机电综合实训课程设计-基于西门子S7-200PLC控制的机械手项目技术报告.doc

概 要本文介绍了用plc s7-200为控制电路主元件，外加电器系统，输入输出电路，构成了整体的实训项目。通过plc控制机械手来模拟工业生产过程中机电设备的工作原理。工业机械手的任务是搬运物品，要求把物品从一个工位搬到另一个工位，如下图所示。机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制，这样使我们能更近距离地了解工业生产过程。目录前言第一章 机械手简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .511 机械手概念12 机械手总体结构第二章 plc介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .621 plc发展史22 plc应用23 plc特点第三章 汽缸简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .831汽缸概念与汽缸分类32汽缸结构与工作原理第四章 相关元气件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .941电磁阀介绍42传感器介绍第五章 项目的实施. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 51机械手的控制要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 52机械手总体设计方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11521主程序522公用程序53绘制原理草图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13531开关原理图532plc外部接线图533机械手气动原理图 54元气件选型计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 55输入/输出地址分配表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 56绘制流程图或顺序功能图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 57机械手程序设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 58系统的安装与调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 581系统安装工具582系统安装记录583系统安装故障分析及解决方法584安装验收表结论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27前言为工业机械手研制一个技术性能优良的控制系统，对于提高工业机械手的整体技术性能来说具有十分重要的意义。本设计正是针对这一课题，选择了可编程控制器(plc)作为工业机械手的控制系统，这对提升工业机械手的整体技术性能起到了良好的作用。 本设计的控制对象是由一个搬运机械手组成的机械手，每个机械手完成8个基本动作。机械手由气缸驱动，气缸受电磁阀控制。限位开关检测机械手是否到达固定位置。可编程控制器(plc)控制机械手的动作，实现机械手群的自动运行。本设计可编程控制器(plc)选用西门子（siemens）公司s7-200系列的cpu224，并扩展了em221模块和em222模块。机械手的开关量信号直接输入plc，plc通过中间继电器对电磁阀加以控制。本设计的重点放在plc各硬件部分的设计和介绍、plc梯形图的编写上。在整体设计过程中按照“提出问题，分析问题，解决问题”的主导思想，对整个系统的设计工作做出了细致的阐述。第一章 机械手的简介 11机械手的概念能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，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机械手的总体结构本文设计的机械手主要包括机械手的旋转、大臂的伸缩、小臂的升降、手抓的松紧。各关节均采用电磁阀作为驱动装置，在机械大臂伸缩和小臂的升降以及手抓的松紧环节都配有传感器，并编制了能满足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及4关节联动控制。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。第二章 plc介绍21 plc发展史第一代：1969年1972年，代表产品有 美国dec公司的pdp-14/l 日本立石电机公司的scy-022 日本北辰电机公司的hosc-20 第二代：1973年1975年，代表产品有 美国ge公司的logistrot 德国siemens公司的simatics3、s4系列 日本富士电机公司的sc系列 第三代：19761983年，代表产品有 美国gould公司的m84、484、584、684、884 德国siemens公司的simatics5系列 日本三菱公司的melplac-50、550 第四代：1983年现在，代表产品有 美国gould公司的a5900 德国西门子公司的s7系列22 plc应用目前，plc在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1开关量的逻辑控制这是plc最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（analog）和数字量（digital）之间的a/d转换及d/a转换。