工業(yè)機(jī)械手模型基于PLC的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 工業(yè)機(jī)械手模型工業(yè)機(jī)械手模型 基于基于 PLCPLC 的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 助理指導(dǎo)教師: 摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有 毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至于危及生命。工業(yè)機(jī)械手就 這樣誕生了,機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵 部件之一。電氣方面有電機(jī)、開關(guān)電源、電磁閥、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)、氣動(dòng)技術(shù)等，是機(jī)電一體化的典型代表儀器 之

2、一。本文介紹的機(jī)械手是由 PLC 輸出四路來分別驅(qū)動(dòng)橫軸、豎軸、底盤轉(zhuǎn)動(dòng)、 手轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，控制機(jī)械手橫軸和豎軸的精確定位，微動(dòng)開關(guān)將位置信號(hào)傳給 PLC 主機(jī)；電機(jī)拖動(dòng)手爪和底盤旋轉(zhuǎn)；電磁閥控制氣閥的開關(guān)來控制機(jī)械手手爪的張 合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精確運(yùn)動(dòng)的功能。本課題擬開發(fā)的工業(yè)機(jī)械手模型可在空間 抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根 據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù)。 關(guān)鍵字關(guān)鍵字：可編程控制器 PLC,機(jī)械手,電機(jī),任意位置 ABSTRACT In industrial production and other domains, because w

3、orks need, the people frequently receive factor the and so on high temperature,corrosion and virulent gas harm, increased workers labor intensity,even endangers life. The industry manipulator like this was born, the manipulator is in theindustry robot assembly system the traditional duty implementin

4、gagency, is one of robot key components. The electrical aspect has theelectrical machinery, the switching power supply, the solenoid valve,and so on the electronic device composition. This equipment has covered the programmable control technology, theposition control technology, the air operated tec

5、hnology and so on, isthe integration of machinery model represents one of instruments. Thisarticle introduced the manipulator is outputs four groups by PLCseparately to actuate the abscissa axis, the z-axis, the chassisrotation, hand turns an electric motor, controls the manipulatorabscissa axis and

6、 the z-axis pintpointing, the microswitch bequeathsthe position signal the PLC main engine; The electrical machinerydrives the hand fingernail and the chassis revolves; The solenoidvalve controls the air valve the switch to control the manipulatorhand fingernail to gather, thus realizes the manipula

7、tor proper motionfunction. This topic plans the industry manipulator model which develops to bepossible in the space to grasp puts the object nimbly, the movement isdiverse, may replace artificially carries on the work in hightemperature and the dangerous operation area, and may changes therelated p

8、arameter as necessary according to the work piece change and the movement flow request. Key words: Programmable controller PLC, manipulator,electrical machinery, freeposition. 目錄目錄 摘摘 要要.I ABSTRACT.II 1 緒論緒論.1 1.1 課題背景課題背景.1 1.1.1 設(shè)計(jì)的目的和意義.2 1.2 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求.3 1.2.1 控制要求.3 1.3 PLC 的發(fā)展概況的發(fā)展概況.4 1.3.1 可編程

9、控制器的產(chǎn)生.4 1.3.2 PLC 的定義.4 1.3.3 PLC 的特點(diǎn).5 2 機(jī)械手概述機(jī)械手概述.6 2.1 機(jī)械手的定義與分類機(jī)械手的定義與分類.6 2.2 機(jī)械手發(fā)展情況機(jī)械手發(fā)展情況.7 2.3 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì).8 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).9 3.1 PLC 的選型的選型.9 3.1.1 常用 PLC 介紹.9 3.1.2 確定型號(hào) FX1N60MR.13 3.1.3 FX1N 所具有優(yōu)越性能.13 3.1.4 FX 系列 PLC 型號(hào)的說明.16 3.2 三菱三菱 FX 系列的結(jié)構(gòu)功能系列的結(jié)構(gòu)功能.16 3.2.1 PLC 內(nèi)部功能.17 3

10、.2.2 PLC 輸入輸出接口的安全保護(hù).18 3.3 手持編程器手持編程器 FX20PE 的使用的使用.18 3.3.1 HPP 的組成與操作面板.19 3.3.2 HPP 的操作過程.21 4 各功能實(shí)現(xiàn)形式與控制方式各功能實(shí)現(xiàn)形式與控制方式.25 4.1 本機(jī)械手模型的機(jī)能和特性本機(jī)械手模型的機(jī)能和特性.25 4.2 夾緊機(jī)構(gòu)夾緊機(jī)構(gòu).25 4.3 軀干軀干.25 4.4 旋轉(zhuǎn)編碼盤旋轉(zhuǎn)編碼盤.26 5 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì).27 5.1 編程軟件的使用編程軟件的使用.27 5.2 FX1N PLC 梯形圖中的編程元件梯形圖中的編程元件.28 5.3 程序的總體結(jié)構(gòu)程序的總體結(jié)構(gòu).29 5.

