第一章 绪论
1.1机械手研究的现状
机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。 1.2 本课题研究的内容概述
本课题主要研究的是基于PLC的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。通过设计编制PLC程序实现机械手模型控制系统的自动控制。利用组态软件MCGS设计出人机界面，进行设备和数据对象的连接，实现动画连接，实现机械手的监控。通过MCGS将机械手的动作过程进行动画演示，使机械手的动作形象化。提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。 1.3 本课题研究的目的及意义
MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域中有着广泛的应用。本设计通过MCGS组态软件对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加形象化。
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第二章 PLC的介绍与选择
2.1 PLC的工作原理及主要技术指标
PLC采用周期循环扫描的工作方式，从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，从上到下，从左到右，逐条执行执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复进行的过程。
PLC扫描工作过程：
读输入阶段：S7-200将输入点的状态复制到输入映像寄存器
执行程序阶段：S7-200逐条扫描程序，并将数据放到相应数据存储器中。 处理通信阶段：S7-200执行通信任务。
CPU自诊断阶段：检查硬件，程序存储器，扩展模块等是否正常。 读输出阶段：S7-200将输出映像寄存器的内容复制到物理输出点。 PLC的工作过程
(1)自诊断检查CPU等内部硬件，对监视定时器（WDT）复位以及其它工作。 (2)编程器或计算机等通信与其它智能装置（如编程器、计算机等）实现通信 。 (3)输入采样按顺序对所有输入端的状态进行采样，并存入相应寄存器。 (4)程序执行对用户程序扫描执行 ，并将结果存入相应的寄存器。
(5)输出刷新将寄存器中与输出有关状态，转到输出锁存器，输出驱动外部负载。 主要技术指标： 1.I/O点数
指PLC外部输入和输出端子数。 2.用户程序存储容量
用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。 3.扫描速度
指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。 4.指令系统条数
指PLC具有的基本指令和高级指令的种类和数量。种类数量越多，软件功能越强。 5. 内部寄存器 6. 高功能模块 2.2 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：
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电源
图2-1 PLC硬件结构图
图1 PLC结构图
外部设备 外设I/O接口 输入信号 输入部件 微处理器 运算器 控制器 I/O 扩展接口 I/O 扩展单元 输出部件 受控元件 存储器 EPROM 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。 2.3 PLC的特点 (1)灵活性和通用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 (2)可靠性高，抗干扰能力强。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。 (3)编程语言简单易学
PLC是面向工矿企业的工控设备。它采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面
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向工业控制的简单指令。这种梯形图语言既继承了传统继电器控制线路的表达形式（如线圈、触点、动合、动断），有考虑到工业企业中的技术人员的看图习惯和微机水平。易于为工程技术人员接受和掌握。
(4)与外部设备的连接简单，使用方便，改造维护方便
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短。同时PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，日常维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。 (5)功能强，功能的扩展能力强
其一PLC利用程序进行定时，记数，顺序，步进等控制，十分准确可靠。其二，PLC还具有A/D和D/A转换，数据运算和数据处理，运动控制等功能。此时它既可以对开关量进行控制，又可以对模拟量进行控制。其三，PLC具有通信联网功能，因此它不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个群机，多条生产线，它既可以现场控制，也可以远距离对生产过程进行监控。 (6)设计、施工、调试周期短
由于PLC是通过程序实现对系统的控制，所以设计人员可以在实验室里实际和修改程序。更为方便的是可在实验室进行系统的模拟运行调试，使现场工作量大为减少。
(7)易于实现机电一体化
由于PLC内部电路主要采用半导体集成电路，具有结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗震防潮和耐热能力强等特点；更由于它有很强的抗干扰能力，能适应各种恶劣的环境，因而它已成为实现机电一体化十分理想的控制装置。 2.4 PLC的主要功能
PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。 PLC系统主要有以下功能： 1多种控制功能； ○
2数据采集、存储与处理功能； ○
3通信联网功能； ○
4输入、输出接口调理功能； ○
5人机界面功能； ○
6编程、调试功能。 ○
PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，
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满足工业与民用控制的更高需求 2.5 PLC的发展及应用
现代PLC的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。
1、大型网络化
主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。
2、多功能
随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。
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