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1、 三 江 學 院 本科生畢業(yè)設計（論文） 題 目 基于 PLC 的柔性制造系統(tǒng)的搬運機構 的 控制系統(tǒng)設計 高 職 院 （系） 機械設計制造及其自動化 專 業(yè) 學 號 學生姓名 指導教師 起訖日期 設計地點 摘 要 在基于 PLC 的柔性制造系統(tǒng)為核心的基礎上，重點進行了搬運機構的控制 設計，詳細敘述了該搬運單元由步進電機進行綜合控制的軟、硬件的實現方法。 該設計利用步進電機單位脈沖所具有的步進距離不變的特點，對其采用開環(huán)點 位控制。因此可將整個運動視為拆線運動，每一個動作可視為運動程序相同、 特征參數各異的點位相對運動。其以起點作為參考點，通過脈沖得到目的點的 位置，手動點擊按鈕，實現機械手

2、從參考點運動到目的點。 關鍵詞:柔性制造系統(tǒng)；PLC；機械手 ABSTRACT In the basis of PLC as the core, with the focus on the control of the FMS handling unit design, this paper describes the handling unit consists of stepping motor comprehensive control the hardware and the software realization method. This design using the step

3、ping motor unit pulse with the characteristics of step distance unchanged, the position control by the open loop. So the entire movement as take out stitches movement, every movement can be regarded as exercise program is same, characteristic parameters of the relative motion dealership network. His

4、 with starting point as a reference point, through the pulse count is purpose o clock position, manual click button, realize manipulator to destination reference point movement from the point. So as to realize the “Fang Hang“ technical FMS movements. Key words：Flexible Manufacturing System;Programma

5、ble Controller;Manipulator 目 錄 第一章 緒論1 1.1 基于 PLC 的柔性制造系統(tǒng)搬運機構的概述 1 1.2 機械手控制系統(tǒng)的背景和意義 2 1.2.1 可編程序控制器背景.2 1.2.2 可編程序控制器的應用意義.2 1.2.3 可編程序控制器的特點.3 1.3 本課題研究的內容 3 第二章 硬件設計5 2.1 機械手的機械結構設計 5 2.2 傳動系統(tǒng)的設計 7 2.3 其他輔助系統(tǒng)的設計 .10 第三章 軟件設計12 3.1 總體流程圖的設計 .12 3.2 三菱 PLC 的選擇 .12 3.2.1 三菱 PLC 控制系統(tǒng)設計的基本原則12 3.2.2 三

6、菱 PLC 控制系統(tǒng)設計步驟12 3.2.3 三菱 PLC 品牌選擇13 3.2.4 三菱 PLC 系列選擇14 3.2.5 三菱輸出方式選擇16 3.3 三菱 PLC 的 I/O 口分配 .17 3.3.1I/O 點數.17 3.3.2I/O 口分配原則.17 3.3.3I/O 口分配論證.18 3.4 三菱 PLC 程序的設計 .19 結束語.31 致 謝.32 參考文獻.33 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第一章 緒論 1.1 基于 PLC 的柔性制造系統(tǒng)搬運機構的概述 PLC 柔性制造系統(tǒng)是一組數控機床和其他自動化的工藝設備，由計算機 信息控制系統(tǒng)和物料

7、自動儲運系統(tǒng)有機結合的整體。柔性制造系統(tǒng)由加工、 物流、信息流三個子系統(tǒng)組成。 機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。在柔性制造系 統(tǒng)中起到了物流的作用，是其中一個重要的環(huán)節(jié)。 機械手的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上 兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現了人的智能和適應性。其作業(yè)的準確性和 各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓工 件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求 而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各 種

8、轉動（擺動） 、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和 姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。 為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個自由度。自由度是機械手設 計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越 復雜。一般專用機械手有 23 個自由度。 在現代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工 業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦 法，程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生 產自動化的重要辦法。 但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝

9、配等作業(yè)，有待于進一 步實現機械化。據資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有 75是小批量生 產；金屬加工生產批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在機床上加工的時 間僅占零件生產時間的 5。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切 性，工業(yè)機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。機械手可在空間抓放 物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛 應用于柔性自動線。 在機械工業(yè)中，機械手的應用意義可以概括如下： 1.可以提高生產過程的自動化程度，應用機械手，有利于提高材料的傳送、 工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動 生產率，降低生

10、產成本，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。 2.可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、 噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 2 直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全 地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的 操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的 人身事故。 3.可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產，應用機械手代替人手進行工作，這 是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，

11、這是減少 人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上，目前幾乎 都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生 產。 綜上所述，有效地應用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.2 機械手控制系統(tǒng)的背景和意義 機械手按驅動控制方式分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按 運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。其中以可編程序 控制器控制的電動式點位控制機械手應用最為廣泛。 1.2.1 可編程序控制器背景 可編程序控制器（programmable controller） ，現在一般簡稱為 PLC（programmable logic cont

12、roller） ，它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技 術、半導體集成技術、自動控制技術、數字技術、通信網絡技發(fā)展起來的一種 通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等領域 獲得了廣泛的應用，成為了現代工業(yè)控制三大支柱之一。 在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領域中是繼電器控制占主導地位。 傳統(tǒng)的繼電器控制具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產中 應用甚廣。但是控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是 由于它靠硬件連線構成系統(tǒng)，接線繁雜，當生產工藝或控制對象改變時，原有 的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。 1.2.2

