机电一体化毕业设计论文-基于mcgs和plc的机械手控制系统设计

机电一体化毕业设计论文-基于mcgs和plc的机械手控制系统设计内容摘要：

使用，当输入输出点数不足时可以进 行扩展。 扩展单元由内部电源、内部输入输出组成、需要和基本单元一起使用。 湖南工业大学专科毕业设计（论文） 8 扩展模块由内部输入输出组成，自身不带电源，由基本单元、扩展单元供电，需要和基本单元一起使用。 特殊扩展设备可以分为 3 类：特殊功能板、特殊模块和特殊单元，是一些特殊用途的装置。 特殊功能板用于通信、连接和模拟量设定等，特殊模块主要有模拟量输入输出、高速计数、脉冲输出、接口等模块，特殊单元用于定位脉冲输出。 FX2N 型 PLC 的初步认识 如图所示为 FX2N 型 PLC 基本单元外形，其主要是通过输入端子和输出端子与外部控制电器联系的。 输入端子连接 外部的输入元件，如按钮、控制开关、行程开关、接近开关、热继电器接点、压力继电器接点、数字开关等。 输出端子连接外部的输出元件，如接触器、继电器线圈、信号灯、报警器、电磁铁、电磁阀、电动机等。 图 22（三菱 FX2N 系列 PLC 实物图） 工作过程 （ 1）输入采样阶段 PLC 在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。 此时，输入映像寄存器被刷新。 接着，进入程序执行阶段，在此阶段和输入刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入端信号如何变化，其内容保持 不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。 （ 2）程序处理阶段 根据 PLC 梯形图程序扫描原则， PLC 按从左至右、从上到下的步骤顺序执行程序。 当指令中涉及输入、输出状态时， PLC 就从输入映像寄存器中“读入 ” 对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入 ” 对应元件（软继电器）的当前状态。 然后进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。 对元件映像寄存器来说，每个元件（软继电器）的状态会随着程序执行过程而变化。 （ 3）输出刷新结果阶段 在所有指令执 行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，最后经过输出端子湖南工业大学专科毕业设计（论文） 9 驱动外部负载。 机械手 机械手概述 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。 工业机械手是工业机器人的一个重要分支。 他的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。 机器手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在我国民经济领域有着广阔的发展前景。 机器手技术涉及到力学、机械学、电气液压 技术、自动化控制技术、传感技术和计算机技术的科学领域，是一门跨学科综合性技术。 机械手的工作原理 机械手是一种能自动化定位控制并可重新汇编程序以变动的多功能机器。 它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中的工作。 工业机械手是近似自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。 手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。 运 动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。 运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。 为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。 自由度是机 械手设计的关 键参数。 自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。 一般专用机械手有 2～ 3个自由度。 控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。 同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。 控制系统的核心通常是由单片机或 dsp 等微控制芯片构成，通过对其编 程实现所要功能。 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。 其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。 因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。 湖南工业大学专科毕业设计（论文） 10 尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染场合，应用得更为广泛。 在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到 各工业部门的重视。 本项目要求设计的机械手模型可以归为一类，即通用机械手。 在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。 通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握 PLC 技术、位置控制技术、气动技术等工业常用的技术 机械手的发展趋势 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，人工工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往返的工作有机械手远程控制或自动完成显得非常重要。 这样可以避免一些人不能接触的东西对人体的伤害，如：冶金，化工，医药，航天等。 代表当代最先进的技术在日本 ，他的自动化。 人性化让人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合现在尖端技术的现代机器。 我国也在陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化技术有待提高发展趋势是工作强多高灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能使人只做平时的简单维护，这也是现代工厂的发展趋势。 此外，还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为机械制造系统中的一个基本单湖南工业大学专科毕业设计（论文） 11 第三章 系统设计 系统方案分析设计 控制要求 利用 MCGS 组态软件设计一机械手组态控制系统，机械手可以上下、左右移动；利用上下、左右限位开关控制机械手启停；机械手从原点开始，按以下动作进行：原点 — 启动 — 下行（到下限位停） — 抓工件 — 上行（到上限位停） — 右行（到右限位停） — 下行（到下限位停） — 放工具 — 上行（到上限位停） — 左行（到左限位停）。 在机械手运行过程中，任何时候都可以利用急停按钮，停止机械手动作。 （一）利用 PLC 编写程序控制组态画面中变量的变化 （二）利用 PLC 的输入信号控制组态画面，也可利用组态中各软按钮控制PLC 程序的运行和 组态运行 方案设计 利用 MCGS 组态软件设计一机械手组态控制系统 ,利用机械手上下左右移动碰到的限位开关作为系统的输入信号。 系统设置一个启动按钮和一个急停按钮来控制系统的启动和停止。 系统组态软件设计成一个机械手画面，通过动画连接和脚本程序。 与 PLC的联合调试 使系统达到可以在 MCGS系统中监控机械手的运动。 同时可以利用 PLC 程序控制组态画面的要求。 湖南工业大学专科毕业设计（论文） 12 图 31 图 32 湖南工业大学专科毕业设计（论文） 13 硬件设计 输入 /输出端子地址分配 代号 名称 输入编号 代号 名称 输出 SB1 启动按钮 X0 KM1 机械手上行 Y002 SB2 停止按钮 X1 KM2 机械手下行 Y003 SQ1 下限行程 X2 KM3 机械手左行 Y004 SQ2 上限行程 X3 KM4 机械手右行 Y005 SQ3 左限行程 X4 KM5 抓工件 Y006 SQ4 右限行程 X5 KM6 放工件 Y007 PLC 接线图 湖南工业大学专科毕业设计（论文） 14 系统程序设计 GX Developer 是三菱 PLC 的编程软件。 适用于 Q、 QnU、 QS、 QnA、 AnS、AnA、 FX 等全系列 可编程控制器。 支持梯形图、指令表、 SFC、 ST 及 FB、 Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试， 具有异地读写 PLC 程序功能。 GX Developer 的特点 1. 软件的共 通化 GX Developer 能够制作 Q 系列， QnA系列， A系列（包括运动控制（ SCPU）） ,FX系列的数据 ,能够转换成 GPPQ,GPPA 格式的文档。 此外，选择 FX 系列的情况下，还能变换成 FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。 2. 利用 Windows 的优越性，使操作性飞跃上升能够将 Excel,Word 等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。 3. 程序的标准化 (1) 标号编程 用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。 用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。 (2) 功能块（以下，略称作 FB） FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。 把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。 此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。 (3) 宏 只要在任意的回路 模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。 4. 能够简单设定和其他站点的链接 由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。 5. 能够用各种方法和可编程控制器 CPU 连接 (1) 经由串行通讯口 (2) 经由 USB (3) 经由MELSECNET/10(H)计算机插板 (4) 经由 MELSECNET(Ⅱ) 计算机插板 (5) 经由 CCLink 计算机插板 (6) 经由 Ether 计算机插板 (7) 经由 CPU 计算机插板 (8) 经由 AF计算机插板 6. 丰富的调试功能 (1) 由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。 (a) 没有必要再和可编程控制器连接。 (b) 没有必要制作条使用的顺序程序。 (2) 在帮助中有CPU 错误，特殊继电器 /特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器 /特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。 (3) 数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩 短。 常用编程方法介绍 湖南工业大学专科毕业设计（论文） 15 1 经验设计法 在一些典型的控制环节和电路的基础上 ,根据被控制对象对控制系统的具体要求 ,凭经验进行选择、组合。 有时为了得到一个满意的设计结果 ,需要进行多次反复地调试和修改 ,增加一些辅助触点和中间编程元件。 这种设计方法没有一个普遍的 规律 可遵循 ,即具有一定的试探性和随意性 ,最后得到的结果也不是唯一的 ,设计所用的时间、设计的质量与设计者经验验多少有关。 经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计时 比较有效的 ,可以收到快速、简单的效果。 但是 ,由于这种方法主要时依靠设计人员的经验进行设计 ,所以对设计人员的要求也比较高 ,特别时要求设计者有一定的实践经验 ,对 工业 控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉。 对于比较复杂的系统 ,经验法一般设计周期长 ,不易掌握 ,系统交付使用后 ,维护困难。 所以 ,经验法一般只适合于比较简单的或与某些典型系统相类似的控制系统的设计。 2 接触器 继电器法 接触器 继电器法就是依据所控制电器的 接触器 继电器控制线路原理图，用 PLC对应的符号和功能相当的器件，把原来的接触器 继电器系统的控制线路直接翻译成梯形图程序的设计方法。 接触器 继电器法特别适合于初学者编程设计使用，也特别适合对原有旧设备的技术革新和技术改造。 3 顺序控制法 顺序控制法就是在生产控制过程中，按照生产工艺所要求的动作规律，在各个输入控制信号的作用下，根据所需要的状态和时间顺序，在生产过程中的各个输出执行机构自动地按照预先规定的顺序有步骤地进行操作。 顺序功能图法是首先根据系统的工艺流程设计顺序功能图 ,然后再依据顺序功 能图设计顺序控制程序。 在顺序功能图中 ,在实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始 ,步之间没有重叠。 这是系统中大量复杂的连锁关系在步的转换中得以解决。 而对于每一步的程序段 ,只需处理极其简单的逻辑关系。 因而这种编程方法简单易学 ,规律 性强。 设计出的控制程序结构清晰、可读性好 ,程序的调试和运行也很方便 ,可以极大地提高工作效率。 4 逻辑设计法 工业电气控制线路中 ,有不少都是通过继电器等电气元件来实现 ,而继电器 ,交流接触器的触点都只 有两种状态即吸合和断开 ,因此 ,用“ 0”和“ 1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路时完全可以的 ,PLC 的早期应用就是替代继电器控制系统 ,因此用逻辑设计方法同样也适用于 PLC 应用程序的设计。 当一个逻辑函数用逻辑变量的基本运算式表达出来后 ,实现这个逻辑函数的线路就确定了。 当这种方法使用熟练后 ,甚至梯形程序也可以省略 ,可以直接写出于逻辑函数和表湖南工业大学专科毕业设计（论文）。