PLC控制輪式機(jī)器人操作手畢業(yè)論文

畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)基于PLC的輪式移動(dòng)機(jī)器人操作手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院：自動(dòng)控制系系名：自動(dòng)控制系電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：年月基于PLC的輪式移動(dòng)機(jī)器人操作手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：輪式移動(dòng)機(jī)器人操作手是移動(dòng)機(jī)器人一個(gè)重要組成部分，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)重心從制造業(yè)向非制造業(yè)的轉(zhuǎn)移，人們對(duì)機(jī)器人的靈活性、獨(dú)立性、智能化提出了更高的要求，并要求機(jī)器人能夠在一定范圍內(nèi)安全運(yùn)動(dòng)，自主完成特定的任務(wù)，增強(qiáng)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力。機(jī)器人技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)，而且也在不斷向反恐、社會(huì)安全等領(lǐng)域拓展，傳統(tǒng)的基座固定式操作手由于工作空間的局限性已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們生產(chǎn)生活的需求，而移動(dòng)機(jī)械手的出現(xiàn)很好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)械手的這一缺陷。裝配有機(jī)械臂的智能移動(dòng)機(jī)器人能夠順次自主地完成一系列動(dòng)作：選定目標(biāo)、跟蹤并趨近目標(biāo)、機(jī)械臂伸展、夾手抓物、運(yùn)動(dòng)到指定位置、機(jī)械臂復(fù)位等。應(yīng)用智能機(jī)器人可以幫助老年人和殘疾人來(lái)完成他們?nèi)粘Ｉ钪须y以做到的一些操作，解決他們生活上的困難。本設(shè)計(jì)我首先對(duì)移動(dòng)機(jī)器人操作手的背景，現(xiàn)狀，研究意義等進(jìn)行了了解。其次通過(guò)查閱資料確定了系統(tǒng)的控制方案。之后確定了機(jī)械手的硬件系統(tǒng)組成，并設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。再次根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定了PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)，并繪制出了電氣原理圖，之后對(duì)PLC程序進(jìn)行了編寫(xiě)并進(jìn)行了調(diào)試。最后利用GXDeveloper做出仿真圖，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了歸納總結(jié)?！娟P(guān)鍵詞】輪式移動(dòng)機(jī)器人操作手，可編程序控制器(PLC)，氣動(dòng)機(jī)械手

PLCwheeledmobilerobotcontrolsystemdesignAbstract：Wheeledmobilerobotisanimportantpartofmobilerobot,alongwiththedevelopmentoftheglobaleconomy,theshiftawayfrommanufacturingtononmanufacturingindustry,peopleputforwardhigherdemandontherobotflexibility,independence,intelligent,andrequirestherobotcanmoveinacertainarea,accomplishthespecialthetaskofrobot,reinforcementlearningontheenvironmentandtheabilitytoadapt.Robottechnologyisnotonlywidelyusedinagriculture,industry,butalsoinunceasinglytocounter-terrorism,socialsecurityandotherareasofdevelopment,thetraditionalbasefixedmanipulatorduetolimitationsofspacehasbeenunabletomeetthepeople'sproductionandlivingneeds,whilethemobilemanipulatorappearsverygoodtomakeupforthedefectofthetraditionalmanipulator.Equippedwithintelligentmobilerobotmanipulatorcansequentiallyindependentlycompleteaseriesofactions:theselectedtarget,trackingandcontrol,mechanicalarm,clampsthehandgrasping,movingtothespecifiedlocation,reductionandmechanicalarm.Applicationofintelligentrobotcanhelptheelderlyanddisabledpeopletoaccomplishtheoperationdifficulttodointheirdailylives,tosolvetheirdifficultiesinlife.ThistopiciscontrolledbyMitsubishiElectricCorporationandSiemensPLC,steppermotordrives,steppermotorsandotherdevicescomponents.Thisarticlefirstbrieflyintroducethetopics,includingbackground,currentstatus,significance,etc.;secondlyhardwarecomponentsofthesystem,structureandprinciplesaredescribedandanalyzed;onceagainusedthedeviceofthesystemaredescribedseparately,focusingonthePLCprogramwereprepared;finaldesignoftheprojectonknowledgelearnedandsummarized.Keywords:Wheeledmobilerobot,Programmablecontroller,Pneumaticmanipulator第頁(yè)共30頁(yè)1緒論1.1輪式移動(dòng)機(jī)器人操作手設(shè)計(jì)的背景隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)重心從制造業(yè)向非制造業(yè)的轉(zhuǎn)移，人們對(duì)機(jī)器人的靈活性、獨(dú)立性、智能化提出了更高的要求，并要求機(jī)器人能夠在一定范圍內(nèi)安全運(yùn)動(dòng)，自主完成特定的任務(wù)，增強(qiáng)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力。機(jī)器人技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)，而且也在不斷向反恐、社會(huì)安全等領(lǐng)域拓展，傳統(tǒng)的基座固定式操作手由于工作空間的局限性已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們生產(chǎn)生活的需求，而移動(dòng)機(jī)械手的出現(xiàn)很好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)械手的這一缺陷。因此，近年來(lái)移動(dòng)機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的中心之一。目前，對(duì)移動(dòng)機(jī)械手的研究為國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者所關(guān)注，它所涉及的科學(xué)領(lǐng)域包括：移動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，路徑規(guī)劃、自主定位與導(dǎo)航技術(shù)、移動(dòng)機(jī)器手動(dòng)力學(xué)建模、移動(dòng)機(jī)械手的協(xié)調(diào)控制理論和方法等。目前而言，國(guó)內(nèi)外對(duì)移動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究比較多，對(duì)移動(dòng)機(jī)械手的路徑規(guī)劃、最優(yōu)構(gòu)形，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的協(xié)調(diào)控制等問(wèn)題的研究已經(jīng)比較深入，并提出了一些比較合理的解決方法。但是在對(duì)移動(dòng)機(jī)械手動(dòng)力學(xué)方面的研究則相對(duì)要少一些，由于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，分析動(dòng)力學(xué)特征有一定難度，而且移動(dòng)機(jī)械手是一種非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，建立精確、合理的動(dòng)力學(xué)模型還有待進(jìn)一步的深入研究，也給基于動(dòng)力學(xué)的協(xié)調(diào)控制帶來(lái)了很大的難度，從目前的整體情況來(lái)看，移動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型的建立、基于動(dòng)力學(xué)模型下的解耦機(jī)制和協(xié)調(diào)控制原理還有待揭示。國(guó)外在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究可以追溯到上世紀(jì)中葉，最初只是為了學(xué)術(shù)研究的需要，通過(guò)對(duì)室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)的研究和相關(guān)信息的處理，建立移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以此來(lái)驗(yàn)證相關(guān)的研究結(jié)果；進(jìn)入上世紀(jì)90年代，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的需要，實(shí)現(xiàn)了從對(duì)移動(dòng)機(jī)器人理論研究到應(yīng)用的飛躍，開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域，如由美國(guó)NASA資助研制的火星探測(cè)機(jī)器人“索杰那”在1997年成功登上火星。國(guó)內(nèi)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的研究相對(duì)較晚，目前對(duì)移動(dòng)機(jī)械手的相關(guān)研究還處于理論分析、跟蹤、和試驗(yàn)階段，并在某些領(lǐng)域取得了一定的成果，例如清華大學(xué)自主研制的智能移動(dòng)機(jī)器人THMR-IH，中國(guó)科學(xué)院（沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所）投資研發(fā)的自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)AGV和防爆機(jī)器人，以及服務(wù)機(jī)器入和自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)在香港城市大學(xué)研制成功。

