基于可编程控制器的机械手设计.doc

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1、 目 录摘要1关键词1Abstract1Keywords11 引言21.1 课题提出与研究意义21.2 工业机械手发展现状21.3 本设计的主要工作22 可编程控制器概述32.1 PLC的应用与发展32.1.1 PLC的工作原理和应用领域32.1.2 PLC的的发展趋势32.2 PLC的工作原理及功能特点42.2.1 PLC的基本结构42.2.2 PLC工作原理42.3 施耐德Twido系列PLC介绍52.3.1 Twido PLC的功能概述52.3.2 Twido PLC的工作模式62.4 TwidoSoft编程环境72.4.1 安装TwidoSoft软件72.4.2 编程界面和硬件配置82

2、.4.3 PLC与PC的通信83 机械手实物模型设计93.1 系统概述93.1.1 技术性能103.1.2 设计原理103.2 控制要求133.3 接线设置133.4 程序设计144 控制系统组态174.1组态王简介174.2控制系统组态程序184.2.1 组态界面184.2.2 数据词典214.2.3 程序命令语言22总结与展望22致谢22参考文献23附录A：PLC程序24附录B：组态程序27基 于 可 编 程 控 制 器 的 机 械 手 设 计 摘要：机械手是在自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，广泛应用于工业生产和其他领域。可编程控制器（PLC）已在工业生产过程中得到广泛的应用。组态

3、软件的应用，极大地辅助了PLC的应用范围的推广。应用可编程控制器控制机械手能实现各种规定的工序动作，对生产过程有着十分重要的意义。论文以施耐德TWDLCAADRF40型PLC为基础，介绍PLC在机械手搬运控制中的应用，设计了一套可行的机械手控制系统，并给出了详细的PLC程序、组态王组态设计过程。设计完成的机械手可以在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样。关键词：可编程控制器；机械手；控制；组态王Manipulator System Design Based On PLC Abstract:The manipulator is a new device developed in the auto

4、matic production process. It is widely used in industrial producing and other fields. Programmable Logic Controller (PLC), has been widely used in industrial producing as well. With the application of Configuration Software,its application range is greatly enlarged. Manipulator with PLC control can

5、complete various specified procedural actions,which has very vital significance to the production process. Based on the PLC of Schneider TWDLCAADRF40 type,this paper introduces PLC application in manipulator transportation control system, and design a available manipulator control system,with provid

6、eing PLC programming process and configuration process in detail. The manipulator designed by this paper,can grap,put and carry object,etc.in the space.Keywords:PLC;Manipulator;Control;KingView1 引言1.1 课题提出与研究意义随着工业生产自动化规模的扩大，生产过程日趋复杂。生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。在自动化生产领域中，

7、工业机械手是近几十年发展起来的。工业机械手的是从工业机器人中分支出来的。其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。机械手作业具有准确性和各种环境中完成作业的能力。借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。同时，借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。1.2 工业机械手发展现状机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的

8、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工作。机械手由执行机构、驱动-传动机构、控制系统、智能系统、远程诊断监控系统五部分组成。驱动-传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分：机械式、电气式、液压式和复合式，其中液压操作力最大。简易机械手在各类全自动化和半自动化生产线上应用的十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，代替人工作业，实现生产自动化。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，各动作由PLC控制相关电机和启动执行元件完成。能十分方便的嵌入到各类生产工业生产线中。日益复杂的工业过程促进了机械手在工业生产中的应用。对相应的控制精度、控制稳定

9、性也提出了更高的要求。其现状是在性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修）的同时，单机价格不断下降。机械结构向模块化、可重构化发展。器件集成度、系统的可靠性、易操作性和可维护性提高。伴随科学技术的不断进步，机器人与工业自动化技术的迅猛发展 ,尤其是移动机械手(Mobile Manipulator)系统的不断进步，为危险品的安全处理提供了新的思路。1.3 本设计的主要工作针对工业现场的控制要求，本文将详细介绍以可编程控制器为处理单元的机械手过程控制系统设计与实现。首先，在本文的第二部分阐述可编程控制器的概况，施耐德PLC及其编程环境- TwidoSoft，PC与PLC的通信。其次，

