三菱PLC控制的机械手系统

作者：洪玉红 自动化系自0101班

摘 要:本文介绍了如何利用PLC （可编程控制器）的自动控制和逻辑运算的优点改变PLC 的程序及参数，达到灵活控制设备运行的目的, 从而使设备操作变得更方便，更富有人性化。它充分体现了工控自动化在实际生产中的重要作用。通过对物料搬运机械手装置结构与功能的介绍，给出了FX2N-48MT 型PLC 在机械手控制中的应用实例，重点分析了基于PLC 的机械手控制系统组成，并详细论述了以PLC 为核心对步进电机和直流电机进行综合控制的软、硬件实现方法。我们了解到各种类型机械手是自动化生产中必不可少的重要设备。尤其是在危险场合，在严重威胁人们安全和健康的环境下，采用机械手代替人，具有十分重要的意义。本文针对机械手系统的控制方法充分利用了PLC 和其他控制装置的特性，结构紧凑，扩展可靠，目前，在现场运行良好。在本系统中，PLC 作为现场控制设备，能够可靠、准确地完成控制操作，并且可以通过与上级工控机通信，组成分布式系统共同完成输煤系统的监测、控制要求，是现代工业控制中比较先进的控制方案，作为一个相对独立的PLC 控制系统，它还可以通过RS-485总线或CC-Link 总线与生产线上的其他PLC 及控制器组成工业控制网络，实现更进一步的自动化生产控制应用前景广泛。 三菱PLC 控制的机械手系统 Abstract: This text introduces how to utilize PLC programma by making use of its automatic control and logic operation to change the procedure and parameter of PLC, in order to control the equipment to make it operate flexibly , and more convenient, and more rich in humanizationer . It has fully reflected the important function of automation in actual production . According to the introduc es of the structure and function of equips, this paper provides the application instance of FX2N-48MT PLC on the mechanical hand control. The control system structure based on PLC is analyzed , and the software and hardware control method of step motor and DC-electrical motor that regards PLC as the core is discussed. We understand that various types of the mechanical hand are important equipments in automated production .Particularly in the dangerous situation , under the

serious circumstance that the people's safety and health are threated ，the adoption of machine hand replac ing the person has the very important meaning. This text aiming at the characteristic of the

control method of the mechanical hand system , which makes use of PLC and other controlses ,is well equipped , and its structure is tightly packed, the credibility expanded. Currently, circulate on the spot is good .In this system, the PLC is the control equipments on the spot , which can dependably, accurately complete the control operation, and can pass to control the machine correspondence with upper grade work, constitute the distribute type system to monitor the coal system and attain the request, so it is a modern industry control in the control project . As an independent PLC control system, it can also pass the total line of RS-485 or total line of CC- Link and produce on-line other PLC ses and controllers to constitute the industry control network, carrying out the further automation production control applic ation foreground extensively.

Mechanical hand system based on Mitsubishi Bank PLC

关键词: （PLC ）可编程控制器 机械手 步进电机 直流电机

Keywords: PLC Mechanical hand step motor DC -motor

一 引言

PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，它是一种新型的通用自动

控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，专门为工业控制而设计，具有功能强、通用灵活，可靠性高、环境适宜性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻等一系列优点。PLC 在设计和制造过程中采取多层抗干扰和精选元件措施, 非常适用于在恶劣的工业环境下使用，现以广泛应用于机械制造、冶金、化工、环保、轻工等各个领域，成为一种最普及、应用场合最广泛的传统继电接触器的替代物——新一代的工业控制器，广泛的应用在模拟量控制、位置控制、监控、调速、数据管理、通讯等方面。近年来，随着我国自动化技术的提高，工厂自动化也上了一个新台阶，PLC 作为一个新兴的工业控制器，以七个方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。它是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备，它是以微处理器为核心, 并综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型工业自动控制装置。它的最大特点就是体积小、功能强、响应速度快、可靠性高、控制过程均通过以梯形图的方式编程。随时可依生产工艺的不同要求而随机修改，还具有可扩展性。现在由于PLC 均由世界上有名的电气控制设备制造商专业化研究开发和批量生产，故由于生产成本低而导致价格便宜。随着全球经济一体化进程的加快，市场竞争导致其价格有进一步下调的空间，为各行业上广泛采用此种控制系统提供了有利条件。随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超过了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程的通信功能等，有人称其为现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一。目前PLC ，已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工业等领域，为工业自动化提供了有力的工具如：PLC 控制的机械手系统可在空间抓放物体, 动作灵活多样，适用于可变换生产品种中的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线，可代替人工进行单调持久的作业。

