plc控制機械手畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　專 業(yè)： 機電一體化 </p><p>　　班 級：08高機電2班（高技 高職） </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)老師：

2、 </p><p>　　論文名稱： PLC控制機械手 </p><p>　　日 期： 2009年12月3日 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關(guān)鍵部件之一。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用

3、滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等。本文介紹的機械手是由PLC輸出三路脈沖，分別驅(qū)動橫軸、豎軸變頻器，控制機械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關(guān)將位置信號傳給PLC主機；位置信號由接近開關(guān)反饋給PLC主機，通過交流電機的正反轉(zhuǎn)來控制機械手手爪的張合，從而實現(xiàn)機械手精確運動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，

4、可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機械手 PLC 變頻器 交流電機</p><p>　　目 錄第一章 三相異步電動機和電氣傳動1</p><p>　　1.1傳動機構(gòu)2</p><p>　　1.2三相異步電動機的結(jié)構(gòu)3</p>

5、<p>　　1.3 三相電動機的轉(zhuǎn)動原理6</p><p><b>　　第二章變頻器8</b></p><p>　　2.1變頻器的構(gòu)成8</p><p>　　2.2 變頻器的分類9</p><p>　　2.3 FR-A540變頻器10</p><p>　　第三章可編程控制器

6、PLC13</p><p>　　3.1PLC簡介13</p><p>　　3.2 PLC的工作原理14</p><p>　　第四章機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計17</p><p>　　4.1機械手的工藝過程17 </p><p>　　4.2 PLC控制系統(tǒng)18</p><p><

7、b>　　謝 辭24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>　　附 錄 </b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主

8、題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。</p><p>　　工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分

9、。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。</p><p>　　本課題擬開發(fā)物料搬運機械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，對機械手的上下、左右以及抓取運動進(jìn)行控制。該裝置機械部分有滾珠絲杠、滑軌、機械抓手等；

10、電氣方面由交流電機、變頻器、操作臺等部件組成。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機械手完成各種動作。</p><p>　　由于時間倉促和個人水平限制，我的設(shè)計存在著許多還沒來得及解決的問題，希望廣大老師、同學(xué)能夠給予批評指正并予以解決。</p><p>　　第一章 三相異步電動機和電氣傳動</p><p><b>　　1．1傳動機構(gòu)</b

11、></p><p><b>　　1．螺旋機構(gòu)</b></p><p>　　螺旋機構(gòu)由螺桿、螺母和機架組成，其主要功能是將轉(zhuǎn)動變換為直線運動，并同時傳遞運動和動力，按螺旋副中的摩擦性質(zhì)，螺旋機構(gòu)可以分為滑動螺旋機構(gòu)和滾動螺旋機構(gòu)兩種類型。按用途可以分為傳力螺旋、傳導(dǎo)螺旋和調(diào)整螺旋三種類型。螺旋機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳動平穩(wěn)，無噪聲易于自鎖等優(yōu)點。</p

12、><p><b>　　2. 滑動螺旋機構(gòu)</b></p><p>　　螺旋副內(nèi)為滑動摩擦的的螺旋機構(gòu)，稱為滑動螺旋機構(gòu)。滑動螺旋機構(gòu)所用的螺紋為傳動性能好，效率高的矩形、梯形和鋸齒形螺紋?；瑒勇菪龣C構(gòu)由螺母和螺桿組成。根據(jù)機構(gòu)的組成及運動方式，滑動螺旋機構(gòu)又分為以下兩種。</p><p>　?。?）．由螺母和螺桿組成的滑動螺旋機構(gòu)，螺母與機架固聯(lián)，

13、螺桿轉(zhuǎn)動并移（如圖1-1b所示），這種螺旋機構(gòu)以傳遞動力為主，故又稱傳力螺旋機構(gòu)。一般要求用較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向力，多用在工作時間短，速度較低的場合。</p><p>　　（2）．由螺母、螺桿和機架組成的滑動螺旋機構(gòu)，如圖1-1a所示，螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，這種螺旋機構(gòu)以傳遞運動為主，故又稱為傳導(dǎo)螺旋機構(gòu)。</p><p>　　本文所介紹的機械手的豎軸就是用的傳導(dǎo)螺旋機構(gòu)。這種傳動形式結(jié)