10、在本文的第三部分阐述机械手系统的基本组成与控制原理。包括PLC输入输出点的分配，机械手步进电机的驱动，以及相关的位置检测电路，以及确立系统的软件的整体框架，进行相关的软件设计。最后对系统设计进行总结。最后，针对本设计，完成相关的组态工作，直观的显示系统的动态运动过程，所用平台为亚控公司的组态王6.5.1版。本文对设计的每一部分都给出了较详细的的设计步骤，并对系统搭建的结果进行了实物验证，取得了很好的效果。2 可编程控制器概述2.1 PLC的应用与发展可编程控制器（Programmable Logic Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器主

11、要用来代替继电器实现逻辑控制，称可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，不仅具有逻辑控制功能，而且还能实现数据运算、数据传输和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设备，因此，今天这种装置称作可编程序控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称PC混淆，所以仍将可编程序控制器简称PLC。1987年，国际电工委员会（IEC）颁布了新的PLC标准及其标准定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境而设计。它采用可编程序

12、的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字模式或模拟模式的输入、输出，控制各种类型的机械或生产过程。而有关外围设备，都应按照易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。PLC就是使用一系列指令构成的程序来操作、控制相关工业控制机械，使其形成一个完整的工业控制系统，以完成各种各样的控制功能。12.1.1 PLC的工作原理和应用领域随着微电子技术、计算机技术和数字通信技术的高速发展，PLC产品高度融合了计算机产业最先进的技术与工业自动控制的经典理论，在其功能及性能指标上得以丰富和完善，从而突破了传统PLC的概念，在中、小型控制领域内极大

13、地扩展了其应用范围。在特定的范围内，高性能价格比已成为新型PLC的最突出的特点。PLC以其高可靠性、适应性强和使用方便等突出特点在自动化控制领域应用广泛。另外PLC的制造成本不断降低，而其功能却不断增强。目前在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业，诸如钢铁、冶金、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保、交通、建筑等各行各业。特别是在轻工业行业中，生产门类多、加工方式多变、产品更新换代快，PLC广泛应用在组合机床自动化生产线、专用机床、塑料机械、包装机械、电梯等电气设备中。PLC已跃居现代工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CA

14、M）的主导地位。PLC广泛的应用在以下领域1）逻辑控制领域2）运动控制领域3）过程控制领域4）数据处理领域5）多级控制领域2.1.2 PLC的的发展趋势目前，PLC技术发展的总体趋势是系列化、通用化和高性能化，主要表现在以下方面：1）在系统构成规模上向大小两个方向发展发展小型（超小型）化、专业化、模块化、低成本、高性能PLC，以真正代替最小的继电器控制系统；发展大容量、高速度（超高速）、多功能、高性价比的PLC，已满足现代企业中那些大规模、复杂系统自动化的需要。2）功能不断增强，各种应用模块不断推出大力加强过程控制和数据处理功能，提高组网和通信能力，开发多种高性能模块，以使各种模块的自动控制系

15、统更加强大、更加可靠、组成和维护更加灵活方便，使PLC的应用更加广泛。3）产品更加规范化、标准化PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP（制造自动化协议）靠拢，并使PLC基本部件，如输入输出模块、联网通信模块、接线端子、通信协议、编程语言和工具方面的技术规格规范化、标准化，使不同的产品间能够相互的兼容、易于组网，以方便用户，扩大产品的应用领域。2.2 PLC的工作原理及功能特点为了介绍PLC的工作原理我们首先在本节介绍PLC的基本结构，然后介绍PLC的工作原理，最后简单介绍一下PLC的主要功能和特点。2.2.1 PLC的基本结构可编程控制器的基本结构框图如图