二 PLC概述

(一) PLC的硬件系统

用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。入出变换 、物理实现可以说是PLC 实施控制的两个基本点。而入出变换实际上就是信息处理，信息处理当今最常用的是微处理机技术，PLC 也是用它，并使其专用化，应用与工业现场。至于物理实现，正是它与普通微机相区别之点，普通微机多只考虑信息本身，别的不多考虑，而PLC 要考虑实际的控制需要。物理实现要求PLC 的输入，应当排除干扰信号适应于工业现场。输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求I/O电路专门设计。根据PLC 实施控制的基本点的分析，PLC 采用了典型的计算结构。主要是由CPU 、RAM 、ROM 和专门设计的输入输出接口电路组成，如图1-1和图1-2

1. 中央处理机：PLC 的核心，它是由中央处理器（CPU ）和存储器等组成。

中央处理器（CPU ）一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。CPU 通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出（I/O）接口电路相连接。CPU 按扫描方式工作，从0000首址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不停的周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。

CPU 的主要功能为：

图1-1

图1-2

①从存储器中读取指令。CPU 从地址总线上给出存储地址从控制总线上给出读指令，从 数据总线上得到读出的命令，并存入CPU 内的指令寄存器中

②执行指令。对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作，如读取输入信号，取操作数，进行逻辑运算和算术运算，将结果输出给有关部分。

③准备取下一个指令。CPU 执行完一条指令后，能根据条件产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令，在CPU 的控制下，程序的指令既可以顺序执行，也可以分支或跳转。

④处理中断。CPU 除顺序执行程序外，还能接收输入输出接口发来的中断请求，并进行中断处理，中断处理完后，再返回原址，继续顺序执行

2. 存储器：用于存放系统程序：一般系统程序是由PLC 厂家编写的，不能由用户直接存取。系统程序存储器用来存放有关系统管理解释指令、标准程序系统调用等程序。一般用PROM 或EPROM

构成。

由用户编写的程序称为用户程序。用户程序存放在用户程序存储器中。用户程序存储器的容量不大，一般只有几K 的容量，常用ROM 构成。

3. 输入/输出部分：

这是PLC 与被控设备相连接的接口电路。用户设备输入PLC 的各种控制信号，如限位开关、操作按扭、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数变换进机内）等，通过输入输出电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。

1） 输入接口电路：

现场输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路成。光电耦合电路：采用光电耦合点；路与现场输入信号相连是为防止现场的强电干扰进入PLC 。光电耦合电路的关键器件市光电耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。

光电耦合器的抗干扰性能：由于输入和输出段是靠光信号偶合的，在电器上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰和其他串扰。

微电脑的输入接口电路：它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电耦合送到输入数据寄存器，然后通过数据总线送给CPU 。

2）输出接口电路：一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。

微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断电路集成而成。CPU 通过数据总线将要输出的信号放到输出数据寄存器中。功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的信号加以放大。PLC 一般采用继电器输出。

（4）电源部件：将交流电源转换成供PLC 所需的直流电源。目前大部分PLC 采用开关式稳压电源供电。

(二) PLC的软件系统

1. 系统程序：

它由PLC 的制造企业编制，固化在PROM 或EPROM 中，按装在PLC 上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。

系统管理程序的主要功能

A ：时间分配的运行管理，即实现PL C输入、输出运算，自检及提供通信时序

B ：存储空间的额分配管理，即生成用户环境，规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理存储地址

C ：系统的自检程序，即对系统进行出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个PLC 能正确、有效地工作。

用户指令解释程序。它可将用户用各种编程语言（梯形图、语句表等）编制的应用程序翻译成CPU 能执行的机器指令

供系统调用的标准程序模块。它由许多独立的程序组成，各自完成包括输入、输出、特殊运算等不同的功能。PLC 的各种具体工作都由这部分来完成。

2. 用户程序:

它是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。

开关量逻辑控制程序。它是PLC 用户程序中最重要的一部分，一般采用梯形图、助记符或功能块图等编程语言编制，不同的PLC 制造企业提供的编程语言有不同的形式，至今没有一种能全部兼容的编程语言。

模拟量运算程序及闭环控制程序。通常，它是在大中型PLC 上实施的程序，由用户根据需要按PLC 提供的软件和硬件功能进行编制。编程语言一般采用高级语言或汇编语言。一些制造企业为了方便用户编程，也提供相应编程软件供用户编制模拟量和PID 控制等的程序。

