畢業(yè)設(shè)計(jì)基于plc的機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法研究(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電機(jī)處于脫機(jī)自由狀態(tài),共陽極時(shí)高電平或懸空時(shí)，轉(zhuǎn)子處于鎖定狀態(tài)。 步進(jìn)電機(jī)功能設(shè)定功 能 設(shè) 定細(xì)分設(shè)置（開關(guān)位置8，9，10） 電流設(shè)置（開關(guān)位置1,2,3）注：開關(guān)撥位ON=0 OFF=1細(xì)分設(shè)定相電流設(shè)定撥動(dòng)開關(guān)8 9 10細(xì)分撥動(dòng)開關(guān)1 2 3ST2HB02X0 0 0整步0 0 00 0 1半步0 0 10 1 040 1 00 1 180 1 11 0 0161 0 01 0 1321 0 11 1 0641 1 01 1 1—1 1 1(禁止使用) 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器安裝尺寸 輔助系統(tǒng) 原點(diǎn)定位及超程保護(hù)為保證機(jī)械手重復(fù)定位精度，對(duì)機(jī)械手每工作循環(huán)提出返回原點(diǎn)校零位要求。在初始位置添置限位開關(guān)，當(dāng)觸及時(shí)發(fā)出已達(dá)原點(diǎn)指令，停止運(yùn)動(dòng)。同時(shí)鎖定繼續(xù)前行運(yùn)動(dòng)，能且只能反向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)因故障或暴力操作造成的超程保護(hù)功能。非原點(diǎn)端只作超程保護(hù)不作為定位。 傳動(dòng)絲杠示意圖 操作臺(tái)操作面板以貼近人們?nèi)粘９ぷ髁?xí)慣、符合人體工程學(xué)、方便工作人員直觀操作、反應(yīng)自動(dòng)工作狀態(tài)為原則，與后文I/O采用方案相匹配，進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖所示。該機(jī)械手工作方式有手動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)工作（自動(dòng)）四種形式。具有原點(diǎn)、路徑關(guān)鍵點(diǎn)，報(bào)警指示、工作狀態(tài)指示等功能。下面就操作面板說明如下：設(shè)備原點(diǎn)：機(jī)械手的機(jī)械設(shè)備原點(diǎn)。任何停止?fàn)顟B(tài)，旋轉(zhuǎn)選擇旋鈕到原點(diǎn)，啟動(dòng)回原點(diǎn)按鈕，機(jī)械手回到原點(diǎn)。手動(dòng)方式：各自的按鈕使各個(gè)負(fù)載單獨(dú)接通或斷開。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)按操作者的指令進(jìn)行動(dòng)作。同時(shí)也負(fù)責(zé)起自動(dòng)工作方式中每一工步的目的點(diǎn)的記錄保存工作。單步：旋鈕選擇單步工作，按動(dòng)一次啟動(dòng)按鈕，前進(jìn)一個(gè)工步。單周期：旋鈕選擇單周期工作，按動(dòng)一次啟動(dòng)按鈕，運(yùn)行一個(gè)周期。連續(xù)工作（自動(dòng)狀態(tài)）：在用戶原點(diǎn)，旋鈕選擇自動(dòng)，按動(dòng)啟動(dòng)按鈕連續(xù)反復(fù)運(yùn)行，途中按動(dòng)停止按鈕，運(yùn)行到原點(diǎn)后停止。LED指示燈：狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。電源和急停按鈕與PLC工作無關(guān)。該按鈕使用來接通或斷開PLC外部負(fù)載的電源。 操作面板示意圖第3章 軟件設(shè)計(jì) 工作流程圖 工作流程圖本機(jī)械手采用點(diǎn)位控制，我們可將整個(gè)運(yùn)動(dòng)看作折線運(yùn)動(dòng)，每一步動(dòng)作歸納為參數(shù)不同的點(diǎn)位之間動(dòng)作。以起點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過脈動(dòng)計(jì)數(shù)，得到目的點(diǎn)的位置。手動(dòng)操作機(jī)械手從參考的到達(dá)目的點(diǎn)后，保存目的點(diǎn)的相對(duì)特征參數(shù)，并對(duì)每一步保存的參數(shù)進(jìn)行列表管理。實(shí)現(xiàn)手動(dòng)模式下關(guān)鍵點(diǎn)位輸入，自動(dòng)模式查表“仿形”運(yùn)動(dòng)。手動(dòng)設(shè)置好以后就可以按預(yù)先設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行。核心思想：記錄關(guān)鍵點(diǎn)，構(gòu)造工作路徑和狀態(tài)。現(xiàn)就四工位作以下說明。