基于plc的机械手自动操作系统设计本科毕业设计(编辑修改稿)

基于plc的机械手自动操作系统设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

于不同的材料我们应该选用不同的传感器，这样是机械整个系统能够有效地执行，在选择传感器的时候，应该遵循几个原则： 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 36页 (1) 非金属材料如木头、纸、塑料还有玻璃等，传感器检测它们的时候，应该选用电容式的接近传感器。 (2) 当传感器检测一些如铁块、钢件、铝、黄铜等金属材料的物体时，应该选用高频振荡型传感器。 金属中也会分灵敏度高低，有些材料灵敏度高，它的 检测距离可以近可以远，但对于灵敏度低的，只能将距离拉到最近。 (3) 对于灵敏度不高的金属材料零件，可以使用磁性的接近式传感器。 (4) 对于远距离的测量时，应选用光电型传感器或超声波型传感器。 在本次设计中，对于铝合金材料的机械手臂，选择高频振荡型传感器。 在水平气缸和垂直气缸的两个极限位置安装磁性开关 CS111RH02，共四个；选择类型为PR3010DN 型号的接近传感器一对安装于摆动气缸的极限位置。 在工件台 1 底部也选择同样类型的传感器 1 个，本次设计中的工件所选用为小正方形的金属块 [18]。 PLC 简介 可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller， PLC），它采用一 类 的存储器 可以编程 ， 可以用来进行 内部 的 存储程序， 也可以用来 定时、顺序控制、逻辑运算、计数 和 算术操作等 一些 指令。 通过对 输入 和 输出 量的编写，可以对 各种类型的机械或生产过程 进行监制 [19]。 自 1969 年开始，美国数字设备有限公司研究出了第一台 PLC，当时生产技术以集成电路为主的情况下，只能完成一些简单的控制。 到了 70 年代未的时候，处理器技术引入到 PLC 中 ,使得 PLC 增加了许多实际的功能。 70年代未处 理器出现之后引入到PLC 技术后增加了许多功能。 随着 微处理器 的出现， 人们 很快的 将 微处理器引入到 可编程逻辑控制器 中去 ， 这样 使可编程逻辑控制器 的各方面的性能大大提高了。 它的运算，数据传输和数据处理能力的这些重要的功能有了显著的提高，随之成为工业生产过程中的主心骨。 微处理器和 PLC 有效地结合到了一起，有效地代替了传统继电器复杂的工作方式。 当时，个人计算机也迅速的发展起来， PLC 的功能更加得到反应和实现。 到了 20世纪 70年代中末期 的时候 ， PLC 的功能发生了质的飞跃，计算机技术的日渐成熟已经全面的引入到了 PLC 中去， PLC 的实用性也在这时大大的表现了出来。 随着对 PLC 逐渐精致的研究和设计， PLC 的体型越来越小巧，它的精确运算能力也是越来越高。 尤其是它的抗干扰能力也是取得了重大的突破。 PLC 在工业生产领域的地位也是不可动摇的，它奠定了现代工业生产的基础。 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 36页 20 世纪 80 年代初 PLC在先进工业国家中已 得到 广泛 地 应用。 随着它的效益越来越高，世界上许多国家多在生产它，它的产量也达到了相对的饱和状态，这就意味着工业生产的进步， PLC的相关技术也是达到了相对成熟的地步。 90 年代中期， PLC 发展的速度越来越惊人，它的硬件系统和软件系 统也达到了当时的最先进的时候。 同时， PLC 的功能性也是越来越多了， PLC 逐渐对数字模拟的处理能力、对数据的运算能力、接口的扩展性和通讯能力等这些方面有了很大的提高，PLC 进入过程控制的新时代。 到了 20世纪末期， PLC 的发展 更加向着适应工业的方向。 同时，出现了各种各样的功能，如：人机交互功能单元和通信单元。 小型 PLC 和大型 PLC 也在这个时候生产出来可以适用于不同的环境中 [12]。 PLC 采用大规模集成电路、承受电压高、无故障正常工作时间长，可达几十万小时。 内部还有自我检查功能，当有故障出现时，会及时报警。 大 多数 PLC 编程采用的是梯形图，而梯形图简单、直观、易学。 采用现代技术的集成电路，由于现代半导体技术的不断发展， PLC的集成电路越来越小。 很多 PLC 的内部拥有成千上百的继电器、定时器、计数器等。 PLC 的结构 PLC 是由硬件系统和软件系统组成，它与计算机的结构相似，它也可以成为小型或微型的计算机，所以 PLC 才会有工业计算机这一说法。 PLC 的硬件结构是由 CPU、存储器单元、 I/O 装置、电源接口、扩展模块、单独的编程器和其它外围设备组成，这些结构都是通过数据总线相互连接而成 [14]。 其基本结构简图如下图 34 所示： 图 34 PLC硬件结构 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 36页 PLC 的软件部分是厂家提供，用于存放 PLC 的系统运行不可少程序，一般放在EPROM 中。 