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1、项目六项目六 机械手自动控制机械手自动控制 学习目标1 1知识目标知识目标（1）掌握三菱FX系列PLC步进指令的用法；（2）掌握状态转移图的编程方法、及其转换梯形图的编程规则；（3）掌握机械手自动控制的工作原理。（4）了解PLC控制程序结构化程序设计方法。（5）熟悉PLC顺序控制系统的程序设计方法。（6）掌握PLC控制系统设计的方法和步骤。2.能力目标能力目标（1）掌握控制系统常用的工作方式及控制面板的设计；（2）掌握用PLC对简易机械手控制的设计方法；（3）掌握工程中PLC的选型及硬件配置。6.1 任务分析 本项目工业自动化当中用于机械代替人手工作自动控制。工业生产和其他领域内，由于工作的需
2、要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。机械手就在这种情况下诞生了，机械手图6-1 机械手工作示意图 是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。图6-1 机械手工作示意图6.2状态转移图及步进顺控指令状态转移图及步进顺控指令6.2.1 状态转移图状态转移图 状态转移图，是状态转移图，是FX系列系列PLC专门用于编制顺序控制程序的一种编程方式。那么，专门用于编制顺序控制程序的一种编程方式。那么，如何将流程图转化为状态转移图呢？其实很简单，只要进行如下的变换：一是将流程图如何将流程图转化为状态转移图呢？其实很简单，只要进行如下的变
3、换：一是将流程图中的每一个工序（或阶段）用中的每一个工序（或阶段）用PLC的一个状态继电器来替代；二是将流程图中的每个阶的一个状态继电器来替代；二是将流程图中的每个阶段要完成的工作（或动作）用段要完成的工作（或动作）用PLC的线圈指令或功能指令来替代；三是将流程图中各个的线圈指令或功能指令来替代；三是将流程图中各个阶段之间的转移条件用阶段之间的转移条件用PLC的触点或电路块来替代；四是流程图中的箭头方向就是的触点或电路块来替代；四是流程图中的箭头方向就是PLC状态转移图中的转移方向。状态转移图中的转移方向。图6-2 状态转移图X1X 2S21S20Y1Y3SETY26.2.2 步进顺控指令步进
4、顺控指令6.2.2.2STL指令指令6.2.2.3 RET指令指令 RET指令用于返回主母线，其梯形图符号为。该指令使步进顺指令用于返回主母线，其梯形图符号为。该指令使步进顺控程序执行完毕时，非状态程序的操作在主母线上完成。为防止出控程序执行完毕时，非状态程序的操作在主母线上完成。为防止出现逻辑错误，状态转移程序的结尾必须使用现逻辑错误，状态转移程序的结尾必须使用RET步进返回指令。其步进返回指令。其指令使用说明见图指令使用说明见图6-4所示所示图6-4 RET指令使用说明6.2.3状态图中的基本元素状态图中的基本元素 状态图是一种描述顺序控制系统过程、状态图是一种描述顺序控制系统过程、功能和
5、特性的图形表示方法。主要由步功能和特性的图形表示方法。主要由步（驱动负载）、转移条件，有向线（指定（驱动负载）、转移条件，有向线（指定转移方向）转移方向）3个要素组成。个要素组成。6.2.3.1 步步n为序号图6-5步的符号n10如NN为序号图6-6起始步图6-7动步符号N图6-8与步对应动作的表示方法N动作图6-9 一步对应多个动作的表示方法N动作A动作BN动作A 动作B6.2.3.2 有向线和转移条件有向线和转移条件a+bc . d图6-101、有向线在控制系统中动步是变化的，会向前转移，转移的方向是按有向线规定的路线进行，一般是从上到下、由左至右；如不是上述方向，应在有向线上用箭头标明转
6、移方向。必要时为了便于理解也可加箭头。a+bc . d图6-102、转移条件动步的转移是有条件的，转移条件在有向线上划一短横线表示，见图6-10，横线旁边注明转移条件。若同一级步都是动步，且该步后的转移条件满足，则实现转移，即后一静步变为动步，原来的动步变为静步。状态图的构成规则画控制系统功能表图必须遵循以下规则：2、转移与转移不能相连，必须用步分开。1、步与步不能直接相连，必须用转移分开。3、步与步之间的连接采用有向线，从上下或由左右画时，可以省略箭头。当有向线从下上或由右左时，必须画箭头，以明示方向。 4、至少有一个起始步。6.2.4状态图的基本形式状态图的基本形式 6.2.4.1 单一序
