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基于PLC的机械手控制系统设计.doc
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毕业设计(论文)
题目 基于 PLC 的机械手控制系统设计
第 2 页 共 35 页
目 录
摘要.............................................................4
前言.............................................................5
第一章可编程序逻辑控制器(PLC)和机械手概述...............6
1.1 可编程序逻辑控制器(PLC).....................................6
1.1.1 PLC 的结构..................................................6
1.1.2 PLC 的发展历程..............................................7
1.1.3 PLC 的硬件..................................................8
1.1.4 PLC 的主要特点..............................................9
1.1.5 FX2N 系列 PLC 介绍...........................................9
1.2 机械手 ......................................................11
1.2.1 机械手概述.................................................11
1.2.2 机械手的工作原理...........................................11
1.2.3 机械手的发展趋势...........................................11
第二章 系统设计...............................................12
2.1 系统方案分析设计.............................................12
2.2 硬件设计.....................................................14
2.3 系统程序设计.................................................15
2.4 MCGS 组态软件................................................21
第三章 系统的调试及设计总结.................................32
致谢............................................................33
附录............................................................34
参考文献.......................................................36
第 3 页 共 35 页
基于 PLC 的机械手控制系统设计
摘 要:在本设计中介绍了国内外机械手研究现状及 PLC 的研究发展趋势,描述
了机械手控制系统的工作原理和动作实现过程。研究了基于 PLC 的机械手模型控
制系统的设计,还研究了 MCGS 在机械手控制系统中的应用。利用组态软件 MCGS
设计了机械手模型控制系统监控界面,提供了较为直观、清晰、准确的机械手运
行状态,进而为维修和故障诊断提供了多方面的可能性,充分提高了系统的工作
效率。
关键词:机械手,PLC,MCGS
前言
当今社会,科学技术飞速发展,人类活动给世界带来了巨大的改变。在科技进步
的同时,以各种控制器控制的不同类型的机械手以其突出的性能越来越多的被人
们所应用。机械手在不同的作业场合,尤其是在特殊的环境背景下,为人类活动
的顺利快速进行带来了极大的方便和益处,尤为明显的是在工业及军事领域内。
工业中大量的生产活动,存在着很多不便于人类操纵的环节,特别是在工作环境
较危险的情况下,如果使用具有远程控制功能的机械手,则可以增加系统的安全
性,大大的节约损耗,提高效率。可见,在自动化、工业化进程中,在特殊背景
环境中使用机械手已成为一种必然的趋势。
第一章可编程序逻辑控制器(PLC)和机械手概述
1.1 可编程序逻辑控制器(PLC)
第 4 页 共 35 页
1.1.1 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 2-1 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
可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称 PLC。它是
一种以微机处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信控制技术等
现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置。(本次课题主要应用三菱
FX2N 系列 PLC 进行设计)
1.1.2 PLC 的发展历程
在可编程控制器出现前,在工业电气控制领域中,继电器控制占主导地位,
应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺
点,特别是其接线复杂、不易更改,对生产工艺变化的适应性差。
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
第 5 页 共 35 页
1968 年美国通用汽车公司(G.M)为了适应汽车型号的不断更新,生产工艺
不断变化的需要,实现小批量、多品种生产,希望能有一种新型工业控制器,它
能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线,以降低成本,缩短周期。
于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、
价格便宜等优点结合起来,制成一种通用控制装置,而且这种装置采用面向控制
过程、面向问题的“自然语言”进行编程,使不熟悉计算机的人也能很快掌握使
用。
1969 年美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司的这种要求,研制
成功了世界上第一台可编程控制器,并在通用汽车公司的自动装配线上试用,取
得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能,只是用来取代
传 统 的 继 电 器 控 制 , 通 常 称 为 可 编 程 逻 辑 控 制 器 ( Programmable Logic
Controller )。随着微电子技术和计算机技术的发展,20 世纪 70 年代中期微处
理器技术应用到 PLC 中,使 PLC 不仅具有逻辑控制功能,还增加了算术运算、数
据传送和数据处理等功能。
20 世纪 80 年代以后,随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速
发展,16 位和 32 位微处理器应用于 PLC 中,使 PLC 得到迅速发展。PLC 不仅控
制功能增强,同时可靠性提高,功耗、体积减小,成本降低,编程和故障检测更
加灵活方便,而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能,使 PLC 真正成
为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实
的多功能控制器。
PLC 的发展过程大致可以分为如下几个阶段:
1970—1980 年:PLC 的结构定型阶段。在这一阶段,由于 PLC 刚诞生,各种
类型的顺序控制器不断出现(如逻辑电路型、1 位机型、通用计算机型、单板机
型等),但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有 PLC 结构形成,取得了市
场的认可,得以迅速发展.推广。PLC 的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成
熟,PLC 的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。
1980—1990 年:PLC 的普及阶段。在这一阶段,PLC 的生产规模日益扩大,
价格不断下降,PLC 被迅速普及。各 PLC 生产厂家产品的价格.品种开始系列化,
并且形成了固定 I/O 点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今
的基本结构模型。PLC 的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公
司本阶段的主要产品有 F.F1.F2 小型 PLC 系列产品,K/A 系列中、大型 PLC 产品
等。
1990—2000 年,PLC 的高性能与小型化阶段。在这一阶段,随着微电子技术
的进步,PLC 的功能日益增强,PLC 的 CPU 运算速度大幅度上升、位数不断增加,
使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发,PLC 的应用范围由单一的顺序
控制向现场控制拓展。此外,PLC 的体积大幅度缩小,出现了各类微型化 PLC。
三菱公司本阶段的主要产品有 FX 小型 PLC 系列产品,AIS/A2US/Q2A 系列中,大
型 PLC 系列产品等。
2000 年至今:PLC 的高性能与网络化阶段。在本阶段,为了适应信息技术的
发展与工厂自动化的需要,PLC 的各种功能不断进步。一方面,PLC 在继续提高 CPU
运算速度,位数的同时,开发了适用于过程控制,运动控制的特殊功能与模块,
使 PLC 的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时,PLC 的网络与通
信功能得到迅速发展,PLC 不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备,还可以
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