操作站系统程。它是大型PLC 系统经过通信联网后，由用户进行信息交换和管理而编制的程序。它包括各类画面的操作显示程序。一般采用高级语言实现。一些制造企业也提供了人机界面的有关软件，用户可以根据制造企业提供的外交使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。

(三) PLC的工作过程

PLC 大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行。一个完整的周期可分为三个阶段：

1. 输入刷新阶段：

程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映象寄存器。

2. 程序处理阶段：

所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。

3. 输出刷新阶段：

将输出元件映象寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。一般地，PLC 的一个扫描周期约10ms ，另外，可编程序控制器的输入/输出还有响应滞后（输入滤波约10ms ），继电器机械滞后约10ms ，所以，一个信号从输入到实际输出，大约有20--30ms 的滞后。

(四) PLC的工作原理

PLC 虽然以微处理器为核心，并具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令和中断的工作方式，而PLC 则是采用" 顺序扫描、不断循环" 的方式进行工作的，包括输入采样、系统处理、用户程序执行和输出刷新四个阶段。完成上述四个阶段称为一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的CPU 以一定的扫描速度重复执行这四个阶段。

1. 输入采样阶段：顺序访问PLC 的所有输入单元的信号状态，将其放入输入缓冲区内。

2. 系统处理阶段：对系统工作状态进行检查，对连接的I/O单元及外部设备进行定期服务。

3. 用户程序执行阶段：执行预先设定的用户程序，将处理结果分别放入动态数据区和输出缓冲区。

4. 输出刷新阶段：将输出缓冲区的所有信号送到输出单元，刷新输出单元锁存器的原有状态。

(五) PLC的编程语言的基本指令系统和编程方法

附件:

1. 编程语言的形式

最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。

虽然一些高档的PLC 还具有与计算机兼容的C 语言、BASIC 语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP ），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。

2. 编程指令：指令是PLC 被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC 与普通的计算机是完全相同的。同时PLC 也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC 指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。

A ）指令系统：一个PLC 所具有的指令的全体称为该PLC 的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC 的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的PLC ，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清PLC 的指令系统

B ）程序：PLC 指令的有序集合，PLC 运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC 的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC 的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。

C ）梯形图：梯形图是通过连线把PLC 指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC 指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD ）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD 指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。下图是三菱公司的FX2N 系列产品的最简单的梯形图例：

它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个END 指令，用以结束程序。

A ）梯形图与助记符的对应关系： 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为：

地址 指令 变量

0000 LD X000

0001 OR X010

0002 AND NOT X001

0003 OUT Y000

0004 END

反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。

B ） 梯形图与电气原理图的关系：如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可建立起一定的对应关系。如梯形图的输出（OUT ）指令，对应于继电器的线圈，而输入指令（如LD ，AND ，OR ）对应于接点，互锁指令（IL 、ILC ）可看成总开关，等等。这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图，再进一步转换，即可变成语句表程序。

有了这个对应关系，用PLC 程序代表继电逻辑是很容易的。这也是PLC 技术对传统继电控制技术的继承。

3. 基本指令系统特点

PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON 公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的PLC ，其编程语言都具有以下特点：

(1) 图形式指令结构：程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形

图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎

(2) 明确的变量常数：图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：K400，T120等。PLC 中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。 (3) 简化的程序结构：PLC 的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。

(4) 简化应用软件生成过程：使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。

(5) 强化调试手段：无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC 的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC 和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。

总之，PLC 的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。

(4) 高级指令（可调脉冲输出指令）

该指令的助记符、指令代码、操作数范围和程序步如下表2-1，可调脉冲输出指令应用如图2-1

表2-1 可调脉冲输出指令要素

S1 S2 S3 D

最高频率 总输出脉冲 加减速时间 输出号码

图2-1 可调脉冲输出指令应用

带加减速功能的定尺寸传送的脉冲输出指令，对所指定的最高频率进行定加速，直到达到所指定的输出脉冲数，进行定额减速。各操作数设定范围如下：

[S1]：最高频率 可设定为10~20000HZ，频率以10的倍数指定，最高频率中指定值得1/10为可减速的一次变速量，因此，设定时在步进马达不时调的范围

[S2]：总输出脉冲数 可设定范围

16位指令„„1~32767个脉冲

32位指令„„1~214783647个脉冲

设定值不满110时，脉冲不能正常工作，使用DPLSR 时，此比例按（D1、D2）作为32位设定值

[S3]：加减速度时间，可设定范围：500ms 以下，加速时间和减速时间以相同值动作

[D]： 脉冲输出号码，只能指定为Y0或Y1，输出一定为晶体管

(六) PLC的优势

可编程控制器（Programmable Controller ）简写成 PLC ，其中 L 为逻辑（Logic ）的意思，第一台可编程控制器是1969年在美国面世的。经过30多年的发展，现在可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入／输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器具有诸多优点：