13、可編程序控制器的應用意義 PLC 的應用領域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的 PLC 幾乎可以說凡是 需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要 PLC，尤其近幾年來 PLC 的性價比不斷提高已 被廣泛應用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。 按 PLC 的控制類型，其應用大致可分為以下幾個方面： 1.用于邏輯控制。這是 PLC 最基本，也是最廣泛的應用方面。用 PLC 取代繼 電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電 梯控制等。 2.用于模擬量控制。PLC 通過模擬量 I/O 模塊，可實現模擬量和數字量之間轉 換，并對模擬量控制。 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本

14、科生畢業(yè)設計（論文） 3 3.用于機械加工中的數字控制 。現代 PLC 具有很強的數據處理功能，它可以 與機械加工中的數字控制（NC）及計算機控制（CNC）緊密結合，實現數字控 制。 4.用于工業(yè)機器人控制。 5.用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的 PLC 具有較強的通信聯通能力，可實現 PLC 與 PLC 之間、PLC 與遠程 I/O 之間、PLC 與上位機之間的通信。從而形成 多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網絡。 1.2.3 可編程序控制器的特點 1.可靠性高、抗干擾能力強 PLC 能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等 中可靠地工作，PLC 的平均無故障間隔時間高，日本

15、三菱公司的 F1 系列 PLC 平均無故障時間間隔長達 30 萬 h，這是一般微機所不能比擬的。 2.控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強 由于 PLC 是采用軟件編程來實現控制功能，對同一控制對象，當控制要求 改變需改變控制系統(tǒng)的功能時，不必改變 PLC 的硬件設備，只需相應改變軟件 程序。 3.編程簡單、使用、維護方便 4.組合方便、功能強、應用范圍廣 PLC 既可用于開關量的控制又可用于模擬量 的控制；既可用單片機控制，又可用于組成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)， 又可控制復雜系統(tǒng)。因此，PLC 應用范圍很廣。 5.體積小、重量輕、功耗低 PLC 采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功

16、耗也很低， 空載功耗約 1.2KW。 1.3 本課題研究的內容 1.概要 任務：實現機械手在兩個工作臺間代替工人進行單調持久地搬移工作。 要求：PLC 控制，預置工作程序，動作靈活，可根據工件的變化隨時更改 相關控制參數。 2.硬件選擇 動力源步進電機及其相應驅動設備。機械手夾持部位采用電磁控制。 各元件應結合現場工作環(huán)境進行校核設計，本文中所選設備僅作示范性選擇， 未進行校核，不適用于具體設備制造，不代表最終機械手硬件。 傳動機構機械手臂采用滾珠絲杠螺母傳動。 超程保護設備運行過程中未能豁免發(fā)生控制程序或電路故障，造成在 極限位置仍繼續(xù)發(fā)出前進信號，燒毀步進電機或其驅動設備。結構中在極限位

17、三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 4 置采用行程開關進行超程保護，各極限位置保留了一定工作區(qū)域，不作為工作 行程。 操作臺布置盡力人性化處理，顯示實時工作狀態(tài)及故障報警。 3.控制要求 定位精確性步進電機和步進電機驅動器作為動力啟動設備，采用開環(huán) 點位控制，滿足點位要求。 路徑無干擾性無干涉，無安全隱患?？梢栽O定中間點位避讓繞行。 4.輸入輸出設備 輸入：指令按鈕、旋鈕、急停按鈕、報警及指示裝置。 輸出：指示燈、二極管、步進電機及其驅動設備、電磁機械手。 5.研究對象特點 本設計的應用研究，貼近企業(yè)生產，具有很強的可行性、實用性和經濟性。 該設備可以應用于中、小批量生產

18、柔性制造自動化生產線，實現工件在兩工作 臺間的搬移，大大的減輕工人的勞動強度、減少人力資源的浪費，節(jié)省生產成 本，提高生產效率，減少因為人工疏忽造成的安全事故。遠程控制，對于恒溫 環(huán)境、不適合人直接接觸工作的危險環(huán)境（如：高溫、發(fā)射、劇毒、無氧、高 空等惡劣環(huán)境）下較普通機械手（如：行程開關定位順序控制）有明顯的優(yōu)勢。 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 5 第二章 硬件設計 2.1 機械手的機械結構設計 1.夾緊機構手爪 機械手手爪是用來抓取工件的部件。其構造模仿人的手指，分為無關節(jié)、 固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指數量又可分為二指、三指、四指等，其中以二 指用得較多?？?/p>

19、根據夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適 應操作。手爪抓取工件時，應具有迅速性、靈敏性、準確性和可靠性。 設計過程中應根據需要對機械手的運動速度、加速度、夾持物體重量、慣 性和沖擊力、開口尺寸進行校核，且能夠自鎖，防止斷電或設備故障造成被抓 物掉落。 2.手爪結構圖 假定被夾持工件為有凹槽回轉體，且自重不超過機械手允許安全負載，作 以下結構設計： 圖 2.1 機械手手爪示意圖 1.手爪 2.轉軸 3.壓縮彈簧 4.電磁鐵芯 5.電磁線圈 6.螺母 7.機械手手爪殼體 8.點位銷 9.限位螺釘 10.橡膠防滑墊 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 6 工作原理