16、2.1示。可编程序控制器主要有CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置和电源组成。 图2.1 PLC的基本结构2.2.2 PLC工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分成三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图2.2所示。图2.2 PLC的扫描周期1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相

17、应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按照先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

18、在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经过输出电路驱动相应的外设。这时才是PLC的真正输出。为了提高工作的可靠性，及时接受外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成通讯处理要求。每次扫描开始，先执行依次自诊断程序，对各输入输出点，存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分是否工作正常，若不一致则认为有故障。此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态并关断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果没有则进行相应的处理，比如，接受编程器发

19、来的命令，把要显示的状态数据，出错信息送给编程器显示等。处理完通信后，PLC继续扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。PLC就是这样不停反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到用户停机命令，或因停电、出现故障等原因才停止工作。3）PLC的主要功能和特点PLC的主要功能有：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、PID控制、数据控制（PLC具有数据处理能力）、远程I/O功能、通信和联网；另外，有些PLC还有很多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，诸如定位控制模块，CRT模块等。可编程控制器（PLC）的主要特点如下：

20、1） 高可靠性2） 丰富的I/O接口模块3） 采用模块化结构4） 编程简单易学5） 安装简单，维修方便2.3 施耐德Twido系列PLC介绍本设计中使用的可编程序控制器为施耐德公司的TWDLCAADRF40型PLC，隶属于Twido系列。Twido PLC是紧凑型可编程序控制器，可应用于各种设备的自动化控制系统中。Twido系列小型PLC具有灵活的配置、紧凑的结构、强大的功能、丰富的通信方式、完善的编程软件、CPU的FIRMWARE可不断升级等特点，因此性价比较高。2.3.1 Twido PLC的功能概述Twido是小型PLC，由本体和扩展模块组成，能够满足各种设备的自动化控制需要。应用领域极

21、为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制相关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备、汽车、机器人等等。如冲压机床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动系统等等。Twido PLC除了具有PLC的基本控制功能以外，还有以下特点：1） 灵活的配置多种CPU模块、数字量、模拟量扩展模块、通信模块以及多种可选件，使得控制系统的硬件架构更适合用户的应用要求。2） 紧凑的结构体积小巧，多种接线方式，易于安装。如附带40点I/O的CPU模块的正面面积只有名片大小。3）强大的功能除具有PLC基本的控制和运算功能之外，还有双字、浮点数、三角函数、PID等的运算指令。单机的控制点数高达

22、264点，用户程序容量达64KB。4） 丰富的通讯方式Twido PLC支持多种通讯方式，如Twido PLC之间的Remote I/O和对等PLC的通信方式、与其他智能设备的自由ASCII通信方式、Modbus的主站和从站通信方式、通过以太网的通信方式，甚至有一些PLC已内置以太网接口。众多的通信功能使Twido PLC与其他电气设备的配合更加完美。5） 完善的编程软件全中文的Windows编程界面和在线帮助文档使用户编程更加方便、更高效、支持多种编程接口，如串口、USB口、以太网口，甚至是远程有线、无线接口方式。6） CPU的FIRMWARE可不断升级在不改变任何硬件的情况下，只需要更新C

23、PU的FIRMWARE，就能使CPU的功能不断地升级，满足用户新的需求。（就像升级计算机的BIOS一样）22.3.2 Twido PLC的工作模式Twido PLC具有两种工作模式，分别是：运行（RUN）模式和停止（STOP）模式。在运行模式下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；在停止模式下，Twido PLC不执行用户程序，此时可设置CPU的硬件功能，并将用户程序、数据以及硬件设置信息下载到PLC的CPU中。可以通过TwidoSoft编程软件控制Twido PLC的运行与停止。PLC前面板的LED显示当前的工作模式。Twido PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。初