plc厂家都生产配套的a/d和d/a转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3运动控制plc可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量i/o模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要plc厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，plc能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。pid调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型plc都有pid模块，目前许多小型plc也具有此功能模块。pid处理一般是运行专用的pid子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5数据处理现代plc具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6通信及联网plc通信含plc间的通信及plc与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各plc厂商都十分重视plc的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的plc都具有通信接口，通信非常方便23 plc特点1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。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。例如三菱公司生产的f系列plc平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余cpu的plc的平均无故障工作时间则更长。从plc的机外电路来说，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，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2配套齐全，功能完善，适用性强plc发展到今天，已经形成了大、中、小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，现代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。近年来plc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。3易学易用，深受工程技术人员欢迎plc作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用plc的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造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改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5体积小，重量轻，能耗低以超小型plc为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。第三章 汽缸简介31汽缸概念与汽缸分类本次实训主要用到的是双作用式气缸、单作用弹簧复位式气缸和摆动气缸。双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。其结构可分为双活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。32汽缸结构与工作原理双活塞杆双作用气缸双活塞杆气缸有缸体固定和活塞杆固定两种。缸体固定时，其所带载荷（如工作台）与气缸两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一腔排气），活塞杆带动工作台左右运动，工作台运动范围等于其有效行程s的3倍。安装所占空间大，一般用于小型设备上。活塞杆固定时，为管路连接方便，活塞杆制成空心，缸体与载荷（工作台）连成一体，压缩空气从空心活塞杆的左端或右端进入气缸两腔，使缸体带动工作台向左或向左运动，工作台的运动范围为其有效行程s的2倍。适用于中、大型设备。单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现一个方向运动。