1.2輪式移動(dòng)機(jī)器人操作手設(shè)計(jì)的內(nèi)容本設(shè)計(jì)用可編程控制器實(shí)現(xiàn)一個(gè)有單步、單周期、連續(xù)、自動(dòng)回原點(diǎn)、手動(dòng)，五種工作模式的機(jī)械手控制系統(tǒng)。輪式機(jī)器人主體有底盤(pán)、機(jī)械手及電氣控制等三部分組成。電氣控制部分由可編程控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、各種位置電磁傳感器和一些低壓電器元件組成。可編程控制器作為控制核心，采集輸入端口信號(hào)后完成各種邏輯控制和數(shù)據(jù)的運(yùn)算，然后通過(guò)輸出端口完成電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和各種信號(hào)的現(xiàn)實(shí)。1.3輪式移動(dòng)機(jī)器人操作手設(shè)計(jì)的目的和意義移動(dòng)機(jī)器人操作手作為輪式機(jī)器人的重要組成部分，也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。關(guān)于移動(dòng)機(jī)械手的研究早在60年代就己經(jīng)開(kāi)始了，移動(dòng)機(jī)器人操作手就是在一個(gè)全方位移動(dòng)平臺(tái)上通過(guò)安裝一個(gè)或若干個(gè)多自由度機(jī)械手所構(gòu)成的聯(lián)合體。正由于移動(dòng)機(jī)器人操作手這種構(gòu)造使得它具有移動(dòng)和操作兩大基本功能，移動(dòng)平臺(tái)的位置移動(dòng)幾乎無(wú)限制地?cái)U(kuò)大了機(jī)械手的工作空間，并能在這個(gè)空間內(nèi)選擇一個(gè)更加適合的姿態(tài)來(lái)執(zhí)行任務(wù)。移動(dòng)機(jī)械手并非是傳統(tǒng)機(jī)器人與機(jī)械手的簡(jiǎn)單組合，與他們相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是在高柔性和自主性上比較突出。裝配有機(jī)械臂的智能移動(dòng)機(jī)器人能夠順次自主地完成一系列動(dòng)作：選定目標(biāo)、跟蹤并趨近目標(biāo)、機(jī)械臂伸展、夾手抓物、運(yùn)動(dòng)到指定位置、機(jī)械臂復(fù)位等。應(yīng)用智能機(jī)器人可以幫助老年人和殘疾人來(lái)完成他們?nèi)粘Ｉ钪须y以做到的一些操作，解決他們生活上的困難。而在工業(yè)生產(chǎn)和軍事領(lǐng)域中，機(jī)器人小車(chē)完成抓取搬運(yùn)任務(wù)，可以避免在惡劣和危險(xiǎn)環(huán)境中人工作業(yè)的危險(xiǎn)性。因此，裝配機(jī)械臂的智能機(jī)器人的研究對(duì)機(jī)器人在工業(yè)、服務(wù)業(yè)、軍事等領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有重要的實(shí)用價(jià)值和實(shí)際意義。2系統(tǒng)控制方案的確定2.1機(jī)械手系統(tǒng)的功能如圖1所示是一臺(tái)氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作示意圖，其作用是將工件從A點(diǎn)傳遞到B點(diǎn)。氣動(dòng)機(jī)械手的升降和左右移動(dòng)分別有兩個(gè)具有雙線(xiàn)圈的兩位電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸來(lái)完成，其中上升和下降對(duì)應(yīng)電磁閥的線(xiàn)圈分別為YV2和YV1，左行右行對(duì)應(yīng)電磁閥的線(xiàn)圈分別為YV4和YV3。一旦電磁閥線(xiàn)圈通電，就一直保持現(xiàn)有的動(dòng)作，直到相對(duì)的另一線(xiàn)圈通電為止。氣動(dòng)機(jī)械手的夾緊，松開(kāi)的動(dòng)作由只有一個(gè)線(xiàn)圈的兩位電磁閥驅(qū)動(dòng)的氣缸完成，線(xiàn)圈得電夾住工件，線(xiàn)圈斷電，松開(kāi)工件。機(jī)械手的工作臂都設(shè)有上、下限位和左、右限位的位置開(kāi)關(guān)X2、X1和X4、X3，夾持裝置不帶限位開(kāi)關(guān)，它通過(guò)一定的延時(shí)來(lái)表示其夾持動(dòng)作的完成.機(jī)械手在最上面、最左邊且除松開(kāi)的電磁線(xiàn)圈通電外其它線(xiàn)圈全部斷電的狀態(tài)為機(jī)械手的原位。機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點(diǎn)之外，還要求有連續(xù)控制和手動(dòng)控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來(lái)。當(dāng)旋鈕打向回原點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)地回到左上角位置待命。當(dāng)旋鈕打向自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)完成各工步操作，且循環(huán)動(dòng)作。當(dāng)旋鈕打向手動(dòng)時(shí)，每一工步都要按下該工步按鈕才能實(shí)現(xiàn)。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟1.深入了解和分析的機(jī)械手條件和控制要求。2.確定I/O設(shè)備。根據(jù)機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的輸入、輸出設(shè)備。3.根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)選擇合適的PLC類(lèi)型。4.分配I/O點(diǎn)。分配PLC的輸入輸出點(diǎn)，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線(xiàn)圖。5.設(shè)計(jì)機(jī)械手系統(tǒng)的梯形圖程序。根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)出周密完整的梯形圖程序。6.將程序輸入PLC進(jìn)行軟件測(cè)試，查找錯(cuò)誤，使系統(tǒng)程序更加完善。機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的主要步驟，如圖2所示：圖2機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的主要步驟3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1可編程控制器(PLC)3.1.1PLC簡(jiǎn)介自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來(lái)，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶(hù)需求的不斷提高，PLC在開(kāi)關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。作為離散控制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長(zhǎng)率保持為20%～30%。隨著工廠(chǎng)自動(dòng)化程度的不斷提高和PLC市場(chǎng)容量基數(shù)的不斷擴(kuò)大，近年來(lái)PLC在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的增長(zhǎng)速度放緩。但是，在中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家PLC的增長(zhǎng)十分迅速。PLC是由繼電器控制技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開(kāi)關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車(chē)制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過(guò)數(shù)字輸入和輸出操作，來(lái)控制各類(lèi)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。用戶(hù)編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過(guò)程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開(kāi)關(guān)量來(lái)處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來(lái)完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低很多。PLC沒(méi)有專(zhuān)用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000多個(gè)I/O）。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。