20、：杠桿原理、胡克定律及安培定律。 工作方式：機械手的夾緊與放松由電磁線圈控制。若線圈得電，手臂處產 生電磁力矩，當電磁力矩大于彈簧被壓縮所產生的力矩時，手臂吸合，手爪張 開；若線圈失點，手臂端無磁力矩，機械手手爪將在彈簧預壓縮力所產生的力 矩下，保持夾緊狀態(tài)，實現自鎖功能，避免因偶爾斷電導致被抓物掉落。 特點：最大夾持半徑可調，設定夾持點半徑，可減少夾持力對夾持物表面 的破壞。由于夾緊的為剛性工件，為了提高安全性能，防止破壞工件，我們可 以在夾持部分加上一層橡膠，這樣可以通過增大工件和手指之間的摩擦系數來 增加安全性，通過橡膠的彈性變形來緩沖對工件的沖擊，可以減輕乃至消除對 工件的損壞。 本設

21、計使用的是電磁式控制吸合的機械手，適用于磁性材料，有溝槽或穿 孔的工件吸住；單位面積有較大的吸力；可以快速吸附和松放工件，從而快速 實現工件在兩工作臺之間的搬運控制；此外，結構簡單，使用壽命較長。 3.機械手軀體的組成 機械手軀干包括立柱、機座、手臂和手腕四部分。 立柱是支撐手臂帶動它升降、擺動和移動的機構，立柱和機座相聯可固定 在地面上、機床設備上、或者橫掛在梁上，可固定在行走機座上。本設計中機 座為落地固定式機座。 機座是支撐機械手全部重量的構建，對其結構的要求是剛性好、占地面積 小、操作方便和造型美觀。 手臂是機械手的主要部分，它支持手腕、手指和工件使他們運動的機構。 手臂應承載能力大、

22、剛性好、自重輕、靈活、位置精度高、通用性強等特點。 主要結構有伸縮式和關節(jié)式，本文優(yōu)選伸縮式。 4.軀干傳動定位機構 1) 手臂直線運動的結構 手臂直線運動的結構，基本上是由驅動機構和導向裝置組成。文中選用步 進電機作為動力，故選用絲杠螺母機構和齒輪傳動機構?，F就兩者作以下分析： 絲杠螺母機構：位置較準確、降速比大、運動平穩(wěn)、無噪音、易自鎖，但 高精度的絲杠制造比較困難，傳動效率低。矩形、梯形螺紋結構，因傳動力大， 應用廣泛。滾珠絲杠效率高，但成本高。 齒輪齒條機構：傳動效率高、速度快、無自鎖。一般用于機械手的傳動機 構，不作為定位機構。 為滿足自鎖要求，優(yōu)先選用絲杠螺母機構。 2) 手臂回轉

23、機構 由于采用步進電機作為驅動元件，回轉機構相對簡單，成本相對比較低。 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 7 可直接采用齒輪減速以實現回轉。 齒輪減速：工作可靠，使用壽命長；瞬時傳動比為常數；減速效率高；結 構緊湊；功率和速度適用范圍很廣等。 圖 2.2 機械手機構圖 1.機座 2.卡環(huán) 3.軸承 4.步進電機 5.圓柱主動齒輪 6.圓柱從動齒輪 7.搖臂 8.聯軸器 9.螺母 10.導向軸 11.絲杠滑塊 12.絲杠軸 13.軸承 14.機械手 2.2 傳動系統(tǒng)的設計 1.傳動方式 電氣傳動使利用電動機直接驅動執(zhí)行機構，以獲得機械手的各種運動。 采用步進電機驅動，機械

24、手的位移和運動速度，可由電控系統(tǒng)發(fā)出脈沖信 號數量及脈沖信號頻率來控制。步進電機能夠達到比較高的重復定位精度。 2.步進電機及其驅動器 步進電機(stepping motor)是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步 進驅動器收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的 角度(稱為“布距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^ 控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的：同時可以通過控制 脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 8 以作為一種控制用的特種電機，利用其沒

25、有累積誤差（精度為 100%）的特點， 廣泛的用于各種開環(huán)控制。 步進電機分為機電式及磁電式兩種基本類型。 機電式步進電機由鐵芯、線圈、齒輪機構等組成。螺線管線圈通電時將產 生磁力，推動其鐵芯芯子運動，通過齒輪機構是輸出軸轉動角度，通過抗旋轉 齒輪使輸出轉軸保持在新的工作位置；線圈再通電，轉軸又轉動角度，依次進 行步進運動。 磁電式步進電動機主要有永磁式、反應式和永磁感應子式 3 種形式。 永磁式步進電動機由四相繞組組成。A 相繞組通電時，轉子磁鋼將轉向該 相所確定的磁場方向；A 相斷電、B 相繞組通電時，就產生一個新的磁場方向， 這是，轉子就轉動一個角度而位于新的磁場方向上，被激勵相的順序決