用户可以自己编写一定的程序来实现所预定的功能，这种软件系统为用户部分。 PLC 主要以微型的计算机系统开发而来的，设计以计算机、控制技术、智能技术、电子技术和通讯技术为基础一体的多功能控制系统。 这样使得它成为了现代工业自动化生产领域的必不可少的一部分 [9]。 PLC 发展历程 在继电器占主导地位时代，那时可编程控制器还没有被发明出来，人们普遍运用继电 器来控制工业电气，但是对于电气控制，越是复杂的电路所需求的线路和继电器就会越多，虽然它的应用非常广泛，但相对而言它的可靠性、灵活性都不高，尤其是在出现故障的时候，很难进行排查和解决相应的困难而且不太容易更改。 在工业电气环境中，继电器适应不了工业环境的变化 [2]。 PLC 的发展分为四个不同的阶段： (1) PLC 的结构设计：在这一阶段中， PLC 刚刚被设计出来，随之而来的各种顺序控制器不断出现，最终选择了以微处理器为主要控制核心的 PLC 存留了下来，更加认定了它的价值性。 因为对它的极大需求，驱动了它的急速的发展 了起来，并且向着更好更快，更小的方向发展。 PLC 的一些硬件结构不断地走向成熟的地步，对于它的应用也越来越广泛。 (2) PLC 的普及阶段：随着 PLC 的不断发展，工业的需求也越来越大，它的生产也就日益增长，它也就越来越普及。 PLC 生产厂家生产的产品尅是系列化和各种不同的标价。 在此时， PLC 出现了三种不同的块型：固定输入输出型、基本单元扩展型、模块化结构型。 PLC 开始向着顺序控制方向发展，其中三菱公司的 F 系列为主要典型产品。 (3) PLC 的高性能与小型化阶段：在这一阶段中，电子技术的不断提 升，也就带领着 PLC 向着小型和紧凑的方向发展，在体积逐渐减小的状态下， PLC 的功能并没有减少，反而更方面有了大大的提高，比如它的运算、存储、功能模块也有了大大的提高，日本的三菱公司在本阶段主要生产了一些小型的 FX 小型 PLC。 (4) PLC 高性能和网络化阶段： 在这一阶段中，随着 CPU 运算速度提高，使得PLC 的应用领域开始涉及工业自动化。 工厂自动化的需要，开发了适用于过程控制的特殊模块。 与此同时， PLC 可以连接传统的编程器， PLC 的网络与通信功能得到了迅速发展，为工厂的自动化奠定了良好的基础。 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 36页 PLC 特点 (1) 抗干扰能力强： PLC 其中最主要的一个特点就是它的抗干扰能力强，在一些特殊的环境中，有一些辐射和电磁干扰的情况下， PLC 工作能力也不会受到任何的影响。 它的主电路模块是用大规模集成电路制成，而且在电路上加入了滤波整流电路，同时还可以防止受潮、防止尘土、抗震等 [1]。 (2) 通用性强：在 PLC 的控制系统中，不需要继电器之类的电气控制元件，它只需要 PLC 内部的软元件进行模拟控制。 这样就有效的避免了大量的硬件接线，提高了生产的效率，要想改变程序的功能，只需要改变编程器里的程序。 同一 个 PLC装置可以控制不同的对象，只是输入 /输出的组件和对于软件的控制方式的不同。 PLC交流220V、直流 24V 由 PLC 内部所提供。 (3) 编程简单： PLC 主要是用于面向用户的设备，用户使用必须简单易学，最重要的是编程要最简单易用而且要易懂。 在这一点上， PLC 的设计者们也是充分考虑到使用者的意图，对于使用 PLC 的习惯性。 梯形图与继电器相似，这种编程的方式比较简单易学，形象直观，而且易于掌握，不需要有很强的计算机知识和特殊的计算机语言。 (4) 功能完善：随着科学技术的不断发张， PLC 的功能也是越来越多， 新的功能在不断地增加，从原来的只有普通的控制到现在拥有逻辑的控制、计数、计时，到现在能够单独的进行过程控制、数模的转换、信息处理和联网功能。 PLC 功能的逐渐完善，这意味着它在工业行业中的地位是无可取代的，工业的进步是离不开 PLC。 现在，PLC 可以实现人机对话功能，这说明未来 PLC 的发展方向朝着智能化的方向发展。 (5) 维护方便： PLC 维护方便也是 PLC 得到工业生产中大量应用的主要原因，维护的方便可以有效地提高生产效率和减少不必要的投资，这样有效地帮工厂提高生产利润。 PLC 的体积较小，结构也不是很复杂而且 比较耐用，所以维护比较方便， PLCI/O装置可以反映生产过程中的变化，还能有效地检测，这样更加利于维护 [7]。 PLC 的选型 本次设计中，选用的是三菱 FX系列的 FX2N48MR 型号的 PLC,它的输入输出点共48个，满足一般控制的需求，实物图如图 37所示： 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 36页 图 37 三菱 FX2N系列 PLC实物图 三菱公司的 FX 系列 PLC 适应性广，扩展性也是非常丰富，最多能够扩展到 256个 I/O 点。 FX 系列 PLC 具有很强的通信能力，兼容性也是非常好，基本能够满足大多数对于系统要求比较高的人。 它是最广泛的 PLC 系列产品之一，体积微小适合在机电一体化产品中使用，其中内置 D直流 24V电源可以作为输。