24、始化后，Twido PLC按照循环扫描的方式，完成包括执行用户程序在内的各项不同的任务，周而复始地分阶段执行一系列任务。任务执行一次成为一个扫描周期，在一个扫描周期内，CPU工作流程如图2.3。1） 读输入2） 执行用户程序3） 处理通讯任务4） 执行自诊断5） 写输出6） 中断程序的处理图2.3 Twido PLC的扫描过程示意图2.4 TwidoSoft编程环境2.4.1 安装TwidoSoft软件本文中所有的内容是基于TwidoSoft3.5版本。安装界面如图2.4。图2.4 程序安装TwidoSoft是一个用于Twido可编程控制器的配置、编写和维护应用程序的图形化开发环境。Twido

25、Soft是一款32位的基于Windows的程序，是标准的Windows界面，有应用程序浏览器和多窗口浏览。支持编程、调试和配置，可与控制器进行多种方式的通信，如串行口、USB、以太网、MODEM拨号等。2.4.2 编程界面和硬件配置TwidoSoft运行，新建立程序后，用户需要根据自己的需要进行CPU型号的更改，操作方式为：右键单击原来的CPU，选中“更改控制器类型”，选择所需的CPU类型，点击“更改”，完成相关操作，本文所用CPU为TWDLCAA40DRF，如图2.5。图2.5 控制器类型2.4.3 PLC与PC的通信TwidoSoft软件与Twido PLC连接时可采用多种通讯方式，如串行

26、口、USB、以太网、MODEM+电话线，因此在TwidoSoft与Twido PLC连接前，用户需根据实际使用的硬件连接方式，在TwidoSoft的连接管理菜单中做相应的设定。在“文件”菜单中，点击“首选项”，显示“首选设置”，可对通讯方式做相关设定，本文采用USB方式，如图2.6。图2.6通讯方式设定3 机械手实物模型设计本设计的系统全貌如图3.1。图3.1 系统全貌图3.1 系统概述机械手实物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、步进电机驱动器、传感器、开关电源、电磁阀等电子器件组成；该模型是涵盖了PLC技术，位置控制技术、气动技术有机结合成一体的

27、控制仪器。本设计中采用的机械手，可在三维空间内运动。水平（X）轴、垂直（Y）轴采用步进电机控制，底盘的旋转采用直流电机控制，抓取物体的电磁阀采用气动形式。步进电机的控制，由对应的步进电机驱动器电路完成。完成本设计需要的实验设备有：1）机械手模型2）计算机3）导线4）气泵5）晶体管输出型可编程控制器(带编程电缆) 机械手的控制面板分以下几个模块（1）步进电机驱动及步进电机驱动器电流设定为0.63A，细分设定为8细分。将24V电源接入驱动器，此时驱动器的电源指示灯应点亮。将24V与OPTO端（驱动器使能端）连接起来。PUL端是脉冲输入端。DIR是方向控制输入端。（2）直流电机本模型用的气夹电机和底

28、座电机均是24V直流电机，PLC控制两个直流继电器的吸合来控制电机的正转和反转。（3）旋转编码盘在本模型底座上有一个旋转编码盘，在底座旋转时，在此产生一个VP-P为24V的方波信号，可以提供给PLC的高速计数器，用于机械手的定位控制。（4）接近开关在本模型中底座和气夹的限位通过4个电感式接近开关来完成。接近开关与触头接近时接近指示灯点亮、输出低电平，否则为高电平。（5）行程开关在本模型中两个滚珠丝杆的限位通过4个滚轴式行程开关来完成。当行程开关压下时，常开触点闭合，给PLC一个控制信号。（6）电磁阀与平行气夹本模型使用的电磁阀动作时平行气夹夹紧，动作则张开。3.1.1 技术性能1）输入电源：单

29、相三线220V10% 50Hz 2）工作环境：温度-10+40 相对湿度85%(25) 海拔4000m3）绝缘电阻：大于3M4）外形尺寸：8050120cm33.1.2 设计原理1步进电机用二相八拍混合式步进电机，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，其电气图如图3.2所示： 3.2步进电机电气图2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。驱动器参数如下列图表所示：（1）电气规格说明最小值典型值最大值单位供电电压182440V均值输出电流0.2111.50A逻辑输入电流61530mA步进脉冲响应频率100kHz脉冲