26、定了轉 子轉動方向。永磁式步進電動機消耗功率小，步距角較大。缺點是啟動頻率和 運行頻率較低。 反應式步進電動機在定、轉子鐵芯的內外表面上設有按一定規(guī)律分析的相 近齒槽，利用這兩種齒槽的相對位置變化引起磁路磁阻的變化產生轉矩。這種 步進電動機步距角可做到 115，甚至更小，精度容易保證，起動和運動 頻率較高，但消耗較大，效率較低。 永磁感應子式步進電動機又稱混合式步進電動機。是永磁式步進電動機和 反應式步進電動機兩者的結合，并兼有兩者的優(yōu)點。 步進電動機的驅動電源由變頻脈沖信號源、脈沖分配器及脈沖放大器組成， 由驅動電源向電機繞組提供脈沖電流。步進電動機的運行性能決定于電機與驅 動電源間的良好配

27、合。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。 而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，電機的矩頻性能 滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率 下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般的說最大靜力矩大的電 max Mj 機，負載力矩大。 選擇步進電動機時應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到設備所需的 脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲杠 導程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率， 不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的

28、負載慣性和設備要求的啟動頻 率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù) 工作頻率能滿足快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算： 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 9 （1）計算電機的步距角比，根據所要求脈沖當量，步距角 計算如下： 8 . 1 5 1025 . 0 360 S i360 式中：S-絲杠螺距(mm) -(mm/脈沖) i-減速比 （2）計算電機負載轉矩 M Nm F M002. 0 1114 . 3 2 10025. 0500 i2 10 33 式中：F-啟動單元負載(N) -傳動系統(tǒng)總效率(此處先以 1 帶入) 根據以上

29、數據，可以選擇 17HS001 電機。17HS001 電機的具體參數如表 2.1 所示。 表 2.1 42HS003 步進電機電氣技術數據 電機型 號 相數步距角 相 電 流 驅動 電壓 最大 靜轉 矩 相 電 阻 相 電 感 重 量 配套 驅動 器 17HS0012 1.8 1.7 A DC24 V 0.45 Nm 3.3 3.7 mH 0.35 Kg ST-2H B02X 與該步進電機相匹配的驅動器為 ST-2HB02X 驅動器。ST-2HB02X 驅動器采 用 MicrosChip 芯片，采用新型的雙極性恒相流驅動技術，實現最大 64 細分高 性能驅動，適合驅動 2A。 以下 42 系列

30、，57 系列兩相混合式步進電機。廣泛應用于各種數控機床， 紡織機械，噴繪機，疲勞測試機等用戶希望成本低，低振動，高精度，高速度 的場合。 技術參數： 型號 ST-2HB02X 相 數：二相 工作電壓：DC(10-40)V 驅動電流：DC(0.1-2.0)A 驅動方式：全橋雙極恒相流驅動 電流設置：0.1A 分度 細分功能：相電流不高于 2A/相的兩相，四相混合式步進電機 冷卻方式：散熱器(安裝在通風良好的場合) 環(huán)境溫度：050 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 10 尺寸/重量：1307333mm/280g 2.3 其他輔助系統(tǒng)的設計 1.原點定位及超程保護 為保證機

31、械手重復定位精度，對機械手每工作循環(huán)提出返回原點校零位要 求。 在初始位置添置限位開關，當觸及時發(fā)出已達原點命令，停止遠動。同時 鎖定繼續(xù)前進行動，能且只能反向運動，以實現因故障或暴力操作造成的超程 保護功能。非原點端只作超程保護不作為定位。 圖 2.8 傳動絲杠示意圖 2.操作臺 操作面板以貼近人們日常工作習慣、符合人體工程學、方便工作人員直接 操作、反應自動工作狀態(tài)為原則，與后文 I/O 采用方案相匹配，進行設計，如 圖 2.9 所示。 該機械手工作方式有手動、單步、單周期、連續(xù)工作(自動)四種形式。具 體有原點、路徑關鍵點、報警指示、工作狀態(tài)指示等功能。下面操作面板說明 如下： 設備原點

32、：機械手的設備原點。任何停止狀態(tài)，旋轉旋鈕到原點，啟動回 原點按鈕，機械手回到了原點。 手動方式：各自的按鈕使各個負載單獨接通或斷開。實現實時按操作者的 指令進行動作。同時也負責起自動工作方式中每一工步目的記錄保存工作。 單步：旋鈕旋轉單周期工作，按動一次啟動按鈕，進行一個工步。 單周期：旋鈕旋轉單周期工作，按動一次啟動按鈕，進行一個周期。 連續(xù)工作(自動狀態(tài))：在用戶原點，旋鈕旋轉自動，按動啟動按鈕連續(xù)反 復進行，途中按動停止按鈕，運行到原定后停止。 LED 指示燈：狀態(tài)實時顯示。 電源和急停按鈕與 PLC 工作無關。該按鈕使用來接通或斷開 PLC 外部負載 的電源。 三江高等職業(yè)技術學院

33、2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 11 圖 2.9 操作面板示意圖 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 12 第三章 軟件設計 3.1 總體流程圖的設計 1.工作流程圖 圖 3.1 工作流程圖 本機械手采用點位控制，我們可將整個運動看作折線運動，每一步動作歸 納為參數不同的點位之間動作。以起點作為參考點，通過脈沖計數，得到目的 點位置。手動操作機械手從參考點到達目的點后，保存目的點的相對特征參數， 并對每一步保存的參數進行列表管理。實現手動模式下點位輸入，自動模式查 表“仿行”運動。手動設置好以后就可以按預先設置自動運行。 核心思想：記錄關鍵點，構造工作路徑和狀態(tài)?，F就