A ） LC 的生产厂家都着力于提高可靠性的指标。

B ） LC 还具有编程方便、易于使用的优点。

C ） PLC 控制功能极强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PID 运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备。

D ） PLC 的扩展以及与外部联接极为方便。所以可编程控制器应用于广播发射机可实现广播发射机的自动开关机，及采集并监控发射机的各个参数，出现异态时报警，有备用还能实现自动倒备份。这样便能实时发现发射机的异常，及时处理，降低停播率，能很好的保证节目的安全、优质播出，并能大大减轻发射机的值班任务。

(七) FX2N系列

1. FX2N系列的PLC 模型

F X 2 N--- × × M ×

1 2

式中,1部分用两位数表示输入/输出的总点数, 有16、24、32、48、64和80六种；2部分用字符表示输出类型：R 表示继电器触点输出。T 表示晶体管输出，S 表示双向晶闸管输出。 备有可自由选择，丰富的品种

可选用16/32/48/64/80/128/点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。 可根据电源及输出形式，自由选择。

高速运算

●1个指令运行时间，只需0.08us

·基本指令/1指令 0.08us

·应用指令/1指令 1.52us ～数100us

●在指令以外，实现高速化

·高速计数器

1相 60KHZ ：2点10KHZ ：4点或

2相30KHZ ：1点 5KHZ ：1点

·脉冲读取

可读取最大50us 的短脉冲输入

适用于多种特殊用途

●还可应用在模拟控制、定位控制等特殊用途。

●FX2N系列中，1台基本单元最多可连接8台扩展模块或特殊功能模块 ·模拟输入输出

FX2N－4AD„„模拟输入（4CH ）

FX2N－4DA„„模拟输出（4CH ）

FX2N－4AD －PT„„PT－100温度感应器用（4CH ）

FX2N－AAD －TC„„电热偶温度感应器用（4CH ）

FXON－3A„„模拟输入出模块（2CH 入，1CH 出）

●高速脉冲输入

FX2N－1HC„„高速计数器（2相50KHZ ）

●定位

FX2N－1PG„„脉冲输出（1轴100KPPS ）

●RS232C机器通讯

FX2N－232IF„„RS232通讯用（1CH

可共同的外部设备

·可以共用FX 系列的外部设备

便携式简易编程器FX －10P －E 、FX －20P －E 需使用FX －20P －CAB0作连接线 ·个人电脑软件

Windows 3.1/95）用（FX －PCS/WIN）(需使用SC －09作连接线

2. FX2N系列主要技术性能

应用指令中有多个可使用的简单指令

●高速处理指令

输入过滤器常数可变，中断输入处理，直接输入等。

●便利指令

数字开关的数据读取，16位数据的读取矩阵输入的读取，7段显示器输出等。 ●数据处理

数据检索，数据排列，三角子函数运算，平方根，浮点小数运算等。 ●特殊用途

脉冲输出（20KHZ/DC5V,10KHZ/DC12V～24V ）脉宽调制，PID 控制指令等。 ●外部设备相互通信

串行数据传送，ACCII code印刷，HEX←→ASCII变换，校验码等。 ● 时计控制

内置时钟的数据比较、加法、减法，读出、写入等

表2-1

交流电源、24V 直流输入类型

表2-2

24V 直流电源、24V 直流输入类型

表2-3

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三 机械手系统的工作过程

机械手是一种模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓、吸、搬运工件或工具进行操作的自动化装置。本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成。机械手移动到传送带B 工件处夹紧工件，然后将工件移动到指定位置传送带A ，接着放下工件，最后机械手回到初始位置（机械手的立杆最高，手臂最短，手最松）。其中底盘由一个直流电机驱动，该电机的顺时针/逆时针旋转控制底盘的左/右旋转；立杆由一个步进电机驱动，通过改变CP 脉冲的频率来改变步进电机的速度，从而改变立杆的上升/下降的速度；手臂由另一个步进电机驱动，通过改变CP 脉冲的频率来改变步进电机的速度，从而改变手臂的伸/缩速度；手由一个直流电机控制，该电机的顺时针/逆时针旋转控制手的抓紧/放松。在机械手的各个相应位置都有行程开关用于定位。

