基于plc的机械手模型控制系统的设计毕业设计

基于plc的机械手模型控制系统的设计毕业设计内容摘要：

的性能优于 STD 工控机。 总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。 没有哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说 根据不同的环境 选择更适用的产品 [7]。 机械手控制方式的选定 PLC 实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用 PLC 厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。 PLC 自问世以来，经过 20 多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前， PLC 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用 PLC 设计自动控制系统已成为世界潮流。 PLC 之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力。 编程安装使用简便、低价格长寿命。 比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。 PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。 人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。 PLC 具有很多的优 点。 机械手控制系统若采用 PLC 控制，体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。 由于 PLC 所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。 机械手采用 PLC 控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了湖南文理学院电气与信息工程学院 本科毕业设计 5 控制系统的可靠性。 同时，用 PLC 控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能 [8]。 综上所述，机械手的控制方式选择 PLC 控制。 可编程序控制器简介 可编程序控制器（ Programmable Logic Controller）简称 PLC 或 PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适应复杂的控制任务。 PLC 的结构 PLC 和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 PLC的硬件系统由微处理器 (CPU)、存储器 (EPROM， ROM)、输入输出 (I/O)部件、电源部件、编程器、 I/O 扩展单元和其他外围设备组成。 各部分通过总线 (电源总线、控制总线、地址总线、数据总线 )连接而成 [9]。 其结构简图如下： 图 21 PLC 硬件结构图 PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。 系统程序是每一个 PLC 成品必须包括的部分，由 PLC 厂家提供，用于控制 PLC本身的运行，系统程序固化在 EPROM 中。 用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。 硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，他们是相辅相成，缺一不可的。 输出部件 外设I/O接口 存储器 EPROM 微处理器 运算器 控制器 电源 输入部件 I/O 扩展接口 I/O 扩展单元 受控元件 输入信号 外部设备 湖南文理学院电气与信息工程学院 本科毕业设计 6 PLC 的特点 可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。 国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编 程 序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。 其主要原因是因为 PLC 具有以下优点： 灵活、通用 在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。 如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。 而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的 话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。 而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。 可靠性高、抗干扰能力强 对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件 (如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等 )下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。 现代 PLC 采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟 的。 为了保证 PLC 能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。 操作方便、维修容易 PLC 采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。 对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。 工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。 功能强 现代 PLC 不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成 A/D、D/A 转换、数字运算和数据处理以及通 信联网和生产过程监控等。 因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。 体积小、重量轻和易于实现机电一体化 由于 PLC 采用了半导体集成电路。 因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。 且 PLC湖南文理学院电气与信息工程学院 本科毕业设计 7 是 为工业控制 设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备 [10]。 同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性 价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机， 并且 通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。 PLC 的主要功能 PLC 是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置， 在工厂自动化 (FA)和计算机集成制造系统 (CIMS)内占重要地位。 PLC 系统主要有以下功能： 1) 多种控制功能； 2) 数据采集、存储与处理功能； 3) 通信联网功能； 4) 输入、输出接口调理功能； 5) 人机界面功能； 6) 编程、调试功能。 PLC 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但 是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。 另外，采用 PLC 还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。 PLC 产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求 [11]。 PLC 的经济分析 综上所述，在各种环境中，使用 PLC 控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。 对 PLC 的经济分析，应从以下几方面考虑： 从影响成本的各个因素综合考虑 对目前生产设备控制装置来说，有三种类型：① 继电器控制；② 半导体器件控制；③ PLC 控制。 价格仅是选择 PLC 品牌的一个 因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。 从设计、生产周期长短考虑 湖南文理学院电气与信息工程学院 本科毕业设计 8 不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。 毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。 这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。 如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而 PLC 则完全可以实现。 这是因为使用 PLC不必改动外部设备接线，只要对软件进行 一些改变就可以了。 也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。 这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。 据调查，目前我国 70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除了可靠性差外，程序设计也很繁杂。 从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。 而采用 PLC 控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。 设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。 编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺 要求，重新编写程序并把它存储在 EEPROM 模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既简单、方便又保密。 PLC 发展状况及趋势 现代 PLC 的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展 [12]。 大型网络化 主要是朝 DCS 方向发展，使其具有 DCS 系统的一些功能。 网络化和通信能力强是 PLC发展的一个重要方面，向下可将多个 PLC、 I/O 框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP 网等相连构成 整个工厂的自动化控制系统。 多功能 随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使 PLC 控制领域更加宽广。 湖南文理学院电气与信息工程学院 本科毕业设计 9 第三章 机械手 控制系统的设计 机械手控制系统构件概述 本课题设计使用的是 THWJX1 型机械手实物教学实验装置。 机械手实物教学模型的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹等机械部件组成；电气方面有步进电机、直流电机、步进电机驱动器、传感器、开关电源、电磁阀等电子器件组成。 该模型是 PLC 技术、位置控制技术、气动技术有机结合成一体的教学仪器。 步进电机 采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作，相比直流电机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。 主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。 本模型中采用串联型接法，其电气接线图如图31 所示： 图 31 步进电机电气接线图 步进电机驱动器 步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。 驱动器参数如下表 3表 3表 3表 34 所示。 PLC 控制器与步进电机驱动器连接及工作原理，如图 32 所示。 步进电机驱动器有 电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分等，利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速、方向进行控制。 驱动器电源由面板上电源模块提供，驱动器信号端采用 +24V 供电，需加 限流电阻（见图 32 中 电阻）。 驱动器输入端为低电平有效。 PLC 通过控制其输出点来控制驱动器光耦的开合，当 PLC 输出线圈得电 湖南文理学院电气与信息工程学院 本科毕业设计 10 表 31 电气规格 说明 最小值 典型值 最大值 单位 供电电压 18 24 40 V 均值输出电流 1 A 逻辑输入电流 6 15 30 mA 步进脉冲响应频率 — — 100 kHz 脉冲低电平时间 5 — 1 μs 表 32 电流设定 电流值 SW1 SW2 SW3 OFF ON ON ON OFF ON OFF OFF ON ON ON OFF 0FF ON OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF 表 33 细分设定 细分倍数 步数 /圈（ 整步） SW4 SW5 SW6 1 200 ON ON ON 2 400 OFF ON ON 4 800 ON OFF ON 8 1600 OFF OFF ON 16 3200 ON ON OFF 32 6400 OFF ON OFF 64 12800 OFF ON OFF 由外部确定 动态改细分 /禁止工作 OFF OFF OFF 表 34 接线信号描述 信 号 功 能 PUL 脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步 DIR 方向信号：用于改变电机转向， TTL 平驱动 OPTO 光耦驱动电源 ENA 使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止 GND 直流电源地 +V 直流电源 正极，典型值 +24V A+ 电机 A相 A 电机 A相 B+ 电机 B相 B 电机 B相 时，晶体管导通，相应的触电输出低电平，使驱动器光耦导通，当 PLC 输出线圈失电时， 湖南文理学院电气与信息工程学院 本科毕业设计 11 晶体管关断，使驱动器光耦截止。 另外若不采用驱动器，而采用 PLC 输出触点直接驱。