34、四工位作以下說明。 用戶在手動原點狀態(tài)下，控制機械手至 A 點位(到 A 點的路徑可制定中間點 實現繞行)，按下保存，記錄該店重要參數。之后控制機械手到 B 點位夾取工件， 同時記錄機械手位置及加緊位置，為簡化過程，可在 A 點設置機械手張開，B 點設置夾緊。 控制機械手移動，同前所述記錄關鍵點位，到 D 點放下工件。再用同樣的 方法到下一工位進行操作。 3.2 三菱 PLC 的選擇 3.2.1 三菱 PLC 控制系統(tǒng)設計的基本原則 1、滿足被控制對象的控制要求考慮將來的發(fā)展的需要，PLC 選用功能較強的新 產品，并留有適當的余量。 2、系統(tǒng)安全、可靠。 3、盡可能簡單、經濟、使用與維護方便。

35、 4、具有較高的性價比。 3.2.2 三菱 PLC 控制系統(tǒng)設計步驟 1、分析被控對象，提出控制要求。 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 13 2、確定輸入、輸出設備。 3、確定 PLC 的 I/O 點數，選擇 PLC 機型。 4、分配 I/O 點數，繪制 PLC 控制系統(tǒng)輸入、輸出端子接線圖。 5、程序設計，繪制工作循環(huán)圖或狀態(tài)轉移圖。 6、程序調試。先進行模擬調試，再進行現場聯機調試；先進行局部、分段調試， 再進行整體、系統(tǒng)調試。 7、調試過程結束，整理技術資料，投入使用。 圖 3.2 PLC 控制系統(tǒng)設計步驟流程圖 3.2.3 三菱 PLC 品牌選擇 世界上生產

36、PLC 的廠商有數百家，構成美國、歐洲和日本三大技術陣營， 其代表機型有美國羅克韋爾(Rockwell)自動化公司所屬的 A-B(Allen-Bradley) 公司生產的 PLC-5 系列 PLC、GE-Fanuc 公司生產的 90-TM30 系列和 90-YM70 系 列的 PLC、德國西門子(Siemens)公司生產的 S5 系列 PLC 和 S7 系列 PLC，日本 三菱公司生產的 FX 系列、A 系列、Q 系列 PLC、歐姆龍公司生產的 CS 系列、從 200 系列、CPM 系列 PLC。 三大技術陣營的 PLC 在程序表達形式、功能及用法上有很大的差異。熟悉 三江高等職業(yè)技術學院 2

37、013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 14 西門子 S5 系列 PLC 的人都知道，他是采用機構化編程的方法，盡管他也設有梯 形圖、邏輯圖等多種其他編程語言，但少許復雜一點的問題就必須采用語句表， 通過 STEP5 語言，調用各種功能來實現。然而美國 A-B 公司的 PLC-5 系列可編 程控制器則與西門子 S5 系列 PLC 相去甚遠，A-B 的 PLC-5 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 A-B 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 產品是非常有特色的，他對梯形圖、語句表并重，而 且配置了包括功能指令在內的功能很強的指令系統(tǒng)

38、用戶常常會發(fā)現，同一個應 用問題，選用日本的小型 PLC 產品就能解決，而用歐美產品常要選用中型乃至 大型 PLC 才行。這主要是歐美小型 PLC 產品指令系統(tǒng)太弱所制。 日本的 PLC 技術是由美國引進的，因此日本的產品對美國的產品有一定的 繼承性。但日本把自己主推產品定位在小型 PLC 上，因面臨的主要市場在亞洲， 因此他對美國的 PLC 技術既有繼承，更多的是發(fā)展。在小型 PLC 方面，他已是 青出于藍而勝于藍，日本產品在世界小型 PLC 市場上占 70%的份額。 據不完全統(tǒng)計，我國引進的 PLC 產品價值，其中美國約占 36.3%，歐洲產 品約占 45.5%，日本產品約占 18.2%。

39、歐美產品以大中型 PLC 為主，基本上德國 西門子公司于美國 A-B 公司平分秋色。小型 PLC 主要是日本產品。 在國內，日本三菱公司生產的 FX 系列小型 PLC 以其良好的性能得到了廣泛 的應用，同時各大高校、職業(yè)技術學校，也為其提供了專業(yè)技術人才的支持。 簡單機械手運動小型 PLC 足以滿足要求，選用日本三菱公司 FX 系列作為本 文中搬運機械手的核心控制系統(tǒng)，可以減少企業(yè)對操作人員培訓，降低使用成 本，減少消費者對產品使用的顧慮。 3.2.4 三菱 PLC 系列選擇 PLC 機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 護使用最方便以及性能價格比的最優(yōu)化機型。三菱 F

40、X 系列 PLC 包括、 S FX1 、。各型號的 PLC 在性能上都有所區(qū)別。 N FX1 N FX2 NC FX2 1、系列 PLC S FX1 將優(yōu)良的特點融合進一個很小的控制器中。適用于最小的封裝，他是 S FX1 希望低成本的用戶在有限的 I/O 范圍內尋求功能強大的控制的首選目標。 提供多達 30 個 I/O，并且能通過串行通信傳輸數據，所以他能用在常用的 S FX1 緊湊型 PLC 不能應用的地方。 體積雖小，但功能強大： S FX1 （1）主機點數 10/14/20/30，分為晶體管輸出/繼電器輸出，交流電源/直 流電源。 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文