其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力等。气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。由于以上特点，单作用活塞气缸多用于短行程。其推力及运动速度均要求不高场合，如气吊、定位和夹紧等装置上。单作用柱塞缸则不然，可用在长行程、高载荷的场合。回转气缸（摆动气缸），主要由导气头、缸体、活塞、活塞杆组成。这种气缸的缸体连同缸盖及导气头芯被其他动力（如车床主轴）携带回转，活塞及活塞杆只能作往复直线运动，导气头体外接管路，固定不动。固转气缸的结构为增大其输出力采用两个活塞串联在一根活塞杆上，这样其输出力比单活塞也增大约一倍，且可减小气缸尺寸，导气头体与导气头芯因需相对转动，装有滚动轴承，并以研配间隙密封，应设油杯润滑以减少摩擦，避免烧损或卡死。回转气缸主要用于机床夹具和线材卷曲等装置上。第四章 相关元气件41电磁阀介绍电磁阀是用来控制流体的方向的自动化基础元件，属于执行器；通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。我们以液压油为流体来说明电磁阀的工作原理：其工作原理是电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。介质为气体时与之类似。此次实训用到的是三个三位五通电磁换向阀和一个带有弹簧复位的二位三通电磁换向阀，并且以气体作为介质。电磁阀在工业应用当中处于很重要的位置，其性能的好坏直接影响着整个控制过程，不容忽视。42传感器介绍传感器,也就是对一些非电量如:压力、力矩、应变、位移、速度、温度、流量、液位、重量等进行检测的元件，在现代化的自动检测、遥控和自动控制系统中，这是必不可少的部分。什么是传感器？传感器指能感知某一非电量的信息，并能将之转化为可加以利用的信息的装置。或者说是将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系的电量信号输出的器件或装置。传感器有时也叫做变换器、换能器或探测器。传感器一般是利用物理、化学、生物等的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制的。通常由敏感元件、传感元件（转换元件）、测量电路（信号调节与转换电路）和辅助电源几部分组成。如图11所示。传感器应用技术：传感器的供电电源一 电池：锰干电池、碱性电池、锂电池和镍电池等二 整流与稳压电路 三 直流电压变压器 四 偏置电路传感器接口电路一 输出信号 数字开关量、数字脉冲序列、模拟量、数据帧等二 数字开关量有触点、无触点 三 数字脉冲序列四 模拟量：1，种类2，a/d转换3，信号输出:有源、无源接线差别，以plc系统举例4，电路回路加保险丝5，常归处理手段：大、小信号切除；移动滤波等6，精度概念：12位、14位、16位等7，与单片机：1）消除噪声办法2）软件接口：查询方式；中断方式；消抖处理传感器线性化一、硬件方法电阻（热电阻）补偿法、折线补偿法、幂级数近似法、正反馈法、对数法二、软件方法线性插值法、二次曲线插值法、查表法工厂接地一、地的类型1、机壳地（屏蔽地）：机壳与大地处于相等地位，作用在于保护人生安全、防静电、磁感应、屏蔽外界干扰2、交流地：交流电源的n线，产生躁声，家用空开箱，二相进户、n线接外壳3、直流地：直流电源标准电压的起点，非浮空的直流电源就把它作为地线4、信号地：传感器的地，一般与保护地（大地连接）5、数字地：数字信号等电位点；模拟地：模拟信号等电位点第五章 项目的实施51机械手的控制要求一个将工件由a处传送到b处的机械手，左旋/右旋和伸出/缩回的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀通电就一直保持现有的机械动作，另外，夹紧/放松和上升下降，由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电动作，断电就返回原来动作。设备装有上、下、和左、右限位开关，工作过程有10个。 52机械手总体设计方案521主程序sm0.0的常开触点一直闭合，公用程序是无条件执行的。在手动方式下，i2.0为on，执行手动子程序。在自动回原点方式，i2.1为on，执行回原点子程序。在其他三种工作方式下自动子程序。图5-1主程序522公用程序用于处理各种各种方式偶要执行的任务。左限位开关i0.5，上限位开关i0.2,，转臂左限位开关i0.3的常开触点和机械手q0.4的常闭触点的串联电路接通时，原点条件为on,sm0.1为on，开始执行用户程序。i2.0或i2.1为on时，m0.0被置位，为单步，单周期和连续工作方式做好准备。绕过m0.5为off状态，m0.0将被置位初始步为不活的步，按下启动按钮，也不能进入m2.0，系统不能在单步，单周期和连续工作方式进行。图5-2公用程序53绘制原理草图531开关原理图与plc外部接线图532机械手气动原理图 54元气件选型计算解：经查资料：假设大臂伸出到缩回距离均为50mm120mm，气缸行程在大臂行程的基础上加020mm余量。假设小臂下降或上升的距离为100mm120mm，并且选用夹紧型。参数计算：大臂气缸选用国产qg*(830)行程250mm，缓冲型为最佳；小臂气缸选用qg*（4063）行程150mm（夹紧型）摆动气缸选用crb，举例（10mm）角度公差0+50 ，有无润滑均可工作型。 