14、構(gòu)緊湊，剛度較大，傳動效率高，精度高。</p><p>　?。╝）螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動 (b) 螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動</p><p><b>　　圖1-1</b></p><p><b>　　3．滾動螺旋機構(gòu)</b></p><p>　　螺旋副內(nèi)為滾動摩

15、擦的螺旋機構(gòu)，稱為滾動螺旋機構(gòu)或滾珠絲杠。其機構(gòu)特點是在螺桿和螺母之間設(shè)有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如剛球，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動時，剛球沿螺旋滾道滾動并帶動螺母作直線運動。按循環(huán)方式的不同，分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種形式。 </p><p>　　滾珠始終在循環(huán)過程中始終與螺桿保持接觸的循環(huán)叫內(nèi)循環(huán)。滾珠在返回時與螺桿脫離接觸的循環(huán)叫外循環(huán)（如圖1-2所示）。外循環(huán)螺母只需

16、設(shè)置一個反向器，當(dāng)滾珠進(jìn)入反向器時，就被阻止而轉(zhuǎn)彎，從返回通道回到滾道的另一端，形成一個循環(huán)回路。</p><p>　　機械手的橫向運動采用的便是滾動螺旋傳動。滾動螺旋機構(gòu)摩擦阻力小，動作靈敏度高，傳動效率高，可達(dá)90%以上。用調(diào)整的方法可消除間隙，傳動精度高。</p><p><b>　　圖1-2 </b></p><p>　　1．2三相

17、異步電動機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　三相異步電動機的種類很多，但各類三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)是相同的，它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件，如圖1-3所示。</p><p>　　1—軸承；2—前端蓋；3—轉(zhuǎn)軸；4—接線盒；5—吊環(huán)；6—定子鐵心；</p><p>　　7—轉(zhuǎn)子；8—定子繞

18、組；9—機座；10—后端蓋；11—風(fēng)罩；12—風(fēng)扇</p><p>　　圖1-3 封閉式三相籠型異步電動機結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　1．定子部分 </b></p><p>　　定子是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。三相電動機的定子一般由外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。</p><p><b>　?。?）外殼

19、</b></p><p>　　三相電動機外殼包括機座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環(huán)等部件。 </p><p>　　機座：鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是保護和固定三相電動機的定子繞組。中、小型三相電動機的機座還有兩個端蓋支承著轉(zhuǎn)子，它是三相電動機機械結(jié)構(gòu)的重要組成部分。通常，機座的外表要求散熱性能好，所以一般都鑄有散熱片。</p><p>　　端蓋：用鑄鐵或

20、鑄鋼澆鑄成型，它的作用是把轉(zhuǎn)子固定在定子內(nèi)腔中心，使轉(zhuǎn)子能夠在定子中均勻地旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　軸承蓋：也是鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型的，它的作用是固定轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子不能軸向移動，另外起存放潤滑油和保護軸承的作用。</p><p>　　接線盒：一般是用鑄鐵澆鑄，其作用是保護和固定繞組的引出線端子。</p><p>　　吊環(huán)：一般是用鑄鋼制造，安裝在機座的上端，用來起吊、

21、搬抬三相電動機。 </p><p><b>　　（2）定子鐵心</b></p><p>　　異步電動機定子鐵心是電動機磁路的一部分，由0.35mm～0.5mm厚表面</p><p>　　涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成，如圖1-4所示。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽口，用

22、來嵌放定子繞圈。 </p><p>　?。╝）定子鐵心 （b）定子沖片 </p><p>　　圖1-4 定子鐵心及沖片示意圖</p><p><b>　?。?）定子繞組</b></p><p>　　定子繞組是三相電動機的電路部分，三相電動機有三相繞組，通入三相對稱電流