41、） 15 （2）結構緊湊、性價比高。顯示模塊和擴展板使系統(tǒng)升級變得容易。 （3）高速運算?；局噶钍?0.55s/指令0.7s/指令；應用指令是 3.7s/指令至幾百 s/指令。 （4）2000 步存儲容量，是以前的 FXOS 的 2.5 倍。 （5）豐富的器件資源。輔助繼電器 512 點、定時繼電器 64 點、計數器 32 點、數據寄存器 256 點。 （6）具有實時時鐘功能。使用標準型號的實時時鐘滿足對時間的應用要求。 （7）聯網能力。串行擴展通過 RS-232、RS-422 使聯網更容易。 （8）電源使用范圍很寬。世界任何地方的標準電壓都適用，也可以使用直 流電源。 （9）基于 Wind

42、ows 軟件。 （10）模擬點位器。 （11）密碼保護。 （12）遠程維護。 （13）脈沖輸出和定位功能。一個 PLC 單元中每相能同時輸出 2 點 100KHz 脈沖，PLC 配置 7 條特殊定位指令，包括零返回、絕對位置讀出、絕對或相對 地址表達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展板。通信和數據鏈接功能選項使用 FX1N 在體積、 通信和特殊功能模塊和能源控制等重要的應用方面非常完美。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： （1）跟多的控制點數 14 點128 點。 （2）EEPROM 寄存器更大，達 8000

43、 步。 （3）更為豐富的器件資源。輔助繼電器 1536 點、定時器 256 點、計數器 235 點、數據寄存器 8000 點。 （4）增加過程控制。在系統(tǒng)要求精度控制時使用 PID 指令。 3、FX2N 系列 PLC 作為 FX 系列最高級的模塊，他擁有無以匹敵的速度、高級功能、邏輯組件 以及定位控制等特點。 與前者 PLC 相比較，在以下方面得到了很好的提升： （1）更多的控制點數。16 點256 點。 （2）靈活的配置。具有滿足特殊要求的大量特殊模塊，6 個基本 FX2N 單 元中每一個單元可擴充到 256 點的 I/O。 （3）更高速運算?；局噶?0.08s/指令；應用指令是 1.52

44、s/指令至 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 16 幾百 s/指令。 （4）寄存器容量擴展。 （5）更有豐富的器件資源。輔助繼電器 3072 點、定時器 256 點、計算器 235 點、數據寄存器 8000 點。 （6）特殊功能模塊。主單元可配置 8 個特殊功能模塊。 （7）數字指令集。使用 32 位處理器、浮點數、方根和三角幾何指令滿足 數學功能。 4、位置控制模塊擴展 位置控制是對工位的控制，可由位置控制模塊實現 PLC 系統(tǒng)可作為整個位 置控制系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，配上伺服放大器驅動發(fā)達器，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

45、現位置控制的優(yōu)點： （1）在實現位置控制的時候，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)、計算機集成制造系統(tǒng)或工廠自動化系統(tǒng)中大量應用位置 控制。 （2）用戶可根據自身要求靈活配置系統(tǒng)，既降低成本，又能因地制宜。 （3）可靠性高，維護方便。 FX-1PG 脈沖輸出模塊是一種根據 FROM/TO 指令進行與 FX2、FX2C 系列 PLC 數據交換的特殊功能模塊。用一臺 FX-1PG 獨立進行一軸定位控制，而一臺 PLC 則最多可連 8 臺 FX-1PG。 FX1N 系列以其信價比獨占鰲頭。但程序結構較為復雜。就功能而言，FX2N 系列是不錯之選，選配 3 個 FX2N-

46、1PG-E 脈沖輸出模塊給步進電機啟動設備提供 穩(wěn)定信號，同時模塊程序簡化了 PLC 程序的結構。 3.2.5 三菱輸出方式選擇 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： （1）負載電壓、電流類型不同 負載類型：晶體管只能帶直流負載，而繼電器帶交流、直流負載均可。 電流：晶體管電流 0.2A-0.3A，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） 。 （2）負載能力不同 晶體管帶負載的能力小于繼電器帶負載的能力，用晶體管時，有時候要加 其他東西來帶動大負載（如繼電器，固態(tài)繼電器等） 。 （3）晶體管過載能力小于繼電器過載的

47、能力 一般來說，存在沖擊電流較大的情況時，晶體管過載能力較小，需要降額 更多。 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 17 （4）晶體管響應速度快于繼電器 繼電器輸出型原理是 CPU 驅動繼電器線圈，令觸點吸合，使外部電流通過 閉合的觸點驅動外部負載，其開路漏電流為零，響應時間慢（約 10ms） ，主要 控制開關量。 晶體管輸出型原理是 CPU 通過光耦合使晶體管通斷，以控制外部直流負載， 響應時間快（約 0.2ms 甚至更?。?。晶體管輸出一般用于高速輸出，如伺服/步 進等，用于動作頻率高的輸出。 （5）額定工作情況下，繼電器有動作次數壽命，晶體管只有老化沒有使用次數 限