用戶在手動(dòng)原點(diǎn)狀態(tài)下，控制機(jī)械手至A點(diǎn)位（到A點(diǎn)的路徑可制定中間點(diǎn)實(shí)現(xiàn)繞行），按下保存，記錄該點(diǎn)重要參數(shù)。之后控制機(jī)械手到B點(diǎn)位夾取工件，同時(shí)記錄機(jī)械手張開位置及夾緊位置，為簡(jiǎn)化過程，可在A點(diǎn)設(shè)置機(jī)械手張開，B點(diǎn)設(shè)置夾緊。控制機(jī)械手移動(dòng)，同前所述記錄關(guān)鍵點(diǎn)位，到D點(diǎn)放下工件。再用同樣的方法到下一工位進(jìn)行操作。 PLC選擇及I/O口分配 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則1） 滿足被控對(duì)象的控制要求考慮將來發(fā)展的需要， PLC選用功能較強(qiáng)的新產(chǎn)品，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?） 系統(tǒng)安全、可靠。3） 盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用與維修方便。4） 具有高的性能價(jià)格比。 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1） 分析被控對(duì)象，提出控制要求。2） 確定輸入、輸出設(shè)備。3） 確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，選擇PLC機(jī)型。4） 分配I/O點(diǎn)數(shù)，繪制PLC控制系統(tǒng)輸入、輸出端子接線圖。 5） 程序設(shè)計(jì)，繪制工作循環(huán)圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。6） 程序調(diào)試。先進(jìn)行模擬調(diào)試，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試；先進(jìn)行局部、分段調(diào)試，再進(jìn)行整體、系統(tǒng)調(diào)試。7） 調(diào)試過程結(jié)束，整理技術(shù)資料，投入使用。圖3. 2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟流程圖 CPU的速度 CPU的運(yùn)行速度是指執(zhí)行每一步用戶程序的時(shí)間。對(duì)于以開關(guān)量為主的控制系統(tǒng)，不用考慮掃描速度，一般的PLC機(jī)型都可使用。對(duì)于以模擬量為主的控制系統(tǒng)，則需考慮掃描速度，必須選擇合適CPU種類的PLC機(jī)型。 PLC模塊的選擇遠(yuǎn)程I/O模塊：輸入、輸出裝置比較分散，工作現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)離控制站。高速計(jì)數(shù)器模塊：當(dāng)PLC內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率不能滿足要求時(shí)，可選擇使用。定位模塊：在機(jī)械設(shè)備中，保證加工精度進(jìn)行定位。通信聯(lián)網(wǎng)模塊：PLC與PLC之間，或PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信與聯(lián)網(wǎng)。模擬輸入模塊、輸出模塊：把流量、速度、壓力、風(fēng)力、張力等變換成數(shù)字量，及把數(shù)字量變換成模擬量，進(jìn)行輸入、輸出。 PLC品牌選擇世界上生產(chǎn)PLC的廠商有數(shù)百家，構(gòu)成美國(guó)、歐洲和日本三大技術(shù)陣營(yíng)，其代表機(jī)型有美國(guó)羅克韋爾（Rockwell）自動(dòng)化公司所屬的AB(AllenBradley)公司生產(chǎn)的PLC5系列PLC、GEFanuc公司生產(chǎn)的90TM30系列和90TM70系列的PLC，德國(guó)西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的S5系列PLC和S7系列PLC，日本三菱公司生產(chǎn)的FX系列、A系列、Q系列PLC、歐姆龍公司生產(chǎn)的CS系列、C200系列、CPM系列PLC。三大技術(shù)陣營(yíng)的 PLC在程序表達(dá)形式、功能及用法上有很大的差異。熟悉西門子S5系列PLC的人都知道，他是采用結(jié)構(gòu)化編程的方法，盡管他也設(shè)有梯形圖、邏輯圖等多種其他編程語言，單少許復(fù)雜一點(diǎn)的問題就必須采用語句表，通過STEP5語言，調(diào)用各種功能來實(shí)現(xiàn)。然而美國(guó)AB公司的PLC5系列可編程控制器則與西門子S5系列PLC相去甚遠(yuǎn)，AB的PLC5根本就沒有語句表，他所有的程序都要依靠梯形圖編制，因而AB的梯形圖與西門子的梯形圖在形式、功能及用法上相差很大。日本的微型小型PLC產(chǎn)品是非常有特色的，他對(duì)梯形圖、語句表并重，而且配置了包括功能指令在內(nèi)的功能很強(qiáng)的指令系統(tǒng)。