23、時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每個繞組在空間相差120°電角度。線圈由絕緣銅導(dǎo)線或絕緣鋁導(dǎo)線繞制。中、小型三相電動機多采用圓漆包線，大、中型三相電動機的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端分別標(biāo)為U1, V1, W1 ，末端分別標(biāo)為U2, V2, W2 。這六個出線端

24、在接線盒里的排列如圖1-5所示，可以接成星形或三角形。</p><p>　?。╝）星形連接 （b）三角形連接</p><p>　　圖1-5 定子繞組的聯(lián)結(jié)</p><p><b>　　2．轉(zhuǎn)子部分</b></p><p>　?。?）轉(zhuǎn)子鐵心 是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上，作用和定

25、子鐵心相同，一方面作為電動機磁路的一部分，一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。</p><p>　　（2）轉(zhuǎn)子繞組 異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組分為繞線形與籠形兩種，由此分為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機與籠形異步電動機。</p><p>　?、?繞線形繞組 與定子繞組一樣也是一個三相繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上的三個與轉(zhuǎn)軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相連，這就有可能在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻或電

26、動勢以改善電動機的性能，見圖1-6。 </p><p>　　1—集電環(huán)；2—電刷；3—變阻器</p><p>　　圖1-6 繞線形轉(zhuǎn)子與外加變阻器的連接</p><p>　　1．3 三相電動機的轉(zhuǎn)動原理</p><p>　　圖1-7為三相異步電動機轉(zhuǎn)動原理示意圖。 三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速

27、 。旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有電流流過。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場按順時針方向旋轉(zhuǎn)，且某時刻為上為北極N下為南極S，如圖1-8所示。根據(jù)右手定則，在上半部轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電動勢和電流方向由里向外，用⊙表示；在下半部則由外向里，用⊕表示。 </p><p>　　圖1-7 圖1-8</p&

28、gt;<p>　　三相電動機的轉(zhuǎn)動原理</p><p>　　原理：定子旋轉(zhuǎn)磁場以速度n0切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感生電動勢（發(fā)電機右手定則），在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中形成電流，使導(dǎo)體受電磁力作用形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n順n0方向旋轉(zhuǎn)（電動機左手定則），并從軸上輸出一定大小的機械功率。(n不能等于n0)特點：·電動機內(nèi)必須有一個以n0旋轉(zhuǎn)的磁場。－實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的前提；電動運行時n恒不等于n0（異步）－必要條件

29、n<n0； 建立轉(zhuǎn)矩的電流由感應(yīng)產(chǎn)生。流過電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力作用，力F的方向可用左手定則確定，如圖1-10所示。電磁力作用于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上，對轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)速為n。三相電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n始終不會加速到旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1。因為只有這樣，轉(zhuǎn)繞組與旋轉(zhuǎn)磁場之間才會有相對運動而切割磁力線，轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體中才能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可見

30、 n1<n .</p><p><b>　　第二章變頻器</b></p><p>　　變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MGT(MOS控制晶體管)、

31、MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)的發(fā)展過程，器件的更新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM－VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的VVVF變頻器

32、已投入市場并獲得了廣泛應(yīng)用。 </p><p><b>　　2.1變頻器的構(gòu)成</b></p><p>　　異步電動機用變頻器調(diào)速運轉(zhuǎn)時的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO做逆變元件）給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電源及頻率，由控制回路指令進(jìn)行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運算獲得。對于需要精密速度或快速響

33、應(yīng)的場合，運算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓，過電流引起的損壞外就，還應(yīng)保護異步電動機及傳動系統(tǒng)等。</p><p>　　圖2-1 變頻器的構(gòu)成</p><p>　　給異步電動機提供調(diào)速調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖2-2示出了典型的電壓逆變器的例子，其住電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在整

34、流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時需附加“制動回路”。</p><p>　　2.2 變頻器的分類</p><p>　　變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分

35、為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。</p><p>　　2.3 FR-A540變頻器</p><p><b>　　變頻器的接線</b></p><p>　　變頻器的各回路接線端子如圖2-2所示，其中表示主回路接線端子， 表示控制

