分类通常PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。(1)按结构形式分类 按结构形式不同,可分为整体式和模块式两类。整体式的PLC是将电源、CPU、存储器、输入/输出单元等各个功能部件集成在一个机壳内,从而具有结构经凑、体积小、价格低等优点,许多小型PLC多采用这种机构。模块式的PLC将各个功能部件做成独立模块,如电源模块、CPU模块、I/O模块等,然后进行组合。(2)按控制规模分类 按控制规模大小,可分为小型、中型和大型PLC三种类型。 1)小型PLC。 型PLC的I/O点数在
18、256点以下,存储容量在2K步以内,其中输入输出点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC,具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。 2)中型PLC。 中型PLC的开关量I/O点数通常在2562048点之间,用户程序存储器的容量为28KB,除具有小型机的功能外,还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节,如比例、积分、微分(PID)调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。 3)大型PLC。 大型PLC也称为高档PLC,I/O点数在2048点以上,用户程序存储容量在8K以上,其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC,除具有中型机的功能
19、外,还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能,以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。第五节 PLC系统的组成PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置,其硬件结构上与微型计算机控制系统相似,也是有硬件系统和软件系统两大部分组成。3.5.1 PLC的硬件结构一套PLC系统在硬件上由以下几部分组成:(1) 中央处理器(CPU) 与计算机一样,是PLC的核心部件。(2) 存储器 PLC配有两种存储器:系统存储器和用户存储器。(3) 输入/输出(I/O)接口电路。(4) 电源。(5) 扩展单元。(6) 外部设备。3.5.2 PLC的软件 PLC
20、的软件是指PLC所使用的各种程序的集合。它由系统程序(系统软件)和用户程序(用户软件)组成。(1) 系统程序 系统程序包括监控程序,输入译码程序及诊断程序等。(2) 用户程序 用户程序是用户根据控制要求,用PLC的编程语言(如梯形图)编制的应用程序。第六节 可编程控制器的工作方式可编程控制器在进入RUN状态之后,采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始,在无中断或跳转控制的情况下,按程序存储的地址号递增的循序逐条执行程序,即按循序逐条执行程序直到程序结束。然后再从头开始扫描,并周而复始地重复进行。第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第N个扫描周期输入采样输出刷新用户程序执
21、行可编程控制器工作的扫描过程包括五个阶段:内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间成为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。第七节 PLC的编程语言PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言用的较多,流程图语言也在许多场合被采用。1. 梯形图语言(1) 梯形图从上至下编写,每一行从左至右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。(2) 图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起,终止母线可以省略。(3) 梯形图中的触点有两种,即动合触点和动断触点。(4) 梯形图的
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