30、低电平时间51s（2）电流设定电流值SW1SW2SW30.21AOFFONON0.42AONOFFON0.63AOFFOFFON0.84AONONOFF1.05A0FFONOFF1.26AONOFFOFF1.50AOFFOFFOFF（3）细分设定细分倍数步数/圈（1.8整步）SW4SW5SW61200ONONON2400OFFONON4800ONOFFON81600OFFOFFON163200ONONOFF326400OFFONOFF6412800OFFONOFF由外部确定动态改细分/禁止工作OFFOFFOFF（4）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

31、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+24VA+电机A相A-电机A相B+电机B相B-电机B相（5）PLC控制器与步进电机驱动器连接的工作原理如图所示：驱动器电源由面板上电源模块提供，注意正负极性，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻（见图3.3中1.5K电阻）。驱动器输入端为低电平有效，在使用不同厂家的PLC产品配套此模型使用时，要选择相应的输出方式，或者加入合适的电平转换板进行电平转换。图3.3控制驱动电路3传感器：(1)接近开关：接近开关有三根连接线（棕、兰

32、、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效。电气示意图如图3.4。图3.4传感器电气示意图(2)行程开关：当档块碰到开关时，常开点闭合。4本装置需采用晶体管输出型可编程控制器，可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进电机运行。5旋转码盘：本装置中机械手每旋转3编码盘发出一个脉冲。6直流电机驱动单元：本装置中直流电机驱动模块是有两个继电器的吸合与断开来控制电机的转动方向的。3.2 控制要求本设计中，机械手模型的执行顺序为

33、：1.开机复位 2.横轴前升 3.手旋转到位 4.电磁阀动作，手张开 5.竖轴下降 6.电磁阀动作，手夹紧 7.竖轴上升 8.横轴缩回 9.底盘旋转到位 10.横轴前伸 11.手旋转 12.竖轴下降 13.电磁阀动作，手张开 14.竖轴上升 15.复位气夹在电磁阀未通电动作时为夹紧状态，通电后变为张开状态。在上述步骤中，4-5和13-15之间为电磁阀通电状态。3.3 接线设置1主机输入输出配置表类型端子功能主机输入气夹正转限位I0.0气夹反转限位I0.1基座正转限位I0.2基座反转限位I0.3基座旋转脉冲I0.4X轴前限位 VI+I0.5X轴后限位 VI+I0.6Y轴上限位 VI+I0.7Y轴

34、下限位 VI+I0.8输出驱动器一PULQ0.0驱动器二PULQ0.1驱动器一DIRQ0.2驱动器二DIRQ0.3气夹电机正转MLQ0.4气夹电机反转MRQ0.5基座电机正转MLQ0.6基座电机反转MRQ0.7气夹电磁阀 YV-Q0.8注:主机输入公共端COM0接电源+24V,主机继电器输出公共端COM2、COM3、COM4、COM5接电源“GND”端,主机晶体管端“V0+”、“V1+”接电源+24V, “V0-”、“V1-”接电源“GND”端.2.面板接线 1）两个步进电机驱动器的电源由24V电源提供，将步进电机的OPTO端与本驱动器的+24V相连。2）两个直流电机的电源由24V电源提供，M

35、C为公共端，接24V端。ML和MR为正转和反转端，按PLC或电平转换板的输出端。3）限位信号模块电源由24V电源提供，本模块的VI-接模块电源的地。4）电磁阀的YV+端接电源输出的24V端。5）主机接线方法参照输入输出分配表，用下载线将计算机的USB口与PLC主机的通讯口相连，打开PLC电源。运行编程软件，打开实验程序，设置好通信参数后下载程序到PLC中。3.4 程序设计本节摘选控制程序的核心部分，针对各个步骤，进行相关的分析。程序中对应的内部寄存器（%M）的内容，最后输出到输出缓冲映像区（%Q），内部寄存器起到辅助控制输出的作用。1） 系统复位上电初始化：X轴右行、Y轴上行、气夹正转、底座正