近10年來(lái)，隨著PLC價(jià)格的不斷降低和用戶(hù)需求的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的中小設(shè)備開(kāi)始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國(guó)的應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。3.1.2PLC的基本結(jié)構(gòu)可編程邏輯控制器實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：（1）電源可編程邏輯控制器的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去（2）中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶(hù)程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行時(shí)，首先它以?huà)呙璧姆绞浇邮宅F(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶(hù)程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶(hù)程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，對(duì)大型可編程邏輯控制器還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。（3）存儲(chǔ)器與微型計(jì)算機(jī)一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺(tái)完整的PLC。PLC的軟件分為兩部分:系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱(chēng)為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。PLC存儲(chǔ)空間的分配：雖然大、中、小型PLC的CPU的最大可尋址存儲(chǔ)空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)，系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)。（4）輸入輸出接口電路a.現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。b.現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過(guò)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。(5)功能模塊如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。(6)通信模塊3.1.3PLC的工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶(hù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶(hù)程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機(jī)或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶(hù)程序之外，在每次循環(huán)過(guò)程中，可如上圖編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個(gè)階段。可編程序控制器的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱(chēng)為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來(lái)看，處理過(guò)程似乎是同時(shí)完成的。在內(nèi)部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時(shí)，只執(zhí)行以上的操作。可編程序控制起處于（RUN）狀態(tài)時(shí)，還要完成另外3個(gè)階段的操作。在可編程序控制器的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來(lái)存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱(chēng)為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。可編程序控制器梯形圖中別的編程元件也有對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)區(qū)，它們統(tǒng)稱(chēng)為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開(kāi)（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。外接的輸入觸點(diǎn)電路接通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。外接的輸入觸點(diǎn)電路斷開(kāi)，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài)也不會(huì)隨之而變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段被讀入?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩?hù)程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按步序號(hào)順序排列。在沒(méi)有跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，CPU從第一條指令開(kāi)始，逐條順序的執(zhí)行用戶(hù)程序，直到用戶(hù)程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時(shí)，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的0/1狀態(tài)讀出來(lái)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，CPU將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。梯型圖某一輸出繼電器的線(xiàn)圈“通電”時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線(xiàn)圈通電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線(xiàn)圈斷電對(duì)應(yīng)的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線(xiàn)圈斷電，其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，外部負(fù)載斷電，停止工作。某一編程元件對(duì)應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài)時(shí)，稱(chēng)該編程元件為ON，映像寄存器為“0”狀態(tài)時(shí)，稱(chēng)該編程元件為OFF。掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行一次圖2.5.1aPLC的工作原理具體如圖3圖3PLC的工作原理（1）輸入采樣階段:在輸入采樣階段，PLC以?huà)呙璺绞揭来巫x入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶(hù)程序行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會(huì)改變。所以輸入如果是脈沖信號(hào)，它的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。（2）用戶(hù)程序執(zhí)行階段:在用戶(hù)程序執(zhí)行階段，PLC的CPU總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對(duì)控制線(xiàn)路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并以此刷新該邏輯線(xiàn)圈或輸出線(xiàn)圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達(dá)等。（3）輸出刷新階段:在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)響應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)才是PLC真正的輸出。(4)輸入/輸出滯后時(shí)間:輸入/輸出滯后時(shí)間又稱(chēng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，是指可編程序控制器的外部輸入信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，它由輸入電路濾波時(shí)間、輸出電路的滯后時(shí)間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時(shí)間三部分組成。輸入模塊的CPU濾波電路用來(lái)濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點(diǎn)動(dòng)作是產(chǎn)生的抖動(dòng)引起的不良影響，濾波電路的時(shí)間常數(shù)決定了輸入濾波時(shí)間的長(zhǎng)短，其典型值為10ms左右。輸出模塊的滯后時(shí)間與模塊的類(lèi)型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時(shí)間一般在10ms左右；雙向可控硅型輸出電路在負(fù)載接通時(shí)的滯后時(shí)間約為1ms，負(fù)載由導(dǎo)通到斷開(kāi)時(shí)的最大滯后時(shí)間為10ms；晶體管型輸出電路的滯后時(shí)間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)到兩個(gè)多掃描周期?？删幊绦蚩刂破骺偟捻憫?yīng)延遲時(shí)間一般只有幾十ms，對(duì)于一般的系統(tǒng)是無(wú)關(guān)緊要的。要求輸入—輸出信號(hào)之間的滯后時(shí)間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序控制器或采取其他措施。3.2機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)械手主要有手部、運(yùn)動(dòng)部件和控制系統(tǒng)三大部分組成。機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)裝置。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。機(jī)械手的機(jī)械夾持器多為雙指手抓式，按其手抓的運(yùn)動(dòng)方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手抓有可分為單支點(diǎn)和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，按夾持方式可以分為外夾式和內(nèi)撐式。按驅(qū)動(dòng)方式可以電動(dòng)、液壓和氣動(dòng)三種。3.2.1夾持裝置回轉(zhuǎn)型夾持器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但當(dāng)所夾持的工件直徑有變動(dòng)時(shí)，將引起工件軸心的偏移。對(duì)平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。但其機(jī)械機(jī)構(gòu)繁雜，體積大，制造精度要求高。所以當(dāng)設(shè)計(jì)機(jī)械手夾持器的時(shí)候，在滿(mǎn)足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單回轉(zhuǎn)型夾持器。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用的是楔槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器。如右圖所示，裝在桿上端的滾子3和楔塊之間為滾動(dòng)接觸。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)連桿前進(jìn)時(shí)，通過(guò)楔塊4的斜面和杠桿1，使兩個(gè)手爪產(chǎn)生加緊動(dòng)作和加緊力。當(dāng)楔塊后移時(shí)，靠彈簧的拉力使手指松開(kāi)。這種末端執(zhí)行器由于楔塊和滾子之間為滾動(dòng)接觸，摩擦力小，活動(dòng)靈活，且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。3.2.2驅(qū)動(dòng)方式（1）液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓取重量可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高。（2）氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣重量條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作，本設(shè)計(jì)采用此種驅(qū)動(dòng)方式。（3）機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專(zhuān)用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。（4）電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線(xiàn)電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線(xiàn)電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便，此類(lèi)機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。3.3傳感器的選擇在本設(shè)計(jì)中采用的是日本歐姆龍公司的產(chǎn)品：歐姆龍EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式傳感器。采用能抗周?chē)鈦?lái)光干擾的變調(diào)光式，不易受外來(lái)光干擾的影響；電源電壓采用大量程電壓輸出型（DC5-24V）；帶有便于調(diào)整的光軸標(biāo)識(shí)；帶有動(dòng)作確認(rèn)，容易調(diào)整的入光顯示燈；反射式傳感器的時(shí)間圖和輸出回路圖如圖13所示。圖4反射式傳感器的時(shí)間圖和輸出回路圖它有三根連接線(xiàn)(紅、藍(lán)、黑)，紅色接電源的正極、黑色接電源的負(fù)極、藍(lán)色為輸出信號(hào)，當(dāng)與擋塊接近時(shí)輸出電平為低電平，否則為高電平。需要注意檢測(cè)距離不要離傳感器太近，否則傳感器將不能工作；用接插件方式進(jìn)行連接，千萬(wàn)不要焊接端子。該傳感器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù)如下:型號(hào)EE-SPY402形狀立式檢測(cè)方式反射型檢測(cè)距離5mm(反射率90﹪15×15mm)應(yīng)差距離0.2mm(檢測(cè)距離3mm,橫方向)光源(發(fā)光波長(zhǎng))GaAs～紅外發(fā)光二級(jí)管(940nm)顯示燈入光時(shí)燈亮