大臂 活塞输出力 f1=4d2p-f2=40.0252*0.8*106=392.5n塞原计算 =dpe2（tt取1.5p，=/s）=0.025*1.5*0.8*1062*13*1064*0.0252=0.002mm缓冲计算：e1=ed+em+eg-e&,其中ed=p.a.s(s-行程，a-面积)故 ed=0.8*106*4*0.0252-0.2=78.5n,em=12mv2=12*0.89.8*0.22=0.0016neg=g1*s1q1:缸排气量；ef:e&.sef:总摩擦力， 则 e&=0,故g=78.5016ne2=610.1p2v2pp2*6-16-1=3.5p2v2pp2*0.286-1注：p2：气缸排气的压力；v2缓冲柱塞堵死缓冲；p3缓冲气室内最后气体压力k：气体绝对指数（空气中k=1.4）故e2=1.41.4-1*0.2*106*0.2*0.4*1060.2*106*1.4-11.4=3066.9缓冲装置满足工作条件：e1e2 含量计算：qr1=4*d2-st1,qr2=4*(d2-d2)st2=4*0.0252-0.01220.8*0.2=1.46*10-3m3/s计算小臂与大臂相似，结果f1=1570n,则d=25.8mm,&=0.314mm,e1e2,gv1=3.9*10-4m3/s确定电磁阀型号，根据以上参数得：采用三位五通电磁阀；型号：v.fs/420-00-00-01型。开关电源：开关电源输入220v交流电，输出24v直流 选择型号：4b1fa2a-1397 电磁阀线圈共7个，每个5w，cpu直流供电，750ma*2v=15w由于内部损耗大约为10wp=7*5+15+10=60w，p总=2p=120w，取150w，得型号150w变压器选取通常型号为bk 150va变压器断路器选型电源断路器qf，主要用于给变压器可编控制器等提供电源，因此qf的选择为6a断路器。 55输入/输出地址分配表名称地址功能下限位开关i0.1手爪动作上限位开关i0.2大臂缩回转臂左限位i0.3回到初始状态转臂右限位i0.4气缸右转左限位开关i0.5气缸旋转右限位开关i0.6小臂下降上升i0.7小臂上升伸出i1.0大臂伸出左转i1.1气缸左旋下降i1.2小臂下降缩回i1.3大臂缩回右转i1.4气缸右旋松开i1.5手爪松开夹紧i1.6手爪夹紧手动i1.7切换到手动状态回原点i2.0切换到初始状态单步i2.1切换到单步状态单周期i2.2切换到单周期状态连续i2.3切换到连续工作状态起动i2.4动作开始停止i2.5结束动作右转q0.0气缸右旋左转q0.1气缸左旋伸出q0.2大臂伸出缩回q0.3大臂缩回夹紧q0.4手爪加紧下降q0.5小臂下降上升q0.6小臂上升 56绘制流程图或顺序功能图57机械手程序设计自动程序网络1网络2网络3网络4网络5网络6网络7网络8网络9网络10网络11网络12网络13网络14网络15网络16网络17网络18网络19网络20网络21网络22回原点网络1网络2网络3网络4网络5网络6网络7网络8网络9网络10网络11网络12网络13网络14网络15 58系统的安装与调试581系统安装工具序号工具描述规 格数 量1t形内六角扳手10，8，6，4，cr，v1套2万用表mf-471只3活动扳手150191把4开口扳手4把5套板1把6压线钳bs-6202131把7剥线钳bs-022061把8一字起1把9十字起1把表5-1-1 系统安装工具表l t形内六角扳手 用于安装过程中的特殊螺钉联接的安装与拆卸。l 万用表 用于安装与工作过程中的电流，电阻等信号检测工作。l 活动扳手 用于安装过程中一些螺栓/螺母联接的安装与拆卸。l 开口扳手 用于安装过程中一些螺栓/螺母联接的安装与拆卸。l 套 扳 用于安装过程中一些螺栓/螺母联接的安装与拆卸。l 压线钳 在安装过程中进行压线，以便操作。l 剥线钳 用于安装过程中一些需要进行剥线工作的操作步骤。l 一字起 用于安装过程中一字形螺钉的安装与拆卸。l 十字起 用于安装过程中十字形螺钉的安装与拆卸582系统安装记录经过小组讨论，我们制订出了正式的系统控制方案，绘制出了系统硬件原理图，然后在此基础上对主要技术参数进行了计算与校核，并完成了以下工作：选定元器件的型号与规格；完成输入/输出地址的分配；完成梯形图和顺序功能图；进行安装工作的准备，选择安装与调试工具。以上工作的完成，使得控制系统的安装与调试工作得以顺利进行。在安装的过程中，我们遇到了一些困难，有些是技术上的不足引起的，有些是安装人员的疏忽引起的。当困难出现在我们面前的时候，我们并没有灰心丧气，而是大家一起积极地讨论、分析了那些专业技术上的模糊点，又通过请教指导老师、和他组同学交流、查阅书籍资料等途径，将这些问题都一一解决了。583系统安装故障分析及解决方法序号安装中遇到的困难解决方法1接线端子两端线较乱从上到下一根线一根线地接2plc控制程序不能在电脑上保存拷到移动硬盘里3无动作对照输入分配表并对各个限位传感器的控制开关正确连接4输入地址与电磁阀不能很好地对应一步一步从接线端拉到另一头，一根线一根线地接5左右限位在实体上分不清先接一下，运作一下试试看是否对应6部分传感器不灵敏更换了新的传感器7动作按钮无法与机械手各个动作相对应在动作按钮盘标注一下，以便区分8表5-1-2 安装记录表584安装验收表序号出现的问题原因分析解决方法备注1无动作程序有问题修改程序2连接有误根据程序图