36、转，到达系统原点。程序图如图3.5。图3.5 上电初始化说明：在相应的限位开关没有导通时，设置相应的输出，完成初始化任务。2）抓取物体机械手X轴右行、Y轴下行、气夹转到要求位置并打开，完成抓取动作，程序如图3.6。图3.6 抓取过程3）移动物体抓取到物体后，机械手移动到要求的位置。本阶段，X轴左行、Y轴上行、气夹正转、底座反转，程序如图3.7。图3.7 移动过程4）放下物体在把物体移动到要求位置后，放下物体，完成动作。本阶段X轴右行、Y轴下行，达到底部后，气夹打开，放下物体，程序如图3.8。图3.8 下放过程5）%M区与%Q区的对应内部寄存器区与输出映像寄存器的最终具体对应关系如图3.9-3.

37、15。图3.9 Q0.2的控制逻辑图3.10 Q0.3的控制逻辑图3.11 Q0.4的控制逻辑图3.12 Q0.5的控制逻辑图3.13 Q0.6的控制逻辑图3.14 Q0.7的控制逻辑图3.15 Q0.8的控制逻辑6）步进电机控制步进电机的脉冲由PLC的两个晶体管输出口%Q0.0与%Q0.1发出，输出 %Q0.0 和 %Q0.1 专用于 %PLS 或 %PWM 功能块。配置 %PLS0/%PWM0 需要专用输出 %Q0.0。如果已使用 %Q0.0，则不能配置 %PLS0/%PWM0。反之，如果已配置 %PLS0/%PWM0，则不能在其他地方使用 %Q0.0。对于需要专用输出 %Q0.1 的 %

38、PLS1/%PWM1 同样如此。每个计数器使用的输出将显示在 %PLS/%PWM 对话框的专用输出框中。%PLS/%PWM 脉冲发生器充当方波生成器，并具有以下特性：1）%PLS：50% 占空比（开通时间等于断开时间）。2）%PWM：占空比可能因程序的不同而异。本例中高速脉冲电路的发生程序如图3.16。选择0.142ms的时基，发出高速脉冲，在%Q0.0和%Q0.1输出高速脉冲，驱动步进电机运动。图3.16 步进电机脉冲发生发生程序4 控制系统组态工业控制组态软件在工业界有着相当广泛的应用，此类软件允许用户在图形界面下对控制系统的各种采样点、过程输出点、设备、生产车间、控制回路、文件报警、生产

39、报表、控制策略、网络设备和生产工业画面进行定义和组态。4.1组态王简介组态王软件是一种通用的工业控制软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型监控管理系统的开发。组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。工程管理器：工程管理器用于新

40、工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画连接、命令语言以及设定运行系统配置等系统组态工具。运行系统：工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。4.2控制系统组态程序4.2.1 组态界面本设计组态界面分为四部分：登录界面、全貌图、PLC一览、作者信息等。n 登录界面在组态王工程浏览器中，定义一个新的用户，使具有管理员权限，优先级设在900以上，例如本例中默认的999，是具有高用户权限

41、，如图4.1。图4.1 管理员用户定义定义完用户后，制作登录画面，如图4.2。图4.2 登录界面的制作在界面中“登录系统”文字上设置“弹起时”命令语言连接，输入登录函数“LogOn();”；在“ENTER”文字上设置其优先级为“900”，即只有用户权限大于900时，才允许用户点击“ENTER”，进入系统。“ENTER”对应的“弹起时”命令语言为“ShowPicture(全貌图);”。并将此画面定义为系统启动画面，如此设置后，优先级大于900的用户可以选择进入系统，查看系统运行状态。n 全貌图系统全貌图显示系统的基本运行状态。全貌图中共分为以下几个主要部分：（1）系统启动：点击系统界面下方中央的