(紅)電源電壓DC5～24V±10﹪脈動(dòng)(p-p)5﹪以下消耗電流平均值15mA以上50mA以下

控制輸出NPN電壓輸出負(fù)載電源電壓DC5～24V負(fù)載電流80mA以下殘留電壓1.0以下(負(fù)載電流80mA時(shí)

)殘留電壓0.4以下(負(fù)載電流10mA時(shí)

)應(yīng)答頻率100HZ使用環(huán)境照度受光面照度白熾燈太陽(yáng)光：各3，000x以下環(huán)境溫度動(dòng)作時(shí)：-10～+55°C保存時(shí)-25～+環(huán)境濕度動(dòng)作時(shí)：5～85﹪RH保存時(shí)-5～95﹪RH(不結(jié)露)耐久振動(dòng)10～55HZ上下振幅1.5mmXYZ各方向2h耐久沖擊500m/s2X、Y、Z各方向三次保護(hù)構(gòu)造IEC規(guī)格IP50連接方式接插件式(不可進(jìn)行軟釬焊)質(zhì)量約2.6g外殼材質(zhì)聚碳酸酯(PC)表1傳感器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù)3.4行程開(kāi)關(guān)的作用及原理行程開(kāi)關(guān)就是一種由物體的位移來(lái)決定電路通斷的開(kāi)關(guān)。行程開(kāi)關(guān)又稱(chēng)限位開(kāi)關(guān),可以安裝在相對(duì)靜止的物體(如固定架、門(mén)框等，簡(jiǎn)稱(chēng)靜物)上或者運(yùn)動(dòng)的物體（如行車(chē)、門(mén)等，簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)物）上。當(dāng)物體接近靜物時(shí)，開(kāi)關(guān)的連桿驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)引起閉合的接點(diǎn)分?jǐn)嗷蛘邤嚅_(kāi)的接點(diǎn)閉合。由開(kāi)關(guān)接點(diǎn)開(kāi)、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛蜋C(jī)構(gòu)的動(dòng)作。行程開(kāi)關(guān)用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開(kāi)關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開(kāi)關(guān)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此，行程開(kāi)關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類(lèi)似。行程開(kāi)關(guān)廣泛用于各類(lèi)機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制開(kāi)關(guān)轎門(mén)的速度、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)的限位及保護(hù)。3.4PLC機(jī)型的選擇方法在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步進(jìn)行PLC工程設(shè)計(jì)選型。設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)是工藝流程的應(yīng)用要求和特點(diǎn)。因此，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，要全面分析工藝流程的特點(diǎn)以及控制要求，明確控制要求和范圍，確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算所需輸入輸出點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、外部設(shè)備特性、確定PLC的功能等，最后選擇性?xún)r(jià)比較高的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。1．輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算時(shí)要考慮恰當(dāng)?shù)挠嗔?，一般根?jù)統(tǒng)計(jì)的I/O點(diǎn)數(shù)，再擴(kuò)展10%～20%的余量，作為I/O點(diǎn)數(shù)的估算數(shù)據(jù)。實(shí)際選擇時(shí)，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同制造廠(chǎng)商PLC產(chǎn)品的特點(diǎn)，對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。根據(jù)估算的方法，故本課題的I/O點(diǎn)數(shù)為輸入40點(diǎn)，輸出21點(diǎn)。2．存儲(chǔ)器容量的估算存儲(chǔ)器容量是PLC本身所能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶(hù)應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)橛脩?hù)程序還沒(méi)有編制，所以，程序容量在設(shè)計(jì)過(guò)程中是不知道的，需要在程序調(diào)試完成才知道。在設(shè)計(jì)選型時(shí)，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代程序容量估算。由于沒(méi)有固定的公式對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)存容量進(jìn)行估算，因此在文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，基本上都是根據(jù)數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍與模擬量I/O點(diǎn)數(shù)的100倍的和作為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），還應(yīng)考慮總數(shù)25%的余量。因此本課題的PLC內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲(chǔ)5000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過(guò)程中有足夠的空間。3．控制功能的選擇根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。（1）控制功能PLC適用于順序邏輯控制，因此，通常情況下采用單回路或者多回路控制器來(lái)解決模擬量的控制問(wèn)題，也可采用專(zhuān)門(mén)的智能輸入輸出單元來(lái)完成所需要的控制功能，以加快PLC的處理速度以及節(jié)約存儲(chǔ)器容量。（2）編程功能離線(xiàn)編程方式：編程器和PLC共同使用同一個(gè)CPU，編程器在進(jìn)行編程時(shí)，CPU只為編程器提供服務(wù)，不能控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。編程完畢后，編程器轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)，CPU控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不能進(jìn)行編程。離線(xiàn)編程方式能夠降低系統(tǒng)成本，但不方便進(jìn)行調(diào)試和使用。在線(xiàn)編程方式：CPU和編程器不能共用同一個(gè)CPU，主機(jī)CPU負(fù)責(zé)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，在每一個(gè)掃描周期內(nèi)都要與編程器交換數(shù)據(jù)，并由編程器把在線(xiàn)編制的程序或數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)，在下一掃描周期時(shí)，主機(jī)按照新接收的程序運(yùn)行。這種方式具有較高成本，但使用和調(diào)試方便，多用于大中型PLC。五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言：三種圖形化語(yǔ)言，分別為梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC）；兩種文本語(yǔ)言，分別為結(jié)構(gòu)文本（ST）、語(yǔ)句表（IL）。（3）診斷功能PLC的診斷功能分為硬件診斷和軟件診斷。硬件診斷通過(guò)硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分為內(nèi)診斷和外診斷。內(nèi)診斷是通過(guò)軟件診斷PLC內(nèi)部的性能和功能，外診斷是通過(guò)軟件診斷PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能。PLC診斷功能的是否強(qiáng)弱，直接影響對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。4．機(jī)型的選擇PLC的型號(hào)的選擇，應(yīng)充分考慮性?xún)r(jià)比。比較和兼顧考慮經(jīng)濟(jì)性、應(yīng)用的可操作性、可擴(kuò)展性、投入產(chǎn)出比等因素，從而選出較合適的產(chǎn)品。輸入輸出點(diǎn)數(shù)直接影響價(jià)格。當(dāng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器容量就要增加，因此，輸入輸出點(diǎn)數(shù)的增加對(duì)CPU、控制功能、存儲(chǔ)器容量范圍等的選擇都會(huì)產(chǎn)生影響。在估算和選用時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性?xún)r(jià)比。3.5機(jī)械手PLC選擇及參數(shù)3.5.1機(jī)械手PLC選擇三菱FX2N系列可編程控制器主機(jī)按輸入輸出點(diǎn)數(shù)可分為六檔：16點(diǎn)、24點(diǎn)、32點(diǎn)、64點(diǎn)、80點(diǎn)、128點(diǎn)，還有多種可擴(kuò)展單元，這樣在增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)時(shí)，可通過(guò)擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)而不改變機(jī)型，減少投入。結(jié)合課題要求可以得出本設(shè)計(jì)中PLC用到的主要輸入點(diǎn)有四個(gè)限位開(kāi)關(guān)、六個(gè)動(dòng)作過(guò)程和四種工作模式，而輸出則是機(jī)械手的五個(gè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作和一個(gè)原位指示，輸入還有系統(tǒng)的啟動(dòng)停止。所以本文用到的PLCI/O分配點(diǎn)為18個(gè)輸入點(diǎn)5個(gè)輸出點(diǎn)。由于機(jī)械手的控制屬于開(kāi)關(guān)量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型號(hào)的小型PLC均可滿(mǎn)足要求。根據(jù)所需的I/O總點(diǎn)數(shù)并留有一定的備用量，可選用FX2N-48RM，其輸入和輸出各24點(diǎn)，繼電器輸出型。綜合上述原則機(jī)械手控制系統(tǒng)主機(jī)為三菱的FX2N-48MR。