11、3.1 各部分程序如下.30 5.4 PLC 程序的上載和下載程序的上載和下載.40 5.4.1 PLC 程序的上載.40 5.4.2 PLC 程序的下載.40 設(shè)計(jì)小結(jié)設(shè)計(jì)小結(jié).41 參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn).42 附錄附錄.43 附錄附錄 A:PLC 接線圖接線圖 .43 附錄附錄 B:指令表指令表.44 致致 謝謝.46 1 緒論 1.1 課題背景 隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人民物質(zhì)文化生活水平日益提高，隨著工業(yè)自 動(dòng)化的普及和發(fā)展,控制器的需求量逐年增大。為了改變落后的生產(chǎn)狀態(tài),緩解日趨 緊張的供求關(guān)系,我們研究就得開發(fā)多工步搬運(yùn)機(jī)械手。 新中國成立特別是改革開放以來，我國社會(huì)主義現(xiàn)代

12、化建設(shè)取得了舉世矚目的 偉大成就。同時(shí)，必須清醒地看到，我國正處于并將長期處于社會(huì)主義初級(jí)階段。 全面建設(shè)小康社會(huì)，既面臨難得的歷史機(jī)遇，又面臨一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟(jì)增長 過度依賴能源資源消耗，環(huán)境污染嚴(yán)重；經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，高技術(shù) 產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展滯后；自主創(chuàng)新能力較弱，企業(yè)核心競爭力不強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益 有待提高。在擴(kuò)大勞動(dòng)就業(yè)、理順分配關(guān)系、提供健康保障和確保國家安全等方面， 有諸多困難和問題亟待解決。從國際上看，我國也將長期面臨發(fā)達(dá)國家在經(jīng)濟(jì)、科 技等方面占有優(yōu)勢(shì)的巨大壓力。為了抓住機(jī)遇、迎接挑戰(zhàn)，我們需要進(jìn)行多方面的 努力，包括統(tǒng)籌全局發(fā)展，深化體制改革，健全民主法制，加強(qiáng)

13、社會(huì)管理等。與此 同時(shí)，我們比以往任何時(shí)候都更加需要緊緊依靠科技進(jìn)步和創(chuàng)新，帶動(dòng)生產(chǎn)力質(zhì)的 飛躍，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，我國作為一個(gè)發(fā)展中大國，加快科學(xué)技術(shù)發(fā)展、縮小與發(fā)達(dá)國 家的差距，還需要較長時(shí)期的艱苦努力，同時(shí)也有著諸多有利條件。中華民族擁有 5000 年的文明史，中華文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成獨(dú)特的創(chuàng)新文化。 只要我們?cè)鰪?qiáng)民族自信心，貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略和人才強(qiáng) 國戰(zhàn)略，奮起直追、迎頭趕上，經(jīng)過 15 年乃至更長時(shí)間堅(jiān)韌不拔的艱苦奮斗，就 一定能夠創(chuàng)造出無愧于時(shí)代的輝煌科技成就。 科技工作的指導(dǎo)方針是：自主創(chuàng)新，重點(diǎn)跨越

14、，支撐發(fā)展，引領(lǐng)未來。自主創(chuàng) 新，就是從增強(qiáng)國家創(chuàng)新能力出發(fā)，加強(qiáng)原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng) 新。重點(diǎn)跨越，就是堅(jiān)持有所為、有所不為，選擇具有一定基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)、關(guān)系國計(jì) 民生和國家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，集中力量、重點(diǎn)突破，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐發(fā)展， 就是從現(xiàn)實(shí)的緊迫需求出發(fā)，著力突破重大關(guān)鍵、共性技術(shù)，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù) 協(xié)調(diào)發(fā)展。引領(lǐng)未來，就是著眼長遠(yuǎn)，超前部署前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，創(chuàng)造新的市 場需求，培育新興產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。這一方針是我國半個(gè)多世紀(jì)科 技發(fā)展實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的概括總結(jié)，是面向未來、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重要抉擇。 要把提高自主創(chuàng)新能力擺在全部科技工作的突出位置。在對(duì)外

15、開放條件下推進(jìn) 社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，必須認(rèn)真學(xué)習(xí)和充分借鑒人類一切優(yōu)秀文明成果。改革開放 20 多年來，我國引進(jìn)了大量技術(shù)和裝備，對(duì)提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到 了重要作用。但是，必須清醒地看到，只引進(jìn)而不注重技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新， 勢(shì)必削弱自主研究開發(fā)的能力，拉大與世界先進(jìn)水平的差距?？傊仨毎烟岣咦?主創(chuàng)新能力作為國家戰(zhàn)略，貫徹到現(xiàn)代化建設(shè)的各個(gè)方面，貫徹到各個(gè)產(chǎn)業(yè)、行業(yè) 和地區(qū)，大幅度提高國家競爭力。 我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)是：自主創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，科技促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì) 發(fā)展和保障國家安全的能力顯著增強(qiáng)，為全面建設(shè)小康社會(huì)提供強(qiáng)有力的支撐；基 礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)研究綜合實(shí)力顯著增

16、強(qiáng)，取得一批在世界具有重大影響的科學(xué)技 術(shù)成果，進(jìn)入創(chuàng)新型國家行列，為在本世紀(jì)中葉成為世界科技強(qiáng)國奠定基礎(chǔ)，形成 比較完善的中國特色國家創(chuàng)新體系。 1.1.1 設(shè)計(jì)的目的和意義 科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品功能要求的日益增多，復(fù)雜性增加，壽命期縮短， 更新?lián)Q代速度加快。然而，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，尤其是機(jī)械產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)手段，則顯得 力不從心，跟不上時(shí)代發(fā)展的需要。目前，計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的設(shè)計(jì)繪圖、設(shè)計(jì)計(jì)算、 加工制造、生產(chǎn)規(guī)劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效，而產(chǎn)品開發(fā)初 期方案的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的需要。為此，作者在閱讀了大量文 獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，概括總結(jié)了國內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)采用