传 送 带 立杆 A 工

件

底盘

图3-1 机械手的基本结构图

图3-2 机械手操作面板

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四 机械手系统的设计思想

(一) 机械手的单个工作流程

机械手移动到传送带B 工件处——夹紧工件——将工件移动到指定位置传送带A ——放下工件——机械手回到初始位置五个过程完成，机械手通过PLC 来控制，可实现这五个过程全自动依次运行：

1. 械手移动到工件B 处：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传

送带B ）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；

2. 工件移动到指定位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传

送带A ）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；

3. 夹放工件：通过夹紧/放下直流电机的正转来控制，夹紧工件通过定时器来控制，即凭经验设

定一个时间（本系统设为5S ），在这个时间内机械手能完全夹紧工件； 4. 放下工件：通过夹紧/放下直流电机的反转来控制，通过松限开关来控制

5. 机械手回到初始位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到初始位

置处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制； (二) 机械手的操作方式

机械手的操作方式可分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。

1. 手动：用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制，如：当选择上/下运动时，按下起动按钮，机械手上升，按下停止按钮，机械手下降；当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移，按下停止按钮，机械手右移；当选择夹紧/放松按钮时，按下起动按钮，机械手夹紧，按下停止按钮，机械手放松，该方式用于机械手系统的“回原位”操作本系统中，可用手动方式用于机械手的初始状态定位，用操作面板按钮的（SB5，SB6，SB7，SB8，SB9，SB10）来点动执行相应的各动作；

2. 单步：每按一次起动按钮SB3，机械手完成一步动作后，自动停止；

3. 单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手自动完成一个周期的动作后，返回原位（如果在动作过程中，按下停止按钮SB4，机械手停在该工序上，再按下起动按钮SB3，则又从该工序继续工作，最后停在原位），本系统采用单周期方式进行机械手的工艺过程（机械手移动到传送带B 工件处——夹紧工件——将工件移动到指定位置传送带A ——放下工件——机械手回到初始位置）；

4. 连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环，在工作中，若按一下停止按钮SB4，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止

五 机械手系统设计

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图5-1 系统设计

(一) 硬件设计

PLC 系统一般由PLC 、输入输出设备、控制柜等设备组成。在设计中应该考虑如下原则。

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可靠性。可靠性是控制系统的生命，系统不可*，即使功能再完善，经济性再好也没有用，可*性不好的设备是没有市场的。在设计中，尽可能选择可*的元件和产品，虽然，初始投资可能多一点，但是，考虑到因为可*性不好造成的生产和维修费用，还是值得的。

b 、功能完善。在保证控制功能的基础上，尽可能地将自检、报警等功能纳入设计方案。 c 、经济性。在保证控制功能和可*性的基础上，尽可能地降低成本。 d 、在保证前三条的基础之上，考虑系统的先进性和可扩展性。 (二) 软件设计

软件设计就是编写满足生产要求的梯形图或助记符程序，设计时的原则和要求如下： a 、建立PLC 输入和输出量的接线表和接线图； b 、建立PLC 存储器的分配表；

c 、推导每一个输出、中间量和指令的动作和停止条件； d 、尽量减少扫描时间，方法是减少指令和内存的使用； e 、对每一个梯形图梯级给予注释；

f 、要求逻辑关系明确，输出、中间量和指令的名字易懂好记。

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图5-2 软件设计

六 机械手系统结构

(一) 系统结构构成图

起动按钮 放松电机

停止按钮

急停按钮 /下降电机 限位开关 /缩电机

图6-1 机械手控制系统图

(二) I/O地址分配

由于该CPU 模块有24点数字量输入，24点数字量输出，所以不再需要输入模块，采用自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是X000-X027，输出端子对应的输出地址是Y000-Y027。 下图（图5-5）为PLC 的I/O接线图，选用FX2N-48MT 的PLC ，系统共有15个输入设备和6个输出设备，分别占用PLC 的15个输入点和6个输出点，为了保证系统在紧急情况下(包括PLC 发生故障时) 能可靠地切断PLC 的负载电源，设置了交流继电器KM 。在PLC 开始运行时，按下“电源”按钮SB1，S 使KM 线圈得电后并自锁，KM 的主触点接通，给输出设备提供电源，出现紧急情况，按下“急停”按钮SB2，KM 触点断开。