48、制。 繼電器是機械元件所以有動作壽命，晶體管是電子元件，只有老化，沒有 使用次數限制。繼電器的每分鐘開關次數也有限制的，而晶體管則沒有。 本文中使用步進電機作為動力源，故采用晶體管輸出，直流 D24V 電源。 3.3 三菱 PLC 的 I/O 口分配 3.3.1I/O 點數 I/O 點數是衡量可編程控制規(guī)模大小的依據。 確定依據：將與 PLC 相連的全部輸入、輸出器件根據所需的電壓、電流的 大小和種類分別統(tǒng)計，考慮將來發(fā)展的需要相應增加 10%-15%的余量。如表 3.1 所示。 表 3.1 I/O 點數估算統(tǒng)計 序號電氣設備、元件輸入點數輸出點數使用數量 1 步進電機驅動器 023 2 脈沖

49、信號源 011 3 行程開關 106 4 指示燈 0111 5 報警嗡鳴器 011 6 按鈕 1012 7 5 位按鈕 501 輸入點數 23 輸出點數 19 合計 總點數 43 3.3.2I/O 口 分配原則 （1）特殊、特定 I/O 點優(yōu)先分配。如高速脈沖輸出口 Y000 或 Y001；方便指令 中初始狀態(tài)指令等。 （2）普通無指定 I/O 點的歸類分配。 （3）適當的方法節(jié)約 I/O 點數。如編碼等。 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 18 3.3.3I/O 口 分配論證 表 3.2 I/O 分配輸入端一覽表 輸入功能（設備）輸入功能（設備） X000X014 超

50、程保護（行程開關 LS3） X001 X 方向位移+SB4 X015 旋轉原點（行程開關 LS4） X002 X 方向位移-SB5 X016 超程保護（行程開關 LS5） X003 Y 方向位移+SB6 X017 位置保存 SB3 X004 Y 方向位移-SB7 X020 手動 X005 旋轉位移+SB8 X021 回原點 X006 旋轉位移-SB9 X022 單步運動 X007 機械手夾緊 SB10 X023 單周期運動 X010 機械手放松 SB11 X024 全自動運動 X011 X 原點（行程開關 LS0） X025 回原點啟動 SB0 X012 超程保護（行程開關 LS1） X026

51、 自動啟動 SB1 X013 Y 原點（行程開關 LS2） X027 停止 SB2 表 3.3 I/O 分配輸出端一覽表 輸出功能（設備）輸出功能（設備） Y000 步進電機脈沖信號 Y014 Y 方向位移+指示燈 L4 Y001 X 步進電機驅動器 ENA Y015 Y 方向位移-指示燈 L5 Y002 X 步進電機轉向 Y016 旋轉位移+指示燈 L6 Y003 Y 步進電機驅動器 ENA Y017 旋轉位移-指示燈 L7 Y004 Y 步進電機轉向 Y020 機械手指示燈 L9 Y005 旋轉步進電機驅動器 ENA Y021 故障指示燈 L10 Y006 旋轉步進電機轉向 Y022 故障

52、報警翁鳴器 Y007 機械手夾緊/放松 L8 Y023 Y010 回原點指示燈 L0 Y024 Y011 自動啟動指示燈 L1 Y025 Y012 X 方向位移+指示燈 L2 Y026 Y013 X 方向位移-指示燈 L3 Y027 此方案對超程保護所使用的行程開關合遠動方向的指示燈，獨立分配 I/O。 優(yōu)點： （1）獨立控制，互不干擾。 （2）程序簡單，無需添置編碼、解碼張芯片及其抗干擾設施。 （3）良好的穩(wěn)定性。 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 19 （4）預留足夠的 I/O 點數，大于 10-20%。方便以后的擴展升級。 缺點：價格略高。 綜上所述的優(yōu)點，選用

53、FX2N-48MT-D 型 PLC。 PLC 硬件接線圖見圖 3.3。 圖 3.3 三菱 FX2N-48MT-D 型 PLC 接線圖 1 三菱 FX2N-48MT-D 型 PLC 2.ST-2HB02X 型步進電機驅動器 3.42HS003 兩相混合式步進電機 3.4 三菱 PLC 程序的設計 1.存儲區(qū)域分配 脈沖計數存儲區(qū)域分為統(tǒng)計區(qū)、暫存區(qū)和存儲區(qū)三個部分。 統(tǒng)計區(qū)：對保存數據的組數進行統(tǒng)計，確定有效區(qū)域范圍，配備 16 位斷電 保持數據寄存器 D200 和 D327。 暫存區(qū)：臨時存儲脈沖信息，進行數據的基本處理，執(zhí)行數據計算功能。 由于脈沖數據較大采用 32 位斷電保持數據寄存器 D

54、201-D206。 存儲區(qū)：又分為脈沖數據存儲區(qū)和其他存儲區(qū)。長期存儲自動程序數據值。 脈沖數據存儲區(qū)：存儲暫存區(qū)處理后的有效脈沖數。采用 32 為斷電保持數 據寄存器。初設計 20 組控制點位即 D207-D326。 其他存儲區(qū)：運動方向存儲和機械手手爪狀態(tài)。采用斷電保持輔助繼電器 存儲位狀態(tài)。與脈沖數據存取區(qū)相匹配 20 組控制點位即 M500-M579。運動方 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 20 向存儲分區(qū)為 D500-D559，機械手手爪狀態(tài)存儲分區(qū)為 D560-D579。 表 3.4 脈沖計數存儲區(qū) D201D202D203D204D205D206D200