17、的方法，并討論了各 種方法之間的有機(jī)聯(lián)系和機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的 發(fā)展趨勢(shì)。 自主創(chuàng)新，重點(diǎn)跨越，支撐發(fā)展，引領(lǐng)未來。自主創(chuàng)新，就是從增強(qiáng)國家創(chuàng)新 能力出發(fā)，加強(qiáng)原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新。重點(diǎn)跨越，就是堅(jiān)持 有所為、有所不為，選擇具有一定基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)、關(guān)系國計(jì)民生和國家安全的關(guān)鍵領(lǐng) 域，集中力量、重點(diǎn)突破，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐發(fā)展，就是從現(xiàn)實(shí)的緊迫需求出 發(fā)，著力突破重大關(guān)鍵、共性技術(shù)，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。引領(lǐng)未來，就 是著眼長遠(yuǎn)，超前部署前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，創(chuàng)造新的市場需求，培育新興產(chǎn)業(yè)， 引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。這一方針是我國半個(gè)多世紀(jì)科技發(fā)展實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的概括總 結(jié)

18、，是面向未來、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重要抉擇。 科技人才是提高自主創(chuàng)新能力的關(guān)鍵所在。要把創(chuàng)造良好環(huán)境和條件，培養(yǎng)和 凝聚各類科技人才特別是優(yōu)秀拔尖人才，充分調(diào)動(dòng)廣大科技人員的積極性和創(chuàng)造性， 作為科技工作的首要任務(wù)，努力開創(chuàng)人才輩出、人盡其才、才盡其用的良好局面， 努力建設(shè)一支與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國防建設(shè)相適應(yīng)的規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)合理的高素質(zhì)科 技人才隊(duì)伍，為我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展提供充分的人才支撐和智力保證。 1.2 設(shè)計(jì)要求 采用 PLC 構(gòu)成機(jī)械手的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可通過修改 PLC 控制程序，改變對(duì)機(jī) 械手模型的控制要求。機(jī)械手橫軸水平面內(nèi)作前后方向運(yùn)動(dòng)，豎軸能在垂直面內(nèi)作 上下兩方向運(yùn)動(dòng)，底座能作

19、正反兩方向旋轉(zhuǎn)，手能正反兩方向旋轉(zhuǎn)，并且底座能在 任意位置停止的功能。機(jī)械手抓?。鹤疃?1.5kg 的重物；機(jī)械手前后最大行程 500mm；上下最大行程 800mm。模型如圖 1.1； 圖 1.1 模型圖 1.2.1 控制要求 1、接通電源后，機(jī)械機(jī)構(gòu)自動(dòng)復(fù)位； 2、橫軸前伸； 3、機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到位； 4、電磁閥動(dòng)作，機(jī)械手張開； 5、豎軸下降； 6、電磁閥復(fù)位，機(jī)械手夾緊重物； 7、豎軸上升； 8、橫軸縮回； 9、底盤旋轉(zhuǎn)到位； 10、橫軸前伸； 11、機(jī)械手旋轉(zhuǎn)； 12、豎軸下降； 13、電磁閥動(dòng)作，機(jī)械手張開，放下貨物； 14、豎軸上升復(fù)位。 1.3 PLC 的發(fā)展概況 可編程控制器是在計(jì)

20、算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā) 起來的，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。它以微處理器為核心，用編寫的程 序進(jìn)行邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出 來控制機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。 1.3.1 可編程控制器的產(chǎn)生 PLC 是在激烈的市場競爭中產(chǎn)生的，20 世紀(jì) 60 年代末，美國汽車制造業(yè)競爭 激烈。為適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，美國通用汽車公司（GM）對(duì)控制系統(tǒng)提出 要求為：（1）能替代各種繼電器、定時(shí)器、接觸器及其主令電器等按一定的邏輯 關(guān)系用導(dǎo)線連接起來的控制系統(tǒng)，既傳統(tǒng)的繼電接觸器控制，它簡單易懂，價(jià)格 低廉，能夠滿足生產(chǎn)工藝改動(dòng)頻繁的需要

21、；（2）編程簡單；（3）模塊式結(jié)構(gòu)；輸 入、輸出電壓是交流 115V（美國標(biāo)準(zhǔn)） ，輸出能直接驅(qū)動(dòng)繼電器和電磁閥；（5）抗 電磁干擾強(qiáng)；（6）具有數(shù)據(jù)通信功能。就是把繼電接觸器控制的優(yōu)點(diǎn)與計(jì)算機(jī) 的功能齊全、靈活性、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)結(jié)合起來，用計(jì)算機(jī)的編程軟件邏輯易于修 改來代替繼電接觸器控制的硬接線邏輯不易修改。美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）在 1969 年根據(jù)上述要求，研制出世界上首臺(tái)可編程控制器，并在美國通用汽車公司的 汽車裝配線上應(yīng)用成功，實(shí)現(xiàn)裝配線的自動(dòng)控制。 1.3.2 PLC 的定義 PLC 問世以來，盡管時(shí)間不長，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，美 國電氣制造商協(xié)會(huì) NEMA（

22、National Electrical Manufactory Association）經(jīng)過 四年的調(diào)查工作，于 1984 年首先將其正式命名為 PC（Programmable Controller） ， 并給 PC 作了如下定義： “PC 是一個(gè)數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲(chǔ)存指令。用來執(zhí) 行諸如邏輯，順序，計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模 塊，以控制各種機(jī)械或工作程序。一部數(shù)字電子計(jì)算機(jī)若是從事執(zhí)行 PC 之功能著， 亦被視為 PC，但不包括鼓式或類似的機(jī)械式順序控制器。 ” 以后國際電工委員會(huì)(IEC)又先后頒布了 PLC 標(biāo)準(zhǔn)的草案第一稿，第二稿,并

23、在 1987 年 2 月通過了對(duì)它的定義： “可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì) 的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制， 定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各 種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制 系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 ” 總之，可編程控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算 機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn) 品并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選

24、用配 置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。 1.3.3 PLC 的特點(diǎn) 高可靠性【4】 1）所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電 路之間電氣上隔離。 2）各輸入端均采用 R-C 濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為 1020ms。 3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 5）對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。 6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU 立即采用 有效措施，以防止故障擴(kuò)大。 7）大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng),使 可靠性更進(jìn)一步提高。 豐富的 I/