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图6-2

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七 编程软件

(一) 正常运行流程图

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图7-1 正常运行流程图

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(二) 紧急停止流程图

图7-2 紧急停止流程图

八 机械手系统资源分配

(一) 数字量输入部分

该控制系统的输入有启动按钮、停止按钮、紧急停止按钮、上、下、伸、缩、松、底盘右、底盘左、初始限开关共11个输入点，具体的输入分配如表8-1所示

表8-1

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(二) 数字量输出部分

该系统需要控制的外部设备有前进/后退步进电机，上升/下降步进电机，夹紧/放下直流电机，底盘旋转 直流电机，其中步进电机可调速，直流电机有正/反转状态。具体的输出分配如表二

表 8-2

(三) 定时器部分

该系统夹紧工件时，需要定时器来控制夹紧程度，假设5S 机械手可以夹紧工件，具体的定时器 分配如表8-3

表8-3

(四) 继电器部分

该控制系统的初始位置在程序中用一个内部继电器来表示，具体的内部继电器分配如表8-4所示

表8-4

九 机械手系统程序

(一) 初始化

(1) 使系统达到初始位置

运动控制系统在运行过程中，可能会遇到断电，急停等状况，从而使系统处于某一种不可知状 态，在这种状态下，对系统进行控制是很困难的，所以用手动方式，使系统进行一系 列调整，从而达到初始位置，以便于系统的正常控制。 (2) 复位、清除某些继电器、数据寄存器

在PLC 由运行状态切换到编程状态，再切换到运行状态时，某些继电器、数据寄存器会记忆上 次运行时得到的状态或结果，从而对本次程序运行产生严重影响。 (3) 赋予系统运行的一些基本参数

在初始化程序段中，经常使用的信号是系统初始化特殊内部继电器R9013，它在PLC 的模式下处 于“RUN ”的状态下，从断电状态到通电状态，或者是在通电状态下，PLC 的模式开关从“PRO GRAMM ”模式转换为“RUN ”模式（不论是通过硬件开关切换还是通过软件切换）的时候闭合 一个扫描周期，然后一直保持断开状态。 (二) 直流电机的正/反转控制

直流电机的控制电路较为简单，一般只要考虑PLC 的输入、输出的接线就可以了。这样的电路单 独没有什么意义，但是却是生产线上不可缺少的部分，一般应用电路如下图 D

+ -

图9-1 直流电机基本应用电路

直流电机的正、反转控制也是生产线上常见的控制要求，实现起来也是比较简单的，只是在应用中要注意以下一些方面：

A. 在某些应用电路中，是不允许正、反转控制继电器同时得电闭合的，在这种控制方式中，单纯的依靠软件户所来保证正、反转控制继电器不要同时得电是不可靠的，这是因为PLC 执行指令的速度很快，而外部的实际继电器由线圈得电到触电闭合，以及由线圈失电到触点断开均需要延迟一段时间。在这种情况下，电路中不仅要有软件互锁，而且要由硬件互锁。具体的如图所示

图9-2 直流电机正/反转硬件互锁控制电路

B. 在实际应用中，可以采用H 桥驱动直流电机，实现正、反转控制。常用的H 桥驱动电路有两种，如图所示，各有利弊。

图9-3 直流电机的H 桥驱动方式

（A ）图所是得电路结构十分简单，广泛应用于小型低转动惯量直流电动机控制电路中。因为这种电路KM1或KM2单独闭合时，直流电动机可以正向旋转或者反向旋转；当KM1和KM2均闭合或者均不闭合，这时候直流电动机相当于电枢短接，可以将直流电动机很快的制动停止，此时制动电流与直流电动机的容量以及转动惯量有直接的关系，所已不适合大容量的直流电动机和大转动惯量的控制应用中。

（B ）图所时的电路结构相对来说较为复杂，这种电路当KM1或KM2单独闭合时，直流电动机也可以正向旋转或者反向旋转; 当KM1和KM2均不闭合时，这时候直流电动机，相当于电枢串电阻短接制动，电阻限定了制动电流；当KM 和KM2铜时闭合，此时驱动直流电动机的直流电源将会被短路，因而发生危险，所以这种电路时严禁KM1和KM2同时闭合的，一定要由硬件连锁措施。 在直流电动机的正、反转应用中，还应当注意当直流电动机由一个旋转方向变换为另一个旋转方向的瞬间，此时直流电动机的直流电源和直流电动机的电枢反电动势是同乡串连的，因而此时直流电动机将承受很大的电枢电流，如果这个电流比较大, 就可能造成直流电动机烧毁，解决的方法是等待直流电动机的转速降低到一定程度(可以通过时间延时来是实现，也可以通过速度极电起来检测) 后，再改变直流电动机的旋转方向。 (三) 步进电机