3.5.2主要技術(shù)數(shù)據(jù)工作電源：24VDC輸入點(diǎn)數(shù)：24輸出點(diǎn)數(shù)：24輸入信號(hào)類(lèi)型：直流或開(kāi)關(guān)量輸入電流：24VDC5mA模擬輸入：-10V～10V（-20mA～+20mA）輸出晶體管允許電流0.3A/點(diǎn)（1.2A/COM）輸出電壓規(guī)格：30VDC最大負(fù)載：9W輸出反應(yīng)時(shí)間：Off→On20μsOn→Off30μs基本指令執(zhí)行時(shí)間：數(shù)個(gè)μs程序語(yǔ)言：指令+梯形圖+SFC程序容量：3792STEPS基本順序指令：32個(gè)（含步進(jìn)梯形指令）應(yīng)用指令：100種初始步進(jìn)點(diǎn)：S0～S9一般步進(jìn)點(diǎn)：118點(diǎn)，S10～S127輔助繼電器：一般用512+232點(diǎn)（M000～M511+M768～M999）停電保持用256點(diǎn)（M512～M767）特殊用280點(diǎn)（M1000～M1279）定時(shí)器：100ms時(shí)基64點(diǎn)（T0～T63）數(shù)據(jù)寄存器：一般用408點(diǎn)（D000～D407）停電保持用192點(diǎn)（D408～D599）特殊用144點(diǎn)（D1000～D1143）指針/中斷：P64點(diǎn)；I4點(diǎn)（P0～P63/I001、I101、I201、I301）串聯(lián)通信口：程序?qū)懭?讀出通訊口：RS232主機(jī)電源220VAC