25、O 接口模塊【4】 PLC 針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電 流；脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備， 如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。 采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采 用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC 的各個(gè)部件，包括 CPU，電源，I/O 等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī) 架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 編程簡單易學(xué) PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來說，不 需要具

26、備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場 的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故 障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。 2 機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是 工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)， 在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手 作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前 景

27、。 機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù) 和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 2.1 機(jī)械手的定義與分類 機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多 個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn) 系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。 機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)，其一，它能部分 代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完 成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此，它能大 大地改善工

28、人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自 動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，并投入了大量的物力和財(cái)力加以 研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音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，并取得一定的成果，受到各工業(yè) 部門的重視。 機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手，它是一種獨(dú)立 的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定工 作。它的特點(diǎn)是除具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元 機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通 過操作機(jī)

29、來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號(hào)操作機(jī)械手來進(jìn)行探測月球、 火星等。第三類是專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用于解決機(jī)床上 下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand” ，它是為主機(jī)服務(wù)的， 由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 本項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型可歸為第一類，即通用機(jī)械手。在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè) 中，自動(dòng)化程度較高，大量應(yīng)用機(jī)械手。通過本次設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)對(duì)工業(yè)機(jī)械手的 認(rèn)識(shí)，同時(shí)并熟悉掌握 PLC 技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)等工業(yè)控制常用的技術(shù)。 2.2 機(jī)械手發(fā)展情況 目前工業(yè)機(jī)械手主要用于流水線傳送、焊接、裝配、機(jī)床加工

30、、鑄造、熱處理 等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面都能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 在國內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機(jī)械手，逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改 善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，用條件還要研制 示教機(jī)械手、組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、 俯仰等機(jī)構(gòu)，以及用于 不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù) 不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì) 制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定 位，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。 在機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前

31、主要應(yīng)用于機(jī)床、模 鍛壓力機(jī)的上下料以及焊、噴漆等作業(yè)，它可以按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定 的操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界的變化。如果機(jī)械手發(fā)生某些偏 離時(shí)，會(huì)引起零部件甚至機(jī)械本身的損壞，但若有了傳感反饋?zhàn)詣?dòng)，機(jī)械手就可以 根據(jù)反饋?zhàn)孕姓{(diào)整。 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉(zhuǎn)動(dòng)、開閉手指。 機(jī)械手手部的構(gòu)造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手 指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多?？筛鶕?jù)夾持對(duì)象 的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。本設(shè)計(jì)采用二指的

32、 構(gòu)造。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使 機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確地定位?？傊?，機(jī)械手的運(yùn) 動(dòng)離不開直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動(dòng)液 壓缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服液壓馬達(dá)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)等。軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)架。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以電 氣、氣動(dòng)用得最多，占 90以上，液壓、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用得較少。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過液壓缸、閥、油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用液壓缸、液壓馬達(dá) 加齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)液壓馬達(dá)、液壓缸

33、與齒條、齒輪與鏈條、鏈 輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小，出力大，動(dòng)作平緩，可無 級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用 46 個(gè)大氣壓， 個(gè)別達(dá)到 810 個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)方便，成本低。缺點(diǎn)是出力 小，體積大，由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置停止，只能用于點(diǎn)位控制， 而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。本設(shè)計(jì)的手爪部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)。 電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)可以采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。通用機(jī)械手則考 慮采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流或交流的伺服電動(dòng)機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動(dòng)的

34、優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力 源簡單，維護(hù)、使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一形式的動(dòng)力，出力比 較大。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手爪和機(jī)械手的底盤 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械驅(qū)動(dòng)只適用于動(dòng)作固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它 的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。 機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度 等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占 90以上。 控制系統(tǒng)可以根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加 以儲(chǔ)存，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手工作。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù)

35、字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實(shí)現(xiàn)，具有編程簡單、修改容易、可 靠性高等。 2.3 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來越高，工人工作環(huán)境和工作內(nèi) 容也要求理想化簡單化，對(duì)于一些往復(fù)的工作由機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)完成顯得非 常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對(duì)人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī) 藥、航空航天等。代表當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)在日本，他的自動(dòng)化，人性化令人嘆為觀 止，這些技術(shù)依賴于控制理論、新材料科學(xué)，它是融合各種尖端技術(shù)的現(xiàn)代機(jī)器。 我國也陸續(xù)在工業(yè)中有所應(yīng)用，對(duì)于自動(dòng)控制，柔性制造系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛，但 我國的

36、自動(dòng)化水平有待提高。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也隨之提高，發(fā) 展的趨勢(shì)是工作強(qiáng)度高，靈活性強(qiáng)，準(zhǔn)確可靠，可以自動(dòng)檢測并下達(dá)動(dòng)作命令，融 入先進(jìn)的人工智能，使人只作平時(shí)的簡單的維護(hù)，這也是現(xiàn)代工廠的發(fā)展趨勢(shì)。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手， 并考慮與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 對(duì)于機(jī)械手的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如繼電器控制、單片機(jī)控制、PLC 控制等。但由于此明確指定采用 PLC 可編程控制器控制實(shí)現(xiàn)，所以，不用我們?nèi)タ?慮控制硬件方案，只是要對(duì) PLC 進(jìn)行比較選擇。 3.1 PLC 的選型 對(duì)