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制微电机，其位移量严格正比于输入脉冲数，平均转速正比于输入脉冲的频率，同时，在其工作频率内，可以从一种运动状态稳定转换到一种运动状态。它是一种性能很良好的数字化执行元件，在数控系统的点、位控制中，可利用步进电机作为驱动电机，在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制，由PLC 直接产生脉冲来控制步进电机，可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高可靠性，由于PLC 是以循环扫

描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC 工作方式的限制以及扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，而应该在低频下工作，脉冲信号频率选为十至几十HZ 左右。

步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在极低频下运行时，其转速必然很低，而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时，工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起，带来可一个突出的问题：定位时间太长，为了保证定位精度，脉冲信号当量不能太大，但却影响了定位速度，因此要解决好既能提高定位速度，同时又能保证定位精度的矛盾。

步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种时步进电机和丝杠杆连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动

在这种应用中，关系运动直接后果的参数有以下几个： N ：PLC 发出的控制脉冲的个数

ｎ：步进电机驱动器的脉冲细分数（如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动） θ：不仅电机的布距角，即步进电机每受到一个脉冲变化，周所转过的角度 ｄ：丝杠的螺纹距，他决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离 根据以上的参数，我们可以得到以下的结果：

ＰLC 发出的脉冲个数到达步进电机上，脉冲实际有效数应为N/n 步进电机每转过一周，需要的脉冲个数为360/θ

则PLC 发出N 个脉冲，工作台面移动的距离为： L=Ndθ/360n

PLC 要和步进电机配合实现运动控制，还要在PLC 内部进行一系列的设定，或者是编制一定的程序设计。不同的PLC 类型索要编制的程序不同，控制字也有不同，参考说明书就可以知道这种差异。另外，步进电机控制是要用高速脉冲控制的，所以PLC 必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的PLC 来控制步进电机。

图9-4

不同的步进电机驱动器需配合适当的PLC ，原则是势PLC 的输出高速脉冲可以传输到步进电器驱动器内部。在上图中，步进电机驱动器的输入信号所采用的是公共阳极，则PLC 就应当采用NPN 晶体管输出类型的，并且连线如图9-5所示如果步进电机驱动器所采用的输入信号采取的是公共阴极，则PLC 就应当采用PNP 晶体管输出类型。

图9-5

十 机械手系统调试

(一) 硬件调试

首先在PLC 处于编程状态下，检测各种按钮、开关、传感器，以确认这些信号能够正确地连 接到了输入端口, 确认运动机构均可以正常运动，不会产生碰撞、卡死、打滑等现象 (二) 软件调试

在运动控制系统中，因为涉及到运动控制的内容，所以在编程时，建议将可运动部件的运动速 CNDE 指令，END 指令等。调试程序是可以充分利用这些指令及继电器，使程序执行一段 后多种，先简单，后复杂的顺序来调试程序。系统中的

功能可以先是实现一种，然后往上添加。比较复杂的功能控制，如运动中变换速度，可以先使系统以 一定速度运动起来，运行过程正确无误后，再考虑加、减速的问题。

度不要设定得太高. 在调试软件时，要充分利用特殊内部继电器和特殊数据寄存器，以及各种指令。例如R9010，R90

后停止，观察上一段程序的执行结果，这样做近似于计算机中的断点调试方法。在系统中有很多种功能，要本着先单

十一 结束语

经过短暂几个月的毕业设计，我又重新拿起PLC 书认真而努力的学习，感觉收获非浅. 我根据本设计的技术要求，查阅了大量的技术期刊，文献，及一些国内外专家的相关著作。从中获得了大量的设计方法和资料。在常斗南老师的耐心指导下，我又将大量的资料进行综合及必要的扩展, 并充分利用了PLC 设计软件设计程序，将其以软件的形式加以实现。

综上所述，PLC 具有软件简单易学, 使用维护方便, 运行稳定可靠，设计施工周期短等特点；PLC 可进行模拟量控制，位置控制。特别是远程通信功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统（FMS ）, 使得PLC

如虎添翼。PLC 现己广泛用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的进程。对于立体仓库控制系统，采用PLC 控制，将传统的继电器控制逻辑变为PLC 的程序控制逻辑。PLC 的内部继电器可代替所有用于逻辑控制的中间继电器，使噪音下降，使用设备寿命延长，体积减小。在指导老师的帮助下，本着技术先进经济合理，切实可行的原则进行设计，且充分考虑了我国的经济现状，采用的生产设备都是国内的，因此本设计有一定的可行性。本设计论上可行，并不代表实际上可用，理论和实际远有一段距离，也会出现不少的错误和漏洞，诚恳的希望老师和同学们给予指导和纠正，若能如此，本人获益非浅，万分感谢！