7、列与选择序列单一序列与选择序列59611(b)efgd345(a)e781213(c)mnp图6-11单一序列与选择序列6.2.4.3 并行序列并行序列3468d(a)图6-12并发序列的分支与合并2579(b)e6.2.5步进顺控指令应用注意事项步进顺控指令应用注意事项一、与一、与一、与一、与STLSTL步进触点相连的触点应使用步进触点相连的触点应使用步进触点相连的触点应使用步进触点相连的触点应使用LDLD或或或或LDILDI指指指指令，令，令，令， 二、初始状态可由其他状态驱动，但运行开始时，二、初始状态可由其他状态驱动，但运行开始时，二、初始状态可由其他状态驱动，但运行开始时，二、初始状
8、态可由其他状态驱动，但运行开始时，必须用其他方法预先作好驱动，否则状态流程必须用其他方法预先作好驱动，否则状态流程必须用其他方法预先作好驱动，否则状态流程必须用其他方法预先作好驱动，否则状态流程不可能向下进行。不可能向下进行。不可能向下进行。不可能向下进行。三、三、三、三、STLSTL触点可以直接驱动或通过别的触点驱动触点可以直接驱动或通过别的触点驱动触点可以直接驱动或通过别的触点驱动触点可以直接驱动或通过别的触点驱动Y Y、MM、S S、T T等元件的线圈和应用指令。等元件的线圈和应用指令。等元件的线圈和应用指令。等元件的线圈和应用指令。四、由于四、由于四、由于四、由于CPUCPU只执行活动
9、步对应的电路块，因此，只执行活动步对应的电路块，因此，只执行活动步对应的电路块，因此，只执行活动步对应的电路块，因此，使用使用使用使用STLSTL指令时允许双线圈输出，即不同的指令时允许双线圈输出，即不同的指令时允许双线圈输出，即不同的指令时允许双线圈输出，即不同的STLSTL触点可以驱动同一软元件的线圈，但是同触点可以驱动同一软元件的线圈，但是同触点可以驱动同一软元件的线圈，但是同触点可以驱动同一软元件的线圈，但是同一软元件的线圈不能在同时为活动步的一软元件的线圈不能在同时为活动步的一软元件的线圈不能在同时为活动步的一软元件的线圈不能在同时为活动步的STLSTL区区区区内出现。在有并行流程的
10、状态转移图中，应特内出现。在有并行流程的状态转移图中，应特内出现。在有并行流程的状态转移图中，应特内出现。在有并行流程的状态转移图中，应特别注意这一问题。另外，状态软元件别注意这一问题。另外，状态软元件别注意这一问题。另外，状态软元件别注意这一问题。另外，状态软元件S S在状态转在状态转在状态转在状态转移图中不能重复使用，否则会引起程序执行错移图中不能重复使用，否则会引起程序执行错移图中不能重复使用，否则会引起程序执行错移图中不能重复使用，否则会引起程序执行错误。误。误。误。五、在步的活动状态的转移过程中，相邻两步的状五、在步的活动状态的转移过程中，相邻两步的状五、在步的活动状态的转移过程中，
11、相邻两步的状五、在步的活动状态的转移过程中，相邻两步的状态继电器会同时态继电器会同时态继电器会同时态继电器会同时ONON一个扫描周期，可能会引发一个扫描周期，可能会引发一个扫描周期，可能会引发一个扫描周期，可能会引发瞬时的双线圈问题。瞬时的双线圈问题。瞬时的双线圈问题。瞬时的双线圈问题。 六六 、 并行流程或选择流程中每一分支状态的支路数不能超并行流程或选择流程中每一分支状态的支路数不能超过过8条，总的支路数不能超过条，总的支路数不能超过16条。条。七七 、 若为顺序不连续转移（即跳转），不能使用若为顺序不连续转移（即跳转），不能使用SET指令指令进行状态转移，应改用进行状态转移，应改用OUT