37、于 PLC 的選擇，我們必須考慮多方面的因素。例如輸入、輸出的最多點(diǎn)數(shù)； 掃描速度；內(nèi)存容量；指令條數(shù)；功能模塊等。同時(shí)還要考慮其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性以及工 作環(huán)境對(duì)其的影響。 3.1.1 常用 PLC 介紹 PLC 發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號(hào)的也很多，各個(gè)廠家生產(chǎn)的也有一定 區(qū)別，各個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計(jì)需要，考慮如何選擇。 西門子 S7-200 系列可編程控制器介紹： SIMATIC S7-200 系列 PLC 是德國西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的具有很高性能 價(jià)格比的微型可編程控制器。西門子是世界上最大的電氣和電子公司之一。西門子 的中國業(yè)務(wù)是其亞太地區(qū)業(yè)務(wù)的主要

38、支柱，活躍在中國的信息與通訊、自動(dòng)化與控 制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個(gè)行業(yè)中，其核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ) 設(shè)施建設(shè)和工業(yè)解決方案。 S7-200 作為西門子 SIMATIC PLC 家族中的最小成員， 以其超小體積，靈活的配置，強(qiáng)大的內(nèi)置功能，多年來一直廣泛服務(wù)于國內(nèi)的各行 各業(yè)。由于它具有結(jié)構(gòu)小巧，運(yùn)行速度快，價(jià)格低廉及多功能多用途等特點(diǎn)，因此 在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。 它適用于各行各業(yè)，各種場合的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化。強(qiáng)大功能使其無 論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。在以下幾方面均有出色的 表現(xiàn)：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的

39、內(nèi)置集成 功能；實(shí)時(shí)特性；強(qiáng)勁的通訊能力；豐富的擴(kuò)展模塊。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所 有與自動(dòng)檢測，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè) 施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等 S7-200 系列 PLC 在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋 從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。S7-200 產(chǎn)品憑借其先進(jìn)性、成熟 性和廣泛的適用性在自動(dòng)化產(chǎn)品中受到廣泛的重視，相信此次發(fā)布的新產(chǎn)品一定能 夠滿足部分用戶的需求，同時(shí)在自動(dòng)化領(lǐng)域中獲得更廣泛的應(yīng)用。 突出的特點(diǎn)： 可靠性高、操作簡便； 豐富的內(nèi)置集成功能； 強(qiáng)勁通訊能力； 豐富的擴(kuò)展模塊； 簡單、易用的 Mic

40、ro/WIN 編程軟件。 S7-200 豐富的種類【4】： CPU221：內(nèi)置 10 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，不可擴(kuò)充； CPU222：內(nèi)置 14 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可擴(kuò)充到 78 路數(shù)字量 I/O 或 10 路模擬 量 I/O； CPU224：內(nèi)置 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可擴(kuò)充到 168 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬 量 I/O； CPU226：內(nèi)置 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可擴(kuò)充到 248 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬 量 I/O； 16 種擴(kuò)展模塊：數(shù)字量擴(kuò)展模塊，模擬量擴(kuò)展模塊、PROFIBUS-DP 擴(kuò)展模塊、 AS-I 接口模塊。 強(qiáng)大的通訊能力： 點(diǎn)到點(diǎn)通

41、訊方式（PPI） ； 多點(diǎn)接口通訊方式（MPI） ； 自由通訊口方式（Freeport） ； PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)通訊方式。 OMRON C200H 可編程控制器介紹： 圖 3.1 歐姆龍 PLC 歐姆龍株式會(huì)社是全球知名的自動(dòng)化控制及電子設(shè)備制造廠商，掌握著世界領(lǐng) 先的傳感與控制核心技術(shù)。自 1933 年創(chuàng)業(yè)至今的七十余年中，通過不斷創(chuàng)造新的 社會(huì)需求，公司全球業(yè)務(wù)遍及 35 個(gè)國家和地區(qū)，擁有超過 27，000 名員工；產(chǎn)品 品種達(dá)幾十萬種，涉及工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、電子元器件、社會(huì)公共系統(tǒng)以及健康 醫(yī)療設(shè)備等廣泛領(lǐng)域，在業(yè)內(nèi)建立了響亮的品牌，占據(jù)著不可替代的地位。 歐姆龍與中國的淵

42、源可以追溯到 30 年前。公司創(chuàng)始人立石一真先生曾擔(dān)任國 貿(mào)促京都總局副會(huì)長，七十年代初作為經(jīng)濟(jì)界代表開始了與中國各界的交流與合作。 公司從 1980 年繼電器的委托加工貿(mào)易開始不斷發(fā)展，1991 年在大連設(shè)立了第一家 生產(chǎn)健康醫(yī)療設(shè)備的工廠歐姆龍（大連）有限公司；1994 年，作為第一家日本 電子制造企業(yè)，被國家有關(guān)部門批準(zhǔn)成立投資性公司歐姆龍（中國）有限公司； 經(jīng)過 30 年的不懈努力，歐姆龍以高質(zhì)量的產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，贏得了中國用 戶的信賴與好評(píng)。 先進(jìn)的、小型化的可編程序控制器.OMRON 的可編程序控制器更加小型化。 SYSMAC CPM1A 的大小僅相當(dāng)于一個(gè) PC 卡(對(duì)于 10

43、 點(diǎn)的機(jī)型來說)，從而使安裝體積 大幅度減小，同時(shí)也進(jìn)一步節(jié)省了控制柜的空間。它不僅具備了以往小型 PLC 所具 備的功能，而且還可連接可編程序終端，為生產(chǎn)現(xiàn)場創(chuàng)造了新的環(huán)境。 可連接可編程終端，選用通訊適配器以相應(yīng)的上位 Link 或高速 NT Link 與 PT 之間進(jìn)行高速通訊。 有 10 點(diǎn)至 40 點(diǎn)多種 CPU 單元。CPU 單元與擴(kuò)展 I/O 并用，可完成 10 點(diǎn)到 100 點(diǎn)的輸入輸出要求。并有 AC 和 DC 兩種電源型號(hào)可選擇。 匯集了各種先進(jìn)的功能，如高速響應(yīng)功能、高速計(jì)數(shù)功能、中斷功能，還備有 2 個(gè)模擬量設(shè)定。 充足的程序容量，具有 2048 字的用戶程序存儲(chǔ)器和