用戶常常會(huì)發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)應(yīng)用問題，選用日本的小型PLC產(chǎn)品就能解決，而用歐美產(chǎn)品常要選用中型乃至大型PLC才行。這主要是歐美小型PLC產(chǎn)品指令系統(tǒng)太弱所制。日本的PLC技術(shù)是由美國(guó)引進(jìn)的，因此日本的產(chǎn)品對(duì)美國(guó)的產(chǎn)品有一定的繼承性。單日本把自己主推產(chǎn)品定位在小型PLC上，因面臨的主要市場(chǎng)在亞洲，因此他對(duì)美國(guó)的PLC技術(shù)既有繼承，更多的是發(fā)展。在小型PLC方面，他已是青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，日本產(chǎn)品在世界小型PLC市場(chǎng)上占70%的份額。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年引進(jìn)的PLC產(chǎn)品價(jià)值，%，%，%。歐美產(chǎn)品以大中型PLC為主基本上是德國(guó)西門子公司與美國(guó)AB公司平分秋色。小型PLC主要是日本產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)，日本三菱公司生產(chǎn)的FX系列小型PLC以其良好的性能得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)各大高校、職業(yè)技術(shù)學(xué)校，也為其提供了專業(yè)技術(shù)人才的支持。簡(jiǎn)單機(jī)械手運(yùn)動(dòng)小型PLC足以滿足需求，選用日本三菱公司FX系列作為本文中搬移機(jī)械手的核心控制系統(tǒng)，可以減少企業(yè)對(duì)操作人員培訓(xùn)，降低使用成本，減少消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品使用的顧慮。 PLC系列選擇PLC機(jī)型選擇的基本原則是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格比的最優(yōu)化機(jī)型。三菱FX系列PLC包括FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC。各型號(hào)的 PLC在性能上都有所區(qū)別。1） FX1S系列PLC將優(yōu)良的特點(diǎn)融合進(jìn)一個(gè)很小的控制器中。FX1S適用于最小的封裝，它是希望低成本的用戶在有限的I/0范圍內(nèi)尋求功能強(qiáng)大的控制的首選目標(biāo)。FX1S提供多達(dá)30個(gè)I/O，并且能通過串行通信傳輸數(shù)據(jù)，所以它能用在常用的緊湊型PLC不能應(yīng)用的地方。FX1S體積雖小，但功能強(qiáng)大：l 主機(jī)點(diǎn)數(shù)10/14/20/30，分為晶體管輸出/繼電器輸出，交流電源/直流電源。l 結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高。顯示模塊和擴(kuò)展板使系統(tǒng)升級(jí)變得容易。l 高速運(yùn)算。~；。l 2000步存儲(chǔ)容量，l 豐富的器件資源。輔助繼電器512點(diǎn)、定時(shí)繼電器64點(diǎn)、計(jì)數(shù)器32點(diǎn)、數(shù)據(jù)寄存器256點(diǎn)。l 具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。使用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的 實(shí)時(shí)時(shí)鐘滿足對(duì)時(shí)間的應(yīng)用要求。l 聯(lián)網(wǎng)能力。串行擴(kuò)展板通過RS23RS422使聯(lián)網(wǎng)更容易。l 電源適用范圍很寬。世界任何地方的標(biāo)準(zhǔn)電壓都適合，也可以使用直流電源。l 基于Windows軟件。l 模擬電位器。l 密碼保護(hù)。l 遠(yuǎn)程維護(hù)。l 脈沖輸出和定位功能。一個(gè)PLC單元中每相能同時(shí)輸出2點(diǎn)100KHz脈沖，PLC配備7條特殊定位指令，包括零返回、絕對(duì)位置讀出、絕對(duì)或相對(duì)地址表達(dá)方式以及特殊脈沖輸出控制。2） FX1N系列PLC增加了特殊功能模塊或擴(kuò)展板。通信和數(shù)據(jù)鏈接功能選項(xiàng)使得FX1N在體積、通信和特殊功能模塊和能源控制等重要的應(yīng)用方面非常完美。是一種普遍選擇方案。與FX1S相比較，在以下方面得到了很好的提升：l 更多的控制點(diǎn)數(shù)14點(diǎn)~128點(diǎn)。l EEPROM寄存器更大，達(dá)8000步。l 更為豐富的器件資源。輔助繼電器1536點(diǎn)、定時(shí)器256點(diǎn)、計(jì)數(shù)器235點(diǎn)、數(shù)據(jù)寄存器8000點(diǎn)。