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1、 摘要机械手是在机械化、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。 机械手是能够模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手虽然目前还不如人
2、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，并越来越应用广泛。机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强; 编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围广; 体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动。关键字：机械手 PLC 控制 机械手加工PLC控制系统设计
3、一、控制要求设计一个PLC控制的机械手加工系统，使其按表1的要求运行。操作方式分为手动和自动。自动方式时机械手加工系统从任意点开始，系统运行将自动地、连续不断地周期性循环。手动方式又分为步进和周期。步进操作每按一次相关按钮机械手完成一定动作后停止，再按一次相关按钮机械手再顺序完成一定动作后停止；手动操作通过按钮对机械手的每步运动单独进行控制；周期操作时机械手加工系统从任意点开始，按一下相关按钮机械手自动完成一个周期回到原点位置自动停止。系统还设有急停按钮，在任何时候均可终止系统运。时间（s）00334477131316161717202026机械手原点下降夹紧上升右移下降放松上升左移旋臂原点原
4、点原点原点右旋静止静止静止左旋钻机不工作不工作不工作不工作不工作钻进暂停退钻不工作工件夹具原点原点原点原点夹紧保持保持保持放松传送带停止停止停止停止停止停止停止停止运行二、PLC的选型1、输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展2、存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用
5、存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。3、控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。(1)运算功能简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型 PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产
6、品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合， 只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。(2)控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路 控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和
7、节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。(3)通信功能大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。PLC 系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大
8、于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型 号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型 DCS中作为DCS的子网；4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。(4)编程功能离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控
9、制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机 CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。(5)诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影
10、响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。(6)处理速度PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应 控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于 0.2ms/K。4、机型的选择(1)PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和
11、控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。(2)输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的 输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出
12、模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。(3)电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简
13、单的二极管或熔丝管隔离。(4)存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。(5)冗余功能的选择1控制单元的冗余重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。2I/O接口单元的冗余1）控制回路的多点I/O卡应冗余配置。2）重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。(6
14、)经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。综合上述考虑，我们组将最终选择欧姆龙。三、实验步骤1、梯形图根据课程设计要求设计好程序梯形图，梯形图如下：2、线路连接及效果首先按照梯形图连接线路，线路连接及效果如图P0100
15、自动运行P0201急停P0302恢复自动PH0103机械手下降PH0204机械手上升PH0305机械手右移PH0406机械手左移PH0507机械手夹紧PH0608机械手放松COMS1COMS2接地COMS1GND接地1LGND接地1M24V接通电源3、操作按第一步连接好电路图后，单击PLC在线工作弹出窗口是否连接PLC（选择是）点击传送到PLC，则可进行相应的操作操作说明1）按自动运行按钮，电路图将按照题设要求周期性运动2）按急停按钮，整个程序将停止工作。3）按恢复自动按钮，整个程序将在停止工作后继续回复周期性运动。4）按下降按钮，机械手下降要求将被执行。5）按上升按钮，机械手上升要求将被执行
16、。6）按右移按钮，机械手右移要求将被执行。7）按左移按钮，机械手左移要求将被执行。8）按夹紧按钮，机械手夹紧要求将被执行。9）按放松按钮，机械手放松要求将被执行。四、I/O分配表I端O端名称地址名称地址启动0.00下降10.00下到位0.03夹紧10.01上到位0.04右行10.06右到位0.05下降10.00下到位0.03放松10.10上到位0.04左行10.12五、I/O接线图左边右边P0100P0201P0302PH0103PH0204PH0305PH0406PH0507PH0608六、内部元件分配表I端O端名称地址名称地址常开触点10.05 0.06 0.05 0.07 0.08 0.
17、04 0.03 TIM000 0.00TIM001 TIM002 TIM003 TIM004 TIM005 TIM006 0.010.02线圈10.05 10.12 10.06 10.01 10.10 10.03 10.00 10.07 10.0810.09 10.11 10.12 10.13 10.14 10.15 11.00 11.01 常闭触点11.00 TIM003 10.05 TIM001 TIM002 TIM004TIM005 TIM006 TIM007 TIM00811.01定时器TIM 000 #30TIM 001 #10TIM 002 #30TIM 003 #50TIM 00
18、4 #30TIM 005 #10TIM 006 #30TIM 007 #30TIM 008 #10七、系统电气原理图1、气动系统控制原理图2、结合气动系统和原理要求设计的系统工作流程图总 结经过一周的奋战我的PLC实训终于完成了。在没有做PLC实训以前觉得PLC实训只是对这一学期所学知识的单纯总结，但是通过这次做PLC实训发现自己的看法有点太片面。PLC实训不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次PLC实训使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次PLC实训，我才明白学习是一个长期积
19、累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在这次PLC实训中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。 在此要感谢我们的指导老师李老师对我们悉心的指导，感谢老师们给我们的帮助。在实训过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个实训做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次实训的最大收获和财富，使我终身受益。