44、1024 字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 編程環(huán)境與 CQM1 及 SYSMAC A 等機(jī)種相同。由于原有 SYSMAC 支持軟件及編程 器都可繼續(xù)使用，故而系統(tǒng)的擴(kuò)展及維護(hù)都可簡單進(jìn)行。 松下可編程控制器介紹【9】： 包括 FPO，F(xiàn)P1，F(xiàn)P2，F(xiàn)P3，F(xiàn)Pe，F(xiàn)P-X 等系列 圖 3.2 松下 PLC FP-X 特點(diǎn)：超高速處理，浮點(diǎn)數(shù) PID 運(yùn)算只有 32s，基本指令只需 0.32s， 可快速掃描充裕的程序容量達(dá)到 32K 步，注釋區(qū)域也可以保證；I/O 最多 300 點(diǎn)； 通過 8 位密碼和禁止上傳功能，有效保護(hù)程序：配備 USB 端口，可與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)簡 單連接。 FPe（晶體管輸出，繼電器輸出

45、）特點(diǎn)：面板式安裝型控制器，電源電壓 24VDC， 程序容量 2.7K 步，運(yùn)算速度 0.9s。 FP2、FP3、FP10sh 系列（輸出類型同上）：最多可控制 2048 點(diǎn)（使用遠(yuǎn)程 I/O） ，程序容量大 16K，30K 步，可擴(kuò)展到 120K 步，CUP 運(yùn)行世界最快（1ms/20 步， 快速起運(yùn) 0.1ms 以下） 。 FPO 系列（輸出同上）：世界產(chǎn)品體積最小，掃描周期 1ms，選擇點(diǎn)從 10 到 128 點(diǎn)。 三菱 FX 系列可編程控制器介紹【10】： FX 系列可編程控制器是當(dāng)今國內(nèi)外最新，最具特色、最具代表性的微型 PLC。日本三菱電機(jī)公司研發(fā)的。在 FX 中，除基本的指令表編

46、程方式外，還可以采 用梯形土編程及對(duì)應(yīng)機(jī)械動(dòng)作流程進(jìn)行順序設(shè)計(jì)的 SFC 順序功能圖編程，而且這些 程序可互相轉(zhuǎn)換。在 FX 系列 PLC 中設(shè)置了高數(shù)計(jì)數(shù)器，對(duì)來自特定的輸入繼電器 的高頻脈沖進(jìn)行中斷處理，擴(kuò)大了 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域。其 FX2N PLC 還可以采用作為 擴(kuò)展設(shè)備的硬件計(jì)數(shù)器，可獲取最高 50kHz 的高速脈沖。 FX 系列 PLC 基于“基本功能、高速處理、便于使用”的研發(fā)理念，使其具有數(shù) 據(jù)傳送與比較，四則運(yùn)算與邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)循環(huán)與移動(dòng)等應(yīng)用指令系統(tǒng)。除此之外， 還具有輸入輸出刷新、中斷、高速計(jì)數(shù)器比較指令、高速脈沖輸出等告訴處理指令， 以及在 SFS 控制方面，將機(jī)械控

47、制的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作封裝化的狀態(tài)初始化指令等，使功能 大大增加。 FX 系列 PLC 在特殊控制方面不但具備模擬量輸入輸出控制，而且具有定位控制 幾 PID 系統(tǒng)控制。在通信方面，能夠方便地與 PC 計(jì)算機(jī)鏈接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與管理。 3.1.2 確定型號(hào) FX1N60MR 綜上，對(duì)于被控對(duì)象，采用 PLC 系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，力 求具有較好的性價(jià)比，使用和維修方便；選用的 PLC 主機(jī)和配置、控制功能等必須 能滿足被控對(duì)象的各種控制要求；選用的 PLC 主機(jī)及配置必須是功能較強(qiáng)的新一代 PLC 機(jī)型，一般最好不要選用舊機(jī)型（若采用三菱公司的 PLC，則選 FX 系列，不 選 F1 系列）

48、 。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮將來工藝的變化和擴(kuò)展，在滿足確定的要求外，留有 一定的余量；確保整個(gè)控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對(duì)產(chǎn)品的熟悉程度，以及編程 指令的易懂性。在此，我選用三菱 FX1N來做控制核心。FX 系列 PLC 是由三菱公司 近年來推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司原 F、F1、F2 系列 PLC 產(chǎn)品。其中 FX2 是近年推出的產(chǎn) 品，F(xiàn)X0 是在 FX2 之后推出的超小型 PLC，近幾年來又連續(xù)推出了將眾多功 能凝集在超小型機(jī)殼內(nèi)的 FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、 FX2NC 等系列 PLC，具有較高的性能 價(jià)格比，應(yīng)用廣泛。它們采用整體式和 模塊式相結(jié)

49、合的疊裝式結(jié)構(gòu)，如圖 3.4。 3.1.3 FX1N 所具有優(yōu)越性能 【基本性能】 【3】 CPU 處理速度達(dá)到了 0.065us/基本指令。內(nèi)置了高達(dá) 64K 步的大容量 RAM 存 儲(chǔ)器。大幅增加了內(nèi)部軟元件的數(shù)量。強(qiáng)化了指令的功能，提供了多達(dá) 209 條應(yīng)用 FX2N PLC 圖圖 3.3 PLC 三菱 FX 系 列 圖 3.4 PLC 三菱 FX1N 指令，包括像與三菱變頻器通訊的指令，CRC 計(jì)算指令，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)指令等等。 【集成業(yè)界領(lǐng)先的功能】 【3】 晶體管輸出型的基本單元內(nèi)置了 3 軸獨(dú)立最高 100kHz 的定位功能，并且增加 了新的定位指令：帶 DOG 搜索的原點(diǎn)回歸（DS

