第3章 控制系统
3.1系统设计的基本步骤
机械手设计和调试的主要步骤，如下图所示：
（图3.1 系统设计步骤图）
3.2 控制系统的要求
机械手 动作过程：自原点起，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手开
始下降。当机械手下 降碰到限位开关时，下降电磁阀 断电，机械手停 止下降；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，上升电磁阀通 电，机械 手开始上升，直至碰到上限开关，上升电磁 阀断电停止上 升。使用伺服电机控制机械手 开始旋转，180°后机械手停止旋转。接通右移电阀使机械手 向右移动直 碰到右限位
开关，右移电磁 阀断电，机械手停止右移。左工作台无物料时光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。直至碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械 手停止下降，同时夹紧电磁阀断电机械手放 松，完成物料搬送。机械手放松后上升电磁阀 通电使机械手开始上升，碰到 上限位开关上升电磁阀断 上升 停止；接通左移 电磁阀，机械手左移，碰到左限位开关，机械手停止左移，机械手底座旋转180°回到原点， 完成一周期动作。
(图3.2机械手动作简图)
（图3.2机械手抓放运送功能）
3.3 系统及原理
（图3.3 控制系统原理图）
3.4 PLC的概述
PLC 是可编程控制器的简称。PLC 源于继电器控制技术，通过运行存储在其 内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所需要的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机，却并不等同于普通计算机。普通计算机进行输入输出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息输入输出的物理过程一般不考虑的。而 P LC 则要考虑信息输入 输出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用，特别要考虑怎么适应于工作 环境，比如，便于安装，便于维 护及抗干扰等问题，输入输出信息变 换及可靠 的物理实 现，可以说是PLC实现控制的两个 基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。它的功能要比继电器控制装置多得多，也强得多。根据PLC丰富的指令系统，各种各样的I/O 接口、通信接口，大容量的内存， 可靠的自身 监 控系统，可以知道PLC 的基本功能：准确定时功能；高速计数功能；逻辑处理功能；数据运算功能；中断处理功能；程序与数据存储功能； 联网通信 功能；自检测、自诊断功能。PLC 把这些功能集于一身，是别的电控器所没有的，也是传统的继电器控制电路所无法比拟的。PLC 丰富的功能为它的广 泛运用 提供了可能。
3.5 PLC的选择
在对 PLC 进行选择时要考虑很多方面，主要依据机械手控制系统工作过程的特点和应用要求，详细分析工作过程的特点、控制要求，明确任务和范围，确定所需要的操作和动作，然后根据控制要求估算输入输出点数，确定所需要存储器的容量、PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC 和设计相应的控制系统。
（一）存储器容量估算可变程序控制器本身提供的硬件存储单元大小就是存储器容量，它是存储器控制系统硬件的选择中用户应用项目使用的存储单元的大小，由此可以看出存储器的容量大于程序容量。由于程序容量在设计阶段是未知的，需要程序调试后才知道，所以要对存储器的容量进行估算。在估算时没有固定的公式，本课题设计的存储容量选择能存储2500条梯形图，这才有足够的空间供设计需要。
（二）输入输出点数估算输入输出点数的估算很重要，在估算时要考虑到适当的余量，通常在统计的 输入输出点数基础上增加10%-20%的余量，这就有利于PLC 有效控制。
（三）PLC 控制功能的选择 PLC 的控制功能有很多，包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等。本课题设计的机械手在控制功能的选择上并没有包含完 PLC 的所有功能，但是有几项主要的功能是这次设计必须的。 第一个就是控制功能，可编程控制器主要用于顺序逻辑控制，所以很多场合 采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制。其次是编程功能，这是每个 PLC 都必不可少的部分，编程功能又可以分为离线编程方式和在线编程方式两种。在 离线编程时可以降低系统成本，但是使用和调试不方便。而在线编程成本高，但 系统调试和操作方便。再一个功能就是诊断功能，PLC 的诊断功能包括硬件和软 件诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断又分为内 诊断和外诊断。PLC 的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的 要求。
（四）可编程控制器机型的选择 可编程控制器的种类繁多，型号各异，要选出适合本设计的 PLC 产品就要通 过对输入和输出点数的选择、对存储容量的选择、对响应时间的选择以及负载情况等进行分析。最后我决定使用三菱公司生产的FX 系列的FX2N-48MR 型号的可编程控制器作为机械手的控制器。
3.6 I/O接线图
系统的控制电路设计主要是 PLC 的输入、输出接线图设计，根据机械手的动 作过程和控制要求，确定 PLC 的型号和传感器，合理分配输入、输出点，得到系 统的PLC 输入、输出接线图，如图3.6 所示。
（图3.6 系统I/O接线图）
3.7 PLC梯形图
PLC 梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC 的第一编程语言。梯形图的最大优点就 是直观易懂，很容易被电气工人掌握，非常适合开关量逻辑控 制。PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等，它们不是真实的物理继电器，而 是一些存储单元，每一次继电器与PLC 存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。梯形图两侧的垂直公共线称为母线，在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图 的分析方法，