36、回路輸入接線端子，表示控制輸出接線端子。</p><p>　　主回路接線及注意事項</p><p><b>　　圖2-2端子接線圖</b></p><p><b>　　1主回路接線</b></p><p>　　主回路電源和電動機的連接如圖2-3所示。電源必須接R、S、T，絕對不能接U、V、W，否則會

37、損壞變頻器。在接線時不必考慮電源相序。使用單相電源時必須接R、S端。電機接到U、V、W端子上。當(dāng)加入正轉(zhuǎn)開關(guān)（信號）時，電動機旋轉(zhuǎn)方向從軸向看時為逆時針方向。</p><p>　　圖2-3 電源和電機的連接</p><p>　　2主電路接線端子介紹及注意事項</p><p><b>　　主回路接線端子簡介</b></p><

38、p>　　1交流電源輸入端子R、S、T：連接工頻電源，當(dāng)使用高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器件，確保這些端子不連接（FR-HC）。</p><p>　　2變頻器輸出端子U、V、W：接三相籠型異步電動機。</p><p>　　3控制回路電源輸入端子R1、S1：與交流電源端子R、S連接。在保持異常顯示和異常輸出時或當(dāng)使用高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器（FR-HC）時，必須拆下端子R-R1和S-S1之間的短路片，并提供外

39、部電源到此端子。</p><p>　　4連接制動電阻器端子P/+、PR：拆開端子PR-PX之間的短路片，在P/+、PR之間連接選件制動電阻器（FR-ABR）。</p><p>　　5連接制動單元端子P/+、N/-：連接選件PR-BU型制動單元或電源再生單元（FR-RC）或高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器（FR-HC）。</p><p>　　6連接改善功率因數(shù)DC電抗端子P/+、P1

40、：拆開端子P/+與P1間的短路片，連接選件改善功率因數(shù)用電抗器（FR-BEL）。</p><p>　　7連接內(nèi)部制動回路端子PR、PX：用短路片將PR-PX短路時（出廠時設(shè)定）內(nèi)部制動賄賂變生效。</p><p>　　8接地端子變頻器外殼接地用，必須接大地。</p><p><b>　　接線注意事項</b></p><p&g

41、t;　　1電源一定不能接到變頻器輸出端上（U、V、W），否則將會損壞變頻器。接線后，零碎線頭必須清除干凈，零碎線頭可能造成設(shè)備運行時異常、失靈和故障，必須始終保持變頻器清潔。在控制臺上打孔時，請注意不要使碎片</p><p>　　2粉末等進(jìn)入變頻器中。</p><p>　　3為使電壓下降在2%以內(nèi)，請用適當(dāng)型號的電線接線。</p><p>　　4布線距離最長為500

42、m。尤其長距離布線，由于布線寄生電容所產(chǎn)生的沖擊電流，可能引起過電流保護誤動作，輸出側(cè)連接的設(shè)備可能運行異常或發(fā)生故障。</p><p>　　5在P/+和PR端子之間建議制動電阻選件，端子間原來的短路片必須拆下。</p><p>　　6電磁波干擾，變頻器輸入/輸出包含有諧波成分，可能干擾變頻器附近的通訊設(shè)備。因此，安裝選件無線電噪聲濾波器或線路噪聲濾波器，使干擾降至最小。</p>

43、;<p>　　7不要安裝電力電容器，浪涌抑制器和無線電噪聲濾波器在變頻器輸出側(cè)。這將導(dǎo)致變頻器故障或電容和浪涌抑制器的損壞。如上述任何一種設(shè)備已安裝，請立即拆掉。</p><p>　　8運行后，改變接線的操作，必須在電源切斷10min以上，用萬用表檢查電壓后進(jìn)行。斷電一段時間內(nèi)，電容上仍然有危險的高電壓。 </p><p>　　第三章可編程控制器PLC</p>

44、<p><b>　　3．1 PLC簡介</b></p><p>　　自二十世紀(jì)六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的

45、基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。</p><p>　　作為離散控的制的首選產(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年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。

46、綜合相關(guān)資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。 </p><p>　　PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程

47、序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。</p><p>　　PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）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)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的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

48、方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結(jié)果送給PLC的控制器。</p><p>　　相同I/O點數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可

