基于PLC的机械手控制系统设计
图1-1 机械手结构图
2.机械手工作流程
机械手工作流程是:运行机械手后，首先判断当前机械手是否在初始位置，如若不在，通过电机的驱动使机械手回到原来位置；然后开始由电机驱动，使机械手完成前伸动作，到达位置后，电机驱动手爪旋转，通过检测元件检测限位磁头所在的位置，使电动机停止工作；由PLC控制手爪的张开，经过一段延时后，电机驱动机械手向下运动，下降到一定位置后，PLC又控制手爪的闭合；再经过一段延时后，电机又驱动机械手向上运动，同时驱动机械手的手臂、底盘运动；当机械手到达规定位置后，又驱动机械手完成前伸动作，前伸到一定位置后旋转并向下运动，到达规定位置后，手爪张开；再经过一段延时使机械手回到初始位置，接着进行下一周期运动[8]。
3.控制要求
能够按控制要求实现手爪抓取物件后，手臂能够完成上下左右的运动，手腕能够在电机的驱动下按控制做出旋转，机械手能够完成整个工序周期内所有的操作动作。
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基于PLC的机械手控制系统设计 2 PLC的介绍与选择
2.1 PLC的特点
PLC控制器由继电器控制技术、计算机技术等发展而来的，如今已经使用的非常广泛，在各个领域都有应用[9]。它的核心部件是微型处理器，通过编辑程序实现对机器的控制、计数等功能，还可以改变输入/输出方式来控制各环节的机械制造过程。
PLC的特点主要包括:
(1) 较高的可靠性：在PLC中每个I/O接口都是相对独立的，各个模块之间都有相应的抗干扰屏蔽措施，PLC所使用的部件都是通过严格的筛选，且具有较好的自我诊断能力，一旦运行发生异常，CPU就会立即采取相关控制措施，防止故障的进一步扩大；在一些要求比较高的场合还采用了多CPU结构，使设备的稳定性更加可靠。
(2) I/O接口丰富：PLC的接口针对在不同的使用场合，有不同的接口模块用来对设备进行通信和控制
(3) 模块化的结构：PLC的各个功能都是通过不同的模块实现的，每个模块之间相互独立，可以人为的根据对设备的需求自由的组合。
(4) 编程语言简单：PLC使用的编程相对简单，通常采用梯形图的形式，并不需要其他学科的专业知识，能够很快的被操作人员所熟悉掌握。
(5) 安装、维修简易：PLC能在各种环境下工作，不需要建立独立的机房。将各设备的接口与相对应的PLC接口连接，就可以直接投入生产运行。PLC每个模块都有正常工作和故障报警指示的装置，对用户了解生产状况有着极大的帮助。
总而言之，PLC类似于一台计算机，它能够适应各种恶劣的环境，且功能丰富；在工业的生产中得到了较多的应用。
2.2 PLC的选型
在选择PLC的型号时，我们除了要考虑PLC的I/O接口点数、指令条数等PLC性能外，还需要考虑它的经济性和实用性以及工作环境的影响[10]。
1.常用PLC类型
PLC技术经过这些年的发展，技术已经相当成熟。不同厂家生产的PLC在侧重功能上也不尽相同；因此，我们在选择PLC要根据设计所需的功能，合理地
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基于PLC的机械手控制系统设计 选择PLC型号。
西门子公司生产的PLC，在我国的各个行业应用已经相当广泛。他们生产PLC不仅活跃在工业自动化控制方面，就连基础设施建设方面也与涉及。
OMRON S7-200系列的PLC在内置功能和通讯方面有着突出的特点，而且使用的编程软件Micro/win也简单易学。
欧姆龙的PLC设计趋于小型化。SYSMAC CPM1A只有一张PC卡那么大，在大幅度缩减安装体积的同时，也节省了PLC控制台的空间。它还具有一些小型PLC不具备的功能，它能够连接程序的终端，塑造出全新的工业生产环境。
三菱公司生产的FX系列PLC在国内国外都独具特色，是当前的最新PLC的代表。这种PLC具备以往PLC所有的指令，还能够使用梯形图编辑程序和对一些需要有步骤的机械流程进行顺序功能设计，并且这些程序之间都是可以相互变换的。三菱PLC中还采用高速计数器，能够对继电器产生中断处理，拓宽了PLC的使用范围。
2. 确定使用型号FX1N-60MR
在选择使用PLC控制系统与其他控制系统时，应该尽量的提高所选器材的性价比，并且在维修和使用方面都要相对简单；所选择的PLC要保证能够实现相应的控制要求；不宜选用较落后的PLC机型，尽量选用功能完善的PLC新机型。同时还要为长远考虑，对以后工艺的拓宽留有余量；所选用的系统要能够平稳可靠运行[11]。本设计选用三菱的FX1N为核心部件。FX系列的PLC是原来的F系列的替代品，是近些年三菱公司推出的新型PLC，它的体积相对较小，性价比较高在各领域得到了广泛应用。 3. FX1N的优越性
FX1N的CPU处理速度相对较高，完成一个指令只需要0.065us。设备内的RAM存储器达到了64k。拥有两百多条指令，更加完善了指令功能[12]。 内置元件中还增加了新的指令：定位指令。能够实现对表格、中断单速等的定位。还内置了6个100KHZ的计数器，能够进行多相多频计数。
在通信方面上，有高达115.2kbps的通信口，而且能同时使用多个通信口。还增加了新的I/O适配器，这些新的适配器并不占用原来的系统I/O点数，使用也相对方便，可以连接多台适配器，实现多路高频高速计数的功能。
2.3 三菱FX系列的结构功能
PLC实质是应用在工业上的一台微型计算机，且结构也计算机类似。CPU、
I/O接口、存储器是PLC的主要组成部分。因为它的程序接口与微机的程序接口有差异，使得它的编程语言以及操作方式也与微机有所差异。PLC的定时、计数、
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基于PLC的机械手控制系统设计 数模转换等功能都是通过微处理器采用编程的形式进行联系实现的。
几乎所有的PLC硬件组成结构都相同，图2-1为PLC结构示意图；在PLC中数据的传送和指令的传送都是通过总线的结构而进行的，编程器则为用户提供编辑控制程序而被作为PLC的外设[13]。
手持编程器或计算机计
电磁阀
YA
接触器触点 KM
中央处理器
输
系统存储器
出 接 口
位置开关SQ
输 入 接 口
KM
SB
外电源
电源
用户存储器
图2-1 PLC结构示意图
PLC的运行过程大致可描述为：首先，外部输入信号经PLC输入端进入PLC内部的存储器，存储器对这些信号的数据和状态进行收集和锁存；再由CPU[14]按生产的实际要求对这些信号进行处理和运算；最后，将处理结果传送到输出端使执行结构产生动作，完成对现场设备的控制。
2.4 PLC的保护
由于电感类元件，在电路的通断时会产生较高的电压，对PLC的I/O结口将造成损坏，所以需要在元件的两端采取相应的保护措施。当使用的是直流电源时，应该通过采取接入续流二极管的方式对电路进行保护；而当使用的是交流电源时，则需要通过接入阻容电路的方式对电路进行保护。图2-2为PLC的I/O端口保护电路示意图。
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