55、 D327X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉脈沖信息 統(tǒng)計區(qū)暫存區(qū) D207D208D209D210D211D212 X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉脈沖信息1 存儲區(qū) D213D214D215D216D217D218 X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉脈沖信息2 存儲區(qū) D219D220D221D222D223D224 X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉脈沖信息3 存儲區(qū) D314D315D316D317D318D319 X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉脈沖信息 存儲區(qū) D320D321D323D324D325D326 X 方向脈沖信息Y 方向脈沖信息旋轉脈沖信息 存儲區(qū) 表

56、3.5 其他存儲區(qū) M500M501M502M560 X 運動方向Y 運動方向旋轉運動方向手爪狀態(tài)1 其他存儲區(qū) M503M504M505M561 X 運動方向Y 運動方向旋轉運動方向手爪狀態(tài)2 其他存儲區(qū) M506M507M518M562 X 運動方向Y 運動方向旋轉運動方向手爪狀態(tài)3 其他存儲區(qū) M554M555M556M578 X 運動方向Y 運動方向旋轉運動方向手爪狀態(tài)19 其他存儲區(qū) M557M558M559M579 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 21 X 運動方向Y 運動方向旋轉運動方向手爪狀態(tài)20 其他存儲區(qū) 2.初始化及報警程序 圖 3.4 初始化及

57、報警梯形圖 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 22 圖 3.4 初始化及報警梯形圖（續(xù)） 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 23 3.回原點程序 圖 3.5 回原點步進梯形圖（續(xù)） 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 24 圖 3.5 回原點步進梯形圖（續(xù)） 4.手動程序 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 25 圖 3.6 手動程序流程圖 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 26 圖 3.7 手動程序梯形圖 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 27 圖 3.

58、7 手動程序梯形圖（續(xù)） 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 28 5.自動程序 圖 3.8 自動程序流程圖 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 29 圖 3.9 自動程序步進梯形圖 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 30 圖 3.9 自動程序步進梯形圖（續(xù)） 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 31 結束語 大四的最后一學期進行了畢業(yè)設計。作為畢業(yè)之前的最后一次也是最全面 的一次系統(tǒng)性的檢驗，我是非常認真的對待。 我設計的是題目是基于 PLC 的柔性制造的搬運機構的控制系統(tǒng)設計，本設 計設備用于少批量多

59、批次柔性生產企業(yè)工作臺間的工件搬移。 本研究方案到達的設計要求，實現遠程控制，在恒溫環(huán)境、不適合人直接 接觸工作的危險環(huán)境（如：高溫、放射、劇毒、無氧、高空等惡劣環(huán)境）下工 作。 設計設備以柔性生產為核心，秉承多功能多用途的特點、融入人性化控制 的優(yōu)勢，運行穩(wěn)定，多重保護安全可靠。 多工作臺間的準確定位搬移，可擴展用于流水線合攏與分發(fā)、產品的定位 拿取與堆放、生產原料配發(fā)、裝箱等功能。 自動運行以手動運動狀態(tài)下設定的每一點位移量作為運動模板，采用模仿 的方法，對自動運行進行嚴格的控制。此控制方法可以降低對操作者的專業(yè)編 程技術要求，只需手動操作一次，即可對設備進行完整的程序編制。 本設備雖花費

60、許多汗水，但還有很多美中不足的地方。此采用點位控制， 對點位間的路徑未進行嚴格的要求，使得在運行過程中有較多的不確定因素， 程序未能實現兩點間的直線運動，可作下一步的改進方向。 通過這次設計，我對專業(yè)知識又有了一定的拓展及鞏固，相信在以后的工 作中能更好的加以運用。 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 32 致 謝 經過了一個學期的奮斗，我終于完成了畢業(yè)設計。在此，感謝王志斌老師 對我的教導，感謝同學們對我的幫助，還要感謝二年來每個教過我的老師，使 我不僅學習到了專業(yè)知識，更是讓我成熟了不少，感謝學校對我的栽培，讓我 更好的面對社會上的激烈競爭。 王志斌老師作為我畢業(yè)設計

61、的指導老師，在整個畢業(yè)設計的過程中給了我 很大的指導和幫助。王志斌老師，經驗豐富，對我們的指導是認真負責。他每 周都給我交代任務，每次都叮囑我要抓緊時間好好做設計，同時也給我解決一 些畢業(yè)設計中的難題，這讓我倍受鼓舞。王老師秉著一絲不茍的態(tài)度，對待我 的每一個設計過程都仔細審閱，在指出每一個微小錯誤的同時也結合自己豐富 的機械設計經驗，給我講解一些常用的設計方法和注意事項，讓我受益匪淺。 這次畢業(yè)設計，我是單獨的課題，但在完成此設計的過程中，還得到了許 多同學和其他老師的幫助，在此一并致以誠摯的謝意。 三江高等職業(yè)技術學院 2013 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 33 參考文獻 1齊占慶.機床電氣

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