49、以接收幾千個I/O點（最多可達(dá)8000多個I/O）。如果被控對象主要是設(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)計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 </p><p>　　3.2 PLC的工作原理 </p><p>　　可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)

50、控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(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 或切換到STOP工作狀態(tài)。</p><p>　　除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，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)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸

51、出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時完成的。</p><p>　　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)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。</p><p>　　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，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破鹛幱冢≧UN）狀

52、態(tài)時，還要完成另外3個階段的操作。</p><p>　　在可編程序控制器的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中別的編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。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（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。</p><p>　　外接的輸入觸點電

53、路接通時，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點斷開，常閉觸點接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。</p><p>　　可編程序控制器的用戶程序由若干條指

54、令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時，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，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，運算結(jié)果寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。</p><p>　　在輸出處理階段，CPU 將輸

55、出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負(fù)載通電工作。</p><p>　　若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(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應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作

56、。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài)時，稱該編程元件為ON，映像寄存器為“0”狀態(tài)時，稱該編程元件為OFF。</p><p>　　掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態(tài)時，指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當(dāng)用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。不過嚴(yán)格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。如圖3.1所示。</p><p&g

57、t;　　圖3.1 PLC的掃描運行方式</p><p><b>　?。?）輸入采樣階段</b></p><p>　　在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數(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)入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，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)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的

58、寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。</p><p>　?。?）用戶程序執(zhí)行階段</p><p>　　在用戶程序執(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。并對控制線路進(jìn)行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(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)運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達(dá)等。&l

59、t;/p><p><b>　?。?）輸出刷新階段</b></p><p>　　在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(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)動響應(yīng)的外設(shè)。這時才是PLC真正的輸出。</p><p>　?。?）輸入/輸出滯后時間</p><p>　　輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指可編程

60、序控制器的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三部分組成。</p><p>　　輸入模塊的CPU濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波時間的長短，其典型值為10ms左右。輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸

61、出電路的滯后時間一般在10ms左右；雙向可空硅型輸出電路在負(fù)載接通時的滯后時間約為1ms，負(fù)載由導(dǎo)通到斷開時的最大滯后時間為10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達(dá)到兩個多掃描周期。可編程序控制器總的響應(yīng)延遲時間一般只有幾十ms，對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求輸入—輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(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。</p><p>

62、　　第四章機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　4．1 機械手的工藝過程</p><p>　　機械手的結(jié)構(gòu)和各部分動作示意圖，如圖下圖所示。機械手的工作均由電機驅(qū)動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機驅(qū)動螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)來完成的。</p><p><b>　　分析工藝過程</b></p><p>　　機械手的初始位

63、置停在原點，按下啟動后按扭后，機械手將下降——加緊工件——上升——右移——再下降——放松工件——在上升——左移八個動作，完成一個工作周期。機械手的下降、上升、右移、左移等動作轉(zhuǎn)換，是由相應(yīng)的限位開關(guān)來控制的，而加緊、放松動作的轉(zhuǎn)換是有時間來控制的。</p><p>　　為了確保安全，機械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降，若上次搬到右工作臺上的工件尚未移走，機械手應(yīng)自動暫停，等待。為此設(shè)置了一個光電開

64、關(guān)，以檢測“無工件”信號。</p><p>　　圖4-1 整體設(shè)計圖</p><p>　　為了滿足生產(chǎn)要求，機械手設(shè)置了手動工作方式和自動工作方式，而自動工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。</p><p>　　手動工作方式：利用按鈕對機械手每一步動作進(jìn)行控制。例如，按下“下降”按鈕，機械手下降；按下“上升”按鈕，機械手上升。手動操作可用于調(diào)整工作位置和緊急停

65、車后機械手返回原點。</p><p>　　單步工作方式：從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按一次啟動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。</p><p>　　單周期工作方式：按下啟動按鈕，機械手按工序自動自動完成一個周期的動作，返回原點后停止。</p><p>　　連續(xù)工作方式：按下按鈕，機械手從原點，按步序自動反復(fù)連續(xù)工作，在連續(xù)工作方式下設(shè)置兩種停車狀態(tài)：&