l 增加過程控制。在系統(tǒng)要求精確控制時(shí)適用PID指令。3） FX2N系列PLC作為FX系列最高級(jí)的模塊，他擁有無以匹敵的速度、高級(jí)功能、邏輯組件以及定位控制等特點(diǎn)。與前者PLC相比較，在以下方面得到了很好的提升：l 更多的控制點(diǎn)數(shù)。16點(diǎn)~256點(diǎn)。l 靈活的配置。具有滿足特殊要求的大量特殊模塊，6個(gè)基本FX2N單元中的每一個(gè)單元可擴(kuò)充到256點(diǎn)的I/O。l 更高速運(yùn)算。；。l 寄存器容量擴(kuò)展。l 更為豐富的器件資源。輔助繼電器3072點(diǎn)、定時(shí)器256點(diǎn)、計(jì)數(shù)器235點(diǎn)、數(shù)據(jù)寄存器8000點(diǎn)。l 特殊功能模塊。主單元可配置8個(gè)特殊功能模塊。l 數(shù)學(xué)指令集。使用32位處理器、浮點(diǎn)數(shù)、方根和三角幾何指令滿足數(shù)學(xué)功能。4） 位置控制模塊擴(kuò)展位置控制是對(duì)工位的控制，配上伺服放大器或驅(qū)動(dòng)放大器，就可以將位置控制功能和邏輯控制、順序控制等一攬子解決。利用PLC模塊實(shí)現(xiàn)位置控制的優(yōu)點(diǎn)：l 在實(shí)現(xiàn)位置控制的時(shí)候，可充分利用PLC系統(tǒng)的硬件和軟件資源。更便于在柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）或工廠自動(dòng)化（FA）系統(tǒng)中大量應(yīng)用位置控制。l 用戶可根據(jù)自身要求靈活配置系統(tǒng)，既降低成本，又能因地制宜。l 可靠性高，維護(hù)方便。FX1PG脈沖輸出模塊是一種根據(jù)FROM/TO指令進(jìn)行與FXFX2C系列PLC數(shù)據(jù)交換的特殊功能模塊。用一臺(tái)FX1PG獨(dú)立進(jìn)行一軸定位控制，而一臺(tái)PLC則最多可連8臺(tái)FX1PG。5） PLC系列選擇FX1N系列以其信價(jià)比獨(dú)占鰲頭。但程序結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。就功能而言，F(xiàn)X2N系列是不錯(cuò)之選，選配3個(gè)FX2N1PGE脈沖輸出模塊給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備提供穩(wěn)定信號(hào)，同時(shí)模塊程序簡(jiǎn)化了PLC程序的結(jié)構(gòu)。但其制造總價(jià)較高，就核心控制系統(tǒng)PLC及其模塊而言，其成本將是FX1N系列的4倍以上。由于本文中機(jī)械手不必聯(lián)動(dòng)，分時(shí)復(fù)用即可，適用范圍內(nèi)不必選用FX2N1PGE脈沖輸出模塊，其功能通過軟件實(shí)現(xiàn)。 輸出方式PLC包括繼電器輸出和晶體管輸出兩種輸出方式。其適輸出區(qū)別如下：2） 負(fù)載電壓、電流類型不同 負(fù)載類型：晶體管只能帶直流負(fù)載，而繼電器帶交、直流負(fù)載均可。 電流：，繼電器2A。 電壓：晶體管可接直流24V（繼電器可以接直流24V或交流220V）。3） 負(fù)載能力不同晶體管帶負(fù)載的能力小于繼電器帶負(fù)載的能力，用晶體管時(shí)，有時(shí)候要加其他東西來帶動(dòng)大負(fù)載（如繼電器，固態(tài)繼電器等）。4） 晶體管過載能力小于繼電器過載的能力一般來說，存在沖擊電流較大的情況時(shí)，晶體管過載能力較小，需要降額更多。5） 晶體管響應(yīng)速度快于繼電器繼電器輸出型原理是CPU驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，令觸點(diǎn)吸合，使外部電源通過閉合的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，其開路漏電流為零，響應(yīng)時(shí)間慢（約10ms），主要控制開關(guān)量。晶體管輸出型原理是CPU通過光耦合使晶體管通斷，以控制外部直流負(fù)載，響應(yīng)時(shí)間快（）。晶體管輸出一般用于高速輸出，如伺服／步進(jìn)等，用于動(dòng)作頻率高的輸出。6） 額定工作情況下，繼電器有動(dòng)作次數(shù)壽命，晶體管只有老化沒有使用次數(shù)限制。繼電器是機(jī)械元件所以有動(dòng)作壽命，晶體管是電子元件，只有老化，沒有使用次數(shù)限制。繼電器的每分鐘開關(guān)次數(shù)也是有限制的，而晶體管則沒有。本文中使用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，故采用晶體管輸出，直流D24V電源。 I/O點(diǎn)數(shù)I/O點(diǎn)數(shù)是衡量可編程控制器規(guī)模大小的依據(jù)。確定依據(jù)：將與PLC相連的全部輸入、輸出器件根據(jù)所需的電壓、電流的大小和種類分別統(tǒng)計(jì)，考慮將來發(fā)展的需要再相應(yīng)增加 10％～15％的余量。 I/O點(diǎn)數(shù)估算統(tǒng)計(jì)序