4機(jī)械手系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)4.1編程語(yǔ)言的介紹基本的編程語(yǔ)言有：梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）和語(yǔ)句表（STL）。LAD和FBD是面向圖形的語(yǔ)言。在LAD中通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)中連接各個(gè)觸點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建控制方案，而在FBD中則是通過(guò)AND和OR方框互連在一起的。STL是一種面向文本的語(yǔ)言，以列表方式描述控制任務(wù)。梯形圖因?yàn)槠浔容^直觀(guān)并且容易接受因而很受普通編程人員的歡迎。梯形圖是使用得最多的圖形編程語(yǔ)言，被稱(chēng)為PLC的第一編程語(yǔ)言。梯形圖及用梯形圖語(yǔ)言編程的主要特點(diǎn)，概括起來(lái)主要有：（1）梯形圖是一種圖形語(yǔ)言，它沿用繼電器的觸點(diǎn)、線(xiàn)圈、串并聯(lián)等術(shù)語(yǔ)和圖形符號(hào)，并增加了一些繼電接觸控制中沒(méi)有的符號(hào)，因此梯形圖與繼電接觸控制圖的形式及符號(hào)有許多相同或相仿的地方。梯形圖最左邊的豎線(xiàn)稱(chēng)為起始母線(xiàn)也叫左母線(xiàn)，然后按一般以繼電器線(xiàn)圈（線(xiàn)圈可以用圓圈、橢圓形、括號(hào)來(lái)表示）結(jié)束，稱(chēng)為一邏輯行或叫一“梯級(jí)”，一般在最右邊還加上一豎線(xiàn)，這一豎線(xiàn)稱(chēng)為右母線(xiàn)，也可省去右母線(xiàn)。通常一個(gè)梯形圖中有若干邏輯行（梯級(jí)），形似梯子，梯形圖由此而得名。梯形圖形象直觀(guān)，容易掌握，用的很多，堪稱(chēng)用戶(hù)第一編程語(yǔ)言。（2）梯形圖中的每個(gè)繼電器和繼電器接點(diǎn)不是通常物理意義上的繼電器和接點(diǎn)，而是存儲(chǔ)器中的一位。即在梯形圖中均為“軟線(xiàn)圈”、“軟接點(diǎn)”、“軟繼電器”、“軟接線(xiàn)”。（3）梯形圖中沒(méi)有真正意義上的物理電流流動(dòng)，只有假想的“概念電流”（或稱(chēng)“能流”）從梯形圖的左母線(xiàn)（假想為“火線(xiàn)”）向右母線(xiàn)（假想為“中線(xiàn)”）“流動(dòng)”，而不能“逆向流動(dòng)”。（4）梯形圖中的繼電器線(xiàn)圈包括輸出繼電器、輔助繼電器線(xiàn)圈等，其邏輯動(dòng)作只有線(xiàn)圈接通之后，才能使對(duì)應(yīng)的常開(kāi)或常閉接點(diǎn)動(dòng)作。（5）梯形中接點(diǎn)可以多次串聯(lián)或并聯(lián)，但繼電器線(xiàn)圈只能并聯(lián)而不能串聯(lián)。（6）PLC是按循環(huán)掃描方式沿梯形圖的梯級(jí)從上到下、從左到右的先后順序執(zhí)行程序的，在同一個(gè)掃描周期中的結(jié)果保留在輸出狀態(tài)暫存器中。（7）一般完整的程序結(jié)束時(shí)要有結(jié)束標(biāo)志END

4.2三菱編程軟件的特點(diǎn)三菱PLC是運(yùn)用三菱公司的GXDeveloper7.0編程軟件完成的。GXDeveloper7.0軟件的特點(diǎn)如下：1、制作程序。2、對(duì)可編程控制器CPU的寫(xiě)入/讀出。3、監(jiān)視功能。監(jiān)視功能包括回路監(jiān)視，軟元件同時(shí)監(jiān)視，軟元件登陸監(jiān)視機(jī)能。此功能對(duì)于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的控制系統(tǒng)在查找故障的時(shí)候是非常重要的。4、模擬調(diào)試功能。把編制好的程序模擬傳入可編程控制器的CPU內(nèi)，調(diào)試此程序是否能夠正常運(yùn)行。此功能對(duì)于在完成自動(dòng)門(mén)程序的時(shí)候進(jìn)行程序的檢查是很重要的。5、PC診斷功能?？梢詫㈠e(cuò)誤狀態(tài)或則故障快速診斷出來(lái)，以便在短時(shí)間內(nèi)可以恢復(fù)作業(yè)。4.3系統(tǒng)流程圖控制流程介紹：（1）將選擇開(kāi)關(guān)置于回原位操作方式，通電狀態(tài)下，按下回原位按鈕，各機(jī)構(gòu)復(fù)位，即機(jī)械手在最上面、最左邊且除松開(kāi)的電磁線(xiàn)圈通電外其它線(xiàn)圈全部斷電。（2）當(dāng)選擇手動(dòng)方式時(shí)，按下相應(yīng)按鈕，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。