12、指令进行状态转移。指令进行状态转移。八、八、 STL触点右边不能紧跟着使用入栈（触点右边不能紧跟着使用入栈（MPS）指令。）指令。九、九、 需要在停电恢复后继续维持停电前的运行状态时，可需要在停电恢复后继续维持停电前的运行状态时，可使用使用55005899停电保持状态继电器。停电保持状态继电器。 6.2.6 单流程状态转移图的编程单流程状态转移图的编程单流程单流程所谓单流程就是指状态转移只能有一种所谓单流程就是指状态转移只能有一种顺序，没有其他的可能有单流程构成的顺序，没有其他的可能有单流程构成的状态转移图就叫做单流程状态转移图。状态转移图就叫做单流程状态转移图。编程方法和步骤如下：根据控制要
13、求，列出PLC的I/O分配表；将整个工作过程按工作步序分解，每个工作步序对应一个状态，将其分为若干个状态；理解每个状态的功能和作用，即设计驱动程序；找出每个状态的转移条件和转移方向；根据以上分析，画出控制系统状态转移图；根据状态转移图画出梯形图和指令表。编程实例编程实例控制工艺要求为：按下启动钮控制工艺要求为：按下启动钮SB，电机，电机M正转，台车前进，碰到限位开关正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机后，电机M反转，台车后退；小车后退反转，台车后退；小车后退碰到限位开关碰到限位开关SQ2后，台车电机后，台车电机M停转，停转，台车停车台车停车5s后，第二次前进，碰到限位后，第二次前进，碰到
14、限位开关开关XSQ3，再次后退；当后退再次碰到，再次后退；当后退再次碰到限位开关限位开关SQ2时，台车停止。时，台车停止。6.2.6.4 运用状态编程思想说明建立运用状态编程思想说明建立SFC图的方法图的方法图6-15台车自动往返示意图前进(Y021)后退(Y023)SQ2(X012)SQ1(X011)SQ3(X013)M启动SB(X000)图6-16台车往返状态转移图6.2.7状态转移图（状态转移图（SFC）转换成状态梯形图）转换成状态梯形图(STL）、）、指令表程序指令表程序 图6-17 台车自动往返控制的状态梯形图（STL图）和指令表 63 可编程控制器控制系统设计可编程控制器控制系统设
15、计6.3.1可编程控制器控制系统设计的原则可编程控制器控制系统设计的原则 PLC是现代工业自动控制的一种专用计算机，但其工作方式与通是现代工业自动控制的一种专用计算机，但其工作方式与通用计算机控制系统不同，与继电接触器控制系统也有本质的不同，采用计算机控制系统不同，与继电接触器控制系统也有本质的不同，采用的是扫描工作方式和用的是扫描工作方式和“软继电器软继电器”元件，设计时可采用硬件和软件元件，设计时可采用硬件和软件并行及模块化开发设计的方法，从而加快整个系统的开发速度。在进并行及模块化开发设计的方法，从而加快整个系统的开发速度。在进行行PLC应用系统的设计开发过程中，应遵循以下原则：应用系统
16、的设计开发过程中，应遵循以下原则：一、硬件设计原则一、硬件设计原则二、软件设计原则二、软件设计原则l6.3.2 可编程控制器控制系统设计的内容、可编程控制器控制系统设计的内容、步骤步骤l系统设计的主要内容系统设计的主要内容l系统设计的基本步骤系统设计的基本步骤6.3.3 可编程控制器控制系统的硬件设计可编程控制器控制系统的硬件设计PLC型号的选择型号的选择I/O模块的选择与分配模块的选择与分配电气图的绘制与安全回路电气图的绘制与安全回路6.3.4可编程控制器控制系统的程序设计可编程控制器控制系统的程序设计程序设计的方法比较程序设计的方法比较程序结构设计程序结构设计 一、对系统任务分块一、对系统
17、任务分块 二、程序设计思路与步骤二、程序设计思路与步骤程序设计其他内容程序设计其他内容程序模拟调试程序模拟调试6.5分析机械手的工作过程和控制要求分析机械手的工作过程和控制要求6.5.1机械结构机械结构6.5.2 工作过程工作过程图6-25 机械手控制流程图6.5.3 控制要求控制要求要求有多种工作方式，它由手动、回原点、单步、一个周期和连续工作要求有多种工作方式，它由手动、回原点、单步、一个周期和连续工作（自动）（自动）5种操作方式。种操作方式。手动操作时，用的按钮单独操作机构上升、下降、左移、右移、手动操作时，用的按钮单独操作机构上升、下降、左移、右移、放松、夹紧。供维修用。放松、夹紧。供