66、lt;/p><p>　　正常停車：在正常工作狀態(tài)下停車。按下復(fù)位按鈕，機械手在完成最后一個周期的工作后，返回原點自動停機。</p><p>　　緊急停車：在發(fā)生事故或緊急狀態(tài)時停車。按下緊急停車按鈕，機械手停止在當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)故障排除后，需手動回到原點。</p><p>　　4．2 PLC控制系統(tǒng)</p><p>　　1．確定輸入/輸出點數(shù)并選擇

67、PLC型號</p><p><b>　　1）輸入信號</b></p><p>　　位置檢測信號：下限、上限、右限、左限共4個行程開關(guān)，需要4個輸入端子。</p><p>　　“無工件檢測”信號：用光電開關(guān)作檢測元件，需要1個端子。</p><p>　　“工作方式”選擇開關(guān)：有手動、單步、單周期和連續(xù)4種工作方式，需要4個

68、輸如端子。</p><p>　　手動操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松6個按鈕，也需要6個輸入端子。</p><p>　　自動工作：尚需啟動、正常停車、緊急停車3個按鈕，也需要3個輸入端子。以上共需要18個輸入信號。</p><p><b>　　2）輸出信號</b></p><p>　　PLC的輸出用于控制機

69、械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松以三個電動機轉(zhuǎn)速的控制等，共需要11個輸出點。機械手從原點開始工作，需要一個原點指示燈，也需要1個輸出點。所以，至少需要6個輸出點。</p><p>　　由于機械手的控制屬于開關(guān)量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型號的小型PLC均可滿足要求。根據(jù)所需的I/O總點數(shù)并留有一定的備用量，可選用FX2N-48RM，其輸入和輸出各24點，繼電器輸出型。FX2N-48RM的各項

70、工作參數(shù)已在第二章介紹，在此不在做介紹。</p><p>　　2．分配PLC的輸入/輸出端子</p><p>　　PLC的輸入輸出端子分配接線圖，如圖4-2所示。</p><p>　　3．PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計</p><p>　　為了方便編程，可將手動和自動程序分別編出相對獨立的程序段，用跳轉(zhuǎn)指令進(jìn)行選擇，控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖，如圖4-3所

71、示。選擇手動方式時，X3接同，跳過自動程序，執(zhí)行手動程序；選擇自動工作方式時，X3斷開，執(zhí)行自動程序。</p><p>　　圖4-2 輸入/輸出分配接線圖</p><p>　　圖4-3 總程序結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　圖4-4 手動程序</b></p><p>　?。?）手動程序 手動操作不需要按工序順序進(jìn)

72、行動作，所以可按普通繼電器程序來設(shè)計。手動操作的梯形圖，如圖4-4所示，手動按鈕X20-X25分別控制下降、上升、右移、左移、加緊和放松各個動作。為了保證系統(tǒng)的的安全與進(jìn)行，</p><p>　　設(shè)置了一些必要的連鎖。其中在左、右移動的電路中加入X11作上限連鎖，這是因為機械手只有處于上限位置時，才允許左、右移動。</p><p>　　自動程序 自動程序如圖4-5所示。</p>

73、;<p>　　1）連續(xù)及單周期操作。當(dāng)機械手在原點時，程序處于初始狀態(tài)S0，執(zhí)行下降動作。當(dāng)下降到下限位開關(guān)時，X10接通，又接通下一個狀態(tài)S21，接著執(zhí)行下一步動作。當(dāng)執(zhí)行完最后一步動作，即左移到原點碰到左限位開關(guān)時，X13接通，如果是單周期操作，則M0斷開，回到初始狀態(tài)，如果連續(xù)操作，則M0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至S20，又開始下一個周期的循環(huán)。</p><p>　　在運行中，如按正常停車按鈕，則X1接