（3）當(dāng)選擇單步方式時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)移，需要按起動(dòng)按鈕執(zhí)行下一步。（4）當(dāng)選擇自動(dòng)方式時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)從原點(diǎn)下降到A點(diǎn)拾取物品，之后上升，右移，下降到B點(diǎn)放下物品，循環(huán)工作，知道按下停止按鈕。4.4梯形圖的設(shè)計(jì)基本規(guī)則和技巧為了使編程正確、快速和優(yōu)化，必須掌握編程的基本規(guī)則和技巧。（1）梯形圖按自上而下，從左到右的順序排列，每一列起于左母線(xiàn)，終于右母線(xiàn)（右母線(xiàn)也可省去不畫(huà)）。（2）在同一梯形圖中，統(tǒng)一編號(hào)的線(xiàn)圈若使用兩次或兩次以上稱(chēng)為雙線(xiàn)圈輸出，一般情況下一個(gè)線(xiàn)圈只能出現(xiàn)一次，因?yàn)殡p線(xiàn)圈輸出容易引起操作錯(cuò)誤。（3）PLC內(nèi)部幾點(diǎn)去的接點(diǎn)可以多次使用，不受限制。（4）在梯形圖中，每行串聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和每組并聯(lián)電路的并聯(lián)接點(diǎn)數(shù)，理論上沒(méi)有限制。但有的PLC可能有限制，要看廠(chǎng)家使用說(shuō)明說(shuō)。（5）輸入及電器的線(xiàn)圈是由輸入點(diǎn)上的外部輸出信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)的，所以梯形圖中輸入繼電器的接點(diǎn)用以表示對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的輸入信號(hào)。（6）把串聯(lián)接點(diǎn)最多的支路編排在上方。（7）把接點(diǎn)最多的并聯(lián)電路編排在最左邊。（8）有些指令必須成對(duì)使用，缺一不可。（9）定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等的設(shè)定值和指令程序中的操作數(shù)不能超出規(guī)定允許的數(shù)據(jù)范圍。5機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1確定PLC輸入/輸出點(diǎn)數(shù)（1）輸入信號(hào)位置檢測(cè)信號(hào)：下限、上限、右限、左限共4個(gè)行程開(kāi)關(guān)需要4個(gè)輸入端子。“工作方式”選擇開(kāi)關(guān)：有手動(dòng)、單步、回原位、單周期和連續(xù)5種工作方式，需要5個(gè)輸如端子。手動(dòng)操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松6個(gè)按鈕，也需要6個(gè)輸入端子。自動(dòng)工作：尚需起動(dòng)、正常停車(chē)、回原位3個(gè)按鈕，也需要3個(gè)輸入端子。以上共需要18個(gè)輸入信號(hào)。（2）輸出信號(hào)PLC的輸出用于控制機(jī)械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松等。機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始工作，需要一個(gè)原點(diǎn)指示燈，也需要1個(gè)輸出點(diǎn)。所以，至少需要6個(gè)輸出點(diǎn)。由于機(jī)械手屬于開(kāi)關(guān)量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型號(hào)的小型PLC均可滿(mǎn)足要求。根據(jù)所需的I/O總點(diǎn)數(shù)并留有一定的備用量，可選用FX2N-48RM，其輸入和輸出各24點(diǎn)，繼電器輸出型。表2為輸入輸出點(diǎn)數(shù)分配表。輸入信號(hào)輸入信號(hào)名稱(chēng)代號(hào)輸入點(diǎn)名稱(chēng)代號(hào)輸入點(diǎn)下限SQ1X1手動(dòng)SAX20上限SQ2X2原位SAX21右限SQ3X3單步SAX22左限SQ4X4單循環(huán)SAX23上升SB3X5自動(dòng)SAX24左行SB4X6松開(kāi)SB5X7輸出信號(hào)下降SB6X10名稱(chēng)代號(hào)輸出點(diǎn)右行SB7X11下降YV1Y0夾緊SB8X12上升YV2Y2回原位SB9X25左行YV3Y3起動(dòng)SB10X26右行YV4Y4停止SB11X27夾緊YV5Y1表2輸入輸出點(diǎn)數(shù)分配表