18、维修用。回原点，按下此按钮，机械手自动回到原点。顺序控制中，自动回原点，按下此按钮，机械手自动回到原点。顺序控制中，自动运行要有一个起始点，这就是原点。机械手工作时应从原点位置运行要有一个起始点，这就是原点。机械手工作时应从原点位置按启动按钮。按启动按钮。单步运行时，按动一次起动按钮，前进一个工步，供调试用。单步运行时，按动一次起动按钮，前进一个工步，供调试用。单周期运行（半自动），在原点位置按动启动按钮，自动运行一单周期运行（半自动），在原点位置按动启动按钮，自动运行一遍后回到原点停止。供首次检验用。若在中途按动停止按钮，则遍后回到原点停止。供首次检验用。若在中途按动停止按钮，则停止运行；再
19、按启动按钮，从断点处继续运行，回到原点处自动停止运行；再按启动按钮，从断点处继续运行，回到原点处自动停止。停止。自动控制工作时，按下启动按钮，机构从原点位置开始，自动完自动控制工作时，按下启动按钮，机构从原点位置开始，自动完成一个工作循环过程，并连续反复运行，若在中途按动停止按钮，成一个工作循环过程，并连续反复运行，若在中途按动停止按钮，运行到原点后停止。供正常工作用。运行到原点后停止。供正常工作用。6.5.4机械手机械手PLC选型与硬件设计选型与硬件设计一、操作面板的设计一、操作面板的设计图6-27机械手操作面板机械手控制I/O接线图图6-29 机械手控制I/O接线图6.5.5 机械手机械手
20、PLC的程序设计的程序设计l初始化程序和原点位置初始化程序和原点位置图6-30 该系统的初始化程序手动方式程序手动方式程序图6-31 手动控制程序原点方式程序原点方式程序(b)指令表图6-32回原点方式的顺序功能图及指令表S1S10RSTY001RSTY000Y002S11RSTY003Y004S12SETM8043RSTS12回原点初始状态X025X002上升结束X004左移限位放松复位“下降”输出上升复位“右移”输出左移回原点结束(a)功能图自动方式程序自动方式程序图6-33自动方式顺序功能图机械手控制系统梯形图图6-36 机械手控制系统梯形图66程序调试程序调试输入程序输入程序按上图的梯
21、形图正确输入程序。静态调试静态调试按上图的外部接线图正确连好输入设备，进行PLC的模拟静态调试，观察PLC的输出指示灯是否按要求指示，否则，检查并修改程序，直至指示正确。动态调试动态调试按上图的外部接线图正确连好输出设备，进行系统的动态调试，观察机械手能否按控制要求动作，否则检查线路或修改程序，直至机械手按控制要求动作。实训实训6-1 多台电动机顺序启动多台电动机顺序启动/停车停车的的PLC控制控制控制要求控制要求电动机顺序起动/停车（单流程步进） 所谓单流程是指状态转移只有一种顺序，它是状态转移的基本形式。图6-37为采用定时器控制电动机M1M4控制要求为：电动机M1M4按顺序起动，以相反顺
22、序停止。其状态转移图是以单流程为基础进行状态的跳转。图6-38是采用三菱FXGP编程软件编制的控制电动机M1M4按顺序起动，以相反顺序停止的步进梯形图程序及其对应的指令表。程序设计程序设计按照电动机顺序起动/停车控制的要求，编制PLC控制程序。按照要求连接PLC主机和输入/输出实验板，运行PLC控制程序，模拟电动机顺序起动/停车输入信号，观察输出结果。写出I/O分配表、程序梯形图。仔细观察实验现象，认真记录实验中发现的问题、错误、故障及解决方法。图6-37 电动机M1M4按顺序起动，以相反顺序停止。程序调试程序调试图6-37 电动机M1M4按顺序起动，以相反顺序停止控制顺序功能图实训实训6-2
23、 彩灯循环点亮的彩灯循环点亮的PLC程序程序控制控制一、控制要求一、控制要求彩灯循环点亮的PLC程序控制控制要求：按下启动按钮（AK1），彩灯 L1、L3、L5、L7 点亮，1S 后熄灭；同时彩灯 L2、L4、L6、L8 点亮，1S 后熄灭，以后照此循环下去，直到按下停止按钮（AK2）才停止。二、程序设计二、程序设计I/O（输入/输出点）分配X0：启动按钮 X1：停止按钮 Y1：红灯 Y2：绿灯 Y3：黄灯按控制要求和PLC I/O（输入/输出点）分配编制梯形图，并写出其指令表。三、程序调试三、程序调试装入应用程序，设置 PLC 为运行状态，按下启动按钮，彩灯按要求闪烁，按下停止按钮，彩灯停止闪烁。