74、通，M0復(fù)位，機械手的動作繼續(xù)執(zhí)行完一個周期后，回到初始狀態(tài)。如按緊急停車按鈕，則X2接通，狀態(tài)S0~S33全部復(fù)位，機械手工作停止。重新啟動時，先用手動來將機械手移回原點，才能再次進(jìn)行自動操作。</p><p>　　2）單步操作。當(dāng)自動操作程序采用步進(jìn)指令設(shè)計時，單步操作程序用“禁止步進(jìn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，線圈斷電時，允許狀態(tài)轉(zhuǎn)移。</p><p>　　在單步操作方式下，利用啟動按鈕X0作為單步操

75、作信號，X4接通。不按啟動按鈕時，X0斷開，其常閉接點閉合，M8040接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移被禁止。</p><p><b>　　圖4-5 自動程序</b></p><p>　　圖4-6 用“禁止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)移”設(shè)計的單步操作梯形圖</p><p>　　當(dāng)完成一步動作后，按下啟動按鈕，X0接通，，其常閉接點將M8040斷開，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步。</p&g

76、t;<p>　　將如圖4-6所示的單步操作梯形圖連接在如圖4-5所示的自動程序上端，就得到了包括單步、單周期、連續(xù)操作在內(nèi)的整個自動操作的梯形圖。至此，機械手的控制程序分段設(shè)計完畢。根據(jù)圖4-3所示的總程序結(jié)構(gòu)框圖，將手動操作程序梯形圖和自動程序梯形圖嵌入，就得到整個程序的梯形圖。</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　本論文

77、是在xx老師親自指導(dǎo)下完成的。老師在學(xué)業(yè)上給了我很大的幫助，使我在設(shè)計過程中避免了許多無為的工作。老師一絲不茍、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的治學(xué)態(tài)度，精益求精、誨人不倦的學(xué)者風(fēng)范，以及正直無私、磊落大度的高尚品格，更讓我明白許多做人的道理，在此我對導(dǎo)師表示衷心的感謝！</p><p>　　本論文能夠完成，要感謝機械工程系的所有老師，是他們在這三年的時間里，教會我的專業(yè)知識。在我撰寫論文期間，得到了我的指導(dǎo)老師的幫助，在忙碌的工作之

78、余，給予我專業(yè)知識上的指導(dǎo)，而且教給我學(xué)習(xí)的方法和思路，使我在科研工作及論文設(shè)計過程中不斷有新的認(rèn)識和提高。導(dǎo)師為論文課題的研究提出了許多指導(dǎo)性的意見，為論文的撰寫、修改提供了許多具體的指導(dǎo)和幫助。多得他們的指導(dǎo)和幫助才使我能完成本論文。我會在以后的工作中為社會作出貢獻(xiàn)去回報他們對我的教導(dǎo)。希望每個人都和我一樣，通過做畢業(yè)設(shè)計，能夠?qū)W到很多的知識與道理，大家都能用一顆熱誠的心去投身未來的工作，報效祖國、父母、老師。</p>

79、<p>　　在本文結(jié)束之際，特向我敬愛的老師和電子機械工程系所有老師致以最崇高的敬禮和深深的感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　岳慶來主編 變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合運用技術(shù) 機械工業(yè)出版社 2006</p><p>　　胡曉明主編 電氣控制及PLC 機械工業(yè)出版社 2006</

80、p><p>　　程周主編 PLC技術(shù)與應(yīng)用 福建科學(xué)技術(shù)出版社 2004</p><p>　　李中年主編 控制電氣及應(yīng)用 清華大學(xué)出版社 2006</p><p>　　劉美俊編著 通用變頻器應(yīng)用技術(shù) 福建科學(xué)技術(shù)出版社 2004</p><p>　　馮辛安主編 機械制造裝備設(shè)計 機械工業(yè)出版社 2005</p><p>　

81、　廖常初主編 可編程序控制器應(yīng)用技術(shù) 重慶大學(xué)出版社 2002</p><p>　　張繼和 張潤敏 梁海峰主編 電機控制與供電基礎(chǔ) 西南交通大學(xué)出版社 2000</p><p>　　邱士安主編 機電一體化技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 2005</p><p>　　10.田鳴主編 機械技術(shù)基礎(chǔ) 機械工業(yè)出版社 2005</p><p><