50、ZR） ，中斷單速定位（DVIT）和表 格設(shè)定定位（TBL） ，從而使得定位控制功能更加強(qiáng)大，使用更為方便。內(nèi)置 6 點(diǎn)同 時(shí) 100kHz 的高速計(jì)數(shù)功能，雙相計(jì)數(shù)時(shí)可以進(jìn)行 4 倍頻計(jì)數(shù)。 【強(qiáng)大的擴(kuò)展性】 【3】 增強(qiáng)了通信的功能，其內(nèi)置的編程口可以達(dá)到 115.2kbps 的高速通信，而且最 多可以同時(shí)使用 3 個(gè)通信口（包括編程口在內(nèi)） 。新增了高速輸入輸出適配器，模 擬量輸入輸出適配器和溫度輸入適配器，這些適配器不占用系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)，使用方便， 在 FX3U 的左側(cè)最多可以連接 10 臺(tái)特殊適配器其中通過使用高速輸入適配器可以 實(shí)現(xiàn)最多 8 路、最高 200kHz 的高速計(jì)數(shù)。通過使用高

51、速輸出適配器可以實(shí)現(xiàn)最多 4 軸、最高 200kHz 的定位控制，繼電器輸出型的基本單元上也可以通過連接該適配 器進(jìn)行定位控制。通過 CC-Link 網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)最多達(dá) 384 點(diǎn)（包括遠(yuǎn)程 I/O 在內(nèi)）的控制?？梢赃x裝高性能的顯示模塊（FX3U-7DM）可以顯示用戶自定義的 英文、數(shù)字和日文漢字信息，最多能夠顯示：半角 16 個(gè)字符(全角 8 個(gè)字符) 4 行。 在該模塊上可以進(jìn)行軟元件的監(jiān)控、測試，時(shí)鐘的設(shè)定，存儲(chǔ)器卡盒與內(nèi)置 RAM 間程序的傳送、比較等操作。另外，還可以將該顯示模塊安裝在控制柜的面板上。 表 3.1 FX1n 性能規(guī)格【3】 FX1n 性能規(guī)格 項(xiàng)目規(guī)格備注 運(yùn)

52、轉(zhuǎn)控制方法通過儲(chǔ)存的程序周期運(yùn)轉(zhuǎn) I/O 控制方法 批次處理方法（當(dāng)執(zhí)行 END 指令時(shí)） I/O 指令可以刷新 運(yùn)轉(zhuǎn)處理時(shí)間 基本指令：0.55 至 0.7s 應(yīng)用指令：3.7 至幾百 s 編程語言邏輯梯形圖和指令清單 使用步進(jìn)梯形圖能生成 SFC 類型程 序 程式容量內(nèi)置 8K 步 EEPROM存儲(chǔ)盒（FX1nEEPROM8L）可選 指令數(shù)目 基本順序指令：27 步進(jìn)梯形指令：2 應(yīng)用指令：85 最大可用 177 條應(yīng)用指令，包括所 有的變化 I/O 配置 最大硬體 I/O 配置 128，依賴于用戶的選擇（最大軟件可設(shè)定地址 輸入 128、輸出 128） 輔助繼電器一般384 點(diǎn)M0 到

53、M383 鎖定1152 點(diǎn)（子系統(tǒng)）M384 至 M1535（M 線圈） 特殊256 點(diǎn)M8000 至 8255 一般1000 點(diǎn)S0 至 S999 狀態(tài)繼電器 （S 線圈） 初始10 點(diǎn)（子系統(tǒng)）S0 至 S9 100 毫秒范圍：0 至 3276.7 秒 200T0 至 T199 10 毫秒范圍：0 至 3276.7 秒 46 點(diǎn)T200 至 T245 1 毫秒 范圍：0.001 至 32.767 秒 4 點(diǎn) T246 至 T249定時(shí)器（T） 100 毫秒積 算 范圍：0 至 3276.7 秒 6 點(diǎn)T250 至 T255 一般范圍：0 至 32767 數(shù) 16 點(diǎn) C0 至 C15 類型

54、：16 位上計(jì)數(shù)器 鎖定184 點(diǎn)（子系統(tǒng)） C16 至 C199 類型：16 位上計(jì)數(shù)器 一般范圍：1 至 32767 數(shù) 20 點(diǎn) C200 至 C219 類型：32 位雙向計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)器（C） 鎖定15 點(diǎn)（子系統(tǒng)） C220 至 C234 類型：32 位雙向計(jì)數(shù)器 單相C235 至 C238 4 點(diǎn) 單相 c/w 起 始，停止輸 入 C241、C242 和 C2443 點(diǎn) 雙相C246、C247 和 C2493 點(diǎn) 高速計(jì)數(shù)器（C） A/B 相 范圍：-+數(shù)；選擇多達(dá) 4 個(gè) 單相計(jì)數(shù)器，組合計(jì)數(shù)頻率 不；大于 5KHz.或選擇一個(gè) 比相或 A/B 相計(jì)數(shù)器,組合； 計(jì)數(shù)頻率不大于 2