十二 致谢词

在设计的过程中特别要感谢指导老师的指导和对我的疑难问题不厌其烦的解答和帮助。老师在设计的初期就方案的设计思想对我进行讲解，在查阅参考资料方面给我提供了很大的方便，在编写程序的过程中给予我耐心而仔细的指导，多次不厌其烦的给我分析和讲解我在设计过程中遇到的问题，使我在设计过程中避免了许多不必要的人力、物力上的浪费，能够将精力完全的投入到程序的设计中去。老师的指导使我的毕业设计能够顺利进行和如期完成，使我在这次的设计中得到锻炼，增强了我的自主学习和动手能力，为今后走向工作岗位奠定了良好的基础。老师能在百忙之中抽出时间辅导我的毕业设计，使我万分的感动。在此向我的指导老师致以真诚的感谢。因为在设计中老师给予了我极大的帮助和支持，使我对本设计题目有了一个深刻的认识。在机械手的程序设计工作中，还要感谢自动化系的老师给予的指导、帮助和院、系领导的殷切关怀。领导们为了我们专门开放了宽敞的图书馆，，这为我的设计创造了极大的便利。在此，我致以我衷心的谢意。

参 考 文 献

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三菱公司 : FX2N-1PG PULSE GENERATOR UNIT USER’S MANUAL[Z]2003 FESTO 公司 : Pneumatic positioning system Smart Positioning Controller SPC200 Manual [z] 2002

董文杰 徐文立 ：移动机械手的跟踪控制[J] 控制与决策 2001，16（6）：914~917 张硕生，余达太 ： 轮式移动机械手的多点运动规划方法[J] 北京科技大学学报，2001，23（2）：177~180

赵冬斌，易建强等 全方位移动机器人结构和运动发现[J] 机器人。

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Altafini C Inverse kinematics along a geometric spline for a holomic mobile

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Kang S , Komoriya K , Yokoi K, Tetsuo Koutoku ,Tanie K,Reduced Intertial Effect in Damping-based Posture Control of Mobile Manipulatror[A].Proceedings

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微机可编程序控制器原理、使用及应用实例。耿文学，华熔，北京，电子工业出版社。1992，121—124

李景学 可编程序控制器应用系统设计及方法 北京 ：电子工业出版社 钟肇新 可编程序控制器原理及应用 广州：华南理工大学出版社。2002 余雷声 电气控制与PLC 应用 北京：机械工业出版社，2001

目录

一 引言 .............................................................1 二 PLC概述 ..........................................................2

(一) PLC的硬件系统 ................................................................................................................ 2 (二) PLC的软件系统 ................................................................................................................ 4 (三) PLC的工作过程 ................................................................................................................ 5 (四) PLC的工作原理 ................................................................................................................ 5 (五) PLC的编程语言的基本指令系统和编程方法.................................................................... 6 (六) PLC的优势........................................................................................................................ 9 (七) FX2N系列 . ........................................................................................................................ 9

三 机械手系统的工作过程 .............................................12 四 机械手系统的设计思想 .............................................13

(一) 机械手的单个工作流程 .................................................................................................. 13 (二) 机械手的操作方式 . ......................................................................................................... 13

五 机械手系统设计 ..................................................13

(一) 硬件设计......................................................................................................................... 14 (二) 软件设计......................................................................................................................... 15

六 机械手系统结构 ...................................................16

(一) 系统结构构成图 ............................................................................................................. 16 (二) I/O地址分配.................................................................................................................... 16

七 编程软件.........................................................18

(一) 正常运行流程图 ............................................................................................................. 18 (二) 紧急停止流程图 ............................................................................................................. 20

八 机械手系统资源分配 ...............................................20

(一) 数字量输入部分 ............................................................................................................. 20 (二) 数字量输出部分 ............................................................................................................. 21 (三) 定时器部分 . .................................................................................................................... 21 (四) 继电器部分 . .................................................................................................................... 21

九 机械手系统程序 ...................................................22

(一) 初始化 ............................................................................................................................ 22 (二) 直流电机的正/反转控制 ................................................................................................. 22 (三) 步进电机......................................................................................................................... 24

十 机械手系统调试 ...................................................26

(一) 硬件调试......................................................................................................................... 26 (二) 软件调试......................................................................................................................... 26

十一 结束语.........................................................26 十二 致谢词.........................................................27