5.2PLC接線(xiàn)圖

5.3指令表公共程序：49STLS1199SETS260LDX00450SETM8043101STLS261ANDX00252LDM8043102LDIX0022ANIY001自動(dòng)方式：103OUTY0023OUTM804455STLS2104LDX0025LDM800056LDM8041105SETS276ISTX20S20S2757ANDM8044107STLS27手動(dòng)方式：58ANDX026108LDIX00413STLS059SETS20109OUTY00414LDX01261STLS20110LDX00415SETY00162LDIX001111OUTS216LDX00763OUTY000113RET17RSTY00164LDX001114END18LDX00565SETS2119ANIX00267STLS2120OUTY00268SETY00121LDX01069OUTT0K1022ANIX00172LDT023OUTY00273SETS2224LDX00675STLS2225ANIX00476LDIX00226ANDX00277OUTY00227OUTY00478LDX00228LDX01179SETS2329ANIX00381STLS2330ANDX00281STLS2331OUTY00382LDIX003回原點(diǎn)方式：83OUTY00332STLS184LDX00333LDX2585SETS2434SETS1087STLS2436STLS1088LDIX00137ZRSTY00089OUTY00042LDIX00290LDX00143OUTY00291SETS2544LDX00293STLS2545OUTY00494RSTY00146LDX00495OUTT1K1047SETS1198LDT1

5.4梯形圖

5.5仿真圖5.5.1自動(dòng)方式仿真圖：圖5.1自動(dòng)方式仿真圖5.5.2手動(dòng)方式仿真圖圖5.2手動(dòng)操作機(jī)械手夾緊，放松仿真圖

圖5.3手動(dòng)操作機(jī)械手上升，下降仿真圖圖5.4手動(dòng)操作機(jī)械手左移，右移仿真圖

6結(jié)論本次設(shè)計(jì)是基于PLC控制的輪式機(jī)器人操作手，利用PLC的強(qiáng)大的控制功能，實(shí)現(xiàn)了利用可編程控制器控制機(jī)械手的功能，具有接線(xiàn)簡(jiǎn)單、編程直觀(guān)、擴(kuò)展容易等特點(diǎn)。而且，當(dāng)系統(tǒng)要求的功能增加時(shí)，只需要對(duì)軟件程序進(jìn)行簡(jiǎn)易更改。論文首先介紹了課題設(shè)計(jì)的背景、內(nèi)容、目的和意義。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)重心從制造業(yè)向非制造業(yè)的轉(zhuǎn)移，人們對(duì)機(jī)器人的靈活性、獨(dú)立性、智能化提出了更高的要求。其次圍繞系統(tǒng)方案的確定，對(duì)輪式機(jī)器人操作手進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。輪式機(jī)器人操作手是機(jī)械和電氣控制相結(jié)合的產(chǎn)品。主要由載具，機(jī)械手和控制系統(tǒng)三部分所組成。然后闡述了本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)要求功能的具體步驟。最后講述了PLC的優(yōu)點(diǎn)和選擇PLC進(jìn)行控制的原因。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的大體思路是第一，對(duì)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；第二，對(duì)PLC（可編程控制器），氣動(dòng)機(jī)械手，傳感器，微動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行慎重的選擇；第三，列出了PLC輸入輸出分配表，并繪制了本設(shè)計(jì)的電氣原理圖；第四，據(jù)系統(tǒng)工作過(guò)程的要求，繪制出了系統(tǒng)流程圖，進(jìn)而設(shè)計(jì)出了滿(mǎn)足機(jī)械手各功能的梯形圖。

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