55、KHz.注意 所有的計(jì)數(shù)器都鎖定。 C251、C252 和 C2543 點(diǎn) 一般128 點(diǎn) D0 至 D127 類型：32 位元件的 16 位數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 寄存器 鎖定7872 點(diǎn) D128 至 D7999 類型：32 位元件的 16 位數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 寄存器 文件7000 點(diǎn) D100 至 D7999 通過 3 塊 500 程式 步的參數(shù)設(shè)置 類型：16 位數(shù)據(jù)寄存器 外部調(diào)節(jié)范圍：0 至 2552 點(diǎn) 數(shù)據(jù)從外部設(shè)置電位器移到寄存器； D8030 和 D8031 數(shù)據(jù)寄存器（D） 特殊 256 點(diǎn)（包含 D8013、D8030T 和 D8031） 從 D8000 至 D8255 類型：16 位數(shù)據(jù)存

56、儲(chǔ)寄存器 變址16 點(diǎn) V 和 Z 類型：16 位數(shù)據(jù)寄存器 用于 CALL128 點(diǎn)N0 至 P127 指標(biāo)（P） 用于中斷6 點(diǎn) 100*至 130* （上升觸發(fā)*1，下降觸發(fā)*0） 嵌套層次用于 MC 和 MRC 時(shí) 8 點(diǎn)N0 至 N7 十進(jìn)位 K 16 位：-32768 至 32768 32 位：-至+ 常數(shù) 十六進(jìn)位 H 16 位：0000 至 FFFF 32 位：至 FFFFFFFF 3.1.4 FX 系列 PLC 型號(hào)的說明 FX 系列 PLC 型號(hào)的含義如下【4】： 其中系列名稱：如 0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC 等 單元類型：M基本單元 E輸入輸出混合擴(kuò)展單

57、元 Ex擴(kuò)展輸入模塊 EY擴(kuò)展輸出模塊 輸出方式：R繼電器輸出 S晶閘管輸出 T晶體管輸出 特殊品種：DDC 電源，DC 輸出 A1AC 電源，AC（AC100120V）輸入或 AC 輸出模塊 H大電流輸出擴(kuò)展模塊 V立式端子排的擴(kuò)展模塊 C接插口輸入輸出方式 F輸入濾波時(shí)間常數(shù)為 1ms 的擴(kuò)展模塊 如果特殊品種一項(xiàng)無符號(hào)，為 AC 電源、DC 輸入、橫式端子排、標(biāo)準(zhǔn)輸出。 例如 FX2N32MTD 表示 FX2N 系列，32 個(gè) I/O 點(diǎn)基本單位，晶體管輸出，使 用直流電源，24V 直流輸出型。 3.2 三菱 FX 系列的結(jié)構(gòu)功能 可編程控制器是一種工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)，它的的結(jié)構(gòu)原理與微

58、型計(jì)算機(jī)相似。 硬件構(gòu)成有微處理器、存儲(chǔ)器和各種輸入、輸出接口。系統(tǒng)程序和接口器件又與微 機(jī)不同，這使它的操作使用方法、編程語言、工作方式等與微型機(jī)有所不同。PLC 是用微處理器實(shí)現(xiàn)繼電器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器以及 A/D、D/A 模擬轉(zhuǎn)換器件的組合體 的功能，采用軟件編程進(jìn)行它們之間的聯(lián)系。 本設(shè)計(jì)采用 FX 系列 PLC 作為控制核心，所以現(xiàn)在就以它來講述 PLC 的應(yīng)用 知識(shí)、操作技能。FX 系列 PLC 硬件組成與其它類型 PLC 基本相同，主體由三部分 組成，其 PLC 的基本結(jié)構(gòu)如圖 3.5 系統(tǒng)電源有些在 CPU 模塊內(nèi)，也有單獨(dú)作為一 個(gè)單元的，編程器一般看作 PLC 的外設(shè)。PLC

59、 內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令 的傳輸。 圖 3.5 PLC 的組成框圖 外部開關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)以及各種傳感器檢測信號(hào)作為 PLC 的輸入變量，它們 經(jīng) PLC 的輸入端子進(jìn)入 PLC 的輸入存儲(chǔ)器，收集和暫存被控對(duì)象實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài) 信號(hào)和數(shù)據(jù)；經(jīng) PLC 內(nèi)部運(yùn)算與處理后，按被控對(duì)象實(shí)際動(dòng)作要求產(chǎn)生輸出結(jié)果； 輸出結(jié)果送到輸出端子作為輸出變量，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PLC 的各個(gè)部分協(xié)調(diào)一致地 實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的控制。 3.2.1 PLC 內(nèi)部功能 中央處理器 CPU CPU 的主要作用是解釋并執(zhí)行用戶及系統(tǒng)程序，通過運(yùn)行用戶及系統(tǒng)程序完成 所有控制、處理、通信以及所賦予的其它功能，控制整個(gè)系統(tǒng)協(xié)

60、調(diào)一致工作。常用 的 CPU 主要有通用微處理器、單片機(jī)和雙極型位片機(jī)。 存儲(chǔ)器模塊 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 用于存儲(chǔ) PLC 內(nèi)部的輸入、輸出信息，并存儲(chǔ)內(nèi)部繼電器 （軟繼電器） 、移位寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及累加器等的工作狀態(tài)， 還可以存儲(chǔ)用戶正在調(diào)試和修改的程序以及各種暫存的數(shù)據(jù)、中間變量等。 只讀存儲(chǔ)器 ROM 用于存儲(chǔ)系統(tǒng)程序。可紫外線擦除電編程的只讀存儲(chǔ) EPROM，它主要用來存放 PLC 的操作系統(tǒng)和監(jiān)控程序，如果用戶程序已完全調(diào)試 好，也可將程序固化在 EPROM 中?？呻姴脸呻姼膶懙闹蛔x存儲(chǔ) EEPROM，它主 要用來存放用戶程序。 輸入輸出模塊 N 可編程控制器