42、开启按钮，系统启动，开始工作。再次点击，系统将停止运行。开启按钮的功能为模仿PLC上电与停电的工作状态。重新上电后，系统将重新自复位状态开始运行。（2）系统状态：显示系统当前的状态。状态共分为：系统复位、抓取物体、移动物体、放下物体。用来指示当前机械手控制系统的状态。（3）气夹状态：显示气夹当前状态，分为开启、关闭两种。（4）底座指示：显示底座的转动。由左右限位开关的摆放位置，限制底座的转动范围。（5）机械手运动轨迹：显示X、Y两轴具体的移动。点击图中“显示PLC”按钮，将显示“PLC一览”图，可观察输入输出点状态。系统全貌图如图4.3。图4.3 系统全貌图图4.4 PLC一览图n PLC一览

43、PLC一览页面显示PLC直观显示输入输出点的状态。当对应点为“0”时，相应的指示灯为黄色；当对应点为“1”时，对应指示灯为绿色。画面右侧为PLC输入输出对应表。点击“监控中心”，则回到“全貌图”，观察系统运行状态，PLC一览图如图4.4。n 作者信息页面作者信息如图4.5。图4.5 作者信息4.2.2 数据词典组态王将组态程序中所设计的数据变量以数据词典的形式加以保存。本设计中所使用的全部变量如图4.5。图4.5 数据词典注：由于组态王中没有施耐德PLC对应的驱动程序，故无法实现实际的系统连接。在真实的硬件组态中，以上部分变量应为I/O变量，而非内存变量。4.2.3 程序命令语言为了显示实际的

44、动态效果，组态的命令语言部分中，编辑应用程序命令语言，编辑界面如图4.6。图4.6 程序编辑界面总结与展望本文重点介绍了施耐德Twido系列可编程控制器的功能特点、工作原理、编程环境TwidoSoft的使用，以及与PLC的通讯等。概述了机械手平台的组成结构与工作原理，介绍了系统软件设计的过程，搭建了系统构架。设计了基于可编程控制器的机械手控制系统，具体研究了机械手控制系统中所涉及的关键技术，成功编写了基于Twido PLC的控制程序，进行了相关的组态工作，实现了机械手运动控制的直观化。程序下载后，如期运行。实践证明控制系统设计可行性高，系统运行可靠，适用工业现场应用。本文涉及的基于可编程控制器

45、的机械手控制系统，已在工业过程中普遍适用，相信随着技术的日臻完善，成本的逐渐降低，其适用范围必然会更加广泛。致谢本论文是在李坤老师的精心指导下完成的，从课题的立项、开题及课题的开发研究到论文的审稿、定稿，每一步都凝集着李老师的心血。而且，在整个课题的创作过程中，李老师给予了我极大的支持，不仅向我提供了理论知识上的支持，而且更重要的是向我提供了实验系统上的支持，使我不仅能在理论上有所收获，而且，能结合具体的实验系统进行实践上的提升，这一切都将使我受益匪浅。我还要特别感谢许其义老师，在整个过程中，遇到了许多软件及硬件上的问题，很多问题都难以从课本中所学知识进行解决，正是许老师给我的悉心指导才使我能一步步克服困难，树立信心，实现课题的最终完稿。同时，在设计过程中，参考了部分浙江天煌教仪的部分资料，在此表示感谢。最后，衷心感谢大学四年里所有给予我教诲以及帮助过我的老师及同学们，谢谢！参考文献1许其义.基于可编程控制器网络的智能控制系统与开发D.山东，曲阜师范大学，2007：1-182储云峰.施耐德电气可编程序控制器原理及应用M.北京，机械工业出版社，2007：58-903北京亚控科技发展公司技术部.6.5初级培训教程M北京，亚控公司，2007：14郑笑红.工业机器人技术及应用M.北京，煤炭工